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模糊系統(tǒng)理論

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1.什么是模糊系統(tǒng)理論[1]

模糊系統(tǒng)理論是指推廣通常的系統(tǒng)理論得到的,以模糊集合的形式表示系統(tǒng)所含的模糊性并能處理這些模糊性的系統(tǒng)理論。

2.模糊系統(tǒng)理論的起源[2]

模糊系統(tǒng)理論是在美國(guó)加州大學(xué)LA.Zadeh教授于1965年創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內(nèi)容。

早在20世紀(jì)20年代,就有學(xué)者開始思考和研究如何描述客觀世界中普遍存在的模糊現(xiàn)象。1923年,著名的哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家B.Russell在其有關(guān)“含模糊性”的論文中就認(rèn)為所有的自然語言均是模糊的,如“年輕的”和“年老的”都不是很清晰的或準(zhǔn)確的概念。它們沒有明確的內(nèi)涵和外延,實(shí)際上是模糊的概念。然而,在一個(gè)特定的環(huán)境中,人們用這些概念來描述某個(gè)具體對(duì)象時(shí)卻又能讓人們心領(lǐng)神會(huì),很少引起誤解和歧義。與B.Russell同時(shí)代的邏輯學(xué)家和哲學(xué)家人lKasiewicz發(fā)現(xiàn)經(jīng)典的:值邏輯只是理想世界的模型,而不是現(xiàn)實(shí)世界的模型,因?yàn)樗趯?duì)待諸如“某人個(gè)子比較高”這一客觀命題時(shí)不知所措。他在1920年創(chuàng)立廠多值邏輯,為建立正式的模糊模型走出了關(guān)鍵的第一步。但是,多值邏輯本質(zhì)卜仍是精確邏輯,它只是二值邏輯的簡(jiǎn)單推廣。

1937年,英國(guó)學(xué)者M(jìn).Nack也曾對(duì)“含模糊性”的問題進(jìn)行過深入研究,并提出了“輪廓‘致”的新概念。這實(shí)際上是后來的“隸屬度函數(shù)”這一重要概念的思想萌芽。遺憾的是,他在描述某一概念的“真實(shí)接近程度”時(shí),錯(cuò)用了“用法的接近程度”,最終與模糊集合擦肩而過,失之交臂。應(yīng)該說他已經(jīng)走到了真理的邊緣,可謂模糊系統(tǒng)理論的鼻祖。

1965年,Zadell在其“FuzzySets”論文中首次提出了表達(dá)事物模糊性的重要概念——隸屬度函數(shù),從而突破7,19世紀(jì)末德國(guó)數(shù)學(xué)家G.Contor創(chuàng)立的經(jīng)典集合理論的局限性。借助于隸屬度函數(shù)可以表達(dá)一個(gè)模糊概念從“完全不屬于”到“完全隸屬于”的過渡,從而能對(duì)所有的模糊概念進(jìn)行定量表示。隸屬度函數(shù)的提出奠定丁模糊系統(tǒng)理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。這樣,像“冷”和“熱”這些在常規(guī)經(jīng)典集合中無法解決的模糊概念就可在模糊集合中得到有效表達(dá)。模糊集合為計(jì)算機(jī)處理語言信息提供了一種可行的方法。

1966年,P.N.Marinos發(fā)表了有關(guān)模糊邏輯的研究報(bào)告。這一報(bào)告真正標(biāo)志著模糊邏輯的誕生。模糊邏輯和經(jīng)典的二值邏輯的不同之處在于:模糊邏輯是一種連續(xù)邏輯。一個(gè)模糊命題是一個(gè)可以確定隸屬度的句子,它的真值可取[o,U區(qū)間中的任何數(shù)。很明顯,模糊邏輯是二值邏輯的擴(kuò)展,而二值邏輯只是模糊邏輯的特例。模糊邏輯有著更加普遍的實(shí)際意義,它據(jù)棄了二值邏輯簡(jiǎn)單的肯定或否定,把客觀邏輯世界看成是具有連續(xù)隸屬度等級(jí)變化的,它允許一個(gè)命題亦此亦彼,存在著部分肯定和部分否定,只不過隸屬程度不同而已。這就為計(jì)算機(jī)模仿人的思維方式來處理普遍存在的語言信息提供了可能,因而具有劃時(shí)代的現(xiàn)實(shí)意義。

1974年,Zadeh進(jìn)一步研究了模糊邏輯推理。此后,模糊系統(tǒng)理論逐漸成為一個(gè)熱門的課題。建立在模糊邏輯基礎(chǔ)止的模糊推理是一種近似推理,可以在所獲得的模糊信息前提—F進(jìn)行有效地判斷和決策。而基于二值邏輯的演繹推理和歸納推理此時(shí)卻無能為力,因?yàn)樗鼈円笄疤岷兔}都是精確的,不能有半點(diǎn)含糊。

目前,模糊系統(tǒng)在理論和應(yīng)用兩方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,為包括模糊控制在內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)提供了強(qiáng)有力的理論支撐。模糊系統(tǒng)理論和應(yīng)用的主要研究領(lǐng)域包括如F幾方面內(nèi)容。

