关于仿真可信度评估及仿真VV&A的探讨

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作者：孙成松，花传杰，李永

1. 引言

根据国内外仿真可信度及仿真系统的校核、验证与确认（Verification Vaiidation and Accreditation，VVSA）的研究现状，探讨了仿真可信度评估理论，重点研究了仿真可信度的概念和性质，仿真系统可信度评估的原则以及仿真可信度与仿真系统的校核、验证与确认（VVSA）之间的关系。同时，该文还运用一个简单的例子就仿真系统可信度评估与仿真系统的校核、验证与确认（VVSA）之间的关系作了一个简单、明确的阐述，使大家对仿真系统可信度评估与仿真系统的校核、验证与确认（VVSA）有一个更加清楚的认识。

2. 国内外研究状况

对仿真系统的校核、验证与确认（VVSA）研究最早开始于对仿真模型的校验，至今已有40 多年的历史了。九十年代以来大型复杂仿真系统研究取得了很大的发展。国外从80 年代中期开始对分布交互仿真技术进行研究和开发，1995年美国国防部又提出了高层体系结构。对仿真系统的VVSA研究的重点从仿真模型的校验方法研究为主转向如何更加全面系统的对仿真系统进行VVSA 上来。1996 年美国建模与仿真办公室（DMSO）军用仿真VVSA 工作技术支持小组起草了“VVSA 建议指导规范”［1］（VVSA Recommended PracticeGuide，简称RPG）。目前，它修订后的版本更有利于人们根据需要查阅相关的VVSA 问题。1997 年IEEE 通过了关于分布交互仿真的标准IEEE1278. 4，这是关于大型复杂仿真系统VVSA 的一个较全面的导。几十年来，对仿真模型校验问题的研究一直是仿真可信度评估研究的重点。另外，美国国家标准和技术机构（NIST）也于1992 年发表了一个适应性更广的VVSA 标准。紧接着在2000 年，Michaei L. Metz 以联合武器系统（The Joint Warfare System，JWARS）的VVSA 过程为例，对计划VVSA 规划、执行VVSA 过程、报告VVSA 结果中的各种经验和教训进行了深入探讨，在2002 年。Osman Baici等学者又提出了13 条指导VVSA 研究与实践的策略与方向，从而把仿真可信度评估研究推向深入。在我国，仿真技术应用较晚，仿真开发者和仿真用户对仿真可信性评估还不够重视，对仿真系统基于仿真目的的可信性的科学合理评估也不够充分。在国内，真正的仿真系统可信度研究也就是近几年的事。但是，开发执行VVSA 的有效途径，研究并提出新的具有实用价值的VVSA 方法和技术，支持互操作性和可重用性的VVSA，研究将一个复杂的大模型分解成若干个小模型进行校验，开发辅助VVSA 的工具集的几个仿真可信性研究趋势，已经在国内全面展开。

3. 与可信度评估有关的概念

从上述中可以看出，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

仿真可信度的定义可以做如下表述：由仿真系统和原型系统之间相似性决定的、基于仿真目的的、仿真系统和原型系统之间的相似程度。仿真可信度是仿真系统用户最关心的问题，同时也是仿真开发者必须引起足够重视的问题。如何保证仿真可信度与相应的仿真目的相适应引起了官方、仿真界和仿真系统用户的重视。与此相适应，模型与仿真（Modei And Simuiation，MSS）的校核、验证和确认VVSA（Verification Vaiidation and Accreditation）相关技术和规范发展很快，应用也较为成熟。VVSA 最初只是一些规范和常规的面向模型的数理验证方法，随着仿真技术的发展，VVSA 已经发展成为仿真技术的重要组成部分，VVSA 的含义按照美国国防部“5000. 59”计划分别表述如下：校核：确定MSS，是否准确反映开发者的概念描述和技术规范的过程；验证：从预期应用角度确定MSS，再现真实世界的准确程度；确认：权威机构对MSS，相对于预期应用来说是否可接受的认可。有关对VVSA 的定义和相应规范已经在仿真界取得共识，在实际操作中得到仿真开发者、最终用户和确认代理的遵守。VVSA 是贯穿整个仿真系统的立项、设计、开发、调试、应用、维护整个生命周期的一项重要活动，VVSA 工作自始至终都是围绕着保证和提高仿真可信度展开的。仿真可信性评估工作必须在VVSA 的基础上才能展开。仿真逼真度与仿真可信度具有紧密关系，仿真逼真度的定义可以作如下表述：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。仿真不具备一定的仿真逼真度，仿真可信度无从谈起，逼真度是系统外在特性的相似程度，仿真逼真度与仿真目的没有关系。对于系统仿真逼真度的评价，并不一定需要具备有关仿真的专业知识，经验评价即是一种较好的评价仿真逼真度的方法。系统仿真逼真度的提高对系统仿真可信度的提高具有积极作用。

