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中图分类号：N949；C203 文献标识码：A 文章编号：1005－6408（2009）04－0082－05
1.引言
认知科学理论总结出这样一条规律：当专家求解一个特定问题时，他们一般不会或很少去设想发明一种和已有解决方案完全不同的方案来处理这个问题。他们往往会回想已解决过的相似问题，通过回忆以前处理过的类似问题的解决方法，重用其解法的精华来解决新问题。这种所谓的“专家行为”，即采用同时考虑一对问题—求解方案的方式解决问题的思路在许多不同领域中都是相同的。比如建筑学、经济学和软件工程领域都是如此[1]。它已成为解决问题或社会交互的一种自然而有效的手段。这种从特定的一对问题—解决方案中进行抽象并提炼出的公共要素就是模式。
如今，模式的思想和方法已经被广泛应用于各个领域，特别是二十世纪九十年代以来，以设计模式为代表的模式应用更是成为软件工程乃至信息系统领域发展的方向和主流。模式之所以被人关注，是因为它在收集和表达已有的经验和知识方面以易于获得的方式和所希望的良好的书写格式捕获了那些已被证实的解决方案，因而容易被人们所理解和应用。
模式的概念产生于应用，因此长期以来，人们主要关注的是如何应用模式的概念解决实际问题，而缺乏从理论、方法和技术实现手段上系统地理解和认识模式。为此，本文将从分类学理论、认知科学以及人工智能技术等方面对模式概念给予系统的解析，旨在全面揭示模式的本质，为更好地应用模式奠定基础。
2.模式的系统定义
要完整地理解模式就需要从其内涵和外延两个方面加以阐述。所谓模式的内涵是指对模式基本概念的阐述，包括对它的定义以及主要特点的归纳和总结。所谓模式的外延就是从与模式概念密切相关的学科中去寻找其本质和联系。分析模式的基本特点，模式的外延应涵盖从分类学理论、认知科学到人工智能技术等三方面。即从分类学理论中探索模式的理论基础及生成途径，从认知科学中认识模式的思维方式和方法学本质，从人工智能技术中寻找模式应用的技术手段支持，从而构建起模式概念的体系框架。因此，模式的概念体系见图1所示。
图1 模式的概念体系
3.模式的内涵
3.1模式的定义
模式的定义最早是由著名的建筑学家Christopher Alexander提出的。他在《The Timeless Way of Building，建筑的永恒方法》中指出[1]：“模式是在同一时间里发生在世界上的一切事物和如何创建这个事物以及我们何时必须创建它的规则。它既是一个过程，又是一个事物；既是一个活生生事物的描述，又是产生那个事物的过程描述”。
之后，随着模式应用领域的进一步扩展，人们对于模式的认识也逐步走向全面和深入，各种各样关于模式的解释和描述应运而生。
在Webster大字典中，模式被定义为：一种被认可的、原创的、为模仿而提出的模型或标准实例的形式。
R.Johnson的解释：模式就是成对的问题——解决方案，它倾向于形成相似的问题——解决方案的系列，且每一个系列体现一种在问题和解决方案中的模式[2]。
综合上述对模式的各种解释，模式并非是人类发明和创造的新东西，而是对有经验的实践者所拥有的知识或经验的提炼、总结和重用。它其实是解决一系列类似问题的一种共同机制。它关注的是那些在不同的应用领域中，以不同的面貌重复出现，而实质却相同的东西，通常采用一种公共的词汇和形式对其加以描述。如今模式之所以被人关注，是因为它在收集和表达已有的经验和知识方面以易于获得的方式和所希望的良好的书写格式捕获了那些已被证实的解决方案，因而容易被人们所理解和应用。
3.2模式的主要特点
3.2.1模式体现的是特定应用领域的一类知识。模式是建立在一定的抽象思维和分析高度之上，并通过一定的表达方式，描述了一个问题解决方案的核心及其背后的原理，因此它形成的是关于该类问题的知识。这类知识表达了问题的共性特征，记录、提炼和表示了应用环境所构成的系统，为具体方案的形成提供了策略或启发。
