关于仿真可信度评估的探讨

1引言

仿真可信度评估对于仿真系统的开发和应用具有重要的意义。它可以提高仿真系统在应用中的可信度; 实现对错误与不足的早期检测; 减少开发和应用仿真系统的风险; 节省仿真系统全生命周期的费用; 改进仿真系统的可用性和可重用性, 扩大了仿真系统的应用范围; 有利于更好地分析问题、解决问题和产生更可预测的结果; 能够改进文档和档案管理, 改进项目间的通信、可视性和协调性; 促进仿真系统的全面质量管理。因此, 随着系统仿真技术向纵深向的不断发展及其应用领域的不断拓宽, 仿真可信度评估越来越受到人们的重视。

国外对仿真可信度评估研究最早开始于对仿真模型的检验问题, 这可以追溯到20世纪60年代初期, 人们对利用模型代替实际系统进行仿真实验的可信度有了怀疑, 1962年, 美国学者Biggs和Cawthorne就对“警犬”导弹仿真进行了全面评估。

几十年来, 对仿真模型检验问题的研究一直是仿真可信度评估研究的重点。七十年代中期, 美国计算机仿真学会成立了模型可信性技术委员会( Technical Committee on Model Credibil-ity, 简称TCMC) , 其任务是建立与模型可信度相关的概念、术语和规范。九十年代, 由于仿真系统复杂程度的提高, 使得仿真系统检验的难度增大, 对仿真系统的可信度研究的重点从仿真模型的检验问题研究为主转向如何更加全面系统地对仿真系统进行VV&A 上来。1996 年, 美国国防部的军用建模与仿真办公室( Defense Modeling and Simulation Office, 简称DMSO) 建立了一个军用仿真VV&A 工作支持小组, 负责起草国防部VV&A 建议规范, 1996 年11 月完成了这一规范的第一版, 2000年又在网上公布了这一规范的第二版。1997 年12 月9 日,IEEE 标准化组织投票通过了分布交互式仿真( Distributed Interactive Simulation, 简称DIS) VV&A 试用规范, 这是关于大型复杂仿真系统VV&A 一个比较全面的指导。

在我国, 50 年代已应用了仿真技术, 直到80 年代才有了仿真可信度方面的论述, 这些论述也大都出自对国外有关文献的体会, 名词术语也不统一( 有译法不一致的原因, 也有受原文, 例如Accreditation, 含义不统一影响的原因) , 又缺少共同关注的议题, 因而发展缓慢。近些年来, 随着仿真技术的发展, 仿真系统的可信度研究工作得到一定程度的推动, 表现在许多单位开展了仿真系统的VV&A 研究及可信度评估方法的研究工作, 国内的仿真文献中也开始涉及仿真可信度评估问题。然而, 这方面的研究工作还比较粗浅和分散, 缺乏规模, 也没有专门的组织和机构对仿真可信度评估问题进行专门的研究, 因此, 我国的仿真可信度评估研究急需加强。

从上述叙述中可以看出, 国内尚未建立关于仿真可信度的概念体系。例如对仿真系统的评价就有"可信性"、"可信度"、"逼真度"、"置信度"等等, 也没有一个统一明确的定义。鉴于目前这种情况, 根据有关资料, 我们提出与可信度评估有关的概念。

3. 1 仿真可信度及可信度评估

仿真系统的可信度是仿真系统的使用者对应用仿真系统在一定环境、一定条件下仿真实验的结果, 解决所定义问题正确性的相信程度。评估仿真系统可信度的过程称为仿真系统的可信度评估。

几点说明：

1) 仿真系统可信度的主体是仿真系统的使用者, 反映的是仿真系统的使用者应用仿真系统的一种相信程度。

2) 仿真系统的可信度受到仿真系统所处的外界环境因素的限制, 仿真系统不可能反映整个真实世界(或人脑中构想的世界),其反映的只能是真实世界的一部分,在仿真系统中体现的真实世界(或人脑中构想的世界) 就构成了仿真系统所处的环境。

3) 仿真系统的输入是有一定条件限制的, 仿真结果是在满足一定条件的仿真系统输入下得到的仿真系统的输出结果, 在讨论仿真可信度问题时, 必须指明仿真系统的仿真结果是在什么样的输入条件下获得的。对于同一个仿真系统,不同的输入条件, 仿真结果的正确性有可能不同。

