數字虛擬類推的建立與應用

摘要：邏輯史上曾經建立了事物類推、模型類推兩種基本的類比推理類型。隨著計算機技術的迅猛發展，“賽博空間”生成了，虛擬實在得到應用，由此，邏輯學則可建立新型的虛擬類推。這種新型類推具有全面性、動態性、精確性、前瞻性、條件性和或然性的基本性質，建立虛擬類推具有重大的理論意義、社會意義和認識意義。虛擬類推已經得到廣泛應用，并將在更廣闊的范圍得到應用。

關鍵詞：類比推理；虛擬類推；虛擬實在

中圖分類號：Ｂ812．3文獻標識碼：Ａ文章編號：1003－854Ｘ（2007）03－0077－04

計算機技術在現代社會得到飛速發展，現代社會的發展也幾乎離不開計算機。在這個過程中，相對于物理空間的電子空間——“賽博空間”誕生了，相對于現實物理實在的電子實在——“虛擬實在”產生了。這些新東西不僅帶來經濟社會的巨大進步，而且對人的思想認識帶來新的沖擊。在虛擬實在的廣泛應用中，一種新型的類比推理——數字虛擬類推也問世了，并在眾多領域中得到應用。

一、邏輯史上的類比推理

類比推理是與演繹推理、歸納推理并列的、獨立的推理類型，但現行邏輯學對它的研究是很弱的。不過從邏輯史上看，類比推理比歸納推理還要古老，而且在長期的發展歷程中也產生過多種類型和形式。

邏輯三大發祥地，都對類比推理作出了自己的研究。在古希臘，邏輯之父亞里士多德在《工具論》中將類比推理稱作“例證”，并說：“當兩種特殊事物附屬于同一名詞，而且其中之一已經知道時，借例證去論證。在古代中國，邏輯先驅將類比推理稱作“辟”或“譬”，《墨經》還給出了類推的定義：“辟也者，舉他物而以明之也。”① 戰國時期“善譬”的惠施更明確地闡述道：“以其所知喻其所不知而使人知之。”秦漢以后，中國人逐漸將“譬”稱為“比類”、“類比”和“類推”。在古印度，富有自己特色的佛教邏輯因明學以古正理的“五支作法”為基礎，其宗（論題）、因（理由）、喻（例證）、合（應用）、結（結論）五支作法的形式實際上就是類比推理。

以上三個邏輯發祥地產生了表達方式不盡相同的類比推理，但從基本類型上講它們卻是一致的，即它們都是在兩類實際存在的事物中進行的，都屬于“事物——事物型”類推。這個基本類型在我國現行的邏輯教科書中用公式作了如下表述：

Ａ事物有ａ、ｂ、ｃ、ｄ屬性，

Ｂ事物有ａ、ｂ、ｃ屬性，

所以，Ｂ事物也有ｄ屬性。

在這個基本公式的基礎上，近現代一些邏輯學者又對類比推理進行了深入研究，提出了定性類比、定量類比（協變類比）、定性與定量相結合的類比（綜合類比），并在定性類比中又分出了質料類比（性質類比）、形式類比（因果類比）和對稱類比，另外還有關系類比和條件類比等。

隨著工業社會的發展，人們在制造諸如汽車、飛機等復雜貴重產品和進行水利工程、大型建筑工程時，除了圖紙設計外，還要先制作仿真模型進行模擬試驗，再根據結果投入實際生產。于是，在試驗模型和事物原型中進行類推的新的類比推理類型，即“模型——原型型”類推產生了。隨著現代工程技術科學和上世紀60年代仿生學的發展，人們開始雙向運用這種類型的類比推理。在研制宇宙飛船、水電工程等等時，人們根據模型試驗的性能來推斷研制原型的性能，應用的是由模型向原型過渡的類比推理形式：

試驗模型：ａ、ｂ、ｃ、ｄ

研制原型：ａ、ｂ、ｃ

所以，研制原型也具有ｄ

在研制電子蛙眼、雷達等等仿生產品時，人們則根據自然生物某些器官的特性推斷生物制品的性能，應用的是由自然原型向技術模型過渡的類比推理形式：

自然原型：ａ、ｂ、ｃ、ｄ

技術模型：ａ、ｂ、ｃ

所以，技術模型也具有ｄ

從以上敘述中，我們了解到歷史上的類比推理有兩種基本類型，可以簡要稱之為“事物類推”和“模型類推”。

二、虛擬類推的建立

2002年7月4日，人類歷史上最大規模的人為放水沖沙在河南濟源小浪底水庫拉開序幕。這次持續十天的黃河放水沖沙，收到了良好的效果，為根治黃河水患的千年大計找到了一條高科技道路。這么一個大工程，自然需要科技人員的精心設計和論證。為了這次沖沙能夠取得預期成果，科技人員實際上研究了三條黃河：一條是自然存在的實際黃河，一條是實驗室中制造的模擬黃河，另外一條則是根據收集的各種有關數據在計算機上構建的數字虛擬黃河。

