（计算机应用技术专业论文）可拓检测机理及检测平台模型研究.pdf

摘要 摘要 信息的检测是信息处理的前提，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。 目前检测设备的智能化程度越来越高，与检测有关的交叉学科、边沿学科吸引了很多 研究学者，也有很多研究学者致力于检测技术的方法研究，并提出了如在线检测，无损检 测以及智能检测等检测方法和技术。在检测技术中应用可拓学的方法便形成了智能检测中 的一门新方法一可拓检测。目前可拓检测方法还处于初步研究阶段，还有待于随着可拓学 和检测技术的发展而进一步完善。 本文首先对检测物元模型的构建和变换进行了介绍，然后对检测方案的构建进行了分 析。提出了用相关物元进行物元聚焦的方法，最后对物元在计算机中的形式化描述作了分 析，并利用汽车性能检测作为实例对可拓检测平台模型进行了研究。 本课题为中国国家自然科学基金项目( 6 0 2 7 2 0 8 9 ) 和中国广东省自然科学基金项目 ( 9 8 0 4 0 6 ) 资助项目。 关键词可拓检测；检测物元；相关物元；关联规则 三童三些查耋三兰堡圭耋堡堡奎 a b s t r a c t n f o m a t i o n d e t e c t i l l gj st 1 1 ep r e c o n d i t i o no fm f o r r n a t i o p r o c e s s ，t l l eb a s i cr o i eo fd e t e c d n g i st oo b t a i t l eu s e f u l i n f o 加a t i o n ，s od e t e c 咖g t e c h n o l o g yi si l lt 1 1 ef i e l do fi n f 0 咖a t i o ns c i c i l c e ， i tj so n eo ft | i e t 1 1 i 优s u p p o r t s o fi n f 0 肌a t i o n t c c l l i l 0 1 0 9 y ( d e t e c t i n g c o n 廿o l t e c l l i l o l o g y c o m p u t i n gt e c h n 0 1 0 9 ya n dc o m m u n i c a 吐o nt e c h n o l o g y ) n o wt h ei n t e l l 远e n td e g r e eo fd e t e c 咖gd e v i c e si s 1 1 i g h e rt h a nb e f o r e ，m o r ea l l dm o r e r e s e a r c h e r sa r ea n t a c t e db yc r o s s s u b j e c t o rf 五n g e s u b j e c tb e i n gw i mr e s p e c tt 0d e t e c 血g t e c h n o l o g y ，a l s om a n yr e s e a r c h e r sd e d i c a t em e m s e l v e st 0 廿l er e s e a r c ho fd 曲c c d i i gm e t 】1 0 d s ， s o m e d c 怕c t i r i gm e t h o d so rt e c h n 0 1 0 9 i e ss u c h 船o n l i i l ed e t e c t i n g ，l o s s l e s sd e t e c t i l l g ，i n t e i i i g e n t d e t e c t i i l gh a v eb e e np u tf o r w a r d an e wd e t e c 血gm e t l l o d - e x t e n s i o nd e t e c t i l l gi ni n t e l l i g e n t d e t e c d n g i sf o r m e dw l l i c he x t e n s i o n t t l e o r y i s a p p i i e d t 0 d e t e c t i n gt c c h o l o g y e x t e n s i o n d e t e c t i n gm e t h o di s n o wi n 山ee l e m e n t a r yr e s 黜hs t a g e ，“ub ep e - e c t a l o n gw i 血t 1 1 e d e v e l o p n l e n o f e x t e n s i o nt h e o r ya 1 1 dd e t e c d n gt e ( 1 h n 0 i o g 弘 t h i sp a p e rf i r s t l yi i l 仃o d u c e sn l ec o n s h v c t i o nm e 山o d so f d e t c c t i n gm a n e r _ e l e m e n ta n d i t s t r a l l s f o n i l a d o n s ；s e c o n d i ya f l a l y z e s d l ec o n s 讯l c t 主o no fd e t e c t i n gp r o f e c t ，an e wm e t h o do f m a t t c r - 。