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【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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.1.

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。



.2.

VV&A及其标准/规范研究状况


2 . 1 VV&A活动及其重大意义


仿真是基于模型试验的活动。由于任何模型仅是实际系统的近似替身, 所以建模与仿真始终存在三个问题必须被证实, 即有效性、可信性和可接受性。具体讲, 为了提供有 效、可信的仿真结果, 仿真模型必须被校核是否有效; 而模型试验结果必须被验证以便让人置信; 又必须在校核和验证的基础上, 由权威机构或官方最终确认模型和仿真系统对某一特定应用是否可接受。这种校核、验证与确认的全过程则被称之为VV&A (Verification Validation and Accreditation)。VV&A活动始终是围绕仿真系统 (包括模型 )是否能实现应用目标和性能需求而进行的。具体有如下重大作用和意义: 有效提高仿真结果的正确性, 增强应用仿真系统信心; 降低应用仿真系统的风险, 提高研制开发效率; 提高仿真系统的重用性, 扩大其应用范围; 降低仿真系统投资, 提高仿真经济效益; 贯穿仿真系统全生命周期, 提高全方位分析能力; 实施科学测试和评估, 促进全面质量管理。

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。


.3.

VV&A概念体系


对仿真系统 VV&A 的研究, 首先是对 VV&A 的概念研究。由于 VV&A 涉及各方面因素和各种要求, 因此必须建立 一个相应的 VV& A概念体系。这种体系将着重解决两个问 题, 即 VV&A基本概念和相关概念的正确理解和定义。


3 . 1 基本概念


VV&A是V erification Validation and Accreditation的缩写, 虽然译法各异, 但较准确应为校核、验证与确认。校核: 确定仿真系统准确地代表了开发者的概念描述和技术要求的过程; 验证: 从仿真系统应用目的出发, 确定仿真系统代表 真实世界正确程度的 过程; 确认: 是官方正式地接受一个仿真系统为专门的应用服务的过程。仿真系统校核包括: ①需求校核: 模型仿真必须满足服务于一个特殊目的的 需求集 合; ②设计校核: 确信系统设计能与需求和概念模型相一致的过程; ③实现校核: 主要是对仿真软件的校核, 保证仿真系统在设计仿真软件中能正常实现。仿真系统验证包括: ①概念模型验证: 概念模型信息集 合, 如假定、算法、建模概念、数据可用性及概念模型体系结构的评审, 确定该模型是否为预期使用目标提供了可接受的表达。②结果验证: 测量出仿真输出与真实世界的差别, 即确定输出对仿真的预期应用范围足够的精确。仿真系统确认含义是: 是在上述 V&V 基础上, 由官方或权威机构确定仿真系统对于某一特定应用是否可接受, 即按可接受标准做出采用系统的决策。

校核、验证与确认三者的关系如图2,而VV&A同M&S的关系如图3.



验证概念: 可用有效性按模型与相似物的拟合优良度描述, 其约束条件是对于某个实验框架, 并分为不同的水平级别: 复 制、预测和结构有效性。校核概念: 校核是评估仿真器 /系统对于模型正确性的过程。

3 . 2 相关概念

模型V&V模型校核与验证统称为验模或模型校验, 但两者含义不同。模型校核是指仿真模型的校验, 即检验计算机程序的逻辑和代码是否准确地代表数学模型的输入参数及逻辑结构, 将解决仿真模型的正确性和程序如何? 模型验证是指对数学模型的校验, 即在该模型应用范围 内检验模型行为与真实系统行为在满意的精度下是否一致, 它是解决数学建模是否正确性的问题。可信性与可信度VV&A的核心是要解决仿真系统可信性问题。可信性 ( Credibility)是在 (美 ) DOD RPG VV&A第二版术语中定义为: 用户在模型中看到适合自己使用的性能, 并且拥有对模型或仿真能够服务于它的目的的信心。而可信度或置信度 ( Confidence Level)是仿真系统作为原型系统的相似替代系统在特定的建模与仿真目的和意义下, 在总体结构和行为水 平上能够复现原型系统的可信性程度。

  • 逼真度


逼真度是模型或仿真以可测量或可觉察方式复现真实世界对象的状态和行为的程度, 有模型逼真度和仿真逼真度之分。

  • 仿真逼真度


仿真逼真度是仿真对仿真对象某个侧面或整体的外部状态和行为的复现程度; 解决“像不像”的问题。

  • 模型逼真度


模型逼真度是在研究目的的限定条件下, 模型相对于仿真对象的近似程度。模型验证可得到数学模型的逼真度, 而模型校核可解决仿真模型逼真度问题。

  • 可信性评估与 VV& A的关系


仿真系统的可信性评估必须通过 VV&A 来实现。仿真 系统 VV&A 的实施过程也就是仿真系统可信性评估过程。只有 VV&A 才能为仿真系统开发全生命周期提供全方位跟踪、审查和监督, 有效地保证仿真系统的可信性。

  • VV&A 与软件工程的关系


VV&A概念和思想起源于软件工程; 软件工程是VV&A的基础; 校核主要是对仿真软件的校核。

3 . 3 仿真系统VV&A原则 

原则是一种可接受或被承认的行为或规则。VV&A原则作为VV&A概念体系基础, 计划制订依据的活动安排指导, 即VV&A实践应遵循的行为和工作的指导方针。我们在较长期研究中总结出了14条仿真系统VV&A原则: 原则1完全的V&V是不可能的; 原则2不存在绝对正确性模型; 原则3 VV&A应当贯穿于M&S的全生命周期; 原则4正确清楚阐述问题是 VV&A 的基础; 原则5仿真可信性是相对于仿真系统应用目标而言; 原则 6仿真系统的验证并不能保证仿真系统对于预期应用的可接受性, 还必须经过确认原则 7应避免或减小VV&A中的三类错误 (Ⅰ ~Ⅲ型错 误 ); 原则8每一个系统的 V&V 并不能保证整个仿真系统的可信性; 原则 9仿真系统的确认不是简单的肯定或否定的二值逻辑问题, 而是复杂的科学论证过程; 原则 10VV&A 是科学也是艺术, 需要创造性和洞察力; 原则11分析人员对VV& A的成功有着直接影响; 原则12VV&A 必须做好计划和记录工作; 原则13V&V需要某种程度的独立, 以便将开发者影响减到最小; 原则14成 功的VV&A需要对所使用的数据进行VV&C。

.4.

仿真系统全生命周期VV&A过程


4 . 1 仿真系统开发过程及全生命周期VV&A模型如图 4 所示


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。



.5.

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。



.6.

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


仿真系统的需要实践证明, 在我国军用仿真技术发展及应用中, 必须处理好需求牵引、系统带技术、技术促系统、系统服务于应用的辨证关系。而VV&A 是军用仿真系统研究与开发中的关键技术, 是军用仿真系统全 生命周期的一项必不可少、非常重要的工作, 为了进行全面有效的VV&A活动, 迫切需要 建立仿真系统尤其是复杂仿真系统VV&A标准/规范。


  • 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。





End


作者:刘兴堂,刘力,孙文。


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来源:安怀信正向设计研发港
系统仿真通用航空航天冶金电力ADS理论材料试验
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首次发布时间:2022-11-19
最近编辑:1年前
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