基于人工智能的 VVA 平台研究

引 言

随着对仿真技术研究的不断深入及仿真应用范围的不断扩大，对建模与仿真Modeling & Simulation M&S 可信性的评估也越来越受到重视。为确保M&S 的可信性校核验证确认Verification Validation Accreditation VVA的概念随之产生。国内外有大量的文献对此进行了研究；如文献介绍了美国海军M&S的VVA 标准，文献研究了VVA在仿真系统中的应用文献，对VVA自动化工具的开发进行了研究，这些研究对提高M&S的可信性及VVA 的发展与应用起到了重要作用。

由于仿真应用的规模不断扩大，M&S的复杂程度也不断提高，进行VVA的工作量也越来越大，因此迫切需要实现VVA的自动化，特别是实现具有通用性的VVA自动化工具，这也是提高VVA经济性、高效性和准确性的关键。但是目前实际中的VVA自动化工具往往是根据具体的M&S需要开发的，而实际系统不论在规模、结构、性能等方面都是千差万别的，即使是对同一系统的M&S问题，由于研究的目的和侧重点不同，也要采用不同的VVA方法和标准，这就限制了这些VVA自动化工具的应用范围，另一方面由于各种VVA方法都只能从不同的角度和层次来对M&S的有效性做近似0性的评估，存在局限性，如果在使用中不注意具体的情况及VVA方法的适用性，很可能会得到错误的结论，因此，VVA工具的通用性并不能仅仅通过对各种VVA方法的简单累加与组合来实现，而是要根据具体情况通过综合运用相应的VVA方法来实现，这就增加了通用VVA自动化工具的实现难度。

近年来，人工智能技术在众多领域得到了成功的应用。例如将人工智能技术引入故障诊断系统，并应用于炼油厂的机组故障诊断实际中，取得了良好的效果。智能化也成为了仿真发展的方向之一，例如应用专家系统，人工神经网络及模糊逻辑等智能技术，建立了电力系统失效仿真系统。则对智能仿真进行了定义，人工智能得到广泛应用的原因，在于其具有类似人类的学习与推理能力，能够处理各种实际中的不同情况，人工智能的这种学习与推理能力，也是解决各种VVA方法普适性不足的有效手段，是实现通用的VVA自动化的重要工具，但是有关这方面的研究在国内外相关文献中尚未见报道。

本文基于人工智能的方法与技术，利用人工智能的学习与推理能力，针对各种VVA方法都具有一定的局限性，以及实际M&S的VVA工作中缺乏通用的自动化工具支持的现状，提出了一种具有开放体系结构的智能VVA平台（IVVAP），讨论平台应用于VVA的过程和方法 ，并通过在水声对抗仿真系统 VVA 中的应用，验证平台的可行性及有效性。

IVVAP的体系结构

IVVAP 的实现

为满足 VVA自动化的要求，根据提出的体系结构对IVVAP进行了开发，开发内容主要包括：系统使能器、应用使能器的实现与库模块的设计。

由于 Mircrosoft.NET 简化了高分布式环境下的应用程序开发，具有很多改进特性如面向对象编程语言的无关性、高效的数据访问等 因此采用.NET 框架C#语言开发IVVAP原型系统

3.1 IVVAP 的总体流程

IVVAP在应用时，由输入设施输入待进行VVA 的仿真系统的信息(如模型类型，组成部分等），在基础平台、系统使能器以及应用使能器的支持下，首先通过推理生成针对各模型的具体VVA方法，在各组成部分的VVA满足需求的情况下，最终生成具体的VVA应用，包括VVA计划VVA内容以及VVA 方法等。IVVAP的总体流程如图3 所示：

3.2 系统使能器的实现

系统使能器的开发包括数据管理使能器，通讯使能器、推理机等模块。数据使能器应用C#语言通过ADO.NET实现与数据库的交互，完成VVA 过程中数据的所有管理功能，包括存储、查询、添加及删除等操作。通讯使能器借助.NET下的WebSevice技术实现数据的交互。推理机模块应用C#语言实现，根据得到的M&S的信息，按照知识库中存储的规则，实现对具体的VVA 应用的方法与过程的决策并进行评价。目前，该系统使能器已经做到按照规则进行推理，需进一步研究使能器的学习方法、适应性以及知识获取方法。

