林 馳，李 松，王 剛

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051）

0 引言

建模與仿真是探索客觀世界和對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行研究的有效途徑［1］。在國(guó)防軍事領(lǐng)域，作戰(zhàn)仿真作為研究作戰(zhàn)系統(tǒng)的有效方法更加得到重視［2］。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立一批作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，然而指控模型作為核心卻容易被忽視［3］。

在作戰(zhàn)仿真應(yīng)用中指控模型可以有效減少所需的兵力和裝備，降低人為因素影響，因此，指控模型是否可信，關(guān)系到作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)能否進(jìn)行有效的作戰(zhàn)模擬和發(fā)揮對(duì)人員訓(xùn)練、武器裝備作戰(zhàn)效能評(píng)估、新武器系統(tǒng)概念研究以及戰(zhàn)術(shù)有效性檢驗(yàn)方面的作用［2］。模型的校核驗(yàn)證及評(píng)估是解決問題的有效途徑，一方面校核驗(yàn)證可確保模型滿足可信性要求，另一方面評(píng)估可獲得模型可信性程度。

盡管國(guó)內(nèi)外在復(fù)雜仿真系統(tǒng)VV&A的研究取得一定進(jìn)展，但對(duì)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型校核驗(yàn)證及評(píng)估的研究甚少。本文通過分析國(guó)內(nèi)外復(fù)雜系統(tǒng)特別是作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)VV&A研究現(xiàn)狀，根據(jù)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控進(jìn)程及其模型的特點(diǎn)，對(duì)其建模全生命周期進(jìn)行校核驗(yàn)證及評(píng)估。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外研究VV&A起步早，在理論性研究、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究、方法技術(shù)研究、工具及應(yīng)用研究4個(gè)方面取得很多進(jìn)展，具體如下：

理論性研究起始于人們對(duì)仿真模型的可信性存在質(zhì)疑，在開始階段主要分為模型校核和模型驗(yàn)證兩部分［4］。Shannon指出校核是從內(nèi)部進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，驗(yàn)證則是從外部特性入手，具體需要從建模人員，評(píng)估人員和用戶3個(gè)角度考慮。Osman Balci等學(xué)者則提出將建模仿真劃分為10個(gè)階段和13個(gè)VV&A過程同時(shí)進(jìn)行框架設(shè)計(jì)，并提出全生命周期的VV&A以及總結(jié)出15條原則和13條指導(dǎo)研究策略［5］，且在研究復(fù)雜系統(tǒng)的過程中為彌補(bǔ)定量評(píng)估的缺陷指出采用定性方法并進(jìn)行相應(yīng)的研究。

而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究是在VV&A發(fā)展到一定程度時(shí)，很多學(xué)者意識(shí)到制定相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的重要性，具有代表性的成果有美國(guó)DMSO起草的《VV&A Recommended Practice Guide》，美國(guó)陸軍制定的《陸軍M&S管理程序》，美國(guó)海軍制定的《海軍M&S校核，驗(yàn)證與確認(rèn)》及加拿大國(guó)防部制定發(fā)布的《M&S VV&A Guidebook》。

在方法技術(shù)方面的研究，主要成果有：《VV&A Recommended Practice Guide》總結(jié)出校核驗(yàn)證的76種方法和18種統(tǒng)計(jì)技術(shù)；Osman Balci等學(xué)者在研究VV&A及可信性評(píng)估的方法中提出靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)測(cè)試、約束分析和理論證明等方法［6-7］；另外Holmes和Robert G.Sargent［8］等學(xué)者針對(duì)模型驗(yàn)證提出對(duì)照比較法，專家評(píng)定法，圖靈測(cè)試法，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，靈敏度分析法，半實(shí)物仿真法，數(shù)據(jù)圖法，假設(shè)檢驗(yàn)法，極端條件測(cè)試法等多種方法。

