面向全局的VVA体系结构研究

作者：曹海旺1，薛朝改2

(1，郑州航空工业管理学院机电工程系；2，郑州大学管理工程系)

随着仿真技术研究的不断深入及仿真应用范围的不断扩大，建模与仿真(Modeling＆Simulation，M&S)可信性的评估受到越来越多的重视，为了确保M&S的可信性，校核、验证、确认( Verification，Validation，Accreditation，VVA) 的概念随之产生,校核、验证与确认分别研究“是否正确地建立模型及仿真系统”、“建立的模型和仿真系统是否正确”以及“仿真系统是否满足特定仿真需求”的问题。

针对VVA在实际应用中对全生命周期和全面性的要求，本文基于系统工程理论与方法，提出一种面向全局的VVA开放体系结构VVA—GOS(VVAGlobal Open Structure)，从通用性、生命周期及视图等不同的角度对VVA的内容、过程及方法进行详细地讨论，并针对M&S对VVA自动化的需求，开发了VVA—GOS的基础平台．在水声对抗系统的M&S中，应用这一体系结构进行VVA，验证该体系结构的有效性．

WA_GOS的组成及特点

建模与仿真VVA的体系结构，应该能够为具体VVA的应用提供指导，实现对M&S可信性的全面考核，因此它不仅应该涵盖所有VVA的内容，而且需要作用于M&S的整个生命周期，同时应该能够容纳各种VVA方法。根据这3个方面的要求以及RPG的相关原则，提出面向全局的VVA体系结构--VVA—GOS．它由总体框架及基础平台组成，其中总体框架用来确定具体M&S应用中、VVA的内容、过程与方法，而基础平台则为VVA提供运行支持及优化。

1．1 VVA-GOS总体框架

VVA—GOS总体框架如图1所示，它是由通用性维、生命周期维以及视图维组成的三维框架，贯穿M&S的各个阶段(需求分析、设计开发和实施阶段)，从4个方面(数据、模型、操作和文档)表述VVA的不同内容，并根据通用性将VVA分为3个层次(通用层、部分通用层和专用层)。应用该框架，可以在M&S的整个生命周期中对其进行全面的VVA．对VVA—GOS总体框架各维的内容说明如下。

(1)通用性维通用性维描述VVA的特殊化程度,分为通用层、部分通用层和专用层3个层次。在基础平台的支持下,通过实例化的过程,将通用构件(例如文档生成等构件)应用到一个具体M&S应用的VVA中。通用层中的各种方法和构件,可以广泛应用于各类M&S的VVA中。部分通用层提供某些M&S的VVA参考过程和内容,它可以不断细化得到特定M&S的VVA。专用层涉及一个具体M&S应用的全部或一部分,是对于特定M&S的VVA的具体描述。

(2)生命周期维

生命周期维提供对M&S全生命周期期VVA的支持,由与M&S的主要阶段相对应的3个层次组成,即需求分析层、设计开发层和实施层。需求分析层的VVA对M&S的需求分析过程进行VVA;设计开发层的VVA用一种计算机可处理的语言来确定M&S在设计与开发过程中的VVA,并且能够进行构造和优化实施层的VVA确定M&S在实施阶段的所有VVA内容、过程和方法。

(3)视图维

视图维从4个不同的视角(数据、模型、操作和文档)描述M&S的VVA内容,是VVA的具体对象。数据VVA描述VVA对数据的验证与校核,包括在建模仿真前,设计开发过程中以及运行时对数据的VVA;模型VVA是对建模过程中各个阶段的模型进行VVA,同时还包括所有类型模型的VVA,例如数学模型、概念模型、作战模型等;操作VVA是对系统各个模块的操作进行验证的过程,分别由相应的验证方法对其进行验证;文档VVA是对系统的论证、分析、设计、测试中的文档及用户文档进行VVA。

1．2 VVA-GOS的方法

DMSO的 VVA PRG列举了用于仿真系统的校核与验证的76种软件测试和系统评估方法及18种统计技术,并将这些方法归结为:正规(Formal)方法、非正规( Informal)方法、静态( Static)方法和动态( Dynamic)方法4类,这些方法可以应用到建模与仿真VVA的不同阶段,由于VVA方法和M&S的生命周期相关,在不同阶段,采用的VVA方法不同。同时随着VVA对象(数据、模型、文档、操作等)的不同,采用的方法也不相同。另外,对于不同的仿真应用, VVA方法不尽相同。在此,对于VVA-GOS的方法分3个方面进行说明。

