军用大型复杂仿真系统的特点及其置信度评估对策_商长安

第14卷第5期 系 统 仿 真 学 报 Vol. 14 No. 5 2002年5月JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION May 2002 文章编号：1004-731X (2002) 05-609-04

军用大型复杂仿真系统的特点及其置信度评估对策

商长安, 刘兴堂, 仵浩

（空军工程大学导弹学院，陕西三原 713800）

摘要：在综合分析信息化时代军用系统仿真技术和系统发展趋势的基础上，重点论述了军用大型复

杂仿真系统的主要特点及其置信度评估中出现的新问题，并就此提出了相应的置信度评估研究对策，

作为大型复杂仿真系统置信度评估理论及方法研究的重要参考。

关键词：军用仿真；大型复杂仿真系统；仿真置信度评估；研究对策；VV&A

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

Main Traits and Confidence Assessment Measures of Military Large-scale and

Complicated Simulation System

SHANG Chang-an, LIU Xing-tang, WU Hao

(The missile college of air force engineering university, Shaanxi Sanyuan 713800, China) Abstract: The writer, on the basis of the integrated analysis on military simulation technology and system development’s direction in information era, emphatically discusses the main traits and new problems in confidence assessment of military large-scale and complicated simulation system, and proposes relevant confidence assessment research measures, as the important reference of a research on the theory and methods of confidence assessment for large-scale and complicated simulation system.

Keywords: military simulation; large-scale complicated simulation system; simulation confidence assessment; research measures; VV&A

引言

自古以来，人们总是将先进的科学技术尽快用于军事目的，以便形成军事能力。系统仿真技术是当今最先进的科学技术之一，被称为是继科学理论和实验研究后第三种认识世界和改造世界的工具，已广泛应用于国防和国民经济各个领域，并产生了举世瞩目的影响和效益。用于国防和军事领域的仿真技术谓之军用仿真技术，实现这种技术应用的系统称为军用仿真系统。由于军用仿真系统一般都比较庞大、复杂，而且又十分昂贵、极端重要，所以人们自然对它的置信度要求和评估格外关注，并由此提出了有关“大型复杂仿真系统置信度评估理论及方法研究”的课题，本文将作为此研究的重要基础和方面之一。

1 军用仿真技术及其系统的发展趋势

高度重视军用仿真技术研究和大型复杂仿真系统的建造及应用是最近几次高技术局部战争引发的一个新趋势。这次局部战争，特别是科索沃战争表明，现代军用仿真技术不

收稿日期：2001-04-23 修回日期：2001-08-12

基金项目：国防科技预研基金（99J4.2.3.JB2203）

作者简介：商长安(1975-), 男, 黑龙江齐齐哈尔人, 博士, 研究方向为飞行器控制、制导与仿真研究。但是武器装备研制和部队军事训练不可缺少的极其重要的手段，而且已直接嵌入先进武器系统的运用，乃至整个战争行动的决策与谋划。面对着空袭已发展成为可达到战略目的的独立作战模式；精确制导武器已作为现代战场的主角武器；掌握信息优势是军事斗争中空前激烈争夺的焦点；现代战争是作战双方的军事体系对抗；以及武器装备正在走向立体化、信息化、精确化、隐蔽化、无人化、轻小型化和体系化，为了适应未来高技术战争的需要，可以预测廿一世纪前期的军用仿真技术将在如下领域获得迅猛发展：①新武器装备，特别是精确制导武器的全寿命周期仿真；②战略、战役、战术级作战演习及战法研究仿真；③作战信息大系统（包括C3I、C4I、C4ISR等指挥自动化系统）仿真；④作战双方体系攻防对抗仿真；⑤新武器装备尽快形成战斗力的使用训练仿真等。除此之外，仿真技术还将直接嵌入实战武器系统运行、作战决策与谋划及武器装备采办等。

在上述军事需求的牵引下，分布交互仿真（DIS）、高层体系结构（HLA）、多武器仿真平台、嵌入式仿真平台、虚拟现实（VR）、虚拟环境（VE）、虚拟样机（VP）、虚拟采办（SBA）等先进的仿真技术将获得长足发展和广泛的军事应用。与此同时，保障建模与仿真质量和效果的VV&A 技术及置信度评估技术等将同样得到加强和发展。