在工具及應(yīng)用方面，比較具有代表性的有基于HLA的測(cè)試和評(píng)估工具：Ageis公司開發(fā)的聯(lián)邦成員測(cè)試工具FedProxy，MAK公司研制的Data Logger等，主要應(yīng)用于國(guó)防軍事領(lǐng)域。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)于VV&A的研究起步比較晚，目前沒有形成體系化的理念，缺乏相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，主要是在借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)復(fù)雜仿真系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行理論、方法等方面的研究。研究工作基本集中在院校和科研機(jī)構(gòu)，主要包括：國(guó)防科技大學(xué)對(duì)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)進(jìn)行可信性研究；北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)側(cè)重于交互式仿真系統(tǒng)VV&A的方法指標(biāo)的研究；西北工業(yè)大學(xué)對(duì)水下航行器仿真系統(tǒng)進(jìn)行可信性評(píng)估研究，以及空軍工程大學(xué)在作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)VV&A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面的研究［2］。目前研究的成果及特點(diǎn)如下：

在理論研究方面，王勇提出評(píng)價(jià)框架具有指導(dǎo)性，輔助評(píng)價(jià)者展開評(píng)價(jià)工作，評(píng)價(jià)模型是評(píng)價(jià)的手段，通過評(píng)價(jià)模型給評(píng)價(jià)對(duì)象一個(gè)結(jié)論，指標(biāo)體系是評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則，而仿真模型解決評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的獲取問題，評(píng)價(jià)對(duì)象決定了仿真模型和指標(biāo)體系［9］；同時(shí)針對(duì)CSSCM的評(píng)估技術(shù)展開研究，建立了評(píng)估CSSCM所依據(jù)的原則，歸納了評(píng)估CSSCM語法層，語義層以及語用層3類指標(biāo)，分析了評(píng)估CSSCM的非形式化、半形式化、形式化3類方法，最后提出層次化評(píng)估方法在CSSCM中評(píng)估的作用［10］。而黃興東針對(duì)對(duì)抗數(shù)字仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，總結(jié)出“一條主線，兩級(jí)仿真，3個(gè)層次，分層仿真，綜合評(píng)估”的仿真試驗(yàn)體系［11］。賈愛梅等人通過對(duì)指揮控制系統(tǒng)可靠性評(píng)估的研究，提出用可靠度函數(shù)來度量指控系統(tǒng)的可靠性并進(jìn)行深入研究［12］。另外有些學(xué)者提出構(gòu)建作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以在仿真系統(tǒng)或模型的驗(yàn)證評(píng)估上發(fā)揮有效作用，王君等人結(jié)合地空導(dǎo)彈混編作戰(zhàn)單元指揮控制系統(tǒng)研制背景，設(shè)計(jì)開發(fā)基于HLA的地空導(dǎo)彈混編作戰(zhàn)單元指揮控制系統(tǒng)綜合仿真試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)作戰(zhàn)過程的分析評(píng)估［13］，張躍提出構(gòu)建作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)平臺(tái)主要是將實(shí)時(shí)數(shù)字仿真與硬件或真實(shí)的系統(tǒng)和人員結(jié)合起來構(gòu)成“人在回路”的一種仿真演示驗(yàn)證系統(tǒng)［14］。

而在方法研究方面，寧小磊等人提出采用加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度驗(yàn)證方法，解決在仿真模型驗(yàn)證過程中僅考慮時(shí)間序列之間的相似性而忽略時(shí)間序列之間的相近性的問題［15］，并在考慮常規(guī)灰色關(guān)聯(lián)法在模型驗(yàn)證上，因絕對(duì)值運(yùn)算無法敏感位移差正負(fù)性的缺陷提出比商灰色關(guān)聯(lián)度模型驗(yàn)證法［16］，同時(shí)期吳靜等人為降低灰色關(guān)聯(lián)分析用于模型驗(yàn)證的風(fēng)險(xiǎn)，考慮仿真模型輸出和實(shí)際系統(tǒng)輸出時(shí)間序列之間的相近性和相似性，提出改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度模型［17］。根據(jù)大型復(fù)雜仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)，趙敏榮提出利用貝葉斯理論對(duì)大型復(fù)雜仿真系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證的方法，并指出模型形式是在各種假設(shè)條件下進(jìn)行的，所做的假設(shè)最終體現(xiàn)在模型形式上，即所做的假設(shè)不同，導(dǎo)致模型不同，所以對(duì)于模型的驗(yàn)證實(shí)質(zhì)上是對(duì)模型所做假設(shè)的檢驗(yàn)［18］。朱紹強(qiáng)和李相民在研究艦炮武器系統(tǒng)半實(shí)物仿真原理及系統(tǒng)仿真試驗(yàn)結(jié)果可信性評(píng)估問題的基礎(chǔ)上，介紹了基于最大熵譜估計(jì)的可信性評(píng)估定量分析方法，給出了仿真試驗(yàn)靜、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證方法，以及仿真結(jié)果靜、動(dòng)態(tài)精度的檢驗(yàn)方法［19］。國(guó)內(nèi)還有不少學(xué)者結(jié)合自身研究領(lǐng)域在方法技術(shù)上進(jìn)行深入研究，周延延等人通過對(duì)傳統(tǒng)模型驗(yàn)證方法的研究，提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型驗(yàn)證方法［20］，馬颯颯將貝葉斯估計(jì)引入軟件可靠性評(píng)估預(yù)測(cè)領(lǐng)域，提出基于貝葉斯估計(jì)的軟件可靠性綜合評(píng)估方法［21］，柯文俊等人為提高系統(tǒng)質(zhì)量提出基于Petri網(wǎng)模型的系統(tǒng)仿真驗(yàn)證方法［22］，及岳增坤提出的基于DODAF的體系結(jié)構(gòu)模型的驗(yàn)證方法［23］等。

