【没有五音，难正六律】仿真系统 VV&A及其标准 / 规范研究
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引言
自古以来, 人们总是将先进科学技术尽快用于军事目的, 以获得新的军事能力。仿真技术亦不例外, 它最早并越来越广泛地用于国防建设和军事领域, 很快形成了军用仿真分支。发达国家尤其是美、俄等国高度重视军用仿真, 一直被列为国防关键技术项目, 予以优先、重点发展。不断增长的国防和军事需求, 直接牵引着军用仿真长足进步, 以至使它成为国防和军事领域不可缺少的重要支撑技术和发展战略技术 (参见图 1)。应强调指出, 包括军用仿真在内的各类系统仿真, 其核心内容是模型建立、验证、 试验及运行, 而VV&A则是实现这些内容的所必须的技术手段和保障, 它贯穿于仿真系统尤其是复杂仿真系统全生命周期过程, 当然与武器装备论证直接 相关。对于 VV&A 技术的研究我国起步较晚, 目前尚处于发展初期阶段。而VV&A标准 /规范研究和制定国内至今是空白。因此, 必须加强、加速这方面的工作。
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VV&A及其标准/规范研究状况
2 . 2 国内外发展概况
国外对仿真系统 VV&A 研究起源于对仿真模型的校验, 至今已有40余年历史, 开始是学者们对导弹仿真的评估, 后来 (上世纪 70年代中期 ) 美国计算机仿真学会成立了模型可信性技术委员会 ( TCMC ), 专门研究模型可信性相关概念、术语和规范, 1979年提出了模型可信性标准术语, 并将建模与仿真 (M&S)过程分为真实对象、概念模型和计算机模型三个元素。标志着对仿真模型的校验问题研究进入了一个新阶段。80年代中期, 仿真系统 VV&A研究重点由仿 真模型校验方法转向如何对仿真系 统开展全面有效地VV&A活动。于1991美国国防部成立了国防建模与仿真办公室 ( DMSO), 专门负责提高国防部 M&S的正确性和仿真结果的可信性工作。1994年以来, 美国防部颁布了 5000系列指令, 其中 5000 . 59指令为《关于国防部建模与仿真管理》和5000 . 61指令是《国防部建模与仿真VV&A》 , 明确提出要求国防部所属各军兵种制定仿真系统的VV&A规范。1996年, 美国防建模与仿真办公室建立了军用仿真VV&A工作技术小组 ( TST), 负责起草国防部VV&A建议实施指南(RPG)。1996年11月完成第一版, 2001年公布第二版。在此期间, 于1997年IEEE通过关于分布交互仿真系统VV&A。值得指出, 美国防部对建模与仿真VV&A研究高度重视, 还成立了VV&A 技术工作组(TWG)和VV&C老虎队(Tiger Team)等一系列组织。形成 了一个VV&A研究及应用体系。目前, 对于复杂系统的VV&A研究主要集中在概念、原则、过程、方法和计算机辅助支持工具等几个方面。认为VV&A应贯穿于建模与仿真的全生命周期, 并提出12条原则指导VV&A活动。IEEE 1278 . 4明确指出DIS系统VV&A活动的九步过程模型, 给出了仿真系统V&V的76种软件测试和系统评估方法及18种统计技术。上述技术及VV&A活动美国已成功用于2000、 2003、 2004多次协同联合作战演习系统。国内对建模与仿真VV&A研究开始于上世纪90年代 初, 作了不少工作, 特别是总装仿真专家组开展了“9.5"预研工作, 取得了防空多武器平台仿真示范系统的重大研究成果。但与美国等发达国家差距较大, 其中至今缺乏仿真系统 VV&A 与可信性评估标准/规范, 同时缺乏权威性机构。这两个问题亟待解决。我们经过近四年的努力, 结合我国国情和军事需求, 并参考美国标准/规范, 已经研制出了一个复杂仿真系统VV&A标准/规范建议稿, 希望兄弟单位予以支持和帮助。以早日产生出我们的VV& A标准/规范。
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VV&A概念体系
逼真度
仿真逼真度
模型逼真度
可信性评估与 VV& A的关系
VV&A 与软件工程的关系
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仿真系统全生命周期VV&A过程
由图4可见, 不仅展现了仿真系统全生命周期中M&S工作与VV&A 的关系, 还证实了 VV&A 贯穿仿真系统全生命周期的规律。应该说VV&A是 一个迭代过程, 其主要内容包括: 需求校核; 制订VV&A计划; 概念模型验证; 设计校核; 实现校核; 仿真结果验证; 系统确认。
4 . 2 V&V技术
仿真系统VV&A由仿真系统 V&V及确认两大部分构成, 从技术角度讲V&V技术方法最为重要。美国国防部VV&A建议规范中罗列了半个世纪以来的V&V技术方法 (参见图 5) 4 . 3 VV&A方案设计设计过程参见图 6。
