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符号定向图(SDG)定性仿真与安全科学技术专辑

基于符号定向图（SDG）深层知识模型的定性仿真

吴重光
夏 涛 张贝克

定性仿真是系统仿真技术中的重要研究和应用方向，同时也是人工智能技术的一个重要方面。近年来，随着现代计算机技术的日新月异，使得基于符号定向图（SDG）深层知识模型的定性仿真研究和应用取得了显著进展。SDG模型能够表达复杂的因果关系，具有包容大规模潜在信息的能力，因此特别适合于过程系统危险评价（PHA）、危险识别与故障诊断。SDG模型结构简单，易于建立和修改。然而高质量的SDG模型必须采用经验数据和定量动态仿真检验和校正。采用SDG模型进行定性仿真的关键技术是高效双向推理“引擎”，由计算机软件自动完成。目前，在计算机辅助过程系统危险评价方面，SDG是最有效的方法；在过程系统故障诊断方面，其完备性较好，但诊断分辨率尚待提高。今后的研究应解决：定性仿真和定量仿真相结合；SDG自动建模；通用推理软件平台；大系统高分辨率故障诊断等问题。

石油化工安全仿真技术及应用

牟善军 姜春明 吴重光

安全模拟与安全仿真学是安全科学技术的重要学科分支。随着信息技术和计算机技术的发展，仿真技术在石油化工安全评价、安全监测、安全控制与安全训练等多领域多层面，正在或即将发挥着越来越大的作用。目前，仿真技术已成功地应用于揭示工艺过程内在危险；设备结构疲劳分析；毒物泄漏、扩散、爆炸、燃烧三维可视化分析；故障识别与诊断；辅助安全训练。仿真技术已成为系统安全工程中的关键技术之一。

集成化SDG建模、推理与信息处理软件平台

张贝克 夏 涛 吴重光

过程工业的安全问题正日益引起公众及政府的关注和担忧。大量的人力物力被投入到过程风险评价（PHA）中，而它们的大多数依靠人工完成。近年来，通过引入符号有向图（SDG），基于计算机的自动PHA成为了可能。这项工作的首要任务是建立一个实用的SDG建模、推理平台。我们基于对HAZOP评价方法的研究，根据操作的步骤和需要，最终设计、开发了一个图形化、层次化、支持组件可复用的SDG软件平台，以供建模、推理和数据后处理使用。该平台基于自主开发的SDG推理引擎和图形建模环境，其设计充分考虑技术研究的持续和渐进性，利用迭代开发和面向对象的技术，支持多种算法的混合使用和组件的复用，从而在SDG的图形建模、推理引擎构架和双向推理方面做出了有益的探索。

化工过程SDG建模方法

李安峰 夏 涛 张贝克 张钊谦 吴重光

SDG(Signed Directed Graph) 是一种重要的定性建模技术，特别是在安全评价和故障诊断领域。本文系统介绍了两种常用的SDG建模方法：基于数学模型的方法和基于流程图的方法。此外，本文提出了一种基于经验知识的建模方法。由于安全评价强调揭示潜在故障的全面性，而故障诊断则要求诊断速度和故障分辨率高，因此基于经验知识的建模方法分为评价模型建模方法和诊断模型建模方法。采用此方法建立的评价模型不仅能全面表达故障，而且还能揭示故障的传播规律；建立的诊断模型简单精炼、故障分辨率高。

SDG标准测试图及推理引擎论证

张贝克 夏 涛 吴重光

应用SDG技术对复杂系统进行安全分析推理，其引擎的性能测试至关重要。我们提出了采用系统标准的SDG测试图，对引擎进行测试。论述了测试所需的规模和指标，并针对应用领域特点，通过改变节点与支路规模、状态、关联关系、排列等因素，提出了一整套针对安全问题的SDG标准测试图。在此基础上，我们提出了极端与平均的性能测试方法。并运用SDG测试图对我们开发的SDG引擎进行完备性和运算能力的测试，效果达到实用水平。最后，我们对测试过程中暴露的问题，提出改进措施。

