國家自然科學(xué)基金進展報告

1、國家自然科學(xué)基金資助項目進展報告項目批準號70771059申請代碼G0110歸口管理部門收件日期國家自然科學(xué)基金資助項目進展報告資助類別：面上項目亞類說明：附注說明：項目名稱：使用代數(shù)化元語言構(gòu)建跨領(lǐng)域的工程決策支持系統(tǒng)負 責(zé) 人：顧學(xué)雍電話子郵件 ：依托單位：清華大學(xué)聯(lián) 系 人：宿芬電話助金額：20.0000(萬元)累計撥款：12.0000(萬元)執(zhí)行年限：2008.01-2010.12 116695 0填表日期：年月日國家自然科學(xué)基金委員會制（2004年11月）第 12 頁關(guān)于填報國家自然科學(xué)基金資助項

2、目進展報告的說明2004PF一. 項目負責(zé)人每年須填報國家自然科學(xué)基金資助項目進展報告（簡稱進展報告），以此作為自然科學(xué)基金資助項目跟蹤、管理的主要依據(jù)。二. 項目負責(zé)人應(yīng)認真閱讀自然科學(xué)基金項目管理和財務(wù)管理有關(guān)規(guī)定、辦法（查閱）, 在年度工作的基礎(chǔ)上，實事求是地撰寫進展報告。三. 項目依托單位認真審核, 于每年1月15日前將本單位受資助項目的進展報告統(tǒng)一報送國家自然科學(xué)基金委員會歸口管理部門。四. 進展報告由報告正文和附件兩部分組成, 報告正文請參照 “進展報告報告正文撰寫提綱”撰寫，并可根據(jù)需要增設(shè)欄目，要求層次分明, 內(nèi)容準確。項目執(zhí)行過程中的進展或研究成果、計劃調(diào)整情況等，須在報告中

3、如實反映。五. 國家自然科學(xué)基金委員會歸口管理部門負責(zé)審核項目年度進展報告、跟蹤項目進展與研究成果、核準項目負責(zé)人的次年度研究計劃和調(diào)整要求，確定項目繼續(xù)資助的情況。對不按要求填報進展報告，或項目執(zhí)行不力，或內(nèi)容、人員等調(diào)整不當(dāng)而影響項目順利進展的，視其情節(jié)輕重要求負責(zé)人和依托單位及時糾正，或給予緩撥資助經(jīng)費、中止或撤消項目等處理。六. 經(jīng)費執(zhí)行情況報表由重大項目的課題和重點項目填報，重大項目每年度填報隨進展報告一同報送，重點項目在進行中期檢查的年度填報。其他項目無需填報經(jīng)費執(zhí)行情況報表，只需在進展報告中對經(jīng)費使用情況和下一年度經(jīng)費安排做出必要的說明。注：國家自然科學(xué)基金強調(diào)科學(xué)道德和良好的學(xué)

4、風(fēng)，反對弄虛作假和浮躁作風(fēng)，要求工作認真、填報材料實事求是。部分探索性研究內(nèi)容，雖經(jīng)過努力，也可能沒獲得理想結(jié)果或甚至失敗，特別是面上項目。如有這種情況，也請在報告中實事求是地反映出來，說明工作狀況和發(fā)展態(tài)勢，供國家自然科學(xué)基金委員會和專家參考。報告正文撰寫提綱1. 年度計劃要點和調(diào)整情況。簡要說明是否按計劃進行, 哪些研究內(nèi)容根據(jù)國內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r及項目進展情況做了必要的調(diào)整和變動，哪些研究內(nèi)容未按計劃進行，原因何在。2. 研究工作主要進展和階段性成果。(本部分是進展報告的重要部分,請認真撰寫)。請分層次敘述所開展的研究工作、取得的進展或碰到的問題等，給出必要的數(shù)據(jù)、圖表。根據(jù)實際情況提供國

