翁文波院士信息預測理論和方法體系回顧

翁文波院士信息預測理論和方法體系回顧

翁文波是著名的地球科學家、石油科學家和預測專家，在國內外學術界享有很高的聲譽。1966年3月8日,河北邢臺發(fā)生強烈地震。3月9日,翁先生接受周恩來總理的委托連夜去邢臺地震現(xiàn)場考察。4月27日,周總理召見李四光部長(地質部)和翁先生,希望他們開展地震預測研究。1967年3月河北河間發(fā)生地震后,周總理又單獨召見翁先生,希望他在地震預測方面放“異彩”。翁先生牢記周總理的重托,此后28年,把全部精力用于地震、洪水、暴雨等嚴重天災預測及信息預測理論的研究上,勇于破除傳統(tǒng)科學方法的局限,創(chuàng)立了以信息學為基礎,以信息(秩序)為主要研究對象和核心的新的信息預測理論體系和方法,從而在天災預測方面取得了重大突破性進展,被譽為“當代預測宗師”。黃汲清院士稱贊翁老“勇于創(chuàng)新、敢于超越的精神是他最突出的品質?！北疚木臀汤蟿?chuàng)立的信息預測理論和方法體系作一簡要回顧,以對這位杰出科學家的緬懷和紀念。其五,關于預測的認識預測就是事先估計。預測未來是人類各種智力探索中最神奇、最困難,也是最有用的事情。“凡事預則立,不預則廢”。許多事情要能夠辦得較好,在于有一個切合實際的計劃,其中就有預測的成分。每個國家、每個單位、每個人都處于自覺或不自覺的預測之中。這是由于預測存在于人類社會活動的許多領域,事關國計民生,十分重要。人類為了生存和發(fā)展的需要,人們一直致力于預測科學的發(fā)展。翁老認為:最大的科學問題就是預測和評估。應用科學的基本理論信念,來進行預測的可稱為科學預測?？茖W從幾百年前誕生以來,人們一直重視預測問題。如哈雷預測1758-1759年有一個彗星回歸。在他去世后十幾年,哈雷彗星果然如期來臨。現(xiàn)代自然科學主要是通過分析、實驗、邏輯推理、數(shù)學方法來進行預測。經(jīng)過幾百年努力,在許多領域中取得了輝煌成果。20世紀以來,在天災預測中,主流學者應用最多的方法是統(tǒng)計預測方法,如方差分析、時間序列分析、譜分析、濾波、多元統(tǒng)計分析等。國內外對統(tǒng)計預測討論和研究很多,成為學術界應用的主流。由于統(tǒng)計預測方法是對常態(tài)事件的預測,它對突變情況和異常事件的預測則難以奏效,因而對大地震等突發(fā)性災變事件的預測成為世界性的老大難題。于是,在一些學者中形成了對地震預測的悲觀觀念,認為地震是不能預測和預報的。從信息預測理論來看,這是由于他們在理論上局限于物理體系、抽象體系,在方法論上局限于統(tǒng)計預測方法,在哲學上局限于唯理性認識。唯理者側重于講道理,從理論出發(fā),一種理論解釋一種現(xiàn)象。許多理論都要有一些假設。由于客觀事物的復雜性和多變性,假設成分越多,使用起來失真的東西越多,理論推出的結果與實際情況往往相差甚遠。翁老認為:理論錯了,再好的方法也等于南轅北轍。如果被認為是很好的理論,但是不能夠解釋客觀存在的復雜事物,那就會得出“不可知(不能預測)”的看法。這顯然是違反認識論的。因此,翁老提出“信息預測理論體系”,并指出:21世紀有可能把預測作為一門獨立的學問進行研究,完整和科學的“預測學”,將是人類文化在信息時代的核心之一。信息預測理論的創(chuàng)新與發(fā)現(xiàn)翁老強調:“創(chuàng)新在于重新認識”。他的信息預測理論和方法都是對現(xiàn)有通用的基本概念和理論進行重新認識的結果。1.信息體系與認識科學翁老針對目前預測科學在認識論和科學方法論方面的局限,以及天災預測的客觀實際,提倡用唯象的方法:強調從實際出發(fā),發(fā)現(xiàn)問題和解決問題;創(chuàng)造性地提出了認識科學上的三個體系,即:抽象體系、物理體系和信息體系。