第3章 模型库管理系统

.,1,第3章模型库管理系统,3.1模型3.2模型的生成技术3.3模型库概述3.4模型库管理系统,.,2,引言,模型库系统(ModelBaseSystem，MBS)是对模型进行分类和维护，支持模型的生成、存储、运行和分析应用的软件系统，它主要包括模型库、模型库管理系统、以模型库为基础的应用程序和模型库管理员4个部分。模型库(ModelBase，MB)是为一定目的服务，以特定的结构存储的相关联的模型集合。模型库管理系统(ModelBaseManagementSystem，MBMS)则是处理模型存取和各种管理控制软件，实现对模型库系统的有效管理。以模型库为基础的应用程序必须通过MBMS来访问模型库。模型库管理员(ModelBaseAdministrator)对模型库进行规划、设计、协调、实现、维护和管理等工作的人员或集体。,.,3,3.1模型,模型概念模型的特点模型的表示模型管理技术发展过程模型的种类,.,4,模型概念,研究客观世界的三种方法逻辑推理法实验法模型法客观世界的实际系统极其复杂建模要抓住本质属性和因素模型比客观世界更简单、更抽象。,.,5,模型概念,模型是以某种形式对一个系统的本质属性的描述，以揭示系统的功能、行为及其变化规律。模型作为对研究对象及其变化过程的抽象与模拟，是在充分的专门研究基础上概括的客观规律的表述。因此它有助于研究者有效地从众多相关因素中寻找重要的成因联系与因果关系，促进研究工作的逐步深化。模型是客观世界的一个表征和体现，同时又是客观世界的抽象和概括。,.,6,模型的特点,模型比现实世界容易操作。容易理解实际问题。容易抓住客观事物的发展规律。可以降低成本。可以找出系统的影响因素。,.,7,模型的特点,例如：关于商品的市场需求问题商品的需求与其影响因素之间的关系用函数形式表示如下：Qd=f(P,Y,J,Ps,N,A,Pe,M,.)Qd某种商品的需求P某种商品的价格Y浪费者收入水平J浪费者的偏好Ps替代品的价格N消费者的数量A该商品的广告费用Pe该商品的预期价格M商品的市场饱和度,.,8,模型的表示,模型在计算机中的表示方法和存储形式称为模型表示。在模型库系统中，首先要考虑模型的表示，使模型便于管理，能够灵活的连接，并参于推理。为了增强管理的灵活性和减少存储的冗余，模型的表示趋向于将模型分解成基本单元，由基本单元组合成模型。对应于不同的管理模式，基本单元采用不同的存储方式，目前主要有以下三种：程序表示、数据表示和逻辑表示。,.,9,模型的表示,模型的程序表示以子程序表示子程序表示法是一种传统的、实用的模型表示方法。该方法将模型作为计算机的子程序进行存储。模型是一个具有自己的输入、输出、执行次序的完整的程序。优点是：大大提高了模型的求解能力，充分利用了计算机的速度快、计算精度高、存储量大等优点；缺点是：由于模型和算法结合在一起，增加了修改的工作量。另外，模型之间难以共享、组合，造成模型存储的冗余。以语句的形式表示用通用的高级语言设计出一套建模语言模型中的不同方程、约束条件和目标函数都对应于相应的语句，进而对应一般程序或句子。,.,10,模型的表示,模型的程序表示宏命令表示法由美国Texas大学的MichaelS.Y.Wang等人在80年代初提出的。他们认为，模型是一系列用来解决问题的原始指令。在DSS中，解决用户问题不仅需要一系列的模型，有时还需要查询和显示一组数据来支持用户的决策，这组数据往往是通过实现一系列用来完成数据、查询操作的原始指令。模型和复合查询都可以认为是可以重复使用的一组命令，即可以把它们看作为宏命令。组件技术组件技术的出现在很大程度上解决模型的修改冗余问题。组件通过接口实现组件之间以及组件和客户之间的通讯，组件内部实现完全封装，为重用提供更好的支持，可以单独或与其他组件一起共同完成特定的功能，十分有利于模型库的扩展；通过创建组件中类模块的属性和方法，可以实现模型库与数据库之间的无缝连接；便于模型运行控制程序的生成。,.,11,模型的表示,模型的数据表示用数据来表示模型，就是把模型看作输入数据集到输出数据集的映射，其映射关系由参数集合确定。用数据表示模型又有模型抽象和模型关系表示两种。例如Konsynski用数据表示模型的方法构造的广义模型管理系统。