气象预报智能系统集成化问题的研究.pdf
气象预报智能系统集成化问题的研究林孔元黄瑞祥刘正光周远晖(天津大学自动化系,天津3 000 72)提要气象预测预报是人类 的一种复杂的认知行为,气象智能系统的集成和任务分配应当以预测预报行为的认知进程为依据。在气象预报智能系统的集成过程中,具有天气过程理解能力的集成平台的设计是一个关健性的步骤。关键词:数据熔合过程理解智能系统集成引言据到初级信息形态(智能数据 l j)的转换。在智能数据的概念及智能数据库体系的确这一过程中,人们对观测数据进行鉴别、修正立,推动了气象智能预报系统的综合化和集并将它们置于特定的大气环境中进行识别和成化研究的进展 l一3二。智能系统结构的集成聚类,从而形成一些有特定信息涵义 的数据化应如何设计才能有效地支持综合化功能的团。实现,这是当前面临的一个重要课题。阶段2状态及过程综合过程气象智能 系统的集成,应以人类专家的这个过程完成从初级信息形态到结构明预测预报行为的认知进程为依据。事实证明,晰的高级信息形态(知识)的转换。在这一过机器还远不能重现人类的全部认知行为,所程中,人们将上述的数据团和所观测的整个以任何大型智能系统的组织和运行,都应当空间相联系,形成天气系统状态的完整描述,采取兼收并蓄多种技术手段,并求助人的协并按时间的顺序联系起来,形成对天气过程助的综合策略闭。的具体化的认识。在系统集成化中,集成平台的设计是重阶段3预测预报过程要的。集成平台是系统结构的核心,也是系统这是知识运用过程。在这一过程 中,人们的通讯 中枢和运行调度的中心。一个高度智将感知阶段所获取的天气状态和过程知识,能化的集成平 台是智能系统运行品质的保置于气象专门知识和专家经验的背景中进行证。深层次的处理,形成对天气系统未来状态及本文论述以上 的观点并提出气象智能系演变进程的规律性的认识。统集成框架设计。从所需背景知识的数量及知识运用的深1气象预报行为的认知过程分析度来看,阶段1是认知过程的初级阶段,阶段按照认知心理学的观点,对天气过程复2是中级阶段,阶段3是高级阶段。图1是上杂时空关系的思索过程包含知识的 形成(感述认知过程的图示模型。在我们的研究 中,这知过程)和知识的运用(思维过程)两个层次,个认知模型被直接用 于指导智能系统集成化我们把它分解为3个阶段:设计。阶段1数据熔合过程2气象智能预报系统的集成框架数据熔合(da tafu sion户5过程完成从数气象智能预报系统是一种大型的机器智气象第20卷第6期预预测预报报皿皿至至至至至至至状状状态综合合合过过过程鱿荞合合合 数数据铭含含数数认l原原阶段3知识处理层一阶长信息处理层阶段1敌狱处理)图1顶测预报行为的认知模型单线箭头和双线箭头分别表示此过程协调指令流向和信息流向各类专家系统层次3一预测预报系统节点或通讯联系集成平 分(黑板 系统)层次2天碑以程理解系统智能数据库介教据流图形和图象处理介数据 流层次盈智能数据库系统数据协调云图数据天气图数据 其他观测数据图2气象智 能预报系统的集成框架能系统,根据我们在引言中所阐明的观点,这个系统应分成3个层次来组织,以分别完成3个 阶段认知过程的机器实现(参见图2)。这3个层次分别称为“智能数据库系统”,“天气过程理解系统”和“预测预报系统”。2.1智能数据库系统智能数据库系统完成从数据到信息的转换,它的运行方式以数据处理为主要特征。在智能数据库系统中综合运用了多项技术。该系统包括如下几个环节。211数 据协调 环节(data:e e oneilia-t io n)6。它 运 用参数估计和数字滤波的方法完成对观测数据的鉴别与修正;2.1.2图形和 图象处理环节。它涉及数字滤波、尺度分离及信息压缩等多种方法的运 用,完成从云 图和天气图中提取关于特定天气子系统的状态和特征信息;2.1.3模式识别环节。它借助统计的、结构的和模糊的方法,完成数据熔合的过程;2.1.4智能数据库环节。它以静态存贮的方式存储称之为智能数据的、经熔合后具有初级框架结构的数据团 l j,并在库管理系统的支持下完成数据的维护、管理以及和上层系统的通讯。智能数据库系统的研究在国内已经取得很大的进展,这为系统集成化的实现打下 了坚实的基础。2.2过程理解系统处 于中间层上的 这个系统完成从信息到知识的转换。这是一个各种初级的信息形 态在大气环境 中的深度熔合过程,它实质上是一个信息形态在特定环境中的释义过程。这个过程与Al的自然语言理解 中语词 和语句在语用环境中的释义过程相类似,所以我们把它称为天气过程的理解。我们从过程理解的角度来组 织这一层系统的另一方面 的考虑,是要求该系统所生成的天气系统状态和过程,描述具有明确的天气学上的涵义,使之更接近气象专家的思维方式,便于上 层各类专家系统运用。