(1)模糊系統(tǒng)理論基礎(chǔ)研究為了開拓更新更J“的應(yīng)用,完善模糊系統(tǒng)理論的理論體系,必須加強(qiáng)以基本概念為核心的模糊系統(tǒng)理論和模糊方法論的研究,其重點(diǎn)在于應(yīng)用模糊系統(tǒng)理論對(duì)人的思維過程和創(chuàng)造力進(jìn)行理論研究。同時(shí)也要對(duì)已有的基礎(chǔ)理論中的基本概念,如模糊概念、模糊推理的概念等進(jìn)行推敲;對(duì)模糊推理中的多值理論、統(tǒng)一性理論、推理算法、多變量分析及模糊量化理論等進(jìn)行研究;對(duì)模糊方法論中的模糊集合論、模糊方程、模糊統(tǒng)計(jì)和模糊數(shù)學(xué),對(duì)思維功能與模糊系統(tǒng)的關(guān)系、模糊系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法、模糊系統(tǒng)與其他系統(tǒng),特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等相結(jié)合的理論問題進(jìn)行研究。

(2)模糊計(jì)算機(jī)方面的研究其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)具有模糊關(guān)系特征的高速推理計(jì)算機(jī),并希望在系統(tǒng)小型化、微型化的同時(shí),開發(fā)出可以大大提高開發(fā)效率的模糊計(jì)算機(jī)。這方面的研究包括模糊計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、模糊邏輯器件、模糊邏輯存儲(chǔ)器、模糊編程語言以及模糊計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)軟件等。

(3)機(jī)器智能化研究其目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊信息的理解,對(duì)具有漸變特征模糊系統(tǒng)的控制以及對(duì)模式識(shí)別和決策智能化的研究。它主要包括智能控制、傳感器、信息意義理解、評(píng)價(jià)系統(tǒng)、具有柔性思維和動(dòng)作性能的機(jī)器人、具有語言理解能力的智能通信及具有實(shí)時(shí)理解能力的圖像識(shí)別等。

(4)人機(jī)工程的研究其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)能高速模糊檢索并能對(duì)未能預(yù)測(cè)的輸入條件作適當(dāng)判斷的專家系統(tǒng),以及對(duì)人與人之間的界面如何能盡量接近人機(jī)之間的界面,如何才能滿足新系統(tǒng)要求的研究。這方面共要包括模糊數(shù)據(jù)庫,模糊專家系統(tǒng),智能接口和對(duì)人的自然語言的研究。

(5)人類系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)的研究其目的在于利用模糊系統(tǒng)理論解決充滿不確定性的人的復(fù)雜行為、心理分析,社會(huì)經(jīng)濟(jì)的變化趨勢(shì),各種社會(huì)現(xiàn)象的模型、預(yù)測(cè)以及決策支持等。這方面包括對(duì)各種危機(jī)的預(yù)測(cè)和完全評(píng)價(jià)、對(duì)有人為失誤系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法、建立不良結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模型、模糊理論在系統(tǒng)故障檢測(cè)與診斷中的應(yīng)用、人的行為與心理分析等。

(6)自然系統(tǒng)的研究其目的在于利用模糊系統(tǒng)理論來解決復(fù)雜自然現(xiàn)象的模型和解釋等。這方面還包括對(duì)各種物理、化學(xué)現(xiàn)象的進(jìn)一步解釋,對(duì)自然環(huán)境大氣圈、地球生物圈、水圈、地圈的研究。

對(duì)待模糊系統(tǒng)理論,學(xué)術(shù)界一直有兩種不同的觀點(diǎn),其中持否定態(tài)度的觀點(diǎn)大有人在,客觀地說,有如下兩個(gè)主要方面的原因。

①推祟模糊系統(tǒng)理論的學(xué)者在強(qiáng)調(diào)其不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)過分地夸大了其功效,而正確的觀點(diǎn)似乎應(yīng)該是模糊系統(tǒng)不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,當(dāng)然它也不應(yīng)該拒絕有效的數(shù)學(xué)模型。

②模糊系統(tǒng)理論的確還有許多不完善之處,比如模糊規(guī)則的獲取和確定、隸屬度函數(shù)的選擇以及模糊系統(tǒng)穩(wěn)定性問題,至今還未得到完善的解決。

盡管如此,大量的:工程系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用了模糊系統(tǒng)理論。其中,模糊控制就是模糊系統(tǒng)理論應(yīng)用最有效、最廣泛的領(lǐng)域。模糊控制公各種領(lǐng)域出入意料地解決了傳統(tǒng)控制理論尤法解決或難以解決的問題,并取得了一些令人信服的成效。

3.模糊系統(tǒng)理論的方法[3]

模糊系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)是模糊集合理論,模糊系統(tǒng)理論的方法主要用于環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中,如模糊聚類法、模糊綜合評(píng)判法等,它的核心是利用隸屬度刻畫客觀事物中大量模糊的界線。在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中,對(duì)于評(píng)價(jià)級(jí)別的歸屬問題,即元素與集合之間的關(guān)系,不再是籠統(tǒng)的經(jīng)典集合論中的屬于或不屬于關(guān)系,而是[o,1]中間的一個(gè)數(shù),這樣能更為確切地反映實(shí)際情況。

對(duì)于戰(zhàn)略環(huán)境評(píng)價(jià)的研究對(duì)象——戰(zhàn)略經(jīng)濟(jì)環(huán)境系統(tǒng),其本身就是一個(gè)模糊系統(tǒng),因此模糊系統(tǒng)理論可以在戰(zhàn)略分析、戰(zhàn)略環(huán)境影響預(yù)測(cè)中應(yīng)用。

4.模糊系統(tǒng)理論案例分析

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