面向系统建模的模型集成

1、PAGE 面向系统建建模的模型型集成*唐锡晋*唐锡晋，1967年生，女，博士，副研究员，主要研究方向：综合集成与决策支持，电话：62553291， 62651427，email: xjtang.（中国科学学院数学与与系统科学学研究院系系统科学研研究所， 1000080）摘要 本本文简述了了模型集成成有关的问问题。模型型集成是为为了系统建建模，其研研究始于模模型管理，但但前者扩展展了后者的的范围，特特别是在对对复杂的社社会经济或或环境问题题建模时。怎样实现现模型集成成？本文总总结了3种种方法，自自上而下，自自下而上和和系统方法法。文章最最后并例举举目前比较较常用的模模型集成平平台和一些些典型的模

2、模型集成的的例子。关键词 模型 系统建模模 模型型集成引言使用模型就就像找专家家咨询来帮帮助解决问问题。当问问题既不寻寻常又少见见，有必要要寻求多方方意见而综综合考虑，这这是对系统统建模中模模型集成的的一个很通通俗的解释释。规范一一些，系统统是一些对对象或部件件如人、资资源、概念念或者过程程的集合，以以完成某些些功能或者者达到某个个目标。模模型是有关关一个系统统、理论或或现象的一一个概要性性的描述，它它阐明已知知或可推出出的性征以以用于深入入的研究。在分析问问题时，常常需要创建建一个或多多个模型，特特别是对于于复杂的问问题。多个个模型的组组织是模型型集成所考考虑的问题题。但模型型集成不仅仅仅囿

3、于单单纯地建立立模型间的的连接，它它与系统建建模过程紧紧密联系。关于模型型集成的研研究因领域域人员对模模型的理解解而有所不不同，尤其其体现在运运筹/管理理科学和信信息系统领领域人员对对此问题的的认识上，实实际表现为为对模型与与知识的区区别。从知知识工程来来看，知识识可定义为为一种模式式(pattternn)，而模模型是一种种特殊形式式的模式。知识表达达可以是专专家系统知知识库中的的逻辑形式式，亦可以以是各种分分析形式的的表达。从从其他领域域，特别是是运筹与管管理领域，则则持相反的的观点，认认为模式是是一种特殊殊形式的模模型1。关于知知识与模型型的争论始始终持续着着，这也反反映在决策策支持系统统

4、的发展上上。DSSS最初是基基于模型的的，有优化化模型、仿仿真模型、启发式模模型、其它它的描述型型模型、预预测模型等等等。模型型的增多，就就有一个管管理以提高高效率的问问题。200世纪700年代中期期数据库技技术发展开开始成熟，人人们借鉴数数据管理上上的方法实实现模型管管理。由于于数学模型型的结构不不能显性表表达，简单单套用数据据管理的方方法实现模模型管理有有很大的局局限，因为为建模是复复杂的、迭迭代的过程程，于是发发展了支持持建模过程程的模型管管理。建模模过程包括括识别问题题、创建、实现、验验证、求解解、分析和和维护模型型等任务，支持建模过程即提供相应的工具，这些工具有任务表达的语言并能执行

5、完成任务的操作。而具体实现时“模型集成”被视为创建模型的一个目标。关于模型管管理的一些些代表性的的综述，较较早的有EElam和和Lee主主编的19986年在在Deciisionn Suppportt Sysstemss第2卷第第1期对过过去6、77年研究的的思考和今今后研究的的展望22，之后后有Sheetty, Bhaargavva和Krrishnnan等主主编的Annnalss of Operratioons RReseaarch11992年年的一期专专集3，Blannningg主编的11993年年Deciisionn Suppportt Sysstemss的一期专专集4，正是66、7年前前

6、展望的一一些成果。最新的一一篇综述由由Krisshnann和Chaari所著著，20000年在网网络杂志IInterractiive TTranssactiions of OORMS上上发表 5。993-944年间涌现现了大批有有关模型管管理的文献献，体现了了该领域的的丰富成果果。而模型型集成逐渐渐不再视为为模型管理理的一支，它它已涵盖模模型创建任任务中的所所有问题。但自那以以后直到22000年年的6、77年间很少少有深刻或或全面的文文章，研究究似乎处于于低潮。实实际上，深深入的研究究走向将理理论研究成成果应用于于现实的复复杂性，涌涌现了一批批面向特定定领域或问问题的建模模支持软件件。另一方方

