武器裝備試驗仿真系統可信度評估指標研究*

張 儀 陳 曦

(1.華中科技大學自動化學院 武漢 430074)(2.91388部隊 湛江 524000)

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武器裝備試驗仿真系統可信度評估指標研究*

張 儀1,2陳 曦1

(1.華中科技大學自動化學院 武漢 430074)(2.91388部隊 湛江 524000)

建立清晰全面的仿真可信度指標體系是進行可信度評估研究的基礎。首先闡述了仿真可信度的基本定義;然后在分析武器裝備試驗仿真系統特點的基礎上,根據仿真可信度指標建立原則,按照仿真系統在全壽命周期過程中的三種視圖,分別構建了在不同視圖下的仿真可信度指標。

試驗仿真系統; 可信度; 視圖; 指標體系

Class Number N945.13

1 引言

隨著國內武器裝備技術的快速發展,依靠傳統單一的外場試驗鑒定模式已無法滿足新武器裝備性能指標考核的要求。內場仿真與外場試驗相結合的綜合試驗鑒定模式已成為武器裝備試驗鑒定發展的趨勢之一。仿真試驗與外場試驗相比,具有無破壞、可重復、經濟、安全、不受天候條件和時間、空間限制等優點。與此同時,仿真試驗也存在一定的局限性,其中最關鍵之處是應用于仿真試驗中的仿真系統及模型的可信度問題。只有滿足預期可信度要求的仿真系統,才能應用于仿真試驗,仿真試驗結果才能被運用于武器裝備性能指標考核過程中。否則,將對武器裝備試驗鑒定結論帶來較高的不確定性和風險[1]。

近年來,對仿真模型的校核、驗證與確認(Verification,Validation and Accreditation,VV&A)得到了仿真與應用行業內的重視,并被強調應貫串整個仿真系統建設過程。仿真模型的VV&A工作是仿真系統可信度評估的基礎。在武器裝備試驗鑒定領域,仿真系統的可信度評估結果,是仿真系統能否應用于試驗鑒定工程的前提,也是仿真試驗結果能否應用于武器裝備性能評估的先決條件之一。本文從仿真可信度基本概念出發,在分析武器裝備試驗仿真系統特點基礎上,構建仿真可信度評估體系,研究對仿真系統可信度定量與定性相結合的評估方法。

2 仿真可信度定義

對仿真可信度進行準確完備的定義,有助于正確理解仿真可信度的基本內涵和建立相對完善的指標體系。目前,國內尚未建立規范的、一致的仿真可信度概念標準,對仿真可信度評估的相關概念的具體含義進行明確系統地闡述。一部分學者采用仿真逼真度或仿真置信度來定義仿真系統與原型系統之間相似性決定的仿真系統與仿真目的相適應的程度[2～3];一部分學者采用仿真可信度或仿真可信性來描述是用戶對仿真系統能夠服務于預期目的的信心程度[4～6]。

本文綜合現有仿真可信度的相關概念,定義:

仿真可信度:仿真系統(模型系統)作為原型(真實系統)的相似替代系統,在特定的建模與仿真目的和應用上,在總體結構和行為上能夠復現原型系統的可信性程度。該定義重點突出仿真系統在特定的目的和應用上以及結構和行為上的可信性程度。

該定義重點突出仿真系統在特定的目的和應用上,以及結構和行為上的可信性程度。

3 武器裝備試驗仿真系統特點

武器裝備試驗仿真系統通常是包含復雜環境與目標特性模擬的裝備半實物仿真系統,或是基于多武器系統仿真平臺的分布式交互綜合仿真系統。其主要特點是:

1) 仿真目的特殊性

與武器裝備全壽命周期中的其他階段不同,在試驗定型/鑒定階段,仿真主要目的是對相關型號武器裝備的部分性能指標進行考核。因此,武器裝備試驗仿真系統是以復雜環境模型、目標特性模型、物理效應模型為核心的裝備半實物仿真平臺,通過接入實際武器裝備(或相應模型),對其進行仿真試驗。

2) 系統結構復雜、規模大

通常由若干個子系統和下層分系統甚至子分系統等構成,一般包括:(1)實時仿真計算機系統及其支撐軟件;(2)環境與目標特性仿真模型;(3)物理效應模擬器;(4)仿真試驗劇情想定、設計與控制設備;(5)人機交互界面和接口;(6)監控、顯示及文檔設備;(7)信息采集和處理系統等。

3) 仿真可信度要求高

由其仿真目的就決定,與用于方案論證、設計和研究的仿真系統不同,武器裝備試驗仿真系統必須具有更高的可信度,才能應用到試驗鑒定中。

4 構建武器裝備試驗仿真系統可信度評估指標體系

仿真可信度評估不是一項完全獨立的工作,一般應以VV&A工作為基礎,利用各種VV&A技術和方法,對仿真系統的各項可信度指標進行綜合評價,目的是在仿真系統全壽命周期內持續提高仿真可信度,而不是單單對系統仿真結果的可性度進行評估。因此,在確定指標體系過程中,應結合VV&A工作基本原則和方法,針對仿真系統具體特點,綜合考慮影響仿真可信度的關鍵因素,同時兼顧指標的完整性和全面性。

