王玉龍，彭文成，董志明，高 昂

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院演訓(xùn)中心，北京 100072；2.武警后勤學(xué)院裝備保障系，天津 300309）

0 引言

可信度是分布式虛擬環(huán)境仿真的關(guān)鍵問題之一，沒有足夠可信度的仿真系統(tǒng)是沒有應(yīng)用價值的。交互行為是分布式虛擬環(huán)境仿真推進的基礎(chǔ)，交互行為可信對于系統(tǒng)正常運行至關(guān)重要。大規(guī)模分布式虛擬環(huán)境仿真具有規(guī)模龐大、交互繁多等特點，這加劇了因網(wǎng)絡(luò)延遲和中間件開銷等對于系統(tǒng)交互可信度的影響，有可能破壞仿真結(jié)果正確性和系統(tǒng)公平性，進而導(dǎo)致頻繁的仿真中斷、人工干預(yù)，甚至仿真失敗。

對于仿真系統(tǒng)可信度評估問題，文獻［1］指出，決策者只有在明確所使用仿真系統(tǒng)可信度的基礎(chǔ)上，才能夠作出基于該仿真結(jié)果的決策。仿真不確定性的程度決定了仿真精度，進而影響可信度。仿真校驗、不確定性的傳播和量化、參考數(shù)據(jù)或間接證據(jù)是建立仿真可信度的基礎(chǔ)。文獻［2］研究了復(fù)雜大系統(tǒng)建模與仿真的可信度評估問題，對影響多分辨率建模與仿真可信度的主要因素進行了深入分析，給出了模型間一致度計算方法，對仿真可信性進行了定性描述和定量度量，以此為基礎(chǔ)，在考慮主觀需求的前提下，提出了基于層次分析的模糊綜合評判方法。文獻［3］基于HLA 對高速列車控制系統(tǒng)進行仿真，運用VV&A 進行評估，提高了該仿真系統(tǒng)的可信度。文獻［4］針對制導(dǎo)仿真系統(tǒng)可信度問題，提出了灰云聚類綜合評價模型，通過指標(biāo)權(quán)重云模型確定可信度評估指標(biāo)體系指標(biāo)的主觀權(quán)重，采用信息熵和熵權(quán)法確定指標(biāo)的客觀權(quán)重，基于加法集成原理得到綜合權(quán)重，最后利用變權(quán)灰色聚類理論計算評價聚類結(jié)果。

不同于相關(guān)仿真系統(tǒng)，可信度評估多從構(gòu)建評估指標(biāo)體系開始，進而運用層次分析等方法獲得關(guān)于系統(tǒng)可信度的評估結(jié)果。本文從微觀的實體交互行為出發(fā)，根據(jù)一致性判別依據(jù)，獲得實體交互可信與否的判斷，進而實時統(tǒng)計并評估系統(tǒng)全局范圍的交互可信情況，側(cè)重于系統(tǒng)交互可信狀態(tài)的實時觀測，適用于實時性要求較高的、避免使用時間管理策略的面向LVC（Live，Virtual，Constructive）的大規(guī)模分布式虛擬訓(xùn)練環(huán)境，通過提供實時可靠的系統(tǒng)可信度監(jiān)控服務(wù)，確保大型訓(xùn)練和演習(xí)活動的順利開展?；谘舆t的仿真交互可信度貝葉斯評估方法，針對分布式虛擬環(huán)境中特定類型的仿真交互事件，給出了交互可信度的明確定義，分析了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的交互可信度先驗分布，并基于貝葉斯方法得到在復(fù)雜通信延遲下的仿真交互可信度后驗評估，獲得了系統(tǒng)交互可信度的實時判斷，進而為系統(tǒng)容錯或預(yù)先故障管理等機制提供相關(guān)支持。

1 交互可信度評估策略

分布式虛擬環(huán)境交互可信度評估策略主要分為4 個步驟，一是確定交互可信度初始先驗信息，主要是根據(jù)分布式虛擬環(huán)境延遲條件及歷史數(shù)據(jù)進行交互可信度先驗信息的整理、分析，并擬合為特定形式的先驗分布；二是交互事件數(shù)據(jù)采集，在具體測試環(huán)境中進行交互事件信息傳輸和可信度相關(guān)參數(shù)采集；三是交互可信判斷，依據(jù)交互可信模型和可信度數(shù)據(jù)進行交互事件可信與否的判斷；四是交互可信度貝葉斯評估，根據(jù)貝葉斯方法進行交互可信度后驗評估。該過程是一個實時迭代和更新的過程，在本次后驗評估完成后，可使用其后驗評估數(shù)據(jù)和結(jié)果對先驗信息進行融合與更新，并在此基礎(chǔ)上進行新一輪的交互可信度貝葉斯評估，從而獲得實時連續(xù)的系統(tǒng)交互可信度評估結(jié)果，實現(xiàn)對大規(guī)模分布式虛擬環(huán)境的運行質(zhì)量實時在線監(jiān)控，如圖1 所示。