7、面，互联联网技术自自90年代代以来的迅迅猛发展为为模型集成成与管理带带来了新的的机遇和挑挑战，如分分布式技术术。本文集中讨讨论模型集集成，它源源于考虑这这样的问题题：面对新新问题没有有现成模型型时，系统统建模者如如何利用已已有资源（模模型和经验验）而构建建一个关于于问题的描描述模型，以以深入探索索？模型集成与与集成式建建模环境模型表达在过去的十十几年间模模型管理的的主要成就就体现在模模型表达，有有三个主要要流派：结结构建模、逻辑建模模和图建模模。结构建建模(sttructturedd moddelinng)是一一种基于图图论的标准准的描述型型模板，它它扩充了数数据库技术术中的语义义数据模型型以

8、描述数数学模型中中的复杂性性6。结结构建模允允许用户在在不同的抽抽象层面上上以图形、文本或代代数形式察察看模型。逻辑建模模(loggic mmodelling)是人工智智能和数学学规划的一一种结合，主主要是应用用一阶逻辑辑表达模型型知识77。图建建模(grraph grammmarss)将模型型比喻为图图，从而提提供了一种种形象化的的模型表达达方式88。这种种描述和操操纵模型的的方式在使使用可视化化程序设计计技术时特特别有利于于模型的实实现。这三三种模型表表达方式相相互借鉴，相相互融合也也是模型表表达重要的的研究领域域9,110。集成方式模型集成有有两类广泛泛的议题，即即结构(sschemme

9、)集成成和过程(proccess )或求解解器的集成成11。这是从从技术角度度根据传统统的程序设设计语言考考虑的。结结构集成指指合并两个个模型的体体系以创立立一个新模模型。过程程集成指求求解过程的的连接；简简单地可理理解为一个个模型的输输入是另一一个模型的的输出，问问题是求解解过程的组组织序列是是否可以推推理出来。这里值得得研究的问问题很多，如如化解冲突突、模型表表达、求解解控制等。这时模型型不再被视视为黑盒子子，而是玻玻璃盒子。允许访问问模型的全全部结构的的设计是极极为复杂的的。目前有有关研究主主要在化解解冲突和模模型表达上上。给定模模型结构变变化的范围围，人们怎怎样才能判判定集成的的模型是

10、有有效的？在在这方面最最著名的工工作是Geeoffrrion的的结构建模模。文111则是是过程集成成方面的先先驱性的工工作，其中中也讨论了了从组织视视角和实现现视角等方方面的考察察。当一个个组织有模模型集成的的动机时一一般立足于于战略性建建模，因为为有效的战战略规划需需要集成有有关特定功功能和操作作的各种模模型，如后后勤管理系系统中的复复杂操作。而实现视视角则关注注于面向对对象的集成成式建模环环境。不过过目前大多多数的理论论研究集中中于技术角角度。Geofffrionn从结构建建模的角度度对应于结结构/过程程集成对模模型集成方方式作了一一种划分：纵深(ddeep)集成和功功能(fuunctii

11、onall)集成12。纵深集成成合成两个个以上的模模型以创建建一个新的的模型；新新模型采用用同样的表表达方式。功能集成成并不产生生同样表达达方式的新新模型。通通过叠加一一个计算议议程而协调调模型的运运算，议程程规定了如如何实现功功能集成。典型的如如指定某些些已有模型型的输出是是另外一些些模型的输输入但需要要明确模型型运算的顺顺序。区分这两种种集成很重重要，更重重要的是辨辨明什么需需要集成。Geofffrioon解释了了四种层次次的模型抽抽象：模型型实例(iinstaance), 模型型类(cllass), 模型型或问题模模板(paaradiigm)和和模型领域域(traaditiion)13。

12、如一个传传统的运输输模型可视视为Hittchcoock -Kooppmanss运输模型型类的一个个实例，后后者又是运运筹/管理理领域的网网络流建模模问题；其其他一些相相关的建模模领域可能能包括数据据库管理和和人工智能能。以下为为10种可可能的集成成类型（其其中两个指指两个或两两个以上）：两个建模领领域的接合合；一个建模领领域中两个个问题的接接合；不同建模领领域中两个个问题的接接合；同一领域同同一问题的的两个模型型类的接合合；同一领域不不同问题的的两个模型型类的接合合；不同领域和和问题的两两个模型类类的接合；同一领域同同一问题同同一模型类类的两个模模型实例的的接合；同一领域同同一问题不不同模型类

