張 儀 陳 曦

(1.華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430074)(2.91388部隊(duì) 湛江 524000)

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武器裝備試驗(yàn)仿真系統(tǒng)可信度評(píng)估指標(biāo)研究*

張 儀1,2陳 曦1

(1.華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430074)(2.91388部隊(duì) 湛江 524000)

建立清晰全面的仿真可信度指標(biāo)體系是進(jìn)行可信度評(píng)估研究的基礎(chǔ)。首先闡述了仿真可信度的基本定義;然后在分析武器裝備試驗(yàn)仿真系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)仿真可信度指標(biāo)建立原則,按照仿真系統(tǒng)在全壽命周期過(guò)程中的三種視圖,分別構(gòu)建了在不同視圖下的仿真可信度指標(biāo)。

試驗(yàn)仿真系統(tǒng); 可信度; 視圖; 指標(biāo)體系

Class Number N945.13

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)武器裝備技術(shù)的快速發(fā)展,依靠傳統(tǒng)單一的外場(chǎng)試驗(yàn)鑒定模式已無(wú)法滿足新武器裝備性能指標(biāo)考核的要求。內(nèi)場(chǎng)仿真與外場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的綜合試驗(yàn)鑒定模式已成為武器裝備試驗(yàn)鑒定發(fā)展的趨勢(shì)之一。仿真試驗(yàn)與外場(chǎng)試驗(yàn)相比,具有無(wú)破壞、可重復(fù)、經(jīng)濟(jì)、安全、不受天候條件和時(shí)間、空間限制等優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí),仿真試驗(yàn)也存在一定的局限性,其中最關(guān)鍵之處是應(yīng)用于仿真試驗(yàn)中的仿真系統(tǒng)及模型的可信度問(wèn)題。只有滿足預(yù)期可信度要求的仿真系統(tǒng),才能應(yīng)用于仿真試驗(yàn),仿真試驗(yàn)結(jié)果才能被運(yùn)用于武器裝備性能指標(biāo)考核過(guò)程中。否則,將對(duì)武器裝備試驗(yàn)鑒定結(jié)論帶來(lái)較高的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)[1]。

近年來(lái),對(duì)仿真模型的校核、驗(yàn)證與確認(rèn)(Verification,Validation and Accreditation,VV&A)得到了仿真與應(yīng)用行業(yè)內(nèi)的重視,并被強(qiáng)調(diào)應(yīng)貫串整個(gè)仿真系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程。仿真模型的VV&A工作是仿真系統(tǒng)可信度評(píng)估的基礎(chǔ)。在武器裝備試驗(yàn)鑒定領(lǐng)域,仿真系統(tǒng)的可信度評(píng)估結(jié)果,是仿真系統(tǒng)能否應(yīng)用于試驗(yàn)鑒定工程的前提,也是仿真試驗(yàn)結(jié)果能否應(yīng)用于武器裝備性能評(píng)估的先決條件之一。本文從仿真可信度基本概念出發(fā),在分析武器裝備試驗(yàn)仿真系統(tǒng)特點(diǎn)基礎(chǔ)上,構(gòu)建仿真可信度評(píng)估體系,研究對(duì)仿真系統(tǒng)可信度定量與定性相結(jié)合的評(píng)估方法。

2 仿真可信度定義

對(duì)仿真可信度進(jìn)行準(zhǔn)確完備的定義,有助于正確理解仿真可信度的基本內(nèi)涵和建立相對(duì)完善的指標(biāo)體系。目前,國(guó)內(nèi)尚未建立規(guī)范的、一致的仿真可信度概念標(biāo)準(zhǔn),對(duì)仿真可信度評(píng)估的相關(guān)概念的具體含義進(jìn)行明確系統(tǒng)地闡述。一部分學(xué)者采用仿真逼真度或仿真置信度來(lái)定義仿真系統(tǒng)與原型系統(tǒng)之間相似性決定的仿真系統(tǒng)與仿真目的相適應(yīng)的程度[2～3];一部分學(xué)者采用仿真可信度或仿真可信性來(lái)描述是用戶對(duì)仿真系統(tǒng)能夠服務(wù)于預(yù)期目的的信心程度[4～6]。