5、內(nèi)外有關(guān)研究動態(tài)的對比分析及必要的參考文獻。本部分亦包括國內(nèi)外合作與學(xué)術(shù)交流、研究生培養(yǎng)情況等。3. 下一年度工作計劃，包括國內(nèi)外合作與交流計劃。如要求對原研究內(nèi)容和主要成員作重要調(diào)整，需明確要求調(diào)整的內(nèi)容，并說明理由、必要性以及對項目實施的影響。（注：為保證基金項目順利進行，研究人員要求穩(wěn)定，一般不作變更。如確需變更，須按基金項目管理辦法規(guī)定的要求提出申請，經(jīng)自然科學(xué)基金委歸口管理部門核準后方可變更。）4. 當(dāng)年經(jīng)費使用情況與下一年度經(jīng)費預(yù)算。給出必要的經(jīng)費使用情況的說明，逐項列出固定資產(chǎn)超過5萬元的設(shè)備的名稱、使用情況等有關(guān)說明。5. 存在的問題、建議及其他需要說明的情況。說明項目執(zhí)行中的

6、問題和建議。對部分探索性強的研究，有可能未獲得理想結(jié)果或甚至失敗，請如實地反映，說明原因、工作狀況、發(fā)展態(tài)勢和建議等，供基金委管理人員或同行專家參考。6. 附件：給出標注基金資助的已發(fā)表和已有錄用通知的論文目錄、其他成果清單和必要的證明材料復(fù)印件等。發(fā)表論文按常規(guī)文獻引用方式列出。報告正文1 年度計劃要點和調(diào)整情況 按照項目研究目標，2008年度研究計劃要點包括：第一階段：（2008年1月2008年9月）調(diào)研不同工程領(lǐng)域決策支持系統(tǒng)的實現(xiàn)手段和使用方法，使用元語言來描述這些不同決策過程的內(nèi)容，比較和分析其共性和個性，確定目標系統(tǒng)的平臺通用功能和應(yīng)用于專門領(lǐng)域的工具包的功能。運用啟發(fā)式評估(He

7、uristic evaluation)和可用性工程(Usability engineering)的方法分析和總結(jié)現(xiàn)有決策支持系統(tǒng)的建模和分析過程的人機交互模式，并且分析用戶使用相關(guān)系統(tǒng)進行操作的人機界面引導(dǎo)體系；第二階段：（2008年10月到2009年6月）使用“事物網(wǎng)” 語言的數(shù)理規(guī)格實現(xiàn)一個工程決策問題的元語言核心，并且在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上根據(jù)實際工程的特點，更新推理機的算法；通過決策任務(wù)分析、用戶需求分析和用戶狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣分析，得到使用者在跨領(lǐng)域工程決策系統(tǒng)中的全狀態(tài)轉(zhuǎn)移列表，給出基于特定領(lǐng)域應(yīng)用情景的用戶指導(dǎo)書，確定系統(tǒng)的各個人機交互狀態(tài)和功能模塊；歸類數(shù)據(jù)類型，做出數(shù)據(jù)字典。 本年度已

8、經(jīng)圓滿完成上述計劃，并提前開展下一年度計劃工作的部分任務(wù)的劃分與安排。 研究工作按計劃順利進行，目前研究計劃無調(diào)整。2 研究工作主要進展和階段性成果(1)研究工作的主要進展 (a)調(diào)研了多家工程領(lǐng)域決策支持系統(tǒng)，分析目標系統(tǒng)平臺的通用功能和應(yīng)用于特定領(lǐng)域的工具包的功能，并分析了其實現(xiàn)手段和使用方法。 (b)將事物網(wǎng)模型中的可執(zhí)行元語言在高端工程軟件Mathematica下重新編譯，并加入了新的編程機制，拓展了元語言核心的靈活度和可靠性。 (c)在跨領(lǐng)域工程決策的實例研究中，我們結(jié)合汽車購買決策輔助網(wǎng)站的相關(guān)數(shù)據(jù)以及進行系統(tǒng)建模，通過對用戶行為模式數(shù)據(jù)進行分析，自動計算出用戶的相關(guān)需求及決策結(jié)果

