动态贝叶斯网络推理学习理论及应用-肖秦琨 高嵩 高晓光.pdf
动态贝叶斯网络推理学习理论及应用；动态系统；可靠性评估；故障诊断；贝叶斯网络建模；DBN0212/642007动态贝叶斯网络推理学习理论及应用肖秦琨高嵩高晓光著所·萑宫散社北京图书在版编目(CP数据动态贝叶斯网络推理学习理论及应用/肖秦琨,高嵩,高晓光著.一北京:国防工业出版社,2007.10ISBN9787-11805323-4I.动.Ⅱ.①肖.②高.③高..Ⅲ.贝叶斯推断一研究Ⅳ.0212中国版本图书馆CIP数据核字(2007)第122784号※阍所·宫版社出版发行(北京市海淀区紫竹院南路23号邮政编码100044)京南印刷厂印刷新华书店经售开本850×1168132印张9字数233千字2007年10月第1版第1次印刷印數1-3000册定价20.00元(本书如有印装错误,我社负责调换国防书店:(010)68428422发行邮购:(010)68414474发行传真:(010)68411535发行业务:(010)68472764前言不确定性理论在人工智能、机器学习、自动控制领域已经得到越来越广泛的应用。本书以当前国际上不确定性研究领域的核心工具——动态贝叶斯网络为线索,进行了动态网络推理算法、平稳系统动态贝叶斯网络结构学习模型设计、非平稳系统动态网络变结构学习模型设计、基于概率模型进化算法的动态贝叶斯网络结构寻优算法的研究。推理算法以隐变量作为划分依据,讨论了离散、连续混合模型的推理算法,并进行了算法复杂度及应用领域的讨论;结构学习研究首先从度量体制入手,讨论了动态网络度量体制的可分解性,提出了平稳及非平稳系统网络结构学习模型,以及基于贪婪算法思想的遗传算法寻优思想;最终将推理及结构学习理论用于无人机路径规划、战场态势感知、动态数据挖掘、自主控制领域,并通过大量仿真检验。本书的研究工作得到了西安工业大学专著基金及国家自然科学基金重大研究计划(90205019)的资助。本书全面系统地介绍了动态贝叶斯网络的相关理论,重点介绍了动态网络的经典应用和国内外的新发展。全书共分9章。第1章概述了动态贝叶斯网络的产生与发展、基本操作及表达。第2章和第3章为本书的理论基础部分,首先从静态网络已经取得的理论成果及研究内容人手,由浅入深引出动态贝叶斯网络的基本概念及研究方向,确定本书将要解决的主要问题:DBN推理问题和连续变量的DBN结构学习问题。第4章在第3章基础上,详细讨论了三类动态贝叶斯网络的推理即隐变量离散、隐变量连续隐变量混合DBN推理;隐马尔科夫模型是所有离散动态网络的基础故首先介绍其表达及推理,由此派生出其他离散动态网络,并讨论了如何将复杂离散网络转化为简单HMM的方法,通过算法复杂度实验分析,明确了离散动态网络的相应属性,得出了相应结论,为合理选择DBN推理算法提供依据;在推理中,若系统参数未知或为时变系统,必然涉及参数学习,故在讨论三类网络的推理中亦涉及参数学习问题。第5章从静态网络结构度量机制入手,讨论并推导出动态贝叶斯网络结构用于网络结构度量的BC及BD度量机制;通过描述基于概率模型进化算法的构图基础,引出动态贝叶斯网络结构学习机制,即基于贝叶斯优化(BOA)的动态网络结构寻优算法,BOA算法的关键是根据优良解集学习得到动态贝叶斯网络,以及根据动态贝叶斯网络推理生成新个体,前者更为重要,按照本书提出的基于贪婪算法思想的遗传算法解决动态网络学习,然后应用动态贝叶斯网络前向模拟完成后一步。第6章在此基础上,刻画了基于BD度量体制的平稳动态系统DBN结构学习模型设计,并通过仿真验证了其有效性,针对非平稳随机系统DBN的结构学习模型,提出了一种自适应窗口法用于在线自适应学习变结构DEN结构,仿真结果可行。第7章在第4章DBN推理理论的基础上,从以往UCAV路径规划中使用的方法以及涉及的定义、术语等出发,讨论了静态路径规划、动态路进规划及空间路径规划三方面的基本问题,通过对原始 Voronoi图的改进,提出了平面改进型Voronoi图、空间改进型 Voronoi图的概念,以及平面及空间动态路径重规划区域原则等,为动态路径规划提供有力的整体构型支撑进而应用前几章理论基础,建立基于DBN的战场环境感知模型,仿真结果均表明了构图及动态决策模型的正确性。