典型信息法假说的提出和演绎证明

————初步反思科学转型的一次前哨战
选择字号:   本文共阅读 13964 次 更新时间:2003-05-20 10:02

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李世(火軍)  

今天正赶上伊拉克开战,关心伊拉克局势问题,大家的想法一样。我想立足点还是要增强中国的综合国力,提高科学技术水平,才能在复杂多变的国际环境中,立于不败之地。今天介绍我从事复杂性问题研究的一点实践经验和想法,主要有以下四点。

1. 当代科学研究面临的重点和难点问题是复杂性问题。从隧道工程实际出发,我提出一种“复杂性工程技术问题”。这种复杂性问题以往似乎没有人提过,到底是不是?

2. 为了初步的解决某些复杂性问题,我提出一种经验性假说——典型信息法,并作了大量的工程应用验证。典型信息法也可能用于基础科学研究领域的复杂性问题。

3. 在当代复杂性科学技术问题研究中,中国的传统文化有什么作用?北大一位先生认为:“像一切已经或正在死亡的文化传统一样,中国传统文化总是能对技术理性的克服起一些牵制和参考作用”,“中国人文难以拯救现代科学“。今天我要说明,典型信息法是中西文化融合的产物,可以用来初步解决某些复杂系统行为预测的难题;实践表明:在当代全球文化转型与科学转型中,中国传统文化有重要作用。哪一种观点比较符合实际?

4. 我赞同徐道一先生的观点:中国传统文化的精华是毛泽东思想的重要渊源。在这里我特别要强调毛泽东军事思想的作用。强调毛泽东思想可能有些同学会笑,觉得这是过时的东西。但是请大家想想抗日战争。中华民族反抗帝国主义斗争的历史,百年的失败、屈辱,第一次取得胜利是抗日战争;在一定意义上看,抗美援朝也可以说是中华民族独立、解放斗争的继续。毛泽东思想在中华民族解放的斗争过程中发挥了巨大的威力。不论对毛泽东个人看法如何,在民族解放这一点上,我想和诸位大概可以有共识。战争现象是所有社会现象中最复杂的,比如说,谁能预先知道美国是今天早上9点对伊拉克开战,谁知道是以这种形式开战,谁知道为什么刚开始说萨达姆父子已经被打死,但后来又没有呢?战争是一个非常纷乱的、不确定性的、复杂的现象,是最复杂的系统。能够有效地认识与处理最复杂系统的思想,为什么不能用于其它复杂性系统的研究呢?(www.bdjt.com)

我提出复杂性工程技术问题,是以岩石力学在隧道工程的应用为背景的,是在实践中提出的。所以各位虽然不是学工程的,但我只能结合隧道工程实际,才能说清楚:确实存在一种用还原论方法不能解决的复杂性工程技术问题,以及我是怎样初步解决的;这就涉及到从提出到初步解决一种复杂性问题的全过程,涉及到一种军事、哲学思想在复杂性研究中的作用;在此基础上并开始反思:当代科学转型中,岩石力学面临的矛盾为什么特别尖锐?为什么首先在中国初步有所突破?如果说这次讲座多少有点新意的话,可能就在于此。

希望各位能够带着一种理性批判的眼光来听,我的经验在一定条件下可能会有点实用性,但一定有局限性,如果缺乏自觉就会变成盲目性,希望大家提出置疑和指正。(www.bdjt.com)

下面我从提出“复杂性工程技术问题”开始讲。凡是工程问题必然涉及经济条件、社会环境等问题,就会有一定的复杂性。但我讲的不是这种问题。我所说的复杂性工程技术问题有两种:一种是基于地质条件和相关施工条件的复杂性,或可能基于天体物理、生物的复杂性,总的来说就是用还原论不能解决的问题,这是我今天要讲的;还有一种是美国和前苏联已经用常规方法解决了的问题,但在中国不具备相关条件,必须另辟蹊径。如1980年中国首批太平洋的洲际火箭试验,这就是这种复杂性问题。大家如果感兴趣,可以请当时这个试验的总体设计负责人赵少奎先生来讲。

在地球表面的岩石圈开挖和支护构成隧道(地下)工程,相应的学科是力学和地学交叉的岩石力学,以及工程地质力学。传统做法是把隧道开挖成城门洞形,然后做很厚、很重的衬砌,等着上面的岩石来塌(出示投影仪图片)。现代隧道工程基于“新奥法”进行,“新奥法”是奥地利发明的一种隧道工程新技术,有三大技术支柱:第一个是开挖后迅速地施作喷射混凝土支护;第二个是锚杆支护,就是在岩石中钻孔以后,把钢筋粘接到钻孔中;二者并用就是“锚喷支护”;第三个技术支柱就是在施工中及时进行围岩变形量测。

隧道开挖前的原状岩体是隧道工程的“环境1”。(出示投影仪图片)在这张图上的岩层有节理裂隙,但不完全贯通。这种原状岩体据说在美国很常见,在我国不多,但三峡水电站地下厂房也是这种情况,地质条件好,开挖成洞容易。开挖后形成了隧道空间,这是“环境2”。隧道开挖,10 - 100平方米左右的石头突然没有了,隧道周围的岩体一定会往里变形,但岩体变形总有个边界,其范围在周边一般为隧道直径的三倍到五倍。什么叫围岩?隧道开挖后,应力和变形产生变化的周围的岩体就叫围岩。围岩和支护加起来,就是围岩-支护系统。

按照“新奥法”的概念,不是消极地等待岩石塌下来压着支护,而是把围岩作为隧道的环境、建筑材料和自承结构的主要部分。“新奥法”是一个很聪明的办法,这里有鲜活的系统、控制、信息的思想,是用整体论的观点来观察和处理复杂性问题,由于行之有效,已在世界范围推广应用。有志于从事复杂性研究的同学,值得加以重视。

岩体经历过多次的地质构造运动,基本特点是复杂多变。岩体中有初始地应力,这是一个很特别的现象。其大小和方向没有理论方法可以计算,通常水平方向比较大。如果不进行现场量测,无法了解工程所在区域的地应力场是什么样的。

这张图示出岩石的十种与非线性有关的特性(出示投影仪图片),包括非连续性,不规则块体的尺寸,节理的延伸长度、粗糙度、开合度、倾向、倾角、界面强度,节理中逐点变化的充填物、渗流地下水等。如果在一个地方打一个钻孔,钻孔内的电视扫描只能看见一小部分的特性,是一孔之见,没有代表性,有限的几个钻孔,无法查明有关地层的情况。