9、。并繼承國內(nèi)外汽車行業(yè)對RFID中間件技術(shù)及RFID數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域的研究成果，在服務(wù)質(zhì)量管理(Quality of Service, QoS)研發(fā)框架下，研究如何對汽車行業(yè)在供應(yīng)鏈中所產(chǎn)生的RFID動態(tài)數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時管理。這些數(shù)據(jù)，包括用戶行為模式與供應(yīng)鏈的動態(tài)數(shù)據(jù)，提供本課題一系列的跨領(lǐng)域的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并將運用于以后的跨領(lǐng)域決策數(shù)據(jù)管理以及決策推算的案例。(2)階段性成果 (a)以調(diào)研分析了上海通用公司，上海鐵路局機車維修系統(tǒng)，航空排班，以及公交系統(tǒng)等跨領(lǐng)域工程決策支持系統(tǒng)為切入點，確定目標系統(tǒng)的平臺通用功能和應(yīng)用于專門領(lǐng)域的工具包的功能，并對其工程系統(tǒng)進行了相應(yīng)的仿真建模，在實現(xiàn)共性功能的基礎(chǔ)上

10、分析實現(xiàn)個性功能的手段和使用方法。圖一：上海通用汽車供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)及汽車制造系統(tǒng) 如圖一所示，上海通用汽車供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)主要由工廠，配送中心，以及供應(yīng)商三部分組成。其中工廠存在向配送中心和供應(yīng)商訂貨這兩種途徑，同樣，供應(yīng)商也存在向工廠和配送中心的供貨這兩種途徑，而供應(yīng)商之間也存在分包的情況。因此上海通用汽車供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)的核心問題是如何對該系統(tǒng)進行自動排列組合并找到最優(yōu)方案。 (b)在供應(yīng)鏈問題的基礎(chǔ)上，我們結(jié)合上海通用汽車的集裝箱調(diào)運問題，以及RFID的應(yīng)用，進行了系統(tǒng)仿真建模。技術(shù)上，我們將模型分為過程模型和數(shù)據(jù)模型兩部分，并用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式，將這兩部分整合。不但高效的仿真出集裝箱的配送方式，更使得整

11、個系統(tǒng)更具活性，當(dāng)線路，數(shù)量等數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，只需要更改相應(yīng)的數(shù)據(jù)數(shù)量即可，對整個系統(tǒng)構(gòu)架不會產(chǎn)生任何架構(gòu)上的影響，這是以往建模所難以實現(xiàn)的特點。圖二：上海通用汽車集裝箱運輸問題實體關(guān)系圖圖三：經(jīng)事物網(wǎng)語言編譯后的集裝箱運輸問題二步圖 (c)下圖（圖四），為公交實時排班系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，我們根據(jù)公交站點以及每個站點的客流量將公交系統(tǒng)進行仿真建模，并根據(jù)客流量的時間分布計算出最優(yōu)的排班計劃。圖四：公交實時排班系統(tǒng) (d)下圖（圖五），是根據(jù)現(xiàn)有航班數(shù)據(jù)的，以數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式建立航空時實排班系統(tǒng)的仿真模型，并實現(xiàn)當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時，系統(tǒng)可以根據(jù)改變的數(shù)據(jù)，自動產(chǎn)生新的排班系統(tǒng)，解決了以往人工調(diào)試所需的

12、工作量和復(fù)雜度。 圖五：航空重調(diào)度系統(tǒng)（2）將可執(zhí)行的元語言模型在工程軟件Mathematica下重新編譯，并加入Binding（綁定）和Barrier & Lease（壁壘與權(quán)契）的機制。實現(xiàn)利用基本的數(shù)據(jù)類型，將跨領(lǐng)域決策模型中的大量實質(zhì)相同的概念和處理方法，通過元語言統(tǒng)一的語法和語義進行描述，通過代數(shù)法則對模型進行分類、簡化、變換等功能，實現(xiàn)建模自動化。Mathematica下的事物網(wǎng)模型不但精簡了其元語言核心的代碼量，更增強了其靈活度和可靠性，但運算的速度還需要進一步調(diào)試。 (a)圖六為加入綁定機制的元語言的示意圖。在“student has camera”這個語句中，stud