并由此提出了信息預測科學理論。預測論的發(fā)展是建立在認識論的假定下。在1988年的一篇論文中,翁老創(chuàng)造性地提出:認識可劃分為三個層次的認識體系。它們是:抽象體系、物理體系、信息體系。人類的認識體系可劃分如下:其中抽象體系、物理體系是已被研究得較多的,而信息體系是由翁老首先提出的新概念。三個體系對事物的認識有不同的標準。例如對數(shù)字的精度要求方面:抽象體系要求數(shù)值絕對精確,物理體系要求數(shù)值盡可能精確,信息體系對數(shù)值的要求是恰好滿足需要?！耙蝗~知秋”,一片飄落的黃葉就足以提供一種信息,用以預測秋天的將要到來。在1990年他強調指出:預測的基礎是認識科學。認識科學的基礎是認識體系。2.ti-ty的統(tǒng)計說明翁老十分重視對數(shù)據(jù)的基本性質的研究。他提出:數(shù)據(jù)是科學實驗的基礎資料,其中包含了認識研究對象的信號。在進行預測時,用什么數(shù)據(jù),選擇何種方案,都需要人的智能較多的干預。通過對數(shù)據(jù)基本性質的研究,他提出了對有關實體、自然數(shù)、整數(shù)等基本概念的許多重要新認識。物質世界(至少它的一個局部)是由各種可數(shù)的結構單元組成的。實體(enti-ty)都是可數(shù)的。一切實際存在的物體和一切發(fā)生的事件都由它們的基本單元組成,這些基本單元是可用自然數(shù)來數(shù)個數(shù)的。物體的基本單元有如:光子、電子、細胞、嬰兒、星球等。他們只能一個一個的存在,不存在半個,如半個電子或半個嬰兒都不可能存在。事件的單元有如:原子裂變、地震、暴雨、革命等。他們只能一次一次地發(fā)生,不能發(fā)生半次,如不可能發(fā)生半次裂變或半次革命。這些單元的數(shù)目都是自然數(shù),所以自然數(shù)可以看作是反映客觀世界本質的一種重要的秩序,也就是信息。自然數(shù)加自然數(shù)仍是自然數(shù),因此,自然數(shù)表達的秩序不會因加法處理而失真。減法雖然是加法的反面,但自然數(shù)減自然數(shù)未必是自然數(shù)?？梢姕p法處理可能使自然秩序失真,但同時卻把自然數(shù)擴張為整數(shù)。整數(shù)加、減整數(shù)仍是整數(shù)。整數(shù)所表達的秩序不因加、減處理而失真。和自然數(shù)一樣,整數(shù)也是反映客觀世界的一種重要秩序。翁老認為:“在數(shù)學中越復雜的運算,假設的成分越多,使用起來失真的東西也越多,結果與實際情況也就相差甚遠”。翁老提倡用唯象的方法:從實際出發(fā),發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。自然現(xiàn)象其客觀的實際,在對它進行預測的過程中,必須盡量避免主觀因素的介入。3.信息的可公度性翁老把“信息”賦予新涵義。認為信息是指信息體系中的元素、元素集和子體系,它表征系統(tǒng)的“序”的概念。翁老提出:自然數(shù)、整數(shù)的信息體系在自然科學中占有十分重要的位置。自然界中存在著由自然數(shù)或整數(shù)傳遞信息的某種秩序,且不會因加減法處理而失真。可公度性是自然界的一種秩序,是系統(tǒng)的一類信息,它表達了系統(tǒng)元素中的可以共同度量的某種規(guī)律。許多客觀事物中都存在著可公度性。將可公度性用于信息研究中,這就把對信息、自然數(shù)、整數(shù)、有序的理論意義的理解提高到一個新的階段。翁老強調:信息是體系中的“特性”或“差異”,正是統(tǒng)計量的反面,卻往往是認識這一體系的主要方面。信息預測理論中所選用的可公度性并不是傳統(tǒng)意義上的模型。