方差分析法在制導(dǎo)仿真系統(tǒng)VV&A中的應(yīng)用

如何提高仿真系統(tǒng)的可信度，對于仿真系統(tǒng)開發(fā)者和用戶來說都是一項項十分關(guān)心的事務(wù)。vv＆a貫穿于整個仿真系統(tǒng)開發(fā)過程，它是對建模和仿真結(jié)果進(jìn)行校核、驗(yàn)證和確認(rèn)的一種技術(shù)，vv＆a的提出為保證仿真系統(tǒng)的可信度提供了理論和技術(shù)支持，但由于仿真系統(tǒng)的復(fù)雜性和vv＆a的發(fā)展現(xiàn)狀，vv＆a過程中難免會犯各種錯誤，本文針對vv＆a中經(jīng)常出現(xiàn)的三類錯誤分析。

為了確保hla仿真系統(tǒng)的可信性,在系統(tǒng)的建模與仿真全生命周期中進(jìn)行vv&a研究,意義非常重大。介紹了基于仿真組件構(gòu)建的hla仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),從仿真組件層、聯(lián)邦成員層和仿真聯(lián)邦層三個層面展開vv&a研究,重點(diǎn)介紹了仿真組件層和仿真聯(lián)邦層的vv&a工作。這些研究在xxx反艦導(dǎo)彈突防聯(lián)邦得到了應(yīng)用。對基于仿真組件構(gòu)建的hla仿真系統(tǒng)進(jìn)行vv&a研究,將對系統(tǒng)的開發(fā)和改進(jìn)有一定的幫助,能夠在一定程度上起到提高聯(lián)邦可信度的作用。

針對潛艇指控算法研究對綜合聲納仿真軟件的逼真度要求,采用vv&a的技術(shù)方法對軟件循序進(jìn)行了校驗(yàn)工作:首先對軟件按功能模塊進(jìn)行功能校核;然后依據(jù)設(shè)備工作流程對聲納仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證;最后構(gòu)建聯(lián)機(jī)測試系統(tǒng),輸入實(shí)測海試數(shù)據(jù)對輸出的仿真誤差和海試誤差進(jìn)行統(tǒng)計分析,并在此過程中發(fā)現(xiàn)、定位和修改了一些不足之處。驗(yàn)證結(jié)果證明仿真軟件滿足設(shè)備各項戰(zhàn)技指標(biāo)要求,且符合實(shí)測海試數(shù)據(jù)特性,能夠滿足潛艇指控算法研制的需求。

為了確保復(fù)雜大系統(tǒng)仿真(lcss)的可信性,應(yīng)該在建模與仿真(m&s)的全生命周期中開展校核、驗(yàn)證與確認(rèn)(vv&a)研究。對lcss的vv&a進(jìn)行了理論研究,提出其方法論與原則;以基于仿真組件構(gòu)建的hla仿真系統(tǒng)為例,從仿真組件層、聯(lián)邦成員層及聯(lián)邦層三個層面研究了vv&a過程,并將這些研究應(yīng)用于反艦導(dǎo)彈突防聯(lián)邦仿真中。實(shí)踐表明,研究對lcss的vv&a工作具有很好的指導(dǎo)作用,有力地保障了仿真的可信性。

本文在研究建模與仿真系統(tǒng)vv&a概念和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了提高vv&a可信度和效率的有關(guān)措施。

1引言最近幾年,開發(fā)者在軟件分析、設(shè)計、測試等階段積極地應(yīng)用建模與仿真(m＆s,modelingandsimulation)技術(shù)。然而,一個值得關(guān)注的問題就是仿真可信度(credibility)問題,沒有可信度的仿真是沒有意義的。在建模與仿真過程中,人們開始考慮一些問題,諸如:仿真模型是否真正地代表了真實(shí)世界;仿真模型產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)是否和真實(shí)世界一樣;仿真模型是否具有高可靠性等。因此,建模與仿真本身的可信度評估便成為了一個不可回避的問題。目前國內(nèi)外關(guān)于建模與仿真的可信度評估主要是圍繞m＆s的校核、驗(yàn)證與確認(rèn)(verification、validation、andaccreditation,簡稱vv＆a)而進(jìn)行的。

hla仿真系統(tǒng)的校核、驗(yàn)證與確認(rèn)(vv&a)過程依賴于hla的fedep過程描述,并圍繞fedep過程展開。其步驟分為:定義聯(lián)邦目標(biāo),進(jìn)行慨念型分析,設(shè)計聯(lián)邦,開發(fā)聯(lián)邦,計劃、集成并測試聯(lián)邦,運(yùn)行聯(lián)邦準(zhǔn)備輸出,分析數(shù)據(jù)、評估結(jié)果。過程包括:目標(biāo)校核、一致性校核、概念模型驗(yàn)證、設(shè)計校核、聯(lián)邦驗(yàn)證、確認(rèn)決策、事后執(zhí)行并歸檔。