事件树建模及其在石化安全评估软件中的应用

张钊谦 夏 涛 张贝克 李安峰 吴重光

在石油化工领域，有效地进行安全评估具有重要意义。事件树建模是进行系统安全评估的一种有效方法。本文从世界银行颁布的“工业风险评估技术标准”出发，采用事件树建模方法，开发了一套石油化工安全评估软件。本软件包括危险部件选取、事件树分析、模型算法库、结果报表、分析评估和帮助等六个模块，涵盖安全评估的全流程。在软件核心部分事件树分析模块中，针对石油化工领域内的四大主要危险发生源，建立了相应的四个事件树模型，分别为易燃气体事件树模型、易燃液体事件树模型、有毒气体事件树模型和有毒液体事件树模型。在模型算法库模块，给出了六类不同的模型算法子库，分别为泄漏模型子库、火灾模型子库、爆炸模型子库、扩散模型子库、毒云模型子库和溢流模型子库。另外，对软件中与建模相关的关键技术进行了详细讨论。

石油化工SDG故障诊断仿真试验系统

夏 涛 张贝克 吴重光

基于SDG深层知识模型的推理方法是一种完备的揭示系统故障的有效方法，石油化工的SDG故障诊断方法也是当前研究的热点问题。系统仿真技术在故障诊断系统中发挥了特殊的作用，建立用于故障诊断的仿真试验系统是必要的。本文给出了该系统的硬件和软件结构，讨论了其中的关键技术。该试验系统可用于辅助建立SDG故障诊断模型、阈值修正、案例试验、模型验证及模型简化等，并可依据国际标准对诊断系统进行系统安全整体性要求测试，包括软件可靠性试验和硬件可靠性试验。

SDG方法与过程安全分析的关系

牟善军 姜春明 吴重光

过程安全分析（PHA）涉及，过程的危险、各种事件的超前识别、适用于安全的工程和管理控制、工程和管理控制的事故所造成的后果、设备状态和人的因素等诸多方面。推荐的安全分析方法有，如果…怎么样法、检查表法、危险与可操作分析法（HAZOP）、故障模式及后果分析（FMEA）或故障树分析法等。这些方法中的大多数与SDG（符号定向图）在根本原理上相同。因此，SDG是过程安全分析中一种极为关键的计算机化技术。

具有误操作自诊断的高效过程系统仿真平台

吴重光 张贝克 夏 涛

采用符号定向图（SDG，Signed Directed Graph）深层知识模型配合反向推理方法，可以有效解决仿真训练过程中误操作实时在线自诊断问题。经仿真案例试验表明，本方法不但具有较高的诊断完备性、较高的诊断分辨率，而且能够给出详细的由于误操作导致故障的解释。基于面向对象的编程（OOP）原理，以信息驱动引擎的软件结构，配合“三元素”操作分类法和信息全程压缩技术，新开发的仿真软件平台具有代码效率高、占用容量小、运行速度快以及应用软件开发方便等特点。迄今，已有45所大学的大批量学生使用本仿真软件进行实习训练，培训效果很好。

石油化工危险、安全与控制仿真试验平台的结构设计

夏 涛 张贝克 吴重光

石油化工危险、安全与控制仿真试验平台应用了半实物仿真技术，是研究石油化工危险与可操作性评价技术的重要工具。本文首先确定了该平台的功能和目标，介绍了总体结构，分析了各子系统所实现的功能。提出了综合应用数字仿真和半实物仿真技术对大型过程系统进行研究的方法。最后对该平台建设过程中涉及的通讯系统、软件集成、实时数据库等关键技术和方法进行了阐述。

SDG自动生成故障树软件的研究与开发

张钊谦 夏 涛 张贝克 李安峰 吴重光

故障树分析法是分析系统可靠性的一种有效方法。对于复杂系统而言，进行故障树自动生成十分重要。本文从基于符号定向图的定性仿真方法出发，开发了一套可视化的故障树自动生成软件。本软件由人机交互接口、信息处理中心和推理机三个部分组成，能够支持故障树自动生成的全过程。在软件核心部分推理机的设计中，针对传统的Lapp&Powers算法进行了两点改进。首先，我们提出一种基于反向搜索索引及操作符模块化组态的全面快速的定性推理机制；其次，我们提出了一种新颖高效的矩阵开拓算法，用于搜索SDG模型中的负反馈回路及前馈回路。本文最后给出一个硝酸换热器的故障树自动生成过程，证明了本软件的实用性和高效性。

