學術探奇

真個模糊?中大地理學家以數學解答複雜的模糊問題

梁怡教授與梁廣錫博士於八十年代開發出基於模糊邏輯的專家系統骨架FLESS

地理與資源管理學系
梁怡教授


「熱天」有多熱?「大熱天」又怎樣定義?香港的標準可能會定在攝氏30度,但在沙特阿拉伯,30度是等閒事;如果你是愛斯基摩人,說法又自然不同。

人類對事物的評估充滿相對的判斷,一般情況下不難理解。但試想要教電腦學習甚麼是「大熱天」:如果將分界線定在攝氏30度,即是30.1度等於「熱」,29.9度就是「不熱」,黑白清楚分明。但你又會反駁說,等等,今天濕度很高,太陽很猛烈,空氣污染令人透不過氣……

這就是「模糊數學」的例子,即數學理論中稱呼不確切性的專用名詞,通常涉及人類判斷。中文大學梁怡教授專門研究這領域,嘗試量化模糊的問題,從而提供細緻的評估,例如一塊地是否適合用作城巿發展,或將有害廢物由一處運到另一處的最佳辦法。

梁教授的研究成果亦有助發展人工智能,讓電腦作出明智的定性決策,而非簡單的定量決策。在城巿規劃中,死板的定量方法可能會將很多土地否定為不適合居住,因為它採用的是非黑即白的「二進制」邏輯。事實上,城市規劃專家需要廣泛全面的培訓,才能按比例定級計算法來評估土地適用性,這個算法連專家都難以三言兩語解釋,甚至難以運算。

面對條件或目標模糊而不精確的難題,梁教授會建立數學程式來表達「滿意函數」。他表示每個問題的方程式都是獨一無二,必須要訂立方程式,才能展開運算。

教授繼而開發出電腦系統來產生具體的結果。輸入系統的數據可能是不確切的,但計算出來的結果必須能將問題定量化,即使結果範圍可能很大。「即使過程中涉及模糊理論,結論不能空泛無物;我們應以正式手法來得出解決方案。」

梁怡教授:「即使過程中涉及模糊理論,結論不能空泛無物;我們應以正式手法來得出解決方案。」

梁教授「模糊」的研究工作帶來真確的貢獻,促成開發了一套電腦軟件,協助政府官員和私人公司分析模糊的問題,找出最佳解決方案。這套系統在南華地區應用於處理污染,亦協助香港減輕颱風災情。

這個軟件平台稱為「基於模糊邏輯的專家系統骨架」(Fuzzy-Logic-Based Expert System Shell,簡稱FLESS),由梁教授與中大計算機科學家梁廣錫博士共同開發,在八十年代推出第一代,至今仍不斷優化。

由於珠江三角洲是國內重點發展工業的地區,大量的工農業排污是當地官員面對的最棘手問題,廣東省政府於是運用上述平台找出水污染的解決方案,改善了當地人生活質素。

廣東省中國科學院在分析三角洲的水流過程中採用了FLESS,協助政府識別受污染河道,再根據涉及的污染物,評估污染嚴重性;系統從而找出紓緩污染的措施。結合模擬通過河道網絡分散污水的水動力模型,FLESS協助政府決定測試污染地點,以及設立污水處理廠的位置。

熱帶氣旋預測及分析系統

在香港,颱風亦影響民生,例如1962年的超強颱風溫黛造成130人死亡。梁教授參與改善風暴預測系統,以防止悲劇再次發生。

為此,梁教授追溯了過去五十年來太平洋的所有颱風,記錄每次颱風有否造成山泥傾瀉及損毀程度。他從這些數據找出了「模糊」規則,有助預測熱帶氣旋會否折返海洋或登陸,也可預測潛在損毀程度。這個熱帶氣旋系統是和香港天文台合作研發,天文台利用這些分析結果和梁教授的理論來提升其風暴預測系統。

梁教授通常需要約兩年時間開發模糊問題背後的理論,構建分析框架,並建立系統來解決問題。從他開始地理學家生涯起,一直着迷於量化現實世界的模糊問題;這股動力驅使他獲得地理學博士學位後,進一步專攻運籌及系統工程學,即應用數學的其中一種。

地理學家及系統工程師的雙重背景,令他有興趣為真實生活中的難題找出跨學科的解決方案,這也是他另一研究專長。因此他獲任命為中大未來城市研究所所長,這個跨學科的研究所致力找出可持續城市發展的潛在途徑。

梁教授表示:「現今社會的難題十分複雜,一個簡單的方法不足以解決,因而要跳出安舒區以外尋找答案。」

這位地理與資源管理學系教授認為不容易令學者穿越自身的研究領域並引入外來研究者。但面對現代城巿設計規劃這般深廣的難題,單靠某個學術部門的傳統研究不足以找到最佳方案。

「如果有人走進你的領域,不要感到被冒犯,不要顧着保護地盤,不要感到不安,而應張開雙臂,和對方合作,視對方為靈感泉源,因為他們往往以不同角度看同一問題。」

倘中英文版本出現歧義,概以英文版本為準。


 

本文出自中大網頁(2015年11月)

標籤
梁怡 地理與資源管理學系 軟件開發 系統工程 基於模糊邏輯的專家系統骨架 社會科學院 梁廣錫 未來城市研究所 教授