环境决策支持系统的设计

环境决策支持系统的设计北京大学环境工程系2006年4月区域旅游业发展决策支持系统的设计DSS系统分析DSS系统初步设计DSS系统详细设计程序编制集成DSS的构造与系统结构一、DSS的基本部件DSS的基本部件，在不同的历史时期，是不一样的。它随着DSS的发展而变化。在20世纪70年代末——80年代初，DSS主要由5个基本部件组成：人机接口（对话系统）、数据库、模型库、知识库、方法库。后来，在这5个部件的基础上，又开发了各自的管理系统，即对话管理系统、数据库管理系统、模型库管理系统、知识库管理系统、方法库管理系统。因此，DSS由十个基本部件组成。从20世纪80年代开始，随着计算机集成制造系统（CIMS）概念的提出，人们对于DSS的结构又有了新的理解，有人提出，DSS是由语言系统（LS）、问题处理系统（PPS）和知识系统（KS）三部分组成，LS实际上就是一个人机接口，不过它强调语言（特别是自然语言）的重要作用。由于突出了自然语言的重要性，因此在DSS中配备了相应的自然语言处理系统（被称为PPS）。而数据、模型、知识（狭义的）都被看作是广义的知识。基于上述分析，结合国内外DSS的研究与开发现状，DSS的核心部件还是5个，即人机接口（对话系统）、数据库、模型库、知识库、方法库。二、DSS的目标DSS的目标和决策人员的工作目标是一致的。不同的决策人员与决策层次，对DSS的目标要求各不相同。(1)作业调度，一般结构性较强，它对于DSS的要求是：定量分析较多，对于分析和结论的要求比较具体和细致；(2)战略规划，一般难以结构化和定量化，它对DSS的要求是：有定量分析较少，即使有定量分析，也比较粗糟，是综合性比较强的；支持战略规划的DSS一般都要求有知识库和推理机者两个重要部件。在这个层次上，人对于系统的影响也显得重要一些。(3)运筹管理，其结构化程度介于作业调度和战略规划之间，它往往对于DSS的内部的定量计算和推理分析要求较高。有人认为，运筹管理决策对DSS的目标要求正好体现了DSS的特性。一般而言，对于DSS的目标以及功能设计，要靠管理人员和DSS开发者共同协商确定，主要应考虑如下几个方面的问题：(1)实用性：要优先考虑对于辅助决策确实有用的功能。(2)合理性：逻辑分析上要是合理的。(3)可能性：在目前的技术水平上，要尽量考虑目前可以实现的功能。(4)阶段性：开发一个十分完善的DSS需要较长的时间，应该按阶段划分任务，边开发边使用。三、功能可以根据支持水平，划分DSS的功能类型，一般可以有如下四种功能类型：(1)信息服务：外部服务，为决策者提供有关信息，也可以作为其它系统的信息源；内部服务，为系统其它功能的实现提供信息服务。(2)科学计算：要提供信息服务，一般需要计算功能的支持。DSS中的计算模型，不追求复杂，而注意用户的参与和选择。(3)决策咨询：在科学计算的基础上，只要增加知识推理的功能，就可以起到决策咨询的作用。(4)人工智能：具有人工智能的支持功能的DSS是一种最理想的DSS。DSS的人机界面和问题处理系统一、人机界面人机界面（用户界面、对话系统、人机接口），是DSS不可缺少的一个重要组成部分，它把用户与数据库、模型库、知识库、方法库联系在一起，并对DSS的运行操作进行控制。人机交互作用是靠人机界面来实现的。早期的DSS以命令语言和对话管理系统构造人机界面；理想的人机界面是利用自然语言实现人机沟通。20世纪80年代以后，DSS利用语言系统（LS）和问题处理系统（PPS）实现人机交互功能。新一代的DSS，其人机界面应当满足以下要求：(1)通过人机交互要能够为决策这提供进一步理解问题的过程：由于决策问题的复杂性，开始时决策者往往不能全面深入地了解问题的每一个侧面。因此，DSS决策支持的出发点，应该是在人机界面的支持下，通过试探性的和启发性的问题求解方法，帮助决策者逐步加深和调整对问题结构的认识，DSS应该能够通过人机交互向决策者展示问题的各个侧面，使决策者对问题的认识逐渐深入化、具体化、清晰化，交互作用应该是一个启发用户思维的过程。