岩体通常是三相(固、液、气相)的,非均质的、不连续的、各向异性的、流变性的、非线性的,每一点的几何参数、力学参数都不一样。在人为的施工因素的触发下,这种多因素之间耦合相互作用的精确描述是极其困难的。洞室开挖前,原状岩体千百年没有什么变化,爆破开挖后,几个毫秒的时间内,岩体力学性态急剧变化,围岩中有的地方会产生新的裂缝,有的地方原有的裂缝可能闭合,这时地下水也会跟着发生变化,原来有充填物的地方可能没有了,有的地方会形成新的充填。地下水又会随之发生变化。每条节理裂隙的开合度、充填物情况,各个点都是不同的,这导致地应力的传播方向逐点变化,更是无法逐点查明的(出示投影仪图片)。所有这些大量的复杂因素多层次的相互作用,都是不能用还原论方法精确描述和预测的。(www.bdjt.com)

采集岩石样本到实验室做力学试验,由于脱离了原状岩体相互间的作用,试验结果与原状岩体中的实际状况往往相差很远,甚至有数量级的差异,而且不可能把每一点的岩石都拿回去做实验,实际上隧道周围三倍到五倍直径范围内的岩体你根本看不到,但它们都要对应力、变形产生影响。(出示投影仪图片)这是南岭隧道的一个开挖断面,有8种岩石,岩层褶皱的倾角逐点变化,甚至翻转180度,每一点力学性状都不同,在软弱围岩只有典型性。但是,隧道中每一个断面的地质条件都是变化着的(出示投影仪图片)。显然,逐个断面、逐点进行精确的描述、测定和定量分析,是根本做不到的。软弱围岩搞不好是会塌方、死人的。因此,软弱围岩稳定性的分析预测,是地下工程的一大难点,是岩石力学、工程地质力学研究的一个重点。

岩石(体)复杂性的认识,可以从一些主流科学家的论述中得到支持。如新奥法创始人之一、国际岩石力学学会首任主席米勒认为,岩体是所有技术学科中最复杂、最难理解的材料;中国岩石力学与工程学会的创始人陈宗基明确指出:岩石是一种十分复杂的地球介质,无论怎么进行研究也不可能把所有的问题都搞清楚。

二、三十年来,岩石力学界对围岩稳定性的分析预测往往与实际情况相差很远。这里介绍一个《小浪底水利枢纽工程地下厂房支护设计报告》中的实例:该厂房跨度26.20米,高度61.44米。设计阶段清华大学的分析结果认为,地下厂房开挖后,围岩大部处于弹性状态;可是河海大学的分析结果认为,围岩大部分处于塑性状态。两种分析结果截然相反,而且都不符实际。这种情况在国际上也很常见。按照西方近、现代科学公认的基本规范,在一个公理化系统中不能推出自相矛盾的结论。而工程实践反复证明,岩石力学不能满足无矛盾性的条件。显然,岩石力学面临着一种危机。钱学森先生提出:凡是不能用还原论方法,而要用新的科学方法来解决的问题都是复杂性问题。几十年来世界各国地下工程围岩稳定性分析预测的实践证明,它属于复杂性问题是没有疑义的。复杂性工程技术问题是一个客观存在的事实。

可是岩体中的地下工程还是要做啊,而且在中国,西部大开发,工程规模越来越大,地质条件越来越复杂。既然理论分析结果没有准头,就只能依靠工程师的实践经验,综合多种方法互参互校,以经验判断为主作出决策;但这又难免有因人而异的缺点。现在美国、日本等国家的技术规范、指南中,地下工程设计都是以工程类比法的经验方法作为首要方法,理论方法放在末位。请大家想想,这是不是现代科学面临危机的一种突出表现?(www.bdjt.com)

今天用毛泽东思想指导进行反思,岩石力学作为一个学科,主要矛盾是研究对象(岩体)和工具(力学)的矛盾。工程岩体极其复杂,而力学分析是一种还原论方法。试图单纯(或主要)应用还原论方法解决复杂性问题,这就是岩石力学内在的主要矛盾,也是危机产生的根本原因。

由于岩体与力学的内在矛盾,岩石力学理论与地下工程实践,特别是在中国,矛盾特别尖锐。这就成为现代科学的一个薄弱环节。另一方面,以《岩石力学与工程学报》为代表的中国岩石力学界主流科学家,当时坚持了理论联系实际的方针。这些都是在中国有可能较早地产生一个突破的客观条件。(www.bdjt.com)

下面讲一讲我是怎样提出典型信息法假说的,与我的初期的实践探索(1981-1991)。中国的近代科学技术是从西方传入的。在我的第一个研究课题——在隧道设计阶段,围岩-支护系统稳定性分析预测研究中,我所用的科学技术条件,也都是从西方学来的,不过有的在中国有所发展而已。但是,这项研究的指导思想是中国的。

在这项研究中,认识与解决复杂性问题的思路方法从何而来?1981年,我虽然初步学习了一点系统科学知识,但还是很零星的。但是自从抗美援朝战争以来,我头脑中一直有个明确的指导思想,就是毛泽东思想,具体来说是毛泽东军事思想和哲学思想。不仅是进行此项研究,此前在我的学习和工作,用毛泽东思想指导是比较自觉的。但在文革中,除了小组会人人轮流说一遍以外,各级“讲用会”我从来没有讲过,因为有自夸的味道。现在,马克思主义、毛泽东思想似乎不大时兴了,我感觉可以如实说了。(www.bdjt.com)

首先是“总揽全局”,从而明确了“敌强我弱,相差悬殊”的基本态势。当代西方科学局限于专业化的思维模式,科学技术工作者总是严守自己的专业界限,很少有兴趣考虑专业任务以外的全局性的问题。而毛泽东思想认为:战争胜败的主要和首先的问题,是对于全局关照得好不好。头脑里有了这个指导思想,尽管组织上并没有给我这个研究任务(当时只是自选课题),出于“中国应当对于人类有较大的贡献”的夙愿,我还是通过阅读专著、期刊,特别是充分利用参加学术会议的机会,对国内外本专业内外的相关的现状,默默地进行了系统的、周密的调查研究。

