海軍作戰仿真系統可信度評估理論研究＊

徐 昶 李陸冀

（海軍指揮學院 南京 210016）

1 引言

隨著現代仿真技術的深入發展，仿真系統的可信度評估工作越來越凸顯其重要性。國內外的仿真界已經達成了共識：沒有經過可信度評估的仿真系統就沒有任何價值[1]。軍用仿真大都對作戰系統（體系）的發展、運用、管理和決策產生重要影響，因此風險高、責任大。我軍從上世紀90年代起重視和加強軍用仿真系統的可信度評估。但從目前來看，可信度評估的理論研究和實踐與西方發達國家軍隊相比，仍有較大的差距。

新世紀、新階段國際國內形勢發生了深刻的變化，海洋領域的競爭和對抗日趨激烈。海軍由于其涉外性強、兵種多樣、技術密集等特點，擔負著更加多樣化和敏感的使命任務。新形勢下，建模和仿真（M＆S）技術的研究與應用更加廣泛和深入，相應的仿真可信度評估已經成為亟待研究的重點[2]。針對我海軍特點，開創性地推進海軍仿真系統可信度評估研究是一項非常緊迫和重要的工作。

2 海軍作戰仿真系統可信度評估難點分析

信息化海戰的復雜性、多樣性，使得實兵、實裝演練已很難滿足作戰研究和訓練的需求。在現代電子信息技術的支持下，通過作戰仿真在實驗中學習戰爭、研究戰爭，在虛擬作戰環境中進行作戰訓練，已逐步成為主要的研究和訓練手段。海軍作戰仿真系統由于其消耗少、可重復、安全、保密、可靠等優點，在作戰理論和戰法研究、作戰方案評估、裝備發展論證、作戰訓練等許多方面有著無可比擬的優越性。但是，由于仿真系統畢竟是采用或部分采用模型和數據替代真實系統進行研究和實驗，因此仿真的可信度成為其是否可以獲得良好的應用效益的關鍵。然而海軍作戰仿真系統由于其性質和特點，存在著較大的可信度評估障礙。

1）海軍作戰仿真系統的復雜性導致了仿真和評估的困難

海軍作戰仿真系統以海軍戰役作戰系統為原型，主要用于研究海戰戰役規律、訓練戰役指揮員的指揮能力、指揮效率和參謀人員的業務水平、論證海上戰役部署方案和作戰決心計劃、評估裝備體系作戰效能等方面。不同的仿真目的對于可信度有不同要求，這使得可信度評估更加復雜。

海軍高新技術密集，擁有兵種多樣化，是具有國際性、戰略性的軍種，作戰范圍囊括陸、海、空、電的廣泛領域，具備戰略、戰役、戰術各種層級的作戰能力，各作戰單位和群體需要密切協同，在某種程度上，海軍作戰往往具有多軍兵種聯合作戰的性質，作戰系統結構十分復雜。

此外，對于海軍作戰系統來說，整體戰斗力指標是這個系統最重要的輸出，但是很顯然，這一輸出并不完全響應于輸入，更多的兵員、武器裝備和后勤保障并不意味著更多的戰斗力[3]。比如赤壁之戰、特拉法爾加海戰、美日中途島海戰，都是以弱勝強的著名海戰戰例。這種輸出與輸入不成比例的非線性是復雜系統的典型表現，從這些分析可以看出，海軍戰役作戰系統是復雜系統。

復雜系統由于內部的復雜性不容易被人們完全掌握，因而其仿真本身具有相當的困難。如果只從整體角度出發來建模仿真，那么對于系統內部情況缺乏了解，不能找到內部結構中的關鍵因素，背離了系統研究的初衷。如果像簡單系統仿真那樣，按照還原論思想，先對構成系統的各個組件進行建模，再連接成整個系統，那么作戰系統結構動態變化的復雜性在仿真中如何體現？建模與仿真的過程中會不會損傷系統復雜性模擬的逼真程度？忽視復雜性所建立起來的仿真系統能不能滿足既定的研究目標？復雜系統仿真如何評估其可信度？等等這些都是復雜系統仿真和評估的關鍵性問題。所以，海軍作戰系統的建模與仿真存在著許多困難，對于相應的可信度評估理論也提出了挑戰。