基于SDG的计算机辅助危险与可操作性分析

李安峰 夏 涛 张贝克 张钊谦 吴重光

对于过程系统，危险与可操作性（Hazard and Operability，简称HAZOP）分析是一套应用最广的评价方法。但是人工评价存在费时、费力、成本高等缺点。本文介绍了一种基于SDG（Signed Directed Graph）的计算机辅助危险与可操作性分析系统，该系统基于SDG定性模型。过程模型利用模型库中的单元模型建立，通用性强，且又能分析各种具体工艺的特定信息。应用实验表明，与人工专家评价相比，该系统具有完备性好、省时、省力、成本低、评价结果系统性

建模与仿真方法

维修工作仿真中的PetriNet－PaTNet方法

马 麟 吕 川 徐宏强

为了有效地应用维修工作（作业）仿真方法，从维修工作的表达、维修工作动画实现两个方面展开了研究工作。基于人体建模软件Jack，提出了一种Petri网与PaTNet相结合的方法来实现维修工作仿真，并研究了维修工作内容描述、场景对象模型以及相应的实现框架。最后通过一个实例证实了PetriNet-PaTNet方法的作用。

面向结构的多刚体动力学系统线图

朴明伟

从质量、能量和信息的离散代换观点，将线图法应用于多刚体动力学系统的建模。刚体及其“联结”，按内部实现和接口界面抽象为模块化的组件对象。在根据系统线图的拓扑关系组装时，接口参数遵守网络定律。在发生扰动时，“联结”边的能量流发生变化。由此，基于最小阻力运动趋势进行系统设计，其控制策略的制定更加具有针对性。

外部型硬件进化方法研究

方潜生 王煦法 何劲松

外部型硬件进化（Extrinsic EHW）是将硬件描述语言（HDL）与进化算法（EA）结合起来的硬件进化（EHW）方法。在简要介绍了EHW的基本概念和工作原理的基础上，针对外部型硬件进化的基本方法，通过实验分析指出了这类方法存在的问题，阐述了在电子设计自动化（EDA）平台上实现Extrinsic EHW方法必须解决的核心问题。

任务空间概念模型及其形式化抽象描述

王杏林 郭齐胜 丁士拥

任务空间概念模型对建模与仿真的互操作与重用有着重要的意义，但还没有一个统一的描述方法。文章研究了任务空间概念模型在仿真中的应用，探讨了它与作战想定、作战条令、条例之间的关系，然后对任务空间概念模型进行了形式化抽象描述，从而进一步给出了它的模型层次结构。

复杂仿真系统模型验证方法的研究

赵敏荣 吴晓燕 刘兴堂

复杂仿真系统置信度评估理论及方法研究是仿真界的难题。本文根据复杂仿真系统的特点，提出了利用贝叶斯（Bayes）理论对复杂仿真系统模型进行验证的方法，建立了检验建模与仿真（M&S）中的复杂假设的规则及实现算法，经过部分实例证明此方法是一种准确、通用和有效的方法。对复杂假设进行检验的Bayes方法，对于小子样甚至是特小子样场合的仿真系统具有参考价值。

智能建模与仿真

模糊神经网络在运动员脚力信息识别中的应用

唐 毅 葛运建 袁红艳 王定成

采用了一种基于模糊神经网络的方法进行运动员脚力信息的识别，该方法利用模糊隶属度函数扩张和收缩以及前向网络的误差反馈原理，构成了一种改进的模糊神经网络结构，采用了分级的训练和学习方法，运用于举重运动员抓举动作的识别中，并获得了较理想的效果。脚力信息的识别是笔者提出的基于计算智能的数字运动员人体模型的前提和基础。

案例分析中的DNA计算

殷志祥 张家秀 许 进

DNA计算是一种模拟生物分子DNA的结构并借助于分子生物技术进行计算的新方法，开创了以化学反应作为计算工具的先例，为解决NP-完全问题提供了一种全新的途径。案例分析中常用到离散数学中的逻辑演算，特别是在信息处理方面。在基于表面的DNA计算中采用了荧光标记策略，解决了案例分析中的一个问题，尝试了DNA计算在案例分析中的应用。且这种方法具有编码简单；耗材底；操作时间短；技术先进的优点。

具有感觉和知觉特征的蚁群算法

陈 崚 秦 玲 陈宏建 徐晓华

针对传统蚁群算法加速收敛与早熟、停滞现象的矛盾，模仿蚂蚁感觉和知觉行为提出一种新的蚁群优化算法, 使蚂蚁受显意识和潜意识的相互作用选择路径，同时自适应地修改路径上的信息量.以多种不同规模的对称和不对称旅行商问题（TSP）为例进行的仿真结果表明算法具有较好的收敛速度和稳定性，比较适合求解城市数目较多的TSP问题。

