不相容問(wèn)題求解的理論、方法與系統(tǒng)研究

楊春燕，湯龍

(廣東工業(yè)大學(xué) 可拓學(xué)與創(chuàng)新方法研究所，廣東 廣州 510006)

不相容問(wèn)題求解的理論、方法與系統(tǒng)研究

楊春燕，湯龍

(廣東工業(yè)大學(xué) 可拓學(xué)與創(chuàng)新方法研究所，廣東 廣州 510006)

不相容問(wèn)題屬于矛盾問(wèn)題中的一類(lèi)，是指所要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)目標(biāo)在現(xiàn)有的條件下不能實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。本文首先介紹了不相容問(wèn)題求解研究的總體思路；然后，分別從不相容問(wèn)題求解的理論基礎(chǔ)、基本步驟、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)以及領(lǐng)域應(yīng)用等方面對(duì)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行了全面闡述；最后，指明了不相容問(wèn)題研究的科學(xué)價(jià)值，并展望了其應(yīng)用前景。

可拓學(xué)；不相容問(wèn)題求解；可拓集；可拓策略生成系統(tǒng)

在工程技術(shù)領(lǐng)域，存在各種各樣的矛盾問(wèn)題，例如產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，已有產(chǎn)品的功能無(wú)法滿(mǎn)足消費(fèi)者的需要；已有設(shè)計(jì)手段、制造工藝和裝配水平無(wú)法適應(yīng)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)；要提高產(chǎn)品某方面的性能，卻會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的另一性能受到影響。在控制過(guò)程中，如何把不可控狀態(tài)轉(zhuǎn)化成可控狀態(tài)？在檢測(cè)中，很多物理量是無(wú)法直接檢測(cè)的，如何把不可檢測(cè)的物理量轉(zhuǎn)化成可檢測(cè)的？如此眾多的矛盾問(wèn)題，大多是靠某些人的聰明才智提出解決的辦法。解決這些矛盾問(wèn)題有無(wú)規(guī)律可循，有無(wú)方法可依？能否建立一套理論和方法，按照一定的程序，生成解決它們的策略？

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、控制與檢測(cè)等研究中遇到的多種矛盾問(wèn)題的分析，我們發(fā)現(xiàn)，要解決矛盾問(wèn)題，必須涉及事、物、關(guān)系及其特征和量值的拓展與變換，必須研究事物的可變性和量變質(zhì)變的規(guī)律。因此主要研究數(shù)量關(guān)系和空間形式的數(shù)學(xué)模型無(wú)法表示矛盾問(wèn)題及其處理過(guò)程。要想研究矛盾問(wèn)題求解的一般規(guī)律與方法，必須建立一套新的形式化模型、定量化方法和邏輯推理工具。

不相容問(wèn)題是矛盾問(wèn)題中的一類(lèi)，指所要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)目標(biāo)在現(xiàn)有的條件下不能實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。自可拓學(xué)的創(chuàng)立者蔡文研究員1983年發(fā)表了處理不相容問(wèn)題的首篇論文[1]以后，逐步開(kāi)始建立不相容問(wèn)題求解的基礎(chǔ)理論與方法[2-4]，探索了一套形式化定量化方法處理不相容問(wèn)題的規(guī)律和方法，并稱(chēng)為可拓策略生成理論與方法[5]。這是中國(guó)科學(xué)家首先開(kāi)拓的一個(gè)研究領(lǐng)域，并持續(xù)獲得國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助，目前已取得多項(xiàng)研究成果[6-9]。隨著理論和方法研究的不斷深入和各領(lǐng)域的研究人員的加入，尤其是應(yīng)用領(lǐng)域的科研人員的需求，使得對(duì)不相容問(wèn)題求解系統(tǒng)的研究日益迫切。同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者也開(kāi)發(fā)了一些應(yīng)用于具體領(lǐng)域的系統(tǒng)軟件[10-14]。

1 不相容問(wèn)題求解研究的總體思路

不相容問(wèn)題求解的研究始于對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)等工程問(wèn)題的分析，發(fā)現(xiàn)所有的不相容問(wèn)題都是由于現(xiàn)有的條件下目標(biāo)不能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致的。通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題的分類(lèi)與界定，抽象提取出問(wèn)題的構(gòu)成要素，利用以基元為邏輯細(xì)胞的一種新的建模方法——可拓模型建立方法，建立問(wèn)題模型；以能表達(dá)事物可變性和定量化表達(dá)量變質(zhì)變的可拓集作為集合論基礎(chǔ)，研究問(wèn)題性質(zhì)的轉(zhuǎn)化，通過(guò)建立關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則，提出判定問(wèn)題相容程度的準(zhǔn)則；在進(jìn)行分析的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了事、物、關(guān)系等都具有可拓展性和物的共軛性；然后，建立了拓展、共軛、變換、推理、評(píng)價(jià)等形式化、邏輯化、定量化工具，以獲得這些問(wèn)題的優(yōu)化解法；最后，抽象歸納出不相容問(wèn)題求解的一般規(guī)律與方法，為實(shí)現(xiàn)不相容問(wèn)題的智能化處理打下理論和方法基礎(chǔ)。

總體思路如圖1所示。

圖1 總體思路Fig.1 The general design thought

根據(jù)上述思路，目前已建立不相容問(wèn)題求解的基本理論，形成了求解不相容問(wèn)題的一般方法，并將上述理論與方法應(yīng)用于產(chǎn)品構(gòu)思與設(shè)計(jì)、人工智能、控制與檢測(cè)等領(lǐng)域的不相容問(wèn)題求解及其智能化處理。