3.2.2模式具有普遍性。模式的普遍性体现在两个方面：一是模式特征的普遍性。模式主要是针对一类具有共性特征因素（结构或行为的实质）的提取和抽象，并通过问题—解对的形式进行描述。二是模式应用的普遍性。由于共性和规律存在于人类思维的任何空间，因此决定了模式概念的应用具有广泛性。因为在模式中存在着一个通用的核心——不论你应用模式来解决何种类型的问题，某些事情的做法总是一样的。
3.2.3模式为具体解决方案提供了生成或变换规则。模式不是某种问题的具体解决方案，而是提供具体解决方案形成的规则和约束。它通过提供具体方案的生成或变换规则，明确方案的范围和方向，指导人们根据自己的特殊要求生成所需要的解决方案。因此它体现的是构造的思想，强调的是方案在构造重用过程中的柔性。
3.2.4模式应用的目的是实现经验和知识的重用。正向Wegner所说[5]：抽象和可重用性是同一块硬币的两个面，每一个抽象描述了一个有关可重用的实体集合，每一个有关可重用的实体集合确定一个抽象。从实践经验中抽象总结出的模式，其目的是通过使用模式重用已被实践证实的成功解决问题的经验以解决在相似情形下出现的新问题。大量实践已经表明，这是解决复杂问题的一条有效途径。
4.模式的外延
4.1分类学理论是模式的理论基础
分类：亦称归类，即根据事物的同和异，把事物集合成类的过程。人们常说：“物以类聚，人以群分”。人们在社会生活实践中对事物不断地加深了解，从而提高认识；在认识的基础上对事物加以区别，使认识得以升华。在这一实践——认识——区别的过程中出现了一个新的学科，即分类学理论[6]。
一个分类过程的实现是人们长期实践与认识的积累总结，这一总结反映了人们对某一领域中规律性东西的认识。无论在哪个领域，都存在从事实堆积的经验阶段走向事实整理的理论阶段，而分类学的理论和方法在这两个阶段之间架起了桥梁。
分类的作用主要体现在两个方面[5]：一是通过分类找出规律。大量的纷繁庞杂的事物一经分类，往往会显露出某些规律的线索，有助于规律的总结。二是通过分类方便检索。随着信息量的剧增，设计一个好的分类系统，并按这一分类系统进行存储和定制检索方法，才是最为有效的检索方法，才能为人们获得有用的信息提供方便。
今天，随着人们所面临的处理对象日益复杂，分类正成为一种应用越来越广泛的信息处理方法，因为它能有效地解决将具体事例映射到设定的标准范畴这样一类问题。而现实中的许多问题都存在着这样的一种映射。通过这种映射，当人们面对复杂多变的环境时，就能在较短的时间内对信息加以提炼，对知识进行浓缩，应用前人开发出来的知识宝库来解决眼前的问题，因此，可以说分类学理论已成为获取知识的一种有效手段。
把模式的定义与分类学的本质进行综合分析不难看出，分类学理论是模式应用最为直接的、重要的理论基础，因为模式与分类有着密切的联系。分类是模式形成的主要手段和途径，模式是分类的结果。作为一种重要的抽象机制，模式所表示的是一类具有共性特征的抽象概念，它的抽象本质是以分类学理论为基础的，它的抽象过程是通过分类来实现的。一种新模式的生成常常是通过分类将一组具有共同特征的事物集合起来，并以某种抽象机制来描述它们的共同特征。存在于某一特定领域中的对象经过一定的分类标准进行分类来形成特定的概念，这种概念便是模式。
4.2认知科学是模式的方法学基础
认知科学是一门专门研究人类认知系统的结构（人脑基本机能、记忆系统等）、概念形成、学习的基本原理、发现过程及人类的问题求解等问题的学科[7]。它说明和解释人类在完成上述活动时，是如何进行信息的加工和抽象的，例如：他感觉到事物的哪些特征；看到事物间的哪些关系；外界信息是怎样存储在大脑中的；他在解决问题时利用了哪些信息，采取了什么样的思维策略等。也就是说，认知科学是研究人类如何处理问题以及如何思考、如何解决问题的一门学科[6]。