建模與仿真生命周期中的VV&A

vv&a(verification,validationandaccreditation)是仿真建模可信度評估工作的基礎(chǔ),vv&a工作是建模仿真必不可缺的一部分。vv&a標(biāo)準(zhǔn)化對vv&a工作的推進(jìn)意義重大。介紹了國際上當(dāng)前主要的vv&a標(biāo)準(zhǔn)化工作,包括美國國防部vv&a建議規(guī)范系列,ieee1278.4規(guī)范,thalesjp11.20revva項目,itopv&v項目,sisovv&aoverlay項目和msg-019/tg-016項目等,并對它們的vv&a角色定義、vv&a過程定義以及核心思想、方法論等方面進(jìn)行了詳細(xì)的比較,最后,分析這些標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)、相互關(guān)系、發(fā)展方向和對我們的借鑒意義。

通過借鑒國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究成果,提出了建模與仿真vv&a原則。該文在國內(nèi)首次對建模與仿真vv&a原則進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

在深入研究vv&a過程模型的基礎(chǔ)上,建立了仿真和建模vv&a工具設(shè)計方案,詳細(xì)介紹了各個模塊的功能、相互之間的關(guān)系及工作流程。應(yīng)用odbc互連技術(shù)實(shí)現(xiàn)接口間的通信,將vv&a工具應(yīng)用于實(shí)際工程中,取得了令人滿意的結(jié)果,從而有效提高了仿真vv&a過程的經(jīng)濟(jì)性和快捷性。

vv&a是風(fēng)險驅(qū)動的,fmeca是常用的風(fēng)險分析方法。將兩者進(jìn)行結(jié)合,提出一種面向建模與仿真的fmeca方法——simfmeca。首先對fmeca分析表格和過程進(jìn)行擴(kuò)展,然后分析一般仿真系統(tǒng)的fmi(failuremodeidentification)框架,并給出風(fēng)險和危害度評定方法,由此確定所需的vv&a投入,包括vv&a等級以及必需的vv&a活動,最后給出該方法的應(yīng)用實(shí)例。simfmeca是一種定性的方法,具有花費(fèi)成本低和易于實(shí)施的特點(diǎn)。

vv&a是當(dāng)前建模與仿真研究的主要熱點(diǎn)之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,仿真對象由一般系統(tǒng)發(fā)展到復(fù)雜系統(tǒng),系統(tǒng)建模與仿真的校核、驗(yàn)證和確認(rèn)(vv&a)的重要性越發(fā)突出。本文追蹤了國內(nèi)外vv&a研究進(jìn)展,介紹了vv&a的相關(guān)概念、基本原則、技術(shù)方法和仿真系統(tǒng)的vv&a過程,指出了國內(nèi)vv&a研究存在問題和發(fā)展方向。

分析了傳統(tǒng)的價值樹分析方法在屬性評價數(shù)據(jù)的確認(rèn)過程中的缺陷和不足,通過引入可代償系數(shù),解決不同屬性間可代償性問題。提出了一種新的改進(jìn)的屬性數(shù)據(jù)確認(rèn)算法,并利用matlab對算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),給出了應(yīng)用實(shí)例。實(shí)驗(yàn)證明,該算法能更有效地解決傳統(tǒng)算法中評價值不確定、屬性代償和專家意見描述不明確等問題。

hla作為一個新的仿真技術(shù)框架,較dis系統(tǒng)更具有靈活性、可擴(kuò)充性、互操作性和可重用性,因此更適合于建立大型復(fù)雜分布交互仿真系統(tǒng),對hla系統(tǒng)的校核、驗(yàn)證和確認(rèn)技術(shù)對于提高仿真系統(tǒng)的置信度顯得尤為重要。介紹了hla系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)過程模型fedep,討論了覆蓋于fedep上的vv&a九步過程模型,分析了vv&a活動與聯(lián)邦逼真度評估的關(guān)系。最后進(jìn)行了總結(jié)

為了對建模與仿真(modelingandsimulation,m&s)以及校核、驗(yàn)證與確認(rèn)(verification、validationandaccreditaion,vv&a)活動的全生命周期予以有效管理,提高建模與仿真的可信性,設(shè)計了建模與仿真及vv&a管理系統(tǒng)(modeling＆simulationandvv&amanagementsystem,msvms)。msvms以一套完備的m&s及vv&a信息管理分布式數(shù)據(jù)庫為核心,采用對m&s及vv&a開發(fā)應(yīng)用過程中各種狀態(tài)信息與事件信息記錄的方式,對m&s以及vv&a全生命周期進(jìn)行管理,并具有通用性和靈活性的特點(diǎn)。該系統(tǒng)已經(jīng)成功用于管理某型地空導(dǎo)彈建模與仿真試驗(yàn),為整個系統(tǒng)的確認(rèn)與驗(yàn)收提供了有益的幫助。