调查研究表明,20世纪40年代诞生的系统科学、电子计算机和“新奥法”,发展到80年代初,已经为突破还原论的藩篱、初步解决“岩石力学理论和预测不符的难题”创造了条件。“新奥法”是基于整体思维提出的一种解决工程问题的新方法,首次提量测洞室周边两点间距离的变化,来观察和控制围岩整体变形。隧道开挖后洞室周边的围岩变形,是围岩内各点应变增量在空间域和时间域的积分。同学们刚才看到了地下洞室每一点的应力是不一样的,但是奥地利人提出这样一种办法:开挖后作围岩变形量测,就是量测洞室周边围岩两点间距离的变化,如果变化很小而且很快就停止了,那说明围岩是稳定的;如果一直在变,那可能就有问题。这是岩体力学基本特征的一种外部参量。一个复杂系统可能有很多无法描述的参量,它们可能累积起来相互作用形成个别的整体性的参量,通过这个整体性参量可以观察和控制系统整体的稳定性。这就是系统科学中的序参量。“新奥法”的围岩变形,即两点间距离的变化,就是一个序参量。

如果能在工程现场做岩石力学大试件试验研究的话,大试件内包括多种岩石类型、节理裂隙,以及多种复杂因素的相互作用,得出来的结果和实际情况可能就比较接近。这是岩体力学基本特征的一种内部参量。平时实验室内试验的试件尺寸是50毫米左右,要在现场做一个立方米的试件,这在经济上、时间上往往是不可行的,国内外隧道工程通常都不做。地质、施工条件极其复杂,这就是说敌方极其强大,而我方的科学技术条件,隧道工程的经济条件十分薄弱。总揽全局,敌强我弱,实力相差悬殊。

按照毛泽东军事思想,单纯使用实验加分析的方法,试图解决围岩稳定性分析预测问题,等于是盲目地和强敌打阵地战、消耗战,失败是必然的。对于复杂性研究对象来说,常规的力学试验和数学分析是必要的,但显然不能以此为主导。岩石力学必须在总结新奥法工程实践经验的基础上,与系统科学、计算机技术紧密结合,深入探索,才有可能逐步得出比较全面和深入本质的认识。转弱为强的希望在于另辟蹊径,打到“外线”去,牵着敌人的鼻子走,造成局部的优势,在力量有利于我而不利于敌的情况下,寻机决战。(www.bdjt.com)

“调动一切积极因素,组成抗敌的统一阵线。”既然敌强我弱,首先要正确处理敌我关系,这是科学技术研究的战略思想问题。“新奥法”和当代一切可能利用的西方先进科学技术成果,都是本项研究的科学技术基础。而“新奥法”存在问题的解决,就是本项研究试图解决的重点问题。“新奥法”的局限在于挖一个洞,量测一个。在洞室的设计阶段或开挖以前,情况到底如何是不清楚的。我想要解决的问题,最主要的就是在开挖前也能预测大概的实际情况。因此要调动一切积极因素,充分利用一切有利的科学技术先进成果,有关领域专家的经验,现有的工程现场实测资料和既往的统计资料;在计算机技术的基础上,加以系统综合;正如抗日战争时连开明地主都要联合一样。这就是说,战略思想只能是充分利用一切可能利用的有利条件,实行整体论和还原论结合。

要眼睛向下。不能只是眼睛向外,不看中国的情况和经验。在抗日战争中毛泽东主席反复强调了这个观点。中国的山多、隧道工程多,改革开放以后中国人学习西方的先进经验,恭谨勤劳。有可能在某些方面青出于蓝、后来居上。要从总结中国丰富的工程经验中学到一点东西,在此基础上,独立自主自力更生,而不是一味跟踪国外,跟着西方爬行。

既然敌强我弱,要想实现目标,必须要正确处理统一战线的关系,包括暂时的同盟者;还要因地、因时制宜,实行灵活机动的战略、战术。例如把一部分研究内容纳入他人负责的研究课题,或者是兼职单位的某一研究课题,并力争创造明显的成绩,争取在一段时间内的支持。同时,应该全心全意为地下工程服务,不计条件、不要报酬。工程实践中发现的问题和典型经验,对于本项研究都是非常宝贵的,不是金钱能够买到的。退休以后,继续开展课题研究要靠朋友帮忙,在收入分配和成果署名等方面要处理好。为什么要千方百计采取灵活措施呢?原因就在于敌强我弱,相差太悬殊,必须处理好敌、我、友三方的关系。(www.bdjt.com)

“知其大略,知其要点”的指导原则。传统上岩石力学围岩稳定分析,必须基于精细分析查明力学机理,然后建立理论分析模型,多参数输入,要为用户提供精确的、定量的分析结果。调查研究表明,这些要求完全不切实际。毛泽东思想指出,战争现象是较任何其他现象都更为复杂,更难预测的,战争的特性也很难把握,但不管在什么情况下,知其大略,知其要点是可能的,变劣势为优势,变被动为主动是做得到的。由此得到启发,以复杂系统为对象的研究,只能要求做到知其大略,知其要点,而精确的、完全符合实际的岩石力学分析既不可能,也非必要。

带着如何用系统科学原理加以阐明的问题,学习系统论、控制论等有关论著三年。1988年,我在《岩石力学与工程学报》的“岩石力学发展战略讨论”中,对岩石力学围岩理论分析的三个基本环节——建模、输入、输出,提出三条指导原则:1. 围岩-支护系统稳定分析的机理和参数都不大清楚,应属于复杂系统与“灰箱”。因此,合理的建模原则不是传统的、对应于“白箱”的理论分析,而是经验分析和理论分析结合,即半经验、半理论方法。2. 对于复杂系统的控制原则,不是集中控制而是分层控制,因此合理的输入方法不是集中控制下平等的多参数输入,而是分层的、概略的模式输入与精确的多参数输入相结合。3. 基于复杂系统与精确描述不相容的原理,对于输出结果的合理要求不是传统的可供精确定量的,而是定性符合实际,可供半定量使用。这三条指导原则,是系统科学原理与地下工程实践的有机结合,十余年来国内外尚未见有人提出异议,已纳入有的院校的研究生教材。(www.bdjt.com)