(2)交互，要给决策者一种“身临其景”的感受，要使决策者感觉到自己在操作计算机，而且借助于计算机系统提供的一些信息进行决策，而绝不是计算机代替决策者作出决策。(3)交互，要能提供DSS适应新的决策问题及环境的手段：通过人机交互，决策者应该能够构造新的决策问题，增加新的模型及与模型有关的概念、数据和知识。DSS应该能够根据用户操作过的记录，适当调整自己的界面系统。(4)交互，应该为决策者提供控制的权力，使决策者能够根据个人的风格、偏好、随机因素等作出决策。(5)人机界面要十分友好。DSS的人机界面，应该完成的任务如下：(1)提供DSS的控制机构，容许决策者控制DSS的运行、控制系统各部件的工作。(2)向决策者提供多种形式的交互形式。(3)产生输入/输出，使决策者能正确地输入有关数据和参数，系统正确地输出决策辅助信息。(4)具有反馈、提示和帮助功能。(5)适应性：随着环境和需求的变化，界面应该能够扩充和调整。(6)保密性：只有核定过的用户才能使用系统。(7)要能够在规定的问题域内理解用户的要求，提示用户输入必要的数据、资料，给用户方便的输入方式。(8)协调系统各组成单元之间的通信与运行。(9)引导决策过程，根据用户的要求调用系统各个模块，组合生成所需要的模型及其参数。(10)给用户提供一个对话环境，使用户能充分了解系统的运行状态、运算结构和推理结论。(11)给用户一些必要的提示。二、问题处理系统把自然语言引入DSS后，人机界面的形式发生了很大的变化，这主要是自然语言与计算机语言之间存在很大的差距。为了缩小这个差距，就产生了LS和PPS，人们用他们来缩小这个差距，这样的DSS就被称为智能DSS，也成为基于知识的DSS，记为KB-DSS。LS主要是把自然语言转化为计算机能够理解的形式，并把机器对问题的解答或系统内部的其它信息转化成自然语言的形式输出给用户。由于自然语言的处理是一个非常复杂的过程，有学者曾提出，可以把语言的存储机制和知识表示框架结合在一起，因此LS和KS在物理上的界限是很难划分的。一般，自然语言的处理包括四个步骤：查字典、语法分析、语义理解、语用分析。前两个步骤由LS的完成，，后两个步骤由PPS完成。当然，PPS的主要的任务不是语言理解，而是识别、分析和求解问题。当用户采用陈述的方法提出问题时，语言的理解和问题识别往往是联系在一起的，很难把它们划分成两个阶段。语义和语用的分析是问题理解和识别的关键步骤，通过这些步骤，语言从表面结构转化为深层结构，PPS在此基础上再用深层结构对问题分析和求解。一般情况下，在物理上也很难划分PPS和DSS人机界面的边界。从人工智能的角度就不能理解了。例如，一个人遇到一个决策问题时，在概念上，可以把这个问题的解决划分为若干环节或工作模块，但要对他的大脑进行分区，并说明那一个区干什么工作，恐怕就不容易了。因此，KB-DSS的一个显著特点就是：在概念上可以构造许多部件，但在物理上却无法确定它们的边界。PPS在形式上说明了DSS的行为规范模式，一个PPS必须有明确的识别问题的能力，把问题的陈述转化为相应可执行的操作方案。它能够对问题做比较透彻的分析，确定什么时候问题陈述已变成详细的过程说明，什么时候执行哪个模块或程序，什么时候得到问题的解答。对于最小二乘法这样只要求“调用过程”的问题陈述，PPS处理起来就很容易，但是对于非过程化的问题，就要求PSS有比较强的处理能力。当然，如果能够通过LS直接辩识或选择模型，那么就不需要PPS作建模分析。如果要让PPS选择或者生成模型，那么对它的问题识别能力是非常高的。除了语言的理解和识别问题，问题分析能力也是PPS应该具有的主要功能。这是一个在模型、知识、数据和用户之间反复交互的过程，最简单的情况是只在模型和数据之间交互，目前已有大量的计算机程序和软件能够完成这样的工作。比较复杂的情况是要把定性分析加入到定量计算中去。