4) 仿真系统的可信度是针对仿真系统的使用者所定义并要解决的问题而言的, 仿真系统所要解决的问题通常是有限问题的集 合, 仿真系统的可信度与仿真系统的使用者所定义并要解决问题的明确程度有很大关系, 问题越明确, 仿真系统的可信度就可能越高。仿真系统的可信度是解决所定义问题的正确性在仿真系统的使用者头脑中的反映。

3. 2 仿真可信度的性质

1) 目的相关性: 这是仿真可信度的本质属性。仿真可信度的高低是与研制该仿真系统的目的紧密相关的。即使是同一个仿真系统, 仿真目的不同, 系统所表现出的可信度也不同。例如, 考察战场仿真环境中用六面体加贴纹理所构成的一幢房屋。如果该仿真环境是用来模拟坦克与坦克的对抗, 这样的环境可能会达到可信度的要求; 而如果该仿真环境中还有计算机生成的士兵, 这些士兵又有可能利用该房屋做掩蔽和机动, 这种房屋模型就过于简单了。可信度反映的是仿真与仿真对象的差别对仿真可用性的影响程度, 抛开仿真目的谈可信度没有任何意义。

2) 客观性: 对于一个具体的、具有明确应用目的的仿真系统, 其仿真可信度是确定的, 不以评估者的态度和所使用的评估方法为转移。评估者的视角不同, 所使用的评估方法不同, 得到的结论可能不同。但这种不同的根源在于评估过程, 而非可信度本身。

3) 综合性: 仿真可信度是仿真模型、算法、通讯、数据库乃至硬件设备等多种因素的综合反映。可信度的某个侧面可能受多种因素的影响; 同样地, 某一种因素也可能影响可信度的多个侧面。例如在车辆仿真系统中, 地形数据的准确与否不仅影响视景中的遮挡关系, 而且还会影响车辆前进中的地形匹配。这一点对系统集成、改进和可信度评估都带来很大困难, 必须引起高度重视。

4) 层次性: 仿真系统是由若干子系统组成的。相应地,各子系统也存在仿真可信度问题。子系统的可信度必然会反映在整个系统的可信度中。

3. 3 建模与仿真的有关概念

模型: 是指一个系统、实体、现象或过程的物理的、数学的或其它逻辑的表达方法。狭义的模型可指具体的某个模型, 广义的模型可指整个仿真系统。

仿真: 是基于模型的活动。用仿真来模拟实际的或概念的系统。用于检验和分析实际系统, 或培训操作人员操作实际系统。

建模与仿真: 建立和使用各种仿真模型, 用来研究、理解实际不存在的概念系统, 或因资源、安全和保密性限制而不能进行实验的真实系统, 调查和分析综合环境下的仿真, 为教育、培训和军事演习提供决策。

3. 4 仿真系统的校核、验证与确认

仿真系统的VV&A 贯穿于仿真系统的全生命周期, 它是仿真系统可信度评估的基础和重要内容, 对于仿真系统的开发和应用具有重要的作用。校核是确定仿真模型和有关数据准确地代表了开发者的概念描述和技术要求的过程。验证是从模型的应用目的出发, 确定模型和有关数据代表真实世界正确程度的过程。确认是有权威地鉴定一个模型、仿真或者模型和仿真的联邦以及有关数据用于一个特定的目的时是否可以接受。简单地说, 校核、验证与确认收分别回答下面的问题：

校核: 建立了正确的仿真模型吗?

验证: 正确地建立了模型吗?

确认: 模型可以使用吗?

它们的共同目标是提高仿真系统的可信度。为了具体地理解校核和验证的概念, 下面举例加以说明。例如“概念模型( 数学模型、物理模型、逻辑模型等)--程序流程图--计算机程序”, 该过程需要进行校核, 其主要是检查仿真计算模型(可执行程序代码) 是否准确地表达了概念模型。又比如,“原型系统--概念模型”, 该过程需要进行验证, 它主要是检验概念模型的理论和假设是否正确, 概念模型的表达是否满足建模的目的和功能上的要求。又如“仿真模型--仿真结果”, 该过程也需要进行验证, 主要是检验模型输入/ 输出行为是否充分接近( 与仿真精度的要求有关) 原型系统的输入/ 输出行为。