复杂性研究中,在系统整体的层次上,以典型 – 一般方法取代样本 – 整体方法的思想基础,就是毛泽东主席的观点:“伤其十指,不如断其一指”。在得出“知其大略,知其要点”的指导原则之后,一切可能利用的理论方法、专家经验和量测信息方法,以及当时能够见到的国内外先进的岩石力学数值分析程序,我都热切地学习过,亲身试用过,实践证明都不能解决问题。在“山穷水尽疑无路”之余,逐渐明确了,原来隧道围岩稳定分析预测可信度低的主要矛盾,在于隧道工程地质条件以及相应的施工条件的复杂性;而主要矛盾的主要方面,即解决问题的关键在于,能否对分析预测对象的隧道工程围岩 – 支护系统的地质、力学性态,从整体上做出概略的、可信的定量描述。按照现代科学技术的常规方法,要么逐个工程进行原位测试,要么有大量的工程实测资料作数理统计,但是,二者都没有现实可能性。这就明确告诉我,不能不下决心打破常规,另辟蹊径。

国内外岩石力学界从20世纪80年代就有一些学者研制人工智能专家系统,建立知识库。如果有一百个地下工程资料就列出一百个,如果有一千个地下工程资料就列出一千个,根据待分析工程的条件逐个进行匹配。继化学、军事、中医等领域的专家系统问世之后,国内外岩石力学界也搞了一些专家系统,但是实际应用很少,实效不佳。由于地下工程地质条件极其复杂,而经济、技术、时间条件有限,只有极个别的重点工程可能具有进行比较系统、全面的原位测试的条件;绝大多数隧道工程对于原位测试资料来说,要么一点没有,要么只有一星半点。用毛泽东思想观察,这样的专家系统“知识库”,实际上是把极其珍贵的“断其一指”的典型信息,淹没在“伤其十指”的一般工程信息的汪洋大海之中。本人孤陋寡闻,至今,我没有见到过有人用专家系统解决一个软弱围岩隧道工程设计、施工问题;也没有见到过有一位医生用专家系统“望、闻、问、切”给人看病。

20世纪70-80年代,中国曾经在地下工程建设中大规模推广“新奥法”,提高了工程的安全性和经济性。我们的20号工程地质条件非常差。在当时特殊的历史条件下,我院委托中国科学院地质所在工程现场针对9种工程地质类型,做了16组试件从200毫米到1米见方,一共63个大试件原位测试;我们埋设了68个围岩变形量测断面,测线134条,住在施工现场亲身从事监测,曾多次预报险情,及时处理,化险为夷。这些都是国内外罕见的。

毛泽东主席历来倡导典型方法。我作基层工作时,也有多次应用典型方法的体验。为了另辟蹊径,我试图把典型方法从社会科学移植到自然科学工程技术领域,把20号工程的原位测试资料作为典型信息源。由于20号工程可以看作力学分析三要素基本搞清的、“断其一指”的、在软弱围岩中代表性良好的典型工程,由于20号工程的地质条件,在国内外围岩分类中属于最差的Ⅴ类围岩中的极软岩,而且偏于下限,因此,适用于20号工程的围岩-支护系统的分析方法和程序,也应该适用与同一围岩类别的其他工程,而且更加安全。这是一个经验性假说。我们研制的计算机分析程序称为BMP程序,BMP是“边界元、锚杆、喷射混凝土”三个词汉语拼音的第一个字母。这是一种选择典型个体信息作为关键性定量描述的基准,用典型信息对理论分析模型做反馈、修正,用以进行模拟的分析方法。从重要性来看,典型信息的权值应该大于所有其他一般工程信息的权值之和,起码要在0.6以上。我取典型信息的权值是0.8-0.9,其他信息之和的权值只有0.1-0.2。具体是多少,在不同的具体条件下可能有所不同。典型信息的作用是最重要的,其他一般信息的作用是次要的,但也是必要、不可缺少的。这就叫典型信息法假说,与数理样本统计方法有根本区别,也与常规的人工智能专家系统方法有根本区别。充分利用中国特有的典型性信息资源,人工地造成局部优势,这正是在敌强我弱的条件下,打到“外线”去,克敌制胜的希望所在。(www.bdjt.com)

对于此项研究,我的整体目标是:多、快、好、省。“多”是成果能用于绝大多数隧道工程;“快”是比常规工程技术方法提高效率1到2个数量级;“好”是简便好用,分析预测比较接近实际,可信度高;“省”是使用成本比常规方法降低1到2个数量级。其中“好”的综合性定量指标,取隧道围岩变形分析值u与原位实测值U的接近程度(用比值u / U表示),同时,取一个经验性的可信度。这种对不确定性的表示方法,类似于一种置信概率区间。对于同一工程断面的大量比值u / U的统计均值,要求接近于1.0(地下工程通常取0.8 – 1.2);对于每一个比值u / U,“好”的指标应取多少?。对于这种不确定性问题,参考《美国空军防护结构设计手册》的作法:对确定性数学分析公式的计算结果,乘以(并除以)经试验统计得出的某一经验性的不确定度(如±2.0倍、±5.0倍等),即给出一个范围值。本项研究对于单个比值u / U的指标,研制期间曾取±5.0倍;同时取经验性可信度取0.6。后来,经过大量工程验证,对于单个比值u / U的指标取±3.0倍(大体相当置信区间);同时对于隧道工程,取经验性可信度0.8 – 0.9,对于大型地下洞室群,取经验性可信度0.7(大体相当置信概率)。

“多、快、好、省”的整体目标,毛泽东思想的痕迹也很明显。外国人做不到的,中国人为什么一定做不到?这才是毛泽东思想的真精神。我是个普通的工程师,提出这个目标看似狂妄,当时只能先做后说;直到今天,在这一方面,中国人仍然领先国外。由于我的做法与主流科学界不同,在国内发表论文曾经阻力重重。实践告诉我,只能采取迂回包围的战术:只要多、快、好、省得到了工程界的承认,学术界最终也不得不承认。而且,每次较大成果的国内承认,几乎都是在国外承认之后,这实在令人感到悲哀。(www.bdjt.com)

