模糊集論首先由美國控制論專家查德(L.A.Zadeh)於1965年提出。
模糊數學是解決模糊性問題的數學分支。所謂“模糊數學”是相對於“精確”而言的。過去人們研究的問題大都是“精確”的。比如一個電路,不是斷開的就是接通的,非此即比,決不模稜兩可。反映這種現象的數學基礎是經典集合論:一個元素a,要么屬於集合A,要么A的余集,二者必居其一,不會有第三種情況。但後來人們發現:並非所有的現象和概念都象經典集合論這樣“精確”,有許多概念是沒有明確的餓界限的。比如大家都喜歡物價穩定,不願意通貨膨脹,那么在物價穩定與通貨膨脹之間,是否有明晰的界線,使線上的一邊是物價穩定,在另一邊是通貨膨脹呢?回答似乎是否定的,人們有時會感到周圍的環境雖不算通貨膨脹,但物價還是上脹很快。又比如“這輛車開得很快,那輛車開得很慢”,在“很快”與“很慢”間,也沒有明確的界線,而有中間過渡。即有許多車開得不是“很快”也不是“很慢”。所謂模糊就是邊界不清晰,有中間過渡現象的反映。
模糊是普遍存在的。人類的自然語言中,絕對精確的語言是不多的,平時說話、寫文章,甚至給術語下定義,都大量地存在著模糊現象。例如我們說“甲電視劇比乙電視劇有意思”,這句話對甲、乙兩電視劇作了一番比較,得出了恰當的評價,語言是模糊的,但意思是清楚的。它甚至比說“甲電視劇比乙電視劇0.5倍”還準確!!因為你鎝0.5倍是怎么算得的?難道就不是0.4倍或0.6倍嗎?人類的思維大體包括兩部分:一是形式思維,具有邏輯循序的特點,另一是模糊思維,具有綜合性整體思考的能力。這後一部分是幾乎無法用經典的數學方程式來描述的,這就使計算機的仿真十分困難。同時由於研究的系統越來越龐大,要描述這樣一個複雜系統,有時甚至要用到上千個微分方程,建立和解這么龐大的方程組,不但不經濟,而且是可能的。怎樣才能對這類問題做出合乎實際的處理呢?通常是抓住主要的、忽略次要的,也就是模糊化。因此人們迫切需要一套處理模糊性問題的方法。
美國加利福尼亞大學控制論教授扎得(L、A、Zadeh)經過多年的琢磨,終於在1965年首先發表了題為《模糊集》的論文。指出:若對論域(研究的範圍)U中的任一元素x,都有一個數A(x)∈[0,1]與之對應,則稱A為U上的模糊集,A(x)稱為x對A的隸屬度。當x在U中變動時,A(x)就是一個函式,稱為A的隸屬函式。隸屬度A(x)越接近於1,表示x屬於A的程度越高,A(x)越接近於0表示x屬於A的程度越低。用取值於區間[0,1]的隸屬函式A(x)表征x屬於A的程度高低,這樣描述模糊性問題比起經典集合論更為合理例如我們用函式
A)(x)=
表示模糊集“年老”的隸屬函式,A表示模糊集“年老”,當年齡x≤50時A(x)=0表明x不屬於模糊集A(即“年老”),當x≥100時,A(x)=1表明x完全屬於A,當50くx〈100時,0〈A(x)〈1,且x越接近100,A(x)越接近1,x屬於A的程度就越高。這樣的表達方法顯然比簡單地說:“100歲以上的人是年老的,100歲以下的人就不年老。”更為合理。正因為這樣,模糊集論自誕生以來,發展很快,在短短的三十年間,不但理論的框架已基本形成,而且套用的成果也不斷增加,現在套用模糊理論的技術已成為學術和開發的雙重熱點。
說到模糊數學的套用,首先要說模糊控制,這是最早受到注意的領域。模糊控制是英國倫敦大學馬達尼(E、H、Mamdani)教授首先提出的,他與1974年對發動機組的模糊控制進行實驗並獲成功,其後,丹麥對水泥生產爐的模糊控制實驗又獲成功,並與1980年開始實用化。自此以後模糊控制的套用急速發展,所謂模糊控制,就是用模糊數學方法實施的控制。傳統的控制多用線性或非線性的各類方程組(微分方程組或積分方程組或代數方程組)描述系統的餓狀態,困難大,而模糊控制的優點是可避開這些高此、非線性的狀態方程的困難。他把人的知識或經驗用模糊推理規則的形式記述並進行模糊推理,用計算機實施與人腦類似的巧妙控制。下面舉一例說明之。