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复杂仿真系统的VV&A研究
5 . 1 复杂仿真系统的特点
现代复杂仿真系统通常是复杂的半实物仿真大系统, 一般由若干子系统和下属分系统甚至子分系统等构成。其主要特点如下:
结构复杂、层次多、规模大是区别于一般中、小系统的重要标志。通常应包括下列几部分: ①众多描述实际系统或元部件的数学 模型; ②实现模型运行和系统管理的仿真计 算机系统和仿真支撑软件; ③产生某种物理效应的硬、软件设备; ④特殊仿真环境产生装置; ⑤人 - 机交互界面和仿真系统各部分 联接接口; ⑥仿真系统监控和显示设备; ⑦参与开发和使用仿真系统的人等等。
使用模型复杂、 数量多使用模型复杂有两层含义, 其一, 不但包括数学模 型, 还包括产生物理效应的仿真软、 硬件设备及部分被 试验的实际产品; 其二, 就数模而言, 尽管做出许多假设和简化, 但模型仍然是复杂的、且数量很多, 同时受到众多参数影响。
时空范围大，现代复杂仿真系统在时间上与空间上极大的扩展, 并要求完成分布交互实时仿真是区别于一般仿真的重要特色和主要进步点之一。
涉及领域广，不仅涉及仿真系统的建模与仿真理论和技术, 还涉及光、电磁、 热、声、力、材料等多个领域的业务知识, 甚至集 成了计算机、计算技术、信息技术、图形 /图像技术、软件工程、虚拟技术等。
功能强大复杂仿真系统一般都具有强大的功能或多功能特点, 已 不再限于一般系统或产品集成后的性能测试试验, 而渗透到方案论证、战术技术指标拟定、设计分析、生产制造、 试验维 护、训练以及全方位的管理等各个方面, 其应用领域也不只 限于航空、航天、原子能等国防和军工部门, 已普及到冶金、 化工、电力、 材料等工业部门。
置信度评估难度大，由于复杂仿真系统结构、模型、运行机制等的复杂性, 研究目标和影响因素的多样性及不确定性 (相似准则准确性、 建模误差、仿真算法、 随机干扰等 )带来了系统置信度评估的 困难越来越大。
5 . 2 复杂仿真系统建模与仿真研究中的 VV&A活动
现代复杂仿真系统的出现和发展给系统建模与仿真提出了新的更高的要求, 其中一个主要的共识就是VV& A必须贯穿于建模与仿真的全过程。也就是说, 复杂系统建模与仿 真的各个阶段乃至每一步工作都离不开 VV& A。(参见图 7)。
5 . 3 基于DIS/HLA复杂仿真系统全生命周期的 VV& A过程
以先进分布仿真 ADS(Advanced Distributive Simulation)系统为代表的复杂仿真系统是当前和今后仿真系统尤其是 军用仿真系统发展的方向。ADS系统最具代表性的是 DIS 系统和 HLA仿真系统。由于 HLA的突出优点, 美军于 2001 年起全面禁止非 HLA的仿真工程项目与应用。但结合我国国情, 目前是D IS体系结构与HLA体系结构并存, 以至出现 了以防空武器平台为例的DIS/HLA混合体系结构的仿真系 统。这种结构体系至少在目前是有效的、可行的, 是符合我 国军用仿真技术发展战略需要的。所以, 有必要研究基于 DIS/HLA 混合体系结构的仿真系统的全生命周期的 VV&A过程。图8给出了相应 DIS/HLA 仿真系统全生命周期中的 VV&A 活动。
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仿真系统的VV&A标准/规范研究
6 . 1 研究需求
我国对仿真系统VV&A标准/规范的研究有着很旺盛的需求。
M&S标准化的迫切需要
早在20世纪90年代初, 美军已认识到M&S的管理与标准化的重要性, 在DOD建立了互操作性的标准和协议, 经10年来的发展M&S管理及标准化体系已相当完善。美M&S主计划中的第五大目标是提供MSRR (M&S资源库 )。VV&A标准/规范是M&S标准的一个重要方面, VV&A的所有产品都将成为MSRR的重要内容。所以, VV&A标准/规范是M&S标准/规范中应优先发展的关键标准种类。
健全和发展我国军用
作战仿真的需求
作战仿真是国防与军事领域仿真的一种基本模式, 是军用建模与仿真水平的最高体现, 因为作战过程是十分复杂的, 作战仿真系统是为诸因素影响的复杂大系统, 必须建立 规范的VV&A, 以限制人为的主观因素。
建设我军通用仿真环境应用系统的需要
现代军用仿真朝着综合化、快速性、环境复杂性、灵活性和智能化及规范化的方向发展, 建设通用仿真环境和仿真应用系统是今后一个时期发展的方向和目标。这种通用仿真环境及系统通常基于HLA的M&S通用技术框架和体系结构, 自然与VV&A活动密切相关, 因此, 尽快建立基于DIS/ HLA混合体系结构的复杂仿真系统VV&A标准/规范, 显得更加迫切和需要。
6 . 2 仿真系统 VV&A标准 /规范技术框架
技术框架的建立是研究和制定 VV&A 标准/规范的基础。其基本框架如图9所示。
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