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1、豆丁网常用定性推理方法的物理模型仿真分析吴兴龙 河海大学计算机及信息工程学院，南京（210024） E-mail: 摘要：定性推理是基于现实世界的常识推理，符合人们对不确定信息的定性式描述，对系统的动态特性和时态推理能力较强。上世纪 80 年代出现了两种主要定性推理方法，即 Envision 方法和定性进程理论，取得了丰硕的成果，并成为了定性推理领域研究的基础理论。 本文以斜上抛小球为实验模型，对上述两种定性仿真方法进行了详细的模型分析，并对其优 缺点以及适用范围进行了总结。关键词：定性推理；展望；定性进程理论 中图分类号：TP391.91.引 言随着人们生活水平的提高，各类要素之间联系日益趋
2、于复杂，由此导致决策问题的不 确定性、多样性在不断提升，大量非结构化问题的涌现，数据量空前繁杂，对建模以及推理 带来了不小的难度，如何在浩瀚的海量信息中、多种因素夹杂影响下寻找出有用的规律，对 数据的分析、管理组织以及表示方式和系统的推理机构的智能处理能力提出了挑战。定性推理的出现使得系统在结构描述上呈现出了多样性，在一定程度上解决了知识的 表示以及系统状态的时序推理等问题。由于定性推理起源于对系统物理结构的描述，可以预 见在未来有很大的发展空间。目前，定性推理涵盖的范围已经从早期的特定物理学问题(如 动力学等定性物理问题)延伸到人类生活各类系统中。Iwasaki 指出，定性推理发展至今，已
3、经包含了物理的，认知的，生态学的，经济学以及社会学等领域在内的研究1。基于定性推理的计算机仿真是以非量化输入为主要信息处理手段，进行建模、行为分 析和输出等环节，通过定性建模推导系统的定性行为状态，得到系统的行为功能描述2。2.定性推理简介定性推理(Qualitative Reasoning)起源于对特定物理现象的研究，但至今对定性推理的还 未有一个公认的定义，一般采纳 Williams 和 de Kleer 在 1991 在人工智能定性推理专辑 上的论述，即对物理机制的假设、测试、预测、创新、优化、诊断和查错时运用的核心技术 的理论1。定性推理基于对系统的结构描述，按特定的约束条件和初始条件
4、，定性地推导出系统 的行为特性，预测系统未来的行为，并能给予解释，从上可以看出，定性系统对实际物理系 统的描述由三部分构成：(1) 对系统结构的描述；(2) 对系统行为的描述；(3) 从结构描述到行为描述的转换过程。 通过上述三步，在系统的结构描述基础之上，对物理系统行为表现了一种理解和可解释性，对于它们之间的关系和因果性进行了全局性模拟，对不完全、模糊信息处理能力突出， 在较高层次上给出了系统的宏观描述。- 4 -3.定性建模原则下面说一下建模过程中需要注意的 3 项原则1。3.1 可合成原则(Compositionality)要求系统的行为描述必须从系统的结构中得出。按照最小单位原则，把系
5、统的结构分 解为单一的子部件，然后建立每个子部件模型的结构描述以及他们之间的相互关系。这样， 子部件在系统中完成一定的行为，表达子部件之间相互作用的影响，物理系统的整体行为通 过子部件之间的相互作用进行推导。3.2 局部传播原则(Locality)在定性推理中，部件的行为和状态变化是局部传播的，即部件只与直接相邻的子部件 之间发生作用，传递影响，并且认为，除了特定的情况以外，相互作用的传递都是瞬时的。3.3 系统功能原则(Functionality)被建模的系统必须具备一定的功能，这些功能来自于子部件的整体作用，反映了系统 行为与人类目标之间的关系，用来说明系统是可以被解释的。基于功能性原则，
6、我们可以在 对系统行为的基础上进行系统设计的扩展和优化。除了以上三项原则之外，de Kleer 和 Brown 提出了结构无功能原则，子部件不独立含 有整体系统的行为特征，另外，Simon 在因果顺序分析中提出了约束了系统模型的建造过程 的自适应原则等，上述原则从理论上进一步保证了模型在对系统描述上的有效性和可靠性。3.4 实验系统定义本文中的定性推理方法(算法)的分析均利用上斜抛小球作为物理系统分析用例。如图 1所示：yv0x图 1 球斜上抛子系统小 球 上抛速 度 v ，且 v (0,+) ，与 水平 面成 夹角 ，为 简化 模型 计算 ，令 0, / 2 ，水平方向的位移为 x ，水平速
7、度为 vx = v cos ，垂直位移为 y ，垂直速度 为 v y = v sin + gt ，加速度大小为 a = g ，且方向 a 0 。4.定性推理方法及其模型分析4.1 Envision 方法在 Envision 方法中，系统包括系统中的任何行为变化子过程都被认为是由子部件及其 行为的合成，系统的行为状态来自于子部件行为状态的叉乘，该方法通过状态图来描述系统 的行为。Envision 方法用部件及其连接来表达系统的定性结构，用定性微分方程来描述参量 之间的约束，从给出的初始状态出发求解定性微分方程组进行对系统行为状态的预测。所有 合法的状态和状态迁移组成物理系统的全部展望空间3。对上
8、述斜抛小球示例来说，物理约束关系有 y = vt sin + gt 2 / 2 ， x = vt cos ，a = dv dt， a = g ，由此得到如下定性方程：x = v表 1 为列出的小球运动的所有状态。表 1 小球运动的所有状态状态s0s1s2s3s4s5s6xy00vx v 0ay下面按照表 1 中的状态转换规则约束进行处理。(1)连续规则约束在量空间 S = +,0, ? 上，在上表中，小球的定性状态从+到状态(或从到状态+)， 中间必须经过定性状态 0。(2)渐进约束从状态 s3 的前后状态出发，a对于 v y 的影响是遵循一阶线性单调规则，即，33yyy若 v(s )= 0
9、，则如果 dv(s )= + ，则 v3y(s4)= + ，如果 dv(s )= ，则 y4v (s)= 。零过渡原则 从零变化/变化到零，需要一个零/非零的时间区间。s3s6 s0s4s1s5 s2图 2 小球上斜抛状态转换图从图 2 看出，斜上抛小球的定性行为序列是，v y 从到 0 再到+， y 从+变到 0，等， 并且对这些定性子状态组合后进行约束，组成了斜上抛小球的定性描述。4.2 QPT 理论定性进程理论(Qualitative Process Theory，QPT)对系统的表示是使用个体视图和进程来 进行表达的，它使用有限元素的偏序关系来度量模型参量，动态确定个体视图是否存在，是
10、 否需要被创建，进程是否是活动以及是否需要激活。因此，某个时刻的量空间即来自于该偏 序关系中的元素45。QPT 采用 Allen 时间表示法，在时间区间中描述系统的进程模型与表示系统性质的变量 相互作用、影响，即进程影响变量的取值、变量修改进程活动或者阻塞的条件，来决定系统 的行为状态转换。QPT 提供了对象和进程的描述的定义，同时还提供了对行为状态的推理 过程45。利用 QPT 提供的语言来定义上述斜抛小球的个体视图和进程，个体视图里，含有个体、 前提条件、定量条件和关系，定义如下：Individual view：assurgent ball.Individuals：Pro：a ball.
11、Preconditions：Pro is popped with a speed upwards.Quantity Conditions：The amount of the speed to Pro is greater than Zero. Direction of the Angle of Pro is acute to horizontal surface.Pro is fallen while the speed of vertical speed is less than Zero.Relations：There is B such that：B is a substance of Pro type.