（计算机系统结构专业论文）可拓检测的要素聚焦及知识推理机制.pdf

摘要 摘要 随着计算机科学和信息技术的飞速发展，检测技术已经成为了一种关乎经济 发展和科技进步的关键技术。由于技术上存在着不可避免的缺陷，目前很多检测 问题陷入了无法测量的困境。为了解决不可测问题带来的工业、农业、国防、管 理等方面的发展阻碍，可拓检测技术应运而生。它巧妙地利用了可拓学矛盾分析 的方法和理论基础，并结合目前比较成熟的传感器技术，把不可测问题转化成可 测问题。 可拓检测的主要研究内容包括：关键物元提取、适应度分析、聚焦及知识推 理机制生成、焦点显形。本文研究的重点是可拓检测的要素聚焦及知识推理机制， 也就是对多个可测物元的要素分布按适应度进行聚焦，通过建立知识推理机制从 而得出聚焦焦点。聚焦是从多个可测物元检测结果的要素分布空间求取其合理的 核心要素，即焦点。焦点的合理性很大程度上决定于是否能准确地描述所有可测 物元对不可测物元的总体贡献程度，因此焦点的意义在不同的聚焦实际应用中是 不同的。 本文首先讨论了要素聚焦的类型，把类型确定为1 维、2 维、3 维和多维聚 焦，然后针对每一种聚焦类型提出不同的聚焦方法。对于1 维和2 维的聚焦，提 出采用适应度结合关联函数进行加权计算的方法求取焦点，对于3 维和多维空间 下的聚焦，则构建一个基于模糊可拓的知识推理专家系统，然后利用可拓推理和 模糊规则进行推理求取焦点。本文的结尾以企业的绩效评价为例来阐述可拓检测 要素聚焦的过程和意义，并对下一步的研究方向做了展望。 本课题来源于国家自然科学基金项目( 6 0 2 7 2 0 8 9 ) 、广东省自然科学基金项 目( 0 4 0 0 9 4 6 4 ) 。 关键词：可拓检测；要素聚焦；可测物元；可拓推理；模糊规则 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h e d e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h ek e yt e c h n o l o g yf o rt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t a n ds c i e n t i f i cp r o g r e s s f o rt h ed e t e c t i o nt e c h n i c a lf l a w s ，i ti si n e v i t a b l et h a tm a n y d e t e c t i o n sb o gd o w n t os o l v et h eu n d e t e c t a b l ep r o b l e m s ，t h ee x t e n s i o nd e t e c t i n g t e c h n o l o g ye m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e i tu s e st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dt h e a n a l y t i c a lm e t h o do fc o n t r a d i c t i o na sw e l la st h er e l a t i v e l ym a t u r es e n s o rt e c h n o l o g y t om a k et h eu n d e t e c t a b l eu n d e t e c t a b l ep r o b l e md e t e c t a b l e t h ee x t e n s i o nd e t e c t i n gt e c h n o l o g yi n c l u d e sf o u rp a r t s ，w h i c ha r ek e yd e t e c t a b l e m a t t e r - e l e m e n t sd i s t i l l i n g ，a d a p t i v ed e g r e ea n a l y z e s ，f o c u s i n g i n ga n dr e a s o n i n g m e c h a n i s mc o n s t r u c t i o n , f o c u s i n gp r o c e s s i n g t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h e f o c u s i n g i n ga n dr e a s o n i n gm e c h a n i s mc o n s t r u c t i o n ，w h i c hi s t oc o n s t r u c tt h e r e a s o n i n gm e c h a n i s ma n du s ei tt og e tt h ef