他把模型描述为由方程、元素和解程序组成的数据抽象。模型的抽象表示就是把模型描述为元素、格式和程序三个部分组成。元素为构成模型参数的所有数据项及其类型；程序部分为运行本模型的所有子程序；格式为有关元素和程序之间的相互关系，可以是一系列谓词演算公式。这样就把模型抽象变成数据抽象。,.,12,模型的表示,模型的数据表示例如Blanning提出的模型的关系理论。他的主要思想是将模型表示为由一组输入属性和一组输出属性组成的关系，记为m（I/O），I为输入集，O为输出集。这样，模型就可以看成一个对应于输入项集与输出项集的笛卡尔积的子集。因此，创建模型就和创建关系数据库中的关系一样。这种模型表示方法是从模型的变量转换关系及约束条件出发来研究模型的，他建立在关系模型的数据库的基础上，这样就可以用查询语句来表示用户的信息需求，给使用模型带来更多的方便。模型数据表示的优点：引用发展的比较成熟的关系数据库管理技术实现模型的管理。这样，模型运算就可以转换成数据的关系转换。使模型单元易于与其他单元通信，并且模型便于更新；缺点：当模型的结构比较复杂而且动态性较强时，不利于模型的存储。,.,13,模型的表示,模型的逻辑表示模型的逻辑表示又称为知识表示，它是一种基于人工智能的表示方式，主要有谓词逻辑、语义网络、逻辑树和关系框架等。这些方法都是表示知识的基本方法。逻辑表示既可以描述定量模型的输入输出关系，也可以描述定性的、逻辑的及概念的模型对应关系。因此，模型的逻辑表示对于描述含有定量的、定性的、半结构的及非结构的决策模型具有非常重要的意义。,.,14,模型的表示,对模型表示基本要求一致性。模型的表示应与数据的表示相一致，以利于数据的衔接和调用，并便于统一的方式进行管理；模块性。模型表示应具有基本单元形式和组合功能，以便多个基本模型组合成复杂模型，使一个模型系统能够适应不同的应用环境，方便模型的建立、修改和维护；独立性。不仅每个模型应该独立，而且整个模型库应该与数据库及方法库独立存放。这样不仅便于模型的修改，也不会影响到数据及方法，而且便于模型资源共享；智能性。模型表示应基于知识，尽可能具有一些智能性，以便和知识库协同工作。,.,15,模型管理技术的发展过程,子程序库（模型程序）是模型管理技术的初期阶段模型程序是利用计算机语言来描述模型的算法过程。模型算法可通过人工算法来描述和求解。人工算法并不能直接转换成计算机算法。计算机算法是建立在计算机语言的基础上。通常以子程序形式存储于计算机内子程序可以嵌套组合。,.,16,模型管理技术的发展过程,模型软件包各种专门编制的模型程序组合在一起形成程序包，来完成特定的任务。由专业程序员来研究模型并编制相应的程序。特点：组织结构简单：独立存放、共享调用。各模型程序相对独立：程序之间是调用关系。程序所使用的数据是各自封闭：数据不能共享。模型程序包不能组合使用，单独使用。模型软件包降低了对用户的要求，方便实用。缺乏灵活性。最常用的人机对话方式是菜单。,.,17,模型管理技术的发展过程,模型库和模型管理系统模型库是将众多的模型按一定的结构形式组织起来，通过模型库管理系统对各个模型进行有效的管理和使用。模型库是共享资源，可组合成更大的模型。DSS模型库中的模型以数学模型为主。模型管理系统：以适当的存储模式进行模型提取、访问、更新和合成等操作的软件系统。模型管理系统具有生成模型的能力。主要研究方法采用数据库管理技术实现模型管理。应用人工智能技术实现模型管理。二者结合,.,18,模型管理技术的发展过程,模型库和模型管理系统模型库和模型软件包（ModelPackage）的区别：在模型库中模型的存储模式和求解过程并不相连，并不是为某一目的而建立的独立程序及其集合。而是以基本模块和基本要素为存储单元的集合。动态性是模型库的一个重要特征。,.,19,模型管理技术的发展过程,人工智能管理方法人工智能的知识表示方法和数据库管理技术结合起来。数据库结构用于存储模型。知识表示技术则是模型表示的主要工具。研究重点是采用人工智能方法改善模型表示。,.,20,模型的种类,数学模型方程形式：建立变量之间的关系是数学模型的一种数学结构形式建立了模型中变量的相互关系方程形式便于理解但不利于计算。