翁文波院士信息预测理论和方法体系回顾

翁文波院士信息预测理论和方法体系回顾

翁文波是著名的地球科学家、石油科学家和预测专家，在国内外学术界享有很高的声誉。1966年3月8日,河北邢台发生强烈地震。3月9日,翁先生接受周恩来总理的委托连夜去邢台地震现场考察。4月27日,周总理召见李四光部长(地质部)和翁先生,希望他们开展地震预测研究。1967年3月河北河间发生地震后,周总理又单独召见翁先生,希望他在地震预测方面放“异彩”。翁先生牢记周总理的重托,此后28年,把全部精力用于地震、洪水、暴雨等严重天灾预测及信息预测理论的研究上,勇于破除传统科学方法的局限,创立了以信息学为基础,以信息(秩序)为主要研究对象和核心的新的信息预测理论体系和方法,从而在天灾预测方面取得了重大突破性进展,被誉为“当代预测宗师”。黄汲清院士称赞翁老“勇于创新、敢于超越的精神是他最突出的品质。”本文就翁老创立的信息预测理论和方法体系作一简要回顾,以对这位杰出科学家的缅怀和纪念。其五,关于预测的认识预测就是事先估计。预测未来是人类各种智力探索中最神奇、最困难,也是最有用的事情。“凡事预则立,不预则废”。许多事情要能够办得较好,在于有一个切合实际的计划,其中就有预测的成分。每个国家、每个单位、每个人都处于自觉或不自觉的预测之中。这是由于预测存在于人类社会活动的许多领域,事关国计民生,十分重要。人类为了生存和发展的需要,人们一直致力于预测科学的发展。翁老认为:最大的科学问题就是预测和评估。应用科学的基本理论信念,来进行预测的可称为科学预测。科学从几百年前诞生以来,人们一直重视预测问题。如哈雷预测1758-1759年有一个彗星回归。在他去世后十几年,哈雷彗星果然如期来临。现代自然科学主要是通过分析、实验、逻辑推理、数学方法来进行预测。经过几百年努力,在许多领域中取得了辉煌成果。20世纪以来,在天灾预测中,主流学者应用最多的方法是统计预测方法,如方差分析、时间序列分析、谱分析、滤波、多元统计分析等。国内外对统计预测讨论和研究很多,成为学术界应用的主流。由于统计预测方法是对常态事件的预测,它对突变情况和异常事件的预测则难以奏效,因而对大地震等突发性灾变事件的预测成为世界性的老大难题。于是,在一些学者中形成了对地震预测的悲观观念,认为地震是不能预测和预报的。从信息预测理论来看,这是由于他们在理论上局限于物理体系、抽象体系,在方法论上局限于统计预测方法,在哲学上局限于唯理性认识。唯理者侧重于讲道理,从理论出发,一种理论解释一种现象。许多理论都要有一些假设。由于客观事物的复杂性和多变性,假设成分越多,使用起来失真的东西越多,理论推出的结果与实际情况往往相差甚远。翁老认为:理论错了,再好的方法也等于南辕北辙。如果被认为是很好的理论,但是不能够解释客观存在的复杂事物,那就会得出“不可知(不能预测)”的看法。这显然是违反认识论的。因此,翁老提出“信息预测理论体系”,并指出:21世纪有可能把预测作为一门独立的学问进行研究,完整和科学的“预测学”,将是人类文化在信息时代的核心之一。信息预测理论的创新与发现翁老强调:“创新在于重新认识”。他的信息预测理论和方法都是对现有通用的基本概念和理论进行重新认识的结果。1.信息体系与认识科学翁老针对目前预测科学在认识论和科学方法论方面的局限,以及天灾预测的客观实际,提倡用唯象的方法:强调从实际出发,发现问题和解决问题;创造性地提出了认识科学上的三个体系,即:抽象体系、物理体系和信息体系。并由此提出了信息预测科学理论。预测论的发展是建立在认识论的假定下。在1988年的一篇论文中,翁老创造性地提出:认识可划分为三个层次的认识体系。它们是:抽象体系、物理体系、信息体系。人类的认识体系可划分如下:其中抽象体系、物理体系是已被研究得较多的,而信息体系是由翁老首先提出的新概念。三个体系对事物的认识有不同的标准。例如对数字的精度要求方面:抽象体系要求数值绝对精确,物理体系要求数值尽可能精确,信息体系对数值的要求是恰好满足需要。“一叶知秋”,一片飘落的黄叶就足以提供一种信息,用以预测秋天的将要到来。