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段文澤1 林 濤2 段 鷹3
（1.2. 重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院, 重慶 400044; 3. 重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 ,重慶 400044）
摘要：作者以系統(tǒng)方法論為指導(dǎo)，已有研究工作為素材，分析大系統(tǒng)建模中如何實(shí)現(xiàn)宏觀與微觀、經(jīng)驗(yàn)與理論、定性與定量的辨證統(tǒng)一。歸納了幾種具體集成模式，包括宏觀統(tǒng)計(jì)機(jī)理模型、關(guān)聯(lián)過程協(xié)調(diào)模型和智能參數(shù)修正模型。從其中進(jìn)一步提出了一些建模的指導(dǎo)思想。
關(guān)鍵詞：大系統(tǒng)建模，方法論，系統(tǒng)集成模式，建模指導(dǎo)思想
中圖分類號(hào): N945.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
Groping for Methodology on Large Scale System Modeling
DUAN Wenze1， LIN Tao2 ， DUAN Ying3
(1.2.College of Electrical Engineering, Chongqing University ,Chongqing 400044，China;
3. College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)
Abstract: Under the guidance of system methodology, the problem how to realize the dialectic unification of macroscopic and microcosmic, experience and theory, qualitative and quantitative in large scale system modeling is analyzed by material of the existing research. Several incorporate modes, including macroscopic statistic mechanical model, harmonious model of correlative process and intelligent correctional parameter model, have been concluded. Some guidelines of modeling have been farther advanced.
Key words: Large scale system modeling, Methodology, Incorporate modes of system, Guidelines of modeling
CLC Numbers: N945.12 Document Code: A
1 引言
科學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：古代缺乏精確的量測(cè)和實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)客觀世界無法進(jìn)行深入研究，只能從總體上觀察、猜測(cè)和思考，這就是總體思辯階段。亞里斯多德等古希臘思想家都強(qiáng)調(diào)總體觀，提出“總體功能可大于它各部分功能的總和”這一系統(tǒng)論的基本原理。中國(guó)古代的《周易》、《老子》等也強(qiáng)調(diào)部分之間、部分與整體之間、整體與環(huán)境之間的相互聯(lián)系及整體的協(xié)調(diào)性，中醫(yī)提倡辨證施治，反對(duì)“頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳”。這些科學(xué)觀至今仍閃耀光輝。但是，由于缺乏對(duì)細(xì)節(jié)的解剖與觀測(cè)，只能用猜測(cè)和思辯補(bǔ)充，限制了科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。