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定性仿真理論及其應(yīng)用
摘要： 本文首先介紹了定性仿真的產(chǎn)生背景及理論發(fā)展?fàn)顩r，然后說明了定性仿真在各領(lǐng)域的應(yīng)用情況，最后對定性仿真的發(fā)展方向進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：定性仿真，定性模型
1 定性仿真的產(chǎn)生與理論現(xiàn)狀
定性仿真(Qualitative Simulation)是以非數(shù)字手段處理信息輸入、建模、行為分析和結(jié)果輸出等仿真環(huán)節(jié)，通過定性模型推導(dǎo)系統(tǒng)的定性行為描述。定性仿真是系統(tǒng)仿真的一個分支，是系統(tǒng)仿真與人工智能理論交叉產(chǎn)生的新領(lǐng)域。相對于傳統(tǒng)的數(shù)字仿真，定性仿真有其獨(dú)到之處：這種仿真能處理多種形式的信息，有推理能力和學(xué)習(xí)能力，能初步模仿人類思維方式，人機(jī)界面更符合人的思維習(xí)慣，所得結(jié)果更容易理解。
定性仿真的研究中，美國學(xué)者起步較早。70年代后期，美國XEROX實驗室的John de Kleer 和Seely Brown 在設(shè)計一個電路教學(xué)系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)，以常規(guī)的數(shù)學(xué)模型和仿真方法難以使學(xué)生很快明白電路的工作過程，而在實際教學(xué)中，老師并不是先給出數(shù)學(xué)公式，而是先講解電路的工作原理，采用定性的描述方法，那么是否可以用計算機(jī)來模擬這一方法呢?同樣在許多的實際工作中，人們更多的是依靠這種對系統(tǒng)原理性的理解，而這種理解的基礎(chǔ)就是定性知識。很多專家學(xué)者開始探索如何在數(shù)字仿真中引入定性知識。
1983年，John de Kleer 和Seely Brown發(fā)表了有關(guān)定性仿真的第一篇論文A Qualitative Physics Based On Confluence?[1]，產(chǎn)生了巨大反響，揭開了定性仿真研究熱潮的序幕。美國麻省理工學(xué)院的Kenneth D. Forbus則對定性仿真理論作了全面的總結(jié)[2];1986年美國德州大學(xué)的Benjamin Kuipers在 Qualitative Simulation”一文中提出了動態(tài)仿真算法QSIM[3]，使定性仿真接近于實用。1984年人工智能雜志第一次出版了關(guān)于定性問題的專集。此后定性問題的研究成為人工智能和系統(tǒng)建模與仿真領(lǐng)域的一個熱點，許多學(xué)者加入到這一研究領(lǐng)域中，產(chǎn)生了大量的研究成果。1991年，人工智能雜志又出版了有關(guān)定性推理的第二本專集，標(biāo)志著該領(lǐng)域理論研究逐漸成熟并且向應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。90年代以來，該領(lǐng)域的研究情況可謂方興未艾，在IEEE的相關(guān)雜志上和撊斯ぶ悄軘?shù)葒H刊物上經(jīng)?？梢钥吹蕉ㄐ苑抡娣矫娴难芯砍晒鴥?nèi)該領(lǐng)域的研究起步較晚，目前從事定性理論研究的僅限于少數(shù)院校的少數(shù)研究者。
定性仿真產(chǎn)生之后，在理論上出現(xiàn)了百家爭鳴的局面，研究者們根據(jù)自己的見解提出了各自的建模和仿真理論。目前，基本可分為三個理論派別，即模糊仿真方法、基于歸納學(xué)習(xí)的方法和樸素物理學(xué)方法。
模糊數(shù)學(xué)方法可以解決模型信息與測量數(shù)據(jù)的不確定性，所以在定性理論中一般用來作為一種描述手段。最初，系統(tǒng)的定性值是采用區(qū)間模糊數(shù)的行為來描述的，英國的Qiang Shen進(jìn)一步將其發(fā)展到用凸模糊數(shù)來描述定性值[4]，在數(shù)據(jù)表示上前進(jìn)了一大步。此后，又有人在其基礎(chǔ)上引入了概率論，來度量生成的多個行為的可信度。當(dāng)前的模糊定性理論，在模糊數(shù)表示方面都存在一大弱點，那就是系統(tǒng)真實值與模糊量空間的映射問題，即如何確定描述系統(tǒng)的模糊量。
歸納推理法是定性仿真的一個新方向，它起源于通用系統(tǒng)理論，主要利用其中的通用系統(tǒng)問題求解(General System Problem Solve)技術(shù)。輸入盡可能多的行為，通過歸納學(xué)習(xí)的方式，構(gòu)造系統(tǒng)的定性模型，進(jìn)行仿真研究。歸納推理法最突出的優(yōu)勢在于它完全不需要對象系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息，不需要預(yù)先提供任何模型。但是，這種方法需要采集大量的數(shù)據(jù)并處理和維護(hù);而且，由于現(xiàn)實條件的限制，不能保證歸納的完備性。
樸素物理方法在理論和應(yīng)用上發(fā)展得最為成熟，它興起于一些人工智能專家對樸素物理系統(tǒng)的定性推理研究。根據(jù)建立系統(tǒng)定性模型的方法，又可分為很多派別，比較有影響的有：Seely Brown和John de Kleer提出的基于摿鲾?shù)母拍畹睦碚?，K. D. Forbus 的定性過程理論，B.J.Kuipers基于約束的用定性微分方程描述的定性仿真理論等。
2 定性仿真的應(yīng)用
現(xiàn)在，定性仿真技術(shù)與物理、化工、生態(tài)、生物、社會等學(xué)科相互滲透、結(jié)合，在系統(tǒng)監(jiān)測、故障診斷、系統(tǒng)行為分析、解釋以及預(yù)測等方面發(fā)揮著越來越大的作用。 國外文獻(xiàn)報導(dǎo)較多而且應(yīng)用取得成效比較明顯的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：工程和工業(yè)過程;電子電路分析和故障診斷;醫(yī)藥和醫(yī)療診斷;社會經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。 下面有選擇地按照應(yīng)用領(lǐng)域介紹其中比較典型的項目。