2 不相容問(wèn)題求解的理論與方法

2.1 不相容問(wèn)題求解的基本理論

1)提出不相容問(wèn)題求解研究的科學(xué)目標(biāo)，明確其科學(xué)價(jià)值。

研究不相容問(wèn)題求解的科學(xué)目標(biāo)是通過(guò)探討用形式化模型處理不相容問(wèn)題的規(guī)律，形成較完整的理論體系，研究用計(jì)算機(jī)處理不相容問(wèn)題的基本理論與方法，以及計(jì)算機(jī)能操作的推理技術(shù)，研制相應(yīng)的智能系統(tǒng)，去解決多個(gè)領(lǐng)域中的不相容問(wèn)題，為各領(lǐng)域提供普適性的創(chuàng)新方法與工具。

文獻(xiàn)[15]揭示了研究不相容問(wèn)題求解需要重點(diǎn)加強(qiáng)研究的科學(xué)問(wèn)題及其關(guān)鍵點(diǎn)，包括：①研究基于變換的集合論和表征它的函數(shù)論；②使不相容問(wèn)題轉(zhuǎn)化的邏輯；③能克服數(shù)學(xué)模型局限性的形式化模型；④事物拓展的規(guī)律與方法；⑤全面認(rèn)識(shí)事物的理論與方法；⑥變換的理論與方法體系。

對(duì)這些科學(xué)問(wèn)題的深入研究，可以為工程科學(xué)、信息科學(xué)等多領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供理論和方法支持，使不相容問(wèn)題的智能化處理取得突破。

2)建立基元可拓集理論與方法，以定量化描述研究對(duì)象的可變性，作為不相容問(wèn)題求解的集合論基礎(chǔ)，并可作為信息科學(xué)中研究信息與知識(shí)可變性的集合論基礎(chǔ)。

為了解決不相容問(wèn)題，必須表達(dá)事物性質(zhì)的變化以及利用性質(zhì)相近的事物，但經(jīng)典集合和模糊集合主要從確定的角度描述事物的性質(zhì)，因此，必須建立能表述在變換下事物性質(zhì)改變(包括量變和質(zhì)變)的集合概念，作為求解不相容問(wèn)題的集合論基礎(chǔ)。針對(duì)工程科學(xué)和信息科學(xué)中的各種不相容問(wèn)題的解決缺乏集合論基礎(chǔ)的問(wèn)題，建立了可全面表達(dá)各種變換下事物性質(zhì)變化的新的基元可拓集的概念，不但可以使集合論能定量地描述事、物和關(guān)系的量變和質(zhì)變，而且可以用一個(gè)統(tǒng)一的集合表達(dá)可拓變換體系下的不相容問(wèn)題轉(zhuǎn)化，還建立了多評(píng)價(jià)特征基元可拓集，進(jìn)一步明確各種不同條件下的各種類(lèi)型的關(guān)聯(lián)函數(shù)的建立和使用方法，作為判斷相容程度、評(píng)價(jià)策略?xún)?yōu)劣等的定量化工具，為復(fù)雜不相容問(wèn)題求解建立集合論基礎(chǔ)。

基元可拓集可用于對(duì)信息和知識(shí)的分類(lèi)、聚類(lèi)和識(shí)別研究，從而形成基于變換的可拓分類(lèi)、可拓聚類(lèi)和可拓識(shí)別等方法。因此，可將其作為信息科學(xué)中研究信息與知識(shí)可變性的集合論基礎(chǔ)，也是可拓策略生成系統(tǒng)和可拓?cái)?shù)據(jù)挖掘的集合論基礎(chǔ)。

以穩(wěn)定域(量變域)描述事物的量變，可拓域(質(zhì)變域)描述事物的質(zhì)變。文獻(xiàn)[6]建立的新的可拓集表達(dá)方式，使基元可拓域能更確切地、定量化地表達(dá)事物的質(zhì)變過(guò)程，是形式化定量化研究不相容問(wèn)題轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，使處理不相容問(wèn)題的變換可以用形式化和數(shù)量化表達(dá)。

3)對(duì)于不相容問(wèn)題中的研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)物、事和關(guān)系共有的可拓展性，建立基元和基元的拓展分析理論，并以可拓集思想為依據(jù)，建立共軛分析和共軛變換理論。

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新與設(shè)計(jì)中的物、事和關(guān)系的研究，以物的可拓展性為基礎(chǔ)[16]，發(fā)現(xiàn)事和關(guān)系都存在拓展的可能性，稱(chēng)為可拓展性，包括發(fā)散性、相關(guān)性、蘊(yùn)含性和可擴(kuò)性，并以基元的拓展性來(lái)表述它們，并將其應(yīng)用于對(duì)信息和知識(shí)的形式化表示與拓展，形成系統(tǒng)的拓展分析理論[9]，從而為不相容問(wèn)題求解提供變換的依據(jù)。

文獻(xiàn)[16]提出從物質(zhì)性、系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性和對(duì)立性去研究物的結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[9]結(jié)合可拓集的思想，提出從“虛部、實(shí)部和虛實(shí)中介部”、“軟部、硬部和軟硬中介部”、“潛部、顯部和潛顯中介部”、“負(fù)部、正部和負(fù)正中介部”研究物的構(gòu)成以及它們的相互轉(zhuǎn)化，形成形式化的共軛分析與共軛變換理論，為矛盾問(wèn)題求解提供新的思路。

4)利用基元形式化表述物、事、關(guān)系、信息和知識(shí)，建立了形式化描述復(fù)雜事物和關(guān)系的復(fù)合元，建立了不相容問(wèn)題的可拓模型。