o c u s i n g t h ef o c u s i n g i n gi sa c t u a l l yt o w o r ko u tt h ec o r ee l e m e n to ft h ed e t e c t a b l em a t t e r - e l e m e n ta c c o r d i n gt ot h ea d a p t i v e d e g r e ed i s t r i b u t i n g s ot h er a t i o n a l i t yo ft h ef o c u s i n gi so nw h e t h e r i tc a nd e s c r i b ea l l t h ed e t e c t a b l em a t t e r - e l e m e n t s a d a p t i v ed e g r e e st oal a r g ee x t e n t i nd i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s ，t h ee s s e n t i a lm e a n i n g so f t h ef o c u s i n ga r ed i f f e r e n t t h i sp a p e rf i r s t l yd i s c u s s e st h et y p e so ft h ef o c u s i n g e sa n dc o n s i d e r st h e mt ob e o n e d i m e n s i o n a l ，t w o - d i m e n s i o n a l ，t h r e e d i m e n s i o n a la n dm u l t i d i m e n s i o n a lf o c u s i n g ； s e c o n d l yp u t s f o r w a r dt h em e t h o d st os o l v ea l lt y p e so ff o c u s i n g ：t ot h e o n e d i m e n s i o n a la n dt w o d i m e n s i o n a lf o c u s i n g ，c o n n e c t st h ea d a p t i v ed e g r e ew i t h t h ed e p e n d e n tf u n c t i o nt o f i g u r e o u tt h ef o c u s i n g ；t ot h et h r e e d i m e n s i o n a la n d m u l t i d i m e n s i o n a lf o c u s i n g ，c o n s t r u c t sa ne x t e n s i o nf u z z y b a s e dk n o w l e d g er e a s o n i n g e x p e r ts y s t e ma n du s e st h ee x t e n s i o nr e a s o n i n ga n df u z z yr u l e st ow o r k o u tt h ef o c u s ； l a s t l yt a k e st h ep e r f o r m a n c ea p p r a i s a li ne n t e r p r i s ea sa ne x a m p l et oe x p a t i a t et h e p r o c e s sa n ds e n s eo ft h ee l e m e n tf o c u s i n gi ne x t e n s i o nd e t e c t i n ga n dm a k ep r o s p e c to f t h en e x tr e s e a t c h a b s t r a c t t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 6 0 2 7 2 0 8 9 ) a n dn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fg u a n g d o n gp r o v i n c e ( n o 0 4 0 0 9 4 6 4 ) k e yw o r d s ： e x t e n s i o nd e t e c t i n g ，e l e m e n tf o c u s i n g ，d e t e c t a b l em a t t e r - e l e m e n t ， e x t e n s i o nr e a s o n i n g ，f u z z yr u l e s i i i 广东t 业大学t 学硕，i ：学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 羹萎蓑霎蓁主l 孙敝作凇茕黻阳 括钳7 同、， 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适应本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月日 电话： 邮编： 第章绪论 1 1 信息检测概述 第一章绪论 人类社会之所以如此丰富多彩，都是因为信息和信息技术一直持续进步的必 然结果。