在工具應(yīng)用方面也取得一定的研究成果，主要包括：數(shù)據(jù)分析軟件KD-Analysis和聯(lián)邦校核工具KD-FVT、數(shù)據(jù)采集工具DCT、成員一致性測(cè)試與評(píng)估工具KD-FCT、可信性評(píng)估軟件包、武器系統(tǒng)貝葉斯可靠性評(píng)估軟件SBRA等［2］。

2 防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型分析

防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型是構(gòu)建防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控系統(tǒng)的核心，主要以作戰(zhàn)條例、戰(zhàn)術(shù)規(guī)則、交戰(zhàn)準(zhǔn)則、控制邏輯等為依據(jù)，以目標(biāo)或火力通道等作戰(zhàn)要素或資源為約束和輸入，基于對(duì)威脅態(tài)勢(shì)的綜合判斷，以獲得最大作戰(zhàn)效益為目標(biāo)，通過各級(jí)指揮人員、戰(zhàn)勤人員實(shí)時(shí)“人在回路”的交互式或自主方式，完成作戰(zhàn)指揮與武器控制方式優(yōu)化選擇及決策的一系列分析、判斷、評(píng)估的求解過程。一方面從防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制進(jìn)程進(jìn)行分析描述，具體包含戰(zhàn)前籌劃/計(jì)劃、態(tài)勢(shì)分析、輔助決策及作戰(zhàn)協(xié)同/控制4個(gè)階段，其中主要以戰(zhàn)中實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)分析和輔助決策為重點(diǎn)，另一方面從防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控系統(tǒng)的角度分析，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)，系統(tǒng)功能及地位等要素主要分為區(qū)域、戰(zhàn)術(shù)及火力3個(gè)層級(jí)，其中具備作戰(zhàn)指揮與火力控制雙重功能的戰(zhàn)術(shù)級(jí)作戰(zhàn)指控系統(tǒng)，作為開展網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)的關(guān)鍵將是研究的重點(diǎn)，具體的模型類別如圖1所示。

根據(jù)圖1能了解到防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型類別復(fù)雜且模型特點(diǎn)不一，對(duì)所有指控模型進(jìn)行分析的工作量非常大，且涉及的知識(shí)面比較廣。因此，主要以戰(zhàn)術(shù)級(jí)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控系統(tǒng)戰(zhàn)中實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)分析和輔助決策為重點(diǎn)進(jìn)行分析，而態(tài)勢(shì)分析和輔助決策的實(shí)質(zhì)就是指控系統(tǒng)的信息處理過程，主要可以從情報(bào)信息處理和指揮信息處理兩個(gè)過程進(jìn)行描述，具體如下頁圖2所示，其中指揮信息處理中的目標(biāo)識(shí)別、威脅估計(jì)及目標(biāo)分配是3個(gè)相對(duì)復(fù)雜的子過程，是構(gòu)建指控系統(tǒng)的關(guān)鍵模型。