通過(guò)對(duì)工程科學(xué)中大量不相容問(wèn)題實(shí)例的研究，我們發(fā)現(xiàn)，處理不相容問(wèn)題，必須涉及事、物和關(guān)系及其特征和量值，以及它們的變化。因而，在很多情況下，數(shù)學(xué)模型難以處理不相容問(wèn)題。為此，文獻(xiàn)[16]建立了物元理論，文獻(xiàn)[17-18]又研究了形式化描述事和關(guān)系的基本元——事元和關(guān)系元，進(jìn)而抽象出基元(物元、事元和關(guān)系元的統(tǒng)稱(chēng))的概念，作為描述研究對(duì)象的基本工具。還進(jìn)一步建立了形式化描述復(fù)雜事物和關(guān)系的復(fù)合元。以基元為邏輯細(xì)胞建立了新的形式化工具——可拓模型，用于研究各種各樣的不相容問(wèn)題，描述信息和知識(shí)，描述語(yǔ)義和語(yǔ)用，形成了“可拓信息—知識(shí)—策略形式化體系”[19]，把人們想處理的問(wèn)題通過(guò)可拓模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以操作的形式，使利用計(jì)算機(jī)處理不相容問(wèn)題成為可能。

5) 在利用計(jì)算機(jī)處理不相容問(wèn)題方面，把形式邏輯和辯證邏輯相結(jié)合，建立以可拓推理和可拓變換為核心的可拓邏輯，作為化解不相容問(wèn)題的邏輯工具，建立了一批推理和變換規(guī)則，為實(shí)現(xiàn)不相容問(wèn)題的智能化處理打下良好的基礎(chǔ)。

為了處理不相容問(wèn)題，必須考慮事物的內(nèi)涵及其變化，但描述事物內(nèi)涵的辯證邏輯是用自然語(yǔ)言表達(dá)的。要讓計(jì)算機(jī)能操作，必須使用形式化的語(yǔ)言，而形式邏輯又不考慮事物的內(nèi)涵。因此，文獻(xiàn)[18]利用形式邏輯的形式化與辯證邏輯的思想相結(jié)合，建立了可拓邏輯，作為處理不相容問(wèn)題的邏輯工具。

6)為了建立求解不相容問(wèn)題的基本手段，建立了可拓變換體系，研究了它們必須遵循的規(guī)律及其在不相容問(wèn)題求解中的作用。

不相容問(wèn)題求解的基本手段是變換，對(duì)接受變換的對(duì)象的拓展是解決不相容問(wèn)題的新思路。在文獻(xiàn)[16]建立的物元變換理論與方法的基礎(chǔ)上，形成了包括物元變換、事元變換、關(guān)系元變換、論域變換、關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則變換的可拓變換體系，從而形成了求解不相容問(wèn)題的基本手段，包括基本可拓變換、可拓變換的運(yùn)算、復(fù)合變換、傳導(dǎo)變換、共軛變換等變換方法。通過(guò)對(duì)變換的對(duì)象、變換的方式、變換的時(shí)間、變換的施動(dòng)者、變換的程度(量變或質(zhì)變、增效或減效)等的系統(tǒng)化、形式化研究，發(fā)現(xiàn)了它們必須遵循的規(guī)律及其在不相容問(wèn)題求解中的作用，進(jìn)而形成系統(tǒng)的可拓變換理論[6]。這是不相容問(wèn)題求解研究的重要內(nèi)容。

2.2 不相容問(wèn)題求解的基本方法

要用形式化、定量化的方法解決不相容問(wèn)題，必須研究從建模、判斷、拓展、變換、評(píng)價(jià)，直至獲得解決問(wèn)題的策略的方法，綜合形成解決不相容問(wèn)題的可拓策略生成方法[5-7]。簡(jiǎn)要介紹如下。

2.2.1 問(wèn)題的形式化界定方法

任何問(wèn)題都是由目標(biāo)和條件構(gòu)成的。根據(jù)基元理論，可以將問(wèn)題的目標(biāo)G和條件L用基元或復(fù)合元形式化表示為

并建立原問(wèn)題的可拓模型為P=G*L。

根據(jù)具體問(wèn)題的要求，選取原問(wèn)題的評(píng)價(jià)特征c0i, 并設(shè)c0si為問(wèn)題對(duì)所涉及的任一對(duì)象Z需要的特征，c0ti為問(wèn)題所涉及的原對(duì)象Z0提供的特征，量值為v0i，記

從而建立原問(wèn)題的核問(wèn)題的可拓模型P0=G0*L0。

2.2.2 問(wèn)題相容性的判斷方法

2.2.3 問(wèn)題相關(guān)度的計(jì)算方法

對(duì)于不相容問(wèn)題，再利用HowNet中的詞語(yǔ)相似度的計(jì)算方法，改進(jìn)詞語(yǔ)相關(guān)度、建立基元相關(guān)度、進(jìn)而建立目標(biāo)相關(guān)度和條件相關(guān)度，形成問(wèn)題相關(guān)度的計(jì)算方法，用于判斷不相容問(wèn)題與問(wèn)題庫(kù)中已解決的不相容問(wèn)題的相關(guān)度[20]。若相關(guān)度達(dá)到規(guī)定的閾值，則直接采取已解決問(wèn)題的策略解決該不相容問(wèn)題，認(rèn)為找到解決不相容問(wèn)題的策略；若相關(guān)度達(dá)不到規(guī)定的閾值，則認(rèn)為未找到解決不相容問(wèn)題的策略，需要繼續(xù)對(duì)問(wèn)題利用下面的方法獲得策略。