最困难的分析过程是在模型、知识、数据和用户四者之间的交互。自然语言理解自然语言理解系统主要包括问答系统、声音理解系统、手书文字识别系统和机器翻译系统等。它是人工智能研究的一个重要领域。所以说，有人认为，DSS加上自然语言理解就是KB-DSS。无论是上述那一种系统，它们最主要的特点是：对输入的自然语言语句的“理解”，即用计算机所具备的表达方式来表达所要理解的自然语言所表达的含义。因此，自然语言理解系统所要解决的根本问题就是这两种表达方式的转换途径。目前，关于自然语言理解的方法很多，已经形成了一些比较成熟的语言，如“语法分析模型”、“语义网络模型”、“概念从属模型”等，这些模型大多数以英语为对象。关于自然语言理解方面的研究，美国、日本等国家处于比较先进的水平。在我国，以清华大学的研究成果为代表。如，汉语用汽车调度系统的人机接口已经取得了较好的实验效果。对于文字形式语言，其特征包括语法、语义和语用，这三个方面是自然语言理解研究的重点。如果大家有进一步了解的兴趣的话，可以参阅人工智能方面的有关书籍。四库系统一、数据库系统(DB)DB是DSS的一个最基本的部件。一般情况下，任何一个DSS都不能缺少DB及其管理系统。只有在一些大型的CIMS（计算机集成制造系统）中，采用的是集总数据库系统（IntegratingDBsystem）,以达到资源共享的目的，所以局部DSS也可能不再有自己的数据库，但是，如果这样的话，数据通信问题将十分地突出。既就是如此，DSS在概念上也应该有DB的概念。DSS和MIS的DB及其管理系统，在有许多共同点，如DB的某些功能及其实现方法，DBM的某些作用等。这主要是，DSS中DB的某些概念是从MIS中来的。但是，DSS与MIS之间存在着本质区别，所以它们的DB及其管理系统存在根本上的区别：(1)二者的工作目标不同，DSS使用的数据库是支持决策，因此它对综合性数据和数据的预处理比较重视；而MIS支持日常事务的处理，所以它特别重视对原始数据的收集、整理和组织。(2)与MIS的数据库相比，DSS的数据库要庞大、复杂的多。不过，从资源共享的角度来看，也许它们在组织机构内部使用的是同一数据库。MIS和DSS的DB之间的区别与联系，见下图：DBADB业务经理MIS总经理DSSDSS、MIS与DB的关系这里需要要澄清的是，DBA和DBMS是两个不同的概念：(1)DBA表示对数据的管理作用。它既可以表示人，也可以抽象地表示管理职能。(2)DBMS表示管理作用的实施方法，一般讲它是计算机软件。MIS和DSS对DBMS的要求也有一定的差别。MIS的DBMS主要用于信息服务和日常事务处理，它对数据的组织、查询、检索、统计等功能要求较高，通常要求制表、绘图、显示等功能。而DSS的DBMS，要求对数据的预处理和分析能力较强。模型库系统MB是DSS最具特色的部件。与MIS相比，DSS之所以能够支持决策，其原因，除了设计思想不同外，主要在于DSS有能为决策者提供推理、分析、比较选择的模型库。MB和MBMS在DSS中占据着十分重要的地位。但是，MB并不是DSS必不可少的部件，少数仅通过信息服务的DSS就可以没有MB；一些向ES方向发展的DSS也不太重视MB。DSS中的MB并不追求模型本身的完美和复杂，也不认为模型可以解决一切问题，它的目标是在决策者需要时按照他的要求构造模型。MB中的模型不一定很复杂，但要符合实际，要实用。由于模型的生成、修改、更新、删除、连接是经常性的操作，所以模型库的管理非常重要。为此，必须有模型库管理系统（MBMS）。MBMS的主要功能与作用为：(1)模型库与模型字典的定义、建立、存储、查询、修改、删除、插入、重构等。(2)模型的选择、建立、拼接和组合，提供根据用户命令将简单的子模型构造成复杂模型的手段。例如，提供串联或并联一些子模型成为一个更大模型的手段。(3)模型的运行控制。从调用者获取输入参数，传给模型并使模型运行，最后把输出