第8章 模型库及其管理系统

模型与模型库的基本概念第8章模型库及其管理系统模型生成技术模型管理技术模型管理和数据管理的结合与结构•模型概念•模型特点•模型群和模型体系•模型库8.1模型与模型库的基本概念模型是以某种形式对一个系统的本质属性的描述，以揭示系统的功能、行为及其变化规律。模型概念逻辑推理法实验法模型法模型是客观世界的一个表征和体现，同时又是客观事物的抽象和概括•模型比现实世界容易操作，尤其一些参数值的改变在模型中操作比在实际问题中操作更容易。•有些实际问题，很难、甚至根本不可能做实验，通过建立模型可以克服这种困难，而且模型比现实容易理解一些。•有些变量在现实中需要很长时间才能观察出它的变化情况，但用模型研究则很快看出变化规律，从而能最迅速抓住本质特征。•用模型研究变量之间的关系，可以节约时间，降低费用。•可以通过模型进行灵敏度分析，以便看出哪些因素对系统影响更大。模型特点分析研究对象建模者想象力、技巧和创造性模型知识外部环境内部各要素之间的相互关系模型特点模型群(1)预测模型群(2)系统结构模型群(3)数量经济模型群(4)优化模型群(5)不确定模型群(6)决策模型群(7)系统综合模型群模型群和模型体系模型体系是针对某一具体的系统工程课题，在利用模型技术分析、规划、评价该课题时，它可以应用不同模型群中的模型，也可以应用不同种类的模型，构成了解决这一系统工程课题的模型体系。多层次性多形式多功能3个特点模型群和模型体系模型库是提供模型存储和表示模式的计算机系统。在这个系统中，还包含一个以上适当的存储模式进行模型提取、访问、更新和合成等操作的软件系统，这个软件系统称为“模型管理系统”。模型库(modelbase)和模型软件包(modelpackage)的重要区别在于：在模型库中模型的存储模式和求解过程并不相连，并不是为某一目的而建立的独立程序及其集合，而是以基本模块和基本要素为存储单元的集合。从理论上讲，利用这些基本单元，可以构造任意形式和无穷多个模型。模型库基本单元采用不同的存储方式，目前主要有以下3种。•模型的程序表示：传统的模型表示方法，适用于描述结构化的计算模型•模型的数据表示：参考数据库、模型数据库、用户数据库•模型的逻辑表示：确定输入输出之间的逻辑关系，定量和定性描述模型库传统建模方法及其缺陷模型生成技术模型生成的一般步骤模型的动态生成8.2模型生存技术u表示实体的控制变量y表示实体的观测变量所谓建模就是根据u和y寻找实体的描述方式，即模型传统建模方法及其缺陷传统的建模方法面临6个主要的问题：(1)建模所必要的数据往往难于获取，或者不能满足建模的要求(2)根据模型所得的计算值与实际的观测值之间有时存在很大的差异，因此模型被否定(3)对于一个复杂的、综合性很强的实体，建模工作十分困难(4)管理人员难于理解大型的复杂模型，因此往往不信任这种模型，在利用模型进行重大决策时，不愿意接收不理解其来由的建议和方案(5)建模方法中，有一种趋势是用一组简单模型来模拟复杂问题(6)一般来讲，传统的建模方法没有使决策者和利用模型做决策的过程进行充分的交互传统建模方法及其缺陷模型生成技术模型生成过程具有如下4个特点：(1)模型在系统内的主要存储方式是非程序式的(2)在生成模型的过程中，采用定量建模和推理分析相结合的技术(3)模型生成在人机交互中完成(4)模型生成应该是一个动态过程模型生成技术DSS所研究的模型生成环境并不是实体仿真环境的具体内容，而是为了构造仿真环境，在DSS中应该具备的条件和软件框架，人们称之为模型的框架环境。设计框架环境时应该考虑如下5个问题交互方式模型表达方式定量计算能力推理分析框架框架环境的管理模型生成的一般步骤模型生成经历的一般步骤系统分析确定模型的描述方式参数设定模型评价和结果检验模型求解报告输出模型生成的一般步骤举例说明多目标线性规划模型生成系统构模型生成系统工作流程系统的结构模块功能描述模型生成系统工作流程模型的动态生成模型的动态生成：根据系统的内因和外因变化修改模型，使之跟踪系统运动形态的过程。一般模型的动态生成包括仿真环境跟踪、模型参数更新、模型重构和推理调整等方面的内容。一般模型的动态生成仿真环境跟踪模型参数更新推理调整模型重构仿真环境跟踪(tracingofsimulationenviroment)模型的动态生成仿真环境修改数据的增加或删除描述解释变量和参数的变化系统仿真模型的变化知识更新•模型参数更新当系统的内因或外因发生变化时，模型的结构不发生变化，仅变更模型的参数就可以了。在DSS中，模型参数的修改最好用人机交互来修改模型参数。•模型重构(modelrestructure)系统的环境变化和内部因素的变化都会引起模型结构的变化，这就涉及模型重构的问题。•调整推理(reasoningadjustment)系统的内因和外因发生变化不仅影响模型的计算结果，而且还影响模型的推理分析。