2.2.4 拓展分析方法與共軛分析方法

拓展分析方法和共軛分析方法都是提供解決不相容問(wèn)題的多種思路的形式化方法。首先根據(jù)實(shí)際問(wèn)題，判斷目標(biāo)基元和條件基元哪個(gè)不能改變，然后對(duì)可以改變的基元進(jìn)行分析，以獲得解決不相容問(wèn)題的多種途徑。

1)若目標(biāo)基元不能改變，則選擇對(duì)條件基元進(jìn)行拓展分析或共軛分析，從而形成相關(guān)樹(shù)、發(fā)散樹(shù)或共軛對(duì)。依次進(jìn)行如下步驟：

①選擇相關(guān)分析，建立條件基元的相關(guān)樹(shù)(網(wǎng));

②對(duì)條件相關(guān)樹(shù)(網(wǎng))的葉基元進(jìn)行發(fā)散分析，獲得發(fā)散樹(shù)；如果是物元，還可進(jìn)行共軛分析，即從虛實(shí)、軟硬、潛顯、負(fù)正等方面對(duì)物進(jìn)行分析。

2)若條件基元不能變，則選對(duì)目標(biāo)基元進(jìn)行拓展分析或共軛分析，從而形成蘊(yùn)含系、相關(guān)樹(shù)或共軛對(duì)。

此外，也可先對(duì)目標(biāo)進(jìn)行發(fā)散分析，通過(guò)可拓變換形成新的目標(biāo)，若新目標(biāo)蘊(yùn)含原目標(biāo)，且新目標(biāo)與原條件相容，則問(wèn)題解決。

3)若目標(biāo)和條件都需進(jìn)行分析，則先執(zhí)行(1)再執(zhí)行(2)，合并建立問(wèn)題的相關(guān)—蘊(yùn)含樹(shù)。

2.2.5 可拓變換及其篩選方法

可拓變換方法是化解不相容問(wèn)題的工具，包括基本可拓變換方法、可拓變換的運(yùn)算方法、傳導(dǎo)變換方法等。在上述拓展分析或共軛分析所獲得的葉基元集中，選擇實(shí)施可拓變換或可拓變換的運(yùn)算。以對(duì)條件的拓展分析為例，對(duì)問(wèn)題的條件相關(guān)樹(shù)的樹(shù)葉實(shí)施可拓變換后，會(huì)形成可拓變換蘊(yùn)含系。

通過(guò)傳導(dǎo)變換，會(huì)使原問(wèn)題的相容度發(fā)生變化。使問(wèn)題的相容度從K0(P0) =K(G0,L0) <0變?yōu)門(mén)KK(G0,TL0L0)=K(G0,L0)>0的可拓變換或可拓變換的運(yùn)算式，即為解決原不相容問(wèn)題的可拓策略。

對(duì)問(wèn)題的目標(biāo)蘊(yùn)含系的最下位目標(biāo)，首先要考慮在原條件下這些目標(biāo)是否能實(shí)現(xiàn)，若能，則問(wèn)題解決；否則，還要對(duì)條件進(jìn)行拓展分析與可拓變換，考慮在新條件下這些目標(biāo)是否能實(shí)現(xiàn)。

由于可拓變換的方式有很多，而且其中很多不是可拓策略，這一過(guò)程可能會(huì)發(fā)生計(jì)算量的組合爆炸，因此必須研究可拓變換的篩選問(wèn)題。文獻(xiàn)[21]提出了采用GEP方法，以啟發(fā)式迭代的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)可拓變換運(yùn)算式的自組織構(gòu)建。為了使GEP方法與上述應(yīng)用需求相匹配，文獻(xiàn)[21]對(duì)GEP的染色體結(jié)構(gòu)、解碼方式、個(gè)體選擇機(jī)制和收斂準(zhǔn)則重新進(jìn)行了研究。該方法能夠有效避免組合爆炸的發(fā)生，提升可拓策略生成的效率，在復(fù)雜不相容問(wèn)題求解方面具有很大潛力。

2.2.6 可拓策略的優(yōu)度評(píng)價(jià)方法

利用上述方法，可以獲得很多解決不相容問(wèn)題的可拓策略，需要根據(jù)原問(wèn)題的要求選取衡量指標(biāo)，建立衡量指標(biāo)體系及各衡量指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)，然后選擇相應(yīng)的優(yōu)度評(píng)價(jià)方法對(duì)所有的可拓策略進(jìn)行評(píng)價(jià)選優(yōu)，從而獲得解決該不相容問(wèn)題的較優(yōu)可拓策略。根據(jù)衡量指標(biāo)體系的不同，優(yōu)度評(píng)價(jià)方法包括一級(jí)優(yōu)度評(píng)價(jià)方法和多級(jí)優(yōu)度評(píng)價(jià)方法[6]。

3 不相容問(wèn)題求解系統(tǒng)的研究——可拓策略生成系統(tǒng)

可拓策略生成系統(tǒng)(extensionstrategygeneratingsystem,ESGS)[5]是把可拓論、不相容問(wèn)題求解方法和現(xiàn)有的人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、可視化技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)等相結(jié)合，用計(jì)算機(jī)模仿人類(lèi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—分析問(wèn)題—生成解決問(wèn)題的策略的過(guò)程，以幫助人們獲得解決不相容問(wèn)題的策略的軟件系統(tǒng)，是可拓策略生成方法的軟件化。