认知科学所揭示的人类认识客观世界、解决实际问题的机制，即抽象思维过程为解决复杂的系统问题提供了良好的思路，同时也是基于模式方法所依据的方法学基础。
在认知科学中，人类的抽象思维过程被描述为图2所示的形式。
图2 人类抽象思维过程
整个抽象思维过程经历了三个层次两个阶段。
第一阶段：从感性具体经过感性——理性映射上升到思维抽象。思维从丰富的感性材料中产生灵感，通过分解客观对象，从中抽象出一般规定，形成对客观对象的某些方面、某些属性或者某些特征的普遍性认识，从而完成从感性到理性的映射，其结果是获得有关客观对象的本质规定。这种映射过程的最大特点在于扬弃了个别性，抽象出包含在个别性中的一般性，把这种一般性又抽象成各种规定性，明显地表现为从个别到一般的进程，因此，该阶段被称为抽象思维阶段。
第二阶段：从思维抽象经过抽象——具体的映射上升到思维具体。思维之所以必须从抽象发展到具体，是因为第一阶段所获得的只是对客观对象的某些本质属性和特征的抽象认识，不能全面地把握客观对象的诸多具体规定，而整个思维过程的目的是把客观对象的多样性予以统一，把不同规定予以综合，全面地把握客观对象的本质和规律以指导实践。从抽象到具体的映射过程，本质上就是要把握客观对象的各种规定之间的内在联系，确定每一种规定在具体客观对象中的作用、地位及其它规律之间的关系，从而完整地、全面地把握客观对象。这一阶段突出地表现为在抽象思维的基础之上进一步实现的从一般到个别的进程，因此，该阶段被称作抽象具体阶段。
总结模式的应用实践不难看出，认知科学所描述的上述抽象思维过程正是基于模式解决问题的思维过程。因为模式概念是通过对具体研究对象中共性特征的抽象和归纳而得出的，是感性到理性映射的具体表现。而从模式到具体解决方案的实现则是抽象到具体映射的体现。模式在问题空间和解决方案之间架起了桥梁。经过问题空间到模式空间再到解决方案空间的两次映射，最终获得解决问题的方案。基于认知科学的模式思维过程见图3所示。
图3 基于认知科学的模式思维过程
如果用数学模型对上述过程加以形象描述，可以更清楚地看出它在解决实际问题时的认知学本质。采用向量形式进行描述，即：问题空间集合O＝
由此可以看出，认知科学是基于模式解决问题的方法学基础，基于模式解决问题的方法是认知学思维过程的具体应用。
4.3人工智能是模式应用强有力的技术支持手段
人工智能作为计算机科学的一个分支，是一门专门研究机器智能的学科，它利用现代数学、信息理论、逻辑学、语言学、计算机技术等人工方法和技术，研制智能机器或智能系统来模仿、延伸和扩展人的智能，实现智能行为。经过几十年的发展，人工智能已形成了一个比较庞大的方法和技术体系，其中包括有知识工程、专家系统、基于规则或案例推理方法、模式识别、神经网络技术等。在这其中，知识工程、基于案例推理方法、模式识别等方法和技术都已成为或正在成为模式应用强有力的支持手段。
4.3.1模式与知识工程
知识工程是专门研究知识发现、知识表示和知识处理的学科。知识发现的过程实质上是一个机器学习的过程，现在主要的学习方式有机械学习、基于解释的学习、基于案例的学习、基于概念的学习、基于类比的学习、基于遗传算法和神经网络的学习等。在知识的表示方式上，当前也已经有了一些比较成熟的表达方法，如谓词逻辑表示、产生式表示、框架表示、语义网络表示、过程表示、面向对象表示等[4]。
由于模式体现的是特定领域中的一类知识，模式的应用过程其实就是模式知识的发现、模式知识的表示和模式知识的重用过程。因此，知识工程在发现、表示和推理等方面的方法和技术就成为模式应用的主要方式。如在模式识别中，神经网络和遗传算法已被广泛应用；在软件工程中具有代表性的设计模式在表达方式上则主要采用的是面向对象方法等。充分借鉴和利用知识工程中的方法和技术，将有助于提高模式应用的水平。
4.3.2模式与实例