2.1 工程和工業(yè)過程
這里工程指傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域及一些工程設(shè)備，如蒸餾塔、高壓鍋爐、汽輪機(jī)等人造設(shè)備;工業(yè)過程指一些連續(xù)系統(tǒng)，如機(jī)械制造、發(fā)酵、化工過程和電站等 。這方面的應(yīng)用項目比較多見。
ARTIST是歐洲的ESPRIT 計劃中的一個項目[5]，項目領(lǐng)導(dǎo)者是蘇格蘭的Heriot-Watt大學(xué)的Leitch.R，完成于1993年7月。此項目建立了定性動態(tài)模型，應(yīng)用于過程監(jiān)測與故障診斷。Leitch等人建立了一個基于定性微分方程(QDE)和模糊量空間的定性仿真器： Fusim, 現(xiàn)已應(yīng)用在輸配電網(wǎng)絡(luò)和化工廠蒸餾塔的過程監(jiān)控、分析、診斷上。
ESPRIT計劃中另一應(yīng)用定性推理的重要項目是：TIGER工程-汽輪機(jī)的監(jiān)測、診斷系統(tǒng)[6]。現(xiàn)已應(yīng)用在 Exxon化工廠的大型工業(yè)汽輪機(jī)以及Dassault航空中心的宇宙飛船輔助動力單元。系統(tǒng)應(yīng)用定性仿真來預(yù)測汽輪機(jī)啟動及負(fù)載改變時的可能行為。
2.2 電子電路分析和故障診斷
定性仿真的一個很重要的應(yīng)用領(lǐng)域便是電子電路分析和故障診斷。定性推理的先驅(qū)人物de Kleer早在1976年便開發(fā)了使用定性知識研究電子線路的系統(tǒng) LOCAL，即根據(jù)電路部件已測知的正常行為和錯誤行為，分析實際行為和預(yù)測行為的不一致之處，然后指出電路的故障點。這種思想后來發(fā)展成了基于模型的故障診斷理論(model-based diagnosis therory)。時至今日，由于定性推理和仿真技術(shù)的不斷進(jìn)步，該應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景更為廣闊。
這類項目中，最為典型的是Dague.P等人開發(fā)的模擬電路故障診斷工具-DEDALE[7]。Dague對該系統(tǒng)進(jìn)行了一系列實驗，聲稱：DEDALE系統(tǒng)能診斷出電路故障的75%，另外的25%故障沒有構(gòu)成對電路性能的顯著影響，并且可以通過其他手段檢測出。Electronique Serge Dassault 繼續(xù)這個領(lǐng)域的研究工作，已推出一個名為“DIAGMASTER”的商業(yè)化產(chǎn)品。
2.3 醫(yī)藥和醫(yī)療診斷
人工智能中的專家系統(tǒng)，尤其是醫(yī)療專家系統(tǒng)，為人工智能的振興起了推波助瀾的作用。而定性仿真在醫(yī)療專家系統(tǒng)的應(yīng)用方面也很活躍。
Bratko.I將定性推理應(yīng)用在心電圖的識別上[8]， 目的在于根據(jù)心電圖辨識心律，判斷病癥。定性模型用來產(chǎn)生心臟工作狀況，規(guī)則歸納系統(tǒng)用于產(chǎn)生診斷規(guī)則庫。他給出了心電圖詮釋系統(tǒng)-KARDIO，澳大利亞的Telectronics公司已將此系統(tǒng)的部分成果應(yīng)用于他們的心臟病診治系統(tǒng)Intelligent Pacemaker中。
Kuipers和Kassier給出了QSIM理論的定性推理和模型簡化方法[9]，并給出了在醫(yī)學(xué)專家系統(tǒng)中的具體應(yīng)用過程。該系統(tǒng)可以對腎臟的水份、鹽份平衡過程進(jìn)行仿真，作為腎炎綜合診治系統(tǒng)的輔助分析工具。
2.4社會經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域
定性推理由于其處理不完全知識及模糊數(shù)據(jù)的突出能力，一直在社會科學(xué)、人文科學(xué)、商業(yè)流通等領(lǐng)域的研究上占有重要位置。
Daniels.HAM，F(xiàn)eelders.AJ給出了一個商業(yè)行為分析定性仿真模型[10]。作為例子，他們對某個公司的銷售量、商品價格、資金狀況進(jìn)行建模，分析其商業(yè)行為的變化，如為什么廣告量的減少會帶來銷售量的下降，什么原因?qū)е鹿举Y產(chǎn)減少，是否存在經(jīng)營危機(jī)等。對于銀行貸款之前的商業(yè)調(diào)查，該模型具有廣闊的應(yīng)用前景，荷蘭的AMRO銀行正在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深入的研究工作。
美國的Farley.A，Lin.KB使用QSIM算法，研究市場預(yù)測的定性仿真模型，即當(dāng)市場需求、供給、價格等諸因素變動時，預(yù)測可能引起的市場變化[11]。
3 定性仿真的發(fā)展方向
定性仿真目前仍然是新興的研究領(lǐng)域，很多基礎(chǔ)性的理論工作尚待完善和突破，因此該領(lǐng)域的發(fā)展前景十分廣闊。對于定性仿真理論，概括來說，有以下幾個發(fā)展方向：
(1)采用定量與定性結(jié)合的仿真方法
由于定性模型中包含系統(tǒng)的不完全知識，定性仿真會產(chǎn)生一些虛假和二義的多余行為，當(dāng)實際系統(tǒng)很復(fù)雜時，定性仿真產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的多余行為，如何有效地減少定性仿真產(chǎn)生的行為數(shù)，成為當(dāng)今定性推理研究的主題。很多研究者紛紛采用定量與定性結(jié)合的仿真方法。在定性仿真中加入相當(dāng)?shù)亩恐R，將定量與定性有機(jī)地結(jié)合起來，將大大減少系統(tǒng)的預(yù)測行為數(shù)，增強(qiáng)定性仿真的生命力。
(2)采用模型分解方法