3.3 应用使能器的实现

应用使能器采用C#语言开发，与数据库的交互采用ADO.NET 实现。应用使能器在系统使能器以及基础平台的支持下与用户交互，确定VVA 的组成模块，选择VVA 的内容，根据系统使能器推理出的适合具体M&S 的VVA 方法，调用不同的VVA 方法组件，生成针对具体M&S的VVA软件。软件程序生成是利用C#语言的装箱和拆箱，实现菜单的动态生成，并为生成的菜单创建事件。其中，动态创建菜单时，首先实例化菜单，然后将菜单加载到窗体中在菜单的响应事件中，首先实例化模块组建后的用户控件，然后将其加载到动态生成的窗体中，这样，在生成的程序中，点击不同的菜单项，将调用不同的用户控件，从而实现各个模块所有的功能。

3.4 库模块的实现

IVVAP的库模块由数据库、方法库、知识库及模型库组成。各库的设计需要能够便于IVVAP进行数据操作如查询、添加及删除等、考虑到关系数据库成熟的数据处理和管理功能，以及其便于复杂系统中各子系统和模块的数据共享与集成的功能，采用关系数据库来实现库模块。数据库管理系统DBMS采用SQL Server 2000与主程序间的交互采用ADO.NET实现。

各库的设计都是通过分析 IVVAP 的要求和操作需求，对需要存储的数据的概念特征进行抽取，并通过消除冗余的数据和冗余的联系，建立数据的概念模型；然后转换为与选用的DBMS产品所支持的数据模型相符合的逻辑结构，即完成数据基表的建立；最后进行物理设计，使数据逻辑结构能在物理存储器上得以有效地实现，并在时间、空间上进行优化，确定文件的组织形式、分块技术、数据在存储器中的分布等。与数据库不同，方法库及模型库的内容是由相应的模块实现的，库中仅仅存放模块对应组件的名称和地址。调用方法或模型时，通过查询方法库或模型库中存放的地址和名称，并调用相应的模块从而实现各种功能。知识库中存放的是进行VVA 方法选择的推理规则，也是由关系数据库实现其存储及相关的操作。

目前，IVVAP的基本功能已经实现，能够辅助实现对特定M&S的VVA计划制定、数据管理、文档生成、VVA方法选择的推理及部分VVA方法的应用等功能，需要进一步研究的是学习方法，适应性以及知识获取方法，以加强IVVAP的智能程度，进一步提高VVA 的效率和自动化程度。

3.2 水声对抗仿真系统的特点

就VVA来说，水声对抗仿真系统具有以下特点：

(1) 仿真模型多，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，实际系统中应用了大量的处理方法及逻辑关系，这些复杂的逻辑关系使得仿真系统中模型之间的交互关系复杂化。

(2) 数据量大。水声对抗仿真系统由大量的交互关系复杂的模型构成，使仿真系统在仿真中会产生大量的数据，这就需要更多的有效数据用于验证仿真模型及其交互关系。

(3) 可供使用的试验数据少。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，特别是一些极限或特殊条件下的试验数据更为有限，因此能够用来进行各模型及系统VVA 的实际数据并不多。

综上所述，由于水声对抗仿真系统的复杂性使其VVA需要使用大量的数据，而实际中能够提供的数据却是很有限的，因此为了完成水声对抗仿真系统的VVA， 需要综合各种VVA 方法，制定详细可行的实施计划并应用VVA 自动化软件。

4.3 IVVAP 的应用

针对水声对抗仿真系统的特点，通过输入设施将水声对抗仿真系统的相关信息输入应用使能器，应用使能器生成水声对抗仿真系统的VVA 软件，它是在系统使能器的支持下，通过系统使能器的解释、推理模块生成相应的VVA 计划，选定对各个模型进行VVA 的方法，并调用相应的方法模块，生成文档并完成对仿真系统的评价。如对运动模型可以采用频谱分析法，对于仿真结果的验证可以采用灰色关联法，系统整体的评价可以采用模糊评判的方法实现。图5是对仿真系统整体评价的一个界面，图6是经VVA 的水声对抗仿真系统的某次仿真的视景显示。

结 论

随着仿真技术研究的深入以及仿真应用的不断扩大，M&S的VVA也越来越受到重视，虽然关于VVA的研究和应用层出不穷，但是实际中仍缺乏智能化的、通用的VVA自动化工具的支持。本文针对VVA 对通用的自动化工具的需求，基于人工智能提出了具有开放体系结构的通用智能VVA平台（IVVAP）， 讨论了其构成，实现及各功能模块的组成，并且通过在水声对抗仿真系统VVA 中的应用说明了该平台的有效性，此外，IVVAP的开放式结构也有利于其应用功能的扩充。目前IVVAP的基本功能已经实现，下一步需要对人工智能技术应用进行深入地研究。IVVAP具有通用性、智能化、自动化及可扩展的特点，满足了当前VVA对自动化工具的要求，具有良好的应用前景。