13、类的两个模模型实例的的接合；同一领域不不同问题的的不同模型型类的两个个模型实例例的接合；不同领域的的不同问题题的不同模模型类的两两个模型实实例的接合合；其中类型（11-3）的的集成由于于涉及建模模领域和问问题的混杂杂属于病态态结构问题题，只有当当其他类型型的集成讨讨论清楚后后才好深入入讨论。显显然，456和和789100；这里表示更容容易研究。这样的偏偏序关系用用于指导研研究投入的的分配是很很谨慎的，因因为功能集集成不必像像纵深集成成那样协调调不同的模模型类或实实例。它更更适合处理理更难研究究的集成类类型，所以以功能集成成比纵深集集成更实际际些。类型型(8-110)可能能没有多少少意义，因因为

14、多数基基于模型的的工作更多多地关注模模型的类。在这样的的前提下，GGeofffrionn认为应当当更关注类类型(4-7)。如如果类型(4-5)的研究没没有显著的的进展时，类类型(6)的研究也也是很难深深入的。文文14给出了各各种类型的的例子。集成建模环环境自19888年以来集集成建模环环境(inntegrratedd moddelinng ennviroonmennt)就是是夏威夷国国际系统科科学会议知知识与决策策支持系统统主题中的的一个分主主题，讨论论包括模型型管理方面面所有的论论题并围绕绕决策支持持建模有关关的不同的的理论与实实践问题。IME可可加快模型型集成的过过程，主要要用于模型型集成

15、的快快速实现。在模型实实现过程中中需要考虑虑4个原则则：模型数据据的独立性性；模型求解解器的独立立性；模型模板板的独立性性；元表达和和元推理。电子数据表表和计划系系统是很流流行的模型型实现工具具；但它们们不支持模模型数据的的独立性，因因为每个电电子数据表表模型是一一个模型实实例。这在在理解、验验证和维护护方面限制制了模型的的规模。不不过电子数数据表保证证求解器的的独立。如如这些工具具中有优化化模型、回回归模型，它它们互有联联系。此外建模语语言及其支支持环境也也是一种IIME。代代数建模语语言是一种种提高建模模效率的工工具，较有有名的有GGAMS15和和AMPLL16。GAMMS支持求求解器独立

16、立，但不支支持模型数数据或模板板独立。AAMPL支支持模型数数据和求解解器独立，但但不支持模模板独立。没有一种种代数建模模语言支持持元表达或或推理。关关系型建模模语言则根根据一些数数学规划模模型扩展了了数据库中中常用SQQL语言。这种方式式最显著的的优点是采采用数据字字典获得一一些元信息息，以支持持元推理。还有基于于三种模型型表达而发发展的模型型语言如结结构建模语语言有SMML，逻辑辑建模语言言TEFAA 177和图建建模语言NNETWOORKS 8。它们的设设计发展也也努力遵循循模型实现现的四原则则。模型集成支支持工具的的发展紧随随技术进步步，如软件件集成提高高了支持模模板集成的的建模环境境

17、的可行程程度，互联联网技术特特别是分布布式计算触触发了新一一代的模板板集成，还还有软件工工程领域基基于面向对对象的分析析与设计的的统一建模模语言(uunifiied mmodelling langguagee UML)等等。Agentt技术为系系统建模和和IME的的发展提供供了新的契契机。马里里兰大学开开发的集成成建模工具具箱(inntegrratinng moodeliing ttoolkkit IMTT)是一个个功能全面面可扩展的的集成建模模环境，其其中可定义义并能共同同使用模型型组件，建建模者可创创建由IMMT aggent组组成的IMMT世界，这这些ageent在建建模过程中中完成各自

18、自的任务。IMT agennt的核心心集合可以以描述一般般性的、模模块化的、分布式的的模型组件件，它们分分别完成诸诸如简单计计算、仿真真、优化、GIS分分析和高级级的统计分分析，这些些agennt很容易易与上一层层的仿真粘粘合起来，从从而集成了了不同的模模型模板和和工具集(httpp:/u/)。这这些巨大的的进步反映映了人们对对模型集成成视角的变变化。国内内也有一些些基于aggent技技术的专用用IME18。下面我们们讨论如何何实现模型型集成。模型集成实实现策略当前技术研研究中模型型集成通常常有两种策策略：自上上而下(ttop-ddown)和自下而而上(boottomm-up)。自上而下指指一