3.1 ESGS的主要功能模塊

ESGS的結(jié)構(gòu)主要包括如下模塊：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、問(wèn)題可拓模型模塊、問(wèn)題相關(guān)度計(jì)算與判斷模塊、不相容問(wèn)題模塊、知識(shí)存儲(chǔ)模塊、可拓變換及其篩選模塊、優(yōu)度評(píng)價(jià)模塊、可拓策略庫(kù)等。

3.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)策略生成的基礎(chǔ)，存放各種物、事、關(guān)系等原始數(shù)據(jù)和語(yǔ)料數(shù)據(jù)，以及按照“可拓信息—知識(shí)—策略形式化體系”的規(guī)范，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的各種信息元，需要根據(jù)不相容問(wèn)題所涉及的領(lǐng)域分類(lèi)進(jìn)行構(gòu)建。

3.1.2 問(wèn)題可拓模型模塊

該模塊包括用戶(hù)需求語(yǔ)句處理模塊[22]、原問(wèn)題的可拓模型模塊和核問(wèn)題的可拓模型模塊。

要有效地解決不相容問(wèn)題，必須根據(jù)實(shí)際問(wèn)題準(zhǔn)確地建立其可拓模型。建立問(wèn)題可拓模型有如下3種方法：

1)早期研究的ESGS一般靠用戶(hù)在固定界面輸入?yún)?shù)來(lái)建立可拓模型，減少自然語(yǔ)言理解困難。但當(dāng)參數(shù)較多時(shí)，系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)難以重復(fù)利用。

2)針對(duì)需要解決的實(shí)際問(wèn)題，首先根據(jù)“可拓信息—知識(shí)—策略形式化體系”的規(guī)范，結(jié)合人機(jī)交互和HowNet的KDML，形式化表示原問(wèn)題的目標(biāo)和條件，建立原問(wèn)題的可拓模型，根據(jù)原問(wèn)題目標(biāo)的要求和條件的限制，再通過(guò)人機(jī)交互抽象出核問(wèn)題的可拓模型[23]。

3)在智能Agent引導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ)上，利用信息抽取技術(shù)，從用戶(hù)輸入的需求語(yǔ)句出發(fā)，通過(guò)對(duì)用戶(hù)需求語(yǔ)句的預(yù)處理、組塊分析、分類(lèi)、量值提取、模型填充，從而自動(dòng)建立原問(wèn)題的可拓模型，再通過(guò)人機(jī)交互選取評(píng)價(jià)特征，進(jìn)而建立核問(wèn)題的可拓模型[24]。

3.1.3 問(wèn)題的相關(guān)度計(jì)算與判斷模塊

該模塊用于對(duì)需要解決的問(wèn)題進(jìn)行問(wèn)題的相關(guān)度計(jì)算，并判斷與不相容問(wèn)題模塊中已解決的不相容問(wèn)題的相關(guān)程度。

3.1.4 不相容問(wèn)題模塊

該模塊用于對(duì)需要解決的問(wèn)題的相容度進(jìn)行計(jì)算與判斷，并存儲(chǔ)已有求解策略的不相容問(wèn)題。

3.1.5 知識(shí)存儲(chǔ)模塊

該模塊是實(shí)現(xiàn)策略生成的重要部分，主要包括：拓展型知識(shí)、共軛型知識(shí)、關(guān)聯(lián)函數(shù)、可拓知識(shí)、常識(shí)知識(shí)、其他領(lǐng)域知識(shí)等模塊。

拓展型知識(shí)和共軛型知識(shí)都源于領(lǐng)域知識(shí)，需要針對(duì)不同的領(lǐng)域，根據(jù)“可拓信息—知識(shí)—策略的形式化體系”構(gòu)建；關(guān)聯(lián)函數(shù)模塊中存儲(chǔ)著各種類(lèi)型的關(guān)聯(lián)函數(shù)及各種綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)，建立問(wèn)題相容度函數(shù)時(shí)可以調(diào)用其中的關(guān)聯(lián)函數(shù)；基于可拓變換的各種可拓知識(shí)，都存儲(chǔ)在可拓知識(shí)模塊中。常識(shí)知識(shí)和部分領(lǐng)域知識(shí)除了來(lái)源于問(wèn)題所涉及的領(lǐng)域，還可以從HowNet的知識(shí)庫(kù)中獲取，HowNet本身就是一個(gè)具有語(yǔ)義的通識(shí)知識(shí)庫(kù)，可以借助其中義原及其語(yǔ)義關(guān)系的表達(dá)方式，對(duì)基元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新構(gòu)造，利用KDML語(yǔ)言(知識(shí)系統(tǒng)描述語(yǔ)言)和基元、復(fù)合元的對(duì)應(yīng)關(guān)系，轉(zhuǎn)化為基元、復(fù)合元形式及它們的運(yùn)算式形式，從而作為解決不相容問(wèn)題的知識(shí)基礎(chǔ)[23]。還有一些其他類(lèi)型的可拓知識(shí)，需要利用基于知識(shí)庫(kù)的可拓?cái)?shù)據(jù)挖掘方法獲取。這就為解決不相容問(wèn)題提供了多種路徑。

3.1.6 可拓變換及其篩選模塊

該模塊中有很多類(lèi)型的變換，包括基本可拓變換、可拓變換的運(yùn)算及傳導(dǎo)變換，變換的選擇和篩選決定了策略生成的有效性和效率。目前主要有兩種處理方法：