(1)对于通用性维,VVA-GOS根据具体M&S应用采用不同的方法或者方法的组合。例如对于飞航导弹弹道仿真系统可以采用物理判别和假设检验的方法进行校核和验证。

(2)对于生命周期维,VVA-GOS在M&S生命周期的需求分析阶段,主要的方法有:调查分析; Delphi法等,以达到对数据、模型、操作等进行验证、校验。在设计开发阶段,主要的方法有:关于概念模型、计算机模型以及数学模型等模型校验的方法(例如原因效果图法、概念执行法、状态转移分析法等),对于软件进行测试的验证校验方法(例如Beta测试、灵敏度测试、运行监视测试等),以及对其流程中数据的验证和校验方法。在实施阶段,VVA主要是实现在仿真应用中对模型和数据的验证和校验,因此,所采用的方法有:软件测试的所有方法;数据的数理统计方法以及相关的分析方法。

(3)对于视图维,VVA-GOS的方法因视图而异，对于数据的VVA,通常称为VVC( Verification, Validation, Certification),数据的VVC是建模与仿真VVA的一部分。仿真的数据一般包括2个方面的来源:历史数据和产生数据,对数据VVC的方法主要有:数理统计分析、谱分析法等,模型的VVA需要对M&S全生命周期中所有模型进行VVA,其方法有:动态关联分析法、数理统计方法、时频分析法以及灵敏度分析法、模糊分析法等。对于操作的VVA,常用的方法是：动态关联分析法、数理统计方法。对于文档的VVA,常用的方法是:调查表、过程审核等。

1．3 VVA-GOS的特点

(1)面向全生命周期。VVA-GOS提供了面向M&S全生命周期的VVA方法,这样就可以尽早地发现各种错误(越是在后期发现的错误,导致的损失越严重),从而减少损失。

(2)VVA内容的全面性。VVA-GOS不仅包括对模型的VVA,而且包括对数据、操作和文档的VVA,实现了对M&S可信性的全面考核。

(3)开放的体系结构。VVA-GOS的总体框架可以对维数或内容进行扩充,其基础平台可以添加新的方法模块,这种开放性可以适应VVA方法及技术的不断发展。   

(4)结构化的规划设计方法。体现在从需求定义VVA到实施VVA三层推导机制,以及从通用层到部分通用层直到专用层的逐步抽取。

(5)实现了VVA的自动化以及模块的重用。不同的VVA应用都通过基础平台调用相应的VVA方法模块,从而提高了模块的重用性,减少了重复研发,基础平台还具有VVA的辅助管理功能,有力地支持了VVA的自动化。

WA-G0S基础平合

VVA的自动化,是提高VVA经济性、高效性和准确性的关键。因此,VVA-GOS除了总体框架外,还包括一个基础平台,以实现VVA的自动化。

2．1基础平台的功能

图2中规划支持是指基础平台对VVA计划制定的辅助功能，运行支持是指基础平台对VVA的数据管理、方法调用以及综合评价等的支持。

2．2基础平台的实现

VVA—GOS的基础平台用于支持M&S过程中VVA基本的辅助管理功能，包括VVA的计划生成、VVA的方法构件、VVA过程的设计与管理、VVA文档生成、VVA数据分析与管理、VVA方法的选择及应用、VVA结果的综合评价等功能模块。

由于Mircrosoft．NET简化了高分布式环境下应用程序的开发，具有很多改进特性，如面向对象编程语言的无关性、对动态Web页面的支持、高效的数据访问、代码共享、增强的安全性、Web服务的支持等，因此采用NET框架，C#语言开发VVA—GOS的基础平台软件系统，其模块组成如图3所示．

3．WA-GOS的应用过程

VVA—GOS的应用过程与M&S的生命周期相关，其应用于M&S的需求分析、设计开发、运行阶段的过程如图4所示．

首先根据实际M&S应用，充分理解原型并进行需求分析，在此过程中对模型进行需求分析的VVA．随后明确建模目的，确定假设条件，选择建模方法，建立概念模型，此时应对所建概念模型进行VVA，然后建立仿真模型并对其进行VVA。接下来创建模型运行环境，选择仿真算法，进行程序设计，得到运行模型并对其进行VVA．最后对模型和仿真结果进行VVA综合评价，得到VVA的应用。这一过程是在通用VVA应用的基础上，通过细化，添加具体仿真的VVA模块，最终得到具体仿真的WA应用．在VVA实现的过程中，对数据、模型、操作及文档都进行了相应的验证与校核，同时，基础平台在VVA—GOS应用的各个阶段都提供规划及运行的支持。