定性仿真走向應(yīng)用時，往往涉及到規(guī)模較大的系統(tǒng)，即使省略某些細(xì)節(jié)，模型仍是非常復(fù)雜的。所以，定性理論中，必須有處理這種復(fù)雜性的手段。
模型分解方法將系統(tǒng)模型分為若干部分，稱為部件(component)，系統(tǒng)的聯(lián)系緊密的變量將集中在一個部件中，并為部件建立狀態(tài)，系統(tǒng)的描述將以這種狀態(tài)為單位，若需要不同部分的變量的事件對應(yīng)性，可以通過不同部分之間的連接來產(chǎn)生。并且，仿真算法上也作了相應(yīng)的變動，以局部的部件描述為基礎(chǔ)的仿真取代了以全局狀態(tài)為基礎(chǔ)的定性仿真算法。大大提高了模型建立工作的效率和準(zhǔn)確性，并降低了仿真的時間和空間運(yùn)行代價。
(3)采用并行定性仿真方法
當(dāng)前定性仿真在減少冗余或虛假行為的研究上取得了很大進(jìn)展，但同時也帶來了一些始料未及的副作用：定性與定量知識的結(jié)合，使知識的表示和推理機(jī)制復(fù)雜化，數(shù)據(jù)量明顯增加;由于信息不完備，系統(tǒng)的搜索空間增大，使得定性仿真在一定的情況下比定量仿真的速度更慢;再者隨著定性仿真逐漸走向應(yīng)用，參數(shù)數(shù)量的增長使問題的規(guī)模成指數(shù)增長，仿真的速度也明顯下降。并行定性仿真能較大幅度地提高定性仿真的效率，因此成為一個新興的發(fā)展方向。
鑒于定性仿真技術(shù)的諸多優(yōu)點及巨大的實用價值，許多學(xué)者紛紛投入到該領(lǐng)域的研究中，各國政府部門及研究機(jī)構(gòu)在研究經(jīng)費(fèi)等方面大力扶助，我們有理由相信在不遠(yuǎn)的將來定性仿真研究會取得更大的進(jìn)展。
參 考 文 獻(xiàn)
de Kleer J,Brown J S.A Qualitative Physics Based On Confluence.Artif Intell ,1983,59:7-15.
Forbus K D.Qualitative Process Theory.Artilf Intell,1984,24:85-168.
Kuipers B J.Qualitative Simulation.Artilf Intel,1986,29:289-338.
Shen,Q.and Leitch,R.Fuzzy Qualitative Simulation.IEEE Trans. on Systems,Man,and Cybernetics 23(4),1993,
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5 Leitch R,Freitag H,Struss P,Tornielle G.ARTIST: A Methodological Approach to Specifying Model
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Dague Ph,Raiman O,Deves Ph.Trouble-shooting: When Modeling is the Trouble.IBM Scientific Center ,Paris ,
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8 Bratko I,Mozetic I,Lavrac N.KARDIO:A Study in Deep and Qualitative Knowledge for Expert Systems.MIT
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9 Kuiper B J.Qualitative Reasoning--Modeling & Simulation with Incomplete Knowledge.MIT Press,1994.
10 Daniels HAM,Feelders AJ.Model-Based Diagnosis of Business Peformance.Tilburg University,Institute for
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11 Farley A,Lin KP.Qualitative Reasoning in Microeconomics: An Example.Computer Science Dept, University of
Oregon,USA.& Economics Department, Protland State University,Oregon,USA,1991.
美國政府在計算機(jī)技術(shù)發(fā)展中的作用及其啟示
內(nèi)容提要:計算機(jī)產(chǎn)業(yè)是一個收益豐厚，而且高度競爭的產(chǎn)業(yè)，但是美國政府大力資助計算機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，并取得了明顯的效果。本文重點介紹和分析了美國政府在計算機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的各個階段所發(fā)揮的作用，對我國政府如何支持產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展具有重要借鑒。
關(guān)鍵詞:
美國的計算機(jī)產(chǎn)業(yè)在世界上占主導(dǎo)地位，政府起了重要作用。美國政府對計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的支持
之所以能夠產(chǎn)生明顯的效果，關(guān)鍵是政府職能明確，不斷根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要調(diào)整支持方向，改進(jìn)資助體系和管理。總結(jié)美國聯(lián)邦政府支持計算機(jī)技術(shù)研究開發(fā)的經(jīng)驗，對我國政府支持產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展有著重要的借鑒作用。?