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2 现代军用大型复杂仿真系统的特点

现代军用大型复杂仿真系统通常是包含复杂环境模拟的武器装备半实物仿真系统，或是基于多武器平台并结合虚拟战场的分布式交互综合作战仿真系统。其主要特点是：

(1) 结构层次多、规模大

通常由若干个子系统和下层分系统甚至子分系统等构成，一般包括：①描述实际系统或元部件的众多数学模型；

②实时仿真计算机系统及其支撑软件；③各种物理效应装置或模拟器/模拟环境；④特殊仿真环境产生装置；⑤人-机交互界面和接口；⑥监控、显示及文档设备；⑦信息采集和处理系统；⑧仿真工作者或操作人员等。如，现代地面防空作战仿真系统就是一个适应多频谱、多探测器、多拦截器、多C3I系统，实现多目标决策问题的多层次大规模分布式系统。又如，用于美国国家空间防御计划中反弹道导弹而研制的动能杀伤飞行器半实物仿真系统（KHILS），是一个包括实时计算机系统、运动仿真器、气压调节及低温室、红外图象产生器及红外景象投影仪等的规模庞大的复杂仿真系统。

(2) 模型种类多、数量大

模型是仿真系统的核心。军用大型复杂仿真系统的模型种类和数量远远超过了一般仿真系统。它不仅包括数学模型，还包括产生物理效应的仿真软、硬件设备及部分被试实物。如空中飞行模拟系统，除包括整架本机（构成空中模拟系统的载机）外，它的模型还包括用于产生飞控平台多种被试运动模态的可变动力学模型及自适应辨识模型等。对于综合防空多武器平台仿真示范系统而言，其模型就更为复杂，将涉及航空兵、舰船、区电、导弹兵、高射炮兵等方面的四大类模型（作战、武器平台、环境及作战评估）等。

(3) 时空范围大

从单武器平台仿真向多武器平台仿真方向发展，是军用半实物仿真的一个新趋势。它将不同内容、不同地点的仿真器进行联网，组成分布一体化的综合仿真试验环境，用于综合仿真作战，使仿真系统的时空范围发生了质的飞跃。如1997年10月举行的“STOW’97”的联合模拟演习，参演节点分布于美、英两国5个不同地点，通过一个先进且安全的ATM网利用DIS互联，有370多个参演平台，9000多人参加，使用了500ⅹ700 km2的合成地形环境等。又如，1996年举行的“JPOW’96”大型分布式军事演习，参加国有美、英、德、荷、丹等，其来袭目标有B-1B、F-52、F-16、旋风战机、战斧式巡航导弹及无人机等。拦截系统采用分布式拦截导弹，爱国者、霍克PIPⅢ、宙斯盾和近程地面防空系统等。陆、海、空各种平台和BM/C4I作战管理指挥系统、联合战术地面站（JTAGS）亦参与了演习。再如1998年在科威特战区进行的计算机仿真导弹作战演习，其控制中心是远在美国本土的陆军空间与导弹防御司令部。

(4) 涉及领域广

随着军事科技的进步，武器装备越来越复杂，对它尤其是它所处的复杂环境建模与仿真要涉及到力、声、热、电、光、磁、材料、信息等多个学科领域的知识。对于战争的仿真更是一个世界性的难题，因为现代高技术条件下的战争形态变化大、作战过程十分复杂且包含着许多不可控、不确定甚至不可知的随机因素，这不仅需要确定型数学描述，而且需要概率统计描述、模糊数学描述以及定性推理描述等。

(5) 全方位服务，功能强大

军用仿真技术正朝着服务于武器装备的全寿命、全系统和全方位管理的方向迅速发展。在这种需求牵引下，军用仿真系统的结构越来越复杂，功能越来越强大，全方位仿真系统已成为一种发展趋势。如防空导弹武器系统仿真已不再是初期的仅用于鉴定试验的仿真，而是在发展新一代半实物仿真系统中，着重考虑：①满足红外成像制导武器的需求，加速发展红外成像制导半实物仿真系统；②满足雷达寻的制导由微波向毫米波发展的需求，建立大型毫米波仿真系统；③适应精确制导武器抗干扰需求，发展复合制导仿真系统和仿真系统联网技术；④满足电子对抗研究的需求，实现抗反辐射导弹的环境仿真；⑤对于采用雷达景象匹配或光学下视景象匹配的精确制导武器系统，必须发展相应的光电系统仿真或在射频仿真环境下使导引头参与制导控制系统的半实物仿真等。

3 现代军用大型复杂仿真系统置信度评估中

出现的新问题

3.1 模型的重用性

仿真模型的建立要耗费大量的人力、物力和时间，建立大型复杂仿真系统的模型甚至需要几年、上百万的资金。因此，为了避免建模的重复性工作，模型的重用性问题自然就引起了大型复杂仿真系统建模人员的重视。在这方面，以分布交互仿真（DIS）和高层体系结构（HLA）表现得尤为突出，因为这些系统对于模型的重用性要求更加迫切。3.2 系统的复杂性