l e m e n t f o c u s i l l gu 血gc o m ，1 a d v e m a t o e r _ e l 锄e n ti s p u tf o m 谊f d ；l a s d ya 【1 a 工y z e s m a n e r e l e m e n t s f o n n a l i z a d o nd e s c 却d o ni i lc o r p u t e r a 1 1e x t e n s i o nd e t e c t i i l gi n o d c lu s m ga 1 1 i n s t a i l c eo f c a r p 酬f b i l i l a i l c e s d e t e c d n gi sa l s or e s e a r c h e d t m s p 印e ri ss u 即o r t e db yn a t i o n a jn a t u r a is c i e n c ef o u n d 撕o n o fc h i a ( 6 0 2 7 2 0 8 9 ) a n d g u a i l d o n g p r o v i n c i a ln a t i l r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( 9 8 0 4 0 6 ) k e y w d r d se x 汜n s j o n d e t e c t i r l gd e t e c t i n g m a t 屺卜e l e m e n t ；c o l t e l a d v em a 衅e l e m e n t ； a s s o c i a t i o ni u l e s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 检测技术的重要性及其发展现状 1 1 1 检测技术的重要性 检测作为人们认识客观世界，获取定性与定量信息的基本方法，已经成为现代科学不 可或缺的组成部分，在自动控制系统，图象处理，模式识别，医疗诊断等领域有着十分重 要而广泛的应用。检测技术是科学试验和生产过程必不可少的手段，通过检测可以揭示事 物的内在联系和发展规律，从而去利用和改造它，推动科学技术的发展。科学技术的历史 事实说明，很多新的发现和发明，都是与检测技术分不开的。同时，科学技术的发展，又 提供了新的检测方法和装置，促进检测技术的发展。在科学实验和工业生产过程中，为了 及时了解生产过程中出现的情况及它们的结果，需要对被测对象特定特征的某些参数进行 测量或检测，其目的是为了准确获得表征它们的定量信息，为生成过程的自动化及科研提 供可靠的数据。为了提高产品的自动化程度，提高产品的功能，从而提高经济效益，在工 业生产中，无论是离散过程还是连续过程，采用自动控制技术是最有效的措旆。而自动检 测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分，自动控制系统的控制精度在很大程度 上取决于检测和转换技术的精度，随着自动化水平的不断提高，对检测和转换装置的要求 也越来越高l l l 。 信息的检测是信息处理的前提，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) 之一口1 。现 在，信息化已经渗透到社会的方方面面，人们对信息的提取、处理、传输以及综合的要求 越来越迫切。由于计算机技术的突飞猛进的发展和微型计算机的兴起，使国民经济中的任 何一个部门中需要提取的各种信息有可能通过计算机或微型计算机进行正确及时地处理。 具体地说，各种大规模集成电路和各种计算机都是通过传感器及其自动检测系统来转换信 息的。没有检测与转换技术就不能有自动保护、自动报警和自动诊断系统，就不能组成自 动控制系统，就不能实现自动计量和自动管理。 在人类步入信息社会的今日，检测与转换技术已经成为了一些发达国家的最重要的研 究热门技术之一，其主要原因是它可以给人们带来巨大的经济效益和促使科学技术飞跃发 广东工业大学工学硕士学位论文 展。人类的信息化时代必将为检测与转换技术提供更为广阔的应用前景。 