從15世紀(jì)末到19世紀(jì)是科學(xué)形成和大發(fā)展的階段。人們開始深入事物內(nèi)部，對(duì)其逐次分解，分類研究，產(chǎn)生了數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、生物學(xué)等近代科學(xué)，它們從統(tǒng)一的哲學(xué)中分離出來，自成體系，越分越細(xì)。強(qiáng)調(diào)分解的還原論和拉普拉斯決定論是這一時(shí)期方法論的代表。它與古代的總體思辯相比是一個(gè)進(jìn)步，促進(jìn)了各種具體精細(xì)知識(shí)的積累，促成了偉大的工業(yè)革命。20 世紀(jì)以來，科學(xué)進(jìn)入了現(xiàn)代發(fā)展階段，還原論妨礙科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的特征開始體現(xiàn)出來。貝塔朗菲發(fā)現(xiàn)，在生物學(xué)研究中，解剖已從肌肉、血管、神經(jīng)進(jìn)入分子的層次，但把這些細(xì)微知識(shí)機(jī)械相加仍不能解決問題，甚至分的越細(xì)，越失去全貌。他認(rèn)識(shí)到只有把生物作為一個(gè)有機(jī)整體并和其所處環(huán)境作為一個(gè)大系統(tǒng)來研究，才能解決問題，由此開創(chuàng)了理論生物學(xué)。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大化和生產(chǎn)過程的復(fù)雜化，在工程技術(shù)領(lǐng)域也發(fā)生了類似的情況。人們的認(rèn)識(shí)又回到了整體觀，但它已不是古代的總體思辯，而是經(jīng)過還原和分解研究之后的整體協(xié)調(diào)。這是一個(gè)更大的進(jìn)步。人們的認(rèn)識(shí)就是這樣螺旋上升的。
錢學(xué)森等總結(jié)了這一認(rèn)識(shí)上的飛躍，提出還原論和整體輪的辨證統(tǒng)一是研究復(fù)雜大系統(tǒng)和巨系統(tǒng)的正確方法論，即系統(tǒng)方法論[1]。他還進(jìn)一步提出，還原的細(xì)化應(yīng)適可而止，整體的擴(kuò)大也應(yīng)恰到好處。這一方面是受人們認(rèn)識(shí)局限性約束，另一方面也是為了抓住問題的主要矛盾，該指導(dǎo)思想符合辨證法�？茖W(xué)發(fā)展史上出現(xiàn)過背離辨證法的傾向：一提還原就忘了整體，一提整體又丟棄還原，結(jié)果都遭失敗。如何將還原論和整體論辨證統(tǒng)一，即如何處理局部與整體、微觀與宏觀、經(jīng)驗(yàn)和理論、定性與定量、感性與理性等問題，成了系統(tǒng)方法論的核心問題。這實(shí)質(zhì)上是建模問題。對(duì)復(fù)雜大系統(tǒng)或巨系統(tǒng)，錢學(xué)森提出定性到定量的綜合集成法，具有一定普適性。但具體問題終究千差萬別，辨證統(tǒng)一往往表現(xiàn)為多種形態(tài)。歸納同類性質(zhì)問題，提出適當(dāng)?shù)姆椒ê椭笇?dǎo)思想，將使方法論更為豐富。
現(xiàn)有建模方法大體可分為白箱、黑箱和灰箱模型。白箱模型是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立的“機(jī)理模型”，它提供較完整的信息，在機(jī)理清楚的情況采用。黑箱模型一般是輸入輸出模型，可用統(tǒng)計(jì)或智能方法（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）建立，它無法反映系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，在機(jī)理不清楚時(shí)采用。如果我們對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和機(jī)理掌握部分知識(shí)，應(yīng)充分利用，將黑箱轉(zhuǎn)化為灰箱，提供更多的信息。但是這一結(jié)論并不絕對(duì)，如果我們對(duì)系統(tǒng)某些狀態(tài)不感興趣，也可略去這部分機(jī)理知識(shí)。灰箱模型是在工程中遇到最多的情況，建模方法各有差異。本文總結(jié)作者在大系統(tǒng)建模與控制中的若干方法，提出若干建模的指導(dǎo)思想，作為對(duì)方法論的探索。
2 宏觀統(tǒng)計(jì)—機(jī)理模型