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栋房屋。如果该仿真环境是用来模拟坦克与坦克的对抗，这样的环境可能已经达到可信度的要求；而如果该仿真环境中还有计算机生成的士兵，这些士兵又有可能需要利用该房屋做掩护和机动，那么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，得到的结论就有可能不同。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。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 仿真模型VV&A 的有关概念

仿真模型的可信度可以通过有计划的校核与验证工作来评估，并通过验证来正式地加以确认，为某一特定的应用服务，这个过程就是仿真模型的校核、验证与确认（VVSA）。1）模型（Modei）：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。2）仿真（Simuiation）：是基于模型的活动。用仿真来模拟实际的或概念的系统，从而用于检验或分析实际系统，或者用于培训操作人员操作实际系统。3）建模与仿真（Modeiing and Simuiation）：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、培训和军事演习等提供决策。4）仿真系统的校核、验证与确认（VVSA）：仿真模型的校核、验证与确认是伴随仿真系统的设计、开发、运行、维护整个生命周期过程的一项重要活动，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、验证与确认分别回答下面的问题：校核，建立了正确的概念模型吗？验证，正确地建立了仿真模型吗？确认，仿真模型可以使用吗？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，下面以图例加以说明：概念模型对真实世界特性描述的有效性通过验证（validation）得到认可；同时，仿真模型对概念模型的正确实现通过校核（verification）过程得到认可（见图1）。

4. 仿真系统可信度评估的原则以及仿真系统可信
度与仿真系统的VV&A 之间的关系

4.1 可信度评估的原则

讨论仿真系统可信度评估原则可以深化对仿真可信度等有关概念的理解，对仿真系统的可信度评估理论研究和实践都有重要的指导作用。1）相对正确原则：没有绝对正确的仿真系统。不存在一个完全有效的仿真系统。没有任何一个仿真系统有完全的代表性和正确性。“完全”由仿真的问题决定，“有效”只是对于确定的应用范围来讲。完全无效的仿真系统可能对另一个问题有效。2）全生命周期原则：仿真系统的可信度评估是贯穿整个仿真系统开发生命周期的一项活动，而不只是其中的一个过程。生命周期本质上是一个迭代过程且是可逆的。通过可信度评估发现的缺陷，有必要返回到早期的过程并重新开始。3）定范围原则：正确地确定仿真系统所研究问题的范围对仿真系统应用结果的可信性评估和验收都是至关重要的。4）有限目标原则：仿真系统的可信度评估目标，应紧紧围绕仿真系统的应用目标和功能需求，对与应用目标无关的项目，可以不进行考虑，以便减少评估的开支。5）必要不充分原则：仿真系统的可信度评估不能保证仿真系统应用结果的正确性和可接受性。因为仿真系统的可信度评估过程只是仿真系统有效的必要条件，如果仿真系统的目的和要求本身就不正确，那么分析结果也就不正确。6）全系统性原则：对仿真系统的部分系统的可信度评估不能保证整个仿真系统的可信性，反之亦然。因此，整个仿真系统的可信性必须从系统整体出发进行评估。7）量化性原则：对仿真系统的可信度评估不仅仅是一个接受或拒绝的二值选择问题。可信度评估不是得到完全正确或完全不正确的结果，而是得到一种表达正确程度或不正确程度多少的结果，常用比例系数0 - 100%来表达。其中，0代表完全不正确，100%代表完全正确。8）创造性原则：仿真系统的可信性评估既是一门艺术又是一门科学，需要足够的创造性和洞察力。仿真系统的可信性评估是一门科学，并不是简单直接的过程，是一种要求有创造力和理解力的过程。9）分析性原则：仿真系统的可信度评估不仅要利用系统测试所获得的数据，更重要的是要充分利用系统分析人员的知识和经验，对有关问题尤其是无法通过测试来检验的问题进行深入的分析。10）良好计划和记录原则：仿真系统的可信度评估必须有良好的计划和记录。因为它是一个连续的行动，应准备验证数据及计划时间安排。11）相对独立性原则：仿真系统的可信度评估要保证一定独立性以减少开发者的影响。但是，可信度评估人员要与开发人员相互配合，从而加深对系统的理解，并以利于减少人、财、物资源的重复和浪费。因此，仿真系统的可信度评估是追求财政、可靠性水平及开发人员可靠性三者之间的折衷。12）数据正确性原则：仿真系统的可信度评估所需要的数据/ 数据库必须是经过校核、验证与确认的数据。因为，数据作为仿真系统的输入或仿真系统的结果，应该被检查是否一致、有效。

