作戰軟件模型檢驗方法研究＊

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1 引言

在作戰軟件的開發過程中,作戰模型研制是將軍事理論知識轉化為軟件工程實現的關鍵環節,是作戰軟件開發的前提和基礎,作戰軟件是否符合作戰指揮的戰術原則和戰場實際情況,將取決于作戰軟件中所使用的作戰模型是否正確可信。因此,如何保證作戰模型的正確可信,為作戰軟件提供高質量的作戰模型,是作戰軟件開發過程中一個亟待解決的重要問題。解決上述問題的有效途徑是對作戰模型進行有效、系統的檢驗,這是確保作戰軟件所采用的作戰模型正確可信的重要措施和手段。在作戰模型檢驗過程中的每一階段,都需要使用各種檢驗方法作為具體的操作手段,所以,對作戰模型檢驗方法進行研究,正確選取適合于作戰模型檢驗各個階段的檢驗方法,對成功開展模型檢驗工作,確保作戰模型的正確可信有著重要的意義。

2 作戰模型的研制基本過程

作戰模型是根據特定的作戰應用需求和作戰軟件開發的需要,對作戰指揮決策過程和方法的抽象描述。它是構成作戰軟件中指揮流程、控制流程、決策內容、輸入輸出、及算法的關鍵要素,并為作戰軟件詳細設計提供必要的輸入。作戰模型研制基本過程如圖1所示,作戰模型研制是一個不斷抽象和深化的過程。

圖1 作戰模型研制基本過程

由圖1可以看出,作戰模型研制主要劃分為兩個階段：理論模型研制和工程模型研制。理論模型是對特定作戰應用環境下的作戰指揮決策過程的首次抽象和概念描述,它側重于對軍事領域知識的分析和描述,并獨立于模型實現,其特點是采用符合軍事人員的思維方式與表述習慣的圖、文、表等格式化文檔實現對領域知識的結構化描述。工程模型是對理論模型進行工程化處理的產物,它將理論模型中所描述的格式化要素信息轉化為面向軟件技術人員的形式化描述方式,其特點是采用便于技術人員理解和進行后期設計實現的形式化、層次化的方法,實現對理論模型的工程化處理。

在作戰模型的研制過程中,由于作戰模型的抽象性、現代作戰的復雜性、指揮決策過程信息獲取的不完全性等眾多不確定性因素,可能導致作戰模型偏離作戰指揮決策的客觀實際,必然存在模型是否正確合理、功能是否完善、是否適應作戰軟件開發需要等問題[1]。因此,需要在模型研制的各階段采用適合的檢驗方法對作戰模型進行檢驗,以保證作戰模型正確可信。

3 作戰模型檢驗方法的分類

作戰模型檢驗方法按照各自的特點,可劃分為以下四個基本類別[2～5],同時,類別越正式,復雜程度也越高。

1)非正式方法

非正式方法也稱為主觀方法,因為它們所使用的工具和途徑主要依賴于人的推理和主觀判斷,它并不具備嚴格的數學描述和分析推理。所謂的“非正式”并非表明這些方法的運用缺乏組織性或正式的指導原則。實際上,此種方法的運用有明確定義步驟的結構化程序,而且確定了專門的數據要求(如：檢查表格、提問等),適當運用此方法可以得到很高的效率,但同時它也存在一個嚴重的缺陷,即分析的結果在很大程度上將受到領域專家的質量和主觀意識的制約。

非正式法比較容易掌握和使用,此種方法是目前模型檢驗中應用最廣泛的一種方法,其中各種檢驗技術同樣可以應用于作戰模型檢驗的各個階段。由于這種方法主要依賴于人的推理和主觀判斷,所以它特別適合對作戰模型的定性方面進行分析和檢驗,在作戰模型的需求檢驗、理論模型驗證和模型確認階段,它擁有不可替代的重要作用。該方法中適用于作戰模型檢驗的技術包括：專家評審驗證、基于物元法的評估、圖上推演、圖靈測試等。

2)靜態方法

靜態方法評估靜態模型設計和代碼,對模型內部的設計進行正確性檢查。靜態方法不要求運行模型,而是通過人腦的推理和想象來判斷模型的執行結果,從而檢查模型的結構、模型內部數據和控制流的正確性以及語法的正確性等。這種方法應用于校核驗證模型的靜態方面。