存在這樣一類大系統(tǒng)，其微觀機(jī)理清楚但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不確知，宏觀機(jī)理不清楚但掌握運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，城市復(fù)雜供水系統(tǒng)就是一例，它的網(wǎng)孔成百上千，節(jié)點(diǎn)成千上萬。若是將系統(tǒng)還原到這些網(wǎng)孔和節(jié)點(diǎn)來建立其運(yùn)動(dòng)方程，將遇到“維數(shù)災(zāi)”，何況深埋地下的管網(wǎng)一般情況不明，問題具有“不確知性”。從運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，經(jīng)過平差的管網(wǎng)，只要對(duì)少數(shù)監(jiān)控點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)加以測(cè)控，就能使全網(wǎng)滿意運(yùn)行。據(jù)此，Demoyer建立了管網(wǎng)宏觀統(tǒng)計(jì)模型[2]，這是一個(gè)回歸系數(shù)無物理意義的黑箱模型，不能反映管網(wǎng)內(nèi)部狀態(tài)并估計(jì)節(jié)點(diǎn)流量，使用水量的分時(shí)分地預(yù)報(bào)無法進(jìn)行，難以更好實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度。建立宏觀模型 缺乏機(jī)理知識(shí)是問題的焦點(diǎn)，但仔細(xì)分析也并非完全缺乏，其大體結(jié)構(gòu)還是知道的。我們?cè)瓌t上可以根據(jù)管網(wǎng)的最小單位來合成系統(tǒng)，對(duì)線性網(wǎng)絡(luò)，通過串并聯(lián)等效變換、星-角變換或多射線星型-等值多邊型變換可逐步減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，最后只保留少量監(jiān)控點(diǎn)。實(shí)際建模時(shí)，不需也不可能逐一進(jìn)行上述繁瑣變換，只要按N個(gè)監(jiān)控點(diǎn)構(gòu)成完全圖即可，完全圖的邊具有管路特性，如圖1所示。在相關(guān)分析基礎(chǔ)上去掉弱相關(guān)的邊還可簡(jiǎn)化完全圖。對(duì)簡(jiǎn)化圖各個(gè)邊賦以相應(yīng)物理量，就得等價(jià)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。再列寫水力學(xué)方程就建立了相應(yīng)模型[3]。
 （1）
 （2）
 （3）
這里，等價(jià)管網(wǎng)有L個(gè)回路，N 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中W個(gè)包括儲(chǔ)水池，V個(gè)包括泵站。qij是節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的管道流量，yi是節(jié)點(diǎn)i的集中負(fù)荷流量，Qi是泵站輸入節(jié)點(diǎn)i的流量，qTi是節(jié)點(diǎn)i送入儲(chǔ)水池的流量，Rij是ij段上的摩阻，U（k）是第k個(gè)回路中各支路的集合，xi是儲(chǔ)水池水位，S（xi）為儲(chǔ)水池橫截面積。（1）~（3）式中，Qi 、xi和qTi 是可測(cè)量，qij yi 、S（xi）為待辯識(shí)量。文[4]詳細(xì)討論了這一參數(shù)估計(jì)問題，文[5]在此基礎(chǔ)上首次解決了水負(fù)荷的分時(shí)分地預(yù)報(bào)，文[6]更好地解決了優(yōu)化調(diào)度問題。
必須指出，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)是非線性的（（2）式）。為保證上述變換的有效性，只有在工況小范圍變化時(shí)進(jìn)行線性化。具體做法是：取不同天中同一時(shí)刻的運(yùn)行數(shù)據(jù)來建模，它們之間并無多大差異。據(jù)此建立的模型可用于今后同一時(shí)刻。這樣，一天中有多少個(gè)采樣時(shí)刻，就將建立多少個(gè)模型，它們結(jié)構(gòu)一樣，參數(shù)各異。
