基于風險的VV&A進程研究*

劉　彬　李為民　呂誠中

(空軍工程大學　西安　710051)

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基于風險的VV&A進程研究*

劉彬李為民呂誠中

(空軍工程大學西安710051)

摘要聚焦降低實踐中復雜系統建模與仿真輔助決策時的風險，研究了復雜系統建模與仿真中的風險概念，探討了校核、驗證與確認(簡稱為VV&A)在復雜系統建模仿真中的作用，提出了一種基于風險的VV&A的流程框圖，分析了基于風險VV&A的關鍵問題，豐富了VV&A的內涵，對復雜系統建模與仿真具有一定的參考價值。

關鍵詞基于風險; 輔助決策; VV&A; 建模與仿真

Class NumberTP391.9

1　引言

隨著科學技術向信息技術、智能技術、大數據技術等領域不斷深化拓展，復雜系統成為各類研究中不可回避的一個現實問題[1]。復雜系統具有涌現、非線性、自組織、混沌、博弈等特點，增加了現實研究的難度，提高了研究的風險性[2～3]；建模與仿真中的VV&A技術能夠最大程度降低復雜系統的研究成本及風險，成為各科技強國爭先研究的一個熱點[4～5]。

美國早在20世紀50年代便開始VV&A技術的相關研究，一直引領世界VV&A技術的發展潮流[6]。20世紀90年代，美國系統梳理出VV&A技術的相關概念；新世紀以來，美國多次對VV&A技術進行不同領域的豐富與完善[7～8]。由文獻[9～10]可看出，基于風險的VV&A技術研究成為近年來國外追蹤的前沿熱點。

論文聚焦降低復雜系統研究過程中建模與仿真方法運用帶來的風險，試圖通過構建和分析基于風險的VV&A的結構框架和關鍵技術，以期為后續復雜系統建模與仿真的深化研究樹立一個靶標，提供一些參考借鑒。

2　建模與仿真中的風險概念

風險主要指某一特定危險情況發生的可能性和后果的組合。風險有兩種定義：一種定義強調了風險表現為不確定性；而另一種定義則強調風險表現為損失的不確定性。對于建模與仿真本身，其風險主要趨近于第一種定義；對于利建模與仿真輔助決策，其風險主要趨近于第二種定義。

模型是對實際系統的模擬。建模與仿真和實際系統(包括使用環境)的相似程度直接影響著仿真結果的可靠性及其推廣程度。然而，在建模與仿真操作過程中，由于受認識的局限，不可避免地會與系統的實際情況產生一些差距，因此當用建模與仿真結果指導相關實踐時不可避免地會產生一些偏差甚至風險。

為了更好地定量描述風險，作以下假設： 1) 任何錯誤的決策均會造成一定的代價或損失(損失的大小取決于錯誤決策的影響)； 2) 決策失誤帶來的其他負面影響也會反過來影響決策； 3) 決策者能夠根據決策的錯誤可能性審慎進行決策。基于上述三種基本假設，可以看出風險與可能性及結果密切相關，可由式(1)表示。

R=L·C

(1)

式(1)中，R代表風險，L代表可能性，C代表結果。其中，風險涉及利用建模與仿真進行輔助決策時的不確定性(包括必要的數據輸入)；風險涉及模型的發展，主要聚焦建模與仿真中系統的設計、發展、應用及操作風險。可能性涉及到針對具體問題建模與仿真中不當輸入及其帶給輔助決策的影響。結果指利用建模與仿真中的錯誤輸出輔助決策。從式(1)可以看出，可以通過減小可能性錯誤和結果錯誤兩方面來降低風險。

3　VV&A在建模與仿真中的作用

3.1VV&A的界定

建模與仿真的可信度可以通過校核與驗證加以度量、通過確認來加以官方認證，以確保其能為特定的應用目的服務，上述過程就是建模與仿真的校核、驗證與確認。具體涵義如下[10～11]：

建模與仿真系統校核(Verification)：確定仿真系統準確地代表了開發者的概念描述和技術要求的過程；建模與仿真系統驗證(Validation)：從仿真系統應用目的出發，確定其代表真實系統正確程度的過程；建模與仿真系統確認(Accreditation)：是官方正式地接受一個仿真系統為專門應用服務的過程。

3.2VV&A的作用

校核、驗證與確認是確保建模與仿真系統可行性的關鍵。校核、驗證與確認的主要作用就是通過規范的方法來建立建模與仿真的可信度。所有的建模與仿真都是用來解決一些特定的實際問題(用戶使用聲明)。不同的實際問題有不同的要求，可根據這些要求建立概念模型。基于概念模型搭建建模與仿真的框架及設計軟件(包括建模與仿真的設計、發展及作戰進程)。校核、驗證與確認包括步驟、進程及評估，共同確保建模與仿真系統達到預期的可信性要求。

