漫谈信息模型（1）

简单地表达复杂的世界，这是各类思想家近千年来的追求。如何将人类在世界上观察到的结果进行概念化表达？又如何描述人造的复杂工具？这种探索成为人类文明进步的一个重要的驱动力。计算机的出现，推动了人类对现实事物进行概念化的描述。

事物概念化的基本方法称为建模。在科学中，模型是对某种“真实”事物的简化表示。科学家说是在研究自然，但实际上他们做的大部分工作是在对自然进行建模，并对他们建立的模型进行研究。模型是一种思维方法，成语“去伪存真”就是建模的过程。

模型的特点

建模是人类对人类思想进行整理的技术，也通过人类进行验证。同样一个事物而言，不同的目的，建立的模型是不一样的。

模型的主要特征

-表现性（Representation）

模型表现了一个事物（A model represents some thing）。它能够反映该事物的基本特征，便于对事物进行识别，存储，统计和处理。

数学是一种描述自然和社会学现象的模型语言，使用数学来描述物理事物，以便我们采用数学方法来推演物理现象。比如弹道轨迹来确定炮弹落地的位置。

-抽象性（Abstraction）

模型抑制了无关紧要的细节，专注重要的方面。比如形形色色的人，我们构建的基本模型可能只包括了姓名，年龄，性别，民族

-实用性（Pragmatics）

模型为了某一个目的而设计。建模的艺术就在于去除掉实在中与问题无关的部分。所以建立的模型与要解决的问题有关。如果随意地使用模型，存在一定的风险。建模者可能忽略了你解决问题时需要的某些重要的因素。

例如，对于一个人而言，人的基本特征包括了年龄，姓名，性别。如果他是一名学生，可能需要的基本特征还有专业，年级，学习成绩，同学等特征。如果他参加选美，那么需要身高，体重，三围尺寸等特征。

建模

人们对事物的模型最初是在头脑中形成的，也是人类的认知过程，我们常说通过实践对某件事情形成了概念，其实是对该事物建立了一个模型。

在中文语境中，形成了概念与建立了一个模型十分相似。

也许我们还不清楚3岁之前的儿童是如何建立起对周边事物的模型。比如通过了味觉，视觉，环境反射等等因素。

人类对自然和社会现象的研究，本质上是通过观察和实验，揭示事物的规律，并且构建这些事物的模型。

动物学家通过不断地观察，根据动物的习性，对地球上的动物进行了详细的分类。并且描述了它们各种的特征。这些研究可以认为是建立动物模型的过程。

物理学家通过实验和观察揭示了力学，电磁，光学，天文等诸多领域事物以及事物之间的相互作用的模型。

模型的描述

构建模型的另一个重要的作用是用于交流，当你告诉另外一个人发现了一条狗，别人马上就知道了此事，并且想象出哪个画面。这是因为你们双方都建立了狗的模型。

描述模型最简单的方式是采用自然语言或者是一张图片，比如小时候妈妈常给孩子唱儿歌“一个青蛙四条腿，两个眼睛，一张嘴”。她为孩子的脑海里构建了一个青蛙的模型。

除了口头交流之外，人类还能够通过文字来描述模型。发明书写语言是人类最伟大的智慧。这样就使各种知识能够广泛地传播和传承。知识是有大量的概念构建而成的。

自然语言的特点的词汇丰富，能够书写出动人的文字。但是它的缺点是不够严谨。

还记得“按图索骥”的故事么？

孙阳有个儿子,看了父亲写的《相马经》,以为相马很容易,就拿着这本书到处找好马.他按照书上所绘的图形去找,一无所获.又按书中所写的特征去找,最后发现有一只癞蛤蟆很像书中写的千里马的特征,便高兴地把癞蛤蟆带回家,对父亲说：“爸爸,我找到一匹千里马,只是蹄子稍差些.”父亲一看,哭笑不得,没想到儿子竟如此愚笨,便幽默地说：“可惜这马太喜欢跳了,不能用来拉车.”接着感叹道：“所谓按图索骥也.”