19、个对象象被分解为为基本的部部件或模块块，并能够够按功能汇汇聚起来。采用该策策略，需要要对问题有有一个全面面综合的模模型，以便便对问题进进行有效的的分解。该该策略反映映了一种对对问题分而而治之的集集中机制。这时综合合的模型最最为重要，决决定集成的的成败或者者集成后系系统的性能能。以企业业集成为背背景，多伦伦多虚拟企企业TOVVE (TTOronnto VVirtuual EEnterrprisse)就是是一个试图图包括企业业集成众多多议题的一一个项目19，探探讨了许多多问题，如如是否存在在一个通用用企业模型型(gennericc entterprrise modeel)？它它能否准确确定义？所所

20、有的知识识都可以明明确表达吗吗？如何判判别好的企企业模型？组织会接接受它们吗吗？TOVVE的可重重用表达是是关于工业业概念的本本体化工程程。在TOOVE中有有关于活动动、状态、时间、资资源、库存存、定货需需求和部件件等的本体体，有关本本体的知识识视为原子子知识，可可用于演绎绎推理时回回答常识问问题。显然然即使有模模型集成工工具，一个个GEM的的生成是极极为费时的的。自下而上体体现系统建建模和模型型集成实现现上的分布布式或分散散性的活动动。这种方方法克服了了因难于获获得一个标标准的系统统架构而带带来的模型型集成上的的限制。分分布式模型型集成可能能会有两种种不同的形形式：分布布的建模者者对集中的的

21、资源，和和分步的建建模者对分分布的资源源。分散式式指建模者者之间的协协调不是中中央控制的的。互联网网具备这两两种特色。在最近的的一项研究究中，Doolk的分分布式集成成建模思路路是将一个个包含决策策矩阵的数数据仓库、包含结构构化的决策策模型的模模型仓库和和运用UMML和基于于组件的插插件等相结结合，以增增强包括优优化、统计计和其他建建模模板的的模型求解解器的交叉叉表分析功功能200。文21总结了自自上而下方方法在企业业集成遇到到的问题，并并推荐了自自底向上的的集成方法法。分布式式人工智能能和多aggent技技术为自底底向上的策策略提供了了技术支持持。然而后后者仍然需需要对问题题有一个概概念模型

22、。这指的是是对问题本本身需要系系统地思考考。在整个个建模过程程中，有44类问题需需要解决：理解在建建模生命周周期中建模模者的活动动认知（ccogniitivee）问题；模型及与与模型相关关的信息表表达和利用用这些信息息进行推理理语言(llanguuage)问题；模型系统统的设计和和实现系统(ssysteem)问题题；在实际中中模型管理理系统的操操作影响经验(eempirricall)问题22。有关问题题和超出了目目前模型集集成方法研研究的范畴畴。它们不不是一下子子能够解决决，需要经经过一个边边学习边思思考循序渐渐进的过程程，这正是是系统思考考流派的学学者所倡导导的。重要要的是弄清清模型集成成的

23、目的（所所要分析的的系统），这这需要对问问题或系统统的更深入入和更广泛泛的了解。正如著名名系统科学学家阿可夫夫所讲：“形成问题题、解决问问题、采取取行动是同同时进行的的三个交互互过程”23。系统思考即即不再仅以以还原论的的观点分析析问题，而而是采用系系统的观点点。软化的的趋势越来来越显著；人、群体体、其世界界观、文化化观等越来来越成为系系统建模中中需要着重重分析的因因素。而东东方的传统统思维有独独特之处24-227。而技术术上的进步步特别是分分布式人工工智能领域域的成果支支持了这方方面的深入入。下面介介绍几个目目前有代表表性的模型型集成的工工具。图1 DOME的架构一些模型集集成的工具具及应用

24、实实践DOME (Disstribbutedd Objject-baseed Moodeliing aand EEvaluuatioon)DOME是是MIT的的CAD实实验室自11995年年开始的WW. Daavid教教授主持的的最早由美美国国家科科学基金和和福特公司司资助的一一个项目，它它提供了一一个分布式式建模环境境，其中包包括异质数数据库、模模型和工具具，注册用用户可从中中获得或提提供与其领领域相关的的仿真资源源，进行协协同工作，评评价不同方方案288。图11为的DOOME的体体系结构。采用DOOME建模模，主要采采用自上而而下的策略略。DOMME目前的的应用有福福特公司、美国海军军和一

25、个全全球可持续续发展的项项目。支持复杂系系统分析的的多ageent平台台这里的多aagentt平台主要要用于研究究复杂系统统行为的模模拟分析，如如Santta Fee研究所的的SWARRM，Brrookiing研究究所的Asscapee和芝加哥哥大学经济济系的ReePastt等等。其其中RePPast吸吸收了前两两者的一些些特点。有有关详情可可浏览相关关的网站。这些工具具广泛应用用于社会和和经济问题题分析，如如SWARRM曾用于于生态系统统仿真229。这这类平台为为自底向上上策略的实实施提供了了便利。图2DecissionNNet DDecissionNNet是一一个4年（995-999）的研