典型类比分析法的概念是什么?典型类比分析法是从整体上抓住复杂性系统问题的主要矛盾及其主要方面,对复杂多变的工程地质条件和施工条件,以“知其大略、知其要点”为指导原则,作出概略的、可信的定量描述;在系统整体分析中用典型信息方法取代样本 - 总体方法;用典型个体(系统)的典型信息,对尚未完善的理论模型(不是对输入参数)进行反馈和综合性修正,提出一种假说和新型的半经验、半理论模型;充分利用一切可能利用的理论、经验和信息资料,典型、类比、分析三种科学方法相结合,在计算机技术基础上综合集成,形成人-机结合、以人为主的智能化系统。并且在科学分类的基础上,用原位测试资料中的典型信息作为类比的基准;应用于同类的一般个体(系统)的分析预测;其经验性的可信度,由大量的演绎证明结果统计得出。典型类比分析法是典型信息法的一种常见的应用形式。(www.bdjt.com)

下面介绍一个工程应用的演绎证明实例,1991年9月,当时世界上最大的水电站导流隧洞——二滩水电站导流隧洞正式开工,德国承包商根据他们的岩石力学分析结果提出:如果按照设计图施工,软弱围岩区段必然不稳定,建议大量增设预应力锚索。在承包商发过来的“传送单”中有四个答案让二滩开发公司选择:同意、修改后同意、修改再提交、不同意。本来他们可能想选修改后同意,在下面画了一个问号。但是,水电部成都勘测设计研究院童建文先生用第一代的BMP软件计算后,发现如果把承包商选定的参数输入BMP程序,得到的结果和承包商报告的结果相近;但如果按照该院20年来在二滩现场进行原位测试认为比较可信的岩体力学参数输入BMP程序,计算结果支持原设计。在李沃钊、楼叔英先生的支持下,成都勘测设计研究院和二滩水电公司达成一致意见,在“不同意”上划了个勾,把传送单打回去了。原来以为承包商收到这个答复后会跳起来,但一点动静没有。为什么呢?因为他们的分析计算也没有多大准头。其实,当前国内外岩石力学分析预测的水平大体如此,只有典型类比分析法略胜一筹。二滩水电站导流隧洞在1993年完工,事实证明承包商所预测的“不稳定”情况没有出现,导流隧洞至今通水正常。1992年设计单位对我说,如果按照承包商的要求增设锚索的话,估计还要追加2000多万人民币的投资。

十余年来,典型类比分析法BMP程序系统的使用单位和成功的应用实例,均已数以百计。用户多、应用效果好,在1992年第7届全国人工智能学术讨论会上,引起与会专家的关注;1996年在第8届全国人工智能学术讨论会论文集,发表我的论文“典型类比分析法——数据匮乏的人工智能方法”。1995年、1999年总参兵种部两次组织技术鉴定认为:两项研究成果总体上均达到国际先进水平,在指导思想和五个特点方面居于国际领先地位;先后被评为军队级科技进步一、二等奖各一次。1998年经总参谋部、总后勤部批准,典型类比分析法列入一项国家军用使用标准,在全军施行。(www.bdjt.com)

我想应该补充说明:为什么“在隧道设计阶段,围岩稳定性分析预测研究”这一难题的初步解决,产生于中国人民解放军的一个设计研究单位?我想大概有这样一些原因:1. 兵贵神速,军事工程历来要求快,只要八、九不离十,必要时可以粗一点。这在客观上符合了复杂系统研究的特性;2. 在国内我院从事防护工程设计最久,同时进行科研、论证;专家多,综合素质较高,有重视工程实践的传统,不存在学科、学派的局限;3. 我院设计并负责20号工程的设计和施工监测;4. 当时我院有一个综合性重点研究课题,为地质与力学结合,为理论、经验、量测的结合提供了有利条件。本课题主要用于保障我军坑道工程建设的快速反应,同时可以满足地方有关部门隧道工程的方案比较和抢修、抢建的需要,有效应用范围有限,只是初步解决问题。岩石力学还有大量的难题需要继续研究和解决。以一次战争作类比,“隧道围岩稳定性分析预测可信度低”难题的初步解决,只是一个小小的前哨战。前哨战有其重要性,可以看出一些问题,但尚远非战争的彻底胜利。科学转型历史过程中的一次小小的前哨战,这就是目前我对本项研究意义的认识。(www.bdjt.com)

自然科学史表明,在西方的近代、现代科学当中,不同形式的典型信息法在基础理论研究中是很常见的,只是此前似乎还没有从科学方法论的高度,加以概括总结而已。

在天文学上,典型信息法曾有效应用于恒星内部结构演化问题的研究。北大天文学系罗先汉先生指出,恒星内部结构演化是现代天文学的前沿研究之一,是一个开放的复杂巨系统问题。由于除了太阳以外其他恒星都非常遥远,只能作为点光源看待,很难取得丰富的观测资料,太阳是距离地球最近的恒星,在对恒星内部结构演化问题进行研究的过程中,理所当然地把太阳作为典型。分析结果表明太阳内部大致分为核反应区、辐射区和对流区。太阳结构模型经过可观测量的检验,通过反复调整有关内部参量后,导出的光度和表面温度与实测值相比,误差在千分之一以下。这就是研究与太阳同类恒星的类太阳模型。用类太阳模型,通过改变核心区参量,可依次导出红巨星、白矮星、中子星的有关模型。20世纪60年代发现的脉冲星,就是对这种科学研究方法和预言的生动检验。

在地质学研究中典型信息方法常见。例如,地质历史研究中的相对地质年表,就是用地层中的化石做典型信息进行对比拟定的。20世纪中叶起,用放射性年龄测定法进行的绝对地质年龄的测定,证明了相对地质年表的科学性。

在生物学研究中选择典型材料是一个传统。孟德尔选取豌豆为典型,设计了植物杂交试验的严密程序,创立了遗传学理论。摩尔根沿着孟德尔开创的实验生物学的研究途径,选择果蝇作为研究材料,果蝇的典型性突出,生活周期短,只有10 - 14天,更重要的是每个细胞的染色体只有4对,定量分析比较容易。通过以果蝇为典型信息进行的研究,摩尔根建立了遗传基因理论。

最近的一个实例是程序性细胞死亡奥秘的探索,2002年获得诺贝尔生理学和医学奖的悉尼.布雷内为了探索“程序性细胞死亡”的奥秘,早在20世纪60年代就正确地选择了线虫作为自己的研究对象。线虫长仅一毫米,细胞数量少、功能也不复杂,而且身体透明,便于用显微镜观察。他的这一选择使得基因分析能够和细胞分裂、分化以及器官的发育联系起来。这是现代生物学研究中传统的选择典型研究对象的方法的新进展。(www.bdjt.com)