1 1 2 检测技术的发展现状 纵观近代科学的发展史，可以说检测技术与检测工具的发明和使用是近代开始的实验 科学发展的强大推力器。检测作为一种具有广泛定义的测量，其实质就是把被测未知量与 同性质标准量进行比较，确定被测量对标准量倍数的过程。从模拟向数字，从单一通道向 综合多通道检测的发展，从单个仪表向检测信息系统过渡，将各种电学量和非电量变换成 统一量( 时间、频率) 后进行检测，是近几十年来检测技术发展的主要趋势【2 】。伴随着近代 科学技术的发展，特别是微电子技术、光探测技术、计算机技术的发展，检测技术及其应 用也是日新月异。 首先检测技术的方法越来越丰富。如遥测技术，自动检测技术，智能检测技术，在线 检测技术等，随着光电技术，超声波技术等的发展，使得信息的传输与处理不再局限于电 信号，可采用光电、超声波等技术的检测方法。在现代科学实验和工业过程控制与检测中 大量用到了非接触检测，在线检测，无损检测以及智能检测等检测方法和技术。其中非接 触检测是利用物理，化学以及声，光学的原理，使被测对象与检测元器件之间不发生物理 上的直接的接触，从而完成对被测量的检测；而在线检测是指在被测量变化过程中进行检 测，它在实时性要求较强的环境下很受欢迎，能及时获取被测量的信息并及时处理它们。 在文 3 中提出了用智能方法如专家系统，模糊逻辑，神经网络建立检测模型。在文 4 中提出了对检测到的数据进行预处理和一些智能分析方法如数据转换，数据模糊化及维度 分析等。在文 5 中提出了检测的面向对象模型。检测技术向几乎所有的工程技术学科渗 透，检测技术是如此重要及普及，以至于可以说：任何一个技术学科的诞生及发展的过程 中都有相应的检测技术相伴而行。 其次检测系统的智能化程度越来越高，采用高智能化语言，功能更高的新型计算机以 及采用智能部件使得今后的智能检测系统操作将越来越简单。以计算机为中心的智能化检 测系统能够测量多种分量，有电气量，又有非电气量，能实现自动管理，自动控制与检测。 用于各种参量检测的先进工具不断出现。例如针对各种物理量检测的传感器不断涌现，如 电阻传感器、电感传感器、电容传感器、光电传感器、热电偶、磁电传感器、压电传感器 以及随着智能技术的发展所诞生的各种智能传感器怕1 。 最后检测技术的学科变种越来越多。最初的检测技术集中于物理化学研究上的物理量 化学量的定性或定量测量，随着各种技术学科，交叉学科，边沿学科的出现，检测技术在 2 第一章绪论 适用于很多学科时都有不同程度的异化，例如质量管理学科的质量检验。软件工程学科的 程序测试，微电子学上的可测性设计等。检测系统的发展将是传感技术，微电子技术，信 息处理，信号传输，人工智能等多学科综合性应用的发展结果。 在科学技术高度发展的今天，一方面，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。例如检测的精度问题。检测的实时性问题，检测的复杂性以 及不可测性问题，这些问题的更好解决要求我们开发新的面向复杂系统的检测技术。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。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，并成为生产率、制造能力及实用性水平的 重要标志。 1 2 可拓学概述 1 2 1 可拓学的发展历程及其发展现状 可拓学是一门由中国人独创的新学科，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。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 dk n g ；u n i v e r s i t yo fn 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 ea d v a n c eo f a 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 cp u b l i s h e r s ) 中把“e x t e r n s i o ns e t sa n dn 0 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。 可拓学的研究以物元理论和可拓集合理论为基础，它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，以1 9 8 3 年“科学探索学报”发表“可拓集合和不相容闯题”文作为标志。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。这一阶段以发表”可拓论及 3 广东工业大学工学硕士学位论文 其应用”、”可拓工程研究”等一批论文和出版物元分析、物元模型及其应用、从 物元分析到可拓学、可拓工程方法等专著和论文集为其成果。