信息技术是研究信息的获取、传输和处理的技术，由计算机技术、通信 技术、微电子技术结合而成，是利用计算机进行信息处理，利用现代电子通信技 术从事信息采集、存储、加工、利用以及相关产品制造、技术开发、信息服务的 新学科。检测的基本任务是获取有用的信息，因此检测技术属于信息科学范畴， 是信息技术三大支柱( 检测控制技术、计算技术和通信技术) 之一雎儿刃。 随着计算机科学和信息技术的飞速发展，检测技术已经成为了一种关乎经济 发展和科技进步的关键技术。信息技术的核心是信息传输和信息处理，而信息的 检测是信息处理的前提。只有对行业所需的信息进行科学检测并且准确获取，才 能顺利进行信息的处理及传输。可以说信息检测是迈向信息科学研究的第一步。 检测作为人们认识客观世界，获取定量和定性信息的基本方法，已成为信息科学 中不可或缺的组成部分，在自动控制系统、图像处理、模式识别以及各种定量及 定性分析系统中有着广泛应用口3 。 信息的形式多种多样，一切关乎国计民生的国民经济部门中都需要提取各种 各样的信息并通过计算机或微型计算机进行正确及时地处理，如声音信息、图形 信息、自然运动信息、管理信息等等。因此，信息检测的重要性越发明显。在科 学技术高度发展的今天，一方面，检测技术的发展将处于各种现代装备系统设计 和制造的首位，并成为生产力、制造能力及实用性水平的重要标志：另一方面， 随着人类的探索领域越来越大，以及科学技术进一步向高尖端发展，我们对检测 工具与检测技术进一步发展的要求也越来越高，且越来越迫切。对于信息检测， 要做到高精度、低复杂度、具有优质实时性能，检测过程科学精简而且要对一切 可测的问题实现可测，不可测的问题转换成可测。因此，进行信息检测的研究就 广东工业大学工学硕士学位论文 是要开发新的面向复杂系统的检测技术、实现可测量化和高质量的测量。人类的 信息化时代必将为信息检测技术提供更为广阔的应用前景h 3 。 1 2 可拓学和可拓检测概述 1 2 1 可拓学的发展 可拓学是一门由中国人独创的新学科。它的的研究对象是现实世界中的矛盾 问题，研究方向就是探讨处理矛盾问题的规律和方法。可拓学用形式化的工具， 从定性和定量两个角度去研究解决矛盾问题的规律和方法。可拓学的理论支柱是 物元理论和可拓集合，其逻辑细胞是物元。 早在1 9 8 3 年，蔡文教授在中国“科学探索学报”上发表了一篇开创论文即 “可拓集合和不相容问题 ，马上得到美国诺贝尔奖获得者s i m e n 教授的重视和 支持陌儿引。随后可拓学的系统研究渐渐形成。1 9 8 6 年，日本著名计算机神经网络 及模糊逻辑专家山川列教授两次亲自到中国进行可拓学学术交流。加拿大 u n i v e r s i t yo ft o r o n t o 教授z h a oh o n g ，美国u n i v e r s i t yo fe a s t e r nk e n t u k y 教授 d o w i d k n g ；u n i v e r s i t yo f n e b r a n e e r 教授s h iy o n g 等亲自到中国进行可拓学的 学术交流活动。 中国著名科学家钱伟长在他主编的“中国应用数学与力学发展”t h e a d v a n c eo fa p p l i e dm a t h e m a t i c sa n dm e c h a n i c si nc h i n a ”( i n t e r n a t i o n a la c a d e m i c p u b l i s h e r s ) 中把“e x t e m s i o ns e t sa n dn o n c o m p a t i b l ep r o b l e m s ”作为第一篇文章 介绍给国内外学者。经我国各学科权威专家反复筛选和论证而编成的“2 0 世纪中 国学术名著 等论著把可拓学列为我国学者创建的新学科。 可拓学的的发展历程主要经过了3 个阶段。第一个阶段是孕育阶段 ( 1 9 7 6 1 9 8 3 ) ，提出了研究事物的可拓性和处理不相容问题这一方向。第二阶段 是初创阶段( 1 9 8 3 - 1 9 9 2 ) ，初步确定了学科的研究范围，必须采取的研究范畴， 解决问题的技术手段和研究途径，形成了解决问题的初步方法。第三个阶段是近 年来，学科的研究进入应用研究与普及推广的阶段。这一阶段的任务是对前两阶 段提出的理论系统化，阐明了物元分析与临近学科的关系，论证了新学科的特殊 2 第一章绪论 研究对象、特殊研究方法以及新学科的独特意义，完成可拓论的理论体系，阐明 可拓学在科学殿堂中的位置，研究它的应用方法，并逐步朝着软件化、硬件化和 智能化的方向前进。 