13、ent的屬性可以先和Tian Ju,Huang Ke, Ryan中的一個綁定，而has的屬性也可以和borrow, buy中的一個綁定，camera可以film,digital中的一個綁定。這樣同一個語句通過不同的屬性而擁有了多種排列組合，從而使元語言在不增加其代碼量的基礎(chǔ)上更具有表達性。圖六：加入綁定機制的元語言 (b)圖七為加入壁壘與權(quán)契機制的元語言的示意圖。壁壘對可通過某一特定過程的實體進行了限制。如圖所示，只有當(dāng)同時擁有紅色和黃色這兩個實體時，才可以出發(fā)過程，而經(jīng)過該過程的紅，黃實體，也相應(yīng)的轉(zhuǎn)變成了藍色的實體。而契機則對當(dāng)擁有紅，黃實體時，何時將其觸發(fā)成藍色這個時間做了規(guī)定。 圖七：

14、加入壁壘與權(quán)契機制的元語言 (c)我們應(yīng)用元語言對“哲學(xué)家用餐”這個經(jīng)典的問題進行了仿真建模。圖八為“哲學(xué)家用餐”的示意圖。在該問題中，哲學(xué)家主要進行思考和吃飯兩種活動，如圖所示，五個哲學(xué)家，五只叉子，而有當(dāng)哲學(xué)家同時擁有兩只叉子時，才可以進餐。因此，“哲學(xué)家用餐”這個問題同時包涵了時間、空間，以及不確定性這三個工程所面對的基本問題。我們用元語言成功的對其進行了仿真建模（圖九），實現(xiàn)了對時間，空間和不確定性的統(tǒng)一，并在Mathematica下生成了人機界面（圖十）。圖八：哲學(xué)家用餐圖九：經(jīng)元語言編譯的哲學(xué)家用餐問題圖十：在Mathematica下生成的人機交互界面（4）結(jié)合汽車購買決策輔助網(wǎng)站

15、的相關(guān)數(shù)據(jù)，用事物網(wǎng)模型進行系統(tǒng)建模，通過分析用戶行為模式數(shù)據(jù)，自動計算出用戶的相關(guān)需求及決策結(jié)果。并運用啟發(fā)式評估和可用性工程的方法分析和總結(jié)現(xiàn)有決策支持系統(tǒng)的建模和分析過程的人機交互模式，分析用戶使用相關(guān)系統(tǒng)進行操作的人機界面引導(dǎo)體系。改進設(shè)計后的網(wǎng)站錯誤率與心智負荷程度低于原版的導(dǎo)購網(wǎng)站，同時顯著提高了用戶的滿意度,但在表現(xiàn)時間與迷失程度上二者沒有明顯區(qū)別。圖十二：自適應(yīng)的實時RFID管理系統(tǒng)構(gòu)架（5）在的RFID動態(tài)數(shù)據(jù)實時管理軟件的服務(wù)質(zhì)量管理框架下，在保證速度、精度、對數(shù)據(jù)容錯能力和安全性等多種約束因素下，構(gòu)建一套RFID動態(tài)數(shù)據(jù)實時管理軟件的原型系統(tǒng)，開發(fā)支持實時處理多類型大量的

16、動態(tài)數(shù)據(jù)、具備分布與協(xié)同能力的數(shù)據(jù)驅(qū)動的軟件平臺；使用分段式事件驅(qū)動架構(gòu)對于大規(guī)模RFID數(shù)據(jù)處理，使它具備實時數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)分布式存儲、協(xié)同式處理等功能。圖十三：自適應(yīng)的實時RFID管理系統(tǒng)構(gòu)架 如圖十三所示，先建立基于服務(wù)質(zhì)量的RFID實時作業(yè)系統(tǒng)，根據(jù)空間拓撲代數(shù)以及時空邏輯代數(shù)對RFID的動態(tài)時空信息進行一致性的控制存儲，再根據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)算法綁定技術(shù)，分布式的處理所存儲的數(shù)據(jù)，最后根據(jù)應(yīng)用的需求，分布式重構(gòu)RFID實時應(yīng)用系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對千萬量級的RFID數(shù)據(jù)的管理。圖十四：分布式可重構(gòu)RFID網(wǎng)絡(luò)實時應(yīng)用系統(tǒng) 圖十四則描述了分布式可重構(gòu)RFID網(wǎng)絡(luò)實時應(yīng)用系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，首先RF