近年，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研究对象、特殊研究方法以及新学科的独 特意义，将对近2 0 年来从可拓集合到物元理论的研究进行系统化，完成可拓论的理论体 系，阐明可拓学在科学殿堂中的位置，论证它的特殊意义，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。这一阶段以“可拓学从书”、可拓逻辑初步、 “可拓检测”、“可拓控制”等为标志，开始了可拓学在计算机与人工智能、控制与信息、 管理与决策等领域的应用研究。 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，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 2 2 可拓学的研究对象和理论框架 人类的历史是一部解决问题的历史，也是一部开拓的历史。社会生活中处处存在着矛 盾问题，矛盾开拓是人类的主旋律。可拓学的研究对象就是现实世界中的矛盾问题，研究 方向是探讨处理矛盾问题的规律和方法，它的产生和发展是人类社会发展的必然产物。可 拓学的研究将不仅使人变得更聪明，也使人类开拓活动能与大自然更协调a 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。 可拓学的理论基础是物元理论和可拓集合。其逻辑细胞是物元1 7 j 。 现实中的一切事物都是质和量的统一体隅1 。事物的质变和量变是紧密联系、相互制约 的。经典数学从客观事物中抽象出它的量与形，研究事物的数量关系和空间形式，除去了 事物的质的方面。因此经典数学及其方法，在一定条件下，有其广泛的适用性。但是，要 解决矛盾问题，既要考虑质的变换，又要考虑量的变换。由于经典数学撇开了事物质的方 4 第一章绪论 面，所以，数学模型对付矛盾问题就显得苍白无力。通过大量的实例分析发现，要寻求解 决矛盾问题的形式化方法，只考虑事物的量变是不够的，必须将事物、事物的特征以及相 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 【9 】。为此，可拓学引入了把质和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) = ( n ，c ，c ( n ) ) 。 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，在它的身上，孕育着从低级到高级，从简 单到复杂的可能性，从而为解决矛盾问题的形式化提供了可行工具。 事物变化的可能性，称为物元的可拓性。事物的变化以物元的变换来描述，物元理论 的核心就是研究物元的可拓性和物元变换以及妨元变换的性质。物元理论以形式化的语言 描述事物的可变性及其变换，因此，能够进行推理和运算，甚至最后以计算机来作为工具。 物元理论的提出，使人们能够更全面地去认识事物，了解事物的内外关系、平行关系、蕴 含关系以及与其他事物结合和自身分解的可能性，这就为解决矛盾问题的方法提供了依 据。使人们能够用形式化的语言描述事物变化所引起的各种作用。特别是连锁作用和事物 的因果关系，使我们既能够利用事物的因果关系去制订解决问题的方案，又可以利用物元 变换的传导性去研究事物变化可能引起的副作用。 为了把人们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。可拓集合可以定量化地描述事物的可变性 i “，在可拓集合的基础上，将形成新的 数学分支可拓数学。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、反常归的特性，如集合元素的动态性、 层次性、质与量的统一性及元素内部结构的可变性等。可拓集合中“既是又非”的临界观 念也使可拓集合能够形式化和定量化的描述质变与量变，可拓集合中的可拓域描述了是与 非的转换，从而能定量地描述事物的可变性。可拓集合中，抽象不仅顾及量，也顾及质， 物元可拓集合是数学抽象从数量关系和空间形式发展到事物的质的抽象。同样的，数学的 应用的广泛性由于可拓集合的出现而开辟了新的领域，使它得到更充分的体现。多种集合 及其相应理论的并存，使数学可以向更多领域包括人脑思维领域渗透的趋势更加明朗。 可拓学已经受到国内外学者的公认，并称之为结合数学与试验科学的新学科。它的物 元概念以及它在价值工程，决策分析，人工智能等方面都取得了许多成果。可拓学是一种 解决矛盾问题的新学科，是人类智能研究中的一种方法学。 5 广东工业大学工学硕士学位论文 1 3 研究可拓检测技术的意义 1 3 1 问题的提出 信息的检测是信息处理的前提，信息处理是在信息能被检测的基础上进行的，检测技 术在自动控制系统、目标跟踪、医疗诊断、图像处理、模式识别等领域有着十分重要和广 泛的应用，也是信息学科前沿的研究课题之一。 信息检测是基于信息可测的基础上，目前信息可测直接依赖于传感器和环境条件。