VVA—GOS在水声对抗仿真中的应用

将上述VVA—GOS应用于水声对抗系统的建模与仿真VVA过程中，以全面考核水声对抗仿真的可信性，对其应用说明如下。

4．1水声对抗仿真简介

水声对抗是水下的电子对抗，其目的是通过破坏敌方对水声信息的利用，减少或避免己方损失．水声对抗仿真系统是一个包括管理、攻击、防御、对抗、环境、演示和水下航行器等6个结点组成的分布式仿真系统，分别完成攻击、防御等仿真模型的计算，这些结点通过RTI和局域网构成一个分布式的系统，其关系如图5所示：

4．2水声对抗仿真的特点

(1)仿真模型多，并且各模型之间交互关系复杂

水声对抗是一个复杂的系统，而且水声环境也是一个恶劣的信息传输环境；为了达到预期的目的，实际装备中应用了大量的处理方法并且存在复杂的逻辑关系。为了对实际系统进行仿真，在仿真系统中，需要应用大量的模型来仿真水声信号的传输、处理及系统的工作情况，而实际系统中复杂的逻辑关系也使得仿真系统中模型之间的交互关系复杂化。

(2)数据量大

水声对抗仿真由大量的交互关系复杂的模型实现，而且其中大部分属于多输入多输出的模型，在仿真中会产生大量的数据，这就需要更多的数据用于验证各种模型及其交互关系。

(3)可供校核验证使用的试验数据少

由于外部环境及设定条件的限制，实际中能够得到的试验数据是有限的(航次有限，数据种类有限)，特别是一些极限或特殊条件下的试验数据更为有限，因此能够用来进行VVA的实测数据并不多。

综上所述，由于水声对抗系统的复杂性，不可能用一种或几种VVA方法考核其仿真系统的可信性，因此为了确保水声对抗仿真的可信性，需要在建模与仿真的全生命周期中进行全面的VVA。

4．3水声对抗仿真的VVA

在水声对抗的仿真中，应用VVA—GOS进行VVA，下面从通用性、生命周期以及视图3个方面进行说明。

从通用性上，水声对抗仿真VVA是从通用VVA方法、过程中逐步实例化得到的．即在基础平台的支持下，根据通用、ⅣA方法、过程，并结合水声对抗系统自身的特点，通过逐步细化得到水声对抗仿真这个具体仿真应用的VVA方法和过程。其中，VVA文档生成、VVA数据分析与管理等通用模块均采用已开发的构件，直接实例化到水声对抗仿真VVA中．但是关于水声对抗仿真中的某些模型(例如海洋环境模型等)。

需要重新开发其VVA方法模块。这样，实现了现有VVA模块的重用，避免了重复研发。从生命周期上，水声对抗仿真VVA需要贯穿M&S的整个生命周期，VVA的过程如下：首先根据水声对抗系统的工作过程，进行需求分析，采用调查表法、结构化分析法进行需求分析的VVA。在明确了建模目的、假设条件后，采用相应的建模方法，建立概念模型，在此过程中对所建概念模型采用状态转移分析法、流程分析等方法进行VVA。随后明确精度要求，选择仿真方法，建立计算机仿真模型并采用不同的验证方法对不同组成部分的模型进行VVA。然后创建模型运行环境，选择仿真算法，进行程序设计，得到运行模型，并采用动态关联分析法及灵敏度分析法进行运行模型的VVA。最后对模型和仿真结果采用数理统计分析方法进行VVA，最终得到水声对抗仿真VVA的应用。

从视图上，水声对抗仿真VVA包括对数据VVC、模型VVA、操作VVA及文档VVA．该系统中数据有多方面的，例如回放模块的数据主要来自历史数据，而再现模块的数据一部分来自实际数据，一部分来自插值得到的数据。因此对不同来源的数据，VVC采用的方法不同。例如对于实验数据的验证就需要专家进行评审或通过多次实验进行比较来验证。对于不满足仿真系统需要的数据，还需要进行预处理，使之能够进行仿真。对于模型VVA，主要采用频谱分析法和灵敏度分析法对其进行验证。对于操作VVA，采用动态关联方法检验输入数据在实际系统和仿真系统中的差别，然后用数理统计置信区间法得到置信度，再用灵敏度分析法对输人进行分析。VVA的过程中同时还包括软件测试中所用到的所有测试方法。对于文档VVA，主要采用过程审核，对文档进行反复检查，保证文档的正确和完备。

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