一、美國政府對計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的支持?
第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，聯(lián)邦政府一直是計算機(jī)技術(shù)的強(qiáng)有力支持者。按1995年不變價計算，1976-1995年間，聯(lián)邦政府對計算機(jī)科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的支持由1.8億美元增加到9.6億美元，增長了5倍。其中，基礎(chǔ)研究投入由6500萬美元增加到2.65億美元;應(yīng)用研究投入由1.16億美元增加到7億美元。聯(lián)邦政府資助中約35-45%投向大學(xué)，其余55-65%投向政府實驗室和產(chǎn)業(yè)界;政府基礎(chǔ)研究資金的70%投向大學(xué)。聯(lián)邦政府還對其他與計算機(jī)技術(shù)相關(guān)的研究給予資助。聯(lián)邦政府對與計算機(jī)研究相關(guān)的其他技術(shù)和電子工程研究方面的投入由1972年的不到10億美元增加到1995年的17億美元，占聯(lián)邦總投入的比重由5%增至7%。
聯(lián)邦政府從其職能出發(fā)決定資助方向，政府資金主要投向以下幾個方面。?
(一)重點支持長期的基礎(chǔ)性研究?
美國政府在長期基礎(chǔ)性研究和共性應(yīng)用技術(shù)的研究開發(fā)方面發(fā)揮了重要作用。長期基礎(chǔ)性研究的主要特點，一是其效益往往在短期內(nèi)無法顯現(xiàn)出來，風(fēng)險較大。特別是在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，企業(yè)沒有實力進(jìn)行這樣的研究工作;二是其應(yīng)用領(lǐng)域往往比較廣泛，一家公司無法完全利用，而且又無力阻止競爭者利用其研究成果。因此，產(chǎn)業(yè)界較少對長期基礎(chǔ)性研究進(jìn)行投資。?
美國聯(lián)邦政府對計算機(jī)技術(shù)的長期基礎(chǔ)性研究的資助項目已經(jīng)取得了明顯的效果。如，政府資助的計算機(jī)人工智能技術(shù)研究開始于70年代早期，直到1997年才研制出能夠成功識別持續(xù)性語音的個人電腦。與此相似的是，國防基金從60年代就開始資助可用于三維圖像的基礎(chǔ)性系統(tǒng)研究，直到90年代才形成消費(fèi)性產(chǎn)品。盡管這項成果在高性能儀器中早已開始應(yīng)用，但近些年才廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、娛樂及國防產(chǎn)業(yè)。?
(二)資助計算機(jī)研究的基礎(chǔ)設(shè)施?
聯(lián)邦政府在計算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為美國發(fā)展計算機(jī)產(chǎn)業(yè)提供了源源不斷的人才。?
1.為產(chǎn)業(yè)發(fā)展培養(yǎng)了大量人力資源?
聯(lián)邦政府的資助計劃培養(yǎng)了一大批電子工程和計算機(jī)科學(xué)的研究生和優(yōu)秀研究人員，為計算機(jī)和電子工程的發(fā)展提供源源不斷的后續(xù)人才。國家科學(xué)基金的數(shù)據(jù)表明，1985-1996年間，獲得聯(lián)邦資金資助的計算機(jī)和電子工程專業(yè)的研究生比例從14%增加到20%。聯(lián)邦政府對研究生的資助主要采取助教獎學(xué)金的形式，助教獎學(xué)金占總資助額的75%以上。1985年到1995年，全國最好的計算機(jī)系里，如MIT、卡內(nèi)基·梅隆、加利弗尼亞大學(xué)勃克力分校等的計算機(jī)和電子工程專業(yè)的研究生中約有56%得到了聯(lián)邦政府的資助，其中一半是助教獎學(xué)金。1997年，斯坦福大學(xué)電子工業(yè)和計算機(jī)專業(yè)27%的研究生獲得聯(lián)邦政府資助，50-60%的博士得到資助。同時，政府資助的一些大型研究項目還培養(yǎng)了一批學(xué)術(shù)帶頭人。?
2.為大學(xué)教育和研究提供了良好的設(shè)備和設(shè)施?
配備和維護(hù)研究的硬件設(shè)備需要較高的資金投入，一般的大學(xué)很難籌集到這筆資金。聯(lián)邦政
府采取多種形式來支持大學(xué)購買計算機(jī)設(shè)備，主要有兩種形式：一種是為大學(xué)教學(xué)提供計算機(jī)設(shè)備;另一種是通過資助特定研究項目為大學(xué)提供精良設(shè)備。?
聯(lián)邦政府在支持大學(xué)研究設(shè)備方面的主要貢獻(xiàn)，一是支持建立大學(xué)計算中心，資助大學(xué)計算機(jī)系開展研究工作。國家科學(xué)基金(以下簡稱“NSF”)于1956年就開始了為大學(xué)提供普通教學(xué)和研究用計算機(jī)的資助計劃。該計劃每年提供的資助金額增長很快，1958-1970年間，共資助了66,00萬美元。60年代，國防部高級項目處(以下簡稱“DARPA”)重點資助了少數(shù)幾個基礎(chǔ)好的大學(xué)計算機(jī)系(如MIT，卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)，斯坦福大學(xué))開展專門項目研究，資助項目的大部分資金用來采購設(shè)備。據(jù)估計，60年代，全美大學(xué)中約一半的計算設(shè)備是由政府機(jī)構(gòu)資助提供。1981-1995年間，聯(lián)邦政府資助了計算機(jī)科學(xué)系研究設(shè)備采購的65%，1985年高達(dá)83%。在電子工程方面，聯(lián)邦政府的設(shè)備資助也維持在較高的水平，1982年為75%，1995年為60%。NSF啟動了兩套專門為計算機(jī)科學(xué)系提供設(shè)備的計劃：計算機(jī)研究設(shè)備計劃和一個更加廣泛的協(xié)作實驗研究計劃。?
