“数字城市”系统与综合集成技术

一、前言 城镇化是人类社会和产业革命发展的必然过程。自上世纪中叶，随着政治、经就是特别科学技术的迅速发展，城市化现象迅速推进，形成广义建筑及人居环境学，构成了一个规模巨大的系统。进入21世纪，特别是由于信息技术与网络技术得到迅速的发展，自动化、信息化以至智能化成为人们关注的热点。在城镇建设方面，它不仅是建筑物本身，而且对各种信息系统，如用于管理和提供服务的系统，提舒适的工作与生活环境，形成智能家居、智能建筑，这些构思与实践，已经成为时代的追求目标，成为经济和社会发展中的“领跑”。在国内，青岛胶州湾工业园区的数字化建设，深圳市民大楼正在进行的智能楼宇综合集成系统的建设，这代表着全球化城市建设中的方向，目前虽然规模尚小，但其前景是有深远意义的。 20世纪90年代，我国科学家提出开放的复杂巨系统的概念，以及处理这类系统的方法论一一从定性到定量的综合集成法E1）。建设部的周干峙院士曾经提出城市及其区域是一个典型的开放的复杂巨系统。在此基础上数字化的城市及其区域，用开放的复杂巨系来表达与处理是很合适的。 通过有关规划和建设中项目的考察，数字城市具有开放的复杂巨系统的相关特性。 1）系统与外部环境的关系复杂。作为数字城市的管理与服务系统与周边省市、国家甚至全球存在着能量、物质、信息的交换，扩展为人员的流动、政策的调整和自然界灾害的侵袭等诸多影响，具有极为复杂、不确定的、动态连续的环境状态。 2）系统的功能巨细兼备。城市是国家的要行政单位，应该贯彻全面建设小康社会所必须具备的五种能力，承担着政令贯通、经济发展、文化建设、教育提高、科技创新、人民生活安定、居住环境改善，以及消防治安、灾害防御等等不同方面，多种交互模式的大大小小的众多功能。 3）系统的结构层次众多、多级子系统组合，子系统和组件组成模式多种多样。仅以信息服务系统为例，就有多层次的宽带多媒体信息网络，地理、地貌信息系统等基础设施；电子政务、电子商务、远程教育、网上医疗、物流信息、资信监管、社会保障、数字图书、网上银行、档案管理、消防报警、安全防范、智能交通、环境监测、灾害监测及应急措施等管理和服务系统。还有各领域的咨询、预案等决策支持系统。这些系统又有子系统和组件，它们之间有相互联系，组成模式，构成了多层次庞大的网络系统。 4）系统的组成是由分布的组件时空交叠而构成。由于系统中的多级子系统、肩负不同功能、执行不同角色，它们之间通过多种交互模式，既有时空交叠又有互补互换。但是它们按照局部或全局的行为法则平等交互，功能上相互支持、宏观上表现为整体形态。这一特性在城市庞大的机电设备自动控制、集成管理和系列智能化软件系统的组成上表现得非常明显。 5）系统多种构成单元、巨大数目的子系统，千千万万，具有其庞大、复杂、交互的特点。勿庸置疑，从数字城市管理和服务系统的这些特点来看，确实具有开放的复杂巨系统的重要特性。 系统的作用大于组成系统各单元、各子系统、各组件之简单的总和。这个问题是最清楚不过的，庞大繁多的子系统各有其具体功能、作用，但最后构成的是建成数字城市和实现小康或更高级社会的宏伟目标。 二、从定性到定量的综合集成技术 20世纪90年代初，开放的复杂巨系统及其方法论这一新的科学领域的形成，是由于系统科学和计算机技术的发展为此创造了条件，是钱学森同志一系列工作的必然结果，加以回顾是必要的。早在80年代初期，他对军事对阵模拟进行了研究，1981年对VonNeumann同Morgenstern所建立的博弈论，以及用MonteCarlo数值法在计算机上求得结果的方法作了总结，提出能否把博弈论和系统科学结合起来由于结构复杂、成员众多的对阵集团。1981年夏天，在指导王寿云同志编著《现代作战模拟》一书的讨论中，钱学森同志从F．W．Lanchester的工作提炼出半经验半理论的处理复杂对阵问题的方法论。在后来的工作中赋予这——方法论更广泛的涵义：处理复杂行为系统的定量方法学，是科学理论、经验和专家判断力的结合。这种定量方法学，是半经验半理论的。提出经验性假设（猜想或判断），是建立复杂行为系统数学模型的出发点，这些经验性假设（猜想或判断）不能用严谨的科学方式证明，但需要经验性数据对其确定性进行检验。从经验性假设（猜想或判断）出发，通过定量方法途径获得结论。并提出当人们寻求用定量方法学处理复杂行为系统时，容易注意于数学模型的逻辑处理，而忽视数学模型微妙的经验含义或解释。要知道，这样的数学模型看来“理论型”很强，其时不免牵强附会，从而脱离真实。与其如此，反不如从建模的一开始就老老实实承认理论的不足，而求援于经验性判断，把定性的方法与定量的方法结合起来，最后定量。这样的系统建模方法是建模者判断力的增强与扩充，是很重要的。