3 防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型校核驗(yàn)證及評(píng)估思路分析

3.1 總體框架設(shè)計(jì)

圖1 防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型

防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型的建模仿真具有較高的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了從作戰(zhàn)需求到初始概念，初始概念到建模，建模到實(shí)驗(yàn)分析的研究過程，主要包含需求定義、概念模型、數(shù)學(xué)模型及仿真模型4個(gè)階段。因此，對(duì)指控模型的檢驗(yàn)可以從這幾個(gè)方面出發(fā)，總體框架設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 指控系統(tǒng)的信息處理過程

3.2 需求校核

需求定義是將實(shí)際作戰(zhàn)需求轉(zhuǎn)化成準(zhǔn)確的仿真需求的前提和保證，在建模與仿真的全生命周期，一般起著導(dǎo)引作用，同時(shí)也作為模型最終確認(rèn)的證據(jù)。如何保證需求定義的可信性，成為研究防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型亟需解決的問題，而需求校核是解決該問題的有效方法。

防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型需求定義基本都是采用自然語言和圖形化模型進(jìn)行綜合描述，對(duì)自然語言描述的部分一般采用非形式化的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，主要是針對(duì)該部分內(nèi)容進(jìn)行需求評(píng)估和需求追蹤，而對(duì)圖形化模型描述部分一般采用模型執(zhí)行的方法。需求校核主要從問題域、用戶域及仿真域3個(gè)方面的需求進(jìn)行檢驗(yàn)，其指標(biāo)體系主要包括需求的正確性、完整性、清晰性、一致性以及可測(cè)試性，其中一致性主要從語法、語義去定量檢驗(yàn)。

3.3 概念模型驗(yàn)證

概念模型是為某一應(yīng)用目的、運(yùn)用語言、符號(hào)和圖形等形式，對(duì)真實(shí)世界系統(tǒng)信息進(jìn)行的抽象和簡(jiǎn)化，構(gòu)建概念模型的過程［24-30］。防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控概念模型也同樣可以采用自然語言和形式化語言進(jìn)行描述，對(duì)于自然語言描述部分主要采用非形式化方法進(jìn)行驗(yàn)證，而對(duì)于圖形化描述靜態(tài)部分采取數(shù)據(jù)分析，語義語法分析方法，動(dòng)態(tài)部分則采用基于時(shí)態(tài)邏輯的概念模型驗(yàn)證方法和形式化證明方法，其驗(yàn)證的指標(biāo)體系分析則是從語法、語義及語用3方面進(jìn)行分析，語法、語義及語用的驗(yàn)證是保證概念模型正確性、完整性及一致性的重要途徑。

3.4 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

圖3 總體框架設(shè)計(jì)

數(shù)學(xué)模型一般是以代數(shù)方程、微分方程以及狀態(tài)方程等可解析的數(shù)學(xué)方程及狀態(tài)圖、樹形圖等圖結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行描述的，作為構(gòu)建仿真模型的必經(jīng)階段，它是否可信很大程度決定仿真模型質(zhì)量的好壞［2］。防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控?cái)?shù)學(xué)模型的驗(yàn)證可以從建模目標(biāo)與規(guī)則、先驗(yàn)軍事知識(shí)、作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、建模理論與方法、建模步驟安排等方面進(jìn)行檢驗(yàn)，它主要回答的是“是否正確建立了數(shù)學(xué)模型”以及“建立的數(shù)學(xué)模型是否正確”。根據(jù)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控?cái)?shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，一般選用專家評(píng)判法、直接對(duì)比法、經(jīng)驗(yàn)測(cè)試法以及非形式化方法中的一種或綜合多種方法進(jìn)行驗(yàn)證，指標(biāo)體系主要從與概念模型的一致性、模型的正確性、模型的合理性等方面進(jìn)行確定。