作为系统的集成平台,过程理解系统还肩负集成系统的层间及人一机通讯和运行调度的职能。这种职能是由一种称为“黑板”的动态数据库形式加以实现 的,我们也可以把整个过程理解系统看成是一个“黑板”系统。天气过程理解系统是气象智能系统的核心,目前关于它的研究工作尚不多见,所以应当予以特别的关注。我们将在本文的第4节中对它作进一步的论述。2.3预测预报系统在这一层 上集聚了多种类型 的气象预报专家系统,其中也包括人工神经元网络预报系统。它们根据各自的预报要求向下一层索取有关的预报因子,用以支持各 自的运行。这些系统以点对点的通讯方式直接“挂”在下层的集成平台上,这种联结方式有利于集成系统的高效运行。气象第2 0卷第6期预测预报系统以知识处理为主 要特征,是集成系统中智能度最高的层次。国内气象专家系统的研究起步早,成绩显著,近两年在人工神经元网络预报系统的研究方面也取得了一些进展。应当说,已经研制成功的多种专家系统都可以以一定的方式集成到系统中。3集成平台根据前面 的讨论,我们可以把集成平 台在气象智能预报系统 中的功能归结为:集成系统的通讯枢纽。它完成各子系统间 的联接与交互。集成系统的运行调度中心。它以人 机交互的方式统筹 系统综合功能的实现。大气环境信息的处理中心。它将环境观测数据和资料熔合为天气过程的完整描述,完成从数据到知识的转换。上述3项功 能是 集成平 台的综合性功能,人们往往从不同的角度而强调 它的某一部分功能的实现,对集成平台给予 不同的称呼,提供不同的设计。当强 调通讯与调度功能时,集成平台被 称 为黑 板 系统(B la ck bo ads ys tem),并关注其通讯方式和人机接口的设计。在我们的研究中强 调 的是它 的信息处理功能,并称之为天气过程理解系统。本节给出过程理解环节的设计框架,关于完整的黑板系统的讨论与设计,我们将另撰文作专题论述。3,1过程理解系统的结构设计图3表示 天气过 程理解系统的结构框图,它由下述几个部分组成:3.1.1环境模型库。这是一个静态数据库,大气环境的时空关系的完整描述存放其中誉誉誉誉誉誉誉誉誉预预预报校型库库库过过过程分析器器器动动动动动动态知识;卜卜智智智智智智智智智智智智智能能能能能能能能能能能能教教教教教环境模型库库库据据据据据据据库库库库库库库预报囚丁状态与过程描述圈3天气过程理解系统的构成环境描述以框架形式表达,所以这个库实 质上是一个框架系统。3门.2过程综合器。它由一组用于操作框架的 幽灵函数组成。这些 幽灵函数将取自智能数据库的数据,与环境模型相熔合,生成天气状态和天气过程的完整描述。3.飞.3动态知识库。它存放天气状态和天气过程描述。这个库采用动态库结构是为了便于上 层系统(各种专家系统)和人机接口系统对它实施控制和管理,包括询问、检索、修改、补充和 调度等。这个动态库是集成平台的一块“黑板”。3门.4预报模型库。这是一个静态库。它存放各种天气过程 的形态学预报模型,这些 预报模型是各种特定的天气过程演变 的主要 约束因素的集合,它们也以框架 的形式表达于这个库中。3.1.5过 程分析器。这是一个动态 的程序库,存放一系列 的过程分析子程序。这些子程序对预报模型和天气状态及天气过程描述 进行匹配操作,生成预报因子。这些预报因子或提供上层预报系统使用或 由人机接口输出供专家检验和修正。这个环节是集成系统中的另一块“黑板”。3.2天 气过程理解系统的运行分析图4表示 环境模型 的框架表达体系。这是 一个5层结构的框架系统,每一个框架都表达 了框架名的概念涵 义以及概念之间的相互关系,所以环境模型是大气环境的状态、结构及演变的语义表达体系,可充分支持天气过程的机器理解过程。过程的理解过程由两个方向相 反的子过程组成,即模型驱动过程和数据驱动过程,前者完成数据检索,后者完成状态和过程熔合。3.2门模型驱动过程。这个过程从环境模型出发,按图4中右向箭头方向运行。系统应上层或用 户 的要求,按指定的日期、地域、空 间层次,天气形势及具体的物理量场的顺序,自上而 下遍历环境框架系统,提出相 应 的量场框架并从智能数据库中检索对应 的数据加以填充。