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定性仿真理論及其應用
摘要： 本文首先介紹了定性仿真的產生背景及理論發(fā)展狀況，然后說明了定性仿真在各領域的應用情況，最后對定性仿真的發(fā)展方向進行了探討。
關鍵詞：定性仿真，定性模型
1 定性仿真的產生與理論現狀
定性仿真(Qualitative Simulation)是以非數字手段處理信息輸入、建模、行為分析和結果輸出等仿真環(huán)節(jié)，通過定性模型推導系統(tǒng)的定性行為描述。定性仿真是系統(tǒng)仿真的一個分支，是系統(tǒng)仿真與人工智能理論交叉產生的新領域。相對于傳統(tǒng)的數字仿真，定性仿真有其獨到之處：這種仿真能處理多種形式的信息，有推理能力和學習能力，能初步模仿人類思維方式，人機界面更符合人的思維習慣，所得結果更容易理解。
定性仿真的研究中，美國學者起步較早。70年代后期，美國XEROX實驗室的John de Kleer 和Seely Brown 在設計一個電路教學系統(tǒng)時發(fā)現，以常規(guī)的數學模型和仿真方法難以使學生很快明白電路的工作過程，而在實際教學中，老師并不是先給出數學公式，而是先講解電路的工作原理，采用定性的描述方法，那么是否可以用計算機來模擬這一方法呢?同樣在許多的實際工作中，人們更多的是依靠這種對系統(tǒng)原理性的理解，而這種理解的基礎就是定性知識。很多專家學者開始探索如何在數字仿真中引入定性知識。
1983年，John de Kleer 和Seely Brown發(fā)表了有關定性仿真的第一篇論文A Qualitative Physics Based On Confluence?[1]，產生了巨大反響，揭開了定性仿真研究熱潮的序幕。美國麻省理工學院的Kenneth D. Forbus則對定性仿真理論作了全面的總結[2];1986年美國德州大學的Benjamin Kuipers在 Qualitative Simulation”一文中提出了動態(tài)仿真算法QSIM[3]，使定性仿真接近于實用。1984年人工智能雜志第一次出版了關于定性問題的專集。此后定性問題的研究成為人工智能和系統(tǒng)建模與仿真領域的一個熱點，許多學者加入到這一研究領域中，產生了大量的研究成果。1991年，人工智能雜志又出版了有關定性推理的第二本專集，標志著該領域理論研究逐漸成熟并且向應用領域擴展。90年代以來，該領域的研究情況可謂方興未艾，在IEEE的相關雜志上和撊斯ぶ悄軘等國際刊物上經?？梢钥吹蕉ㄐ苑抡娣矫娴难芯砍晒?。國內該領域的研究起步較晚，目前從事定性理論研究的僅限于少數院校的少數研究者。
定性仿真產生之后，在理論上出現了百家爭鳴的局面，研究者們根據自己的見解提出了各自的建模和仿真理論。目前，基本可分為三個理論派別，即模糊仿真方法、基于歸納學習的方法和樸素物理學方法。
模糊數學方法可以解決模型信息與測量數據的不確定性，所以在定性理論中一般用來作為一種描述手段。最初，系統(tǒng)的定性值是采用區(qū)間模糊數的行為來描述的，英國的Qiang Shen進一步將其發(fā)展到用凸模糊數來描述定性值[4]，在數據表示上前進了一大步。此后，又有人在其基礎上引入了概率論，來度量生成的多個行為的可信度。當前的模糊定性理論，在模糊數表示方面都存在一大弱點，那就是系統(tǒng)真實值與模糊量空間的映射問題，即如何確定描述系統(tǒng)的模糊量。
歸納推理法是定性仿真的一個新方向，它起源于通用系統(tǒng)理論，主要利用其中的通用系統(tǒng)問題求解(General System Problem Solve)技術。輸入盡可能多的行為，通過歸納學習的方式，構造系統(tǒng)的定性模型，進行仿真研究。歸納推理法最突出的優(yōu)勢在于它完全不需要對象系統(tǒng)的結構信息，不需要預先提供任何模型。但是，這種方法需要采集大量的數據并處理和維護;而且，由于現實條件的限制，不能保證歸納的完備性。
樸素物理方法在理論和應用上發(fā)展得最為成熟，它興起于一些人工智能專家對樸素物理系統(tǒng)的定性推理研究。根據建立系統(tǒng)定性模型的方法，又可分為很多派別，比較有影響的有：Seely Brown和John de Kleer提出的基于摿鲾的概念的理論，K. D. Forbus 的定性過程理論，B.J.Kuipers基于約束的用定性微分方程描述的定性仿真理論等。
2 定性仿真的應用
現在，定性仿真技術與物理、化工、生態(tài)、生物、社會等學科相互滲透、結合，在系統(tǒng)監(jiān)測、故障診斷、系統(tǒng)行為分析、解釋以及預測等方面發(fā)揮著越來越大的作用。 國外文獻報導較多而且應用取得成效比較明顯的應用領域主要有：工程和工業(yè)過程;電子電路分析和故障診斷;醫(yī)藥和醫(yī)療診斷;社會經濟領域。 下面有選擇地按照應用領域介紹其中比較典型的項目。