二是研制高性能計算設(shè)備和建設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。80年代中期，政府資助了IBM701等高性能計算機(jī)
的研制，造出了供研究人員進(jìn)行各種研究使用的大型計算機(jī)系統(tǒng)。1985年，NSF啟動了一項建立超級計算機(jī)中心的計劃，資助建立了5個全國范圍的計算機(jī)中心，為那些不能在普通計算機(jī)上進(jìn)行的高級的、運(yùn)算復(fù)雜的研究提供了條件。后來，這些中心成為高性能計算機(jī)的早期試驗場，還對一些計算機(jī)科學(xué)系的教學(xué)起了重要作用。同時，這項計劃還帶動州、私人部門出資在其他大學(xué)建立超級計算機(jī)中心。?
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，政府加大對網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的資助力度。1973年起，NSF著手進(jìn)行一項科學(xué)網(wǎng)絡(luò)的計劃，每年提供60萬美元到75萬美元為大學(xué)的研究人員建立計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。?
(三)支持利用高新技術(shù)的大型應(yīng)用系統(tǒng)的研究開發(fā)和推廣?
聯(lián)邦政府有效資助了大型應(yīng)用系統(tǒng)的研究開發(fā)項目。DARPA支持了計算機(jī)間相互聯(lián)結(jié)的分批轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)(ARPANET)的研究項目。這項研究促進(jìn)了有關(guān)入網(wǎng)協(xié)議、分批轉(zhuǎn)換及路線安排等項研究。同時也推進(jìn)了對大型網(wǎng)絡(luò)管理模式的開發(fā)研究，如，域名系統(tǒng)及開發(fā)電子郵件等。DARPA的研究成果顯示了大型分批轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的價值，促進(jìn)了其他網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)。NSF網(wǎng)絡(luò)的建立形成了網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。政府通過資助大型高新技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，把學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究者匯聚起來共同建立共用的實驗室，交流思想，從而創(chuàng)造出一支有能力最終推動技術(shù)發(fā)展的研究力量。如，50年代的SAGE項目組織了來自MIT、IBM及其它研究實驗室的研究者，整個項目過程中出現(xiàn)了許多創(chuàng)新思想，目前在計算機(jī)行業(yè)已經(jīng)獲得廣泛認(rèn)可的想法都是當(dāng)時提出來的。許多計算機(jī)行業(yè)中的先驅(qū)人物也從50-60年代的控制計算機(jī)系統(tǒng)(SAGE)項目中獲得了經(jīng)驗，后來這些人在代表著計算機(jī)及通訊事業(yè)新興的公司及實驗室中工作。SAGE的影響在后來的幾十年中才逐步顯現(xiàn)出來。?
構(gòu)造大型應(yīng)用系統(tǒng)的實踐表明，有些研究并不一定直接導(dǎo)致某一項技術(shù)的創(chuàng)新，而是導(dǎo)致開發(fā)與技術(shù)推廣。應(yīng)用開發(fā)是對已經(jīng)研究出來的技術(shù)進(jìn)行分析和合理組合，形成新的應(yīng)用系統(tǒng)。如，建立大型應(yīng)用系統(tǒng)的研究項目就是把電子通訊系統(tǒng)的原理應(yīng)用到ARPANET項目開發(fā)中，形成了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)。?
(四)對產(chǎn)業(yè)技術(shù)的早期資助?
20世紀(jì)50年代，聯(lián)邦政府資助了絕大部分計算機(jī)技術(shù)的研究。那時，政府對計算機(jī)技術(shù)研究
開發(fā)的資助超過工業(yè)界R&D投入的3倍，幾乎覆蓋了整個計算機(jī)界的研究與開發(fā)。直到1963年，政府還資助著IBM計算機(jī)R&D的35%，Burroughs公司的50%，Control-Data公司的40%。從60年代末開始，因為整個計算機(jī)行業(yè)快速發(fā)展，政府對計算機(jī)R&D資助的比例急劇下降。直到70年代中期，政府資助僅占計算機(jī)R&D投入的25%，1979年達(dá)到戰(zhàn)后的最低點15%。隨著新項目的啟動和里根執(zhí)政時期的國防建設(shè)，1983年，政府對計算機(jī)技術(shù)研究的資助比例又有回升，約占20%。?
美國政府對產(chǎn)業(yè)界的資助重點放在推動技術(shù)商業(yè)化方面。一是對產(chǎn)業(yè)界早期研究的資助。政府對企業(yè)實驗室提出的一些有市場前景的技術(shù)給予資助，將其推向商業(yè)化。例如，IBM最先提出了相關(guān)性數(shù)據(jù)庫的構(gòu)想，但I(xiàn)BM考慮到這項技術(shù)構(gòu)想可能對自己已經(jīng)成熟的產(chǎn)品造成潛在的競爭威脅，沒有繼續(xù)進(jìn)行商業(yè)化研究開發(fā)投入。而NSF資助加州大學(xué)伯克立分校對這一構(gòu)想進(jìn)行深入研究，并將其推向商業(yè)化;二是支持共性技術(shù)研究開發(fā)。有些研究開發(fā)具有商業(yè)價值，但屬于共性技術(shù)，單個企業(yè)難以研究開發(fā)，或者企業(yè)擔(dān)心難以控制競爭者使用技術(shù)成果。IBM最先開發(fā)了RISC(精簡指令系統(tǒng)計算機(jī))，但直到DARPA資助加州大學(xué)伯克立分校及斯坦福大學(xué)進(jìn)行深入研究時，RISC才實現(xiàn)了商業(yè)化。該研究是作為70年代末、80年代初“大規(guī)模集成電路”(VLSI)項目的一部分來進(jìn)行的。后來許多公司把以RISC為基礎(chǔ)的產(chǎn)品引入了市場領(lǐng)域。?