1 2 2 可拓学的理论框架 目前已初步确定了可拓学的核心是物元理论，可拓集理论和可拓逻辑，建立 了以它们为支柱的可拓学理论框架，初步研究了各支柱的构成、基本概念和有关 内容忉。 在客观世界中，存在着的一切事物都是质与量的统一体。事物的质变和量变 是紧密联系、相互制约的。要解决矛盾问题，必须同时考虑质和量的变化。大量 的实例分析发现，单靠数学模型对付矛盾问题是不够全面和不够深度的，要寻求 解决矛盾问题的形式化方法，必须将事物、事物的特征及相应的量值作为一个整 体来研究，运用定性分析与定量分析相结合的方法来解决矛盾问题。为此，可拓 学引入了把质与量有机结合起来的物元概念，它是以事物、特征及事物关于该特 征的量值三者所组成的三元组，记作r = ( 事物，特征，量值) = ( ，c ，c ( ) ) 。物 元的概念正确地反映了质与量之间的关系，我们以它作为可拓学的逻辑细胞。引 进了物元，就可以更贴切地描述客观事物变化的过程，从而为解决矛盾问题的形 式化提供了可行工具。 为了把解决矛盾问题的过程定量化，并最后用计算机处理矛盾问题，可拓学 必须建立相适应的定量化工具，其基础就是可拓集合理论，它包括可拓集合、关 联函数、可拓关系。可拓集合的提出使集合观念发生了具有质变意义的变革，它 突破了传统集合观念的禁区，而使集合具有一种创新的、反常规的特性。 可拓学的理论体系如图1 - 1 所示： 3 广东工业大学工学硕士学位论文 拓展分析理论 共轭分析理论 可拓变换理论 可拓集 关联函数 可拓模型 可拓推理 命题和推理的物元表示和拓展 解决矛盾问题的推理 图i - i 可拓学的理论体系 f i g l lt h e o r ys y s t e mo fe x t e n s i o n 1 2 3 可拓学的方法论体系 到目前为止，可拓学研究了描述现实世界中的事物和关系、信息和知识及问 题的形式化方法，研究了事物拓展的可能性，即拓展分析方法；研究了从物质性、 动态性、对立性和系统性分析物的结构和共轭性，建立了物元的拓展分析理论与 方法以及物的共轭分析理论与方法，提出矛盾问题转化的基本方法，包括化不相 容问题为相容问题的可拓策略生成方法、处理对立问题的转换桥方法和从整体出 发、考虑处理复杂问题的关键策略与协调方法。 可拓学从新的角度为人们认识和分析现实世界解决现实世界中的矛盾问题， 提出了一种新的方法论。 可拓学方法论是在可拓学的思想体系指导下产生和形成的，其基本特征如 下： 4 第一章绪论 ( 1 ) 形式化、模型化特征； ( 2 ) 可拓展、可收敛特征 ( 3 ) 可转换、可传导特征 ( 4 ) 整体性、综合性特征。 可拓学的方法论体系包括拓展分析方法、共轭分析方法、可拓变换方法、可 拓集方法、优度评价方法、可拓思维模式髓3 。 1 2 4 可拓检测概述 在实际应用领域中，即使信息检测技术无时无刻都在伴随着计算机技术、微 电子技术的发展而发展着，但仍然存在着有些情况下，部分信息是无法测量的。 信息无法检测有两种情况：一种是不存在对应的传感器；另一种是在某种环境中 ( 如传感器自身特点、价格、可靠性等) 无法应用对应传感器。 可拓检测技术就是为解决不可测问题而产生的技术，它巧妙地利用了可拓学 矛盾分析的方法和理论基础，并结合目前比较成熟的传感器技术，把不可测问题 转化成可测问题田3 。随着技术的进步，各种新的传感器层出不穷，对于实现同一 组目标对象的检测，可以采用的检测方案也是多种多样。因而，如何用一种科学 的方法找到这些方案，并对它们进行合理的评估从中选择出最优的方案，是信息 检测时必须首先考虑的目标。 可拓检测主要解决的关键问题有两个：第一，实现对无法检测信息的正常检 测；第二，实现对难以检测的信息的正常检测。 1 3 可拓检测中的要素聚焦和知识推理机制研究 1 3 1 要素聚焦概述 可拓检测的研究包括四个部分：关键物元提取、适应度分析、聚焦及知识机 制生成、焦点显形。聚焦是从多个可测物元检测结果的要素分布空间求取其合理 的核心要素，即焦点。聚焦是对要素的聚焦，而要素是指经过可拓变换后多个可 测物元检测结果的合理和一致性分布。具体来说，聚焦各要素的意义是在目标值 5 广东工业大学工学硕士学位论文 域上，各个可测物元经过变换后，最终指向不可测物元的取值。聚焦的要素不 是固定的值，而是一种曲线分布，可能是1 维下的点，2 维下的直线、曲线，3 维下的曲面或者是多维下的结构形状，这是由于可测物元经过变换后，要素是多 维物元而不是仅仅是1 维物元造成的。也就是说，每个待聚焦的要素，有可能是 1 维物元、2 维或者是多维物元而其维数即为决定要素适应度分布的因素，当要 素是1 维物元时，适应度分布是散乱的点，2 维时适应度分布是平面上的线条，3 维时适应度分布是立体空间上的曲面，多维时适应度分布是多维空间结构。在聚 焦的研究中，我们可以把维数理解为要素可测特征的个数，显然，多少维就是要 素由多少个可测特征决定，因而聚焦的目标也就是找出要素空间中与聚焦目标值 域特征最接近，最具代表性、最能描述所求目标的要素或要素集合【9 】【1 2 1 。 