2.1 工程和工業(yè)過程
這里工程指傳統(tǒng)的工程領域及一些工程設備，如蒸餾塔、高壓鍋爐、汽輪機等人造設備;工業(yè)過程指一些連續(xù)系統(tǒng)，如機械制造、發(fā)酵、化工過程和電站等 。這方面的應用項目比較多見。
ARTIST是歐洲的ESPRIT 計劃中的一個項目[5]，項目領導者是蘇格蘭的Heriot-Watt大學的Leitch.R，完成于1993年7月。此項目建立了定性動態(tài)模型，應用于過程監(jiān)測與故障診斷。Leitch等人建立了一個基于定性微分方程(QDE)和模糊量空間的定性仿真器： Fusim, 現已應用在輸配電網絡和化工廠蒸餾塔的過程監(jiān)控、分析、診斷上。
ESPRIT計劃中另一應用定性推理的重要項目是：TIGER工程-汽輪機的監(jiān)測、診斷系統(tǒng)[6]?，F已應用在 Exxon化工廠的大型工業(yè)汽輪機以及Dassault航空中心的宇宙飛船輔助動力單元。系統(tǒng)應用定性仿真來預測汽輪機啟動及負載改變時的可能行為。
2.2 電子電路分析和故障診斷
定性仿真的一個很重要的應用領域便是電子電路分析和故障診斷。定性推理的先驅人物de Kleer早在1976年便開發(fā)了使用定性知識研究電子線路的系統(tǒng) LOCAL，即根據電路部件已測知的正常行為和錯誤行為，分析實際行為和預測行為的不一致之處，然后指出電路的故障點。這種思想后來發(fā)展成了基于模型的故障診斷理論(model-based diagnosis therory)。時至今日，由于定性推理和仿真技術的不斷進步，該應用領域的發(fā)展前景更為廣闊。
這類項目中，最為典型的是Dague.P等人開發(fā)的模擬電路故障診斷工具-DEDALE[7]。Dague對該系統(tǒng)進行了一系列實驗，聲稱：DEDALE系統(tǒng)能診斷出電路故障的75%，另外的25%故障沒有構成對電路性能的顯著影響，并且可以通過其他手段檢測出。Electronique Serge Dassault 繼續(xù)這個領域的研究工作，已推出一個名為“DIAGMASTER”的商業(yè)化產品。
2.3 醫(yī)藥和醫(yī)療診斷
人工智能中的專家系統(tǒng)，尤其是醫(yī)療專家系統(tǒng)，為人工智能的振興起了推波助瀾的作用。而定性仿真在醫(yī)療專家系統(tǒng)的應用方面也很活躍。
Bratko.I將定性推理應用在心電圖的識別上[8]， 目的在于根據心電圖辨識心律，判斷病癥。定性模型用來產生心臟工作狀況，規(guī)則歸納系統(tǒng)用于產生診斷規(guī)則庫。他給出了心電圖詮釋系統(tǒng)-KARDIO，澳大利亞的Telectronics公司已將此系統(tǒng)的部分成果應用于他們的心臟病診治系統(tǒng)Intelligent Pacemaker中。
Kuipers和Kassier給出了QSIM理論的定性推理和模型簡化方法[9]，并給出了在醫(yī)學專家系統(tǒng)中的具體應用過程。該系統(tǒng)可以對腎臟的水份、鹽份平衡過程進行仿真，作為腎炎綜合診治系統(tǒng)的輔助分析工具。
2.4社會經濟領域
定性推理由于其處理不完全知識及模糊數據的突出能力，一直在社會科學、人文科學、商業(yè)流通等領域的研究上占有重要位置。
Daniels.HAM，Feelders.AJ給出了一個商業(yè)行為分析定性仿真模型[10]。作為例子，他們對某個公司的銷售量、商品價格、資金狀況進行建模，分析其商業(yè)行為的變化，如為什么廣告量的減少會帶來銷售量的下降，什么原因導致公司資產減少，是否存在經營危機等。對于銀行貸款之前的商業(yè)調查，該模型具有廣闊的應用前景，荷蘭的AMRO銀行正在此基礎上進行深入的研究工作。
美國的Farley.A，Lin.KB使用QSIM算法，研究市場預測的定性仿真模型，即當市場需求、供給、價格等諸因素變動時，預測可能引起的市場變化[11]。
3 定性仿真的發(fā)展方向
定性仿真目前仍然是新興的研究領域，很多基礎性的理論工作尚待完善和突破，因此該領域的發(fā)展前景十分廣闊。對于定性仿真理論，概括來說，有以下幾個發(fā)展方向：
(1)采用定量與定性結合的仿真方法
由于定性模型中包含系統(tǒng)的不完全知識，定性仿真會產生一些虛假和二義的多余行為，當實際系統(tǒng)很復雜時，定性仿真產生相當數量的多余行為，如何有效地減少定性仿真產生的行為數，成為當今定性推理研究的主題。很多研究者紛紛采用定量與定性結合的仿真方法。在定性仿真中加入相當的定量知識，將定量與定性有機地結合起來，將大大減少系統(tǒng)的預測行為數，增強定性仿真的生命力。
(2)采用模型分解方法
定性仿真走向應用時，往往涉及到規(guī)模較大的系統(tǒng)，即使省略某些細節(jié)，模型仍是非常復雜的。所以，定性理論中，必須有處理這種復雜性的手段。