(五)聯(lián)邦政府的資助對創(chuàng)新起到重要作用?
聯(lián)邦政府的資助計劃促進(jìn)了計算機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新。據(jù)統(tǒng)計，1993至1994年間，美國全國共批準(zhǔn)了1619項與計算機(jī)產(chǎn)業(yè)有關(guān)的專利。盡管這些專利的所有者75%是美國企業(yè)，但它們所引用的論文大部分是由大學(xué)或政府的研究人員撰寫的。在按資助來源分類統(tǒng)計的論文中，51%的資助來自于聯(lián)邦政府，37%來自產(chǎn)業(yè)界的資助。政府資助中NSF占22%，DARPA占6%。盡管這些數(shù)據(jù)僅限于兩年的專利統(tǒng)計，但反映出聯(lián)邦所資助的項目，特別是在大學(xué)里進(jìn)行的資助研究，推動了計算機(jī)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。?
二、美國政府在計算機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展各階段中的主要作用?
政府在計算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展過程中的作用，隨計算機(jī)產(chǎn)業(yè)成長和發(fā)展階段不同而變化。?(一)50年代——計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的初期階段，政府的主要作用是用戶和資助者?
在1960年以前，美國政府作為用戶和資助者，主導(dǎo)著電子計算機(jī)技術(shù)的研究開發(fā)。這一期間，政府支持計算機(jī)技術(shù)主要出于國防需要，資助面比較窄，重點是對技術(shù)本身的試驗，而且沒有一個系統(tǒng)的長期戰(zhàn)略計劃。但是，這一時期的政府資助項目嘗試了不同類型的資助機(jī)制，對私營部門產(chǎn)生了非常重要的影響。?
50年代，幾個主要計算機(jī)公司的R&D都得到過聯(lián)邦政府的各種形式的資助。例如，在IBM公司的R&D投入中，政府合同資助投入占50%以上，直到1963年還有35%。聯(lián)邦政府不僅在資金上對私營部門提供資助，而且從項目設(shè)計、技術(shù)思路、人力資源等方面提供了支持。資助的項目涉及到有關(guān)國家安全、人力資源培養(yǎng)等各方面，還包括一些綜合性、高投入、不確定性大、具有長期影響的技術(shù)開發(fā)項目。政府資助的許多項目研究出了設(shè)備的原型，在這些原型基礎(chǔ)上，研究人員可以進(jìn)行更深入的探索。?
(二)60-70年代——技術(shù)擴(kuò)散和產(chǎn)業(yè)增長階段，政府扶持的重點轉(zhuǎn)向長期基礎(chǔ)性研究和培養(yǎng)人才?
60年代初期，美國的計算機(jī)行業(yè)開始商業(yè)化，可以獨(dú)立于政府的資助和采購，全國出現(xiàn)了幾個大型的計算機(jī)公司。這些大型公司建立了自己的實驗室，并且有能力自己研究開發(fā)計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，從而促進(jìn)了計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化。如，IBM公司與美國航空公司在部分采用軍事指揮和SAGE技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了計算機(jī)訂票系統(tǒng)(SABRE系統(tǒng))。計算機(jī)定票系統(tǒng)的迅速發(fā)展成為推動計算機(jī)產(chǎn)業(yè)化的一個重要動力。與此同時，產(chǎn)業(yè)界對計算機(jī)人才的需求大大增加。出現(xiàn)了計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，幾個重要學(xué)校的計算機(jī)系已經(jīng)成立。?
隨著計算機(jī)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，政府的資助重點開始轉(zhuǎn)向長期基礎(chǔ)性研究和培養(yǎng)人才。60年代后期至70年代，由于計算機(jī)產(chǎn)業(yè)界對R&D的投入增加，盡管政府資助產(chǎn)業(yè)界的絕對數(shù)額還在上升，但比例卻急劇下降。?
(三)80-90年代——計算機(jī)產(chǎn)業(yè)成熟階段，政府積極組織和支持聯(lián)合研究開發(fā)?
隨著產(chǎn)業(yè)界增加對計算機(jī)技術(shù)研究開發(fā)的投入，政府資助所占比例開始下降。80年代初期，日本的電子工程和計算機(jī)存儲器等技術(shù)開發(fā)，使美國的計算機(jī)產(chǎn)業(yè)感到了競爭威脅。同時，美國半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的國際市場份額從75%下降到了40%。“增強(qiáng)競爭力”成了美國80年代技術(shù)政策的關(guān)鍵字眼，國內(nèi)要求政府采取行動的呼聲提高。同時，大學(xué)與實業(yè)界開始以合資、協(xié)議等方式進(jìn)行合作，或組織行業(yè)協(xié)會抵制來自日本的威脅。?