4.體系中各元素的之間的分類翁老認為:依據(jù)所用的方法及其理論基礎,目前一般預測,大體可分為兩類。一類是以體系中各元素的共性為依據(jù)的統(tǒng)計預測。另一類則是以體系中各元素的特性為依據(jù),與統(tǒng)計預測相區(qū)別的信息預測?！靶畔㈩A測”這一新領域的提出,包括一系列新概念。1統(tǒng)計量的取得和預測的基本原理翁老把客觀存在的事件劃分為兩類:常態(tài)子集和異態(tài)子集。常態(tài)子集的事件是一般、經(jīng)常、常規(guī)等有代表性的事件,它們的主要要素是統(tǒng)計量,如數(shù)學期望、方差、平均值、中位值等。取得這些統(tǒng)計量的理論是概率論和數(shù)理統(tǒng)計學。這一方法的指導思想是樣本(數(shù)據(jù))越多越好。因為樣本越多,其平均值越接近總體的均值,從而有較大的可靠性,容易得出有規(guī)律性的研究結果。異態(tài)子集的事件是異常、例外、特款等事件。它們的主要要素是信息,取得信息的理論是信息論。應用這些原理和方法進行預測的是信息預測。它屬于求異的方法,提取為數(shù)不多的有用信息,再用加減運算來表達,這種方法可以較好地預測某些突發(fā)事件的發(fā)生。嚴重天災是屬于異態(tài)事件,它的時空分布規(guī)律與常態(tài)事件有很大的區(qū)別。2數(shù)學方法的信息模型翁老區(qū)分兩類預測模型:一類是以體系中各元素的共性為基礎的統(tǒng)計模型;另一類是以體系中各元素的特性為基礎的信息模型。在數(shù)學方法中,翁老從以研究共性為主的統(tǒng)計學走出來,新開拓了以研究特性為主的信息學。翁老把信息預測定義為“否定隨機性為原則的信息預測”。信息預測是以研究對象中的特性為基礎的。對兩種方法的基本差別,翁老概括為:“從常態(tài)要素可作‘統(tǒng)計預測’,以知其大概。從異態(tài)要素可作‘信息預測’,以知其特性?！?“比”與“信息”的基本思路信息預測方法是從局部數(shù)據(jù)中進一步(通過某種信息代數(shù)的方法)挑選其中有用數(shù)據(jù)(有時是少量數(shù)據(jù)),尋找對所需解決問題有用的信息,再以少量數(shù)據(jù)進行預測。信息預測方法把整個運算的目標集中在與預測的具體(個別)事件有關的研究或預測中。因此,其基本思路可概括為:從局部到個別的比較和分類的方法。在科學哲學中使用“類比”的方法與信息預測方法較為相似。兩者都是從局部到個別的推理方法,不受或少受已有理論框框的束縛。但是,類比是比較事物屬性的相似性,而信息預測方法則是比較事物關系的相似性(信息)。因此,信息預測是比類(類似于中國古代的“取象比類”),而不是類比。翁先生的大量預測實例,都是從實際情況里面找出信息來并作出預報的。當然,他也不排除唯理的方法或者部分唯理、部分唯象的方法。例如,他提出的“生命旋回”模型,相當成功地預測了世界油氣資源的年產(chǎn)量基值和發(fā)展趨勢。他的預測結論對世界各國的經(jīng)濟決策部門有重要意義(呂牛頓,2001)。信息預測理論的內涵翁老的預測科學理論體系有自己特殊的哲學思想和學術思想,他的預測理論是以信息預測理論為核心的。信息預測理論是一個從信息涵義、信息代數(shù)、信息保真、信息預測方法到信息體系的自成系統(tǒng)的理論體系。信息預測理論不僅僅是一種方法,而是從人們認識出發(fā),對認識、知識、智能等進行全面、深入思考后得出的一種新理論思想體系。這一理論的提出有大量預測成功的實例作為其牢固的基礎。1.信息的涵義和特征1948年信息論創(chuàng)始人美國數(shù)學家、電機工程師C.E.申農(nóng)把信息定義為信源的不定度。