模型分解方法將系統(tǒng)模型分為若干部分，稱為部件(component)，系統(tǒng)的聯(lián)系緊密的變量將集中在一個部件中，并為部件建立狀態(tài)，系統(tǒng)的描述將以這種狀態(tài)為單位，若需要不同部分的變量的事件對應性，可以通過不同部分之間的連接來產生。并且，仿真算法上也作了相應的變動，以局部的部件描述為基礎的仿真取代了以全局狀態(tài)為基礎的定性仿真算法。大大提高了模型建立工作的效率和準確性，并降低了仿真的時間和空間運行代價。
(3)采用并行定性仿真方法
當前定性仿真在減少冗余或虛假行為的研究上取得了很大進展，但同時也帶來了一些始料未及的副作用：定性與定量知識的結合，使知識的表示和推理機制復雜化，數據量明顯增加;由于信息不完備，系統(tǒng)的搜索空間增大，使得定性仿真在一定的情況下比定量仿真的速度更慢;再者隨著定性仿真逐漸走向應用，參數數量的增長使問題的規(guī)模成指數增長，仿真的速度也明顯下降。并行定性仿真能較大幅度地提高定性仿真的效率，因此成為一個新興的發(fā)展方向。
鑒于定性仿真技術的諸多優(yōu)點及巨大的實用價值，許多學者紛紛投入到該領域的研究中，各國政府部門及研究機構在研究經費等方面大力扶助，我們有理由相信在不遠的將來定性仿真研究會取得更大的進展。
參 考 文 獻
de Kleer J,Brown J S.A Qualitative Physics Based On Confluence.Artif Intell ,1983,59:7-15.
Forbus K D.Qualitative Process Theory.Artilf Intell,1984,24:85-168.
Kuipers B J.Qualitative Simulation.Artilf Intel,1986,29:289-338.
Shen,Q.and Leitch,R.Fuzzy Qualitative Simulation.IEEE Trans. on Systems,Man,and Cybernetics 23(4),1993,
pp.1038-1061.
5 Leitch R,Freitag H,Struss P,Tornielle G.ARTIST: A Methodological Approach to Specifying Model
Based Diagnostic Systems.Intellegent Automation Laboratory,Heriot-Watt University,Edin-burgh & Advanced
Reasoning Methods. Siemens AG,Munich,Germany & Artificial Intelligence Section.
CISE S.p.a.,Segrat,Milano,Italy (Milan Applications Conference, October,1991).
Milne R.On-Line Diagnostic Expert System For Gas Turbines.Intelligent Applications Ltd,Scotland,4th
International Profitbal Condition Monitoring Conference Stratford-upon-Avon,UK,1992.
Dague Ph,Raiman O,Deves Ph.Trouble-shooting: When Modeling is the Trouble.IBM Scientific Center ,Paris ,
France & Electronique Serge Dassault,France,1987.
8 Bratko I,Mozetic I,Lavrac N.KARDIO:A Study in Deep and Qualitative Knowledge for Expert Systems.MIT
Press,1989.
9 Kuiper B J.Qualitative Reasoning--Modeling & Simulation with Incomplete Knowledge.MIT Press,1994.
10 Daniels HAM,Feelders AJ.Model-Based Diagnosis of Business Peformance.Tilburg University,Institute for
Language Technology and AI,Netherlands,1990.
11 Farley A,Lin KP.Qualitative Reasoning in Microeconomics: An Example.Computer Science Dept, University of
Oregon,USA.& Economics Department, Protland State University,Oregon,USA,1991.