在信息网络时代研究复杂性问题,还要不要亲身实践?复杂性事物的不可还原性,决定了单纯的逻辑思维和间接经验已经无能为力。正如毛泽东主席所说,只有在亲身参加实践斗争的过程中,才能暴露事物的本质而理解它们。如果否认实践和直接经验,复杂性研究势将无从深入。所以我认为在对复杂性问题进行研究的过程中,研究者的心理因素和主观能动作用是不可或缺的。北大冯国瑞先生指出,社会实践主体、手段和工具、客观世界,三者构成一种复杂性、动态的网络系统。在这重要方面还需要进一步学习、思考。

典型信息法是形象思维与逻辑思维相结合,从感性到理性的认识过程。在这里,“去粗取精”表现是:在信息不完全、不确定的系统群体之中,发现出在给定方面信息相对完全、确定的典型个体的过程;“去伪存真”表现是:从群体信息不一致(有错觉的表面现象)之中,发现出典型个体在给定方面相对一致的典型信息的过程;“由此及彼”表现是:掌握了典型个体的典型信息,即可集中反映尚处于模糊状态的、此类群体的本质特征;“由表及里” 表现是:发现某一个体具备典型形象的条件,也就是对同类事物相似的形象特征作出概括,属于形象思维的高级阶段;同时也表明:掌握了典型信息,就有了用以拟合适当的理论分析模型(与逻辑思维结合)的条件,即可由此深入认识与反映同类系统在给定方面的全体、本质和内部联系。(www.bdjt.com)

例如我在20号工程的实践中,为了解决如何对绝大多数隧道工程的地质条件从整体上作出定量描述的难题,经过反复探索,在山穷水尽疑无路的情况下,突然涌现生20号工程的地质条件是一种“典型地质条件”的意象。这种意象不能从逻辑分析的角度推导出来,是一种形象思维与逻辑思维的结合的创造性思维,只能通过实践去体验、感悟。

正如钱学森指出的:“创造性的思维,在开始时是模糊的,到处搜索,但在思维的网络中,总有一点突然变得清晰了,模糊的概率分布突然变得很集中了,这就是创造,就是智慧,就是智能”。他又指出:“从事物整体关系的‘形象’上抓事物的机理,这是科学研究中创新的老道理”。典型信息法的认识过程,从一个侧面对此作了具体而微的说明。(www.bdjt.com)

计算机能不能“感受”人的形象思维?目前没有见到有人说是可能的。但是,典型信息法似乎是一个例外。1996年1月12日《国际岩石力学与矿业科学学报》主编、国际岩石力学学会主席Dr. J. A. Hudson来华,在交谈中,我说,二滩水电站导流隧洞施工中设计复核,我不在现场,设计单位的工程师应用BMP程序进行分析预测,就起到了有经验的专家在现场咨询的作用(1994年12月我曾在该刊发表一文,二滩导流隧洞是该文三个工程实例之一)。Hudson先生说:“这个我就不大好想象了”,希望我再写一篇论文,让该刊的读者都能理解。此文经Hudson先生作英文编辑,并将“典型类比分析法”改译为“Precedent Type Analysis”,1998年9月发表,说明西方同行已经明白了:“为什么应用一个软件,可以起到专家咨询的作用”。 实践表明:只要能够通过序参量(以及基本特征内部参量)对系统的行为作出概略的定量描述,典型信息法就是让计算机“感受”与模拟人的形象思维的、一种可操作的、可重复验证的、比较有效的形式。(www.bdjt.com)

典型信息法实质是一种经验性假说,是一种或然性推理。典型信息总是特定条件下的产物,既有特定的代表性,又必有局限性;再者,任何复杂系统都是一个动态发展过程,而典型信息法,或者是特定时刻的产物(如典型类比分析法),或者是特定阶段的产物(如变形速率比值判据),在应用中必须谨慎从事,如果误认为是确定性真理,一成不变地盲目套用,必然会失败。

笔者从事典型信息法研究20年,时常如临深渊,如履薄冰;深感由于对象复杂多变,演绎证明必须坚持以下原则:1. 阶段性——由浅入深多次反复进行,大体有三个阶段:① 既往工程实测资料验证(其可信度由比值u / U的统计得出),② 重点工程试用验证,③ 用户广泛的工程应用验证(其可信度取用户满意度,由调查统计得出); 2. 彻底性——为了经得起时间和历史的检验,必须“放手发动群众”,例如,用象征性收费或馈赠的方式,把程序和方法交给隧道工程界广大工程技术人员,由他们自主地应用和验证;3. 随时准备修正错误——在工程应用验证中,可能发现典型性的工程实例,也必然会发现前所未料的失误或问题。对于后者必须公开承认,随时准备修正错误,并在用户监督帮助下逐步加以解决。复杂性不可穷尽,随时准备面对层出不穷的新的问题,这是复杂性研究中应有之义。(www.bdjt.com)

复杂性工程技术问题研究中的典型信息法,是社会科学中典型调查的类比应用,二者的共性:

1. 它们研究的(系统)总体的同质性都比较大,从中挑选有代表性的对象进行调查,是用以了解总体特征和本质的方法;

2. 要求收集大量的一手资料,做系统的、周密的调查研究,搞清楚各方面的具体情况,从中得出具有指导意义的方法;

3. 研究者要有比较丰富的经验,在划分类别、选择典型上有较大的把握,人的因素起重要作用。

总结初步的实践经验,复杂性工程技术问题研究中的典型信息法,由于必须符合自然科学研究中的基本规范,在科学方法论方面有以下明显的特点:

1. 典型信息法应用于复杂性工程技术问题研究的前提条件,是科学分类和因果类比;

2. 该系统存在序参量(基本特征外部参量,以及内部参量);

3. 现代科学已经为该序参量的定量观测,提供了成熟的技术;

4. 典型信息法中典型个体实测的基本特征外部、内部参量,在同类个体中的代表性,不仅由研究者决定,而且必须得到同行公认;

5. 进行分析预测的有效形式是半经验半理论的数学模型,它的分析结果具有专家咨询意见的优势,而且充分发挥理论分析的长处;

6. 典型信息可能有多种不同的具体形式。典型信息法的研究从整体感受入手,通过调查研究发现典型材料,用典型信息反馈、修正尚不完善的理论分析数学模型,是整体论与还原论结合的一种可操作的形式;