這個定義是建立在信源產(chǎn)生的消息具有隨機性的假定上,稱為概率信息,屬于統(tǒng)計信息的范疇。20世紀80年代哲學家們又提出廣義信息:信息是物質和能量的時空分布的不均勻度。信息不是事物本身,而是事物的表征,表征事物的運動狀態(tài),物事之間的差異或相互關系的一種普遍形式。翁老對信息的涵義作了系統(tǒng)的考察,他沒有應用申農(nóng)的狹義信息觀念,而把注意力放在上述的廣義信息上。他采用了不依據(jù)概率的信息涵義,并提出:信息是受人們主觀定義約束的秩序,是信息體系中的元素。單個人的信息思維,只有在傳播到其他人并為其他人所共同理解的條件下才成為信息的。由信息的涵義可知,信息預測覆蓋了預測中的廣大領域。統(tǒng)計預測僅僅是信息預測中的一個特款。2.信息體系的基礎翁老對信息體系下了定義:“信息體系是受人們主觀定義約束的秩序類。主觀定義的約束可以是:某種理解、信念、設想、定理、法則、規(guī)律、法律、契約、編碼等”。信息體系的基礎是:信息、知識和智能。信息體系不但承認時間、空間和物質的實體存在,并且承認能發(fā)出、識別信息的人(或包括生物)和機器的實體存在,由于信息體系把人和機器包括到體系之中,問題就變得比較復雜。用抽象的術語來說明信息體系,那么信息可以看作為一個集合的元素。知識是公理的開拓。智能是信息集合的一切關系的集合。這一集合在人工智能術語上稱為“狀態(tài)”。3.信息是自然數(shù)和零的信息體系翁老從理論上對自然數(shù)、整數(shù)的實用意義進行了深刻的論述。物質世界是由各種可數(shù)的結構單元構成的。自然數(shù)可以看作是反映客觀世界本質的一種重要秩序,也就是信息。整數(shù)信息體系是從自然數(shù)和零的信息體系中擴展出來的。整數(shù)本身就是信息,也可用來傳遞信息。整數(shù)所表達的秩序不因加法、減法處理使信息失真。整數(shù)集中的任意個元素互相加減,得出可公度性。4.浮動頻率信息保真說翁老很早注意到信息保真是天災預測方法能否有效的關鍵問題之一。他在《論預測》中指出:對許多復雜的體系,往往得不到滿意的效果。有一個原因經(jīng)常出現(xiàn),那就是信息處理過程中信息失真問題。他認為:理論上對無限連續(xù)函數(shù)有效的擬合方法,對現(xiàn)實的有限、離散數(shù)據(jù),必然導致失真。他對目前廣泛應用的傅里葉級數(shù)存在的信息失真問題進行了詳細的分析,并提出浮動頻率方法來使頻率信息保真。數(shù)學中最基本的四則運算,從信息保真角度看,有不同的作用。翁老提出:除法操作容易引起信息失真,而加法操作則不會。因此,他發(fā)展的可公度式基本上沒有除法操作。他認為:無論是微分還是高階差分都無法表達一個體系中的可公度性信息。5.型s1o2—預測過程:對預測過程提出科學界定翁老從理論上對預測過程進行深入研究,作了科學界定。從體系Z(客觀世界中被主觀選取的一個局部)通過介體Y1(觀點)對Z的作用(O1)建立模型X1。再以模型X1為依據(jù),通過對實際資源的分析(O2)得到預測結論X2(圖1)。這一預測過程包括往返兩次信息過程,可用公式表示如下:每一預測可以有7種狀態(tài),只有其中之一是正確的,其他種都是信息失真,包括碰巧偶然正確和假正確。圖2被分割成7個區(qū),表示預測結果的7種情況:正確、偶然正確、假正確(應預測而不預測)、一次一型錯誤、二次一型錯誤、一次二型錯誤、二次二型錯誤。依據(jù)這一分類,可用以設計出縮小失真的預測過程。預測過程可分解成三個相對獨立的組成部分:主過程、決策過程和估計過程。6.公度性方法、浮動頻率法翁老提出有創(chuàng)新特點的信息預測方法主要有:可公度性方法、浮動頻率法等。