4.1 指標體系構建原則

構建仿真可信度評估指標體系過程中,并非體系中的指標越多越好,關鍵在于指標能否客觀地反映出影響仿真系統可信度的主要因素。相反,指標越多越復雜,將會大大增加指標的理解難度和評估計算的復雜程度。仿真可信度評估指標體系的確定一般應遵循以下原則[7]:

1) 簡潔性原則:即在能滿足評估需求的前提下,應盡可能簡化指標;

2) 完備性原則:即體系中各項指標能夠較為全面地體現仿真可信度內容;

3) 客觀性原則:即各項指標應真實地反映出在仿真需求下仿真系統的性能、特征;

4) 可測性原則:即各項指標能夠采用定性或定量的方法對進行分析測試與評估,并得到相應的結果;

5) 獨立性原則:即體系中指標之間應盡可能相對獨立,減少冗余性。

4.2 構建仿真可信度評估指標體系

仿真系統的可信度與仿真系統建立的全生命周期的各個階段都密切相關。因此以仿真系統研制的全生命周期各個階段工作過程及過程產品為基礎建立可信度指標體系,對應于建模全生命周期的VV&A過程,可信度指標意義更為清晰,指標組合更為合理[8]。

基于仿真可信度的定義和指標體系構建原則,同時綜合考慮建模與仿真全壽命周期以及仿真可信度評估的基本要素,采用不同視角(可信度側面)來描述仿真系統可信度,如圖1所示。

1) 按系統結構與行為視圖

從仿真系統的體系結構、模型結構、模型與系統功能等要素出發,構建仿真可信度的系統結構及行為視圖,如圖2所示。

圖1 仿真系統可信度不同視圖

仿真結構可信度是指在特定的建模與仿真目的和應用上,仿真系統結構與實際系統結構的一致性程度。其中:

(1)仿真時空一致性是指仿真系統中的時間與空間參數與武器裝備系統的一致性;

(2)仿真網絡結構一致性是指仿真系統中的網絡結構與武器裝備系統網絡結構的一致性;

(3)半實物模型結構一致性是指半實物仿真模型與武器裝備部件的硬件結構一致性程度;

(4)數學模型結構一致性是指數學仿真模型與武器裝備系統功能組件的結構一致性程度。

圖2 仿真可信度的系統結構及行為視圖

仿真行為可信度是指在特定的建模與仿真目的和應用上,仿真系統功能行為與實際系統行為的一致性程度,主要包括仿真系統功能完整性、功能運行正確性、互操作性、功能可靠性等[9]。

2) 按VV&A工作過程視圖

根據VV&A各階段工作過程,以各階段的過程及過程產品的可信度來描述仿真系統可信度指標,構建仿真可信度的VV&A工作過程視圖,如圖3所示。

圖3 仿真可信度的VV&A工作過程視圖

仿真系統可信度在VV&A工作視圖中,各指標主要是采取校核與驗證工作進行評估。其中:

(1)需求可信度指標主要包括仿真需求的正確性、完整性、無二義性、可追溯性和一致性;

(2)概念模型可信度指標主要包括概念模型的完備性、合理性、一致性、清晰性和可追溯性;

(3)數學與半實物模型可信度指標主要包括合理性、精確性、一致性和有效性等;

(4)軟件可信度指標主要包括算法合理性與正確性、代碼正確性、功能完備性、可用性、可靠性、可維護性、軟件運行效率特性等;

(5)測試結果可信度指標主要包括結果的準確度、精確度與逼真度等。

3) 按仿真數據流視圖

在仿真系統運行的數據流主要包括仿真輸入數據、假設條件參數、模型過程數據、仿真結果數據等[10]。從仿真數據流的角度出發,構建仿真可信度指標,如圖4所示。

在仿真可信度的數據流視圖中,初始數據可信度指標主要包括輸入數據的有效性與精度、假設條件的合理性與一致性;過程數據可信度指標主要包括過程數據的精度、準確度、一致性與可追溯性;仿真結果可信度指標主要包括結果數據的精度、準確度與置信度等。

圖4 仿真可信度的數據流視圖

5 結語

在武器裝備試驗仿真系統的全壽命周期內,采用不同視圖建立仿真系統的可信度指標,從不同側面與層次分析與描述仿真系統可信度,有利于更加充分、全面地評估可信度。

建立指標體系是開展仿真可信度評估的基礎與前提條件。如何利用VV&A過程方法與技術,對各種指標進行客觀、合理地評估,為提高仿真系統可信度提供支撐是需下一步研究的問題。

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Credibility Evaluation Index of Weapons and Equipment Test Simulation System

ZHANG Yi1,2CHEN Xi1

(1. Department of Automation and Electrical Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074) (2. No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524000)

Building clear and comprehensive credibility evaluation index is the basement of research on credibility evaluation. Firstly, the basic definition of simulation credibility is discussed. Secondly, based on the analysis of characteristics of weapons and equipment test simulation system, according to the principles of credibility evaluation index, and in accordance with three views of entire life cycle process for the simulation system, credibility evaluation indexes under different view are set up separately.

test simulation system, credibility, view, index

2015年4月7日,

2015年5月26日

張儀,男,碩士,工程師,研究方向:潛艇作戰系統仿真試驗。陳曦,男,博士,副教授,研究方向:系統仿真與決策。

N945.13

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.033