【新年关键词之一】建模与仿真校核、验证和确认程式研究述评_System_系统仿真_理论

《2000 年-2035 年美国海军技术》发展战略研究报告，将《建模与仿真(modeling and simulation, 简记为M&S)》列为九卷之一。强调了作为基础技术的建模与仿真在兵力的构成和使用、决策支持、系统采办、作战规划、模拟训练与试验中的作用，提出要从理论和实践两个方面不断改进和完善建模与仿真技术。人们普遍认为理论推导、科学实验和建模仿真是科学研究的三大途径。正因如此，建模与仿真已成为热门关键词。众多建模与仿真应用项目加速涌现。在许多好的建模与仿真应用项目日益发挥重要作用，赢得人们信赖和赞誉的同时，也有一些质量低劣的建模与仿真应用项目混杂其中，给一些盲目迷信者造成误导，导致现时的和潜在的巨大危害。所以，仿真试验和结果的有效性、可信度和精度就成为建模与仿真应用项目成败的关键。

而贯穿于建模与仿真整个生命开发周期的校核、验证和确认（简记为VV&A）工作，可以有效提高仿真系统的有效性、可信度和精度,减少仿真结果的不准确甚至错误给人们分析和决策带来的风险。因此，对VV&A 技术的研究、开发和应用就成为国际性的热门课题。但VV&A 付诸实践难度大，国内开展情况不乐观，甚至成为制约建模与仿真健康发展的瓶颈。笔者认为：VV&A 形式化和规范化是实现优质VV&A 的有效途径，应引起各方的高度关注。本文通过对若干重要文献的综述，回顾了VV&A 程式研究的简史，重点介绍了建模与仿真V&V 程式三角形，并指出目前国内VV&A 程式研究存在的问题和未来工作的重点。

国内外VV&A程式研究文献回顾

O. Topcu[1]在2003 年4 月发表的技术备忘录中，全面综述了当时V&V 的开发模式、程式、工具和技术，并确定了难题的范围，提出了需研究的问题。他认为：检验和确认（V&V）是指一系列为建立M&S可信性并减少用户风险、用于改进对M&S 评论、分析、评估和试验的程式。一些重要的M&S V&V 政策和方针分别为1993 年的Pamphlet 5-11、1995 年的DOD VVARPG、1996 年的DOD INSTRUCTION5000.61、1997 年的IEEE Std.1278.4、1998 年的IEEEStd.1012-1998 和1999 年的SECNAVINST 5200.40。1996 年HLA 的出现改进了初期的一般仿真理论，新增了联邦设计这一步。

O.Topcu 通过对比的方法讨论了校核、验证、确认、可信性（Credibility）、保真度（Fidelity）、精度（Accuracy）、解析度（Resolution）、粒度（Granularity）、正确性（Correctness）和适合度（Fitness）等概念。简述了软件开发至上而下（The Waterfall Paradigm）、交互递进（Iterative and Incremental Process Paradigm）、原型（Prototyping Paradigm）、螺旋式（Spiral ProcessParadigm）和程式再造（Re-engineering Process Paradigm）等五种模式。介绍了DMSO（美国国防部建模与仿真办公室）问题求解策略和HLA 特别V&V 程式。将V&V 技术归纳为非正式、静态、动态和正式四类，并对相关技术做了简评。分校核工具、验证工具和支撑工具三类列举了V&V 工具并给出文献索引。他还指出了三种形式的V&V 组织：开发者自身、独立于开发的团队和开发团队中独立于开发者的机构。

O.Topcu 提出了6 个方面的研究课题：多解析度问题、误差累积问题、模型形式化问题、保真度的形式化问题、保真度的失谐问题和VV&A 技术发展存在问题，并表示将继续完成概念模型的规范工作并着手研究联邦设计与概念模型间的校核技术。

廖瑛等[2]以导弹武器系统全数字仿真与半实物仿真为基础，研究了建模与仿真的校核、验证与确认技术。他们在实际应用中，对一些技术和方法进行了成功的改进，开发了具有实用价值的VV&A 的建模与仿真管理系统软件。书中提到的建模与仿真校核、验证与确认的发展方向有：复杂仿真系统VV&A、军用大型复杂仿真系统可信度评估和仿真系统VV&A 需要解决的五大关键问题。