美國政府在計算機技術發(fā)展中的作用及其啟示
內容提要:計算機產業(yè)是一個收益豐厚，而且高度競爭的產業(yè)，但是美國政府大力資助計算機產業(yè)技術的發(fā)展，并取得了明顯的效果。本文重點介紹和分析了美國政府在計算機產業(yè)技術發(fā)展的各個階段所發(fā)揮的作用，對我國政府如何支持產業(yè)技術發(fā)展具有重要借鑒。
關鍵詞:
美國的計算機產業(yè)在世界上占主導地位，政府起了重要作用。美國政府對計算機產業(yè)的支持
之所以能夠產生明顯的效果，關鍵是政府職能明確，不斷根據產業(yè)發(fā)展需要調整支持方向，改進資助體系和管理?？偨Y美國聯(lián)邦政府支持計算機技術研究開發(fā)的經驗，對我國政府支持產業(yè)技術發(fā)展有著重要的借鑒作用。?
一、美國政府對計算機技術發(fā)展的支持?
第二次世界大戰(zhàn)結束后，聯(lián)邦政府一直是計算機技術的強有力支持者。按1995年不變價計算，1976-1995年間，聯(lián)邦政府對計算機科學研究和技術開發(fā)的支持由1.8億美元增加到9.6億美元，增長了5倍。其中，基礎研究投入由6500萬美元增加到2.65億美元;應用研究投入由1.16億美元增加到7億美元。聯(lián)邦政府資助中約35-45%投向大學，其余55-65%投向政府實驗室和產業(yè)界;政府基礎研究資金的70%投向大學。聯(lián)邦政府還對其他與計算機技術相關的研究給予資助。聯(lián)邦政府對與計算機研究相關的其他技術和電子工程研究方面的投入由1972年的不到10億美元增加到1995年的17億美元，占聯(lián)邦總投入的比重由5%增至7%。
聯(lián)邦政府從其職能出發(fā)決定資助方向，政府資金主要投向以下幾個方面。?
(一)重點支持長期的基礎性研究?
美國政府在長期基礎性研究和共性應用技術的研究開發(fā)方面發(fā)揮了重要作用。長期基礎性研究的主要特點，一是其效益往往在短期內無法顯現出來，風險較大。特別是在產業(yè)發(fā)展初期，企業(yè)沒有實力進行這樣的研究工作;二是其應用領域往往比較廣泛，一家公司無法完全利用，而且又無力阻止競爭者利用其研究成果。因此，產業(yè)界較少對長期基礎性研究進行投資。?
美國聯(lián)邦政府對計算機技術的長期基礎性研究的資助項目已經取得了明顯的效果。如，政府資助的計算機人工智能技術研究開始于70年代早期，直到1997年才研制出能夠成功識別持續(xù)性語音的個人電腦。與此相似的是，國防基金從60年代就開始資助可用于三維圖像的基礎性系統(tǒng)研究，直到90年代才形成消費性產品。盡管這項成果在高性能儀器中早已開始應用，但近些年才廣泛應用于醫(yī)療、娛樂及國防產業(yè)。?
(二)資助計算機研究的基礎設施?
聯(lián)邦政府在計算機基礎設施建設方面發(fā)揮了關鍵作用，為美國發(fā)展計算機產業(yè)提供了源源不斷的人才。?
1.為產業(yè)發(fā)展培養(yǎng)了大量人力資源?
聯(lián)邦政府的資助計劃培養(yǎng)了一大批電子工程和計算機科學的研究生和優(yōu)秀研究人員，為計算機和電子工程的發(fā)展提供源源不斷的后續(xù)人才。國家科學基金的數據表明，1985-1996年間，獲得聯(lián)邦資金資助的計算機和電子工程專業(yè)的研究生比例從14%增加到20%。聯(lián)邦政府對研究生的資助主要采取助教獎學金的形式，助教獎學金占總資助額的75%以上。1985年到1995年，全國最好的計算機系里，如MIT、卡內基·梅隆、加利弗尼亞大學勃克力分校等的計算機和電子工程專業(yè)的研究生中約有56%得到了聯(lián)邦政府的資助，其中一半是助教獎學金。1997年，斯坦福大學電子工業(yè)和計算機專業(yè)27%的研究生獲得聯(lián)邦政府資助，50-60%的博士得到資助。同時，政府資助的一些大型研究項目還培養(yǎng)了一批學術帶頭人。?
2.為大學教育和研究提供了良好的設備和設施?
配備和維護研究的硬件設備需要較高的資金投入，一般的大學很難籌集到這筆資金。聯(lián)邦政
府采取多種形式來支持大學購買計算機設備，主要有兩種形式：一種是為大學教學提供計算機設備;另一種是通過資助特定研究項目為大學提供精良設備。?