26、究究项目，由由美国海军军研究生院院的H.BBharggava，卡卡内基-梅梅隆大学的的R.Krrishnnan和德德国Hummbolddt大学的的R.Muullerr合作进行行。该项目目旨在李用用户联网技技术的优势势增进决策策技术的可可用性、可可重用性和和相互操作作性300。它得得到美国陆陆军研究办办、陆军人人工智能研研究中心和和DAPRRA的资助助。图2为为DeciisionnNet的的架构。在DeciisionnNet中中有多种决决策技术如如数据集、模型实例例、模型模模板、算法法、求解器器、模型语语言、建模模系统和环环境。供方方主要提供供两类技术术：独立技技术和独占占技术。独独立技术主主要

27、是供方方开发的基基于webb的应用，它它们亦可以以独立于DDecissionNNet运行行。独占技技术是DeecisiionNeet agennt提供的的界面和动动态控制等等技术。BBharggava等等实现了分分别以AMMPL和GGAMS建建模环境的的两类aggent，包包括了有关关供方与用用户间谈判判的不同设设计311。敏捷捷的AMPPL agennt可为双双方提供重重要的知识识和推理的的需求，GGAMS agennt封装了了GAMSS语言和建建模环境协协调供方注注册模型并并为用户创创建一个运运行界面。DeciisionnNet的的一个应用用例子是在在美国海军军研究生院院实现的关关于作战模

28、模拟的NPPSNett。这里我们仅仅介绍3个个模型集成成的使用工工具，还有有其他一些些应用于企企业界的，如如企业集成成(Entterprrise Inteegrattion)、企业信信息门户(Enteerpriise IInforrmatiion PPortaal)，等等等。模型型集成类型型的应用领领域是复杂杂问题集中中的经济与与可持续发发展、水资资源与环境境管理、军军事系统分分析等领域域。位于奥奥地利的国国际应用系系统分析研研究所(IIIASAA)一直在在前两类问问题进行密密集的研究究，国内亦亦有大量的的研究。结束语建模是一项项几乎遍布布于任何领领域的活动动。在模型型管理研究究中发现的的潜在

29、重要要性超出了了运筹管理理和其它以以模型为主主的领域。作为DSSS核心的的模型管理理的扩展，模模型集成的的研究因信信息技术的的进步和人人们探索复复杂问题的的深入而演演化得更丰丰富多彩，成成为名副其其实的活跃跃交叉研究究领域。类类似于数据据管理，在在模型集成成的理论研研究和集成成建模环境境长期充斥斥着数据管管理的思想想，这体现现在模型集集成在上个个世纪800年代到990年代初初期迅速发发展期中。但这很快快变成瓶颈颈，因为关关系型模型型表达和操操纵机制上上的精巧遮遮掩了系统统建模的复复杂的领域域背景，而而后者正是是系统建模模的主要关关注点。在过去的220多年间间，模型集集成的主要要成就在模模型表达

30、。出现了三三个有代表表性的学派派，以Geeoffrrion为为代表的结结构建模，以以Jonees为代表表的图建模模和以Kiimbroough等等为代表的的逻辑建模模。这三种种表达在发发展中互相相融合，也也反映了运运筹管理与与计算机科科学研究的的合作态势势。模型集集成的实现现一般采用用自上而下下或自下而而上，而系系统方法的的导入更体体现对问题题本身的全全面思考从从而有助于于综合系统统建模，特特别是越来来越多地关关注于社会会组织等“剪不断，理理还乱”的复杂因因素。对这这些复杂议议题或论题题进行综合合系统的思思考是建立立系统概念念模型或形形成设想的的必经之路路，也是系系统论证过过程的起点点。信息技术

31、的的进步对近近期模型集集成的发展展起到了加加速的作用用，但复杂杂系统建模模仍然需要要新的视角角。模型并并不是为集集成而拼凑凑在一起，它它服务于系系统建模。而对复杂杂问题的认认识是一个个学习渐进进的过程，这这样对敏捷捷的模型集集成的要求求更高了。参考文献A. P. Wieerzbiicki. Meggatreends of IInforrmatiion SSocieety oof thhe Emmergeence of KKnowlledgee Sciiencee, prroceeedinggs off Intternaationnal SSympoosiumm on Knowwledgge a

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