本文綜合現(xiàn)有仿真可信度的相關(guān)概念,定義:

仿真可信度:仿真系統(tǒng)(模型系統(tǒng))作為原型(真實(shí)系統(tǒng))的相似替代系統(tǒng),在特定的建模與仿真目的和應(yīng)用上,在總體結(jié)構(gòu)和行為上能夠復(fù)現(xiàn)原型系統(tǒng)的可信性程度。該定義重點(diǎn)突出仿真系統(tǒng)在特定的目的和應(yīng)用上以及結(jié)構(gòu)和行為上的可信性程度。

該定義重點(diǎn)突出仿真系統(tǒng)在特定的目的和應(yīng)用上,以及結(jié)構(gòu)和行為上的可信性程度。

3 武器裝備試驗(yàn)仿真系統(tǒng)特點(diǎn)

武器裝備試驗(yàn)仿真系統(tǒng)通常是包含復(fù)雜環(huán)境與目標(biāo)特性模擬的裝備半實(shí)物仿真系統(tǒng),或是基于多武器系統(tǒng)仿真平臺(tái)的分布式交互綜合仿真系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是:

1) 仿真目的特殊性

與武器裝備全壽命周期中的其他階段不同,在試驗(yàn)定型/鑒定階段,仿真主要目的是對(duì)相關(guān)型號(hào)武器裝備的部分性能指標(biāo)進(jìn)行考核。因此,武器裝備試驗(yàn)仿真系統(tǒng)是以復(fù)雜環(huán)境模型、目標(biāo)特性模型、物理效應(yīng)模型為核心的裝備半實(shí)物仿真平臺(tái),通過(guò)接入實(shí)際武器裝備(或相應(yīng)模型),對(duì)其進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

2) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模大

通常由若干個(gè)子系統(tǒng)和下層分系統(tǒng)甚至子分系統(tǒng)等構(gòu)成,一般包括:(1)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其支撐軟件;(2)環(huán)境與目標(biāo)特性仿真模型;(3)物理效應(yīng)模擬器;(4)仿真試驗(yàn)劇情想定、設(shè)計(jì)與控制設(shè)備;(5)人機(jī)交互界面和接口;(6)監(jiān)控、顯示及文檔設(shè)備;(7)信息采集和處理系統(tǒng)等。

3) 仿真可信度要求高

由其仿真目的就決定,與用于方案論證、設(shè)計(jì)和研究的仿真系統(tǒng)不同,武器裝備試驗(yàn)仿真系統(tǒng)必須具有更高的可信度,才能應(yīng)用到試驗(yàn)鑒定中。

4 構(gòu)建武器裝備試驗(yàn)仿真系統(tǒng)可信度評(píng)估指標(biāo)體系

仿真可信度評(píng)估不是一項(xiàng)完全獨(dú)立的工作,一般應(yīng)以VV&A工作為基礎(chǔ),利用各種VV&A技術(shù)和方法,對(duì)仿真系統(tǒng)的各項(xiàng)可信度指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),目的是在仿真系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)持續(xù)提高仿真可信度,而不是單單對(duì)系統(tǒng)仿真結(jié)果的可性度進(jìn)行評(píng)估。因此,在確定指標(biāo)體系過(guò)程中,應(yīng)結(jié)合VV&A工作基本原則和方法,針對(duì)仿真系統(tǒng)具體特點(diǎn),綜合考慮影響仿真可信度的關(guān)鍵因素,同時(shí)兼顧指標(biāo)的完整性和全面性。

4.1 指標(biāo)體系構(gòu)建原則

構(gòu)建仿真可信度評(píng)估指標(biāo)體系過(guò)程中,并非體系中的指標(biāo)越多越好,關(guān)鍵在于指標(biāo)能否客觀地反映出影響仿真系統(tǒng)可信度的主要因素。相反,指標(biāo)越多越復(fù)雜,將會(huì)大大增加指標(biāo)的理解難度和評(píng)估計(jì)算的復(fù)雜程度。仿真可信度評(píng)估指標(biāo)體系的確定一般應(yīng)遵循以下原則[7]:

1) 簡(jiǎn)潔性原則:即在能滿足評(píng)估需求的前提下,應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化指標(biāo);

2) 完備性原則:即體系中各項(xiàng)指標(biāo)能夠較為全面地體現(xiàn)仿真可信度內(nèi)容;

3) 客觀性原則:即各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)真實(shí)地反映出在仿真需求下仿真系統(tǒng)的性能、特征;

4) 可測(cè)性原則:即各項(xiàng)指標(biāo)能夠采用定性或定量的方法對(duì)進(jìn)行分析測(cè)試與評(píng)估,并得到相應(yīng)的結(jié)果;

5) 獨(dú)立性原則:即體系中指標(biāo)之間應(yīng)盡可能相對(duì)獨(dú)立,減少冗余性。

4.2 構(gòu)建仿真可信度評(píng)估指標(biāo)體系

仿真系統(tǒng)的可信度與仿真系統(tǒng)建立的全生命周期的各個(gè)階段都密切相關(guān)。因此以仿真系統(tǒng)研制的全生命周期各個(gè)階段工作過(guò)程及過(guò)程產(chǎn)品為基礎(chǔ)建立可信度指標(biāo)體系,對(duì)應(yīng)于建模全生命周期的VV&A過(guò)程,可信度指標(biāo)意義更為清晰,指標(biāo)組合更為合理[8]。

基于仿真可信度的定義和指標(biāo)體系構(gòu)建原則,同時(shí)綜合考慮建模與仿真全壽命周期以及仿真可信度評(píng)估的基本要素,采用不同視角(可信度側(cè)面)來(lái)描述仿真系統(tǒng)可信度,如圖1所示。

1) 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與行為視圖

從仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、模型結(jié)構(gòu)、模型與系統(tǒng)功能等要素出發(fā),構(gòu)建仿真可信度的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及行為視圖,如圖2所示。

圖1 仿真系統(tǒng)可信度不同視圖

仿真結(jié)構(gòu)可信度是指在特定的建模與仿真目的和應(yīng)用上,仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一致性程度。其中:

(1)仿真時(shí)空一致性是指仿真系統(tǒng)中的時(shí)間與空間參數(shù)與武器裝備系統(tǒng)的一致性;

(2)仿真網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一致性是指仿真系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與武器裝備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一致性;

(3)半實(shí)物模型結(jié)構(gòu)一致性是指半實(shí)物仿真模型與武器裝備部件的硬件結(jié)構(gòu)一致性程度;

(4)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)一致性是指數(shù)學(xué)仿真模型與武器裝備系統(tǒng)功能組件的結(jié)構(gòu)一致性程度。

圖2 仿真可信度的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及行為視圖

仿真行為可信度是指在特定的建模與仿真目的和應(yīng)用上,仿真系統(tǒng)功能行為與實(shí)際系統(tǒng)行為的一致性程度,主要包括仿真系統(tǒng)功能完整性、功能運(yùn)行正確性、互操作性、功能可靠性等[9]。

2) 按VV&A工作過(guò)程視圖

根據(jù)VV&A各階段工作過(guò)程,以各階段的過(guò)程及過(guò)程產(chǎn)品的可信度來(lái)描述仿真系統(tǒng)可信度指標(biāo),構(gòu)建仿真可信度的VV&A工作過(guò)程視圖,如圖3所示。

圖3 仿真可信度的VV&A工作過(guò)程視圖

仿真系統(tǒng)可信度在VV&A工作視圖中,各指標(biāo)主要是采取校核與驗(yàn)證工作進(jìn)行評(píng)估。其中:

(1)需求可信度指標(biāo)主要包括仿真需求的正確性、完整性、無(wú)二義性、可追溯性和一致性;

(2)概念模型可信度指標(biāo)主要包括概念模型的完備性、合理性、一致性、清晰性和可追溯性;