算法形式：用一系列演算步骤表示模型的数学求解过程。程序形式：用计算机语言按模型的算法编制的模型的求解程序。将人工算法转换成计算机算法。误差的控制是模型程序要解决的问题。,.,21,模型的种类,数据处理模型：是完成一定任务的数据处理过程数据处理主要是对数据库中的数据的处理不需要复杂的计算图形图像模型图形模型一般以向量数据形式表示或以绘图程序形式表示。报表模型报表模型是以程序形式表示。一般用数据库语言编写。,.,22,模型的种类,空间分析模型：它提供了一系列空间分析工具，支持复杂的空间决策分析。主要包括以宏语言编写的模型、以API形式提供的模型、以对象控件形式提供的模型，其中除了后者是ActiveX控件外，其余两者仍是程序文件。,.,23,3.2模型生成技术,传统建模方法及其缺陷建模的原则模型生成技术的特点及环境模型生成的一般步骤模型的动态生成,.,24,传统建模方法及其缺陷,传统建模方法u表示实体控制变量，y表示实体的观测变量。所谓建模就根据u和y寻找实体的描述方式，即模型。,.,25,传统建模方法及其缺陷,传统建模的缺陷（1）建模所需的数据往往难于索取，或者不能满足建模的要求。（2）根据模型所得的计算值与实际的观测值之间有时存在很大的差异。（3）对于一个复杂的、综合性很强的实体，建模工作十分困难。（4）管理人员难于理解大型的复杂模型。（5）用一组简单模型来模拟复杂问题。（6）传统的建模方法没有使决策者和利用模型做决策的过程进行充分的交互。,.,26,建模的原则,避免过于复杂的模型制定正确的目标且量化适当考虑远景合理地利用资源面向问题,.,27,建模的原则,弄清决策人员需要的信息让决策人员参加建立模型过程制定适当的时间计划知道怎样实现模型谨慎地使用计算机资源仔细考虑建立模型过程的每一步。,.,28,模型生成技术的特点及环境,生成过程的特点（1）非传统方式建造的模型在系统内的主要存储方式是非程序式的。（2）在生成模型的过程中，采用定量建模和推理分析相结合的技术。（3）模型生成在人机交互中完成。（4）模型生成应该是一个动态过程。,.,29,模型生成技术的特点及环境,模型生成环境任何实体都存在于一定的环境中，实体的运动形态除了受自己的内在因素影响之外，在很大程度上还被周围环境所制约。影响实体运动形态的外部因素构成了实体存在的环境。在DSS中应该具备的条件和软件框架，人们称之为模型的框架环境。设计框架环境时应考虑以下问题：交互方式模型表达方式定量计算能力。推理分析框架框架环境的管理。,.,30,模型生成的一般步骤,（1）系统分析（2）确定模型的描述方式（3）参数设定（4）模型评价和结果检验。（5）模型求解。（6）报告输出。,.,31,模型生成的一般步骤,系统分析机器的作用是提供实体的仿真环境，并利用推理功能分析达到决策目的的途径人的作用是观察仿真环境和实际系统的差别，利用经验和知识对达到决策目的作出分析和判断。,.,32,模型生成的一般步骤,确定模型的描述方式模型的种类模型的性质模型的结构推理形式,.,33,模型生成的一般步骤,参数设定利用推理系统检查模型参数的含义。能否得到参数的数值。人的干预是必须的,.,34,模型生成的一般步骤,模型评价和结果检验利用人的经验和知识、实际数据、推理系统、仿真试验来对模型做出最的结果检验，然后作出评价。满意进入下一步，不满意则重新修正。模型求解报告输出报告是介绍模型的一种正式文本,.,35,模型的动态生成,如果影响系统运动形态的内因和外因发生了变化，一般所生成的模型就不能确切地描述系统了。根据系统的内因和外因变化修改模型，使之跟踪系统运动形态的过程称为模型的动态生成。一般模型的动态生成包括：仿真环境跟踪模型参数更新模型重构调整推理,.,36,模型的动态生成,仿真环境跟踪系统的仿真环境主要用来模拟影响系统运动状态的外因。量化因素置于数据库，非量化因素置于知识库改变系统仿真环境是动态生成模型的基础工作仿真环境的修改包括：数据的增加和删除知识的更新描述解释变量或参数的变化系统仿真模型的变化。,.,37,模型的动态生成,模型参数更新当系统的内因和外因发生变化时，而模型的结构不发生变化时，仅变更模型的参数就可以。模型的参数修改最好用人机交互来修改。