经 典控制、现代控制以及模糊控制等都是基于对象的可测性这一点上的。过程辨识和控制的 关键就是检测技术，而传感器又是决定检测系统是否成功的关键。为了检测系统，作为获 取信息的工具的传感器，需位于信息系统的最前端，过程状态的检测直接依赖于传感器。 因此，为了实现过程状态的检测，或者为了提高检测的精度，国内外都非常重视对传感器 的研究。除了传统的电位传感器、电容传感器以及光电传感器外，现在又出现了许多新型 的智能化的传感器如各种集成传感器、智能模糊传感器、神经网络传感器等。但是，在信 息检测中，单一传感器精度的提高已相当困难，传感器的误报和失效也会招致系统的失败。 故人们提出数据融合的方法，把来自传感器的信息进行综合处理，以取得可靠或更精确的 信息。较为出色的是由r c l u o ，o k e s s l e r ，d h a l l 等人提出的j d l 模型，但由于模型 的融合过程受数据性质、推理模型、约束条件等影响，对精度的稳定仍未能取得理想结果， 至今尚未见重大突破。信息无法检测的问题仍然存在。信息无法检测有两种情况：一种是 没有相应的传感器，不能直接对被测对象进行检测：另种是受到条件的约束，恧无法采 用该传感器“”。总之，在现有的约束条件下无法实现对目标对象的直接检测。这些不可 检测问题能不能转换为可测问题，如何实现? 这是需要研究的问题。 另外的情形是人们希望检测系统能高度智能化，包括测量过程软件控制，智能化数据 处理和分析，故障自动诊断等。随着技术的进步，人们研究出各种新型智能传感器，同时 也研究出很多检测方案。那么，如何用一种科学的方法找到这些方案，并对它们进行合理 的评估和从中选择出最优的方案呢? 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。例如检测的精度问题，检测的 实时性问题，检测的复杂性以及不可测问题，检测的智能化如检测专家系统等。如何更好 的解决这些问题是当前检测技术研究的一个重要方向。 6 1 3 2 可拓检测技术对经济发展的意义及应用前景 在国民经济和社会生活中大量用到了非接触检测，在线检测、无损检测以及智能检测 等检测方法和技术。例如在我国国民经济发展中，很多领域需要对有关对象进行检测，其 中包括石油、煤气地下储藏量的检测，大型工程包括水库，高速公路、高层建筑、高架立 交桥建设质量的检测，高温炼钢炉中钢水的检测，人身内病源及病灶的检测，运动员劳碌 度的检测，金属工件疲劳的检测等。但是在很多领域中，对象状态是无法进行检测的。在 医学上，人的中风是无法检测的，其先期信号都表现在体内一些器官的内部隐性特征变化 上，在中风表现出来时，已经造成难以逆转的效果了；高层建筑的钢筋水泥柱质量是无法 进行无损检测的；不规矩平面材料的面积是难以准确检测的等等。上述有些我们不能直接 检测，面需要去解决存在其中的很多矛盾问题，通过化解矛盾从而实现间接检测原来不能 被检测的对象。 可拓学以客观世界中的矛盾问题为研究对象，提出了矛盾可以化为相容的基本思想， 从形式化的角度去研究矛盾的变化，它为人们提供了全面认识事物和事物结构的新方法， 以及对事物变换以解决矛盾问题的形式化方法，具有有广泛的应用范围，在创造性思维、 决策方案的指定、识别和评价系统、社会科学、人工智能等方面都可以较好的应用。对于 上节中提出的关于检测技术的一些问题，用传统方法很难解决，但是它们却正好是可拓学 的研究范围。因此，将可拓学引入到检测技术中必将有利于检测技术的发展，同时也将进 一步开拓可拓学的应用领域。 对于如何实现不可测问题转换为可测问题，不可能用单纯的形式逻辑思维来解决。它 需要创造性的思维，在形象思维和经验的基础上产生的一种发散性思维。发散性思维，表 现为高度的联想能力。能把两个表面上毫无逻辑关系的领域中的有关规律联系起来。物元 的可拓性，就是描述发散思维的工具。具体来说可以利用可拓学的约束条件的可变性和检 测目标的迂回性来实现不可测问题到可测问题的转换。所谓约束条件的可变性是指：对于 约束条件的处理，不采用确定和不变的方法，既把约束条件看作对检测目标的约束，又可 看作实现检测目标的内在动力。通过物元变化的迭代调整，充分挖掘系统的内在潜力，运 用系统外的有关因素，改变约束条件，以满足检测目标的实现。所谓检测目标的迂回性是 指：不把检测目标看作确定的、不变的。利用物元的蕴含性和蕴含方程，可以先实现蕴含 检测目标的另一物元而使目标物元实现。也可以对目标进行物元变换或者与约束条件一起 作物元变换的迭代调整，而使检测目标得以顺利实现。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 对于检测系统的方案的生成及选择可以利用可拓决策技术以及可拓识别与评价来实 现。可拓决策技术目前已经有了一些研究，但具体到检测系统还没有实际的应用。一般的 决策理论，很少研究策略如何形成以及如何开拓决策策略集的问题，只是在已有的策略中 进行比较和选优。然而，研究怎样产生更多的、更巧的策略，却是决策活动的关键之一。 