聯(lián)邦政府在支持大學研究設備方面的主要貢獻，一是支持建立大學計算中心，資助大學計算機系開展研究工作。國家科學基金(以下簡稱“NSF”)于1956年就開始了為大學提供普通教學和研究用計算機的資助計劃。該計劃每年提供的資助金額增長很快，1958-1970年間，共資助了66,00萬美元。60年代，國防部高級項目處(以下簡稱“DARPA”)重點資助了少數幾個基礎好的大學計算機系(如MIT，卡內基-梅隆大學，斯坦福大學)開展專門項目研究，資助項目的大部分資金用來采購設備。據估計，60年代，全美大學中約一半的計算設備是由政府機構資助提供。1981-1995年間，聯(lián)邦政府資助了計算機科學系研究設備采購的65%，1985年高達83%。在電子工程方面，聯(lián)邦政府的設備資助也維持在較高的水平，1982年為75%，1995年為60%。NSF啟動了兩套專門為計算機科學系提供設備的計劃：計算機研究設備計劃和一個更加廣泛的協(xié)作實驗研究計劃。?
二是研制高性能計算設備和建設網絡設施。80年代中期，政府資助了IBM701等高性能計算機
的研制，造出了供研究人員進行各種研究使用的大型計算機系統(tǒng)。1985年，NSF啟動了一項建立超級計算機中心的計劃，資助建立了5個全國范圍的計算機中心，為那些不能在普通計算機上進行的高級的、運算復雜的研究提供了條件。后來，這些中心成為高性能計算機的早期試驗場，還對一些計算機科學系的教學起了重要作用。同時，這項計劃還帶動州、私人部門出資在其他大學建立超級計算機中心。?
隨著網絡技術的發(fā)展，政府加大對網絡設施的資助力度。1973年起，NSF著手進行一項科學網絡的計劃，每年提供60萬美元到75萬美元為大學的研究人員建立計算機網絡。?
(三)支持利用高新技術的大型應用系統(tǒng)的研究開發(fā)和推廣?
聯(lián)邦政府有效資助了大型應用系統(tǒng)的研究開發(fā)項目。DARPA支持了計算機間相互聯(lián)結的分批轉換網絡(ARPANET)的研究項目。這項研究促進了有關入網協(xié)議、分批轉換及路線安排等項研究。同時也推進了對大型網絡管理模式的開發(fā)研究，如，域名系統(tǒng)及開發(fā)電子郵件等。DARPA的研究成果顯示了大型分批轉換網絡的價值，促進了其他網絡的開發(fā)。NSF網絡的建立形成了網絡的基礎。政府通過資助大型高新技術應用系統(tǒng)的開發(fā)，把學術界和產業(yè)界的研究者匯聚起來共同建立共用的實驗室，交流思想，從而創(chuàng)造出一支有能力最終推動技術發(fā)展的研究力量。如，50年代的SAGE項目組織了來自MIT、IBM及其它研究實驗室的研究者，整個項目過程中出現了許多創(chuàng)新思想，目前在計算機行業(yè)已經獲得廣泛認可的想法都是當時提出來的。許多計算機行業(yè)中的先驅人物也從50-60年代的控制計算機系統(tǒng)(SAGE)項目中獲得了經驗，后來這些人在代表著計算機及通訊事業(yè)新興的公司及實驗室中工作。SAGE的影響在后來的幾十年中才逐步顯現出來。?
構造大型應用系統(tǒng)的實踐表明，有些研究并不一定直接導致某一項技術的創(chuàng)新，而是導致開發(fā)與技術推廣。應用開發(fā)是對已經研究出來的技術進行分析和合理組合，形成新的應用系統(tǒng)。如，建立大型應用系統(tǒng)的研究項目就是把電子通訊系統(tǒng)的原理應用到ARPANET項目開發(fā)中，形成了網絡技術的基礎。?
(四)對產業(yè)技術的早期資助?
20世紀50年代，聯(lián)邦政府資助了絕大部分計算機技術的研究。那時，政府對計算機技術研究
開發(fā)的資助超過工業(yè)界R&D投入的3倍，幾乎覆蓋了整個計算機界的研究與開發(fā)。直到1963年，政府還資助著IBM計算機R&D的35%，Burroughs公司的50%，Control-Data公司的40%。從60年代末開始，因為整個計算機行業(yè)快速發(fā)展，政府對計算機R&D資助的比例急劇下降。直到70年代中期，政府資助僅占計算機R&D投入的25%，1979年達到戰(zhàn)后的最低點15%。隨著新項目的啟動和里根執(zhí)政時期的國防建設，1983年，政府對計算機技術研究的資助比例又有回升，約占20%。?