第8章在DN推理及结构学习的理论基础上,将其用于自主优化及动态数据挖掘。将BOA及基于概率模型的遗传算法的静态图形的优化机制进行推广,提出了一种动态优化的新方法,利用DBN作为t到t+1代转移网络,适时改变优化的基本条件,实时确立新的种群及优化的方向使得自主智能体在无人干预下顺利完成一系列复杂任务成为可能,将变结构DBN结构学习模型设计用于动态数据挖掘,实时确定个因素之间的关系。第9章通过两个典型的应Ⅳ用实例,将DBN推理学习理论进行融合,并用于实际模型。附录给出了与DBN结构度量相关定理、性质的证明,为读者进一步研究和学习动态贝叶斯网络提供参考。本书是作者近年来潜心学习和研究国内外不确定性算法理论、方法和应用成果的一个总结。在本书的编写过程中,得到了西安电子科技大学焦李成教授和清华大学戴琼海教授及英国BankUniversity陈大庆教授的热心指导和鼓励,新加坡南洋理工大学的王海芸博土后审阅了书稿,并提出了许多宝贵意见,特向他们表示衷心的感谢。由于涉及内容广泛及限于作者的学识水平,书中疏漏和不当之处在所难免,希望读者不吝赐教指正。作者目录第1章图模型与贝叶斯网络1.1图模型简介1.2动态贝叶斯网络…1.3动态贝叶斯网络应用研究1.3.1动态时序数据分析与挖掘157781.3.2无人机的态势感知与路径规划1.3.3.进化算法与动态贝叶斯网络混合优化………10第2章静态贝叶斯网络2.1静态贝叶斯置信网络2.2贝叶斯网络的特点与应用范围152.3贝叶斯网络的研究内容162.3.1计算复杂性162.3.2网络结构的确定问题…2.3.3已知结构的参数确定问题……182.3.4在给定结构上的概率计算…………192.3.5贝叶斯网络推理算法…19第3章动态贝叶斯网络基础283.1从静态网到动态网283.1.1概述·28Ⅵ3.1.2推导293.1.3动态贝叶斯网络表达………………313.2动态贝叶斯网络的研究内容353.2.1动态贝叶斯网络推理……………………363.2.2动态贝叶斯网络学习…39第4章动态贝叶斯网络推理…464.1隐变量离散动态网络推理……464.1.1模型数学描述464.1.2隐马尔科夫的研究内容484.1.3隐马尔科夫推理学习仿真…534.1.4隐马尔科夫其他拓扑形式…564.1.5一般离散动态网络和隐马尔科夫关系………………584.2动态贝叶斯网络推理算法性能分析604.2.1动态网络转化隐马尔科夫仿真…………614.2.2离散动态网络推理算法比较仿真…634.2.3连续动态网络推理比较仿真724.3模糊推理与隐马尔科夫结合炮火校射754.3.1概述………………………754.3.2模糊动态网络环境感知框架754.4隐变量连续动态网络推理794.4.1模型数学描述…………794.4.2卡尔曼滤波图模型推理………804.5混合隐状态动态贝叶斯网络…………834.5.1模型数学描述…834.5.2混合动态贝叶斯网络推理…864.5.3混合动态贝叶斯网络学习89第5章动态贝叶斯网络结构学习算法…………………915.1动态贝叶斯网络结构度量体制………915.1.1概述915.1.2动态网络的贝叶斯信息度量………935.1.3动态贝叶斯网络BD度量965.2动态贝叶斯网络度量分解性能分析985.3构建动态网络结构寻优算法1145.3.1基于概率模型的进化算法1155.3.2基于贝叶斯优化构造动态网络结构算法1165.3.3学习动态贝叶斯网络…1185.3.4动态臾叶斯网络推理…1275.4基于贝叶斯优化构建动态网络结构算法仿真………128第6章动态贝叶斯网络结构学习模型…1346.1平稳系统动态网络结构学习模型设计1346.1.1模型设计1356.1.2仿真试验1386.2变结构动态网络自适应结构学习模型设计………1446.2.1模糊自适应双尺度…1446.2.2动态系统非平稳程度和平稳性的测量……1516.3非平稳系统网络结构学习仿真试验153第7章基于动态贝叶斯网络的路径规划……1657.1无人机平面静态路径规划·…1657.1.1基本概念……1657.1.2基于相同威胁体的路径规划…166Ⅷ
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随机petri网和系统性能评价
