从没有银弹到银弹加工场2ny3.doc

从没有银弹到银弹加工场 本文作者系中国人工智能协会可拓工程专业委员会青年部负责人，可拓学网址：/extenics/可拓学及可拓工程方法介绍李兴森1， 秦建军2，黄红梅31、 中国科学院研究生院管理学院，北京2、 北京交通大学机电学院，北京3、 广东工业大学自动化学院，广州在网上流传一则文言文的笑话：“今有程序员五人，需时日几何方得完成？”“一年。”“吾急需之！若有十人，几何？”“二年。”“百人若何？”“万世。”这则笑话正是反映了软件开发领域的人月工作量问题。程序员越多，进度越慢。正因如此，人月神话真的像神话一样成为具有深远影响力和畅销不衰的著作。作者弗雷德里克布鲁克斯是北卡罗莱纳大学商学院的计算机科学教授，曾荣获美国计算机领域最具声望的图灵奖（A.M.Turing Award）桂冠。他被认为是“IBM 360系统之父”，曾担任了360系统的项目经理，以及360操作系统项目设计阶段的经理。凭借在上述项目中的杰出贡献，Brooks博士在1985年荣获了美国国家技术奖，美国计算机协会（ACM）称赞他“对计算机体系结构、操作系统和软件工程做出了里程碑式的贡献。”人月神话一书为人们管理复杂项目提供了最具洞察力的分析。作者以“焦油坑”类比大型软件项目的开发，从自身所经历的大型软件项目的开发与管理的工作入手，详尽的分析并论述了软件工程中所面临的问题。2003年人月神话排在china-pub年度总销售榜的第4名。这本软件工程管理的书历时30多年，深具影响力而且历久不衰，其中一个原因就在于30多年前软件开发领域遇到的问题和困扰，今天仍然存在，继续困扰着后来者。从软件危机被提出以来，人们一直在寻找解决它的方法。于是一系列的方法被提出并且加以应用。比如：结构化的程序设计，面向对象方法，能力成熟度模型（CMM），统一建模语言（UML）等等。 在1986年，IBM 大型电脑之父 Fred Brooks 发表了他的著名论文没有银弹。在这篇论文中他预言：“在10年内无法找到解决软件危机的银弹”。 这篇论文在其后引起了巨大的反响。人月神化没讲标准，没有提供银弹，但它可以给人带来很多思考，为怎样做好一个项目提供了参考。软件工程是为开发软件服务的，标准不是目的，只是手段。随着网络技术的发展和企业竞争环境的变化加剧，对软件的适应性提出了更高的要求。软件工程这一“人狼”野性十足，越来越强壮、越来越难以控制，而银弹却不知隐藏在何处？当我们苦苦搜寻30余年而一无所获之余，有没有考虑自己加工银弹呢？其实银弹加工场早已存在，只是我们没有人去利用那些设备或者没有听说加工场的存在而已。解决矛盾问题有无规律可循？能否建立一套形式化的理论与方法，按照一定的程序，生成解决它们的策略？然后，利用这些理论和方法，研究计算机能操作的推理方法和技术，使计算机能帮助人们处理矛盾问题。这就是蔡文研究员在1976年确定要探索的研究方向，1983年，科学探索学报发表了可拓学的开创性文章“可拓集合和不相容问题”，标志着可拓学这门新学科的诞生。二十多年来，国家自然科学基金委员会等和一大批专家学者支持和参与了可拓学的建设，初步构建了一门新兴学科可拓学。可拓学是用看得见的形式化模型研究事物拓展的可能性和开拓创新的规律与方法，并用于解决矛盾问题的学科。它的研究对象是矛盾问题，基本理论是可拓论，方法体系是可拓方法，逻辑基础是可拓逻辑，应用技术是可拓工程。1 可拓学的研究对象人类的历史，是一部解决矛盾问题、不断开拓的历史。可拓学的研究对象是现实世界中的矛盾问题。例如,在“曹冲称象”的故事中，要称一头大象，却只有能称20公斤的小秤。在三国演义中，诸葛亮要对付司马懿的十万精兵，却只有五千老弱残兵。其实，在诸多工程领域，如项目管理、机械控制、软件开发、企业人力资源管理等，都会碰到各种各样的矛盾问题。那么，解决矛盾问题有无规律可循？有无理论可依？能否建立一套方法，来处理矛盾问题，这就是可拓学研究的出发点。2 可拓学的逻辑细胞可拓学采用形式化的语言物元、事元和关系元（统称为基元）表达事、物、关系和问题，基元是可拓学的逻辑细胞。它包括事物、特征、量值三个要素。