由此得到的啟示有兩點(diǎn)：一是建模工作中切勿輕易放棄有用的機(jī)理知識(shí)而盲目采用黑箱模型，要針對(duì)實(shí)際情況具體分析，結(jié)合整體論和還原論，不要舍本求末；二是為了宏觀與微觀的辯證統(tǒng)一，大系統(tǒng)理論中早已定量地采用分解和集成的綜合手段，而這里采用的是定性合成（或虛擬合成）與定量分析的綜合。該方法把微觀機(jī)理特性反映到宏觀模型中來，解決了節(jié)點(diǎn)流量估計(jì)問題。這是黑箱模型無法做到的。
3 關(guān)聯(lián)過程協(xié)調(diào)模型
對(duì)于一類生產(chǎn)過程問題，子系統(tǒng)較多，它們通過一個(gè)“關(guān)聯(lián)過程”互相影響。關(guān)聯(lián)過程往往是帶有時(shí)滯作用的物流過程，抓住“關(guān)聯(lián)過程”及相應(yīng)的“關(guān)聯(lián)變量”來協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)，大系統(tǒng)建模問題就容易解決。生產(chǎn)計(jì)劃決策系統(tǒng)是典型一例[7]，將問題的階段按計(jì)劃時(shí)間自然劃分，階段周期為T，產(chǎn)出滯后為（ ），其物流平衡方程為
 （4）
 （5）
其中，  分別為原材料和產(chǎn)品存儲(chǔ)量， 分別為原材料采購量、單位時(shí)間投產(chǎn)量和銷售量（其中 折合為產(chǎn)品量）。生產(chǎn)計(jì)劃追求整個(gè)過程的最大利潤(rùn)，模型如下
Mod  （6）
s.t. （7）
 （8 )
 （9）
 （10）
其中，式（6）等式右端第一項(xiàng)為銷售收入，第二項(xiàng)為生產(chǎn)成本，式（7）是（4）、（5）的向量寫法。模型結(jié)構(gòu)如圖2，圖中e（k）、d（k）為原材料采購與存儲(chǔ)成本，a（k）、b（k）為開工固定成本和產(chǎn)品生產(chǎn)成本，c（k）為產(chǎn)品存儲(chǔ)費(fèi)，p（k）為產(chǎn)品銷售價(jià)格。
如果關(guān)心的是大系統(tǒng)中的某部分，其余子系統(tǒng)的影響機(jī)理非常復(fù)雜且不確知，則用一“關(guān)聯(lián)過程”代替它們的影響可使問題簡(jiǎn)化。水廠中，原水從取水泵站送出,經(jīng)若干水處理環(huán)節(jié),到清水池儲(chǔ)存(對(duì)應(yīng)于很大純滯后τ)，再由送水泵站送入水網(wǎng)。τ受源水水質(zhì)與水處理過程影響而產(chǎn)生較大變化。我們不需考慮這些影響的參數(shù)和作用機(jī)理，只要對(duì)τ進(jìn)行在線辯識(shí)并適時(shí)修正水量控制模型就可將水質(zhì)控制過程與水量控制過程解耦。該關(guān)聯(lián)過程為
 （11）
式中x（k）、A（k）為清水池水位及橫截面，u（k）、Q（k）為取水及送水泵站出口流量，T為采樣周期。這樣式（11）就代替了預(yù)沉、投藥、混凝、過濾等眾多處理過程的影響，直接把取水和送水過程聯(lián)系起來，簡(jiǎn)化了問題。將式（11）作為約束條件可建立水量控制的優(yōu)化控制模型[8]。
從以上討論得到的啟示是：１、整個(gè)模型仍是機(jī)理模型與統(tǒng)計(jì)模型的集成，但問題的關(guān)鍵在于如何根據(jù)定性分析確定關(guān)聯(lián)變量，用統(tǒng)計(jì)定量分析建立“關(guān)聯(lián)過程模型”；２、根據(jù)討論問題的側(cè)重點(diǎn)，抓住主要矛盾，不必對(duì)各復(fù)雜因素一一進(jìn)行機(jī)理分析，可用少量或一個(gè)關(guān)聯(lián)變量代替其影響，從而簡(jiǎn)化問題。此時(shí)經(jīng)驗(yàn)往往具有決定作用。
4 智能參數(shù)修正模型
有一類系統(tǒng)的過程機(jī)理清楚，但若干擾動(dòng)因素對(duì)主要過程的影響機(jī)理卻不清楚，軋鋼加熱爐是典型例子。目前有兩種思路解決擾動(dòng)的適應(yīng)控制問題：一是根據(jù)擾動(dòng)引起的后果采用反饋校正，根據(jù)鋼坯在初軋機(jī)組末端表面溫度的偏差值來修正鋼溫預(yù)報(bào)模型[9]，這種方法簡(jiǎn)單，但遲延大，實(shí)時(shí)性差，可能引起振蕩；另一個(gè)思路在建模時(shí)就全面考慮這些擾動(dòng)因素，由于作用機(jī)理不明，只能按多元統(tǒng)計(jì)回歸理論建立鋼溫預(yù)報(bào)模型[10]，它能體現(xiàn)更多建模因素的影響，但需用大量計(jì)算處理病態(tài)數(shù)據(jù)問題，實(shí)時(shí)性也差。