過去的科學研究大多在實驗室的模型中模擬進行，現在越來越多的科學研究則在計算機的虛擬世界中虛擬進行。人們將現實世界的事物數字化、虛擬化，在賽博空間建成虛擬實在事物，然后通過人機互動，將研究結果應用到現實之中。“賽博空間”，它是由美國科幻小說家威廉·吉布森（Ｗｉｌｌｉａｍ Ｇｉｂｓｏｎ）在1984年提出來的。他將網絡世界中出現的那些“超實”現象所存在的場所稱為“ｃｙｂｅｒｓｐａｃｅ”，即賽博空間，并在小說《網絡巫師》中第一次采用了這個術語。在現實性世界中，物理實在是通過物理空間來顯示它的存在性；而虛擬實在則要通過賽博空間來顯示它的存在性。簡單來說，賽博空間就是虛擬實在出現的空間。在這樣一個電子空間條件下，作為主體的人雖不能直接在場或出場，但卻有身臨其境的空間感覺，能夠與其交互作用，或者說能夠進行信息的輸入、處理和輸出②。那么，賽博空間中的虛擬實在是從哪里來的，虛擬實在又要應用到哪里去呢？毫無疑問，虛擬實在是由現實物理空間中的事物轉化而來的，不管是“數字黃河”還是“虛擬人”等等，都是由現實的黃河、現實的人經過數字信息處理后在電腦中生成的；而這些虛擬實在，歸根到底還是要應用到現實之中，如進行現實的黃河沖沙，現實的人體治療、整容等。從邏輯角度分析，其思維進程就是這樣兩個過程：一是由現實物轉化成虛擬物，二是由虛擬物推廣到現實物。由此可見，這個過程的實質就是在應用類比推理，是類比認知過程。因為類比推理就是將一個事物的特性推及另一事物。但這個過程又不是簡單應用傳統的類比推理，因為它是在物理實在與虛擬實在之間、在人機互動之中完成的，而且這里的“虛擬實在事物”與“現實物理實在事物”，是具有對等性的（現實有條物理實在的黃河，我們則可在計算機中生成“虛擬實在的黃河”，兩者在很高程度上具有一致性；現實有架飛機Ａ，網絡上也可生成虛擬飛機Ａ＇，Ａ與Ａ＇同樣具有較高程度的對等性）。因此，必須建立一種全新類型的類比推理，才能將這一過程進行準確的邏輯描述。

另外，既然屬性上對等，我們就可以通過對虛擬的東西進行動態的、深入的研究，再將研究的結果應用于現實事物；也可以通過對現實事物的研究，將研究結果作用到虛擬事物身上得到某種驗證。所以，這種類比推理也是可以雙向進行的。于是，一種全新類型的雙向類比推理“虛擬——現實型”數字虛擬類比推理就可以建立起來了。

虛擬類推以信息社會的到來和賽博空間的出現為其產生的歷史前提，以數字化手段和虛擬化軟件為其技術前提。下邊，結合實例分析，我們建立虛擬類推的兩種具體形式。

（一）從虛擬實在到現實存在的虛擬類推

這種類推是先將現實對象數字化，在賽博空間生成與現實對象基本一致的虛擬實在；再對虛擬實在進行刺激，取得虛擬世界的經驗結果；最后，推斷虛擬世界的經驗與現實作用的經驗一致。

一名下頜過于寬大的30歲女人，對自己的臉型不滿，來到廣州軍區總醫院要求整形。中國“數字人之父”鐘世鎮院士的高徒齊向東博士，為她拍攝了不同角度的數碼相片，并將其頭部的ＣＴ圖像掃描到計算機中，由此生成這名女士的三維顱骨模型。2005年9月4日晚6時，齊博士先在南方醫科大學生物力學實驗室，“主刀”進行虛擬整形手術。博士利用“安琪兒定量分析系統”，設計出符合“東方經典美”的截骨線，然后手握“雕刻刀”開始了在電腦屏幕上的“手術”。她伴隨著音效割開了電腦中女士的皮膚，露出了軟組織。手術刀繼續探入，突然，手一頓，刀上的觸覺感應裝置提示：碰到硬物！果然，白色的下頜骨暴露出來。于是，手術刀換成了“磨鉆”，一陣尖利的電鋸聲響起。接著，齊博士開始切割、打磨，準確無誤地切削掉過多的下頜骨，打造出一個美麗的面龐。虛擬整形手術成功了。幾天后，齊博士在廣州軍區總醫院為那名女士實施了真實的手術，將其打造成具有東方經典美貌的女人③。以上過程可用邏輯推理表示為：

