武器装备试验仿真系统可信度评估指标研究*

张 仪 陈 曦

(1.华中科技大学自动化学院 武汉 430074)(2.91388部队 湛江 524000)



武器装备试验仿真系统可信度评估指标研究*

张 仪1,2陈 曦1

(1.华中科技大学自动化学院 武汉 430074)(2.91388部队 湛江 524000)

建立清晰全面的仿真可信度指标体系是进行可信度评估研究的基础。首先阐述了仿真可信度的基本定义;然后在分析武器装备试验仿真系统特点的基础上,根据仿真可信度指标建立原则,按照仿真系统在全寿命周期过程中的三种视图,分别构建了在不同视图下的仿真可信度指标。

试验仿真系统; 可信度; 视图; 指标体系

Class Number N945.13

1 引言

随着国内武器装备技术的快速发展,依靠传统单一的外场试验鉴定模式已无法满足新武器装备性能指标考核的要求。内场仿真与外场试验相结合的综合试验鉴定模式已成为武器装备试验鉴定发展的趋势之一。仿真试验与外场试验相比,具有无破坏、可重复、经济、安全、不受天候条件和时间、空间限制等优点。与此同时,仿真试验也存在一定的局限性,其中最关键之处是应用于仿真试验中的仿真系统及模型的可信度问题。只有满足预期可信度要求的仿真系统,才能应用于仿真试验,仿真试验结果才能被运用于武器装备性能指标考核过程中。否则,将对武器装备试验鉴定结论带来较高的不确定性和风险[1]。

近年来,对仿真模型的校核、验证与确认(Verification,Validation and Accreditation,VV&A)得到了仿真与应用行业内的重视,并被强调应贯串整个仿真系统建设过程。仿真模型的VV&A工作是仿真系统可信度评估的基础。在武器装备试验鉴定领域,仿真系统的可信度评估结果,是仿真系统能否应用于试验鉴定工程的前提,也是仿真试验结果能否应用于武器装备性能评估的先决条件之一。本文从仿真可信度基本概念出发,在分析武器装备试验仿真系统特点基础上,构建仿真可信度评估体系,研究对仿真系统可信度定量与定性相结合的评估方法。

2 仿真可信度定义

对仿真可信度进行准确完备的定义,有助于正确理解仿真可信度的基本内涵和建立相对完善的指标体系。目前,国内尚未建立规范的、一致的仿真可信度概念标准,对仿真可信度评估的相关概念的具体含义进行明确系统地阐述。一部分学者采用仿真逼真度或仿真置信度来定义仿真系统与原型系统之间相似性决定的仿真系统与仿真目的相适应的程度[2～3];一部分学者采用仿真可信度或仿真可信性来描述是用户对仿真系统能够服务于预期目的的信心程度[4～6]。

本文综合现有仿真可信度的相关概念,定义:

仿真可信度:仿真系统(模型系统)作为原型(真实系统)的相似替代系统,在特定的建模与仿真目的和应用上,在总体结构和行为上能够复现原型系统的可信性程度。该定义重点突出仿真系统在特定的目的和应用上以及结构和行为上的可信性程度。

该定义重点突出仿真系统在特定的目的和应用上,以及结构和行为上的可信性程度。

3 武器装备试验仿真系统特点

武器装备试验仿真系统通常是包含复杂环境与目标特性模拟的装备半实物仿真系统,或是基于多武器系统仿真平台的分布式交互综合仿真系统。其主要特点是:

1) 仿真目的特殊性

与武器装备全寿命周期中的其他阶段不同,在试验定型/鉴定阶段,仿真主要目的是对相关型号武器装备的部分性能指标进行考核。因此,武器装备试验仿真系统是以复杂环境模型、目标特性模型、物理效应模型为核心的装备半实物仿真平台,通过接入实际武器装备(或相应模型),对其进行仿真试验。

2) 系统结构复杂、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)实时仿真计算机系统及其支撑软件;(2)环境与目标特性仿真模型;(3)物理效应模拟器;(4)仿真试验剧情想定、设计与控制设备;(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等。

3) 仿真可信度要求高

由其仿真目的就决定,与用于方案论证、设计和研究的仿真系统不同,武器装备试验仿真系统必须具有更高的可信度,才能应用到试验鉴定中。

4 构建武器装备试验仿真系统可信度评估指标体系

仿真可信度评估不是一项完全独立的工作,一般应以VV&A工作为基础,利用各种VV&A技术和方法,对仿真系统的各项可信度指标进行综合评价,目的是在仿真系统全寿命周期内持续提高仿真可信度,而不是单单对系统仿真结果的可性度进行评估。因此,在确定指标体系过程中,应结合VV&A工作基本原则和方法,针对仿真系统具体特点,综合考虑影响仿真可信度的关键因素,同时兼顾指标的完整性和全面性。