林闯，随机petri网和系统性能评价第二版狮机Per网都系统性能评价(第2版)林闯著清华大学出版社北京内容简介本书是随机Petr网理论和技术方面的专著,主要内容包括:各种随机Petr网理论和分析技术;随机Petr阿的模型方法模型的分解和压缩技术以及性能界限求解技术;随机 Petri网在通信议、ATM网络、柔性制造系统计算机系统和软件系统性能评价、工作流中的应用随机Peti阿软榫具。木书内容基本上是自包含的内容新颖,容易理解,便于应用。主要读者对象是计算机、首动控制等相关专业的大学高级学生研究生、程技术和科研人员。版权所有翻印必究。举报电话:010而282989135012566781380310933本书封面贴有清华大学出版社防伪标签,无标签者不得销售。本书防伪标签用特殊防伪校术,用户可遴过在图案表面涂抹清水,图案消失水干斤图聚复魂;或将表面得下,放在白纸上用彩笔涂抹,图案在白纸上再现的方法识别真伪a图书在版编自{CIP)数据随机 Petri阿和系统性能平价/林陶著.2版.一北京:清华大学出杜,205.4ISBN7-302-10651「.随…Ⅱ.林…Ⅲ.计算机网络F.TF393中国版本图书馆C]P数据核字(205)第020115号出版者:清华大学出版社地址:北京清华大学学研大度http://www.tup,comrn邮编:100084杜总权:010-6270175客户服务:(10-6277969资任编辑:醛證印利者:北京矗丰华彩印有限公司订者;…河市李旗庄少明装订厂发行者:新华书店总店北京发行所开本:185×260印张:23,75字教:546干字版次:n5年4月第?版205年4月第1次印刷书号:ISN7-502-10651-7/TP·7213印数:01~3000定价:49.00元第2版前言K随机Peti网和系统性能评价》一书出版已5年了,一本好的科技书都悬要通过使用、修改、再使用、再修改,而且计算机技术的发展日新月异,随机Per网作为描述计算机系统和网络的种重要的性能模型和分析具,也要不断完善,从而造应日益复杂的各种新的应用领域。因此在木书的第2版中,新增加了作者及网内外相关学者近些年来在该领域的最新科研城果:(1)在第5章中增加了一节“非乘积解随机 Petri网的乘积形式近似求解”,(2)在第6章中增加了一节“随机 Petri网非乘积解系统的判定与界限求解”,〔3)新增了第11章“在Web服务器集群中的应用”和第12章“在工作流中的应用”。同时,本版对原版中的一些错误也进行了更正。作者2095年2月12日前随着计算机科学和技术的发展,计算机应用不断普及和深入,人们越承越感到计算机系统性能评价在社会技术进步中的重要性。计算杌系统性能评价研究的目的主要有三个:选择、改进和设计。在众多的系统(方案)中选择—^最适合需要的系统(方案〕,即在一定的价格范围内迭择性能最好的系统达到较好的性能价格比;对已有系统的性能缺陷和瓶颈进行改进和提高其运行效率;对未米设计的系统进行性能预测,在性能成本方面实现最佳设计或配置计算机系统的性能般包括以下两个方面:个方面足它的可靠性或可利用性,亦即,计算机系统能正常工作的时间,其指标可以是能够持续工作的时间长度,如平均无故障时间;也可以是在一段时间内,能正常工作的时间所占的百分比。另一方面是它的处理能力或效率。这又可分为三类指标:一类指标是各种吞吐率,如系统在单位时间内能处理正常作业的个数。另类指标是各种响应的时间,即从系统得到输人至给出输出之间的时间。再一类指标是各种利用率,即在给定的时间区间中,各种部件(包括硬设备利软系统)被使月的时间与整个时间之比。当然不同的系统对性能指标的描述有所不同例如局域网络常用的性能评估指标为信道传输速率、信道吞吐量和容量、信道利用率、传输延迟、响应时间和负载能力等计算机系统的性能取决于多种因素,最基本的因素是系统的配置{即指系统构成所包括的各种软件、硬件的成分、数量、能力和系统结构、处理和调度策略路等〕和系统负载(即指工作负载和丁作方式例如交方式批处理方式等性能評价的主要仟务就是研究系统配置、系统负载性能指标之间的相互关系。