可拓决策研究开拓决策策略的有关规律、理论和方法，提出了利用物元的可拓性和物元变 换去开拓决策策略集合的技术。在检测系统中，可以利用可拓决策方法去生成检测方案。 对于这些方案的识别与评优，也可以采用可拓评价来实现。物元的概念为解决识别问题提 供了新的途径。根据事物关于特征的量值来判断事物属于某集合的程度与可拓集合的基本 思想是一致的，而关联函数则使识别方法更为精细化。 综上所述，把可拓学引入到检测技术中将为检测技术和可拓学开辟新的应用领域，可 拓检测技术是以变换为核心的智能检测技术，具有重要的研究意义。 1 4 本课题研究的创新点 目前可拓检测技术的研究还处在一个起步的阶段，在将可拓学与检测技术结合起来进 行研究的过程中。以余永权教授为主的研究学者已经提出了一些相关概念，取得了一定的 研究成果。 本研究在已有基础上研究了物元聚焦的一种方法，即利用数据挖掘中的关联规则进行 物元聚焦，并给出了一个应用实例。 1 5 本课题研究的来源 本课题得到中国国家自然科学基金项目( 6 0 2 7 2 0 8 9 ) 和中国广东省自然科学基金项目 ( 9 8 0 4 0 6 ) 的支持。 第二章检测物元模型构造及其可拓变换 第二章检测物元模型构造及其可拓变换 2 1 物元的相关概念及其特性 2 1 1 物元的相关概念 我们把人、事和物统称为事物。事物具有各种各样的特征，确定的事物关于某一特征 有相应的量值。事物的名称、特征和量值是描述事物的基本要素。把事物及其特征和相应 的量值放在一个统一体中可以使人们处理问题时能同时考虑到量与质。这三个要素便形成 了物元的三要素，物元的三个要素的变化和事物内部结构的变化使物元发生变化，可以认 为物元是描述事物可变性的基本工具。 定义2 1 物元及n 维物元给定事物的名称n ，它关于特征c 的量值为v ，以有序三 元组r = ( n ，c ，v ) 作为描述事物的基本元，简称物元。同时把事物的名称、特征和量值称 为三要素。根据物元的定义，v 由n 和c 确定记作：v = c ( n ) 。因此，物元可以表示为： r ：( n ，c ，c ( n ) )( 2 1 ) 一1 个事物有多个特征，如果事物n 以n 个特征c 。，c 。，c 。和相应的量值v 。，v 2 ， u 描述，则可表示为： r 。= i i = 这时称r n 为n 维物元，简记为r = ( n ，c ， ( 2 2 ) 定义2 2 存在物元和期望物元若n 。( n ) ，c ( n ) = v 则称r = ( n ，c ，v ) 为存在物元。 若物元r = ( n ，c ，v ) 中n 。( n ) ，但n 关于特征值c 的量值v 为期望值，则称r 为期望 物元。存在物元的全体记为，( r ) ，期望物元的全体记为。( r ) ，全体物元的集合记为 ( r ) 。显然( r ) = 。( r ) u 。( r ) 。若r 。( n ) 能变成r 。( n ) ，则称物元r 实现，记 作r ，否则称r 不实现。符号 表示实现。 定义2 3 常物元和变物元在某个讨论过程中，若r 的每个要素都始终保持不变， 则称r 为常物元。物元r 的三要素如果有一个或一个以上是变化的，称该物元为变物元， 若r 关于某特征的量值随着时间t 的变化，也会发生变化，以v ( t ) 表示，事物n 以n ( t ) g 1，j 广东工业大学工学硕士学位论文 表示，这时物元可记为r ( t ) = ( n ( t ) ，c ，v ( t ) ) 称为动态物元，例如有一物元r = ( 汽车a ( t ) ， 速度，v ( t ) ) 就可以表示出汽车a 在任一时刻的速度。如果t 代表的不是时间，而是其它 的参变量，则r ( t ) 称为参变量物元。例如有一物元r = ( 液体a ( t ) ，状态，v ( t ) ) ，如果t 表示温度，则该物元可以表示出该液体在任意温度下所处的状态。 物元之间的基本关系主要有三种：相等，蕴含，相关和无关。 1 ) 相等关系：给定物元r ，= ( n ，c ，v ，) ，r 。= ( n 2 ，c ：，v 2 ) ，当且仅当n ，= n 2 ，c ，= c 。，v 1 _ v 2 时，称r 。和r 。相等，记作：r 。= 毗。 2 ) 蕴含关系：若物元r 。 ，则物元r 。 ，称r 。蕴含r 2 ，记作r 。= 。若在条件1 下，物 元r ， ，则物元r 。 ，称在条件l 下r 。蕴含r 。，记作r 。= ( 1 ) r 。若物元r ，则物元 r ，r 2 ，r 。 ，称r 蕴含r 。，r ：，风，记作r = r l ，凡) 。若在条件 1 下，物元r ，则物元r 。，磁，r 。，记作r = ( 1 ) ( r ，r 2 ，r 。 。若物元之 间不满足上述蕴含关系，则用 表示。 3 ) 相关和无关关系：给定物元r 。= ( n l ，c ；，v 。) 和r z ：( n z ，c 。v 。) ，若存在r ( r ，c ， v ) ，r r ，则称r 1 与r 。相关，记作r 。r 。