7. 典型信息法是一种假说,必须通过大量演绎证明,统计得出经验性的可信度;

8. 典型信息法是一种不确定性推理,大量演绎证明能够减少不确定性,但不能消除。(www.bdjt.com)

典型信息法与中国传统文化是有联系的。《周易》的“取象比类,运数比类”是中国古代认识与解决复杂性问题的一种基本方法。北大陈传康先生指出:象数法与归纳法、演绎法并列,是适用于所有研究的科学方法。

典型、类比、分析三种方法的有机结合,与中国传统思维方式的取象比类、运数比类,有着渊源关系。“取象”与“典型”都从整体观察出发,为了对复杂事物的发展趋势(吉、凶,或稳定、失稳)做出概略的预测,运用形象思维,选取最具有典型意义的事物作为类推的基准,进行预测;“比类”与“类比”相近,都着眼于事物的相关性;“运数”与“分析”都应用当时先进而有效的数学工具,在典型事物与当前对象之间,根据某种区间范围对应关系的“不变量”,进行对应变换分析。

由此不难看出,在当代复杂性工程技术问题的研究中,典型信息法之中有着明显的《周易》的思想痕迹。我认为当代中国青年们的最佳选择应该是珍视与借鉴,而不是拒绝中国传统文化为今天的科学研究服务,当然不要牵强附会地去比附。在充分掌握当代一切可能应用的西方科学技术的有关精华的基础上,有没有中国传统文化的思想启发和借鉴,是大不相同的,这里可能有高低之分,快慢之分,在一定条件下甚至可能有成败之分。

典型信息法虽然只是初步解决了当代岩石力学危机中的个别课题,这已是国内外公认的一个事实,同时也是中西文化有所融合的点滴产物。中国改革开放以后,随着西方文化转型、科学转型思潮的兴起,开展了天文、地理(地质)、生物、人体(人文)相结合的研究,以及中西文化比较研究、在保持全球文化多样性的情况下实现整合的研究等。各方面成果虽然只是初步的,但也十分丰富多彩。实践表明:当代西方文化中心主义,向多种文化融合转型的过程中,中国传统文化并不是“像一切已经或正在死亡的文化传统一样“,“起一些牵制和参考作用”;也不是“中国人文”一枝独秀,而是多种文化融合“拯救现代科学”。小草已经开始转青了,春天就要来到了。

典型信息法能够取得出人意料的一些实效,自觉地用毛泽东思想来指导研究工作,是一个决定性的因素。大家知道,青年毛泽东在湖南第四、第一师范读书五年半,是杨昌济先生最得意的门生。杨昌济先生留学英国和日本九年,他主张在研究中国国情的基础上融合中西文化。他在湖南第一师范讲授论理学,采用德国的《伦理学原理》作教材,经常宣扬福泽谕吉以教育为天职、宣传西方文明的思想;但是,杨先生“所讲不限西洋之伦理学说,中国先儒如孔、孟、周、程、张、朱、陆、王及王船山之学说,亦间取之”。 青年毛泽东所接受的主要是杨昌济先生的熏陶。如果说,毛泽东思想是中国优秀传统文化与西方优秀文化(马克思主义)融合的产物,并且在中国革命实践中有重大发展。这样从历史、发展、全面的观点看毛泽东思想,可能是比较接近实际的。(www.bdjt.com)

点评:李晓宁(国际信息研究所副所长)

今天坚持下来的同学很好,听懂没听懂是另一回事,但愿意去接受一种东西,肯去琢磨它的这种精神,很难得也是非常必要的。李老师今天讲的东西是非常有意义的,意义在什么地方呢?当初我们国家领导人重视研究上天的东西:卫星、火箭等等,最好、最优秀的人才都调到航天部门工作。在60年代中国发生了一次大的地震,死了不少人。国家对下地的事也开始关注。但是上天的事,特别是出了大气层到达外太空以后,随机变量很小,很好算。地下问题就复杂得多了。你看哥伦比亚飞机,在上空的时候好好的,但一进大气层只要有一点事情发生就麻烦了。举个简单的例子来说:气象问题。现在预测今天、明天甚至一周内会不会下雨都没问题,但是你要测明年的某一天会不会下雨那就不可能了,因为有太多太多的变量,所以长期预报根本没法做。但是如果换去搞地学,连当天的情况我看都很难算出来。

李老师提出了典型信息法,为什么会在他这里出现?这是有条件的。以代数为例,大家都知道代数很重要,但代数既不是欧洲人发明,也不是中国人发明,而是突厥人、乌兹别克人发明的。代数为什么会从他们那里产生?原因在于条件的逼迫,在欧洲、中国很少欠债,就算有欠债也比较简单。但是从事商业民族的债务要复杂得多,相互交错,因此需要计算,需要等式之间的移项,对X进行假设,这是逼迫出来的。因此,虽然中国在各行业都出现了复杂性问题,但很多都避过去了,李世?老师这里提出了典型信息法来作为对策,因为在地学里头,复杂性问题没有处理好的话,就会塌方,就会死人,在这种逼迫下,出了典型信息法。这继承了我们中国人的思维,西方人的逻辑思维已经走到头了。

李老师讲的时候提到了一个非常重要的问题就是重视多维度的“元”,寻找典型信息,理解典型意义,非常具有哲学意义。我们一直在做的一个事情是希望大家首先把西方哲学、西方科学、西方方法论的来源搞清楚,完了再把中国的“元”搞清楚。李老师的研究充分考虑了这两个“元”的因素。特别是他讲的毛泽东军事思想和毛泽东哲学思想。比如说前不久广州流行的非典型性肺炎,对它的情况目前仍没有具体的了解,只知道它是一种副粘液病毒的变体,在它之前没有这种变体的任何典型,所以不好处理。人在实践中间必须要有直觉和典型,这对人的生活来说是很有意义的。(www.bdjt.com)

提问与答问:

问题:李老师您好!您刚才讲的复杂性问题和还原论我不是很懂,您能不能解释一下它们的具体含义?为什么复杂性系统和精确描述不相容?还有,您在演讲中特别强调了毛泽东军事思想,我想知道您在研究过程中是否以毛泽东理论为指导?