王景会等[3]从计划和开发结构化VV&A 的角度，提出了一个M&S 全周期中VV&A 一般程式的改进模型。主要是在DMSO 所提出的VV&A 程式模型基础上引入数据VV&A，并通过对结果确认、信息归档等阶段的调整，实现对VV&A 程式模型的改进。

唐见兵等[4]基于组件构建的HLA仿真系统的体系结构，从仿真组件层、联邦成员层和仿真联邦层三个层面研究了VV&A 程式,并将这些研究应用于反舰导弹突防联邦仿真中。

杨惠珍等[5]基于FCM 的VV&A 程式和技术,介绍了有利于减少VV&A 结果的主观性的基于模糊AHP的专家评审法和基于时态逻辑的形式化校核方法。

以上研究都致力于VV&A 的形式化。伴随建模与仿真理论与实践的发展，他们针对研究对象的特点，从各自角度提出了VV&A 程式，但系统性和可操作性尚显不足。

国内外建模与仿真V&V程式三角形

D．Brade[6].于2003 年10 月提交了《模型与仿真结果校核与验证的一般程式》的博士学位论文。他在论文中指出了当时建模与仿真VV&A 研究存在的不足：把模型开发常常仅仅看作是软件开发；把建立模型文档放在次要地位；模型使用的风险与消除风险必需的努力间的依赖关系不清楚；在模型开发方面结构化的V&V 活动产生的益处被低估；多数可利用的指南是抽象或不完善的，没能起到深刻的指导作用；缺少V&V 操作程式文档，阻碍了事后其它人重复、复制、评估、判断和估定V&V 活动。他认为：要解决这些问题，管理的、组织的、心理的和技术的障碍必需被清除。他的论文试图从技术上给出解决问题的答案。他基于对已有程式及相关领域标准的广泛深入的分析，提出了与应用领域无关的模型开发的一般方法学和综合V&V，明确了开发程式中间产品的文档需求，给出了综合V&V 技术使其发挥最佳效果的选择、使用和文档指南。

D．Brade 提出的V&V 程式区别于已有的指南就在于：清晰定义的目标，所需产品（输入）的精确说明，如何选择和V&V 技术的详细指南，所期望的V&V结果（证据）的清楚描述，V&V 目标间依赖关系澄清和如何将前期获得的V&V结果用于后续V&V阶段的详细指南。

D．Brade 提出了结构化的V&V 程式——V&V 三角形。V&V 三角形是指模型、中间产品和仿真结果阶梯式V&V 的一般程式。如下图所示。V&V 程式被组织成了一个6×5 的下三角形。发起人的需求、结构化的问题描述、概念模型、形式化模型、可执行模型、仿真结果等五项中间产品组成了竖直维，而五项中间产品（结构化的问题描述V&V，概念模型V&V，形式化模型V&V，可执行模型V&V，仿真结果V&V）组成了水平维。三角矩阵的每一列代表V&V 的一个主阶段，并分别与五项中间产品相对应。行和列的交叉点（图中灰格子），将V&V 主阶段划分为若干子阶段。

3.1 V&V 程式三角形主阶段

V&V 程式三角形形象地展示了中间产品与V&V阶段间的依赖关系。例如，形式化模型阶段（从3.1~3.4），要表明形式模型的适当性和正确性。这一阶段的主要目的是确认面向问题、定量刻画的描述充分地近似了实际系统基于目的的抽象和理想化。同时确认避免了对形式模型已识别出的潜在错误。建模与仿真理论方面的知识和技术是必需的。

3.2 V&V 程式三角形的子阶段和V&V 的目标

每一主阶段分解为二类子阶段。第一类子阶段称为产品内部V&V，在上图中用方框中加从右上到左下箭头表示，在这一子阶段要表明中间产品无内部错误。第二类子阶段称为转换V&V，在上图中用方框中加环形箭头表示，在这一子阶段要表明中间产品间无转换和传递错误。为了明确目标，依据简单的原则，将V&V 五个主阶段划分为20 个子阶段。在每个V&V子阶段，下列内容必须表明：在模型开发程式中所处的阶段；与现中间产品相配的前续产品；子阶段的目标；子阶段跳转的需求和结果；错误探测对模型开发的影响；子阶段的目标分解；为静态分析推荐的技术；为动态分析推荐的技术；为结果评价推荐的技术；拓展引用、杠杆信息和可重用的V&V 结果；结果输出。