在以上工作的基础上，钱学森同志又通过对社会系统、人体系统、地理系统三个系统研究实践的基础上，进一步深入提炼、概括和抽象出开放的复杂巨系统的方法论。提出处理开放的复杂巨系统的方法是从定性到定量的综合集成方法。就其实质而言是将专家群体（各方面有关的专家）、数据和各种信息与计算技术有机地结合起来，把各种学科的科学理论和人的知识结合起来，这三者本身也构成一个智能系统。这个方法的成功应用就在于发挥这个系统的整体优势和综合优势。综上所述，可以看出一条清晰的线索。 对综合集成作进一步的考虑，即使有了大量的定性认识，并不是通过几个步骤，几次就能达到全局的定量认识，所面临的是结构不良（illstructuredproblem）问题。与智能有关的问题大部是结构不良的，也就是说目标、任务范围、计算允许的操作都不是有明确的定义的，需要用一种有反馈的循环过程来加以解决，如图1所示。例如建筑师要设计一座楼房，盖楼的单位提不出明确的要求，不知道楼房里各房间的用途，也不知道需要什么样的材料等等。而建楼的细节又很重要。只有通过设计师与用户互相商讨、才能逐渐明确。所以首先要提出楼房主轮廓的初步设计，然后再与用户讨论：用户提出新的要求，按用户提出的要求再进行设计，这样一步一步再进行下去，是一个循环的过程。结构不良的另一种含义是要解决的问题所包含的知识是不完备的或不一致的。目前的专家系统是以规则作为基础，但是要把专家解决特定问题所涉及的各种知识，如直感、经验知识等都转换成规则的形式是难以做到的，也是行不通的。由一些例子表明，结构不良的问题是由一系列结构良好的小问题构成的。正因为如此，结构不良的问题才能够被解决。在解决小问题的每一个阶段里，也提出了下一个待解决也提供了信息。现在研究人工智能结构不良问题，如果解决了，那么也会带动其它与智能有关的问题，意义是很大的，不仅如此，综合集成技术是从系统科学的角度提出来的，是用于处理和解决开放的复杂巨系统有关的问题的。当前正在兴起的一个学科“智，有一些概念和问题需要进一步弄清楚和加以解决。现在我们开讨论班，致力于讨论和研究综合定性的认识，达到对整体定量识，抓住了关键，难度很大。可以说对于当前科技的一种挑战，也是一种机遇。其结果必然会将系统科学与人工智能两大科技领域沟通，并进而为自然科学与社会科学做出贡献，实现伟大导师马克思的预言：“自然科学往后将会把关于人类的科学总结自己下面，正如同关于人类的科学把自然和总括在自己下面的一样：它将成为一个科学”。 三、综合集成研讨厅体系的构思 20世纪90年代，处理开放的复杂巨系问题的方法论，即从定性到定量的综合集已经问世。到了1992年，钱学森先生又步提出，从定性到定量的综合集成研讨厅系。理论框架引导从以下几方面考虑： 1）几十年来世界学术讨论的Seminar 2）C31及作战模拟， 3）从定性到定量的综合集成法， 4）信息情报技术， 5）“五次产业革命”， 6）人工智能， 7）灵境技术（VirtualReality，现一般译为虚拟现实。一般译为虚拟现实）， 8）人一机结合的智能系统， 9）系统学等。 “这个研讨厅体系的构思是把人集成于系统之中，采取人一机结合、以人为主的技术路线，充分发挥人的作用，使研讨的集体在讨论问题时互相启发，互相激活，使集体创见远远胜过一个人的智慧。通过研讨厅体系还可把今天世界上千百万人的聪明智慧和古人的智慧（以知识工程中的专家系统表现出来）统统综合集成起来，以得出完备的思想和结论。这个研讨厅体系不仅具有知识采集、存储、传递、共享、调用、分析和综合等功能，更重要的是具有产生新知识的功能，是知识的生产系统，也是人一机结合精神生产力的一种形式。” 利用综合集成研讨厅体系求解复杂问题的大致步骤如下： （1）明确问题和任务； （2）搜集大量的有关文献资料，认真了解情况，召集相关专家利用研讨厅体系的软硬件平台对问题进行研讨； （3）通过研讨，结合专家自己的经验和直觉，获得对问题的初步认识； （4）依靠专家的经验和形象思维，在问题求解知识的帮助下，提出对复杂问题结构进行分析的方案； （5）根据复杂问题结构的特点，结合领域知识和前人经验，把问题分析逐步或者逐级定量化； （6）在定量化或者半定量化的情况下，（在计算机上）建立问题的局部模型或者全局模型，这些模型既是对相关数据规律的一种验证，也包含了专家们的智慧和经验； （7）在局部模型和全局模型基本上得到专家群体的认可后，讨论如何合成这些模型以生成系统模型； （8）系统模型建立后，通过计算机的测算和专家群体的评价验证模型的可靠性，如果群体对模型不满意，那么需要重复上述的（3）一（8），或者其中的某几个步骤， 直到专家群体基本满意，建模过程才能结束。 这个方法综合了许多专家的意见和大量书本资料