1)根據(jù)不相容問(wèn)題的目標(biāo)和條件中產(chǎn)生不相容的特征的相應(yīng)量值的差異，選擇變換的類(lèi)型，且實(shí)施變換后馬上利用相容度函數(shù)度量是否是有效變換；還要根據(jù)具體問(wèn)題預(yù)設(shè)閾值、相關(guān)度、評(píng)價(jià)特征及其評(píng)價(jià)函數(shù)，以便在可拓變換模塊中選擇變換時(shí)，既能保證生成的解決不相容問(wèn)題的有效策略足夠多，又能避免組合爆炸問(wèn)題的發(fā)生。

2)對(duì)于復(fù)雜不相容問(wèn)題，可拓變換的實(shí)施與變換的結(jié)果之間可能呈現(xiàn)一定的黑箱性，導(dǎo)致難以采用1)中的方式選擇變換的類(lèi)型。在此種情況下，利用GEP方法，由變換的對(duì)象拓展出的基元和基本可拓變換及其運(yùn)算分別建立終點(diǎn)符號(hào)集合和函數(shù)符號(hào)集合，通過(guò)啟發(fā)式迭代的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)可拓變換運(yùn)算式的自組織構(gòu)建[21]。

3.1.7 優(yōu)度評(píng)價(jià)模塊

優(yōu)度評(píng)價(jià)模塊中存儲(chǔ)著各種評(píng)價(jià)特征及其量值域，針對(duì)要解決的實(shí)際問(wèn)題的不同評(píng)價(jià)特征，可以調(diào)用關(guān)聯(lián)函數(shù)模塊中的關(guān)聯(lián)函數(shù)和綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)，計(jì)算綜合優(yōu)度。

3.1.8 可拓策略庫(kù)

可拓策略庫(kù)中存放各種已解決的不相容問(wèn)題的解決策略，當(dāng)以后再遇到不相容問(wèn)題時(shí)，可以首先利用文獻(xiàn)[20]建立的問(wèn)題相關(guān)度計(jì)算方法，與問(wèn)題模塊中的已解決的問(wèn)題進(jìn)行比對(duì)，如果有相關(guān)度達(dá)到一定閾值的問(wèn)題，則可直接到可拓策略庫(kù)查詢(xún)對(duì)應(yīng)的問(wèn)題所采取的解決策略，如果可用，則獲得解決該不相容問(wèn)題的可拓策略，否則，再進(jìn)行策略生成的全過(guò)程，并把獲得的可拓策略存入其中。

3.2 應(yīng)用ESGS求解不相容問(wèn)題的一般步驟

應(yīng)用ESGS求解不相容問(wèn)題的一般步驟如圖2所示?；贖owNet的ESGS的步驟參見(jiàn)文獻(xiàn)[25]。

圖2 應(yīng)用ESGS求解不相容問(wèn)題的一般步驟Fig.2 The general steps to solve the incompatible problem by using of ESGS

3.3 ESGS軟件架構(gòu)

目前已有的對(duì)ESGS軟件架構(gòu)的研究，主要有基于構(gòu)件的ESGS實(shí)現(xiàn)方法、策略生成系統(tǒng)正交軟件體系結(jié)構(gòu)、利用面向方面軟件開(kāi)發(fā)改善開(kāi)發(fā)過(guò)程、不相容問(wèn)題策略生成的通用框架、結(jié)合HowNet的ESGS研制、基于WebService架構(gòu)的ESGS等方法[24, 26]。

3.4 ESGS軟件研制情況

通過(guò)近年對(duì)可拓策略生成系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和方法的系統(tǒng)研究，已逐步摸索到進(jìn)行可拓策略生成系統(tǒng)研究的基本思路，開(kāi)發(fā)了多個(gè)解決具體領(lǐng)域不相容問(wèn)題的可拓策略生成系統(tǒng)。

針對(duì)不同領(lǐng)域的矛盾問(wèn)題，研究人員實(shí)現(xiàn)了不同的策略生成系統(tǒng)。目前實(shí)現(xiàn)的ESGS有：房地產(chǎn)營(yíng)銷(xiāo)優(yōu)化系統(tǒng)、防治空氣污染系統(tǒng)、提高畢業(yè)生就業(yè)率系統(tǒng)、游客停車(chē)問(wèn)題系統(tǒng)、自助游ESGS、大壩安全的ESGS、租房ESGS、求職問(wèn)題ESGS、防止企業(yè)人才流失系統(tǒng)、提高客戶(hù)價(jià)值的ESGS、圖像識(shí)別ESGS等，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[24]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究基于可拓學(xué)的基本理論與方法，給人們提供了形式化定量化解決不相容問(wèn)題的基本理論和可操作的有效方法，不相容問(wèn)題求解系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)，可以輔助人們解決領(lǐng)域不相容問(wèn)題。

本研究的科學(xué)價(jià)值在于：

1)本研究建立了能表達(dá)事物可變性和定量化表達(dá)量變質(zhì)變的基元可拓集理論，并以此為集合論基礎(chǔ)，采取以基元為邏輯細(xì)胞，以可拓模型、可拓變換、可拓推理為工具，以數(shù)學(xué)化、形式化、邏輯化相結(jié)合的研究方法，建立了適用于多領(lǐng)域不相容問(wèn)題求解的一般理論與可操作的方法。

通過(guò)對(duì)各領(lǐng)域不相容問(wèn)題求解的普遍規(guī)律和一般方法的形式化、系統(tǒng)化研究，使得人們解決不相容問(wèn)題有一定的規(guī)律可循，可以讓普通人也能像很多聰明人一樣解決不相容問(wèn)題。該研究帶動(dòng)了各行業(yè)對(duì)不相容問(wèn)題求解的一般規(guī)律的研究，為人們提供了一套新的系統(tǒng)的不相容問(wèn)題求解方法。