模型重构当系统的内外因影响模型结构变化时，则需进行模型重构当参数更新不起作用时，则应时行模型重构。重构不是模型的生成，只是在模型中增删一些影响因素,.,38,模型的动态生成,调整推理系统内外发生变化也会影响模型的推理分析推理调整中的一个问题是寻找变化的知识对模型的影响。,.,39,3.3模型库概述,模型库简介模型库文件模型库分类模型字典模型库设计及实现技术,.,40,模型库简介,模型库(ModelBase，MB)是在计算机中按照一定结构、形式存储的模型的集合。模型库是处于模型库管理系统(ModelBaseManagementSystem，MBMS)的组织、管理之下的。就像数据库(DataBase，DB)和数据库管理系统(DataBaseManagementSystem，DBMS)的关系一样。但是，从根本上来讲，模型和数据是有很大区别的。,.,41,模型库简介,模型库的产生由于实际问题的复杂性，单一模型通常不能满足某一研究目标的需要，因此通常需要多种模型的组合来解决一个实际问题，这导致了模型的组织形式由传统的软件包向模型库发展。模型库不同于软件包。软件包虽然也包含有多个模型，但各模型间没有任何关系也没有任何约束。而模型库中的模型是按一定组织结构形式存储起来的，这种组织结构形式便于对模型的有效管理和使用，也提高了多模型的组合辅助决策能力模型库中有一些具有支持不同层次的基本模型，其中有一些为支持频繁操纵的单一模型；还有一些用于生成新模型的基本模块和基本要素。这样模型库就是一个“产生”模型的基地，而不是预先建立的集合，通过模型的组合，可以使模型灵活的变更。,.,42,模型库文件,模型库文件种类模型库中除智能模型外，模型都以程序形式或数据文件表示，程序和数据都以文件存储。而程序又分为源程序和目标程序，这样，一个模型至少有两个文件。如果对模型进行文件说明，包括模型的方程形式以及算法的自然语言描述，这将形成模型的说明文件。如果对模型的输入数据和输出数据进行说明，又将形成模型的数据描述文件，这样，一个模型将对应四个文件。对这些文件需要建立一个文件库。,.,43,模型库文件,模型文件的存储方式直接在计算机操作系统管理下存储建立子目录存储模型文件按模型分类建立目录按模型文件的分类建立目录有源文件，目标文件，说明文件和数据文件,.,44,模型库分类,通用模型库用户编制模型、系统仅提供框架、模型求解方法专用模型库专为某些决策或决策者设计用户引用库中已有的预制模型智能型模型库由基本模型组件、问题识别、形式化机制等部件组成,.,45,模型字典,模型库的管理，必须有一系列目录来支持它的管理活动，这一系列目录就是模型库的模型字典(ModelDictionary，MD)。从某种意义上讲，对模型库的管理就是对描述模型库本身及其相应的模型字典的管理，因而模型字典的内容与它的管理是模型库管理的重要组成部分。模型字典是模型库管理系统的核心，它包含模型库中所有模型的描述和存储信息，是关于模型描述信息的特殊数据库，它是模型库系统设计和实现人员在模型库系统设计、实现、运行、维护以及扩充等阶段中控制并管理有关模型的信息工具。模型库系统中关于模型的描述、存储和使用等信息称为模型库系统的元数据(Metadata)，模型字典就是管理和控制模型库系统元数据的工具。,.,46,模型字典,模型字典的作用是模型文件的索引便于对模型分类便于模型的查询和修改通过索引能迅速地查找到所需要的模型对模型文件的修改主要是对模型算法、参数以及有关模型说明的修改,.,47,模型字典,模型字典内容模型的内容模型的功能和用途模型编码模型在模型库中存放的位置模型的来源、出处模型的变量和维数模型使用的算法程序及在方法库的位置模型使用的数据名称、单位、精度及存放位置用户文件、使用说明模型框图、文字说明建立模型的作者、时间修改模型的作者、时间审核模型的作者、时间模型入库时间其它辅助用户学习使用模型的信息,.,48,模型库设计及实现技术,模型库设计模型库设计应考虑三个方面：建模能力模型数据链模型对话链,.,49,模型库设计及实现技术,模型库的接口处理与数据库的接口模型从数据库中取输入值和参数值，同时又将输出送还给数据库。数据库中数据更新时，模型也可以被更新。