美國政府對產業(yè)界的資助重點放在推動技術商業(yè)化方面。一是對產業(yè)界早期研究的資助。政府對企業(yè)實驗室提出的一些有市場前景的技術給予資助，將其推向商業(yè)化。例如，IBM最先提出了相關性數據庫的構想，但IBM考慮到這項技術構想可能對自己已經成熟的產品造成潛在的競爭威脅，沒有繼續(xù)進行商業(yè)化研究開發(fā)投入。而NSF資助加州大學伯克立分校對這一構想進行深入研究，并將其推向商業(yè)化;二是支持共性技術研究開發(fā)。有些研究開發(fā)具有商業(yè)價值，但屬于共性技術，單個企業(yè)難以研究開發(fā)，或者企業(yè)擔心難以控制競爭者使用技術成果。IBM最先開發(fā)了RISC(精簡指令系統(tǒng)計算機)，但直到DARPA資助加州大學伯克立分校及斯坦福大學進行深入研究時，RISC才實現了商業(yè)化。該研究是作為70年代末、80年代初“大規(guī)模集成電路”(VLSI)項目的一部分來進行的。后來許多公司把以RISC為基礎的產品引入了市場領域。?
(五)聯(lián)邦政府的資助對創(chuàng)新起到重要作用?
聯(lián)邦政府的資助計劃促進了計算機技術的創(chuàng)新。據統(tǒng)計，1993至1994年間，美國全國共批準了1619項與計算機產業(yè)有關的專利。盡管這些專利的所有者75%是美國企業(yè)，但它們所引用的論文大部分是由大學或政府的研究人員撰寫的。在按資助來源分類統(tǒng)計的論文中，51%的資助來自于聯(lián)邦政府，37%來自產業(yè)界的資助。政府資助中NSF占22%，DARPA占6%。盡管這些數據僅限于兩年的專利統(tǒng)計，但反映出聯(lián)邦所資助的項目，特別是在大學里進行的資助研究，推動了計算機行業(yè)的技術創(chuàng)新。?
二、美國政府在計算機產業(yè)技術發(fā)展各階段中的主要作用?
政府在計算機科學技術發(fā)展過程中的作用，隨計算機產業(yè)成長和發(fā)展階段不同而變化。?(一)50年代——計算機技術發(fā)展的初期階段，政府的主要作用是用戶和資助者?
在1960年以前，美國政府作為用戶和資助者，主導著電子計算機技術的研究開發(fā)。這一期間，政府支持計算機技術主要出于國防需要，資助面比較窄，重點是對技術本身的試驗，而且沒有一個系統(tǒng)的長期戰(zhàn)略計劃。但是，這一時期的政府資助項目嘗試了不同類型的資助機制，對私營部門產生了非常重要的影響。?
50年代，幾個主要計算機公司的R&D都得到過聯(lián)邦政府的各種形式的資助。例如，在IBM公司的R&D投入中，政府合同資助投入占50%以上，直到1963年還有35%。聯(lián)邦政府不僅在資金上對私營部門提供資助，而且從項目設計、技術思路、人力資源等方面提供了支持。資助的項目涉及到有關國家安全、人力資源培養(yǎng)等各方面，還包括一些綜合性、高投入、不確定性大、具有長期影響的技術開發(fā)項目。政府資助的許多項目研究出了設備的原型，在這些原型基礎上，研究人員可以進行更深入的探索。?
(二)60-70年代——技術擴散和產業(yè)增長階段，政府扶持的重點轉向長期基礎性研究和培養(yǎng)人才?
60年代初期，美國的計算機行業(yè)開始商業(yè)化，可以獨立于政府的資助和采購，全國出現了幾個大型的計算機公司。這些大型公司建立了自己的實驗室，并且有能力自己研究開發(fā)計算機應用技術，從而促進了計算機產業(yè)的商業(yè)化。如，IBM公司與美國航空公司在部分采用軍事指揮和SAGE技術的基礎上，開發(fā)了計算機訂票系統(tǒng)(SABRE系統(tǒng))。計算機定票系統(tǒng)的迅速發(fā)展成為推動計算機產業(yè)化的一個重要動力。與此同時，產業(yè)界對計算機人才的需求大大增加。出現了計算機科學領域，幾個重要學校的計算機系已經成立。?
隨著計算機技術產業(yè)化和商業(yè)化，政府的資助重點開始轉向長期基礎性研究和培養(yǎng)人才。60年代后期至70年代，由于計算機產業(yè)界對R&D的投入增加，盡管政府資助產業(yè)界的絕對數額還在上升，但比例卻急劇下降。?
(三)80-90年代——計算機產業(yè)成熟階段，政府積極組織和支持聯(lián)合研究開發(fā)?