17、ID讀寫器讀出實時的RFID環(huán)境中數(shù)據(jù)，而后依據(jù)時空代數(shù)引擎將其存儲在RFID中間件中，并以JVM集群網(wǎng)絡(luò)的形式分布在網(wǎng)絡(luò)附加內(nèi)存中，最后根據(jù)不同的應(yīng)用，將其投射到不同的應(yīng)用服務(wù)器上。（5）邀請MIT航天航空系Ed Crawley教授進行事物網(wǎng)決策方法的使用交流，并正式聘請Ed Crawley 教授為我系客座教授。邀請荷蘭Eindhoven University of Technology (TU/e)大學(xué)的研究人員Gao Han，以及韓國首爾大學(xué)學(xué)生Rygun Seo來我實驗室進行學(xué)術(shù)交流。并應(yīng)邀參加CDIO組委會的 3rd International CDIO Conference，Wor

18、fram Research Inc. 舉辦IMS2008的研討會，IEEE2008研討會以及一些其他的會議。（6）在學(xué)生培養(yǎng)上，我們采用了CDIO的培養(yǎng)模式，即讓學(xué)生對產(chǎn)品和系統(tǒng)通過構(gòu)思設(shè)計實現(xiàn)運作的模式，實現(xiàn)對產(chǎn)品生命周期的發(fā)展和部署。 在該框架下，我們課程設(shè)置為講課>個人項目>小組項目>項目進展匯報>回顧和提煉>講課的循環(huán)模式。以學(xué)生為導(dǎo)向，老師退居二線，充分調(diào)動學(xué)生的積極主動性。此過程我們格外注重三方面：1 做中學(xué)，學(xué)生充分發(fā)揮學(xué)生主動性，學(xué)生根據(jù)不同的項目自己構(gòu)思和設(shè)計。2 產(chǎn)學(xué)合作，介紹產(chǎn)業(yè)界最新模型，并將科研趨勢反應(yīng)在工業(yè)中，邀請產(chǎn)業(yè)界泰斗與學(xué)生互動。

19、3 國際化，全英文教學(xué)，國際學(xué)生，國際老師，留學(xué)生以及國際交換項目。 結(jié)合項目培養(yǎng)在讀研究生包括： 黃易（博士生，現(xiàn)MIT交換生），周晨佳（研究生，現(xiàn)上海交通大學(xué)），黃柯（研究生），尚坤（研究生）等人。3.下一年度工作計劃 本課題在繼續(xù)優(yōu)化可執(zhí)行的元語言模型的技術(shù)上，重點突破如下三個關(guān)鍵技術(shù)： （1）時空一致性：使用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的軟件開發(fā)模式以及自動化編程工具來有效利用RFID系統(tǒng)所提供的信息內(nèi)容的實時性和區(qū)域性，并改變?nèi)斯ら_發(fā)源代碼的繁瑣工藝流程； （2）數(shù)據(jù)的快速存取、壓縮與搜索：通過對分布式數(shù)據(jù)采集，存儲與分層級處理的特性，在SOA在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境內(nèi)分層協(xié)作地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲及搜索，使用集成的實時嵌入式數(shù)據(jù)庫和樹狀結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進行壓縮存取； （3）優(yōu)先排序與調(diào)度：結(jié)合復(fù)雜事件處理與約束編程(Constraint Programming)的工具，實時地對多層物理事件、對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)式事件進行優(yōu)