1 3 2 知识推理机制概述 可拓推理模型不同传统的推理模型，是因为可拓推理和传统的推理有着很大 的区别。可拓推理的核心机制是可扩展和变换，这与传统推理的蕴含和匹配为核 心的机制有个本质的区别【l3 1 ，这种区别就是更有利与解决矛盾的问题，对问题的 描述更加接近人类头脑里所描述的问题，不单单存在推理，还存在对于新知识的 产生和体现出创造力。相信这可以把人工智能和智能检测的智能化水平提高到另 一个层次。 本文提出的可拓推理是融合了可拓和模糊思想的推理过程。在聚焦的焦点形 成推理上，本文的思想如下：首先用可拓知识来表示推理系统中的要素，建立目 标物元和条件控制物元，然后建立可拓推理知识库，再利用可拓变换、可拓推理 知识进行推理得到模糊规则，最后利用模糊规则产生聚焦焦点。 本文的可拓知识推理机制是在求取焦点的过程中形成的，建立推理系统的目 标是为了通过推理得到在各种聚焦类型下要素的焦点，而聚焦结果( 生成焦点) 的正确合理性也正好证明了系统推理机制的科学可靠性。因此，可拓检测中的要 素聚焦和可拓知识推理机制是相辅相成、互为条件的。 6 第一章绪论 1 4 国内外研究现状 1 4 1 信息检测研究现状 信息检测是目前信息学科的前沿研究课题之一n 1 ，在各种领域有着广泛的用 途。 信息检测基于信息可测，而信息可测则直接依赖于传感器材。单一传感器的 精度提高已经比较困难，而传感器的误报和实效也会招致系统的失败；故而人们 提出了数据融合的方法，利用多个传感器进行信息检测；通过对信息数据的融合 处理，来获得可靠或更精确的信息。这也是十几年来检测技术研究的热点。各国 学者一直在寻求一种通用的数据检测技术，并提出包括回归分析法等多种构想。 但在实际应用中，往往只能局限于一定的范围或条件之下。较出色的是r c l u o ， 0 k e s s l e r ，d h a l l 等人，他们分别对数据融合机理、模型、方法等进行了研究， 并提出j d l 融合模型。但该模型的融合过程受数据性质、推理模型、约束条件等 影响，故而仍难以保证精度的稳定。因此至今仍没有重大突破。 其中，多传感器数据融合( m u l f i s e n s o rd a t af u s i o n ) 技术的出现，受到了科学 技术界的重视，并且已经成为目前的研究重点之一n 4 h 1 6 1 。多传感器数据融合技术 有十几年的历史。国外，1 9 8 8 年j m r i c h a v c l s o n 和k a m a r s h 在“t h e i n t e r n a t i o n a lo f r o b o t i c sr e s e a r c h 上发表了论文“f u s i o no fm u l t i s e n s o rd a t a ，具有 代表意义。另外，r c l u o 等在这方面进行了不少研究，并提出了多种融合方法， 包括卡尔漫滤波、贝叶斯估计等等刀。国内，张尧庭等介绍了似然比推理和信任 函数理论。虽然目前的传感器的水平已大有进步，特别是已经出现了集成传感器 与微传感器，但是单一传感器精度的提高已比较困难，而且也不能消除由于自身 的积累所造成的对系统的影响，特别是在一些系统中，根本没有办法满足对鲁棒 性的要求。另外，多传感器数据融合是一个复杂信息处理的( s o p h i s t i c a t e ds i g n a l p r o c e s s i n g ) 过程，它需要考虑多个传感器下特性、信息坐标空间、数据关联、 时间同步、数据融合方法、融合层次结构等问题，因此，在多传感器数据融合中， 无论是从理论研究还是实际应用的角度看，融合方法是研究的重点，但是只有其 他各点都协同发展，才能真正使多传感器数据融合发挥其真正的效用。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 信息检测的另外一种技术是软测量( s o f ts e n s o r ) 。软测量是实时过程控制急 需而产生的一种技术。它根据生产过程中易于测量的过程辅助变量( s e c o n d a r y v a r i a b l e ) 来估计过程中难以测量的实时主导变量( p r i m a r yv a r i a b l e ) 。软测量的 发展已经有二十多年的历史，最早于1 9 7 8 年被b j o s e p h 和c b r o s i l o w 提出。 软测量出现后，著名控制专家t j m c a v o y 在i f a c 刊物发表的论文中把其列为 重要的研究方向。之后，国外很多专家进行有关发面的研究，其中，a k d a t t a 等采用广义卡尔漫滤波方法，p k e s a v a n 等人提出用回归分析的方法，b e l a r b i 等人用神经网络和模糊推理规则进行软测量模型处理。在国内，近几年也有不少 研究，其中比较多的是基于回归分析和神经网络的方法n 8 l 。 