隨著產業(yè)界增加對計算機技術研究開發(fā)的投入，政府資助所占比例開始下降。80年代初期，日本的電子工程和計算機存儲器等技術開發(fā)，使美國的計算機產業(yè)感到了競爭威脅。同時，美國半導體生產設備的國際市場份額從75%下降到了40%。“增強競爭力”成了美國80年代技術政策的關鍵字眼，國內要求政府采取行動的呼聲提高。同時，大學與實業(yè)界開始以合資、協(xié)議等方式進行合作，或組織行業(yè)協(xié)會抵制來自日本的威脅。?
為了提高美國計算機產業(yè)的競爭力，使其在世界占據領先地位，聯(lián)邦政府不僅繼續(xù)支持計算機科學和技術的研究，而且調整了支持重點和資助方式。政府對計算機技術的資助重點開始轉向支持各界聯(lián)合開發(fā)，通過支持行業(yè)協(xié)會等一些新機構，組織和促進產業(yè)界聯(lián)合開發(fā)。1984年的國家合作研究法案從不信任法案中把研究協(xié)會的名字去掉了，從而使研究協(xié)會的合作合法化。政府支持半導體制造技術協(xié)會(SEMATECH)等行業(yè)性組織機構，發(fā)揮其在計算機技術聯(lián)合開發(fā)中的組織作用。那一時期，半導體制造技術協(xié)會和高性能計算機研究所等受到政府資助的行業(yè)性機構，成為計算機技術研究開發(fā)和政策議程的主導者。?
90年代，政府一方面對現存的政府所有的成熟的計算機基礎設施實現商業(yè)化和私有化;另一
方面又開始資助新的更高層次的技術研究。如，NSF于1992年將其互聯(lián)網向商業(yè)應用開放之后，又于1995年成功地把NSF的互聯(lián)網推向私有化。與此同時，NSF和其他聯(lián)邦機構還在繼續(xù)進行下一代互聯(lián)網(NGI)的開發(fā)與擴展工作，計劃將互聯(lián)網的數據傳輸速度提高100倍。NGI計劃將建立一個試驗性的、范圍廣闊的、可升級的測試系統(tǒng)，用以開發(fā)那些對國家至關重要的網絡應用技術，如國防和醫(yī)療等。?
三、幾點啟示?
美國政府資助計算機技術發(fā)展的經驗，對我們有以下幾點啟示。?
(一)政府職能明確?
在美國的計算機革命中，政府、產業(yè)界和學校起了不同的作用。政府主要引導大學和產業(yè)界研究機構的研究，特別在建立前沿研究需要的實物基礎設施，培養(yǎng)大學生、研究生和技術隊伍等方面起到關鍵性作用。盡管有些在市場中處于主導地位的大公司，如AT&T、IBM、微軟和英特爾等在基礎研究方面也投入了大量資金。但大公司更傾向投資于與其發(fā)展目標及產品開發(fā)有緊密聯(lián)系的研究項目。而政府則在長期基礎性研究、應用前途廣泛的共性技術研究開發(fā)方面發(fā)揮了重要作用。?
隨著計算機產業(yè)從幼稚產業(yè)發(fā)展為成熟產業(yè)，美國聯(lián)邦政府的作用經歷了一系列變化。從50年代的用戶和資助者，60-70年代的資助基礎研究和培養(yǎng)人才，到80-90年代的合作者。資助機構和管理也從分散、無戰(zhàn)略計劃逐步發(fā)展到由專門機構統(tǒng)一協(xié)調。?
(二)資助來源多元化和機制多樣化，發(fā)揮政府代理機構的作用?
聯(lián)邦政府對于計算機技術與電子工程技術的資助主要是通過幾個代理機構來完成的。例如國防部、國家科學基金、國家航空航天部、能源部及國家健康機構。這些代理機構的特點是，專業(yè)技術能力比較強，機構內部有許多專業(yè)技術人員，有些機構本身就是國家研究機構。除國家科學基金外，這些代理機構大都是計算機技術的直接需求和應用方，經常根據部門自身的需要資助計算機技術研究開發(fā)。?
多元化的優(yōu)點，一是有利于技術發(fā)展的多樣性。由于計算機技術是工具性技術，各個領域有不同的需求，因此，每一個機構都有各自的資助重點及資助方式，從而促進計算機技術多樣化發(fā)展;二是提供多種潛在的支持，增加了研究機構和研究人員的選擇余地，有利于競爭;三是研究成果可以在不同的機構間轉移，形成廣泛的用途，提高了研究成果的利用效率。?
(三)加強統(tǒng)一協(xié)調?