气象第20卷第6期框框架名名时间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间间框框框框框架名名地域域域框架名名状态态态态态态态态态态态态态态框框框框框框框框框框框框框框框框框框框框框框框框框架名名卜0 0o Pa形势势上上层层自身身身上层层时间框架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上层层地域框架架架上层层状态框架架日日期-地域框架架架地域l l l状态框架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状 态1 1 1,阅hPa形势势势形势l l l高度场场日日期2 2 2地域框架架架地域2 2 2状态框架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状状态2 2 2so oh pa形势势势形势2 2 2温度场场日日期n n n地域框架架架地域.状态框架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架架状状状状状状状状状状状状状状状态n n n n n n n形势。框框架名名高度场场上上层层70 0hpa形势势槽槽槽槽槽槽门门门门门门门门门门门门门门脊脊脊脊脊脊口口口口口口口口口口口口口口门门门门门门门门门门门门门门门门门门门门门智智能数据库库库库库库库图4大气环境模型3.2.2数据驱动过程。这个过程从智能数据库出发,自下而上遍历环境框架系统,按图4中左向箭头的方向运行。智能数据库按指定的时段和地域、空域被检索,并填充最下层的各物理量场框架的槽、脊等,然后利用框架系统的继承特性逐级向上,在“地域”框架层完成空间状态的熔合,在“时间”框架层实现过程熔合。4结论4.1智能数据的概念和智能数据库的建立,为气象智能预报系统的集成化打下 了基础;4.2智能预报系统的集成,应以气象专家预测预报行为的认知进程为依据;4.3天气过程理解系统的设计,是气象智能预报系统集成的关键步骤。致谢:北 京气象学院 张元 篇副教授,天津市气象 台梁平德高级工程师及浙江省气象科学研究所俞善贤高级工程师为本项研究提供多方面的支持和帮助在此一并表示感谢。参考文献l王耀生.智能数据库.气象,198 9,15(4).2王耀生.天气过程语言.气象.19 9。,1 6(5).3周曾奎江苏省综合天气预报专家系统.气象.1993,1 9(8).4戴 汝为.王压.智能系统中的互补策略.模式识别与人工智能,29 9 3.6(z).5R.S.Mah.“Re eo neiliationandRe etifie atio nofPro ces sFlowa ndInventoryData”.Ind.Eng.C hem.Pro ces s1天5.1死v.1 5(l):1 7 5一18 3.6C.M.Cr owe.“Re e oneiliatio nofPro ce s sRate sbyMatrixProje etio n,Pa rt1a ndPa rt11”.A ICH EJou rn al,2 9(6):8 8 1一8 8 8and3 2(4):6 1 6一623.7J.L lina s,Rieha rd T.Anto ny.“B la ck从刀rd Co n c ePtsf orD ataFusio nAPplieatio ns”.Inte rn atio n alJour na】o fP at-ter nRe cogn itio na nd Ar t ifieial Inte伍g en c e.199 3,7(2):2 85一3 08.andCe S S-keyOntheIntegr ationofIntel ligentWe atherFo ree astingSystemLinKong yu anHu angRuixiangLiuZheng gu a ngZho uYu anhui(D epa rtmentofE.E邑Automatio n,TianjinUniver sity,300 0 7 2)Abstr8 CtHuman5beha vio rofwe atherfore e asting15av e ryeomplie atede ognitivea etion.Organizationtask distributio nofintel ligentwe atherfor e e a stingsystemmu stbeba sedontheeognitiv epro-D esignofanintegratedplatformwhieh hastheabilitytounde r standwe atherpro ce s sisastePInsystemc onstru ctlonKeyWo rds:datafusio npro ces sunder standingintelligentsystemintegr atio n气象第20卷第6期