為了提高美國計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的競爭力，使其在世界占據(jù)領(lǐng)先地位，聯(lián)邦政府不僅繼續(xù)支持計算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的研究，而且調(diào)整了支持重點和資助方式。政府對計算機(jī)技術(shù)的資助重點開始轉(zhuǎn)向支持各界聯(lián)合開發(fā)，通過支持行業(yè)協(xié)會等一些新機(jī)構(gòu)，組織和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合開發(fā)。1984年的國家合作研究法案從不信任法案中把研究協(xié)會的名字去掉了，從而使研究協(xié)會的合作合法化。政府支持半導(dǎo)體制造技術(shù)協(xié)會(SEMATECH)等行業(yè)性組織機(jī)構(gòu)，發(fā)揮其在計算機(jī)技術(shù)聯(lián)合開發(fā)中的組織作用。那一時期，半導(dǎo)體制造技術(shù)協(xié)會和高性能計算機(jī)研究所等受到政府資助的行業(yè)性機(jī)構(gòu)，成為計算機(jī)技術(shù)研究開發(fā)和政策議程的主導(dǎo)者。?
90年代，政府一方面對現(xiàn)存的政府所有的成熟的計算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)商業(yè)化和私有化;另一
方面又開始資助新的更高層次的技術(shù)研究。如，NSF于1992年將其互聯(lián)網(wǎng)向商業(yè)應(yīng)用開放之后，又于1995年成功地把NSF的互聯(lián)網(wǎng)推向私有化。與此同時，NSF和其他聯(lián)邦機(jī)構(gòu)還在繼續(xù)進(jìn)行下一代互聯(lián)網(wǎng)(NGI)的開發(fā)與擴(kuò)展工作，計劃將互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速度提高100倍。NGI計劃將建立一個試驗性的、范圍廣闊的、可升級的測試系統(tǒng)，用以開發(fā)那些對國家至關(guān)重要的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)，如國防和醫(yī)療等。?
三、幾點啟示?
美國政府資助計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的經(jīng)驗，對我們有以下幾點啟示。?
(一)政府職能明確?
在美國的計算機(jī)革命中，政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)校起了不同的作用。政府主要引導(dǎo)大學(xué)和產(chǎn)業(yè)界研究機(jī)構(gòu)的研究，特別在建立前沿研究需要的實物基礎(chǔ)設(shè)施，培養(yǎng)大學(xué)生、研究生和技術(shù)隊伍等方面起到關(guān)鍵性作用。盡管有些在市場中處于主導(dǎo)地位的大公司，如AT&T、IBM、微軟和英特爾等在基礎(chǔ)研究方面也投入了大量資金。但大公司更傾向投資于與其發(fā)展目標(biāo)及產(chǎn)品開發(fā)有緊密聯(lián)系的研究項目。而政府則在長期基礎(chǔ)性研究、應(yīng)用前途廣泛的共性技術(shù)研究開發(fā)方面發(fā)揮了重要作用。?
隨著計算機(jī)產(chǎn)業(yè)從幼稚產(chǎn)業(yè)發(fā)展為成熟產(chǎn)業(yè)，美國聯(lián)邦政府的作用經(jīng)歷了一系列變化。從50年代的用戶和資助者，60-70年代的資助基礎(chǔ)研究和培養(yǎng)人才，到80-90年代的合作者。資助機(jī)構(gòu)和管理也從分散、無戰(zhàn)略計劃逐步發(fā)展到由專門機(jī)構(gòu)統(tǒng)一協(xié)調(diào)。?
(二)資助來源多元化和機(jī)制多樣化，發(fā)揮政府代理機(jī)構(gòu)的作用?
聯(lián)邦政府對于計算機(jī)技術(shù)與電子工程技術(shù)的資助主要是通過幾個代理機(jī)構(gòu)來完成的。例如國防部、國家科學(xué)基金、國家航空航天部、能源部及國家健康機(jī)構(gòu)。這些代理機(jī)構(gòu)的特點是，專業(yè)技術(shù)能力比較強(qiáng)，機(jī)構(gòu)內(nèi)部有許多專業(yè)技術(shù)人員，有些機(jī)構(gòu)本身就是國家研究機(jī)構(gòu)。除國家科學(xué)基金外，這些代理機(jī)構(gòu)大都是計算機(jī)技術(shù)的直接需求和應(yīng)用方，經(jīng)常根據(jù)部門自身的需要資助計算機(jī)技術(shù)研究開發(fā)。?
多元化的優(yōu)點，一是有利于技術(shù)發(fā)展的多樣性。由于計算機(jī)技術(shù)是工具性技術(shù)，各個領(lǐng)域有不同的需求，因此，每一個機(jī)構(gòu)都有各自的資助重點及資助方式，從而促進(jìn)計算機(jī)技術(shù)多樣化發(fā)展;二是提供多種潛在的支持，增加了研究機(jī)構(gòu)和研究人員的選擇余地，有利于競爭;三是研究成果可以在不同的機(jī)構(gòu)間轉(zhuǎn)移，形成廣泛的用途，提高了研究成果的利用效率。?
(三)加強(qiáng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)?
盡管美國政府對計算機(jī)技術(shù)的資助計劃是由專業(yè)管理部門分別執(zhí)行的，但是，隨著計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的成熟和資助規(guī)模的擴(kuò)大，各專業(yè)管理部門和聯(lián)邦政府不斷加強(qiáng)對計算機(jī)資助項目計劃的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和戰(zhàn)略規(guī)劃。60年代以前，軍方對計算機(jī)技術(shù)的資助是根據(jù)各軍兵種自己的需求分散進(jìn)行的。60年代初，國防部成立了高級研究項目處，并成立了專門的信息處理技術(shù)辦公室。一個重要目的就是協(xié)調(diào)軍方各部門的長期戰(zhàn)略性資助計劃，實行統(tǒng)一管理。?