盡管美國政府對計算機技術的資助計劃是由專業(yè)管理部門分別執(zhí)行的，但是，隨著計算機產業(yè)的成熟和資助規(guī)模的擴大，各專業(yè)管理部門和聯(lián)邦政府不斷加強對計算機資助項目計劃的統(tǒng)一協(xié)調和戰(zhàn)略規(guī)劃。60年代以前，軍方對計算機技術的資助是根據各軍兵種自己的需求分散進行的。60年代初，國防部成立了高級研究項目處，并成立了專門的信息處理技術辦公室。一個重要目的就是協(xié)調軍方各部門的長期戰(zhàn)略性資助計劃，實行統(tǒng)一管理。?
90年代，美國國家科學技術委員會中設置計算機、信息和通訊委員會，該機構通過下級委員
會，協(xié)調12個政府部門或機構的有關計算機和通訊技術的R&D項目，并重點組織實施了5個具有長期戰(zhàn)略意義的項目計劃。?
這種體制即發(fā)揮了專業(yè)代理機構的積極性和技術特長，又加強了統(tǒng)一協(xié)調，避免重復研究和
分散競爭資源的局面，提高了政府資助的整體效果。?
(四)以多種方式支持計算機技術?
除了資助研究開發(fā)以外，美國政府對計算機技術市場的形成發(fā)揮了重要作用。美國政府是高新技術的最大用戶，政府采購為高新技術創(chuàng)造了巨大的市場。?
從半導體到超級計算機，在許多領域中，政府創(chuàng)造了計算機及其技術的市場，促進新技術的標準化和核心技術在計算機行業(yè)的推廣。例如，聯(lián)邦政府為阿波羅號航天飛機采購的集成電路以及國防部的洲際彈道導彈項目都對集成電路生產能力的提高形成了一種刺激。為開發(fā)核武器，能源部及其前身機構對高性能計算機的需求驅動了早期超級計算機市場的形成。美國政府的統(tǒng)計體系也是早期計算機及其軟件的大用戶。在軟件方面，通過建立聯(lián)邦數據處理標準，聯(lián)邦政府促使市場向“美國國家標準機構”制定的COBOL(面向商用的通用計算機語言)不斷靠近;為使FORTRAN程序語言擴展應用于并聯(lián)計算機，政府資助了高級FORTRAN論壇項目。?
反壟斷訴訟也具有深遠的影響。例如，1952年出現了針對IBM的反壟斷訴訟案，要求IBM公司出賣或出租其設備，以幫助其它公司進入這一商業(yè)領域。同時要求IBM公司對其包括電子計算機在內的所有有關信息處理設備的現有及未來專利實施許可制度，并規(guī)定了許可的比率。“司法部反壟斷部門”的負責人認為，IBM訴訟案是“開放電子領域的一個進步”，為其他公司進入計算機行業(yè)打開了方便之門。?
(五)保持戰(zhàn)略產業(yè)在國際競爭中的領先地位?
美國政府對計算機技術的貢獻中最發(fā)人深省的是，政府不僅在計算機產業(yè)的發(fā)展初期發(fā)揮了作用，而且在計算機產業(yè)逐步趨于成熟時，仍然起著重要作用。?
計算機技術已經趨于成熟，該產業(yè)不再像以前那么依賴于基礎性研究了。政府為什么還要繼續(xù)資助計算機技術研究呢?計算機行業(yè)是一個收益豐厚的高度競爭的產業(yè)，為什么一些大公司不能完全依靠自己的力量進行新技術的開發(fā)?實際上，在70年代后期和80年代初期，美國計算機產業(yè)界已經增加了對計算機技術研究開發(fā)的投入，政府的資助所占比例開始下降。而由于80年代日本的電子工程和計算機存儲器等技術開發(fā)，對美國的計算機產業(yè)震動很大。因此，圍繞提高美國計算機產業(yè)的競爭力，占據世界領先地位這一目標，政府和產業(yè)界聯(lián)合起來，加大了計算機科學和技術研究的投入力度。?
由此我們可以得出兩點主要結論。一是政府在資助計算機技術中的作用是對產業(yè)界的補充，而不是代替產業(yè)界。盡管產業(yè)界的大公司花費了大量資金支持和進行計算機技術研究開發(fā)，也獲得了巨大的成功，但不論是基礎研究還是實用技術研究，公司目標都是商業(yè)化目標，而政府目標是非商業(yè)化的。政府對整個創(chuàng)新過程起著杠桿作用;二是政府的技術政策要有整體戰(zhàn)略目標。計算機產業(yè)是美國的戰(zhàn)略性產業(yè)，美國政府的目標是使其計算機產業(yè)在全球占居和保持領先地位。因此，政府不僅對計算機科學和基礎研究投入大量資金，還對推動產業(yè)技術的應用和推廣投入了大量資金。
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