答:首先说毛泽东军事思想问题。我讲的都是当时真实的思想,不是后来才加进去的。我如果到清华去讲创造性思维,可能和毛泽东思想联系得更紧密。其实我的思想和司马迁是相通的,当然我没有受他那么大的侮辱。我们这一代人,甚至包括北大的季羡林老先生,我们的心都有相通之处。建国初期,我们为什么会有这么大的热情投入到各项工作、研究中去 ,一心跟着共产党走,因为那个时候相信它是真理。当时从旧社会过来的知识分子有一种负疚感,要争取改造,这是那个时候知识分子的一种真实思想。

在抗美援朝战争时期,我在敌机轰炸扫射下当了两年多汽车兵,对战争有一点体会。入朝前西南军区一位宣传部长给我们作报告,他说根据毛泽东思想和抗日战争的经验,抗美援朝战争有三个特点:长期的、艰苦(残酷)的、最后一定胜利的。1951年第五次战役中,有人说要把美国人赶下海了。那时我就知道速胜是不可能的。实践证明毛泽东思想指出的道路是正确的。抗美援朝武器装备相差那么悬殊,从鸭绿江打到三八线,和美国人打了个平手。正如毛泽东指出的:“中国人民有志气,有能力,一定要在不远的将来,赶上和超过世界先进水平。”后来到军事工程学院学习,我也是这个指导思想。所以当在政治运动中被搞得人不是人,鬼不是鬼,是非颠倒、没处讲理的情况下,我还是满腔悲愤,服从组织分配,埋下头来到最苦、最累、最危险的地方去搞坑道施工围岩变形量测,去搞别人不愿搞、人称“无底洞”,出不了成果的岩石力学数值分析。大概这就是置之死地而后生吧。坑道开挖时一起爆,我和课题组组长邢念信先生马上就跑到开挖工作面,爆破时候会产生大量的石粉,量测仪器上黑色的钢卷尺一拉开,马上就变白了,我们戴一个薄薄的口罩根本不顶事。但那个时候我就是有一种信念,隐忍苟活也罢,要为人类、为国家做点贡献,我不能白活。这是我当时真实的思想。

所谓还原论,就像钟表一样,能够拆开,拆开后还能重新装上。大家想想如果把人脑拆开了,还能不能重新装上。像这些还原论解决不了的问题就是复杂性问题。真正的复杂性问题和精确描述是不相容的,如果你能把脑子里的每一点都做个精确描述,那显然是能还原的,就不是复杂性问题了。而且复杂性问题随时都在变化,就像洞室开挖以后,每一个时刻都不一样。我今天本来还准备介绍一个问题——在隧道施工中,如何定量地判断围岩的稳定性,这也是我用典型信息法初步解决的国内外难题,但没有时间讲了。在中国工程科学学报2002年第6期,我有一篇文章阐述这个问题。现在我简略地说一下。1992年我提出典型信息法在隧道施工中的另一种应用形式——围岩变形速率比值判据,有些工程应用了,有些人不信。1999年有一个工程(广东西部沿海高速公路猫山隧道),施工单位在前两个断面用了,及时预报,避免了塌方。到了第三个预报险情的断面,设计单位、监理单位和业主三方出来说,施工单位不能再用了。前两个断面本来设计没问题,但你要用什么判据,原来只用5000元就能做好的断面,你花了8000元、10000元。以后的断面再不能浪费了,不准再用了。结果,这个断面发生了大塌方,塌下来720方的石头,花了两个多月清除,耗费100多万。这才从正反两个方面对典型信息法又作了一次严格的演绎证明。典型信息法是不能只用逻辑推理推出来的。逻辑推理非常重要,我采用的岩石力学分析程序和“变形速率比值”的比较都是逻辑推理。但是除此以外,还必须用中国的一些东西,比如说《周易》中的象,即典型信息。所以我认为当代的文化趋势是中西文化融合。以复杂系统为对象的某一些科学研究,如果典型信息法也是一种可用的选择,效果可能会更好一点。(www.bdjt.com)

问题:李老师您好,我听了您讲座很受启发,您用毛泽东思想做指导,取得了很大的成绩。我觉得从另一个层面来讲,这也是辩证法的体现,因为辩证法强调的就是一种整体的思维。我在听您的讲座过程中有三个问题不太清楚,一个是您说的典型信息分析法和样本分析法不同,二是经验分析和理论分析相结合的好处,三是您在前面提到典型类比法,后来说典型信息法,这二者是不是同一个意思,如果不是它们有什么差别?

答:我倒着说吧,我记性不太好。典型信息法在1991年最初提出时叫典型类比分析法,后来我又初步解决了几个复杂性系统的难题,因为应用典型信息的具体形式不同,搞得多了才概括为典型信息法,也就是说典型信息法包括了典型类比分析法。

理论分析和经验分析是由研究对象决定的,如果研究的对象是个“白箱”,机理清楚,参数清楚,纯理论分析可以解决。如果你对对象一无所知,机理不知道,参数也不知道,那就只能用经验分析方法,试试再看。在地下工程中,知道一部分地质条件和力学原理,但是大部分东西却是未知的,所以是“灰箱”。“白箱”对应理论分析,“黑箱“对应经验分析,那么“灰箱”对应的就是理论分析和经验分析的结合了,至于两种方法分别占多大的比例,那就要看实际情况了。

所谓样本 - 总体方法,学过概率论的同学应该知道,总体和样本中要么每个个体都是一样的,要么只是随机变化的。但很多情况下,样本内的个体除了随机变量,还有某种质的差别,例如,人和人是不完全一样的。地下工程围岩中质的差别是普遍存在的。但岩石力学界还用样本 - 总体方法;又如专家系统,有些专家收集了100个工程的样本,把它们放到知识库中,给每个个体相差不很大的权重,这样的分析结果科学性并不充分。所以我一直主张对复杂系统用典型信息法,就是收集尽可能多的实测资料,但是赋予其中的典型个体的典型信息以不小于0.6的权重。在我的研究中取的是0.8-0.9。这样就既考虑了其他样本的情况,又根据典型信息做出比较科学合理的分析预测。典型的确定,必须通过亲身实践,或者是亲身做调查研究,绝不是从书本上来的。在实践中接触得多了,会逐渐产生一种感受、体验、信念和直觉:这种事物的概略定量描述,确实能够代表同类的其他事物。(www.bdjt.com)

(根据录音对照讲稿整理,“科学转型”部分有增补)

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