靜態方法的特點決定了它適合對作戰模型的靜態方面進行有效檢驗,如利用可追溯性分析校核理論模型中的需求在轉化到工程模型時是否具有一致性;利用語義分析工具,如編程語言編譯器,可以根據編譯過程中編譯器顯示的各種編譯信息,對工程模型的代碼進行校核等。該方法中適用于作戰模型檢驗的技術包括：可追溯性分析、結構分析、數據分析、接口分析等。

3)動態方法

動態方法要求運行模型,并根據模型在運行時的表現來對其進行評估。大多數動態方法需要在檢驗的模型加入自檢驗程序模塊,即在執行模型中加入用于檢驗的附加代碼段,以收集模型運行中的狀態信息,通過對這些信息的分析達到檢驗模型的目的。這種方法是實際中較為有效的方法,應用于校核驗證模型的動態方面。

動態方法是在模型運行的情況下對模型進行檢驗,因此該方法中的某些檢驗技術適合檢驗作戰模型的動態方面,例如利用特殊輸入測試可以驗證作戰模型的輸出是否在期望值區間以內,從而判斷模型的可信性;統計技術可以應用于作戰模型中的解析子模型,如果模型的輸入輸出過程的數據可以得到,那么可用統計技術進行模型驗證,得到定量的評估結果等。另外一部分技術由于自身使用條件的限制(如所需要的信息在作戰模型運行中難以得到),在作戰模型檢驗過程中使用起來比較困難,包括：白盒測試、預測驗證、符號調試和回歸測試等。該方法中適用于作戰模型檢驗的技術包括：仿真驗證、斷點檢查、靈敏度分析、特殊值測試等。

4)形式化方法

形式化檢驗方法是基于嚴格的數學邏輯和推理,通過數學證明、邏輯運算或者推理來發現模型的問題,是較為精確和嚴格的檢驗方法。如果實際中可應用該方法,那將是對模型進行檢驗最有效方法,但由于當前的形式化檢驗技術的復雜性和局限性,這種方法甚至不能應用到一個略為復雜的模型中去。

正式方法的各項技術在作戰模型檢驗中實施起來將會遇到很大的困難,只有當作戰模型的建模采用了形式化建模技術,該方法才有一定的實際應用價值,因此這種方法對于作戰模型檢驗不太適用。

4 作戰模型檢驗方法的分配

表1給出了各種檢驗方法在作戰模型檢驗過程中各階段的初步分配情況,從表中可以看出,理論模型驗證和作戰模型確認主要采用非正式方法,工程模型校核和驗證則可以綜合采用非正式方法、靜態方法和動態方法。這也是由作戰模型研制過程的特點所決定的,作戰模型的研制是一個由定性到定量逐步轉化的過程,與之對應,作戰模型的檢驗方法也應如此。沒有哪一種檢驗方法可以完美適用于所有作戰模型的檢驗,因此必須根據作戰模型的特點綜合運用適合的檢驗方法,才能保證檢驗的效果。該方案按照作戰模型檢驗過程各階段進行,考慮了各種檢驗方法的適用范圍和局限,并結合了各階段作戰模型的特點,將各種方法應用于適合的作戰模型檢驗的各個階段。

表1 檢驗方法在檢驗各階段的分配方案

5 作戰模型檢驗方法的組合應用策略

在實際的作戰模型檢驗工作中,為了能夠達到較好的檢驗效果,在對模型的同一部分進行檢驗時可采用多種方法進行檢驗,或者將多種方法結合起來使用,為此,提出一種作戰模型檢驗方法的組合應用策略：以理論模型的專家評審驗證法和工程模型的仿真驗證法為主要檢驗方法,將多種方法有機整合到這兩種主要檢驗方法中,實現了多種檢驗方法的綜合運用。

5.1 理論模型專家評審驗證法

理論模型側重于對軍事領域知識的分析和描述,主要采用圖、文、表等格式化文檔進行描述。因此,需要借助領域專家的經驗和判斷對其進行定性分析和檢驗。理論模型專家評審驗證法是以領域專家的經驗知識為基礎,在檢驗表的指導下,采用評審技術對理論模型中所描述的各個關鍵要素進行驗證,并結合適合的可信度評估方法對理論模型的可信度進行評估的驗證方法。