现代军用大型复杂仿真系统在结构上具有异乎寻常的复杂性，而且一个复杂仿真系统往往是数学模型、硬件在回路、软件在回路、人在回路等多层、多种形式的综合。同时，模型和仿真系统的建立，需要做出相应于建模与仿真应用目标的复杂假设。由于在置信度评估中不可避免的要进行复杂的层次分析、复杂假设检验、定性推理、实验设计、系统辨识等，这些都将给仿真系统的置信度评估带来许多困难。另外，在采用假设检验、统计推断、置信区间估计、时间序列分析、谱分析、模糊推理等方法对仿真结果进行分析和处理时，都要涉及到数据的获取和复杂的计算，而这些又是置信

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度评估中必不可少的。可以这样说，大型复杂仿真系统的复杂性使得它的置信度评估工作必然要付出巨大的代价。3.3 环境的广泛性

随着军用仿真需求的增加和仿真技术的深化，环境仿真越来越受到人们的重视。它包括：地形/地貌、海洋、大气、电磁、光学（含红外）等仿真；视觉、听觉、动感、运动、加速度、力反馈等仿真；以及虚拟战场环境的综合仿真。这里不仅涉及建立完善的数据库、模型库，设立综合环境计划，满足分布交互仿真等，而且需要建立大型、昂贵、风险性极大的物理效应装置和设备。这些都大大扩展了置信度评估的范围，增加了它的难度，尤其是对于虚拟战场的置信度评估从方法到标准上都是全新的问题。

3.4 仿真技术的先进性

如前所述，在当前信息时代，仿真技术以前所未有的速度发展，一些直接服务于军用大型复杂仿真系统的先进技术不断产生。如，近年来出现的分布交互仿真、高层体系结构、虚拟现实、虚拟样机、虚拟采办等。所有这些对仿真系统的置信度评估都带来了新的问题，如时空一致性、复合体系结构、协议数据单元等，即除进行传统的概念模型有效性验证、仿真软件校核、运行有效性验证、数据有效性验证和内部安全性校核等评估内容外，还必须研究新的评估内容、方法和技术。

3.5 VV&A的经济性

VV&A是仿真系统置信度评估的核心技术和基础。随着军用仿真的内容更广、规模更大、层次更深和系统更复杂，使VV&A的工作量与日俱增，开发费用将越来越大，如何使VV&A的过程效益最大，即研究经济有效的VV&A将是人们在仿真置信度评估中面临的迫切任务。为此，对于大型复杂仿真系统的置信度评估新理论和新方法研究将是十分有意义的。

4 军用大型复杂仿真系统置信度评估研究的对策

根据上述军用大型复杂仿真系统的特点和置信度评估中出现的新问题，为适应仿真技术的发展，提高大型复杂仿真系统的有效性，特提出有关军用大型复杂仿真系统置信度评估研究的如下对策，供参考：

(1) VV&A必须贯穿于建模与仿真的全过程

VV&A技术及活动是仿真置信度评估的基础和核心，它应该是贯穿仿真系统全生命周期的一项关键性工作[1]。为了保障仿真系统的置信度，建模与仿真的每一步都必须有VV&A活动的参与，对于大型复杂仿真系统更应该如此。应强调指出，整个研究过程是循环往复的，如果通过VV&A 发现问题甚至错误，就应该立即查找原因并加以纠正，以满足仿真置信度要求。

(2) 注意采用层次化置信度评估方法

由VV&A原则中的全局性准则[2] [4]可以知道，子模型或子系统同整个仿真系统的有效性并不是完全兼容的。因此，针对大型复杂仿真系统的结构特点，必须注意采用层次化评估方法。即从基本功能子模型（系统）评估开始，逐步扩展到整个仿真系统。这里建议使用CLIMB方法和评价树方法。前者是一个分级研究模型（系统）置信度的过程，它通过综合利用文件，确定适合于给定置信度等级的有关数据库，然后通过逐级使用不同的分析工具来扩大模型性能的置信度范围。该方法已成功应用于导弹武器系统的建模与验模过程。后者是将评估因素分解成一系列因素，按照它们之间的本质联系建立树形的层次结构（参见图1），选取适当方法逐级、逐层进行复杂仿真系统的置信度评估。

第I层上父节点的置信度为：∑

=

=

i

i

i

w

c

c

1

.，式中C i：第I个子节点的置信度水平；W i：C i的对应重要性权值，且W1+W2+……W M = 1；M：父节点的子节点数目。

(3) 模型文本化

模型校核与验证文本简称为模型文本，是根据一定的规范对模型、程序的文字说明及进行VV&A所需的文字描述。建立模型文本规范、编写模型文本及根据模型文本对建模过程进行控制的过程，称为模型文本化。模型文本一般提供模型、计算机程序、模型验证、模型校核等有关信息，同样是置信度评估的基础。它在建模与仿真未来的工作（包括模型修改或改进后用于不同目的等）中作用十分重要。因此，除实现上述模型文本化外，这里还须强调文本必须贯穿于建模与仿真的整个开发过程。