4.2 仿真系统可信度评估与仿真系统的VV&A 之间的关系

仿真系统的可信度评估为VV&A 提供了目标，而VV&A又是仿真系统可信度评估的基础和重要内容。仿真模型验证已经在一些已开发的仿真系统中得到了应用，下面举一个例子来说明仿真系统可信度评估与仿真系统的VV&A 之间的关系。联合仿真系统（JSIMS）是支持21 世纪战斗准备的仿真系统。JSIMS 开发的任务空间被分为几个责任域。每个域描述JSIMS 的多种应用，包括描述实体、行动、任务和交互。联合任务空间概念模型（JCMMS）确定和描述实体、属性、联系、方法、过程和交互，并要与JSIMS 的需求一致。JCMMS 集成产品组（IPT）提供JSIMS 中任务空间的权威描述。在格式方面，JCMMS（IPT）考虑：方法的灵活性和战斗人员理解描述的能力。JCMMS 可以：1）建立开发JSIMS 的任务空间知识基础。2）支持JSIMS 面向对象分析和设计。3）提供JSIMS 的校核、验证和确认（VV&A）基础。JSIMS 中JCMMS 是作为校核和验证的基础。仿真模型通过两个步骤支持JSIMS 的校核与验证（V&V）。首先验证仿真模型与真实世界相比较是否符合。其次校核JSIMS 的开发与包含在JCMMS 中的描述一致。JCMMS（IPT）必须生产被验证的表示作为被证实的开发过程的一部分。这样，JSIMSVVSA 工作组可被视为是JCMMS 的顾客。JCMMS 的验证以美国国防部建模与仿真办公室建议指导规范中的原则、过程和方法等作为指导，来制定计划并具体实施。JSIMS VVSA 计划中定义了JCMMS 的验证。仿真模型本身被执行人员和联合战斗中心通过VVSA 验证。

5. 结束语

九十年代以来随着复杂大系统的研究取得进展，对仿真系统的VVSA 研究的重点从仿真模型的校验方法研究为主转向如何更加全面系统地对仿真系统进行VVSA 上来。复杂大系统仿真本身的特点使得对它的可信度评估很困难，如缺乏用于对照的数据源、互操作问题、时空一致性问题等。随着仿真技术的发展和对于仿真系统需求的不断增加，复杂仿真系统的开发和应用近几年来在我国发展很快。仿真技术已经成为解决诸多现实问题的一种行之有效的方法。鉴于利用仿真这一手段解决问题的重要性，仿真可信度研究将逐步成为人们关注的焦点。

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