校核、驗證與確認是確保建模與仿真系統實用性的關鍵。校核、驗證與確認的一個功能就是為建模與仿真提供規則以確保其在設計和執行過程中滿足模型實用要求，從而達到科學和工程實踐需求。校核、驗證與確認進程主要為建模與仿真提供可信度支撐以確保建模與仿真的能力、精確性及可用性達到要求。校核、驗證與確認通過減小建模與仿真輔助決策時的風險，增強決策者利用建模與仿真輔助決策的信心。

4　基于風險的VV&A進程框圖設計

基于風險的校核、驗證與確認立足于從減少建模與仿真輔助決策的負面影響。校核、驗證與確認主要通過確保建模與仿真的能力、精確性及可用性達到提高建模與仿真的可信度的目標；然而，如果校核、驗證與確認的執行過程安排得不合理，可能會徒費資源，耗費代價。執行過程被亦可稱為修正過程，文獻[11]表明當忽視修正過程的重要性時，可能會裁剪校核、驗證與確認的關鍵步驟，從而給建模與仿真帶來不可測的錯誤。如果沒有意識到校核、驗證與確認執行進程的不當，而利用其結果輔助決策時將可能產生嚴重的風險。基于風險的VV&A進程為校核、驗證與確認進程修正提供了一種可行的方法依托，可為建模與仿真(輔助決策)研究的相關問題提供支撐。

基于建模與仿真模擬實際系統的各種可能性，從宏觀層面抽象出普存問題，設計了一種風險評估方法。許多建模與仿真的普存問題可能在建模仿真進程中顯現出來，假定不同普存問題在影響建模仿真層面是獨立的。基于風險的VV&A的進程就是根據以往的經驗或一定規范要把建模與仿真過程中顯現或隱藏的問題挖掘出來并給予適度解決。基于上述理念和思想，設計出如圖1所示的基于風險的VV&A進程框圖。

由圖1可以看出，所設計的基于風險的校核、驗證與確認具有三個典型特征：兼容性、互動性及低風險性。在兼容性方面，圖1所設計的基于風險的校核、驗證與確認進程具有較好的可拓展性，一方面，吸收以往較好建模與仿真的做法作為指導相似建模與仿真的經驗；另一方面，提出了一種規范作為應對“新型”建模與仿真問題的依據(當這種“新型”的建模與仿真問題得到較好解決后，亦可作為指導類似建模與仿真過程的經驗)。

圖1　基于風險的VV&A進程框圖

在互動性方面，圖1設計的基于風險的校核、驗證與確認具有較好的溝通互動性，當建模與仿真相關信息滿足不了風險評估要求時，需要重新組織專家，增加對建模與仿真進程的相關風險評估，通過組織建模與仿真特征評估達到最終風險評估要求。

低風險性主要指校核、驗證與確認基于風險出發，通過使校核、驗證及確認過程滿足相關風險要求，從而達到降低建模與仿真中錯誤風險及伴隨風險的目的。在很多情況下，建模與仿真的錯誤是相對固定的，只需給校核、驗證、確認確定適當的目標即可降低錯誤的可能性。將校核、驗證及確認進程基于風險的目標確認如下：基于風險校核進程目標為： 1) 降低建模與仿真設計與應用過程中不嚴格尊重客觀事實的可能性； 2) 降低建模與仿真設計與應用過程中不滿足建模與仿真標準的可能性； 3) 降低軟件存在不可測錯誤的可能性； 4) 降低不當數據輸入的可能性。基于風險的驗證進程目標為： 1) 降低模型與實際不匹配的可能性； 2) 降低數據大幅偏離實際的可能性。基于風險的確認進程目標為： 1) 降低選擇不合適模型與仿真解決問題的可能性； 2) 降低校核與驗證不充分的可能性。

5　基于風險VV&A進程設計的關鍵問題

圖1所設計的基于風險的校核、驗證與確認進程雖然具有較好的兼容性、互動性及低風險性，但要使其有效執行需解決以下關鍵問題：使用聲明問題、初級風險評估問題、建模與仿真可信度證據收集問題及終級風險評估問題。

5.1使用聲明問題

使用聲明是建模與仿真的首要核心問題，解決的是建模與仿真適用范疇問題，它是基于風險的VV&A進程需要達到的目標。不同的建模與仿真任務有不同的使用聲明，同一建模與仿真在使用背景變換之后需要不同的使用聲明。在基于風險的VV&A進程中，使用聲明也是聯系建模與仿真與實際系統的橋梁，是遂行風險評估的依托，也是專家及用戶對其進行評估的依據。