在1990年他强调指出:预测的基础是认识科学。认识科学的基础是认识体系。2.ti-ty的统计说明翁老十分重视对数据的基本性质的研究。他提出:数据是科学实验的基础资料,其中包含了认识研究对象的信号。在进行预测时,用什么数据,选择何种方案,都需要人的智能较多的干预。通过对数据基本性质的研究,他提出了对有关实体、自然数、整数等基本概念的许多重要新认识。物质世界(至少它的一个局部)是由各种可数的结构单元组成的。实体(enti-ty)都是可数的。一切实际存在的物体和一切发生的事件都由它们的基本单元组成,这些基本单元是可用自然数来数个数的。物体的基本单元有如:光子、电子、细胞、婴儿、星球等。他们只能一个一个的存在,不存在半个,如半个电子或半个婴儿都不可能存在。事件的单元有如:原子裂变、地震、暴雨、革命等。他们只能一次一次地发生,不能发生半次,如不可能发生半次裂变或半次革命。这些单元的数目都是自然数,所以自然数可以看作是反映客观世界本质的一种重要的秩序,也就是信息。自然数加自然数仍是自然数,因此,自然数表达的秩序不会因加法处理而失真。减法虽然是加法的反面,但自然数减自然数未必是自然数。可见减法处理可能使自然秩序失真,但同时却把自然数扩张为整数。整数加、减整数仍是整数。整数所表达的秩序不因加、减处理而失真。和自然数一样,整数也是反映客观世界的一种重要秩序。翁老认为:“在数学中越复杂的运算,假设的成分越多,使用起来失真的东西也越多,结果与实际情况也就相差甚远”。翁老提倡用唯象的方法:从实际出发,发现问题和解决问题。自然现象其客观的实际,在对它进行预测的过程中,必须尽量避免主观因素的介入。3.信息的可公度性翁老把“信息”赋予新涵义。认为信息是指信息体系中的元素、元素集和子体系,它表征系统的“序”的概念。翁老提出:自然数、整数的信息体系在自然科学中占有十分重要的位置。自然界中存在着由自然数或整数传递信息的某种秩序,且不会因加减法处理而失真。可公度性是自然界的一种秩序,是系统的一类信息,它表达了系统元素中的可以共同度量的某种规律。许多客观事物中都存在着可公度性。将可公度性用于信息研究中,这就把对信息、自然数、整数、有序的理论意义的理解提高到一个新的阶段。翁老强调:信息是体系中的“特性”或“差异”,正是统计量的反面,却往往是认识这一体系的主要方面。信息预测理论中所选用的可公度性并不是传统意义上的模型。4.体系中各元素的之间的分类翁老认为:依据所用的方法及其理论基础,目前一般预测,大体可分为两类。一类是以体系中各元素的共性为依据的统计预测。另一类则是以体系中各元素的特性为依据,与统计预测相区别的信息预测。“信息预测”这一新领域的提出,包括一系列新概念。1统计量的取得和预测的基本原理翁老把客观存在的事件划分为两类:常态子集和异态子集。常态子集的事件是一般、经常、常规等有代表性的事件,它们的主要要素是统计量,如数学期望、方差、平均值、中位值等。取得这些统计量的理论是概率论和数理统计学。这一方法的指导思想是样本(数据)越多越好。因为样本越多,其平均值越接近总体的均值,从而有较大的可靠性,容易得出有规律性的研究结果。异态子集的事件是异常、例外、特款等事件。它们的主要要素是信息,取得信息的理论是信息论。应用这些原理和方法进行预测的是信息预测。它属于求异的方法,提取为数不多的有用信息,再用加减运算来表达,这种方法可以较好地预测某些突发事件的发生。严重天灾是属于异态事件,它的时空分布规律与常态事件有很大的区别。2数学方法的信息模型翁老区分两类预测模型:一类是以体系中各元素的共性为基础的统计模型;另一类是以体系中各元素的特性为基础的信息模型。在数学方法中,翁老从以研究共性为主的统计学走出来,新开拓了以研究特性为主的信息学。翁老把信息预测定义为“否定随机性为原则的信息预测”。信息预测是以研究对象中的特性为基础的。对两种方法的基本差别,翁老概括为:“从常态要素可作‘统计预测’,以知其大概。从异态要素可作‘信息预测’,以知其特性。”