為了用空調機使室溫保持在最適宜的溫度(比如250C)模糊控制器(記為FCR)是怎樣工作呢?首先FCR中設計一些模糊推理規則。像如下三條:
規則1若室溫熱則加強制冷。
規則2若室溫適宜則製冷力保持原樣。
規則3若室溫過冷則減弱製冷。
這些規則中,“熱”、“適宜”、“過冷”、“強”、“原樣”、“弱”等都是模糊集。當判明室內的溫度(比如300C)時,FCR中的“精確—模糊轉換器”會按照預先設計好的算法,分別算出300C對模糊集“熱”(記為H)、“合適”(記為G)、“過冷”(記為C)的隸屬度H(30)、G(30)、C(30),然後FCR中的模糊算法器就根據規則1、2、3,按模糊推理方法算出模糊控制量。最後這模糊控制量再通過一個“模糊——精確轉換器”化為確定的控制量,對空調機的製冷力強弱實施定量的控制,儘量保持室溫在最適宜的溫度。至於按模糊推理規則計算模糊控制量的算法,則多種多樣,這裡僅介紹馬達尼的模糊推理法。按該推理法,上例中可求:
H(30)∧強(y)=I(y)
G(30)∧原樣(y)=Ⅱ(y)
C(30)∧弱(y)=Ⅲ(y)
其中符號“∧”表示“取小”,“強(y)”表示對“強”的隸屬度,“弱(y)”表y對弱的隸屬度等等,求模糊控制量就是求:B=Ⅰ∪Ⅱ∪Ⅲ,這裡符號“∪”表集合的“並”運算,為求確定的控制量,一般是求B的重心值,由於這裡是用H(30)、G(30)、C(30)分別對“強”、“原樣”、“弱”的頭部進行切割,所以此法也稱“頭切法”。例中C(30)=0,Ⅲ=0所以B實際是I、Ⅱ兩面積的迭加,重心值宰65%處。本例說明了模糊空調的基本原理。
由於模糊控制的數學模型簡單,效果又好,所以對各國政府和眾多的企業都有極大的魅力,他們投入了大量的人力和財務,支持模糊控制套用的研究,現在不僅水泥爐、而且冶金爐、玻璃爐、化工過程的餓模糊控制也開發了,電車運行控制、貨櫃吊裝機控制、水淨化廠藥品注入控制等許多模糊控制都已開發成功,模糊控制的家用電器,像模糊空調機、模糊攝像機、模糊洗衣機、模糊沐浴器、模糊電飯煲等已相繼上市且性能奇好。比如日本松下電器公司的神經-模糊洗衣機,就能根據衣服的布料質量數量,污漬的類型和程度,從13位專家設計的千餘種洗衣方法中選擇最適當的方法洗衣。日立全自動模糊洗衣機也能根據布量,布質決定水流的強度和洗滌的時間,其判決能力很接近人腦。因此模糊產品深受歡迎。日本、南韓、台灣等地已先後出現過“模糊熱”,非用“模糊”命名的產品賣不出去!今後原子爐運行控制,飛機離著陸控制,機器人等高水平的模糊控制,也必將研製成功。除模糊控制外,各種診斷的專家系統、證券投資系統、市場模糊預測、企事業單位評估、地震預報、聲音圖象識別等方面,也都有許多成果。
我國對模糊數學的研究,始於七十年代中期,對模糊數學的理論和方法,提出過許多創造性貢獻,我國在1981——1987年間發行的《模糊數學》雜誌對當時的世界很有影響。套用方面汪培莊教授等人研製成功國際上第二台模糊推理機,推理速度比日本的第一台模糊推理機提高50%且樣機體積只有它的1/10。在中醫診斷方面栗載福教授的工作很引人注目。地震預測預報是我國學者最早取得成果的領域,早在1985年就在北京召開過“地震研究中的模糊數學方法國際學術會議”,我國在這方面的工作已贏得國際的讚譽。此外在天氣預報、人才預測、環境污染、教育管理、科研管理、新產品開發決策聲音圖象識別以及工業農業林業的廣闊領域,都有套用實例。在模糊家用電器方面,已有模糊電冰櫃、模糊空調機、模糊洗衣機等。為適應現代化建設的需要,1994年國家經濟貿易委員會專項撥款上億元開發模糊產品。可見模糊數學的套用已越來越受重視。可以預料,不久的將來,我國對模糊技術的開發,將有更豐富的成果。
總之,隨著各國政府、學者和企業的重視,模糊數學的套用,將在現有基礎上發展得更快,有專家預言:“模糊”的思想方法,將會是下個世紀新的思維方法和熱門話題。