飞行仿真VV&A研究综述

(空军航空大学，吉林长春，130000)

引言

进入21世纪以来，高技术战争对系统仿真技术提出了更高的要求。工程实践表明:要想让飞行仿真系统真正具有生命力，必须对系统的建模与仿真进行可信性研究，而且应该将它贯穿于系统建模与仿真全生命周期中。其中仿真的可信性研究又常称为“校核、验证与确认(Verification,Validation and Accreditation, VV&A)”。

本文在回顾国内外飞行仿真VV&A研究的基础上，对仿真VV&A的概念、原则进行了阐述，并结合实际，详细分析了适用于飞行仿真系统VV&A的方法和过程。同时，针对飞行仿真系统VV&A存在的问题，提出它的发展方向。

1 飞行仿真VV&A的国内外研究现状

上世纪70年代开始，世界范围内就开始出现了用于培训民航客机驾驶员和军用飞机飞行员的飞行训练模拟器的仿真系统产品。90 年代以后，人们将模型校验的研究推广到整个建模与仿真领域。比如，1989年，Krishnakumar运用飞行试验数据重构的方法，验证了UH-60直升机的非线性模型。1994年，Schkolnik应用基于频域的系统辨识方法，通过飞行试验数据验证了F-15战斗机的数字仿真模型。1996年，Bonner 对美国海军的F/A-18A/B/C/D战斗机的气动模型进行了全面系统的验证，主要通过误差分析，比较每个气动力参数的误差范围。1998年，Thomson应用逆系统仿真验证直升机的数字仿真模型。Ms. Simmene Youngblood[1]等提出了分布交互仿真VV&A的九个参考模型。美国各军种，包括陆、海、空军及弹道导弹防御办公室(BMDO)，也都先后制定了适合各自实际要求的VV&A细则。近几年来，国际上则加大了对仿真可信度评估标准和规范的研究，美国航空领域还制定了专门的VV&A 标准或手册，详细规定 VV&A 文档的内容和格式[2]，包括确认计划、V&V 计划、V&V确认报告、V&V 报告等内容，进一步推进了飞行仿真 VV&A 的研究。

在国内，随着仿真技术的发展，飞行建模与仿真的可信性研究工作也得到一定程度的推动，主要表现在许多单位开展了飞行建模与仿真的VV&A研究工作，国内的仿真文献中也开始涉及飞行仿真可信性研究问题，许多学者在这方面作了非常有意义的研究工作。近年来，我国的仿真工作者在基于与实际系统的测试或运行结果相对照的验证方法的开发与应用方面的仿真可信性问题也进行了许多有益的探索。比如，2012年，中航工业综合技术研究所的张雅妮，李岩，金镭等人针对单侧升降舵卡阻这一典型故障，提出了在该失效状态下的模拟器飞行品质评估试验程序，分别给出了 HQRM 和相应军用标准评估方法，对军民评估方法的差异性和一致性进行了分析[3]。2014年，中国飞行试验研究院的饶秋磊，崔益华，韩意新等人通过数值模拟对飞机的主要飞行品质参数进行仿真计算，并采取对比的方法对计算结果数据曲线与实际试飞数据曲线进行了比较，确定了其仿真计算方法的适用性[4]。但是，总体来说，飞行仿真VV&A的研究与发达国家及国际先进水平相比，差距还非常大。

2 VV&A的概念、原则

2.1 VV&A的概念

仿真系统的校核、验证与认定(VV&A)是可信度评估工作[5]的核心和基础，它通过仿真系统生命周期中的有关活动，对各个阶段工作及其成果的正确性和有效性进行全面的评估，从而使之能达到足够高的可信度水平，来满足实际应用的需要。

校核(Verification)是确定仿真系统准确地代表了开发者的概念描述和设计的过程。其任务和目的是证实模型从一种形式转换成另一种形式时是否具有足够的精度。

验证(Validation)是从仿真系统应用目的出发，确定仿真系统代表真实世界的正确程度的过程。

验收(Accreditation)是官方地正式地接受仿真系统为专门的应用目的服务的过程。

2.2 VV&A的原则

讨论VV&A的原则可以深化对仿真VV&A的概念的理解，对仿真的VV&A理论研究和实践有重要的指导作用。美国国防部发表的VV&A建议指导规范归纳总结了普遍适用的12条VV&A基本原则，用于指导仿真系统VV&A的管理者和工作人员去管理和操作有关的VV&A活动。而Osman Balci等在[6]中总结有关研究资料的基础上提出了仿真模型校核、验证与测试(Verification、Validation and Testing)的15条原则。综合以上材料，归纳总结出VV&A遵循的主要原则应包括：