該女士頭部Ａ數字化為電腦圖像Ａ＇，

對Ａ＇進行虛擬寬下頜切割手術得到虛擬“東方

經典美”結果，

所以，對該女士頭部Ａ實施這種手術也將會產

生“東方經典美”結果。

再對這個結果進行抽象，就可得到從虛擬實在到現實存在的虛擬類推形式：

現實對象Ａ數字化為虛擬對象Ａ＇，

對Ａ＇輸入ａ＇則輸出ｂ＇，

所以，對Ａ作用ａ也會產生ｂ。

這個公式與事物類推和模擬類推的公式相比較，就會發現它與它們在以下兩點上是不同的：一是將ａ、ｂ、ｃ一系列相同屬性的符號變成了“現實對象Ａ數字化為虛擬對象Ａ＇”，說明虛擬類推不是簡單地列出兩對象在一系列屬性上的相同點，而是全方位地建立兩對象的對應關系（對等性）；二是將新屬性ｄ變成了蘊涵式的“輸入ａ＇則輸出ｂ＇”、“作用ａ會產生ｂ”，說明虛擬類推不是靜態地推出一個新屬性，而是動態地從一個仿真過程推出整體的現實過程。

（二）從現實存在到虛擬實在的虛擬類推

這種類推也需要先將現實對象數字化，生成賽博空間的虛擬實在；然后則根據對現實事物進行某種作用產生某種結果，推斷對虛擬實在進行這種作用也會得到某種類似的結果，從而確證某個結論。

美國密歇根州立大學的電腦科學家、生物學家和哲學家將200臺電腦連在一起，制造了若干能在幾分鐘內復制自己的幾萬個副本的數字生物體。這些生物體能以與脫氧核糖核酸的變異方式大致相同的方式發生變異。通過“阿維達”（意為“渴望”）軟件，研究者掃描電腦屏幕上如同瀑布一樣傾瀉的一行行數字，追蹤一代代數字生物體的出生、生存和死亡，進行生物進化過程的模擬。而早在1988年，微生物學家理查德·蘭斯基就一直在進行生物進化試驗。他利用一個大腸桿菌進行繁殖試驗觀察，將它的后代創建成12個分別的菌落，然后用一種營養很差的葡萄糖喂養它們。這樣，就產生了一種強烈的激勵因素，使它們進化出生存的新方式。17年來，這些菌落經過了3．5萬個世代。經過分析研究顯示，自然選擇是實實在在的，12個菌落都進化了，其繁殖速度幾乎比祖先快一倍，其細胞也增大了一倍。出乎意料的是，這些變化不是以一種平穩的和線性的過程展現，而是以一陣陣突變的方式進化，隨后是幾百代很小的變化，然后又是突變。后來，蘭斯基應用阿維達軟件建立了這些細菌菌落的數字版本，通過敲擊鍵盤快速進行試驗、記錄、研究，一個小時的成果等于幾年的成果，并最終得到了與前述研究類似的結論。我們將蘭斯基的研究過程整理成下邊的形式：

現實大腸桿菌Ａ數字化為虛擬大腸桿菌Ａ＇，

喂養Ａ結果呈現出自然選擇和突變、漸變交替

的進化，

所以，同樣作用Ａ＇也會呈現自然選擇和突變、

漸變交替的進化過程。

同樣進行概括，我們也能得到從現實存在到虛擬實在的虛擬類推形式：

現實對象Ａ數字化為虛擬對象Ａ＇，

對Ａ曾作用ａ得到ｂ，

所以，對Ａ＇作用ａ＇也會產生ｂ＇。

這個公式表明，現實事物的經驗在電腦虛擬世界中得到了驗證。隨著現代社會的發展，人們不但越來越依賴計算機，而且也越來越相信計算機，經過這種虛擬類推的驗證，人們覺得某個結論更加可靠了。