由于软测量存在辅助变量及变量类型、变量数目、测点位置的选择困难，可 测过程数据的预处理要考虑误差处理、误差侦破等一系列问题，因此，无论在过 程控制还是在过程测量领域，尽管取得了一定的成果，但是软测量技术还是一种 有待发展的技术，离建立系统的理论体系还有相当距离。 对于信息检测的系统化理论这个复杂问题，采用单一的方法研究和分析是难 以奏效的，而采用传统方法的多种方法也会因传统各种方法的特异性而难以实现 一致描述。因此，本课题正是从这点出发，采用一种新的非传统和传统相结合的 独特的系统方法，来解决信息检测的系统化问题，建立一种系统的理论和架构。 1 4 2 可拓学及可拓检测研究现状 目前在国内外有许多学者在研究可拓学，研究的领域多为各门学科与可拓学 相结合的交叉领域，例如清华大学自动化系博士生导师金以慧教授，华东理工大 学校长王行愚教授，浙江工业大学信息工程学院王万良教授等研究学者在可拓学 与智能控制领域进行研究并发表了一批相关论文：在可拓学与检测领域有广东工 业大学计算机学院余永权教授等研究学者，在可拓学与管理领域有广东工业大学 物元分析研究所杨春燕研究员等研究学者。目前被研究与探讨的领域还有可拓学 与哲学，可拓学与设计，可拓学与逻辑学，可拓学与数学，可拓学与电气工程学， 可拓学与经济，可拓学与信息科学，可拓学与人工智能，可拓学与系统科学，可 拓学与建筑机械工程学等。二十多年的发展说明，可拓学是一个应用较广的学科， 8 第一章绪论 它具有很大的潜力，可以预料，可拓学必将在现代科学百花园中茁壮成长。 1 9 9 7 年，广东工业大学计算机学院智能研究所的余永权教授根据在控制系统 一些物理量无法检测或者难以检测的问题，结合可拓学理论的特点，提出了可拓 检测的概念和基本设想。1 9 9 8 年在广东省自然科学基金的支持下开展了“可拓检 测技术与方法研究”，进入可拓检测的研究进程，并建立了可拓检测的基本框架。 到今天为止，已经取得了一些特定应用技术成果5 m 儿u m 帅州驯。 1 5 本文研究背景及主要内容 1 5 1 本文课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目( 6 0 2 7 2 0 8 9 ) 、广东省自然科学基金项 目( 0 4 0 0 9 4 6 4 ) 。 1 5 2 本文的主要研究内容 在可拓检测中，首先对被测对象进行物元分析，把对象分成可测物元和不可 测物元；然后对不可测物元的检测则通过对可测物元的检测来实现，其方法是对 可测物元检测的结果进行物元转换，进而求出不可测物元的状态，从而得到原来 不可测物元的检测结果，以解决过去检测无法检测的问题。 本课题的主要研究内容包括四个部分，分别是关键物元提取、适应度分析、 聚焦及知识机制生成、焦点显形。在可拓检测中，首先是提取关键可测物元，接 着分析可测物元的要素分布状态和要素适应度分布；然后利用这些适应度分布状 态，进行聚焦，求取多个可测物元聚焦后的焦点，最后是对焦点的显形处理。 本文研究的重点是可拓检测的要素聚焦及知识推理机制，也就是对多个可测 物元的要素分布按适应度进行聚焦，通过建立知识推理机制从而得出聚焦焦点。 聚焦是从多个可测物元检测结果的要素分布空间求取其合理的核心要素，即焦 点。由于各个可测物元的适应度不同，故而在聚焦时是按适应度对各个可测物元 要素进行处理的。具体的做法是利用可测物元和非可测物元之间存在的非线性或 者模糊的关系，通过知识的可拓推理机制，结合适应度进行推理，求出焦点。聚 9 广东工业大学工学硕士学位论文 焦过程的输入是上一阶段适应度分析的输出，即为适应度分布状态；而输出是通 过聚焦而形成的焦点。聚焦的输出即为下一阶段物元显形研究的输入。 本课题的研究技术路线如图1 - 2 所示，本文研究的部分要素聚焦和知识可拓 推理的技术路线如图1 3 所示： 物元变换 t 可测物元检测 一 判定要素及分析 聚焦求焦点特征量值 簟 显形处理 物元逆变换 t， 1 维聚焦2 维聚焦3 维聚焦多维聚焦 毒善毒 ， 可拓推理机制 毒 焦点特征量值 图1 - 2 课题技术路线 f i g l 一2t e c h n o l o g yc h a n n e lo f e x t e n s i o nd e t e c t i n g 1 。6 本课题的创新之处 图卜3 本文技术路线 f i g l 3t e c h n o l o g yc h a n n e lo f e l e m e n tf o c u s i n g ( 1 ) 本课题建立在可拓学研究矛盾问题基础上，从矛盾转换这一角度出发，以 物元转化这一手段研究检测理论的，是一种与传统检测方法不同的全新的研究方 法和方向。 ( 2 ) 本课题和传统检测的单纯量值检测方法不同，对对象状态、特征、量值同 时进行检测。并通过特有的“要素处理”、“聚焦以及“显形”而得出正确结果。 研究路线完全异于传统。 ( 3 ) 本课题建立种对不可测对象实现检测的机制，对各种不可测的信息或者 难以检测的信息进行有效的检测。 1 0 第一章绪论 ( 4 ) 本文所研究部分对可拓检测的聚焦分析，是在适应度、关联函数加权计 算的基础上，利用可拓推理和模糊推理相结合的方法进行聚焦的，聚焦的结果具 有高准确性和科学合理性。 ( 5 ) 本文所研究的聚焦分析是一种可扩展的聚焦分析方法，提出的基于模糊 可拓推理的推理系统模型具有通用性，而聚焦的焦点生成在应用上也具有很实用 的价值，不仅在工业信息获取、信息检测，而且在工程管理、人力资源管理，金 融决策上等各个方面都具有一定意义的创新价值。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章可拓检测原理 本章主要从概念基础、技术框架等方面介绍可拓检测的原理。可拓检测是在 可拓学的思想下产生的可拓应用技术，可拓学是可拓检测技术的基础。可拓学的 基本概念是基元、可拓集、关联函数、可拓变换，因此这些概念也是可拓检测技 术的概念基础。 2 1 基元 为了形式化描述物、事和关系，可拓学建立了物元( m a t t e r = e l e m e n t ) 、事元 ( a f f a i r - e l e m e n t ) 和关系元( r e l a t i o n e l e m e n t ) l 拘概念，它们是可拓学的逻辑细胞，统 称为基元( b a s i c e l e m e n t ) t 8 】【2 1 3 1 2 2 2 1 1 物元 定义2 1 以物q 为对象，c 。为特征，瓯关于c 朋的量值1 ，。构成的有序三元 组 m = ( 0 朋，c 所，v 历)( 2 1 ) 作为描述物的基本元，称为一维物元，q 、c 。、1 ，。称为物元m 的三要素，其 中c 。和v 。构成的二元组( c 。，v 册) 称为物瓯的特征元。 定义2 2 物d m ，刀个特征c 柑c 肼：，c 册。和q 关于c 。，( f = 1 ，刀) 对应的量值 1 ，。= 1 ，z ) 所构成的阵列 称为门维物元，其中 m = 瓯，c 埘l ，1 ，m l c 州2 ，v 删 c 脚，h 1 2 = ( 瓯，巳，圪) ( 2 2 ) 第二章可拓检测原理 例如： c 。= c ，n 1 c m 2 c 砌 ， 圪= m = r 篓 v 1 ，m 2 鸩= r 麓1 筹j 定义2 3 在物元m - - ( d 肌，c 所，v 所) 中，若瓯和v 。是参数f 的函数，称m 为参变量物元，记为： m ( f ) = ( 瓯( f ) ，c 脚，v m ( f ) )( 2 3 ) 这时，v m o ) = c r n ( d 。o ) ) 。在不引起混淆的情况下，可以简记为v 。= c r n ( 瓯) 。 定义2 4 对于多个特征，有多维参变量物元，记为： 2 1 2 事元 元组 m ( f ) = 瓯( f ) ，c 州l ，1 p ) c 研2 ，1 ，舰) c 删，v 舢o ) = ( 瓯( f ) ，c 州，吃( f ) ) ( 2 4 ) 物与物的相互作用称为事，事以事元来描述。 定义2 5 把动作眈，动作的特征c 。及o o 关于c 。所取的量值v 。构成的有序三 a = ( o o ，c 口，v 口)( 2 5 ) 作为描述事的基本元，称为一维事元， 动作的基本特征有支配对象、施动对象、接受对象、时间、地点、程度、 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 方式、工具等。 定义2 6 动作晚，力个特征c 口l ，c 口2 ，c 。和o o 关于( 待1 ，刀) 对应的量值 v a i ( 江1 ，n ) 所构成的阵列 m = q ，c 口l ，v 口1 c 口2 ，v 彻“7 乞，v g , , l n“几7 = ( o o ，c 。，v o ) ( 2 6 ) 称为聆维事元 定义2 7 在事元么= ( o o ，c 口，v 口) 中，若q 和1 ，。是参数f 的函数，称么为 参变量事元，记为： a ( t ) = ( o o ( 矿) ，c av 口( z ) )( 2 7 ) 定义2 8 对于多个特征，有多维参变量事元，记为： 彳( f ) = ( o o ( f ) ，c o ，v o ( f ) ) ( 2 8 ) 2 1 。3 关系元 在大干世界中，任何物、事、人、信息、知识等与其他的物、事、人、信息、 知识。都有千丝万缕的关系。由于这些关系之间又有互相作用、互相影响，因此， 描述它们的物元、事元和关系元也与其他的物元、事元、关系元有各种各样的关 系，这些关系的变化也会互相作用、互相影响。关系元是描述这类现象的形式化 工具。 定义2 9 关系q ，z 个特征c 小c ，2 ，c 。和相应的量值v 小v 加v 。构成的拧维 阵列 0 ，c ，1 ，v ，1i q 2 一心l ：( o r ，c ，巧) 全尺( 2 9 ) c r n ，v 册i 称为n 维关系元，用于描述1 ，门和v ，：的关系。 1 4 第二章可拓检测原理 例如， r l = 父子关系，前项， 后项， 程度 维系方式血缘 描述了人v ，。和1 ，：的父子关系。 定义2 1 0 在关系元r 中，若尺表达的关系是某参数f 的函数，称 为参变量关系元。 2 2 物元的可拓性 足( r ) = d ，( f ) ，c r l ，v ，l ( f ) c ，2 v r 2 ) c 。，v 。