2)本研究開(kāi)拓了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，使對(duì)不相容問(wèn)題求解的研究，從概念與理論的層次，發(fā)展到系統(tǒng)的方法層次和可操作的邏輯推理層次，其方法體系是一種新的科學(xué)方法論，對(duì)推動(dòng)相關(guān)學(xué)科發(fā)展具有重要的意義，為工程科學(xué)與信息科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用工作者應(yīng)用這些理論與方法去解決各領(lǐng)域的不相容問(wèn)題架設(shè)了橋梁，對(duì)推動(dòng)各領(lǐng)域應(yīng)用研究的開(kāi)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到積極作用。

3)本研究已從理論研究發(fā)展到多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，理論和方法成果已被成功應(yīng)用于工程技術(shù)各領(lǐng)域的產(chǎn)品創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新，也被大量應(yīng)用于信息科學(xué)與人工智能、控制與檢測(cè)、經(jīng)濟(jì)與管理等領(lǐng)域的不相容問(wèn)題處理，取得了一批應(yīng)用研究成果，申請(qǐng)了相關(guān)專(zhuān)利和軟件著作權(quán)等。隨著這些成果的不斷深化和應(yīng)用的深入，尤其是基于該項(xiàng)目的軟件產(chǎn)品和硬件產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)利用，如：可拓策略生成系統(tǒng)軟件、可拓?cái)?shù)據(jù)挖掘軟件、產(chǎn)品可拓設(shè)計(jì)軟件、可拓檢測(cè)產(chǎn)品、可拓控制產(chǎn)品等，必將對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響,它將為社會(huì)的發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。本研究工作極大地推動(dòng)了學(xué)科本身及其應(yīng)用的發(fā)展，對(duì)我國(guó)建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家、提升國(guó)人的創(chuàng)新素質(zhì)，具有十分重要的科學(xué)價(jià)值。

4)本研究可為將來(lái)進(jìn)一步研制矛盾問(wèn)題智能化處理系統(tǒng)打下基礎(chǔ)[27]，必將有廣闊的應(yīng)用前景。由于本系統(tǒng)所依據(jù)的基礎(chǔ)理論和方法的原創(chuàng)性，因此必將具有鮮明的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

[1]蔡文. 可拓集合與不相容問(wèn)題[J]. 科學(xué)探索學(xué)報(bào), 1983,(1): 83-97. CAI Wen. Extension set and non-compatible problems[J]. Journal of science exploration, 1983(1): 83-97.

[2]蔡文, 楊春燕. 可拓學(xué)的基礎(chǔ)理論與方法體系[J]. 科學(xué)通報(bào), 2013, 58(13): 1190-1199. CAI Wen, YANG Chunyan. Basic theory and methodology on Extenics[J]. Chinese science bulletin, 2013, 58(13): 1190-1199.

[3]中國(guó)人工智能學(xué)會(huì), 中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì). 2009-2010智能科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告[M]. 北京: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社, 2010.

[4]CAI Wen. Extension theory and its application[J]. Chinese science bulletin, 1999, 44(17): 1538-1548.

[5]李立希, 楊春燕, 李鏵汶. 可拓策略生成系統(tǒng)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2006.

[6]楊春燕, 蔡文. 可拓學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2014.

[7]YANG Chunyan, CAI Wen. Extenics: theory, method and application[M]. Beijing: Science Press, 2014.

[8]楊春燕. 基于可拓論的不相容問(wèn)題求解研究[J]. 中國(guó)工程科學(xué), 2007, 9(10): 36-39. YANG Chunyan. Study on incompatibility problems solving based on extension theory[J]. Engineering science, 2007, 9(10): 36-39.

[9]楊春燕, 蔡文. 可拓工程[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2007.

[10]李衛(wèi)華, 楊春燕. 結(jié)合HowNet的可拓策略生成軟件研制[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2014, 32(36): 32-36. LI Weihua, YANG Chunyan. Develop an extension strategy generating software system combined with HowNet[J]. Science & technology review, 2014, 32(36): 32-36.

[11]趙燕偉, 占勝, 趙福貴, 等. 基于可拓實(shí)例推理的產(chǎn)品族配置系統(tǒng)[Z]. 軟件著作權(quán)號(hào): 2010SR011081. ZHAO Yanwei, ZHAN Sheng, ZHAO Fugui, et al. Reasoned product configuration design system based on extension examples[Z]. Copyright Registration No.: 2010SR011081.

[12]楊國(guó)為, 王鈺, 陳軍偉. 基于層次化矛盾求解的鞋品創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略生成系統(tǒng)[Z]. 軟件著作權(quán)號(hào): 2009SR01562. YANG Guowei, WANG Yu, CHEN Junwei, er al. Knowledge-based general shoes intelligent computer-aided concept design system[Z]. Copyright Registration No.: 2009SR01562.

[13]李衛(wèi)華, 方卓君, 楊春燕. 自助游可拓策略生成系統(tǒng)軟件V1.0[Z]. 軟件著作權(quán)號(hào): 2011SR063980. LI Weihua, FANG Zhuojun, YANG Chunyan. DIY tour extension strategy generation system software V1.0[Z]. Copyright Registration No.: 2011SR063980.

[14]李興森, 朱正祥. 人機(jī)交互的可拓策略輔助生成系統(tǒng)[Z]. 軟件著作權(quán)號(hào): 2010SR006257. LI Xingsen, ZHU Zhengxiang. Extension strategy aided generation system[Z]. Copyright Registration No.: 2010SR006257.