三、建立虛擬類推的意義

如果說事物類推和模型類推是人類發現、發明的重要工具，是重要的創新思維方法的話，那么毫無疑問，虛擬類推的建立將有著更為特殊重要的意義。

（一）理論意義

從邏輯理論角度看，建立虛擬類推的意義主要有以下三點：

第一，豐富了類比推理的內容。虛擬類推一建立，就使類比推理的類型由事物類推、模型類推兩種，增加為包括虛擬類推在內的三種，初步形成類比推理體系。

第二，夯實了假說的基礎。建立、發展和驗證假說，都要用類比推理，也越來越需要虛擬類推的支持。

第三，加強了類比論證的功能。以前我們很少提及類比論證，可能是因為類比推理結論的可靠程度不高。但虛擬類推則不同，其結論可靠程度極高。

（二）社會意義

虛擬類推在社會各個領域的廣泛應用，必將產生良好的社會影響。現在，世界上已經誕生以實現“虛擬試驗空間”（ＶＴＯＳ）為戰略目標的達索系統公司和ＥＳＩ集團。建立虛擬類推的主要社會意義總結如下：

第一，節約社會成本，這是其經濟性意義。達索系統公司和ＥＳＩ集團研究的虛擬原型和虛擬制造方案旨在用較低的成本改善產品的性能質量，縮短研制周期。

第二，提高社會效率，這是其高效性意義。如自然生物進化過程是非常緩慢的，但數字生物的進化過程則以難以想象的速度進行。它可以縮短大型項目的研制周期，極大提高工作效率。

第三，防范社會風險，這是其預測性意義。美國加州大學地震學家約翰尼·朗德爾與他的同事，構建了“虛擬加州”，并依此對圣安德烈亞斯斷層（位于太平洋板塊與北美板塊之間）進行分析，模擬未來4萬年的運動情況，結果表明未來20年舊金山發生大地震的可能性為25％，未來45年發生的可能性是50％，而未來80年發生大地震的可能性高達75％。意大利人對那不勒斯附近的活火山也進行了類似的預測。這些預測，對防范社會風險的意義是無比巨大的。

（三）認識意義

賽博空間的建立拓展了人類認識，虛擬類推的建立也將對人的認識產生深刻影響。

第一，極大促進人的創新思維活動。虛擬類推已經或正在成為創新思維活動的非常重要的工具，它必將加快高科技發展的步伐，極大豐富人類創造發明的成果。

第二，極大拓展人類認識的空間。遙遠的星體、微觀的世界，還有如同太陽無法接近的星體，過去對它們的研究只能靠暗箱法等有限的方法進行猜測。現在我們可以或者能夠建立這些物體的虛擬實在，然后就可應用虛擬類推，進行全方位的研究了。

第三，極大延伸人類認識的時間。地質年代的變遷、生物的進化歷程等，是以百萬年、億年計的，人類無法親歷。過去的研究只是依靠考古的發現進行間接的研究，現在如同上邊對進化論的檢驗一樣，可以在虛擬世界中急速加快其演進過程，作出類比結論。

最后，虛擬類推有助于人們的認識日趨深入、全面，促進認識水平的提高。通過虛擬類推人們可以更方便地深入到事物的內部，對事物進行全面系統的類比研究。因而，在虛擬類推作用下，人類的認識水平將得到全面的提高。

四、虛擬類推的性質和邏輯要求

綜上所述，我們可以給出這種新型類推的定義：數字虛擬類比推理是基于計算機技術的，在虛擬與現實之間進行類推的推理。

根據以上討論和這個定義，虛擬類推的基本性質應該表現在如下幾個方面：

第一，全面性。虛擬實在是對現實對象的全面模擬，不是兩對象的有限屬性ａ、ｂ、ｃ的相同或相似；虛擬類推可以同時進行多方面的輸入、輸出，并始終伴隨著完整的包含聲、形、色等在內的三維或多維的效果，得到綜合各種新屬性的整體結論。

第二，動態性。“虛擬”一詞本身就是一個動態詞，它是指通過數字化手段對現實物質世界的動態模擬。公式里“輸入ａ＇則輸出ｂ＇”、“作用ａ得到ｂ”的蘊涵式描述，也表明這種類推是動態地進行的，可以通過動態刺激，得到對刺激進行反應的結果。這與其他兩種類推通過靜態特性分析，將一事物的屬性推及到另一事物身上有著質的區別。

第三，精確性。由于數據采集的全面性，計算機處理的精密性，使得這種類推能夠精確地在虛擬空間中進行，并得到極為精確的結論，其結論的可靠程度也自然相當高，進而使它具備了論證的功能。

