模 型 篇

1  邏輯思考

1.1  命題邏輯

1.1.1  命題定義

1.1.2  復合命題

1.1.3  真值表和重言式

1.1.4  蘊含

練習題

1.2  謂詞邏輯

1.2.1  量詞與定義域

1.2.2  量詞的轄域

1.2.3 &nbs謂詞

練習題

附錄

2  集合表述

2.1  集合的表示及其標記法

練習題

2.2  列表

2.2.1  向量

2.2.2  矩陣

練習題

2.3  集合的運算

練習題

2.4  直積與關繫的定義

2.4.1  直積的定義

2.4.2  關繫的定義

練習題

2.5  等價關繫

練習題

2.6  順序關繫

練習題

2.7  函數

練習題

3  自動機建模的利用

3.1  自動機建模的基本概念

3.1.1  框圖（輸入與輸出)

3.1.2  狀態與輸出函數

3.1.3  狀態遷移圖

3.1.4  自動機模型定義

3.1.5  計算機可讀表達

3.1.6  計算機實現模型

3.1.7  編譯與運行

練習題

3.2  自動機狀態為符號時的建模實例

3.2.1  1換幣機（狀態有1個)

3.2.2  帶按鈕的硬幣換幣機（狀態有2個)

3.2.3  出售1車票的自動售賣機（狀態有3個)

練習題

3.3  自動機狀態為數值時的建模實例

3.3.1  狀態數值化方法

3.3.2  帶有按鈕的自動售賣機（用1個變量來表示狀態)

3.3.3  可以確認零錢的自動售賣機（用向量來表示狀態)

3.3.4  整數計算器（一次寫出全部輸入)

練習題

3.4  自動機的動作與物理實現

3.4.1  輸出序列的計算

3.4.2  倉庫模型（流程模型)

3.4.3  自動機的物理實現

3.4.4  自動售賣機的自動機公式化表示與Prolog程序描述

之間的對應關繫

練習題

4  關繫型數據庫建模的利用

4.1  數據庫的種類與定義

4.1.1  數據庫的種類

4.1.2  關繫型數據庫的定義（作為集合定義的關繫)

4.2  數據庫的分析與設計

4.2.1  數據分析

4.2.2  數據庫設計

4.3  數據庫的構建與操作

4.3.1  數據庫語言

4.3.2  數據定義語句

4.3.3  數據操作語句

練習題

附錄

實 踐 篇

5  繫統開發環境的實現

5.1  CAST語言

5.1.1  CAST模型的實例

5.1.2  CAST的解答與說明

5.2  CAST的獲取與設置

5.3  MTASDK的安裝與運行

5.3.1  安裝VMWare Player

5.3.2  啟動VM

5.4  MTASDK的快速入門

5.4.1  MTASDK的啟動與結束

5.4.2  MTASDK的動作確認

5.4.3  窗口

5.5  MTASDK的操作

5.5.1  繫統開發步驟的概要

5.5.2  運行方法

6  問題求解繫統的開發

6.1  問題求解繫統的開發方法

6.1.1  問題描述

6.1.2  問題求解的基本思路

6.1.3  問題求解的流程

6.1.4  基於模型理論方法的問題求解繫統的結構

6.1.5  用戶模型的架構

6.1.6  問題求解繫統的開發步驟

6.2  開發示例1：WGC問題

練習題

6.3  開發示例2：水壺問題

練習題

6.4  開發示例3：旅行推銷員問題

練習題

7  業務處理繫統的開發

7.1  業務處理繫統的描述

7.2  業務處理繫統的模型

7.2.1  用於業務處理繫統開發的模型

7.2.2  用戶模型

7.3  業務處理繫統的開發方法

7.3.1  業務處理繫統的開發步驟

7.3.2  運行形態

7.4  開發示例1：書店賒售管理繫統

7.4.1  確定技術規格

7.4.2  用數據流圖表示技術規格

7.4.3  確定MactionName和搭建基本架構繫統

7.4.4  顯示基本架構繫統的初始界面

7.4.5  實現各個宏操作

7.4.6  實施整體測試

練習題

7.5  開發示例2：酒類批發店業務管理繫統

7.5.1  確定技術規格

7.5.2  用數據流圖表示技術規格

7.5.3  確定MactionName和搭建基本架構繫統

7.5.4  顯示基本架構繫統的初始界面

7.5.5  實現各個宏操作

7.5.6  實施整體測試

練習題

附錄

8  仿真繫統的開發

8.1  價格調整繫統的仿真

8.1.1  自動機模型

8.1.2  用戶模型

8.1.3  運行結果

練習題

8.2  二體動力學的仿真

8.2.1  自動機模型

8.2.2  用戶模型

8.2.3  運行結果

練習題

8.3  建模的基礎

附錄

索引

[序]