1)理論模型專家評審過程

理論模型專家評審驗證的過程主要劃分為以下7個階段進行：組建理論模型評審組、確定理論模型評審的范圍和標準、準備評審材料、專家評審、理論模型可信度評估、問題修正和持續跟蹤。

2)理論模型專家評審活動

專家借助檢驗表(如表2),采用比較驗證的方式對理論模型文檔進行評審。

表2 理論模型檢驗表

在對各檢驗項進行評審時,還可以按照該檢驗項內容的特點,采用不同的方式和檢驗表進行具體的評審。軍事規則檢驗項、解析公式和數學運算檢驗項可以采用相應的檢驗表進行評審,戰法和作戰過程檢驗項則采用圖上推演法對其進行檢驗。

3)理論模型可信度評估

理論模型的可信度是指理論模型與其所描述的作戰指揮決策過程之間的相適應程度。檢驗人員采用合適的評估方法對各專家的評判結果進行綜合評估,得出理論模型的可信度。由于理論模型指標眾多、層次眾多,所以對于理論模型可信度的評估應該采用定性和定量相結合的方法;另外,專家評判的結果是一個模糊的概念,所以可信度的評估結論也應該是一種模糊性的結論。因此,應采用模糊綜合評判[6]的方法對理論模型可信度進行評估。

5.2 工程模型仿真檢驗法

和理論模型不同,工程模型面向作戰軟件開發的技術人員,側重于將軍事領域的知識轉化到工程領域的算法、流程。由于工程模型具有形式化、工程化的特點,所以,可以采用程序設計語言對工程模型進行編碼,以實現工程模型在計算機仿真環境上的運行,通過仿真檢驗法對工程模型實施動態檢驗。

1)工程模型仿真檢驗流程

工程模型仿真檢驗證流程如圖2所示。

2)仿真運行結果的分析驗證

仿真運行結果的分析主要以下兩種方式。

宏觀定性分析是對工程模型仿真運行過程中所表現出的各種外部行為進行分析,從整體上檢驗工程模型的可信性;微觀定量分析主要是對工程模型仿真運行過程中的各種輸出數據和內部數據進行分析,從具體環節上檢驗工程模型的可信性。

圖2 仿真驗證流程

在實際檢驗過程中,通常先采用宏觀定性分析檢驗的方式,由領域專家判斷工程模型中不合理的行為;然后再通過微觀定量分析檢驗的方式,找出導致不合理結果的具體環節。

3)工程模型仿真檢驗框架設計

工程模型仿真檢驗框架,是運用仿真檢驗方法對工程模型進行檢驗的計算機軟、硬件仿真環境,它是進行工程模型仿真檢驗的支持工具。在該檢驗框架的支撐下,一方面能對工程模型的運行進行直觀的可視化演示,便于專家的分析和評審;另一方面也可以在一定程度上實現模型檢驗工作的自動化,提高模型檢驗工作的效率。該檢驗框架由作戰態勢設置與生成模塊、作戰過程仿真模塊、作戰模型檢驗模塊與系統維護模塊組成,其總體結構如圖3所示。

圖3 仿真檢驗框架軟件結構

6 結語

隨著現代作戰軟件的功能和性能的不斷增強,作戰模型研制的復雜程度越來越高,這些都對作戰模型檢驗活動提出了更高的要求。本文根據作戰模型研制的過程以及各階段作戰模型的特點,提出了一種作戰模型檢驗方法的組合應用策略,運用該策略可對作戰模型進行系統、有效的檢驗,確保作戰模型的正確可信,并符合作戰軟件的開發需要。

[1]曹星平.作戰模型驗證的過程成熟度模型[J].系統仿真學報,2006,18(8)：2355～2357

[2]DMSO.VV&A Recommended Practice Guide[EB/OL].http：//vva.dmso.mil/Default.htm,1996

[3]Osman Balci.Verification Validation and Accreditation of Simulation Models[C]//Proceedings of the 1997 Winter Simulation Conference,1997

[4]Osman Balci.Verification Validation and Accreditation[C]//Proceedings of the 1998 Winter Simulation Conference,1998

[5]Robert G.Sargent.Validation and Verification of Simulation M odels[C]//Proceedings of the 2004 Winter Simulation Conference,2004

[6]張偉,王行仁.仿真可信度模糊評判[J].系統仿真學報,2001,13(4)：473～475