在每一子阶段用图来表示目标、技术、输入和输出间的关系。用带圆角的方框表示目标，用浅色的箭头指向所使用的技术，技术用方框表示，技术所需要的输入用椭圆表示，用黑色箭头指向技术，同样用黑色箭头由技术指向V&V 结果。

3.3 V&V 程式三角形用于V&V 计划和实现

V&V 程式三角形通过增大V&V 活动的强度、加快V&V 进程，强化了可信性的构建和调适程式。V&V程式三角形还对V&V 的计划和实现提供了支持。但需要针对建模与仿真项目的特性适当的调整。

3.4 V&V 程式三角形的评价

在 V&V 程式三角形中有74 个可识别的不同目标。这些目标不是混杂的，而是协调一致的。V&V 程式三角形涵盖了大多数已知的V&V 程式。这些程式通过路径来刻画。分别有三种路径：文档格式的正确性与内部的一致性、行动建议违反检测和人工评价。路径的选择由使能器完成。

3.5 V&V 程式三角形的支撑工具

借助数据库技术、M&S 可信性确认指南建立综合V&V 支撑环境。伴随V&V 程式输入信息，存入资料库并产生规范的表格。

目前中国大陆VV&A 程式研究存在的问题和未来工作的重点

通过以上对国内外VV&A 程式研究情况的综合分析，笔者认为：VV&A 形式化和规范化是实现优质VV&A 的有效途径，而VV&A 是其具体体现。但目前国内研究存在以下主要问题：一是在国内没有标准化的VV&A 概念体系，给学术交流、建立共识带来困难；二是VV&A 程式的版本较多，缺乏大家公认的规范；三是大多数VV&A 程式停留在抽象宏观的层面，尽管V&V 程式三角形在这方面做出了巨大的努力，但解决VV&A 全过程的可操作性强的方案还缺乏；四是面向M&S 全生命周期及人在回路中的仿真系统的VV&A 技术不足；五是面向VV&A 全过程的高效公认的支撑环境还没有；六是在国内缺乏专门的组织机构负责组织协调VV&A 的研究工作，处于各自为战的状态。

为此，应从以下几个方面重点加强VV&A 程式研究工作：一是要在国内，特别是军方成立专门机构负责VV&A 工作，起到政策制定、组织协调、结果认证的作用；二是尽快建立VV&A 标准化的理论体系，规范VV&A 的概念术语；三是组织力量开展面向M&S全生命周期的VV&A 程式研究，拿出综合解决方案，由主管部门认定颁布；四是加强面向M&S 全生命周期VV&A 技术研发，如：人在回路中的仿真系统VV&A，基于组件模型的VV&A、分布式仿真VV&A和可信性评估等；五是组织力量开发面向VV&A 全过程的高效公认的支撑环境，包括：模型文档系统、集成模型开发环境和输出分析工具等。

[1] Okan Topcu. Review of Verification and Validation Methods in Simulation [Z]. Technical Memorandum, DRDC Atlantic TM 2003-055, April 2003

[2] Liao Ying el. The Verification, Validation and Accreditation Technologies on System Modeling and Simulation [M]. Changsha: National University of Defense Technology Press, 2006.9 廖瑛等编著，系统建模与仿真的校核、验证与确认（VV&A）技术[M]，长沙：国防科技大学出版社，2006.9

[3] Wang Jinhui, ZHANG Mingqing. Verification, Validation and Accreditation Process Models in the Life Cycle of Modeling and Simulation [J]. Computer Simulation, 2007,24(5) :54-57,126 王景会等，M&S 全周期中VV&A 过程模型研究[J]，计算机仿真，2007，24(5):54-57,126

[4] Tang Tianbing, Tiao Peng, Huang Xiaohui, Zha Yabing. Research on VV&A of HLA System Based on Simulation Component [J]. Journal of System Simulation, 2009, 21(9) :2478-2481唐见兵等，基于仿真组件构建的HLA 仿真系统VV&A 研究[J]，系统仿真学报，2009,21(9):2478-2481

[5] Yang Huizhen, Li Jiakuan, Kang Fengju. A Study of Federation Conceptual Model and VV&A [J]. Computer Simulation, 2009,26(7) :109-112 杨惠珍等，联邦概念模型及其VV&A 研究[J]，计算机仿真， 2009,26(7):109-112

[6] Dirk Brade. A Generalized Process for the Verification and Validation of Models and Simulation Results [D]. Dissertation. Neubiberg, October 2003

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