2）海軍作戰仿真系統可信度評估的特點與難點

（1）系統仿真層面較高，可信度對決策影響較大

鑒于我國的當前形勢和海軍作戰能力，未來我海軍可能擔負的任務大都是戰役以上級別的作戰，所以海軍作戰仿真一般涉及的都是戰役和戰略仿真層面。仿真的結果往往會影響重大的決策，如果因為仿真可信度的疏失，導致做出錯誤的決策，其后果將是災難性的?？梢哉f海軍戰役作戰仿真系統可信程度關聯著極大的決策風險，對其進行精確評估是仿真應用的基礎和前提，是必須萬分審慎的關鍵環節。這對仿真系統的可信度評估提出了極高的要求。

（2）缺乏權威的系統整體可信度評估理論和標準，評估難度較大

國內外仿真領域都已經確認，對于模型的可信度保障可以由校核、驗證與確認（VV＆A）工作來完成。盡管VV＆A的原則已經明確指出模型的可信度不能取代仿真系統的整體可信度，整體可信度需要另外的校驗方式來保障[4]，然而鑒于仿真系統千變萬化、多種多樣，仿真系統的整體可信度評估方面始終沒有形成權威的理論體系和公認的實踐標準。再加上復雜系統的復雜性所帶來的影響，對于復雜性的仿真模擬本身就比較困難，如何評估可信度就更具難度。而且系統的可信度不僅僅關乎模型和數據的可信度，還與模型單元之間的接口關系和連接方式有關[5]，如何選擇科學合理的可信度評估方法對評估人員也是一個挑戰。所以即使通過VV＆A保證各個要素模型的可信度，系統整體可信度的管理和評估仍然是一大難題，也是海軍作戰仿真系統可信度評估工作中的一大障礙。

（3）原型系統數據少，相似度比較判別方法不適用

當前仿真界在處理系統整體可信度評估時經常使用的方法是一致性校驗：將原型系統輸入數據作為仿真系統的輸入，比較兩者在輸出上的一致性，最終得到系統整體的可信度[6]。這種方法對于系統內部復雜性不好掌握的復雜系統來說是一個很好的途徑，它使得評估人員可以繞過系統不可預見的復雜性來得到最終想要的結果，只要對比數據足夠豐富，可以充分驗證仿真系統的可信度。這種方法需要較為豐富的原型系統數據來支持，或者存在著原型系統來進行數據比對實驗，這兩個條件是相似度比較判別方法適用的前提條件。

然而我海軍成軍以來特別是現代化建設以來的作戰實踐很少，積累的數據不足，妨礙了相似度比較判別方法的實施。有限的軍事演習，出于技術以及其他原因，本身的可信度是不能與實際作戰相比擬的。缺少統計意義的實戰數據，或者使用演習所積累的數據作為相似度比較判別的依據會給系統可信度評估帶來較大隱患。

此外，海軍作戰仿真研究的大多是假想中的情況，具有高度前瞻性。如果抽調部隊實兵進行大規模的數據比對實驗將耗費大量的資源和人力，也背離了仿真研究追求高效費比的初衷，因此是不現實的。缺少真實數據積累、缺少原型系統支持，這兩個海軍作戰仿真系統的特點導致了常規的相似度比較判別方法在戰役層面的仿真評估中基本不可用。

3 海軍作戰仿真系統可信度評估的理論探索

復雜性主要源于涌現性[7]，為了克服系統復雜性對仿真系統可信度評估帶來的困難，首先要對涌現性的影響作用進行分析。

1）涌現性對復雜系統整體可信度的影響分析

涌現性對系統可信度評估的影響有兩種不同的可能，一是涌現性質被忽視，在建模過程中受到損傷，直接降低了仿真系統的客觀可信度；二是涌現性質完好，涌現性的倍乘作用對系統可信度產生不確定的影響，使得主觀上在進行評估時提升了評估的難度，以下對兩種情況分別分析。