3“比”与“信息”的基本思路信息预测方法是从局部数据中进一步(通过某种信息代数的方法)挑选其中有用数据(有时是少量数据),寻找对所需解决问题有用的信息,再以少量数据进行预测。信息预测方法把整个运算的目标集中在与预测的具体(个别)事件有关的研究或预测中。因此,其基本思路可概括为:从局部到个别的比较和分类的方法。在科学哲学中使用“类比”的方法与信息预测方法较为相似。两者都是从局部到个别的推理方法,不受或少受已有理论框框的束缚。但是,类比是比较事物属性的相似性,而信息预测方法则是比较事物关系的相似性(信息)。因此,信息预测是比类(类似于中国古代的“取象比类”),而不是类比。翁先生的大量预测实例,都是从实际情况里面找出信息来并作出预报的。当然,他也不排除唯理的方法或者部分唯理、部分唯象的方法。例如,他提出的“生命旋回”模型,相当成功地预测了世界油气资源的年产量基值和发展趋势。他的预测结论对世界各国的经济决策部门有重要意义(吕牛顿,2001)。信息预测理论的内涵翁老的预测科学理论体系有自己特殊的哲学思想和学术思想,他的预测理论是以信息预测理论为核心的。信息预测理论是一个从信息涵义、信息代数、信息保真、信息预测方法到信息体系的自成系统的理论体系。信息预测理论不仅仅是一种方法,而是从人们认识出发,对认识、知识、智能等进行全面、深入思考后得出的一种新理论思想体系。这一理论的提出有大量预测成功的实例作为其牢固的基础。1.信息的涵义和特征1948年信息论创始人美国数学家、电机工程师C.E.申农把信息定义为信源的不定度。这个定义是建立在信源产生的消息具有随机性的假定上,称为概率信息,属于统计信息的范畴。20世纪80年代哲学家们又提出广义信息:信息是物质和能量的时空分布的不均匀度。信息不是事物本身,而是事物的表征,表征事物的运动状态,物事之间的差异或相互关系的一种普遍形式。翁老对信息的涵义作了系统的考察,他没有应用申农的狭义信息观念,而把注意力放在上述的广义信息上。他采用了不依据概率的信息涵义,并提出:信息是受人们主观定义约束的秩序,是信息体系中的元素。单个人的信息思维,只有在传播到其他人并为其他人所共同理解的条件下才成为信息的。由信息的涵义可知,信息预测覆盖了预测中的广大领域。统计预测仅仅是信息预测中的一个特款。2.信息体系的基础翁老对信息体系下了定义:“信息体系是受人们主观定义约束的秩序类。主观定义的约束可以是:某种理解、信念、设想、定理、法则、规律、法律、契约、编码等”。信息体系的基础是:信息、知识和智能。信息体系不但承认时间、空间和物质的实体存在,并且承认能发出、识别信息的人(或包括生物)和机器的实体存在,由于信息体系把人和机器包括到体系之中,问题就变得比较复杂。用抽象的术语来说明信息体系,那么信息可以看作为一个集合的元素。知识是公理的开拓。智能是信息集合的一切关系的集合。这一集合在人工智能术语上称为“状态”。3.信息是自然数和零的信息体系翁老从理论上对自然数、整数的实用意义进行了深刻的论述。物质世界是由各种可数的结构单元构成的。自然数可以看作是反映客观世界本质的一种重要秩序,也就是信息。整数信息体系是从自然数和零的信息体系中扩展出来的。整数本身就是信息,也可用来传递信息。整数所表达的秩序不因加法、减法处理使信息失真。整数集中的任意个元素互相加减,得出可公度性。4.浮动频率信息保真说翁老很早注意到信息保真是天灾预测方法能否有效的关键问题之一。他在《论预测》中指出:对许多复杂的体系,往往得不到满意的效果。有一个原因经常出现,那就是信息处理过程中信息失真问题。他认为:理论上对无限连续函数有效的拟合方法,对现实的有限、离散数据,必然导致失真。他对目前广泛应用的傅里叶级数存在的信息失真问题进行了详细的分析,并提出浮动频率方法来使频率信息保真。数学中最基本的四则运算,从信息保真角度看,有不同的作用。翁老提出:除法操作容易引起信息失真,而加法操作则不会。因此,他发展的可公度式基本上没有除法操作。他认为:无论是微分还是高阶差分都无法表达一个体系中的可公度性信息。5.型s1o2—预测过程:对预测过程提出科学界定翁老从理论上对预测过程进行深入研究,作了科学界定。