高原教授團隊的著作《基於模型理論的信息繫統開發基礎》中文譯著終於出版了,這不禁讓我回想起26年前東渡日本,在東京工業大學高原研究室作為訪問學者,與高原教授合作開展“基於一般繫統理論的決策支持繫統開發方法”項目研究時的情景。高原教授不僅對中國有著深厚的感情,而且熟讀中國古典名著,尤其推崇中國的大思想家和教育家孔子。高原教授一生致力於繫統理論研究和人纔培育,是日本經營情報學會的創始人之一,並曾擔任會長,是日本信息繫統(information system, IS)領域具有重要影響的學者。他在繫統理論領域取得了豐碩的研究成果,並且培養了一大批出色的從事繫統理論研究及信息繫統開發的科技人纔。本著作正是在高原教授一繫列研究成果基礎上編寫的面向有志於開發信息繫統的大學生的教科書。

    傳統上,信息繫統開發大多基於非形式化的軟件工程方法,缺乏嚴謹的操作理論,也沒有形成一個正式的準則框架,因此在某種程度上信息繫統開發仍然是一門藝術,更多依賴於開發者的經驗。長久以來,信息繫統開發者致力於尋求消除從繫統需求、繫統設計到繫統開發方面的歧義,以期開發可信的繫統,但實際開發出來的繫統在運行過程中仍不免存在著許多缺陷。作為一位繫統理論研究者,高原教授將信息繫統和決策支持繫統視為繫統理論的研究對像,並用繫統理論的方法來實現信息繫統和決策支持繫統的開發。基於繫統理論,高原教授及其團隊提出並構建了一套獨特的且更具可操作性的智能信息繫統開發理論方法——“基於模型理論方法的形式化開發方法”。該方法提供了一套可靠的繫統描述,並且能產生可信的繫統。它通過提供用戶接口(用於業務處理繫統)和目標尋找器(用於問題求解繫統)作為信息繫統開發的黑箱組件,並結合自動繫統生成,從而促進可靠的繫統實現和快速的繫統開發。一旦在用戶接口中給出了基於計算機可接受集合論的繫統描述,就可以在該方法提供的集成平臺上生成包含業務處理繫統和問題求解繫統的可執行智能信息繫統。由於繫統可以部署在開源軟件上,因此采用該方法開發繫統既可以實現繫統的快速開發,還可以降低開發成本。該方法的另一個獨特之處在於它通過允許用戶使用基本的集合論而不是計算機語言來執行繫統構建,從而簡化了終用戶的繫統維護。

為了讓普通的信息繫統開發者能夠掌握基於模型理論方法的形式化開發方法,高原教授及其團隊於2007年編寫了這本作為信息管理專業本科生用的教材,並於2016年進行了修訂。本著作從邏輯訓練著手,使學生在學習繫統理論基礎的同時,終學會采用該方法開發信息繫統應用程序。自出版以來,本著作已被日本多所大學采用,取得了良好的教學效果,為日本培養了大量信息繫統開發人纔。我很樂見本著作引入中國,並相信它將為我國信息繫統開發人纔的培養作出貢獻。

中國工程院院士  陳曉紅教授

2020年2月26日

[譯者序]

本書原著的作者高原教授,畢業於日本排名的東京大學,1963年去美國凱斯理工學院［Case Institute of Technology，現名凱斯西儲大學(Case Western Reserve University)］留學,師從繫統管理學大師M.D.梅薩羅維奇(M.D. Mesarovic)教授,他們一起撰寫了Theory of  Hierarchical Multilevel Systems、 Mathematical Theory of General Systems和General Systems Theory: Mathematical Foundations等經典著作。由此可見,高原教授也是繫統科學發展史上早期十分重要的代表人物之一。1972年他回到日本,在東京工業大學任副教授、教授,一直到1997年退休成為名譽教授。本書其他幾位作者,都是高原教授的得意門生。

    1985年,我作為國家公派出國留學研究生,就讀於東京工業大學繫統科學研究科,有幸在高原教授的精心指導下,獲得了理學博士學位。在讀博的三年裡,我逐漸領悟了一些高原教授的繫統科學論觀,其中讓我終生受用的有三個觀點：,繫統科學和繫統工程是思考問題、分析問題和解決問題的“思想”；第二,復雜繫統皆有層次(階層)性,即使對像在物理上不存在層次結構,也可以用“hierarchical approach”去建模和分析；第三,任何一個繫統都可以看作是輸入-輸出繫統,是定義在輸入集合X與輸出集合Y的直積上的一個子集,也就是說一般繫統的模型都可以形式化地表達成SX×Y。

    作為數理一般繫統理論的主要奠基人,高原教授認為模型理論的核是泛代數(universal algebra)和範疇論(category theory),一般繫統理論隻是作為模型理論的一種應用。他堅信管理信息繫統既然是一個繫統,當然就應該是一般繫統理論研究的對像。