圖1 交互可信度評估策略

2 交互可信度

2.1 相關(guān)概念

2.1.1 延遲

延遲是指分布式虛擬環(huán)境中節(jié)點信息交互所經(jīng)歷的墻上時鐘時間，即應(yīng)用層兩個交互節(jié)點之間交換應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Application Protocol Data Unit，APDU）所消耗的時間。分布式虛擬環(huán)境延遲的主要原因有：信息在信源、信宿節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)中的路由器、網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)進行排隊和處理的時間；與信息加密、解密相關(guān)的轉(zhuǎn)碼延遲，以及數(shù)據(jù)壓縮、解壓延遲；因光速和通信鏈路的速度限制導(dǎo)致的信息傳輸延遲［5］。

2.1.2 交互一致性

在分布式虛擬環(huán)境中，不同節(jié)點對實體狀態(tài)和交互行為的演變都有自己的認(rèn)知，該認(rèn)知構(gòu)成了節(jié)點的認(rèn)知空間。節(jié)點的認(rèn)知空間不僅含有自身所維護的實體狀態(tài)信息，也包括節(jié)點所感知的整個系統(tǒng)的狀態(tài)信息。由于存在物理時鐘不同步和網(wǎng)絡(luò)信息傳輸延遲等，使得仿真節(jié)點難以及時地獲取所需其他節(jié)點的實體狀態(tài)信息，進而導(dǎo)致不同節(jié)點對于同一實體狀態(tài)信息或交互行為認(rèn)知存在偏差的問題，這種不同節(jié)點對于同一交互行為的認(rèn)知差異，就是分布式虛擬環(huán)境中的交互一致性問題，如圖2 所示。

圖2 交互認(rèn)知差異

分布式虛擬環(huán)境的交互一致性問題，是節(jié)點間由于無法忽略的信息傳輸延遲導(dǎo)致的交互行為認(rèn)知不一致情況。在大規(guī)模分布式虛擬環(huán)境中，不同網(wǎng)絡(luò)鏈路的延遲情況通常都存在差異，不同節(jié)點的仿真實體對交互行為的認(rèn)知和由此構(gòu)成的仿真態(tài)勢的理解就會不一致，這損害了仿真的公平性和真實性［6-7］。

2.2 交互可信判斷

2.2.1 一致性要求與交互可信

分布式虛擬環(huán)境中，為了降低開發(fā)代價和提高仿真活動效率，應(yīng)允許分布的仿真節(jié)點根據(jù)仿真模型特點，具有不同的時空描述方法；與此同時，節(jié)點之間的信息交互又要求不同的仿真對象在同一個仿真環(huán)境中實現(xiàn)符合一致性要求的理解與認(rèn)知。在分布式虛擬環(huán)境運行過程中，若交互一致性存在問題，則可能會給用戶觀察造成困惑與矛盾，甚至破壞仿真結(jié)果正確性、導(dǎo)致仿真失敗或用戶利益分配不公。

交互行為不一致可能對分布式虛擬環(huán)境產(chǎn)生違背期望、因果顛倒和理解歧義3 類不良影響［8］。從用戶觀察角度看，如果產(chǎn)生3 類不良影響之一，即可認(rèn)定該交互行為不可信。需要注意的是，交互可信只關(guān)注事件本身的時序或因果關(guān)系等問題，不關(guān)注模型層面的具體計算結(jié)果或概率。例如，某次炮擊仿真事件，交互可信關(guān)注的是射擊實體的炮擊行為是否發(fā)生在目標(biāo)實體被摧毀之前，如果是，則可初步認(rèn)定該事件可信；如果用戶先觀察到目標(biāo)被摧毀，后看到炮擊行為，即用戶觀察到的實體狀態(tài)變化不符合真實世界的狀態(tài)演化規(guī)律，則該交互不可信，如圖3 所示。

2.2.2 交互可信判斷模型

間距一致：

同時滿足時序一致和間距一致要求的交互事件被認(rèn)為是可信的；若不滿足，則認(rèn)為該交互事件不可信。

2.3 交互可信度定義

交互可信度可定義為：在某一時間區(qū)間內(nèi)，在特定的延遲環(huán)境下，滿足時序和間距一致性要求的交互事件數(shù)量占總的交互事件的百分比。

3 先驗分布確定

由于分布式虛擬環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)條件、運行負(fù)載時刻處于變化狀態(tài)，交互事件是否可信可視作隨機事件，而交互可信度可認(rèn)為是一個隨機變量。這里選用β 分布作為交互可信度評估的先驗分布，將交互可信度的值記為θ，則交互可信度先驗分布π（θ）：

其中，a、b 是先驗分布的超參數(shù)，Γ 是gamma 函數(shù)。

先驗信息主要根據(jù)歷史數(shù)據(jù)或仿真模型進行采集和分析，若無法獲取任何有效的先驗信息，則可使用貝葉斯假設(shè)，認(rèn)為交互可信度先驗服從在（0，1）區(qū)間的均勻分布。