性能评价的方法大致可以分为两类:1)测量方法通过一定的测量设备或一定的测量程序可以直接从计算机系统测得各项性能指标或与之密切相关的量,然后由它们经过些简单的运算求出柑应的性能描标。这是最直接也是最基本的方法,其他方法在定程度上也要依赖于它。但是这种方法只能适用于已经存在并运行的系统,面且比较费时间。测量方案和测量手段是测量方法的关键(2)模型方法首先对要评价的计算机系统建立一个适当的模型,然后求出模型的性能指标,以便对系统进行性能评价。模型中一般包括许多参数,这些参数的确定往往依赖于对实际系统的测量结果或对系统参数的佔价。与测量方法相比,模型方法有两个优点:—是它不仅可以应用于已有的系统的性能评价,而且也可以应用于尚未存在系统的性能预测;是它的T作量一般比测量方法要小,比测量手段的费用要少。模型方法又可分为模拟方法和分析方法两种。模拟方法是用一个程序动态地模拟个系统及其负载。一般首先使用一个模拟语言来为系统建立模型,然后在模拟时,通过随机Per网和系统性能评价用负载驱动系统模型从而得出模型的性能指标。模拟方法可以详细地刻画系统,得出较精确的性能指标,但是构造和使用模型时的费用较高。分析方法则是应用数学理论与方法来研究和描述性能与系统、负载之间的关系。为了数学上描述与计算的方便,往往要对系统模型进行-些笸化和假设,因响这种模型刻画系统的详细程度较低,得出的性能指标精度也较低。但是这种方法理论基础强,可以明显地刻画备种因素之间的关系,而且构造和使用模型时的费用也较低。随着讦算机技术的发展,系统的庞大和复杂化使得系统性能评价问题变得越来越复杂并越来越引起人们的重视。提供有效的数学理论工具、直观的模型描述方法和有效的模型分析方法以及实用的辅助分析软件,是系统性能评价所而临的迫切需要解决的问题,这也正是本书所要介绍的随机Petr网分析技术的核心性能分析方法传统上采用排队论数学埋论来鮮决系统的描述问题,数学求解的基础是马尔可夫随机过程。80年代初随机 PEtri网的提出为系统的性能分析又提供了个新的数学述工具。随机 Petri网研究爿前已是一个热门课题。Petri阿是可应用到很多系统和领域的图形和数学模型工具。 Petri网是信息处理系统描述和模型的有力工具之一,它的主要特性包括:并行、不确定性、异步和分布描述能力和分析能力。作为图形工具, Petri网除了具有类似流程图、框图和网图的可视描述功能外,它还可通过标记( token)的流动模拟系统的动态和活动行为,所以可以说, Petri网是动态图形描述工具。作为数学工具, Petri网可以建立状态方程代数方程和其他数学模型来描述系统的行为。 Petri网既可为理论工作者也可为程人员所使用。它可以作为理论者和实践者之间的通信媒介,以便于人们进行交流和理解随着信息处理系统的日益庞大和复杂化,人们越来越需要采用系统T程的方法来设计和维护信息处理系统。在信息处理系统的整个生命期内,采用图形化的数学工具来完成系毓的形式描述、系统的正确性险证、系统性能的评价、系统的「标实现和测试是卡常必要的。 Petri网是适应上述各项任务的有效工具,可以在一个 Petri网系统模型的框架上完成各项任务。在这-点上,其他图形或数学工其则不具备如此的功能系统性能评价方法,尤其是排队纶分析方法的发展和所遇到的问题,包括并行系统的资源共享描述和非乘积解的问题,给Peri网应用领域的拓宽和发展带来了勃勃生机。从8年代初随机 Petri网提出以来,系统性能评价过成为 Petri网最成功的应用领域之从1985年起,相关Pet网和性能模型的国际研讨会也开始召开,这个研讨会每两年召开一次。在随机Peri网简短的发展历史中,它的应用范围经超出了讦算机科学成为研究离散事件动态系统的一种有力工具。很有前途的应用领域包括计算机网络、分布式软件系统、分布式数据库系统、并发和并行计算系统、柔性制造与工业削造系统、离散事件系统、多处理机系统、容譜与故障诊斷系统、办公自动化系统和决策模型等。作者进行了不同级别 Petri树和各种随机 Petri网的多年研究,并在国际上首先提出了随机高级Peti网及其分析技术和在一些系统性能评价中的应用。本书的主要内容是作者十多年工作的总结。据作者所知,本书是国内外第一本随机Petr网理论和技术方面的专著。