    在日本,幾乎看不到模型理論的教科書。有一次,高原教授來中國訪問去逛書店時,發現了《模型論基礎》(王世強著,科學出版社於1987出版),他感觸頗深。他想中國讀者眾多,如果這類書用中文出版的話,肯定能促進模型理論方法的應用和發展。這就是他要把日文原著翻譯成中文出版的初衷。為了實現這個夙願,2019年深秋,他不顧80多歲高齡,車馬勞頓,親臨上海,與上海交通大學出版社商討翻譯出版的有關事宜。

    1986年,高原教授在我的陪同下首次訪問中國,到西安交通大學和上海交通大學講學。從那以後,他多次來中國講學和參加學術會議,與中國同行的學術交流從未間斷過,後來還被中南大學聘為特聘教授。他在任教期間招收過許多中國留學生,其中中國工程院院士、湖南工商大學校長陳曉紅是他的高徒。因此,我們特邀請陳院士為本書寫了序,在此衷心表示感謝！同時,非常感謝為我們出謀獻策的中南大學商學院副院長劉詠梅教授,以及幫助整理原著電子版和中文版中的圖、表、公式的千葉工業大學高木徹博士和何主翔同學。此外,我們也對為本書的日文翻譯給予很多幫助的上海鼎乾人纔服務有限公司陳建新總經理,以及在本書出版過程中負責策劃、編輯、校對等事務的上海交通大學出版社科技分社的錢方針社長和編輯們致以誠摯的感謝！

上海交通大學電子信息與電氣工程學院教授

趙群飛

2020年4月

[修訂版序]

    本書是2007年出版的《基於模型理論的信息繫統開發基礎》的修訂版。出版本書的目的是希望讀者從邏輯訓練著手,在學習繫統基礎理論的同時,應用並展開信息繫統的開發。作者認為，信息繫統不是軟件工程的研究對像,而是繫統理論的研究對像。本次發行的修訂版仍然堅持了這一立場。

    版出版8年以來,本書已被用作多個學科的教科書。本書的全體作者在“離散數學”“信息繫統建模”“問題求解方案”“信息處理概述”“應用信息處理”以及“研討會”等本科教學實踐中都有顯著的成果。在研究生培養過程中也為學生提供了合適的研究課題。然而,伴隨著信息技術的進步和社會形勢的顯著變化,作者也認為有必要針對這些變化在本書的內容方面做出相應的調整。經過討論後一致決定發行修訂版。

    與版相比,修訂版的個大的變更是增加了關繫型數據庫建模的利用和仿真繫統的開發這兩章內容(第4章和第8章)以滿足教學上的需要。但為了避免篇幅過長,將版中相當於操作手冊的部分移到了網站上。模型理論方法的本質特征在於通過邏輯和集合定義對像繫統的模型,並使用適合描述該模型的CAST(computer acceptable set theory)語言進行編程,提供通過CAST語言直接運行該模型的軟件MTASDK(model theory approachsystem development kit)。把詳細介紹CAST語言規範(語法等)的版第4章“計算機可讀表達”的全部內容移到了網站上。此外,版第7章“繫統開發環境”是對開發環境（MTASDK）的安裝說明,在本次修訂中,也對其部分內容進行了調整和變更以適應當下的技術發展。新開發環境的獲取和設置的相關內容放在修訂版的第5章。

    修訂版的第二個大的變更是為了應對社會形勢的變化。在許多大學,雙學期制(semester)早已得到了普及,而且每門課的教學是按每個學期而不是每學年進行一次成績考核。教科書的篇幅不宜過長,應壓縮成能夠在一學期之內完成的教學內容,同時也需調低售價。因此,日文的修訂版分成了《基於模型理論的信息繫統開發基礎——模型篇》和《基於模型理論的信息繫統開發基礎——實踐篇》兩冊出版。

    修訂版的第三個大的變更是運行環境的變更。版中,各種模型的運行環境都是Unix OS。但是,無論是文科生還是理科生,多數學生的個人計算機都不具備運行Unix OS的環境。針對這一現狀,近年來,已經可以使用虛擬機技術在一臺個人計算機上同時運行多個操作繫統。因此,修訂版中,增加了如何通過在Windows OS上運行虛擬機軟件,完全實現模型開發和運行的內容(第5章)。但開發運行環境的基礎仍然是Unix OS。在版中的Unix OS采用的是Fedora發行版,而修訂版中改為多數學生們使用的Ubuntu發行版。不過學生們一般可以不用在意Unix OS的版本。

    綜上所述,與版相比,盡管修訂版在內容結構上看起來變化很大,但是以繫統理論為根本這一初衷是一貫的,並未發生任何改變。

    作者希望可以通過這些調整讓書變得更加“容易使用”,也非常期待能夠得到讀者的反饋意見。

    全體作者

2016年1月吉日