,.,50,模型库设计及实现技术,模型库的接口处理与对话子系统的接口模型库与对话子系统直接接合，来使用户直接操作、处理以及利用模型。,.,51,模型库设计及实现技术,模型库实现技术模型库实现方法主要有：子程序调用形式利用建模语言和框架描述把模型的表达和操作都以数据块形式存放，进行统一的管理,.,52,3.4模型库管理系统,模型库管理系统的结构模型库管理系统的工作原理模型的存储管理模型的运行管理模型的组合（构造）,.,53,模型库管理系统的结构,模型库系统的结构,.,54,模型库管理系统的结构,模型库管理系统概述模型库管理系统(ModelBaseManagementSystem，MBMS)是为生成模型和管理模型提供一个用户友好环境的计算机软件系统。用户可以通过MBMS灵活的访问、更新、生成和运行模型。MBMS使模型的适用范围拓宽，从而使决策者能方便的使用模型。所以可以说模型库管理系统是联系决策问题、数据与模型的桥梁。由于模型的生成、修改、更新、删除、连接是经常性的操作，所以模型库的管理称为非常重要的工作。,.,55,模型库管理系统的结构,模型库管理系统的组成MBMS由模型管理、知识表达系统、数据提取接口及语义分析器构成。如图所示：,.,56,模型库管理系统的结构,模型库管理系统的组成模型管理是对模型进行操作维护的部件，具有生成、修改、更新、检索、调用模型的功能。知识表达系统则存放有关模型的使用条件约束、模型间关联的方式、模型索引、模型参数的顺序及格式说明，以及模型组合构造规则。数据提取接口从数据库和人机交互界面处理提取模型调用操作所需数据或建造新模型，通过人机交互作用得到的模型表达式来描述信息。语义分析器是对人机界面所发出的对模型进行操作的命令进行语义分析，从而产生模型调用、修改、删除、关联组合操作等功能。,.,57,模型库管理系统工作原理,.,58,模型的存储管理,模型的存储管理包括的内容有：模型的表示、模型存储的组织结构、模型的查询和维护等。模型的表示模型的表示与模型自身的特点有关。数学模型：在计算机中都以数值计算语言的程序形式表示，在给它数据后，执行程序就能得出结果。程序在计算机中的存储仍是以文件形式存储。为区别其他形式的文件，称它为程序文件。表现形式：程序、算法和方法等。数据处理模型：它能对大量数据库数据进行选择、投影、排序、计算等处理。它表示为数据库语言的程序形式，仍为程序文件。,.,59,模型的存储管理,模型的表示图形、图像模型：前者是由一系列的点、线、面组成的矢量图，如流程图；后者利用大量点阵组成的由灰度(颜色)数据组成的图像，例如人像。归根到底，它们都是数据文件。空间分析模型：它提供了一系列空间分析工具，支持复杂的空间决策分析，空间分析模型主要包括以宏语言编写的模型、以API形式提供的模型、以对象控件形式提供的模型，其中除了后者是ActiveX控件外，其余两者仍是程序文件。报表模型：程序文件和数据文件形式。不管哪种模型，在计算机中都是文件形式，具体表示为程序文件或者数据文件。,.,60,模型的存储管理,模型存储的组织结构文件形式数据库形式模型字典：存储模型文件名，相当于模型的索引。模型文件库：存储模型文件，按文件形式存储模型的查询和维护查询：模型字典库、模型文件库维护：增加、插入、删除、修改等。,.,61,模型运行管理,模型程序的输入和编译需要编辑系统才能完成对模型源程序的输入源程序通过相应语言的编译系统编译成目标程序模型的运行控制模型程序的运行主要是计算机执行模型的目标程序独立运行该目标程序(在OS下执行命令即可)在DSS总控程序中运行该目标程序（菜单、语句等调用）模型对数据的存取利用接口使模型能存取数据库的数据,.,62,模型的组合,为什么要组合首先，传统建模的过程费时又费力。其次，传统建造的模型通常过于专用，很难有效的重复使用。这种模型都是为某一特别任务建造的，哪怕只对模型所执行的任务做些小的改动，也会导致建模的不适用，这样需要重新建立一个模型。第三，传统建造的模型通常过于主观性和个人性。第四，一旦模型构造好后，很难追踪建模的过程，该过程对应用有时是非常重要的。这些缺陷限制了建模的进一步广泛使用，需要开发一项新的建模技术来弥补以上的不足。,.,63,模型的组合,模型程序模块在逻辑上模型库是各种模型的组合，在软件