例如：事物特征量值物元大象重量2000公斤小秤秤量100公斤事元打支配对象篮球施动对象软件测试组地点清华体育馆时间5月2日关系元借贷前项公司A后项银行B程度500万元维系方式合同地点北京市上例中的物元描述了一头重2000公斤的大象和秤量200公斤的小秤；事元描述软件测试组5月2日在清华体育馆打篮球；关系元描述了公司A和银行B存在通过合同借贷500万元的关系，关系产生地点在北京市。这样就好像把棋子摆在了桌面上，下一步就看根据什么规则，如何来下棋。3 可拓学的理论框架基元理论基元的可拓性和物元的共轭性是基元理论的核心，而用形式化符号表示这些性质则是可拓论的重要特点，它们是生成解决矛盾问题的策略的依据。可拓性包括发散性、相关性、蕴含性和可扩性。共轭性包括物的物质性、动态性、系统性和对立性。从事物的物质性考虑，任何事物都由虚实两部分组成。如房子的墙壁、天花板和地板是实部,但我们是生活在它们围成的空间（虚部）里；产品的实体是实部，而它的“品牌”是虚部。与事物的物质性相仿,从系统性、动态性和对立性考虑， 相应地可以把事物的结构分别分为硬部（事物的各组成部分）和软部（事物及其组成部分之间的联系）、潜部（潜在的部分）和显部（显化的部分）、负部（对某特征产生正值的部分）和正部（对某特征产生负值的部分）。可拓性是事物固有的特性。整个世界，包括客观世界和主观世界，都存在可拓性，人类要进一步认识世界和改造世界，就要认识事物的可拓性，了解进行开拓的可能方案。对事物的可拓性认识越清楚，越能提出解决矛盾问题的变换，越能使用更可行的方法、窍门和点子，去处理开拓过程中出现的种种矛盾问题。可拓性的研究，使人的开拓活动更有规律可寻、更有理论可依。物的可拓性是多种多样的，事的可拓性和关系的可拓性也是多种多样的，因此，开拓的可能性有多种。世界的可拓性，既包括了客观世界中各种事物的可拓性，也包括了人的可拓性以及各种关系的可拓性。事物的可拓性为人们解决矛盾问题提供了各种开拓的可能性。如果说，开拓是人类社会发展的主旋律，那么，物、事和关系的可拓性就是开拓的依据。可拓集合理论为了解决矛盾问题，必须涉及事物性质的变化。在现实世界里，事物的性质处于变化之中，既有量的变化，也有质的变化。事物可以从不具有某种性质变化为具有某种性质，从具有某种性质的程度不大变到较大，或者相反。因此，人们必须从描述确定性事物和模糊性事物，发展到能用集合描述性质变化的事物，描述在某些变换下事物的量变和质变，从集合的角度去探讨事物的动态分类和事物开拓的过程。例如，在产品质量检验中，合格品与不合格品是对立的2个集合，然而在实际问题中，不合格的产品经过一定的加工处理却可以变为合格品。如某车间生产的一大批车轴，要求的合格直径D500.1mm，如其中有的样品D为50.11mm，50.12mm等，便属于再采取车削加工转化为合格品的产品。为此，可拓学研究了新的可拓集合理论，作为化矛盾问题为不矛盾问题的集合论基础。可拓逻辑现有的逻辑只能描述确定性和模糊性的事物，其推理方法难以作为解决矛盾问题的推理工具。为此，可拓学建立了用于处理矛盾问题的可拓逻辑，使变换和推理不再停留在传统的确定性和模糊性的基础上，而能作为描述事物可变性的工具，使之成为未来的计算机进行创造性思维，能生成解决矛盾问题的策略的基础。可拓逻辑汲取了形式逻辑的形式化特点，采用了辩证逻辑研究内涵的思想，结合而成为化矛盾问题为不矛盾问题的逻辑。其特点是：（1）用形式化模型（2）考虑事物的内涵，因而能表达“变”的推理规律。可拓逻辑的研究内容主要有如下三个方面：a. 概念的可拓表示和可拓概念；b. 命题的可拓模型和可拓命题；c. 推理的可拓模型和可拓推理。经过20多年的努力，可拓学建立了初步的理论框架，如下图1所示：图1 可拓学理论框架4 可拓变换模型和方法体系事物的矛盾性是可变的，随着环境、条件和时间的变化而变化，特别是随人们采取不同的变换而改变。用基元描述信息、知识、方法和各种问题转换过程的形式化模型称为可拓模型。有了可拓模型，就可以用看得见的类似在棋盘上下棋子的方式反映事物拓展的可能性及其内在关系，在此基础上建立可拓方法体系，表达解决矛盾问题的过程和生成的奇谋妙计。 下面看一个简单的策略生成棋盘：路径变换方法置换变换增删变换扩缩变换组分变换条件对条件的要素进行置换对条件的要素进行增加或删除对条件的要素进行扩大或缩小对条件的要素进行组合或分解目的对目的要素进行置换对目的要素进行增加或删除对目的要素进行扩大或缩小对目的要素进行组合或分解关系对条件和目的同时进行置换对条件和目的同时进行增加或删除对条件和目的同时进行扩大或缩小对条件和目的同时进行组合或分解在每个棋盘格里按要求进行变换，就可以生成12种基本策略。