(1)相对正确原则；

(2)全生命周期原则；

(3)有限目标原则；

(4)必要不充分原则；

(5)全局性原则。

3 飞行仿真VV&A的过程和方法

3.1 飞行仿真VV&A的过程

现代飞行仿真是一复杂的系统工程，其主要包括以下几个主要部分：

(1)试验设计和先验知识的获取；

(2)系统模型的建立和验证；

(3)飞行仿真系统的设计与构成；

(4)飞行仿真试验研究分析。

由此，提出飞行仿真系统的建模过程，如表1所示，

表1 飞行仿真的12步建模过程

VV&A计划设计VV&A的计划草案阶段报告确认标准与规范确认功能与性能价格比验证系统概念模型验证环境模型验证可靠性设计验证软件的功能验证系统的精度验证协调指标确认与认证报告认证系统试验结果认证与报告认证系统认证相关文档及其可塑性

3.2 飞行仿真VV&A的方法

建模与仿真的校核与验证方法是在仿真VV&A过程中为了完成VV&A工作各阶段目的而采用的各种技术、工具、策略等的总称。

美国DMSO的VV&A建议实践指南总结了可用于建模与仿真VV&A的76种校核与验证方法。这些VV&A方法又被分为非正式方法、正式方法、静态方法和动态方法四大类，这四类方法的数学性、逻辑性和复杂性逐渐加强。

(1)非正式方法

“非正式方法”在VV&A中最常用,是正规的指导下的非常有效的方法，但它的缺点是严重依赖于人的推理与主观判断。主要有审查法、检查法、表面验证法和图灵测试法。

(2)正式方法

“正式方法”是基于正确性的正式的数学证明。但由于当前的正式证明技术的局限性，这种方法不能应用到一个略为复杂的实际建模与仿真中去。主要有归纳、推理、逻辑演绎、谓词运算、谓词变换和正确性证明。

(3)静态方法

“静态方法”评估静态模型设计和源代码，它不需要模型的机器执行，但需要手工执行。这种方法应用广泛，有许多自动化工具可以辅助该方法。静态技术可以校核验证大量信息，如模型结构、建模技术、模型中的数据、控制流和语法精度等。主要有语法分析、语义分析、结构分析、因果图、控制分析和数据流分析。

(4)动态方法

“动态方法”需要模型执行，大多数动态方法需要加入模型探测器，即在执行模型中加入附加的代码，收集模型执行中行为的信息。探测位置是在模型静态结构分析的基础上，手工或自动获得的。这种方法是实际中较为有效的方法，应用于校核验证建模与仿真的动态方面。主要有自顶向下、自底向下、黑盒法、白盒法、执行追踪、执行监测接受测试、回归测试、统计技术和图形比较。

4 我国飞行仿真VV&A研究出现的问题及其发展方向

4.1 我国飞行仿真VV&A研究需要解决的问题

近年来，随着飞行仿真系统复杂性、逼真度、精确度和实时性要求的提高，我国飞行建模与仿真VV&A在发展过程中需要解决以下几个关键问题：

(1)飞行仿真VV&A发展政策

(2)权威的VV&A数据和文档

(3)有效的VV&A支撑工具

4.2 我国飞行仿真VV&A的发展方向

系统仿真未来的发展方向是规范化、产业化和标准化。因此，为了使我国仿真VV&A研究不断走向成熟，国家规划和管理部门应成立专门机构，制订我国航空仿真VV&A标准和规范，使VV&A向标准化、规范化、工业化和产业化方向发展。

其次，未来仿真技术的研究将集中于大规模复杂系统的仿真，主要特点是超大规模、模糊化和智能化[8]。在软件方面，将支持面向对象的仿真开发语言、通用或专用仿真软件包等综合在一起，形成一个功能强大、信息资料齐全和结构完整的集成化建模、验模与仿真环境，这无疑也是飞行仿真发展的一个趋势。

另外，遥科学与虚拟现实[9]的结合将成为遥科学应用研究和系统仿真在未来一个时期人们关注的热点，也是飞行仿真技术走向更高层次的一个契机。

5 结语

本文回顾了国内外飞行仿真VV&A研究概述，对国内外近年来VV&A的概念研究、方法研究进行系统的归纳，指出了我国VV&A理论的研究尚存在很大的不足。然后，本文对仿真VV&A的概念、原则进行了具体阐述，并详细分析了适用于飞行仿真系统VV&A的12步建模过程，总结分析了VV&A研究方法中具有代表性的非正式方法、正式方法、静态方法和动态方法四类研究方法。最后，指出了我国在飞行仿真系统VV&A实际研究中存在的问题，为VV&A的进一步研究指明了方向，也为飞行仿真技术的应用和发展提供了新的思路。