从体系Z(客观世界中被主观选取的一个局部)通过介体Y1(观点)对Z的作用(O1)建立模型X1。再以模型X1为依据,通过对实际资源的分析(O2)得到预测结论X2(图1)。这一预测过程包括往返两次信息过程,可用公式表示如下:每一预测可以有7种状态,只有其中之一是正确的,其他种都是信息失真,包括碰巧偶然正确和假正确。图2被分割成7个区,表示预测结果的7种情况:正确、偶然正确、假正确(应预测而不预测)、一次一型错误、二次一型错误、一次二型错误、二次二型错误。依据这一分类,可用以设计出缩小失真的预测过程。预测过程可分解成三个相对独立的组成部分:主过程、决策过程和估计过程。6.公度性方法、浮动频率法翁老提出有创新特点的信息预测方法主要有:可公度性方法、浮动频率法等。它们可应用于微观、宏观、宇观许多自然现象的科学研究中。其中被应用最多的是可公度性方法。1从可公度性到普遍性面对天灾预测的科学难题,如果仅仅应用国内外已有的预测方法是难以解决的。翁老应用的一个新方法是可公度性预测方法。这个方法具有计算简单、直观、有效的特点。“可公度性”(Commensurability)最早是在天文学中被提出的,体现为行星绕太阳运动的平均距离的提丢斯—波特定则,它的形成机制尚无定论。翁老把可公度性应用到预测科学中来,从理论和方法角度都大大地发展了可公度性,使其面貌焕然一新。可公度性方法的基本特点是:它是周期性的扩张,与周期性有很大差别;它是一种从局部到个别的研究方法;它可使所研究的对象所包含的信息失真少;它基本上是一种唯象方法。可公度性概念冲破了传统的周期性的框框约束,立足于从数据中提取非偶然性的信号,研究微弱信号,以预测大地震。翁老在1994年9月一次讲话中提出“可公度性原则”这一原理。他说:如果一切实体的基本单位是可数的,那么,它们都具有可公度的特性。他提出了“实体(entity)”这一重要概念。一切实际存在的物体和一切发生的事件都由它们的基本单位组成,可用自然数来数个数的。如果用函数来表示实体,它将是离散的、不连续的,所以也是不可微的。这是“可公度性原则”的延伸。表1从翁老的著作中摘取了一部分应用实例。由表1可见,可公度性广泛存在于各种自然现象中,具有普遍性。应用可公度性可大大有助于研究事物之间的复杂联系。2浮动频率的改进翁老在20世纪70年代已发现被广泛应用的数学方法傅里叶级数存在严重缺陷,主要是信息失真及高频信号的漏失。他认为18世纪法国科学家傅里叶提出傅氏分析时,由于受到当时科学条件的限制(没有高速计算机等),对频率参数有基频和倍频的假设,而且总是正整数。然而,客观事物中的频率并不一定如此,同一事物中可能存在完全独立的频率参数,而且可能不是正整数。因此,1980年,他提出浮动频率的概念,设计了浮动频率多项式,并且将它作为信息保真的重要手段之一。浮动频率法可以从自然现象中归纳出周期,并在天、地、生许多现象中存在。因此,它可部分地代替傅里叶级数,并应用到预测方法中,取得较好的效果,提高预测的成功率。3刑事金融资源量预测模型翁老在《预测论基础》中指出:油气资源的总量是有限的,油气年产量的盛衰变化可以形象表示为有限体系中的一个生命旋回。它一方面随着勘探程度的加深与时间变量T呈幂函数增长,另一方面又随着剩余资源量的减少与时间变量T呈负指数衰减。因此,提出了一个预测油气年产量基值Q的数学模型。这一模型后被赵旭东命名为翁氏旋回模型。赵旭东应用翁氏旋回模型,曾对国内外150多个油气田今后年产量及最终可采储量进行过预测。计算结果表明,这些油气田的以往实际产量与翁氏旋回模型的预测值之间的相关系数,绝大多数都大于0.9;而正规开发的油气田的相关系数,一般都在0.95以上。自然灾害预测的量表翁先生运用他独创的预测理论和方法,对各种自然灾害、社会问题和科学现象等进行过广泛的预测。例如,他于1984年提出的世界原油和天然气年产量基值预测已经为1984—1993年的实际产量证明是正确的,可以说是相当精确的。对电子、中微子静止质量的估计精确到小数两位(42.10±0.07eV);对太阳黑子极大发生的年月的预测值与实际发生