本书的目的是使读者能基本掌据随机Peri网的理论模型方法、分析技术和前言应用思路;同时了解当前隨机Petr网理论和庇用的发展,为读者的系统性能评价学习丁作和研究课题提供一条有效途径。本书的主要内容包括四部分:1)在第1章至第3章中介绍了各种随机Petr网理论和分析技术,包括随机 Petri网(SPN)、广义随机Petn网(GSPN)、随机回报网(SRN)随机高级 Petri网(SHPN)和确定与随机Petr网(DsPN)。在这些Petn网理论和分析技术中,着重描述了可达集和稳定状态概率的算法,可达分析和入变量的计算及分析方法。介绍了系统的性能特性分析和算法。这部分是随机 Petri网的基础知识,足学习其他章节的基础。2)在第4章至第6章中讨论了随机Peri网的模型方法,随机网模型的分解和压缩技术以及模型性能界限求解技术。SPN模型性能评价的一个主要问题是模型状态空间的爆炸状态的数量会随着模型的规模和复杂性的增加而是指数性地增长,使实际系统的性能评价不可能。这一点会严重地阻得SPN模型的实际应用,也是当前SPN研究的热点问题。这部分所介绍的技术可以应用到各种复杂大型系统的性能模型和评价屮,这些技术是掌握SPN分杆方法的关键,也是深入进行SPN研究的基础。(3)在第7章至第10章屮,着重介绍了随机Per网在通倍协议性能模型,ATM网络性能模型、柔性制造系统性能模型以及在计算机系统和软件系统性能评价中的应用。在随机Per网的应用中,注意了专有对象的描述问题的求解及分析方法的有效性。介绍了一些基本计算杋和网络系统的性能模型方法,系统模型的基本化简技术,系统性能参数,例如系统的吐吞量资源的利用率和用户平均响应时间等的实际计算和分析。(4)为了方便读者使用随机Petr网软件工具,在第12章中介绍了随机Peti网软件包—SFNP确定与隨机 Petri网敦件包 DSPNexpress以及本书作者开发的随机高级Per网辅助软件 SHLPNA。在SPNP的介绍中,侧重介绍实际模型例了的分析软件程序,读者很容易套用这些例子编写自已的软件程序。而在 DSPNexpress和SHLPNA的介绍中,则侧重程序和数据结构的描述,读者可以了解随机 Petri网软件工具的开发和使用。本书的主要特点是:(1)书中的内容基本上是自包含的,随机Petr网的知识完整。本书包括了随杌Pet网理论、模型方法、化筒技术和应用以及软件工具的介绍。(2)容易理解,便于应用。本书淡化了数学形式的描述,注重了实际系统的模型;对于每种形式的定义和推导,都给出模型例了进行引导。软件T具的介绍便于读者对实你问题模型的理解(3)内容新颖。本书包括了随机Pet网领域的主要最新研究成果和作者近年来的工作目前在随机Petr网领域里已取得的成果远多于本书所介绍的内容。本书仅是学习随机 Petri网的第一步,深一步的学习还需读者阅读其他资料。囡家自然科学基金委员会和国家重点基础研究发展规划项目(编号:G1999270307Ⅵ随机Petr网和系统生能评价对作者的研究T作给予了连续的资助,本书的出版得到了“国家科学技术学术著作出版基金”的资助。北京航空航天大学计算机系杨文龙教授、中国科学院数学研究所陆维明研究员和上海复旦大学计算机系是时霖教授对本书的内容进行了认直的审阅,在此一并致谢本书写作期间,我的家人和朋友给了我极大鼓励科帮助,作者谨以此书献给我的家人和朋友林闯1998年12月于北京目录第1章Per网的基本概念和术语1.1Peri网研究与发展简况……冒甲昏■■看暑1.2 Petri网模型介绍…1甲甲■卜昏督晶b1.3网的基础知识…1.4位置,/变迁(PT)系统…5高级Peri网(HLPN》系统…甲甲冒鲁■■倡F■晶口1.6不同级别系统之间的关系与变换………参考文献血自自L甲14第2章几种随机Petr网模型与分析方法2.1随机时间变迁的实施…甲1冒■■■1b山bbh甲 D4D PE292.2随机 Petri网(SPN232.3·义随机 Petri网(GSPN}·甲1·甲1山*···啊…B"22.4随机回报网(SRN)……日日甲甲■■血pd2.5确定与随机 Petri网
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