4.1 指标体系构建原则

构建仿真可信度评估指标体系过程中,并非体系中的指标越多越好,关键在于指标能否客观地反映出影响仿真系统可信度的主要因素。相反,指标越多越复杂,将会大大增加指标的理解难度和评估计算的复杂程度。仿真可信度评估指标体系的确定一般应遵循以下原则[7]:

1) 简洁性原则:即在能满足评估需求的前提下,应尽可能简化指标;

2) 完备性原则:即体系中各项指标能够较为全面地体现仿真可信度内容;

3) 客观性原则:即各项指标应真实地反映出在仿真需求下仿真系统的性能、特征;

4) 可测性原则:即各项指标能够采用定性或定量的方法对进行分析测试与评估,并得到相应的结果;

5) 独立性原则:即体系中指标之间应尽可能相对独立,减少冗余性。

4.2 构建仿真可信度评估指标体系

仿真系统的可信度与仿真系统建立的全生命周期的各个阶段都密切相关。因此以仿真系统研制的全生命周期各个阶段工作过程及过程产品为基础建立可信度指标体系,对应于建模全生命周期的VV&A过程,可信度指标意义更为清晰,指标组合更为合理[8]。

基于仿真可信度的定义和指标体系构建原则,同时综合考虑建模与仿真全寿命周期以及仿真可信度评估的基本要素,采用不同视角(可信度侧面)来描述仿真系统可信度,如图1所示。

1) 按系统结构与行为视图

从仿真系统的体系结构、模型结构、模型与系统功能等要素出发,构建仿真可信度的系统结构及行为视图,如图2所示。

图1 仿真系统可信度不同视图

仿真结构可信度是指在特定的建模与仿真目的和应用上,仿真系统结构与实际系统结构的一致性程度。其中:

(1)仿真时空一致性是指仿真系统中的时间与空间参数与武器装备系统的一致性;

(2)仿真网络结构一致性是指仿真系统中的网络结构与武器装备系统网络结构的一致性;

(3)半实物模型结构一致性是指半实物仿真模型与武器装备部件的硬件结构一致性程度;

(4)数学模型结构一致性是指数学仿真模型与武器装备系统功能组件的结构一致性程度。

图2 仿真可信度的系统结构及行为视图

仿真行为可信度是指在特定的建模与仿真目的和应用上,仿真系统功能行为与实际系统行为的一致性程度,主要包括仿真系统功能完整性、功能运行正确性、互操作性、功能可靠性等[9]。

2) 按VV&A工作过程视图

根据VV&A各阶段工作过程,以各阶段的过程及过程产品的可信度来描述仿真系统可信度指标,构建仿真可信度的VV&A工作过程视图,如图3所示。

图3 仿真可信度的VV&A工作过程视图

仿真系统可信度在VV&A工作视图中,各指标主要是采取校核与验证工作进行评估。其中:

(1)需求可信度指标主要包括仿真需求的正确性、完整性、无二义性、可追溯性和一致性;

(2)概念模型可信度指标主要包括概念模型的完备性、合理性、一致性、清晰性和可追溯性;

(3)数学与半实物模型可信度指标主要包括合理性、精确性、一致性和有效性等;

(4)软件可信度指标主要包括算法合理性与正确性、代码正确性、功能完备性、可用性、可靠性、可维护性、软件运行效率特性等;

(5)测试结果可信度指标主要包括结果的准确度、精确度与逼真度等。

3) 按仿真数据流视图

在仿真系统运行的数据流主要包括仿真输入数据、假设条件参数、模型过程数据、仿真结果数据等[10]。从仿真数据流的角度出发,构建仿真可信度指标,如图4所示。

在仿真可信度的数据流视图中,初始数据可信度指标主要包括输入数据的有效性与精度、假设条件的合理性与一致性;过程数据可信度指标主要包括过程数据的精度、准确度、一致性与可追溯性;仿真结果可信度指标主要包括结果数据的精度、准确度与置信度等。

图4 仿真可信度的数据流视图

5 结语

在武器装备试验仿真系统的全寿命周期内,采用不同视图建立仿真系统的可信度指标,从不同侧面与层次分析与描述仿真系统可信度,有利于更加充分、全面地评估可信度。

建立指标体系是开展仿真可信度评估的基础与前提条件。如何利用VV&A过程方法与技术,对各种指标进行客观、合理地评估,为提高仿真系统可信度提供支撑是需下一步研究的问题。

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[10] Xu Guozhen, Jiao Peng, Yin Quanjun, et al. Research of Intelligent Data VV&C System based on CBR[C]//2013 Third International Conference on Intelligent System Design and Engineering Applications,2013:1125-1128.

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

张仪,男,硕士,工程师,研究方向:潜艇作战系统仿真试验。陈曦,男,博士,副教授,研究方向:系统仿真与决策。

N945.13

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.033