机器人探测未知环境的螺旋形导航算法

苏丽颖 谭 民

在很多情况下，机器人对作业环境并没有预先了解，这就使得机器人对环境的探测成为必要。因此，设计合理的导航算法，从而使机器人在较短的时间内能够较完整地构建出环境地图，为机器人完成作业提供了基础。本文提出了一种基于虚拟力的螺旋形导航算法，采用超声距离传感器，对未知环境进行实时在线的探测，采用本算法可以避免机器人之间以及机器人与障碍物发生碰撞。本文推导了机器人的运动学和动力学方程。仿真对比实验表明了该算法的有效性。本文进行了若干作业任务的仿真实验，使算法得到了进一步验证。

基于遗传算法的进化神经网络

刘 芳 李人厚

提出一种基于遗传算法的多层前向神经网络的自动化设计方法（genetic multiplayer feedforward neural network, GMFNN），用以同时完成对网络结构空间和权值空间的搜索。该算法利用双种群权值优化、结构进化自适应变异率等方法来加快算法的收敛速度，改善解的性能。仿真结果显示本文提出的算法能够有效抑制遗传算法初期收敛的发生，有效地提高多层前向神经网络的收敛精度，并可获得更为简洁的网络结构。

仿真算法

用Bayes网络检测航空影象中的三维结构体

汪荣贵 张佑生 高 隽 彭青松

感知组织是自动检测目标的有力工具。文章提出一个基于Bayes网络的感知组织算法，用于检测城市航空影象中房屋等三维人造结构体。算法使用假设检验的方法检测目标，由提取边缘及线段、生成平行四边形、生成假设、检验假设四个步骤组成。文中设计了两个Bayes网络分别作为假设生成和检验中的信息融合工具。Bayes网络的学习能力，使算法具有一定的自适应性。实验结果表明了算法的有效性。

一种基于大规模标注语料库的词语聚类方法

康铁钢 戴汝为

提出了一种基于大规模标注语料库的词语聚类方法。文中根据专家群体对某一具体问题进行决策的需要，回顾了国内外几种基于分布的词语聚类方法,并给出我们的算法原理及实现步骤。首先人工抽取某一类内词语中的几个，从语料库找到这些词的修饰词，组成修饰词向量，然后对于每一个词语，统计修饰词向量中的每个修饰词和该词语在语料库中同现的频率，组成特征向量，最后进行聚类分析。支持宏观经济决策的试验表明该算法能有效地实现词语的聚类。

基于BP网时间差分算法的设计与应用

徐 郡 储方杰

鉴于传统BP算法不能动态修改权值的缺陷，引入了时间差分算法(Temporal Difference)^[1]，然后提出了将TD法与BP法相结合的一种基于神经网络的预测算法，并由此来解决在时间序列预测中的权值动态修改问题。本文推导出二者如何结合的公式，并给出了相应的C++实现方法。通过对一个时序信号的建模仿真说明该算法的可行性。

虚拟现实与可视化

Web环境下的火工品感度虚拟仿真测试

韦素嫒 宁 超 刘春桐 倪 青

应用WWW上的虚拟现实建模语言VRML，制作了可在Internet上应用IE和Netscape等普通浏览器进行交互操作的火工品感度虚拟仿真测试系统，对实现该测试系统的关键技术进行了论述。该虚拟仿真测试系统具有高度的真实效果，使操作人员如同在实地进行真正测试一样，是虚拟现实技术在万维网上的具体应用。

虚拟城市场景建模方法与技术研究

段学军 陈 铭 王晓斌

虚拟城市场景建模是虚拟城市设计的重要内容，它包括地形地物建模、纹理映射以及视觉效果处理等内容。地形建模需要进行模型分解、求解法向量和定义颜色；地物建模需要进行二维三角网剖分、不透明和透明单面构造。纹理映射技术将像片纹理和地形地物融合，用来增强地形地物的显示效果。视觉效果处理主要采用消隐处理、光照显示、浓淡处理与透视显示等技术。层次细节纹理技术可以改进虚拟城市复杂场景绘制速度，但在可视化表现时必须使表现信息量和可视速度之间有一个折中，最好的办法是采用多级LOD，在不同的可视化阶段采用不同的LOD。

仿真技术应用

军事仿真应用

火控雷达模拟训练系统中的反辐射导弹诱偏仿真