隨機(jī)控制
1.什么是隨機(jī)控制
按照控制的邏輯發(fā)展,可將控制分為隨機(jī)控制、記憶控制、推理控制和最優(yōu)控制。
隨機(jī)控制也叫試探控制,是最原始的控制方式,是其他一切控制方式的基礎(chǔ)。隨機(jī)控制是完全建立在偶然機(jī)遇的基礎(chǔ)上,是“試試看”思想在控制活動(dòng)中的體現(xiàn)。隨機(jī)控制在成功的同時(shí),常常伴隨著失敗。這種控制方式有較大的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)事關(guān)重大的活動(dòng),一般不宜采用這種控制方式。
當(dāng)我們碰到一種棘手的事情,又想不出什么辦法來解決時(shí),常常硬著頭皮說:“那就碰碰運(yùn)氣,試試看吧?!薄芭鲞\(yùn)氣”或“試試看”就是最簡(jiǎn)單的試探控制。
它是完全建立在偶然機(jī)遇的基礎(chǔ)上,是在人們對(duì)解決問題所必需的條件不了解,對(duì)控制對(duì)象的性質(zhì)不清楚的情況下所能采取的惟一辦法。
例如,我們要打開一個(gè)上了鎖的房間,手里有一大串鑰匙,但不知道其中哪一把能把鎖打開。在這種情況下,人們常用的方法就是“一個(gè)一個(gè)地試一試看”,直到把鎖打開。
試探控制在成功的同時(shí),常常伴隨著失敗。這種控制方式有較大的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)事關(guān)重大的活動(dòng),一般不宜采用這種控制方式。
在人類社會(huì)發(fā)展初期,人們的知識(shí)十分有限,因而常采用試探控制。但也應(yīng)該看到,人類對(duì)客觀世界的探索是無止境的,無論科學(xué)怎樣發(fā)達(dá),客觀世界總會(huì)存在未被認(rèn)識(shí)的事物,特別是在科學(xué)研究中,當(dāng)人們對(duì)某一新領(lǐng)域的研究剛剛開始,還不能用其他方法來控制所研究的對(duì)象時(shí),試探控制往往成為人們惟一可以采用的辦法。
2.隨機(jī)控制的特征
作為一個(gè)隨機(jī)控制過程,它應(yīng)具有如下三個(gè)顯著特征:
1、在隨機(jī)控制過程中,系統(tǒng)的可能性空間只有在達(dá)到目標(biāo)值時(shí)才縮小,沒有達(dá)到目標(biāo)值時(shí),可能性空間不縮小。
2、在隨機(jī)控制過程中,可能性狀態(tài)有可能被重復(fù)選擇。因?yàn)檫@種控制無法把那些在控制過程中被證明了不是目標(biāo)狀態(tài)的對(duì)象從可能性空間中排除出去。
3、在隨機(jī)控制過程中,在沒有達(dá)到目標(biāo)值之前,其控制能力不隨選擇次數(shù)的增加而增加,永遠(yuǎn)固定在最小值上不改變。
3.隨機(jī)控制的解析
隨機(jī)控制的例子是很多的,在我們的日常生活中也經(jīng)常采用隨機(jī)控制來解決問題。例如住旅館,如果服務(wù)員交給你一串鑰匙,沒有告訴你是哪一把鑰匙開門,那么你拿著這串鑰匙去試探(碰運(yùn)氣)就是一種隨機(jī)控制。
在開門鎖的隨機(jī)控制過程中,鑰匙就是控制對(duì)象。如果是10把鑰匙,那么開鎖的可能性空間的狀態(tài)數(shù)是10。因?yàn)椴恢滥囊话咽悄荛_鎖的房門鑰匙,所以10把鑰匙中的每一把都具有開門鎖的可能性。試了幾把沒有開鎖,其可能性空間并沒有因?yàn)閷?shí)施了這幾次控制而縮小,仍然為10。這幾次控制中每一次的控制能力都是最小值1,沒有因?yàn)榭刂拼螖?shù)的增加而發(fā)生變化,只有當(dāng)鎖被打開后,控制能力才會(huì)發(fā)生變化。所以,確切地說,在沒有把鎖打開之前,還形不成控制。顯然,試開的中間,每一次試,如果沒有開鎖,那么控制僅僅表現(xiàn)為否定這一次選擇的結(jié)果。一旦鎖開了,表示選擇的結(jié)果就是目標(biāo),就停止選擇,結(jié)束控制。當(dāng)然在試開的過程中,如果你沒有給試過的鑰匙做上記號(hào),那就免不了重復(fù)試同一把鑰匙的可能。
通過以上分析,我們可以給隨機(jī)控制下一個(gè)比較科學(xué)的定義:如果系統(tǒng)的狀態(tài)只有在偶然達(dá)到目標(biāo)值時(shí)才形成控制,而不達(dá)到目標(biāo)值時(shí),可能性空間幾乎不縮小,那么這種控制過程就是隨機(jī)控制。
在科學(xué)發(fā)展的某些階段,尤其當(dāng)人們對(duì)某—個(gè)領(lǐng)域的研究剛剛開始,遇到很多棘手問題,還不能用其他方法來控制對(duì)象時(shí),隨機(jī)控制往往就成為人們唯—可采用的辦法。
那么,我們?cè)谶\(yùn)用隨機(jī)控制的過程中應(yīng)注意哪些問題呢?