3.5 仿真模型驗(yàn)證

仿真模型的驗(yàn)證主要從仿真算法，流程圖以及程序代碼3方面進(jìn)行。目前仿真模型驗(yàn)證的方法主要可分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩大類方法：靜態(tài)方法主要是在不執(zhí)行模型的情況下對(duì)仿真模型的流程圖、仿真算法、程序代碼等的閱讀、檢查與分析，一般采用的是人工方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、流程圖檢驗(yàn)、代碼審查等；動(dòng)態(tài)方法主要是針對(duì)仿真模型的程序代碼，即通過運(yùn)行程序來檢驗(yàn)程序是否存在錯(cuò)誤，以及能否達(dá)到預(yù)定的效果，一般采用白盒測(cè)試、黑盒測(cè)試和灰盒測(cè)試方法。如果從仿真算法、流程圖以及程序代碼等方面對(duì)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，工作量將非常大，下面主要以流程圖為對(duì)象進(jìn)行驗(yàn)證思路分析。

防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控仿真模型流程圖驗(yàn)證，一般是檢查流程圖是否正確反映仿真算法和編程過程，從功能性、有效性以及組合性3方面檢查模型是否對(duì)實(shí)際作戰(zhàn)指控過程進(jìn)行真實(shí)描述，主要從作戰(zhàn)指控流程、模型輸入輸出數(shù)據(jù)、流程圖執(zhí)行及程序行為、節(jié)點(diǎn)及流程路徑的設(shè)置、模型的變量參量等方面進(jìn)行檢驗(yàn)。驗(yàn)證的目的主要是及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改正指控模型中存在的不合理控制轉(zhuǎn)移、輸入輸出的不合理關(guān)系、不恰當(dāng)?shù)那短?、不合理的參量變量設(shè)置等。

3.6 模型評(píng)估

校核驗(yàn)證確保模型滿足可信性要求，為了獲取模型的可信性程度還需要進(jìn)行模型評(píng)估，模型評(píng)估是分析模型相對(duì)于特定應(yīng)用目的而言，其過程、現(xiàn)象和結(jié)果是正確反映真實(shí)世界程度的過程［2］。模型評(píng)估一般可以分為同一仿真模型不同構(gòu)成部分評(píng)估、同一仿真模型不同應(yīng)用目的評(píng)估，及同一真實(shí)對(duì)象不同仿真模型評(píng)估3種類型，對(duì)于防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型的評(píng)估屬于第1種類型，主要是由包含的子模型或組成部分的評(píng)估綜合而成。針對(duì)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型，可以采用模塊化指揮控制評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)（MCES）來構(gòu)建模型評(píng)估的框架，具體如圖4所示。

圖4 模型評(píng)估過程

其中問題闡述主要是明確被評(píng)估模型的情況及評(píng)估的層次和假設(shè)條件；模型邊界是從靜態(tài)角度分析確定模型的物理實(shí)體和結(jié)構(gòu)；模型定義則是從動(dòng)態(tài)角度分析模型的功能過程；模型元素和功能結(jié)合是基于以上兩個(gè)步驟確定物理實(shí)體、結(jié)構(gòu)和功能過程之間的關(guān)系，建立體系結(jié)構(gòu)；指標(biāo)說明是基于體系結(jié)構(gòu)定義評(píng)估可信度所需的指標(biāo)；數(shù)據(jù)生成和處理主要是通過實(shí)驗(yàn)等產(chǎn)生指標(biāo)數(shù)值并進(jìn)行處理；確定評(píng)估方法是指根據(jù)模型的特點(diǎn)和指標(biāo)體系選擇評(píng)估的方法；數(shù)據(jù)綜合獲取可信度就是基于指標(biāo)數(shù)值和確定的評(píng)估方法進(jìn)行計(jì)算獲取模型可信度。

4 結(jié)論

本文通過分析國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)雜仿真系統(tǒng)特別是作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的VV&A研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出對(duì)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型進(jìn)行全生命周期的驗(yàn)證評(píng)估，主要從需求校核、概念模型驗(yàn)證、數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證、仿真模型驗(yàn)證及模型評(píng)估5個(gè)子過程展開。這對(duì)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控系統(tǒng)的研究及構(gòu)建一體化防空反導(dǎo)作戰(zhàn)體系具有重大意義。由于防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型類別多且模型復(fù)雜度高，本文只進(jìn)行大致思路的分析，缺少對(duì)具體指控模型的校核驗(yàn)證及評(píng)估研究，這將是未來學(xué)習(xí)研究中所需致力的關(guān)鍵。