基于实例推理是人工智能领域中较新的一门技术。自80年代末、90年代初兴起以来，已被广泛应用于许多领域。它的基本思想是：人类在解决问题时，常常回忆过去积累下来的对类似情况的处理方案，通过对过去类似情况处理方案的适当修改来解决新的问题。它强调的是人类对过去经验和前人智慧的重现，并依靠它们指导解决实际工作中的新问题。
模式和实例既有区别，又有一定的联系。具体表现为：
动机相同。模式和实例均是以认知科学为基础，认为人们在面临一个新问题时往往不会从头开始。相反，他们会使用以前处理类似问题的经验，根据经验去认识现有事物，进而选择事物，解释事物。它们都是以重用为目的。
包含的内容基本相似。一个实例记录了一个问题的求解过程（包括一个问题的解及解的环境信息）。同样，一个模式所表达的也是特定环境、问题和解之间的关系。只是模式所包含的内容要比实例丰富和抽象得多。
描述方式相似。模式和实例均可采用知识表达中的各种方式进行描述。
求解过程相似。它们都可以采用计算相似度的类比方法、神经网络方法等做出相似性判断，获得可重用的结果。
同时，模式与实例也有明显的区别。它们表达的是一类问题的两个方面，是抽象与具体、一般与特殊、共性与个性的不同体现。通常，一个模式拥有多个实例，而多个具有共同特征的实例形成一种具有代表性的模式。主要区别为：
表达的知识范畴不同。模式主要表达的是隐性知识，侧重于启发性和策略性。实例表达的是显性知识，对具体问题有较强的针对性。
可重用的粒度不同。模式是较高层次的重用，提供的是重用的指导或规则。实例是最小粒度的重用，提供的是解决问题的具体方案。
了解模式与实例之间的区别和联系，可以有效地利用它们之间的相互关系解决实际问题，例如在一些强经验弱理论的应用领域，可以通过对实例的归纳总结生成模式，从而实现经验和知识的重用。
4.3.3模式识别
在任何事物的处理过程中，都形成了许多经验数据，这些经验数据能反映出事物或过程的规律性。如果能从这些经验数据中有效地抽取信息，通过分类研究，充分认识这些规律，并选择合适的表达方式进行表达，把它们用于今后的实践中将是解决复杂问题的一种有效方法。模式识别就是这样一门专门研究对象描述和分类以及自动处理和判读方法的学科[3]。目前它已经成为人工智能的一个重要的研究和应用领域，也是模式应用的主要方式。
模式识别解决问题的基本思想是根据所要解决问题的类型，寻找对象的特征属性，建立相应的数学模型，从而形成一般意义上对象空间相似性的抽象模式概念。一个完整的模式识别过程可以通过图4所示的步骤来描述。
图4 模式识别的基本过程
一般来说，模式识别过程是通过分类过程和归类过程两部分来实现的。如今，随着模式识别应用的不断普及，众多的分类方法不断涌现，其中应用最为广泛的有：统计分类方法（基于决策理论）、结构分类方法（基于形式语言理论）、神经网络分类方法（基于人工智能理论）和模糊分类方法（基于模糊数学理论）等。
模式识别的思想和解决问题的步骤为模式在各个领域中的应用提供了总体思路。
结束语
各种客体对象的差别主要在于问题空间的不同，而不同的问题空间又决定了相应的求解空间。当我们分析一类问题空间时又可以发现，它们在客体特征和变化规律上都存在一定的共同之处。模式就是以问题——解对的形式对这种共同特征及规律的抽象和提炼，它在所研究的问题范围内更普遍、更集中、更深刻地描述了客体的特征。模式应用是人们对客体认识的深化，也是人类认知过程中的一次能动飞跃。通过发现应用领域中的模式，使实践者可以根据研究对象的特征找到与之相关的模式，获得其解决方案相应的概念，并经过模式的指导，进一步得到具体的解决问题的方案。在分享前人解决问题的经验和知识中解决了他想要解决的问题。分类学理论、认知科学为模式奠定了坚实的理论和方法学基础，而人工智能中的诸多方法和技术又为模式的具体应用提供了强有力的支持。这一切都为模式应用的进一步发展创造了条件。
收稿日期：2009－6－30