（1）建模過程中對重要涌現性損傷降低系統可信度

模型是對原型的抽象，完全和原型一模一樣的模型，既不必要也不可能實現。在建模過程中，總是要簡略或者刪去原型的某些屬性或者元素。這其中省略的部分可能對于單個模型的建模不重要，構建的模型在一定范圍內具有足夠可信度，滿足應用的需求。但是要考慮到，在復雜系統中，組分構成系統時通過相互作用和與環境的交互產生的涌現性。這些省略的要素在模型構成系統的過程中是不是會有影響？缺失了某些要素是否會導致本來應該出現的涌現性不再產生？如果仿真系統在重要的涌現性質上與原型系統不能保持足夠的近似，那么仿真系統是否可信？

雖然組分模型滿足應用需求，但是由于不恰當的簡化，導致系統涌現性仿真的損傷，這樣的情況是容易發生的。舉例說明：對于使用筷子來幫助吃面的仿真。一根筷子根據現實情況，給其定義“挑”的動作，而兩根筷子在人腦自適應控制情況下就可以協同動作，涌現出“夾”的功能。然而需要注意的是，其一“夾”的功能不是“挑”的功能的疊加，而是明顯優于“挑”的新功能（對物品的形狀和質地無苛刻要求，“夾”的動作適用性遠遠超過“挑”），是兩根筷子組成的系統涌現出的整體特性；二是實現“夾”這個功能，有一個隱含要素容易被忽略，即是我們所處真實世界中普遍存在的“摩擦力”。如果對筷子這個模型進行建模的過程中錯誤的簡化，忽略了筷子的“摩擦力”屬性，那么無論單根筷子模型的其他方面構建的如何逼真，兩根筷子在絕對光滑的情況下顯然是不可能“夾”起面條來的，因此也就損失了系統涌現性所實現的最重要的功能。

這個例子中，“挑”這個動作需要的隱含要素是重力，沒有摩擦力的情況“挑”的動作依然可以完成，單根筷子的仿真模型對于仿真研究目的毫無問題。但是忽略了“摩擦力”要素，兩根筷子的涌現性就消失了。這樣建成的仿真系統在面對原有的研究目的—“用筷子來幫助吃面的仿真”這一應用時，顯然并不符合現實的實際情況，可以說是幾乎不具有可信度。

此外，人們利用仿真技術來研究原型系統，很多時候就是為了調整系統的內部結構和組成，優化系統，提升效能[8]。而有益的涌現性使系統效能得到躍升，這樣的涌現性質本來就是人們所期待的，在某種程度上與仿真研究的出發點相一致。從這一角度來說，損傷了涌現性的仿真建模將違背仿真研究的目的，這樣的仿真是不可接受的。

所以在對復雜系統進行分層建模時，不僅要對系統的組件單元進行模擬，還必須認真考慮這些組件單元之間的相互關系的模擬。須將整體涌現性作為十分重要的系統行為進行建模。而對系統的可信度評估，主要的關注點就是系統的整體用線性仿真的可信度，因此校核與驗證階段的重點是檢測系統涌現性模型是否滿足應用需求。

（2）完好的涌現性對系統可信度評估產生影響，提升了評估的難度

根據復雜系統涌現性的理論，如果仿真系統很好的復現了原型的涌現性，則完好的涌現性對系統的整體性能產生如同原型系統一樣的影響效果。有利的涌現性質對于系統可能會產生功能的躍升或倍增，出現1＋1＞2的情況，而不利的涌現會產生系統“坍塌”現象，甚至出現系統內部的組分從協調走向對抗，導致系統在內耗中崩潰的情況，即出現1＋1＜2甚至1＋1＜1的情況[9]。這樣可以把涌現看成是系統內部存在著“倍乘器”，正的涌現就是倍數大于1的放大，負的涌現就是倍數小于1的縮減，極限的內耗導致系統崩潰的情況則是涌現性的加成倍率為0。