(4) 重视加强分布交互仿真和高层体系结构的VV&A 技术研究

分布交互仿真（DIS）属于现代大型复杂仿真系统，VV&A也应贯穿于DIS系统的全生命周期。不少学者进行了这方面的研究，并取得了一定成果[1] [3]，图2为美国佛罗里达大学提出的DIS校核、验证与确认的九步模型，可供在这方面进一步研究参考。图中的九步模型是比较高层次上的概括性描述，为了制定系统更详细的校核、验证与确认实施计划，还必须对每一步进行分解，以使VV&A工作真

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图2 分布交互仿真VV&A的九步参考模型

正融入到分布交互仿真系统开发过程中去，更好的发挥作

用。HLA是新的交互仿真体系结构，因此，更应重视HLA

开发过程中的VV&A研究。

(5) 加强仿真置信度评估的理论和方法研究

大型复杂仿真系统置信度的评估既是一个复杂的理论

问题，又是一个工程方法问题。为此必须加强这两方面的研究。

①模型有效性理论及方法的研究

一般讲，对模型所作的在预测精度下的实际系统与模

型的I/O对偶一致性被称为模型的有效性。详细的说，这种

模型有效性是分等级的，即复制有效、预测有效和结构有效。

而所有这些都是建立在模型论和相似理论基础上的。因此，

为了获得满意的模型，必须以此为基础做好如下三方面工

作：采用科学合理的建模方法建立系统模型，对于大型复杂

仿真系统，特别应开展组合建模方法及新建模方法的研究；

利用现代辨识方法不断修改和补充模型；在特定建模目标和

要求精度下正确评估模型有效性。

②开展仿真系统的精度分析研究

仿真系统精度分析就是对仿真系统的误差进行静、动

态分析，弄清误差性质及大小，寻找系统多环节的仿真精度，

查找产生误差的根源，以此对仿真结果做出处理或修正，提出

消除或减小误差的措施，给仿真置信度评估提供科学依据。

③充分重视基础理论和方法的应用研究

大型复杂仿真系统的置信度评估是一个复杂的系统工

程，涉及的面很广，所以必须高度重视基础理论和现代工程

方法应用的重要作用。为此，我们将研究利用相似理论、系

统辩识理论、模糊综合评判方法、贝叶斯方法等解决大型复

杂仿真系统的置信度评估问题，并力求在此方面提出卓有成

效的置信度评估新方法。

(6) 开发系统设计、仿真与实验“一体化”研究

对于大型复杂仿真系统的置信度评估及其研究目的在

于获得具有高置信度的仿真系统，从而增强应用仿真试验结

果的信心。其作用是充当仿真“质量卫士”，但这仅是问题

的一个方面，而更重要的是通过系统设计、仿真试验与飞行

试验的一体化研究，从根本上解决实际系统、模型与仿真系

统三者间的性状一致性问题，从根本上保证仿真系统等效实

际系统。这种“一体化”研究过程大致如下：

产品（型号）

设计

仿真

试验

飞行

试验

一致性

检验或仿真系统试验

获得验前概率＋

飞行试验数据信息统计推断

重构系统模型

与仿真系统真试验结论

等效实际系统

试验结论

5 结论

军用大型复杂仿真系统一般具有结构层次复杂、模型

种类多、时空范围大、涉及领域广、功能强大等特点，由于

考虑到它的模型重用性、系统复杂性、环境广泛性、技术先

进性、VV&A的经济性等问题，使得置信度评估工作面临

着一些新问题。为此，除强调VV&A必须贯穿于建模与仿真

的全过程外，还应注意采用层次化方法、模型文本化，重视

DIS和HLA的VVA技术研究等，特别值得提出的是加强基础

理论、方法研究和系统设计、仿真与实验“一体化”研究。

参考文献：

[1] Defense Modeling and Simulation Office (DMSO). Verification

Validation and Accreditation (VV&A) Recommended Practice

Guide [M]. 1996.

[2] Osman Balci. Verification, Validation and Accreditation of

Simulation Models [A]. Proceedings of the 1997 Winter

Simulation Conference, 1997 [C].

[3] Osman Balci. Verification, Validation and Accreditation of

Simulation Models [A]. Proceedings of the 1998 Winter

Simulation Conference, 1998 [C].

[4] 王子才, 张冰, 杨明. 仿真系统的校核、验证与验收(VV&A)：

现状与未来[J]. 系统仿真学报, 1999, 11(5): 321-325.

[5] 李鹏波, 蔡洪, 张士峰. 仿真可信性研究的方法和应用[J]. 飞航

导弹, 1999, 5.

[6] 商长安. 现代大型复杂仿真系统的特点及其置信度评估对策[D].

陕西三原, 空军工程大学导弹学院, 2001.