5.2初級風險評估問題

初級風險評估問題是建模與仿真的第二個關鍵問題，解決的是建模與仿真可信度的初步確認問題，它是在應對“新型”建模與仿真問題的風險“粗評估”。初級風險評估主要通過比照使用聲明的相關條款對當前建模與仿真的能力、準確性及使用性進行綜合評判。對于初級風險評估，其目的在于通過一定形式確定建模與仿真的可信度，很多情況下可以通過如表1所示的問卷調查形式對某種具體風險展開統計學研究。

表1　初級風險評估

表1的列表示某種具體風險發生的可能性，表1的行表示某種具體風險對建模與仿真進程的影響程度，表1中具體位置表示某種具體風險值在一定可能性和影響狀態下的風險值。為了更加形象地對風險狀態進行刻畫，將風險可能性分了五個等級，將風險影響分了五個等級，將風險值分了三個等級，被調查的使用者或者專家可以通過自身對建模與仿真的認知進行風險粗評估，多個使用者或專家的評估結論可按一定方式加權合成最終的初級風險評估結論。

5.3建模與仿真可信度證據收集問題

建模與仿真可信度證據收集是建模與仿真的第三個關鍵問題，解決的是建模與仿真風險評估的可信數據收集問題。在風險評估之前，需要收集到足夠的信息，如果沒有收集到的信息不夠，需要重新聯系相關的權威專家或使用者進行可信數據采集以達到信息數量要求。在可信度證據收集層面，需要對“相似”建模與仿真和“新型”建模與仿真進行區分。對于“新型”建模與仿真，可信度證據收集相對簡單高效，按照評估計劃中的評估項收集即可；對于“相似”建模與仿真，可信度證據收集相對麻煩低效，因為一些評估者在短期內很難跳出原來“經驗”建模與仿真的束縛，從而不能給出足夠客觀的可信度評估信息。因此，對于建模與仿真可信度收集方面，需要適當向工程應用領域的專家傾斜。

5.4終級風險評估問題

終極評估問題時建模與仿真的最后一個關鍵問題，解決的是建模與仿真可信度的終極確認問題，它的主要作用是證明可信度達到要求。終極風險評估問題不同于初級風險評估問題，前者主要側重于證明建模與仿真的可信度達到預定要求，而后者主要側重于評估建模與仿真的可信度。對于終極風險評估問題，可以通過對具體風險的錯誤可能性和信心等級兩方面進行綜合評估，錯誤可能性小且信心等級高的可信度高，錯誤可能性大且信心等級低的可信度低。在終極風險評估層面，亦需要高度重視校核和驗證，建模與仿真校核、驗證進行得越充分，評估建模與仿真的信心越強。

6　結語

隨著現實系統向著復雜大系統方向發展，建模與仿真中校核、驗證與確認技術的高可靠性、無破壞性、安全性、可重復使用、經濟性、不受天氣及環境的制約等優勢逐步凸顯，受到了國內外的廣泛重視。論文主要研究了基于風險VV&A進程的結構框架及關鍵技術，屬應對復雜系統建模與仿真的初步探索。對比國外校核、驗證與確認技術的先進水平，我國目前上存在較大的差距，在后續的工作中，我們應立足差距、修齊短板，緊跟前沿、緊補短板，爭取在修短板和補缺板的過程中實現我國校核、驗證與確認技術的跨越式發展，希望本文能為我國校核、驗證與確認技術的快速發展起到一定的拋磚引玉的作用。

參 考 文 獻

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*收稿日期：2015年10月11日,修回日期：2015年11月25日

作者簡介：劉彬，男，博士，研究方向：計算機仿真與應用。

中圖分類號TP391.9

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.033

VV&A Process Based on Risk

LIU BinLI WeimingLV Chengzhong

(Air Force Engineering University, Xi’an710051)

AbstractFocusing on reducing decision-making risk in practice relied on complex systems modeling and simulation， a concept of risk for complex systems modeling and simulation is considered. Then， the functions of Verification， Validation and Accreditation (VV&A， for short) played in complex systems modeling and simulation are discussed. After that， an flow chart for risk-based VV&A is put forward. Last but not the least， some core problems for risk-based VV&A are analyzed. The research enriches the connotation of VV&A， which embraces some reference value for further research of complex systems modeling and simulation.

Key Wordsrisk-based, decision-making, VV&A, modeling and simulation