在加熱爐傳熱條件（綜合輻射熱系數(shù)c和綜合對(duì)流熱系數(shù)h）不變的條件下，完全可以根據(jù)機(jī)理模型確定爐膛各段溫度的優(yōu)化設(shè)定。機(jī)理模型不僅在數(shù)值上容易處理，符合節(jié)省參數(shù)的原則，而且可根據(jù)已有知識(shí)使模型得到適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，使模型參數(shù)具有物理意義，保證解的存在性和唯一性。這樣辯識(shí)的收斂性得到了較好保證，數(shù)據(jù)的病態(tài)問題也降到了最低[11]。機(jī)理分析表明，在燃燒控制自尋優(yōu)的系統(tǒng)中，燃?xì)馀c空氣的流量和壓力擾動(dòng)都反映到爐溫T與空燃比r的變化上，這是造成爐膛傳熱狀況變化的主要因素。由于作用機(jī)理不明，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來描述T、 r與c、h之間的輸入輸出關(guān)系，根據(jù)輸出來修正模型中的c、h值。把協(xié)調(diào)級(jí)的機(jī)理優(yōu)化模型 [12]與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型按圖3的遞階結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可達(dá)到適應(yīng)控制的效果。圖中，c、h值是緩慢變化的參數(shù)，其更新周期應(yīng)大于燃燒系統(tǒng)的控制周期，Tf（1）…Tf（n）為各段爐溫設(shè)定，F(xiàn)a、Ff為空氣和燃?xì)饬髁拷o定，括號(hào)中是相應(yīng)的反饋量。
上述方法充分利用了已有的機(jī)理知識(shí)，部分采用智能模型解決機(jī)理不明擾動(dòng)的影響，其輸入量為擾動(dòng)因素，輸出量用來修正機(jī)理模型參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)兩種模型的集成。同時(shí)考慮了系統(tǒng)中不同因素影響具有不同的時(shí)標(biāo)，其適當(dāng)處理將利于控制的實(shí)時(shí)性。
5 結(jié)論
系統(tǒng)方法論是大系統(tǒng)建模的指導(dǎo)思想，實(shí)踐中產(chǎn)生的建模方法經(jīng)過提煉，反過來又豐富了系統(tǒng)方法論。本文討論建模中定性與定量的辨證統(tǒng)一，歸納出幾種表現(xiàn)形式：宏觀統(tǒng)計(jì)機(jī)理模型、關(guān)聯(lián)過程協(xié)調(diào)模型和智能參數(shù)修正模型。體現(xiàn)的重要思想有：1、先充分利用已有的機(jī)理知識(shí)，再用黑箱模型補(bǔ)充；2、在某些作用機(jī)理不必深究的情況下，可用一簡(jiǎn)化黑箱模型描述它們的影響；3、為了實(shí)現(xiàn)宏觀與微觀的辯證統(tǒng)一，定性合成與定量分析的綜合是有力手段；4、建模中區(qū)別變量的緩變和慢變特性是必要的。
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作者簡(jiǎn)介：段文澤，男，重慶大學(xué)教授。從事電氣傳動(dòng)自動(dòng)化、大系統(tǒng)優(yōu)化控制與人工智能應(yīng)用等方面的研究。曾任中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)EA與中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)CS委員兼控制理論學(xué)組副組長(zhǎng)，建設(shè)部專家組成員。在國(guó)內(nèi)外高級(jí)刊物發(fā)表論文50余篇。
通信地址：重慶大學(xué)B區(qū)東村103-1-2號(hào)，郵編：400045。
Email: duanwz35@126.com.
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