模型的动态生成8.3模型管理技术模型管理系统的主要研究内容模型管理系统模型管理系统（modelmanagementsystem,MMS）模型管理技术的发展过程MMS功能要求:•模型表示方法可以将模型分解成基本单元，并能以知识的形式存在，使模型成为系统的一组共享资源。•模型的存储技术适用于整个管理过程，并且与数据库管理技术和知识表示技术兼容。•系统能够根据用户描述问题的性质和环境条件选择适当的模型;模型应用规则能保证用户在模型库中正确地使用模型。•模型维护和集成技术可以扩展模型库的适用范围，即当模型库中没有现成的模型接近新的问题性质和环境条件，应能构造出符合问题条件的混合模型。•模型生成技术应为用户提供足够的建模知识和算法，在交互过程中完成对新问题性质和条件的建模。模型管理系统（MMS）MMS为生成模型和管理模型提供一个用户友好环境的计算机软件系统。模型管理技术的发展过程子程序库模型软件包模型管理系统人工智能管理方法简单复杂模型管理系统的主要内容模型管理系统模型规范建模操作运行操作使用管理模型表示零值处理解释系统（交互系统）问题抽象模型生成模型体系的生成完善性检查校验验证模型的使用生成一致性进入权模型选择检索联合访问8.4模型管理和数据管理的结合与结构DSS模型库数据库入机接口模型管理系统应满足以下4个要求(1)能支持各类用户的不同要求，模型用户可分为信息用户(决策者)、模型建立者、工具建造者三类，模型管理系统应支持这三方面的用户。(2)系统应能把模型和数据结合起来，提供模型库和数据库之间的公共接口。(3)能够通过DSS通用的用户接口模块同用户通信。(4)由于许多DSS是在分布环境中为多个用户开发，因此，模型共享就成为设计模型管理系统的一个重要方面。其中数据和模型接口最为重要在DSS的开发中，应重点研究模型管理和数据管理的结合和实现模型管理和数据管理的结合从软件设计的角度看，模型管理和数据管理有机结合模型管理和数据管理的发展过程模型管理和数据管理的结合特点缺陷第一代模型和数据在单独的应用程序中结合起来，程序员不仅要编制程序的计算过程，还要设计数据结构，并把两者结合起来。效率很高开发模型费时、昂贵，也难于维护第二代利用应用程序的公共计算过程，以程序包的形式收集，这些子程序包提供了统计和矩阵的运算。把计算工作可以看做一个函数模型的输入转化为解决问题而用的输出工具与问题域是无关第三代广泛使用DBMS管理复杂的数据库，模型和数据通过数据库管理语言结合在一起。模型太多，这种方法的性能则不能令人满意第四代把模型和数据有机地结合。减少重复、增强灵活性、模型共享第四代模型管理系统的结构外部层逻辑层物理计算层模型管理系统的结构第四代模型管理系统的结构外部模式是输入到输出映射的逻辑表示，反映了信息用户的视图，用户关心的是在有限输入情况下可能的输出INPUT（模型名，输入名）OUTPUT（模型名，输出名）此种关系模式的优点：(1)该关系模式可存储在数据库中，既可简化模型检索和存储，又可简化模型库和数据库的结合。(2)高度模块化，独立于模型的逻辑计算顺序，逻辑计算层和物理计算工作的变化对这层影响很小。(3)用户甚至可以不知道模型名就可以输出信息，用户通过用户接口输入数据、输出定义名称，这样系统就可通过输入、输出名检索模型、运行模型，再把输出值告知用户。另外，还提供用户一个模型目录，用户也可自选适宜的模型。第四代模型管理系统的结构逻辑结构反映了模型中用到的计算工具之间的逻辑关系，把模型的各元素合理地组织起来，由外部模式调用。逻辑结构层对模型的处理需两种语言，即模型定义语言(MDL)和模型操纵语言(MML)。MDL定义模型的每个组成部分，包括模型名、输入要求、输出数据、工具和其他相连接的模型，MML涉及模型的操作，如建立、存储、修改、增加、删除、连接、使用等第四代模型管理系统的结构一个模型结构如下所示：Name:ModelnameOUTPUT:output,…INPUT:input,…TOOL:optional,…MODEL:optional,…BEGINUSEtoolIFconditionTHENLINKModelELSEUSE(tool2)END第四代模型管理系统的结构物理计算工具库中的每个工具都是独立的模块，工具之间不能相互通信，而是通过逻辑层和物理工具层的接口相连接。接口第四代模型管理系统，不同层之间的接口起着重要作用，一般有两个重要接口。一个是模式—模型接口，它是外部模式和逻辑结构之间的接口，一般具有如下功能：(1)基于模型的逻辑结构来建立模型的外部模式，并把它存储在模式库中。(2)在模式库中检索到某模型的外部模式并执行命令时，运行该模型的逻辑结构。(3)变换两层的数据和命令。(4)作为两层之间的缓冲，保持各自的独立性。另一个是模型—工具接口，它是逻辑结构和计算工具之间的接口，一般具有如下功能。(1)当模型调用时，执行相应的工具。(2)变换两层的数据和命令。(3)作为两层间的缓冲，保持各自的独立性。