1、應(yīng)注意控制對(duì)象面臨的可能性空間的大小。如果不是運(yùn)氣特別好,一般來說,一個(gè)隨機(jī)控制過程的完成時(shí)間(T)和可能性空間(S)的大小成正比。也就是說,搜索范圍越大,完成隨機(jī)控制過程所需的的間越長(zhǎng)。如果服務(wù)員交給你的不是10把鑰匙,而是一萬把鑰匙,那么你可能寧可砸開門鎖,也不愿在這—萬把匙鑰中去碰運(yùn)氣。所以,我們?cè)诖_定對(duì)控制對(duì)象實(shí)施隨機(jī)控制時(shí),要考慮可能性空間的大小。如果可能性空間太大,我們就要想辦法改進(jìn)控制方式,不要使用隨機(jī)控制。
2、要注意到選擇速度的快慢。完成一個(gè)隨機(jī)控制過程的時(shí)間(T)不僅取決于可能性空間(S)的大小,而且還取決于選擇速度(v)。一般說來,選擇速度越快,所需時(shí)間越短;選擇速度越慢,所需時(shí)間越長(zhǎng)。即完成隨機(jī)控制過程所需時(shí)間與選擇速度成反比關(guān)系。所以,對(duì)于一個(gè)可能性空間很大的控制對(duì)象,只要選擇速度快,那么也可采用隨機(jī)控制。如在幾十萬考生中排名次,人力幾乎無法勝任,但計(jì)算機(jī)能很快搜索排隊(duì),這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)的選擇速度很快。
3、要注意隨機(jī)控制的有效性問題。所謂有效性問題是指搜索目標(biāo)必須包括在搜索范圍之內(nèi),換句話說,對(duì)事物面臨的可能性空間必須有充分的估計(jì),不要把事物的一部分可能性空間遺漏。否則,有可能你要搜索的目標(biāo)正好在你所遺漏的那部分可能性空間之內(nèi)。如果搜索的目標(biāo)不在你的搜索范圍內(nèi),那么任憑你怎樣搜索都是無效的。
隨機(jī)控制的有效性問題看起來是那么簡(jiǎn)單,但實(shí)際控制過程中往往由于囿于成見而忽略了這一點(diǎn)。
例如,某洗衣機(jī)廠在設(shè)計(jì)單缸多用的新型洗衣機(jī)時(shí),碰到一個(gè)幾乎難以解決的問題,那就是軸的變形問題。當(dāng)洗衣機(jī)的缸高速旋轉(zhuǎn)來使?jié)褚路x心脫水,從而被甩干時(shí),由于衣服在缸內(nèi)放得不勻而產(chǎn)生的偏心力使得固定在底座上的軸發(fā)生形變。當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)人員認(rèn)為,軸之所以會(huì)產(chǎn)生形變是由于偏心力所致,而這種偏心力又是不可避免的,所以要克服軸的形變問題,他們?cè)瓉碚J(rèn)為唯一的辦法是加強(qiáng)軸的硬度。經(jīng)過多次試驗(yàn),他們發(fā)現(xiàn)提高了硬度的軸隨著轉(zhuǎn)速的加快,在偏心力的作用下仍然會(huì)產(chǎn)生形變,甚至斷裂的問題。這促使他們從另一種改進(jìn)方法找出路,他們把原來固定在洗衣機(jī)底部的機(jī)座改為固定在洗衣機(jī)缸的底部,再用四根可伸縮的彈簧拉桿拉住缸的外套層。這樣整個(gè)洗衣機(jī)的主體部分就被四根可伸縮的彈簧拉桿拉住而吊在洗衣機(jī)頂部的四個(gè)角上。經(jīng)過這種改進(jìn),硬度不大但能隨主體部分?jǐn)[動(dòng)的軸,即使在高速運(yùn)轉(zhuǎn)和偏心力的作用下也能自動(dòng)保持平衡,從而解決了軸的變形問題。這個(gè)例子說明,設(shè)計(jì)人員原來一直認(rèn)為解決軸的變形問題只有加強(qiáng)軸的硬度是由于偏見所造成的。正是這個(gè)偏見使他們遺漏了一部分可能性空間而陷入困境。擴(kuò)大搜索范圍才找到解決問題的辦法。
因此,在實(shí)施隨機(jī)控制的過程中,必須不斷擴(kuò)大搜索范圍、改變搜索范圍,從而不致于使你的控制是無效的。
在人類社會(huì)發(fā)展的早期,常用隨機(jī)控制是顯而易見的。如針灸療法的發(fā)明就是典型的隨機(jī)控制過程。針灸療法起源于原始人的砭石療法,原始人起初對(duì)疾病與扎人體的穴位之間的因果關(guān)系是一無所知的。當(dāng)?shù)昧瞬r(shí),就用砭石在人的身體上這里扎扎,那里扎扎,進(jìn)行試探。經(jīng)過多次試探,就確定了人的穴位與疾病的關(guān)系,形成了系統(tǒng)的針灸療法。我們還應(yīng)該看到,人類的認(rèn)識(shí)是無止境的。無論科學(xué)怎樣發(fā)達(dá),客觀世界總會(huì)存在著人們對(duì)它一無所知的事物,況且舊問題解決了,又會(huì)產(chǎn)生新問題。因此,現(xiàn)在或?qū)?,總?huì)使用隨機(jī)控制去解決一些問題。還有一類事物,我們對(duì)它并不是一無所知,只能夠了解它的某些方面,而對(duì)另一些方面一無所知。這時(shí),隨機(jī)控制常常與其他控制方式相結(jié)合使用,通過概率統(tǒng)計(jì)方法對(duì)未來的結(jié)果做出大致估計(jì),減少失敗機(jī)率。