再考虑到策略之间的运算，就形成了一个策略生成魔方，如下图2所示：图2：可拓策略生成魔方这样就使发散思维形式化、体系化。如果再增加上高级的变换方法，魔方内容将更加丰富，生成的策略也将成倍增加。这种方法体系将质变与量变相结合、定性和定量相结合，既利用了西方的科学研究方法，也结合中国古代的系统智慧，从整体的系统的角度来分析和解决矛盾问题。5 可拓工程方法及其应用元素的变换（包括事元和物元的变换）、关联函数的变换和论域的变换，统称为可拓变换。变换是可拓工程方法的核心。它通过基本变换、传导变换、共轭变换以及转换桥方法等产生一系列解决矛盾问题的策略，表达生成策略的过程和奇谋妙计，然后通过优度评价法等对产生的策略进行评价，选择最佳策略实施。可拓学与其他学科的交叉融合，产生了信息、控制、管理、思维科学等领域中的可拓工程理论与方法。若干年来，可拓学研究者开展了可拓论和可拓方法在专业领域的应用研究，包括：在人工智能领域的应用，在设计领域的应用:机械设计，产品设计，建筑设计，在自动化领域的应用:可拓检测，可拓控制，在管理领域的应用:可拓决策，可拓营销，可拓策划；在中医药领域的应用等等。其中北京交通大学一名普通的本科学生，学习可拓学后3年申请了新型减速器等3项专利，发表论文10余篇。在软件工程中，存在种种矛盾问题。项目经理和程序员天天在处理它们。但有的人聪明，解决了问题，有的人一筹莫展。那么，解决矛盾问题有无规律可循？能否通过对矛盾问题的研究，建立一套理论与方法，根据一定的程序，能够解决矛盾问题。最后，根据这些理论和方法，帮助人们提出处理矛盾问题的点子、窍门和办法？下面以软件的分析为例，介绍可拓学在软件工程中的应用流程。一、 分别列出目标基元和条件基元。软件工程的目的是进度、预算可控制，条件是软件由人工编程，存在大量难管理的隐性特征。二、 分析矛盾所在。软件工程管理的矛盾在于进度的可见性和人的编程思维不可见性的矛盾。三、 对条件和目标分别进行发散思维及变换。1 软件的基元分析。从软件的实义特征、性质、功能三个主要方面进行物元分析：名称属性量值软件组成元素代码集结构复杂运行环境单机网络拥有者用户开发者程序员可见性差适应性中（需要不断升级）一致性高故障率高系统性强设计完整性强成本高开发周期长对开发团队的要求合作精神强对设计师的要求高功能业务处理（事元）软件的功能通过做事元分析可以得到如下结果：使用者通过软件可以便捷地管理数据、存储信息、处理业务，使信息的查询和传递更快速、及时，对大数据的分析可以提供决策支持，提升管理水平，通过实施特定的软件，可以塑造企业竞争力，提升品牌价值等等。软件的副作用有耗费较多的人力物力，需要员工培训，选择不当的软件会拖垮业务等等。2 变换条件。以基本变换为例，可以做增删变换，如增加内容使软件可见性加强，目前强调的文档管理就是一种增加变换，通过增加详细的文档说明使软件开发更好管理，更容易读懂和维护，如ISO 9000，CMM，和 统一软件开发过程（RUP）等。那么，除了文档，有没有其它可以附加的东西使软件更透明，使软件开发的管理更有效呢？软件中哪些是可以删除的？ 置换变换：哪些属性可以用其它满足要求的事物代替置换？如原先结构化瀑布式的开发改为面向对象的组件化开发就是一种置换变换。拥有者置换成软件公司就是现在崭露头角的ASP模式（）。置换程序员为机器开发就是CASE计算机辅助软件工程的思路。扩缩变换：软件的哪些特征需要放大，哪些特征需要缩小？采用更高级的语言以及更快的机器,扩大软件的功能大而全还是压缩软件的功能？压缩软件团队规模，采取极限编程 （XP）和 敏捷流程 （Agile Processes）就是一种缩小变换。组分变换：软件的哪些部分可以组合，哪些需要分解？开发过程的哪些环节可以分解，哪些环节需要组合？采用XP开发方式，持续集成,不断的小步发布新版本,通过组合使软件产品不断的增长就是一种组分变换的思路。另外还有开发人员可以和最终用户组合成小组，大型软件和小型软件的组合等等。其它变换还有：中介变换，能否找到一种中介物使软件在设计阶段更容易被用户读懂？补亏变换：可以用哪些有余的特征弥补不足的特征？种种变换过程中可以从事物的共扼性进行分析，从事物的蕴含性分