( r ) ( 2 1 0 ) 物元分析的关键是对物元基本特性的研究，由此形成物元理论。在解决矛盾 问题的过程中，人们必须跳出原有的习惯思维领域，拓展问题中所涉及的事物， 提出创造性的方法。因此，需要研究物元的可拓性，包括发散性、可扩性、相关 性等。从事物i 句# 1 - 、向内、平行、变通和组合分解的角度提供事物拓展的可能性， 成为进行创造性思维和提出解决矛盾问题的方案的依据【8 】【1 3 1 1 2 3 1 。 2 2 1 物元的发散性 一事物具有多种特征，一种特征，一个特征元又可以为多个事物所有，这 类性质称为物元的发散性。从一物元出发，根据不同的规则，可以发散出相应的 物元集。发散方法一般有同物物元、同征物元、同值物元、同物同征物元、同征 同值物元、同物同值物元。 1 5 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 2 物元的可扩性 一个事物，可以与其他事物结合成新的事物，也可以分解为若干新的事物， 它们具有原事物不具有的某些特征，从而提供解决矛盾问题的可能性。我们把事 物可以结合分解的可能性，统称为事物的可扩性，可扩性包括可加性、可积性、 可分性。物元的三要素和物元都可以进行可扩运算，其中三要素的可扩运算是物 元的可扩运算的基础，根据物元可扩性可得到以下性质： ( 1 ) 任何两个特征都是可加的； ( 2 ) 任何物元在一定条件下可以与其他物元聚合； ( 3 ) 任何物元在一定条件下可以与其他物元组成系统； ( 4 ) 任何物元可以按一定条件分解为若干物元； 2 2 3 物元的相关性 一个事物和其他事物关于某特征的量值之间，同一事物或同组事物关于某些 特征的量值之间，如果存在一定的依赖关系，我们称之为相关。由于相关性的存 在，一个事物量值的变化会导致与之相关的事物的变化，个事物或一组事物关 于某个特征的量值的变化会导致关于别的特征的量值的变化，这种变化相互传导 于一个相关网中。这是我们可以利用相关关系去处理求知问题和求行问题。另一 方面，也由于相关网的存在，使我们进行物元变换时必须考虑其相关物元的变化， 也就是“牵一发而动全身”。因此，相关性是研究变换的连锁作用的依据，应用 相关性与物元变换解决求知与求行问题的方法称为相关网的方法。 给定一物元r ，它关于事物相关的物元和关于特征相关的物元的全体称为r 的相关网。物元的相关性以及相关网有以下一些待性： ( 1 ) 给定一个事物1 和某一特征c ，总可以找到另一个事物：，使 1 ( c ) 2 。 ( 2 ) 对同一事物( ) ，任一特征c 。都有其相关特征c ：，即：c ，( ( f ) ) c 2 。 ( 3 ) 同组事物 ) 中，任何特征c ，都有其相关特征c 2 ，即q ( ) c ：。 ( 4 ) 相关事物具有传递性，相关特征也具有传递性。 ( 5 ) 相关网中一个事物关于某特征的量值改变，会导致网中其他物元相应的 1 6 第二章可拓检测原理 量值的改变。 ( 6 ) 在某一时刻，给定一个物元犬，它的相关网是唯一确定的。 2 3 可拓变换 2 3 1 变换的基本概念 变换是可拓学解决矛盾问题的工具。所谓矛盾问题，主要是指主观与客观之 间的不相容问题以及主观与主观之间的对立问题。可拓变换解决矛盾问题的核心 在于，事物在变换的过程中得到了变化及扩展，使得原来与客观环境以及主观要 求不一致或不相符的旧事物转换成为与主客观相一致的新事物，从而有效的解决 了矛盾问题。 可拓变换是指把一个对象变为另个对象或者分解为若干对象的过程 1 3 】。 这里的对象包括了各种物、事、关系，以及用于描述它们的物元、事元、关系元 及其中的基本要素，并且包括了论域和关联准则。因此，可拓变换以变换对象的 类型可分为论域的变换、关联准则的变换以及论域中元素的变换。 不同的实际问题有各种各样的解决方法，在可拓学中，可拓变换有置换、增 加、删减、扩缩、分解、复制等多种基本变换形式。变换是可以传导的，也即对 一个物元的变换或若干个物元的变换能引起对其他物元的变换。同时，变换是可 以进行复合与运算的，也即多个变换可通过不种的组合而构成无数新的变换。可 拓变换实质上是解决矛盾问题的一种形式化工具。 2 3 2 物元的基本变换 在物元变换中，有四种最基本的变换方式。其他的变换方式是由它们的运算 得到的，这四中变换就是物元的基本变换，包括：置换变换，分解变换、增删变 换和扩缩变换。 ( 1 ) 置换变换：用某事物代替另一事物，用某特征代替另一特征，用某量值 代替另一量值的变换称为物元的置换变换。这里事物、特征和量值可以同时置换， 也可以只换其中的一个。但是，置换并不是随意的，而是根据物元的发散性，从 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 实际问题的要求出发确定变换对象。给定物元r o = ( n o ，c o ，v o ) ，若 氏o = l o = c ，乇= 1 ，则称此变换为物元民的置换变换，记作 氏r o = ( k ，乙，l 。) ( o ，c o ，v o ) = ( 氏o ，。c o ，l 。v o ) = ( ，c ，v ) 。 ( 2 ) 分解变换：分