4 貝葉斯評估

根據(jù)貝葉斯公式，交互可信度θ 的聯(lián)合密度函數(shù)：

若為估計交互可信度θ 而在某次仿真中進行n 次獨立間距一致性數(shù)據(jù)采集和判斷，其中交互可信的次數(shù)為X，則X 服從二項分布b（n，θ），似然函數(shù)為：

于是：

邊緣分布：

綜上可得交互可信度θ 后驗密度為：

該后驗分布仍然是β 分布，它的兩個參數(shù)分別是a+x 和b+n-x。我們選后驗期望作為θ 的貝葉斯評估結(jié)論，則交互可信度的貝葉斯估計為：

5 仿真實驗

在分布式虛擬環(huán)境交互可信度實驗中，通常每個局域網(wǎng)有一個總控節(jié)點，用于匯總域內(nèi)大量實驗節(jié)點的交互數(shù)據(jù)。取A、B、C 3 地分別設(shè)置3 個總控節(jié)點，每個局域?qū)嶒灳W(wǎng)絡(luò)包含2 個實驗節(jié)點，3 個實驗網(wǎng)絡(luò)都連接到廣域網(wǎng)。無論是局域總控節(jié)點還是實驗節(jié)點都具有獨立IP 地址。

分布式虛擬環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)通信具有高延遲和動態(tài)性等特點，為了獲得關(guān)于交互可信度的初始先驗數(shù)據(jù)，可使用DS2來模擬網(wǎng)絡(luò)延遲情況，進而構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)延遲模型，并取若干節(jié)點作為仿真節(jié)點［10］。根據(jù)該仿真模型所得信息進行交互可信判斷，得到先驗信息，獲取交互可信度初始先驗分布。

分布式虛擬環(huán)境的延遲樣本信息可通過對某中間件的基準(zhǔn)性能測試來實現(xiàn)。計時通過調(diào)用RTX實時操作系統(tǒng)提供的“RtGetClockTime”函數(shù)獲取CLOCK_2 高精度時鐘來實現(xiàn)，該時鐘精度單位為100 ns。中間件的廣域網(wǎng)異地應(yīng)用性能測試選取不同大小的數(shù)據(jù)包，在異地的計算節(jié)點上分別運行事件發(fā)送和接收程序，并通過驗證收發(fā)數(shù)據(jù)包的一致性、計算事件接收測試時長和評價間距一致性要求來進行交互可信度判斷。

仿真實驗中，先驗信息主要根據(jù)廣域網(wǎng)延遲模型DS2進行數(shù)據(jù)采集和分析，并擬合為交互可信度先驗分布π（θ）；交互事件數(shù)據(jù)采集通過中間件的廣域網(wǎng)異地應(yīng)用性能測試實現(xiàn)，測試數(shù)據(jù)包信息采集后進行數(shù)據(jù)一致性驗證和間距一致性評價，進而得到本次仿真步長內(nèi)不同節(jié)點交互可信與否的判斷；綜合交互可信度先驗分布π（θ）與實時交互事件可信判斷，運用貝葉斯方法，可得本次仿真步長內(nèi)系統(tǒng)交互可信度的后驗評估結(jié)果。該結(jié)果可在下一步長內(nèi)對先驗信息進行融合與更新，從而不斷改善系統(tǒng)交互可信度評估結(jié)果。取典型交互可信度測試結(jié)果如圖4 所示，在仿真時間5～20 區(qū)間內(nèi)，某中間件交互可信度維持在0.8 以上，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠；仿真時間25 時出現(xiàn)交互可信度明顯下降，有可能是暫時的通信網(wǎng)絡(luò)延遲或系統(tǒng)運行負(fù)載增加導(dǎo)致。若交互可信度下降能及時恢復(fù)且未對仿真運行造成重大傷害，可視情忽略；但如果交互可信度急劇或持續(xù)下降，則應(yīng)發(fā)出預(yù)警并啟動應(yīng)急措施。由此可見，實時交互可信度判斷可以為分布式虛擬環(huán)境提供關(guān)于系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測結(jié)果，進而為啟動及時有效的預(yù)警和故障管理措施提供重要判斷依據(jù)。

圖4 系統(tǒng)交互可信度

6 結(jié)論

本文提出了交互可信度的明確定義，可清晰表達和量化分布式虛擬環(huán)境仿真交互的可信性問題，分析了交互可信度的先驗分布，基于中間件性能測試進行交互事件可信度采樣判斷，運用貝葉斯評估方法得到了實時連續(xù)的交互可信度后驗估計。實驗證明，該方法物理含義明確，簡單有效，適用于實時性要求較高的、面向LVC（Live，Virtual，Constructive）的分布式虛擬訓(xùn)練環(huán)境，能夠提供實時可靠的系統(tǒng)可信度監(jiān)控服務(wù)，為分布式虛擬環(huán)境可信度評估問題提供了一種新的思路和工具。