若对于任何r r ，c ，v ) ，r 1 r ，则称 r ：与飓无关，记作r ，r 2 。 对于物元的三要素：事物、特征和量值也各自存在这三种基本关系。 2 1 2 物元的可拓- 陛 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。从事物向外、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。 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。 发散方法一般有以下几种。 ( 1 ) 同物物元：若n 0 1 ( n ) ，则必然存在n o 无限多个特征及相应的量值，且至少有一 个特征c ，使c ( ) c ，这个性质称为一物多征。 ( 2 ) 同征物元：若c o l ( c ) ，则必然存在n ( n 1 ) 个事物n ；。( n ) ( i = l 。2 ，n ) ， 使c ( n 0 ) 让，这个性质称为一征多物。 m 第二章检测物元模型构造及其可拓变换 ( 3 ) 同值物元：给定量值v 。，则必然存在n ( n 1 ) 个事物n 。，( n ) 和特征c 。( c ) ( i = 1 ， 2 ，n ) ，使c ，( n 。) = v o 这个性质称为征多物。 ( 4 ) 同物同征物元：给定物元r 。= ( n 0 ，c 。，v 。) ，则它的同征同值物元集( r 帅，c 。 = f r l r _ ( n 0 ， c 。，v ) ，v v ( c 。) ，为其同征同物元集与同值物元集之交，即f r n 0 ，c 。) ： r 。) n ( ) 。 ( 5 ) 同征同值物元：给定物元r 0 - ( n 0 ，c 。，v 。) ，则它的同征同值物元集f r n 0 ，v 。) = 吲r = ( n ， c 。，v 。) ，n ( n ) ) ，为其同征物元集与同值物元集之交，即 r 。，v 。) - & 。) n ( r v 0 ) 。 ( 6 ) 同物同值物元：给定物元r 。= ( n o ，c 。，v 。) ，则它的同物同值物元集【r n 0 ，v 。) = 恻r = ( n 0 ， c ，v 。) ，c ( c ) ) ，为其同物物元集与同值物元集之交，即( ，v 0 = ( ) n ( r 。 。 2 ) 物元的分合性：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，统称为事物的可拓性，可拓性包括可加性、可积性和可分性。 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 ) 若n = n l0n 2o om ，( n ，c ，c ( n ) ) = ( n lon 2 o on n ，c ，c ( n ，o n 。o o n n ) ) 。则c ( n ) 与原量值c ( 1 ) 的关系可以有三种情况：若c ( n ) c ( f ) ， j = 1仁l 说明组合后的量值大于原量值：若c ( n ) = c ( f ) 说明组合后的量值等于原量值；若c o d c ( n ) ，说 f = l l ；l 明分解后的各事物关于c 的量值之和大于原事物关于c 的量值；若c ( f ) 2c ( n ) ，说明 广东工业大学工学硕士学位论文 分解后各事物关于c 的量值等于原事物关于c 的量值；若c ( f ) t i ( n 0 ，c ，c ( n o ) ) = ( n ，c i ，c ：( n 。) ) ，i = 1 ，2 ，n 。 ( 2 ) 事物的变换将导致外联事物集的变换。即若t 。n 。- n 则对n 0 的外联事物集f 0 1 n 0 ) ，有 t 0 1n 0 ) = ( 0 1 n ) 。 ( 3 ) 事物变换后，至少有一个特征的量值与原事物的量值不同。 ( 4 ) 特征的变换，会导致其全体相关特征的变换，即设r o = ( n 0 ，c o ，v o ) 将c o 关于事物n 0 的相关特征的全体称为c 。的相关特征集，记为c ，( c o ) ，若作t 。o c 0 = c ，则t 【c ，( c o ) ) = c ，( c ) a ( 5 ) 对物元r o 中特征的变换，会导致其相关特性的量值的变换。 2 ) 物元的复合变换：在处理不相容问题时，有些变换形式是经常用到的，它们由若干基 本变换构成，我们称为物元的复合变换，复合变换包括中介变换和补亏变换。 广东工业大学工学硕士学位论文 中介变换是在物元变换过程中引进一个或多个特殊的物元，以使物元变换实现，中介 变换包括过渡变换和催化变换两种类型。 一般地，给定物元r 。，要作变换t ，使t r 0 - r 无法进行，则先作变换v ，使l l ，r 0 - r 。， 再作tr 1 ur 。，又作l l ，。1 r 2 = r ，即口= v 。1 t ( r 。) ，变换v 称为过渡变换。在过渡变换中， 起过渡作用的可以事物、特征或量值。