模型可信度在模型建立之后便客觀存在，可以看成是仿真模型的一個附屬參數，涌現性行為有可能對可信度這一參數產生放大或縮小的作用。所以在計算系統可信度的過程中，不僅要綜合分析各種模型可信度及其權重，更要重點分析涌現性模型的影響作用。

此外，很多的復雜系統仿真具有不同層次的多種多樣的涌現性。比如具有戰役作戰能力的海上編隊仿真系統可能同時具有全方位防空的防御力和對敵方目標的飽和攻擊能力。這些涌現性有的可能只需要幾個組分的密切交互就能產生，有些需要不同層次的諸多模型、子系統的團體協作才會出現，有的甚至需要整個系統的完全運作才能迸發出來。這也是復雜系統理論中“涌現產生層次”的觀點[10]。同時，不同層面的涌現性對于系統產生不同的影響，因此各個層次涌現性模型對于仿真系統可信度影響的評估是一項十分復雜和困難的工作。

2）海軍作戰仿真系統整體可信度評估的可行思路

針對涌現性的兩個方面的影響作用，可信度評估的具體方法應該做出改變。初步的解決思路是從復雜系統理論角度分析處理面對的問題，找出可以利用的規律，使用錢學森院士開創的從定性到定量綜合集成方法來解決涌現性對系統整體可信度的影響的難題[11]。

（1）利用定性討論排除重要涌現性損傷的仿真系統

雖然涌現的表現形式千變萬化，不能被完全掌握，但是經過觀察分析，我們可以看到一些涌現性的規律：

①數量與排列規律：單元的種類、數量和構成方式決定涌現的形式和性質，不同的單元、數量和構成方式會產生不同的涌現；

②量變到質變的規律：涌現是一種“質”的躍升，單元數量不足時不會產生涌現；

③涌現確定性規律：單元的種類、數量和構成方式一旦固定，且達到涌現的閥值時必然產生確定的涌現；

④涌現是系統狀態在局部小范圍的極值，有益的涌現是局部的優化排列。

這些規律在特定的仿真系統中往往表現出特定效果。

一般情況下，海軍作戰仿真系統中有益的涌現性與優秀的戰役戰術理論相符合，因為兩者都是追求戰斗力或者戰斗效能的優化[12]。在驗證仿真系統重要涌現性是否缺失時，依靠資深的軍事理論專家參與系統的可信度評估討論。列出想定研究中可能涉及到的戰役戰法，定性討論仿真系統是否能夠復現這些戰役戰法。如果討論結果為否定的，則可以檢驗出仿真建模中的錯漏和失誤，對于提高仿真質量具有重要作用。

（2）借鑒復雜性定量計算方法來實現可信度評估

系統的復雜性是系統的整體性行為，主要表現于系統的外部功能。在某些情況下，系統外部功能的相似度比對不適用時，復雜性的相似度比對不失為可行的方法。這里所說的復雜性程度是指復雜系統中對于涌現性的度量，不包括其他數量、規模等意義上的“復雜”。

復雜系統理論誕生以來，用以定量計算系統“復雜性”程度的方法[13]已經開發出很多，其中有些比較成熟，完全可用應用于可信度評估中：

因為涌現性與組分的數量、規模、種類等有著密切聯系，可以說涌現性程度包含了這些信息。定量計算原型系統和仿真系統的復雜性程度（涌現性的度量），并作出比較，有助于實現系統整體的可信度評估。

4 結語

海軍作戰仿真系統可信度評估是這一仿真研究領域的重要課題，是目前領域內研究的重點和難點。本文結合了可信度評估、VV＆A以及復雜系統等相關理論，分析了評估的難點、涌現性對可信度評估的影響，提出了復雜系統仿真需要避免的錯誤和可信度評估的相應注意事項，最后提出了借鑒復雜性定量計算比對的方法應用于可信度評估的思路，但是這一思路還有待進一步深入研究和細化。

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