它們可應用于微觀、宏觀、宇觀許多自然現(xiàn)象的科學研究中。其中被應用最多的是可公度性方法。1從可公度性到普遍性面對天災預測的科學難題,如果僅僅應用國內外已有的預測方法是難以解決的。翁老應用的一個新方法是可公度性預測方法。這個方法具有計算簡單、直觀、有效的特點?！翱晒刃浴?Commensurability)最早是在天文學中被提出的,體現(xiàn)為行星繞太陽運動的平均距離的提丟斯—波特定則,它的形成機制尚無定論。翁老把可公度性應用到預測科學中來,從理論和方法角度都大大地發(fā)展了可公度性,使其面貌煥然一新?？晒刃苑椒ǖ幕咎攸c是:它是周期性的擴張,與周期性有很大差別;它是一種從局部到個別的研究方法;它可使所研究的對象所包含的信息失真少;它基本上是一種唯象方法。可公度性概念沖破了傳統(tǒng)的周期性的框框約束,立足于從數(shù)據(jù)中提取非偶然性的信號,研究微弱信號,以預測大地震。翁老在1994年9月一次講話中提出“可公度性原則”這一原理。他說:如果一切實體的基本單位是可數(shù)的,那么,它們都具有可公度的特性。他提出了“實體(entity)”這一重要概念。一切實際存在的物體和一切發(fā)生的事件都由它們的基本單位組成,可用自然數(shù)來數(shù)個數(shù)的。如果用函數(shù)來表示實體,它將是離散的、不連續(xù)的,所以也是不可微的。這是“可公度性原則”的延伸。表1從翁老的著作中摘取了一部分應用實例。由表1可見,可公度性廣泛存在于各種自然現(xiàn)象中,具有普遍性。應用可公度性可大大有助于研究事物之間的復雜聯(lián)系。2浮動頻率的改進翁老在20世紀70年代已發(fā)現(xiàn)被廣泛應用的數(shù)學方法傅里葉級數(shù)存在嚴重缺陷,主要是信息失真及高頻信號的漏失。他認為18世紀法國科學家傅里葉提出傅氏分析時,由于受到當時科學條件的限制(沒有高速計算機等),對頻率參數(shù)有基頻和倍頻的假設,而且總是正整數(shù)。然而,客觀事物中的頻率并不一定如此,同一事物中可能存在完全獨立的頻率參數(shù),而且可能不是正整數(shù)。因此,1980年,他提出浮動頻率的概念,設計了浮動頻率多項式,并且將它作為信息保真的重要手段之一。浮動頻率法可以從自然現(xiàn)象中歸納出周期,并在天、地、生許多現(xiàn)象中存在。因此,它可部分地代替傅里葉級數(shù),并應用到預測方法中,取得較好的效果,提高預測的成功率。3刑事金融資源量預測模型翁老在《預測論基礎》中指出:油氣資源的總量是有限的,油氣年產(chǎn)量的盛衰變化可以形象表示為有限體系中的一個生命旋回。它一方面隨著勘探程度的加深與時間變量T呈冪函數(shù)增長,另一方面又隨著剩余資源量的減少與時間變量T呈負指數(shù)衰減。因此,提出了一個預測油氣年產(chǎn)量基值Q的數(shù)學模型。這一模型后被趙旭東命名為翁氏旋回模型。趙旭東應用翁氏旋回模型,曾對國內外150多個油氣田今后年產(chǎn)量及最終可采儲量進行過預測。計算結果表明,這些油氣田的以往實際產(chǎn)量與翁氏旋回模型的預測值之間的相關系數(shù),絕大多數(shù)都大于0.9;而正規(guī)開發(fā)的油氣田的相關系數(shù),一般都在0.95以上。自然災害預測的量表翁先生運用他獨創(chuàng)的預測理論和方法,對各種自然災害、社會問題和科學現(xiàn)象等進行過廣泛的預測。例如,他于1984年提出的世界原油和天然氣年產(chǎn)量基值預測已經(jīng)為1984—1993年的實際產(chǎn)量證明是正確的,可以說是相當精確的。對電子、中微子靜止質量的估計精確到小數(shù)兩位(42.10±0.07eV);對太陽黑子極大發(fā)生的年月的預測值與實際發(fā)生