分别称为过渡事物、过渡特征和过渡最值。所谓催 化变换，就是借助于一些特殊的物元参与变换过程，与参与变换的物元进行结合，而后又 在得到的物元中分离出所需要的生成物元，而那些特殊的物元在变换的前后都保持不变， 如同化学反应中的催化剂，它们就是催化物元，催化变换分为先后结合式、分别结合式和 结合置换式三种形式。 在处理矛盾问题的过程中，常常采用“以有余补不足”的方法。描述这类方法的是补 亏交换，补亏变换法包括：以它事物之有余补此事物之不足；以它特征之有余补此特征之 不足；在同特征中，以它量值之有余补此量值之不足。 一般地，设r ，= ( m ，c ，v 。) ，：( n 2 ，c ，v 。) ，作变换t l ，t 2 ，t 3 和t 。，使t ，r 。= r 。， r ，”) = ( n ，c ，v ，) ，( n 。”，c ，v ，”) ) ，t 2r 。= ( r 2 ，” = ( o 虹，c ，v 。) ，( n 。”， c ，v 。”) ，t 。 r 】，r 2 = r ，o 飓，l r ，”，r 2 ”) = r 。”o 如”称上述变换为事 物的补亏变换。另外，量值的补亏变换和特征的补亏变换也和事物的补亏变换类似“。 2 2 检测物元模型的构造 2 2 1 检测物元的概念 检测过程中充满了许多矛盾问题，在实际的检测系统中，有一些检测量往往无法直接 检测或检测成本太高，这时工程技术人员往往会利用事物间的联系变化规律通过检测其他 量间接获得目标检测量。可拓学就是研究矛盾问题的学科，它提供了一套科学的研究事物 间联系变换的方法，很适合于工程应用。在实际的检测系统中，有一些检测量往往无法直 接检测或检测成本太高，这时往往会利用事物间的联系变化规律通过检测其他量而间接获 得目标检测量。可拓检测是建立在可拓学基础上的一门新型检测技术，通过对被检测对象 进行物元分析，借助于可拓学中的物元理论，通过检测可测物元从而解决不可测物元的检 测问题。为了便于对所要解决的问题建立物元模型，在此将给出几个有关概念。 定义2 4 检测物元对于一个具体的检测系统，总是要实现对某个对象的某种属性 或物理量的量值的检测。检测物元是一个特殊的物元，其事物n ，特征c ，量值v 分别是 第二章检测物元模型构造及其可拓变换 待检测的事物，待检测的属性或物理量以及检测结果的量值，记作r = ( n ，c ，v ) 。同样， 也有n 维检测物元。 根据检测物元中的属性或物理量能否用现存的仪器检测出来可以分为可测物元和不 可测物元。 定义2 5 可测物元和不可测物元存在物元r = ( n ，c ，v ) ，其中n 表示事物，c 为其 特征，v 为其特征对应的量值。如果事物特征的量值是可以用现存的仪器直接检测出来， 我们称该物元为可测物元，如果不能被直接检测出来，则称该物元为不可测物元。 存在n 维物元r n ： c lv 。_ 1 c v 。l _。j( 2 3 ) ：i c 。 v 。_ 】 其中n 为事物，c 。，k = 1 ，n ，为事物特征，v k ，k = l ，n ，为特征量值，如果特征 的量值可以用现存的仪器直接检测出来，则称该n 维物元r 为n 维可测物元。否则称该n 维物元r 为n 维不可测物元。我们把n 维可测物元和不可测物元统称为n 维检测物元。 定义2 6 条件检测物元对于一个具体的检测系统，要实现对目标对象的检测，往 往受到多种条件的约束，只有在满足这些条件的前提下，构建检测系统才有意义，假设条 件的描述对象的名称为n t ，同时针对该对象的特性和相应的量值分别为c 。v 。则可以以 物元的形式r 。= ( n t ，c 。v 。) 描述该条件，称r t 为条件检测物元。 个检测系统受到约束的条件有许多，其中有些是针对被检测对象的，有些是针对检 测环境本身的要求，有些是人为特别规定的。所以条件检测物元通常是一个多维物元，多 维条件检测物元r t 可以表示为： nc i l1 ，n n 1 2c nv | 2 。c 。v m ( 2 4 ) 对于一个具体检测系统来说，条件检测物元之间往往存在着比较复杂的相互制约关 系，其中有些条件是显而易见的，有些则比较隐蔽，如果不能及时发现往往会对构造一个 检测系统的过程造成严重影响。因此对条件检测物元的发现，提取，选择，变换对构建一 广东= 业大学工学硕士学位论文 个检测系统有重要意义。 2 2 2 检测物元的分类 检测物元根据被测物元的特征量值的类型的不同又可以分为二值检测物元，精确值检 测物元，模糊值检测物元。不同的检测物元可以表示不同的检测任务，如下： 1 ) 二值检测物元：用来表示被测物元的对象事物的特征状态是否存在这一类的检测任务， 称这类检测物元为二值检测物元 2 ) 精确值检测物元：需要检测的被测物元的对象事物的某个特征的具体量值可以用一个 具体的数字来精确度量，这类检测物元称为精确值检测物元。 例如检测某段时间电灯的用电量的检测物元( 电灯，耗电量，x ) ，这里的x 是一个具 体的数字，表示用电的多少而且往往在该检测物元的条件物元中还有对检测精度的