90年代，美國國家科學(xué)技術(shù)委員會中設(shè)置計算機(jī)、信息和通訊委員會，該機(jī)構(gòu)通過下級委員
會，協(xié)調(diào)12個政府部門或機(jī)構(gòu)的有關(guān)計算機(jī)和通訊技術(shù)的R&D項目，并重點組織實施了5個具有長期戰(zhàn)略意義的項目計劃。?
這種體制即發(fā)揮了專業(yè)代理機(jī)構(gòu)的積極性和技術(shù)特長，又加強(qiáng)了統(tǒng)一協(xié)調(diào)，避免重復(fù)研究和
分散競爭資源的局面，提高了政府資助的整體效果。?
(四)以多種方式支持計算機(jī)技術(shù)?
除了資助研究開發(fā)以外，美國政府對計算機(jī)技術(shù)市場的形成發(fā)揮了重要作用。美國政府是高新技術(shù)的最大用戶，政府采購為高新技術(shù)創(chuàng)造了巨大的市場。?
從半導(dǎo)體到超級計算機(jī)，在許多領(lǐng)域中，政府創(chuàng)造了計算機(jī)及其技術(shù)的市場，促進(jìn)新技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和核心技術(shù)在計算機(jī)行業(yè)的推廣。例如，聯(lián)邦政府為阿波羅號航天飛機(jī)采購的集成電路以及國防部的洲際彈道導(dǎo)彈項目都對集成電路生產(chǎn)能力的提高形成了一種刺激。為開發(fā)核武器，能源部及其前身機(jī)構(gòu)對高性能計算機(jī)的需求驅(qū)動了早期超級計算機(jī)市場的形成。美國政府的統(tǒng)計體系也是早期計算機(jī)及其軟件的大用戶。在軟件方面，通過建立聯(lián)邦數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)邦政府促使市場向“美國國家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)”制定的COBOL(面向商用的通用計算機(jī)語言)不斷靠近;為使FORTRAN程序語言擴(kuò)展應(yīng)用于并聯(lián)計算機(jī)，政府資助了高級FORTRAN論壇項目。?
反壟斷訴訟也具有深遠(yuǎn)的影響。例如，1952年出現(xiàn)了針對IBM的反壟斷訴訟案，要求IBM公司出賣或出租其設(shè)備，以幫助其它公司進(jìn)入這一商業(yè)領(lǐng)域。同時要求IBM公司對其包括電子計算機(jī)在內(nèi)的所有有關(guān)信息處理設(shè)備的現(xiàn)有及未來專利實施許可制度，并規(guī)定了許可的比率。“司法部反壟斷部門”的負(fù)責(zé)人認(rèn)為，IBM訴訟案是“開放電子領(lǐng)域的一個進(jìn)步”，為其他公司進(jìn)入計算機(jī)行業(yè)打開了方便之門。?
(五)保持戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)在國際競爭中的領(lǐng)先地位?
美國政府對計算機(jī)技術(shù)的貢獻(xiàn)中最發(fā)人深省的是，政府不僅在計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展初期發(fā)揮了作用，而且在計算機(jī)產(chǎn)業(yè)逐步趨于成熟時，仍然起著重要作用。?
計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，該產(chǎn)業(yè)不再像以前那么依賴于基礎(chǔ)性研究了。政府為什么還要繼續(xù)資助計算機(jī)技術(shù)研究呢?計算機(jī)行業(yè)是一個收益豐厚的高度競爭的產(chǎn)業(yè)，為什么一些大公司不能完全依靠自己的力量進(jìn)行新技術(shù)的開發(fā)?實際上，在70年代后期和80年代初期，美國計算機(jī)產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)增加了對計算機(jī)技術(shù)研究開發(fā)的投入，政府的資助所占比例開始下降。而由于80年代日本的電子工程和計算機(jī)存儲器等技術(shù)開發(fā)，對美國的計算機(jī)產(chǎn)業(yè)震動很大。因此，圍繞提高美國計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的競爭力，占據(jù)世界領(lǐng)先地位這一目標(biāo)，政府和產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合起來，加大了計算機(jī)科學(xué)和技術(shù)研究的投入力度。?
由此我們可以得出兩點主要結(jié)論。一是政府在資助計算機(jī)技術(shù)中的作用是對產(chǎn)業(yè)界的補(bǔ)充，而不是代替產(chǎn)業(yè)界。盡管產(chǎn)業(yè)界的大公司花費(fèi)了大量資金支持和進(jìn)行計算機(jī)技術(shù)研究開發(fā)，也獲得了巨大的成功，但不論是基礎(chǔ)研究還是實用技術(shù)研究，公司目標(biāo)都是商業(yè)化目標(biāo)，而政府目標(biāo)是非商業(yè)化的。政府對整個創(chuàng)新過程起著杠桿作用;二是政府的技術(shù)政策要有整體戰(zhàn)略目標(biāo)。計算機(jī)產(chǎn)業(yè)是美國的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，美國政府的目標(biāo)是使其計算機(jī)產(chǎn)業(yè)在全球占居和保持領(lǐng)先地位。因此，政府不僅對計算機(jī)科學(xué)和基礎(chǔ)研究投入大量資金，還對推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用和推廣投入了大量資金。
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