(3)數(shù)學(xué)與半實(shí)物模型可信度指標(biāo)主要包括合理性、精確性、一致性和有效性等;

(4)軟件可信度指標(biāo)主要包括算法合理性與正確性、代碼正確性、功能完備性、可用性、可靠性、可維護(hù)性、軟件運(yùn)行效率特性等;

(5)測(cè)試結(jié)果可信度指標(biāo)主要包括結(jié)果的準(zhǔn)確度、精確度與逼真度等。

3) 按仿真數(shù)據(jù)流視圖

在仿真系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)流主要包括仿真輸入數(shù)據(jù)、假設(shè)條件參數(shù)、模型過(guò)程數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果數(shù)據(jù)等[10]。從仿真數(shù)據(jù)流的角度出發(fā),構(gòu)建仿真可信度指標(biāo),如圖4所示。

在仿真可信度的數(shù)據(jù)流視圖中,初始數(shù)據(jù)可信度指標(biāo)主要包括輸入數(shù)據(jù)的有效性與精度、假設(shè)條件的合理性與一致性;過(guò)程數(shù)據(jù)可信度指標(biāo)主要包括過(guò)程數(shù)據(jù)的精度、準(zhǔn)確度、一致性與可追溯性;仿真結(jié)果可信度指標(biāo)主要包括結(jié)果數(shù)據(jù)的精度、準(zhǔn)確度與置信度等。

圖4 仿真可信度的數(shù)據(jù)流視圖

5 結(jié)語(yǔ)

在武器裝備試驗(yàn)仿真系統(tǒng)的全壽命周期內(nèi),采用不同視圖建立仿真系統(tǒng)的可信度指標(biāo),從不同側(cè)面與層次分析與描述仿真系統(tǒng)可信度,有利于更加充分、全面地評(píng)估可信度。

建立指標(biāo)體系是開展仿真可信度評(píng)估的基礎(chǔ)與前提條件。如何利用VV&A過(guò)程方法與技術(shù),對(duì)各種指標(biāo)進(jìn)行客觀、合理地評(píng)估,為提高仿真系統(tǒng)可信度提供支撐是需下一步研究的問(wèn)題。

[1] 張偉,王行仁.仿真可信度[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2001,13(3):312-314.

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[3] 魏華梁,王肇敏,劉藻珍,等.系統(tǒng)仿真置信度研究中的若干問(wèn)題與準(zhǔn)則[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2000,12(1):39-42.

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[7] 唐見兵,查亞兵,李革.仿真VV&A研究綜述[J].計(jì)算機(jī)仿真,2006,23(11):82-85.

[8] 翟慎濤,顧健,占科鵬.仿真模型可信度評(píng)估指標(biāo)體系研究[J],系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2011,23:26-29.

[9] Osman Balci. EXPANDING OUR HORIZONS IN VERIFICATION, VALIDATION, AND ACCREDITATION RESEARCH AND PRACTICE[C]//Proceedings of the 2002 Winter Simulation Conference,2002:653-670.

[10] Xu Guozhen, Jiao Peng, Yin Quanjun, et al. Research of Intelligent Data VV&C System based on CBR[C]//2013 Third International Conference on Intelligent System Design and Engineering Applications,2013:1125-1128.

Credibility Evaluation Index of Weapons and Equipment Test Simulation System

ZHANG Yi1,2CHEN Xi1

(1. Department of Automation and Electrical Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074) (2. No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524000)

Building clear and comprehensive credibility evaluation index is the basement of research on credibility evaluation. Firstly, the basic definition of simulation credibility is discussed. Secondly, based on the analysis of characteristics of weapons and equipment test simulation system, according to the principles of credibility evaluation index, and in accordance with three views of entire life cycle process for the simulation system, credibility evaluation indexes under different view are set up separately.

test simulation system, credibility, view, index

2015年4月7日,

2015年5月26日

張儀,男,碩士,工程師,研究方向:潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真試驗(yàn)。陳曦,男,博士,副教授,研究方向:系統(tǒng)仿真與決策。

N945.13

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.033