第四，前瞻性。任何推理都有預測的功能，而虛擬類推的預測可以不局限在抽象的預測上，而是能夠感受到可視的整體預測，即可以“前瞻”。人們根據前瞻，可及時對對象進行優化完善，從而追求較為理想的預測結論。拿虛擬制造來說，在產品設計或造出現實產品之前，就能預測或感受未來產品的形態、行為和性能，然后適時調整方案，作出最后決策。

第五，條件性。虛擬類推的歷史前提和技術前提說明它是在高科技的、高要求的條件下完成的，必須借助具有強大功能的軟件才能實現。比如，支持虛擬制造的軟件，應有以下功能：建立實時交互的虛擬環境，模型可視化，設計分析，虛擬環境漫游，離散事件過程仿真，三維工程動畫等。

第六，或然性。虛擬和現實永遠不能劃等號，再全面的數字采集也不是絕對的全面，再周密的軟件也會存在缺陷，類比推理就是一種或然推理，虛擬類推也不例外。正因為如此，經過虛擬類推后，試驗、實驗仍然是需要的。

虛擬類推的或然性決定了它仍然存在提高結論可靠程度的問題，我們還是要對它提出一些邏輯要求：一是用于數字化的現實原型應當是典型的，否則就可稱之為犯了“非典型類推”的邏輯錯誤；二是數據采集要盡可能多，盡可能全，不然就是犯了“非全面類推”的錯誤；三是應用軟件要盡量沒有缺陷，違背此要求的錯誤就是“非合理類推”。有相應的軟件才能進行虛擬類推，但用于虛擬類推的軟件如果太簡單，并有不少缺陷，類推的結果就不大可信了。

五、虛擬類推的廣泛應用

計算機及其網絡在今天的發展，創造了一個比波普爾世界3更具自主性并與物理世界在本體論上具有某種對等性的新世界——“虛擬世界”。盡管這個世界僅有幾十年的歷史，可其主要構成成分——“虛擬實在”和伴隨其中的虛擬類推已在非常廣泛的領域得到了應用。

在制造業，虛擬制造從上世紀80年代提出、90年代得到長足發展。1989年，美國馬薩諸塞州的一個研究所就提交了一份“虛擬制造”報告，并指出這一技術在產品概念設計和早期性能評價方面的優勢。1993年，美國愛荷華大學在一份“制造技術的虛擬環境”的報告中，提出了建立包括評估系統、裝配計劃、材料去除過程模擬及離線編程等技術在內的虛擬制造的支持環境。德國在世紀交替的四年里，組織53個合作單位的250個強兵強將組成ｉＶｉＰ產品開發課題組，共同研究基于ＩＴ技術的結構實現不同環境下的產品開發。虛擬技術的研究成果已經進入實際應用，并結出了豐碩的果實——波音飛機公司利用此技術制造新型777客機，其開發周期由8年縮短至5年，并實現一次試飛成功；福特汽車公司運用裝配仿真、虛擬成形提高產品的空氣動力學、人機工程學和表面建模的效果；德國寶馬汽車公司的虛擬裝配系統能識別語音輸入，完成相應操作，當發生干涉碰撞時能發出聲音報警，從而大大提高產品的安全性能④。

在大型工程上，虛擬類推更是大顯身手。人類歷史上最大規模的人為放水沖沙試驗和實施過程，充分說明了這一點。

在軍事上、醫學上、人員培訓上、虛擬類推都得到了廣泛的應用。

此外，對現實的網絡環境也可進行虛擬實在研究，從而有效地提高網絡規劃和設計的可靠性和準確性，明顯降低網絡投資風險，減少不必要的投資浪費，這就是網絡仿真技術。通過在計算機中構造虛擬的環境來反映現實的網絡環境，通過數學的方法或動態的蒙特卡羅方法來模擬現實中的網絡行為，設計出能在現實中應用的、最佳的有線網絡、衛星通信系統和地面無線通信系統等。現在已經投入使用的ＣＤＭＡＨ和ＧＰＲＳ，都是這樣設計出來的。

總之，虛擬類推已經在眾多的領域得到應用，并將在更多領域得到應用。研究虛擬類推將更加促進和拓展其應用范圍。

注釋：

① 詹劍峰：《墨家的形式邏輯》，湖北人民出版社1979年版，第149頁。

② 張怡、酈全民、陳敬全：《虛擬認識論》，學林出版社2003年版，第63－64頁。

③ 陳輝：《直擊虛擬手術》，《羊城晚報》2005年9月5日。

④ 嚴雋琪等：《虛擬制造的理論、技術基礎與實踐》，上海交通大學出版社2003年版，第3頁。

（責任編輯陳金清）