[15]楊春燕. 可拓學(xué)的重要科學(xué)問(wèn)題及其關(guān)鍵點(diǎn)[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 38(7): 1087-1090. YANG Chunyan. The important scientific problems and their key points on Extenics[J]. Journal of Harbin institute of technology, 2006, 38(7): 1087-1090.

[16]蔡文. 物元模型及其應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 1994.

[17]楊春燕. 事元及其應(yīng)用[J]. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐, 1998, 18(2): 80-86. YANG Chunyan. Affair-element and its application[J]. Systems engineering-theory & practice, 1998, 18(2): 80-86.

[18]蔡文, 楊春燕, 何斌. 可拓邏輯初步[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2003.

[19]楊春燕, 蔡文. 可拓信息—知識(shí)—智能形式化體系研究[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2007, 2(3): 8-11. YANG Chunyan, CAI Wen. A formalized system of extension information-knowledge-intelligence[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2007, 2(3): 8-11.

[20]曹禮園, 李衛(wèi)華. 基于基元和知網(wǎng)的問(wèn)題相關(guān)度計(jì)算[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2015, 10(2): 234-239. CAO Liyuan, LI Weihua. Calculation of correlation problem based on basic element and HowNet[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2015, 10(2): 234-239.

[21]TANG Long, YANG Chunyan, LI Weihua. Adopting gene expression programming to generate extension strategies for incompatible problem[J]. Neural computing and applications, 2016: 1-16, doi: 10.1007/s00521-016-2211-1.

[22]王定橋, 李衛(wèi)華, 楊春燕. 從用戶(hù)需求語(yǔ)句建立問(wèn)題可拓模型的研究[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2015, 10(6): 865-871. WANG Dingqiao, LI Weihua, YANG Chunyan. Research on building an extension model from user requirements[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2015, 10(6): 865-871.

[23]李衛(wèi)華, 傅曉東. 智能Agent的可拓策略生成機(jī)制[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 38(7): 1150-1152. LI Weihua, FU Xiaodong. Extension strategy generation mechanism for intelligent agent[J]. Journal of Harbin institute of technology, 2006, 38(7): 1150-1152.

[24]王定橋. 對(duì)ESGS多方面改進(jìn)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 廣州: 廣東工業(yè)大學(xué), 2016. WANG Dingqiao. Research and implementation of several aspects to improve ESGS[D]. Guangzhou: Guangdong University of Technology, 2016.

[25]楊春燕, 李衛(wèi)華, 湯龍, 等. 基于可拓學(xué)和HowNet的策略生成系統(tǒng)研究進(jìn)展[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2015, 10(6): 823-830. YANG Chunyan, LI Weihua, TANG Long, et al. Strategy-generating system based on Extenics and HowNet[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2015, 10(6): 823-830.

[26]汪中飛. 結(jié)合知網(wǎng)的ESGS軟件架構(gòu)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 廣州: 廣東工業(yè)大學(xué), 2015. WANG Zhongfei. Research and implementation of software architecture of ESGS based on HowNet[D]. Guangzhou: Guangdong University of Technology, 2015.

[27]楊春燕, 蔡文. 可拓學(xué)與矛盾問(wèn)題智能化處理[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2014, 32(36): 15-20. YANG Chunyan, CAI Wen. Extenics and intelligent processing of contradictory problems[J]. Science & technology review, 2014, 32(36): 15-20.

楊春燕，女，1964年生，研究員，廣東工業(yè)大學(xué)可拓學(xué)與創(chuàng)新方法研究所所長(zhǎng)，中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)可拓學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任，中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)常務(wù)理事，廣東省未來(lái)預(yù)測(cè)研究會(huì)副理事長(zhǎng)。國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、863項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目通訊評(píng)議專(zhuān)家，全國(guó)可拓學(xué)研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)帶頭人之一。主要研究方向?yàn)榭赏貙W(xué)、知識(shí)管理、決策科學(xué)、創(chuàng)新方法與創(chuàng)新設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘、智能系統(tǒng)。主持3項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、3項(xiàng)廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目和2項(xiàng)廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目。獲廣東省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)首屆“吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)創(chuàng)新獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇,在科學(xué)出版社等出版專(zhuān)著9部。

湯龍，男，1985年生，講師，廣東工業(yè)大學(xué)可拓學(xué)與創(chuàng)新方法研究所，中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)可拓學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)青年部副部長(zhǎng)。主要研究方向?yàn)榭赏夭呗陨膳c可拓?cái)?shù)據(jù)挖掘，主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng)，廣東省教育廳項(xiàng)目1項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文8篇。

A review of theories, methods and systems for incompatible problem solving

YANG Chunyan， TANG Long

(Research Institute of Extenics and Innovation Methods, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

An incompatible problem is a class of contradictory problem, in which the goal cannot be achieved under given conditions. In this paper, the general research framework of incompatible problem solving was first introduced. Then, existing research achievements of incompatible problem solving were illustrated in terms of theoretical basis, general procedures, computer realization, and field applications. Finally, the scientific value and potential application of incompatible problem solving were suggested.

extenics; incompatible problem solving; extension set; extension strategy generating system

10.11992/tis.201607025

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20170111.1705.034.html

2016-07-25.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61273306);廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016A040404015)

楊春燕.E-mail：wyw@gdut.edu.cn.

TP18

A

1673-4785(2016)06-0799-08

楊春燕，湯龍. 不相容問(wèn)題求解的理論、方法與系統(tǒng)研究[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)， 2016, 11(6): 799-806.

英文引用格式：YANG Chunyan， TANG Long. A review of theories, methods and systems for incompatible problem solving[J]. CAAI Transactions on Intelligent Systems, 2016, 11(6): 799-806.