这个故事其实告诉我们，模型的描述非常重要，如果模型的特征不完整，描述不清晰，可能会闹笑话。

数学是人类发展起来的一种严谨描述模型的语言。在问及什么是数学这个问题时，大多数回答是关于数字的学问。在《数学语言》一文中指出，数学是一种模型描述语言。我觉得恍然大悟。许多的物理现象能够使用数学语言来描述和推演。

在计算机科学中，人们基于数理逻辑的思想，创造了一系列没有二义性，上下文无关的形式化语言来描述模型。例如XML 语言。

语言的困惑

人类语言的最大困惑是各地的人类使用不同的语言，例如中国人使用象形文字中文，法国人使用法语，德国人使用德语，阿拉伯人使用阿拉伯语，希伯来语等等。书写语言的两个要素，语法和符号。不同地区采取不同的语法和符号。

据说，远古时期天下人的口音，语言都是一样的。后来发现人类使用同一种语言的力量太强大了，就将各地的人改成使用不同的语言。各地区语言的不同的确造成了人类的困惑。千百年来，人们耗费了大量的精力从事语言的学习，翻译。也有人希望发明一种世界统一的语言来代替各地方言，或者使用某一种语言成为世界的通用语言，始终没有成功。

在信息模型的描述语言领域，同样是如此。人们建立了各种各样的模型描述语言，并且加以标准化。希望成为统一的标准。例如 UML，SysML，AutomqtionML，OPC UA ,工业4.0 AAS，IEC61360，ISO/PAS 19450 等等，名目繁多，层出不穷。这样语言的设计者和拥护者各持己见，谁也说服不了谁。都说掌握了标准就掌握了全局，在这里好像不好使。于是，各种网关，转换器苦逼地使用。

对于大多数学习者，我们并不要学习各种语言，成为精通多国语言的专家。而是要了解语言背后的逻辑。从而提高掌握语言的能力。

基于信息技术的建模方法

利用信息技术构建模型的主要方法是基于面向对象的思想。

与数学建模的方式不同，信息技术构建模型的方式更加接近人类的知识积累的方式。一切从观察到的，或者想到的事物出发，事物是确定存在的任何事情，比如山，动物，人，书等等。在目前信息技术领域，这些事物被称为“对象”，而在台湾被翻译成“物件”，笔者认为更贴切一点（嗨，该死的语言差异）。

对象：对象是在某段时间内有可能稳定而且无条件存在的事物。

对象可分文物理对象和信息对象。例如一所房子，它是一个物理对象，也是一个有形对象。而电脑中的一文件是信息对象。

类- 对象模型

对象的模型是通过其属性和特征来描述的。属性用来区别不同的同类事物，而特征用来描述事物的特征。例如人的姓名，身份证号码是其属性，而特征是事物的某些特征数据，比如性别，年龄，学历等等。

对象的一个重要的特征是该对象与其它对象的关系（relationship）。无论是自然界和社会中的事物都不是独立地存在的，它们与其它事物具有千丝万缕的关系，比如父子关系，同学关系等等。因此，事物模型的特征中还具有与其它事物的关系特征。

复杂的对象可以分解成为多个简单的对象。无法分解的对象成为本体或者原子。在自然语言中，本体通常被称为基本概念，术语。人们在基本概念和术语达成共识。

人们通常将复杂的对象称为系统（System），在模型学的观点下，系统的定义如下：

系统：由一组实体和这些实体之间的关系所构成的集合。

系统架构：架构是对系统中的实体和实体之间的关系进行抽象描述。

更简单一点讲，架构是系统的描述。

对象-过程模型（OPM）

面向对象设计思想传播最广泛的是面向对象的程序设计语言，例如C++。建模语言也吸取了面向程序设计语言的思想，在类定义中包含了方法（也称为函数Function）。这些方法描述了对象的行为。

对象是”一等公民“，将方法和服务是二等公民。笔者认为，这种构建类的方法其实受到了面向过程程序设计的思想的影响，比如隐藏实现，暴露接口，定义和实现分离等软件工程的思想。如果以面向对象程序设计的范式区看待信息模型，例如OPCUA 信息模型。如何改变信息模型的状态，当信息模型的数据改变时，调用哪一个方法？总是感觉不清不楚。方法和信息模型之间隔着一堵墙。

值得幸运的是，以色列理工学院的多夫多里（Dov Dori）教授在上世纪90年代也看到了这个问题。正是他提出了对象过程法（Object-Process Methodology OPM）。这个方法的核心思想是对象和过程平起平座。他描述的系统包含了两类要素：对象和过程。其概念非常简单，只用了两个基本的概念：带状态的对象和改变对象状态的过程。

国际标准化组织ISO 制定了OPM 的国际标准

ISO/PAS 19450:2015 Automation systems and integration — Object-Process Methodology

Dov Dori 关于OPM 的书有中译本。感兴趣的读者可以读一下。