以某半實(shí)物仿真系統(tǒng)為例,首先面向vv&a過程建立了影響其可信度的指標(biāo)體系,該指標(biāo)體系不但層次清晰,而且很容易發(fā)現(xiàn)可信度較低的指標(biāo)對應(yīng)的具體建模環(huán)節(jié),方便進(jìn)行相應(yīng)的修改,節(jié)省了時間和工作量.然后基于層次分析法以及模糊綜合評判法的優(yōu)點(diǎn),綜合各種v&v結(jié)論對其進(jìn)行了可信度評估,并得到了量化的可信度結(jié)果.該方法具有直觀、條理性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),且實(shí)際應(yīng)用表明評估結(jié)果可信、可靠,驗(yàn)證了此方法的有效性,具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值.

對聯(lián)邦的vv&a不僅能夠使每一步的工作得到跟蹤和衡量,還使每一步能夠減少多余的工作量,鞏固需要加強(qiáng)的工作,明確開發(fā)人員的角色和職責(zé),從而使人力、時間、資金等資源得到更加有效率的利用,仿真的結(jié)果變得更加可預(yù)測和準(zhǔn)確,在很大程度上減少了編程的風(fēng)險。聯(lián)邦成員描述了仿真模型的各對象類、交互類、相關(guān)的屬性、參數(shù)等信息,而聯(lián)邦是各聯(lián)邦成員的有機(jī)集成,構(gòu)成具有特定功能的仿真系統(tǒng)。因此,聯(lián)邦成員的正確性是聯(lián)邦正確性的前提,決定了仿真系統(tǒng)的成敗。在vv&a的過程中,最好采用一些自動化工具以便于工作,同時要根據(jù)具體仿真系統(tǒng)的實(shí)際情況來確定vv&a所需要作的工作。

在國外,尤其是美國,建模與仿真(modelingandsimulation,m＆s)及校核、驗(yàn)證與確認(rèn)(verification,validationandaccreditation,vv＆a)相關(guān)概念、定義和術(shù)語的研究已趨于成熟。我國目前在該領(lǐng)域的研究仍是空白。通過研究國內(nèi)外大量相關(guān)資料,深入分析了建模與仿真vv＆a概念、定義和術(shù)語研究的重要意義;根據(jù)建立定義和術(shù)語的一般原則,為部分概念撰寫定義,并賦予每個概念指稱,同時也分析了常見的一些不恰當(dāng)?shù)男g(shù)語。這不僅有助于人們對建模與仿真vv＆a概念性研究引起重視;而且也有助于人們進(jìn)行建模與仿真vv＆a相關(guān)概念、定義和術(shù)語的研究。

在建模的過程中,數(shù)據(jù)在一定程度上決定了我們建立的模型能否真實(shí)地反映實(shí)際;因此,所用的數(shù)據(jù)是不是正確就是建模成功與否的關(guān)鍵。該文首先介紹了建模與仿真過程中數(shù)據(jù)的概念和分類;接著討論了數(shù)據(jù)校核、驗(yàn)證和確認(rèn)的概念,并簡要地介紹了數(shù)據(jù)校核、驗(yàn)證和確認(rèn)的一般過程和方法。最后,給出了數(shù)據(jù)校核、驗(yàn)證和確認(rèn)的一個實(shí)例。

讓4名學(xué)生前后做3份測驗(yàn)卷，得到如下表的分?jǐn)?shù)，運(yùn)用方差分析法可以推斷分析的問題是：3份測 驗(yàn)卷測試的效果是否有顯著性差異？ 1、確定類型 由于4名學(xué)生前后做3份試卷，是同一組被試前后參加三次考試，4位學(xué)生的考試成績可看成是從同 一總體中抽出的4個區(qū)組，它們在三個測驗(yàn)上的得分是相關(guān)樣本。 2、用方差分析方法對三個總體平均數(shù)差異進(jìn)行綜合性地f檢驗(yàn) 檢驗(yàn)步驟如下： 第一步，提出假設(shè)： 第二步，計算f檢驗(yàn)統(tǒng)計量的值： 因?yàn)槭峭唤M被試前后參加三次考試，4位學(xué)生的考試成績可看成是從同一總體中抽出的4個區(qū)組， 它們在三個測驗(yàn)上的得分是相關(guān)樣本，所以可將區(qū)組間的個別差異從組內(nèi)差異中分離出來，剩下的是實(shí)驗(yàn) 誤差，這樣就可以選擇公式（6.6）組間方差與誤差方差的f比值來檢驗(yàn)三個測驗(yàn)卷的總體平均數(shù)差異的顯 著性。 ①根據(jù)表6.4的數(shù)據(jù)計算各種平方和為： 總平方和： 組間平方和

基本對象模型(bom)是siso提出的標(biāo)準(zhǔn)化仿真模型組件的描述規(guī)范,基于bom的hla仿真系統(tǒng)可以從仿真模型組件層面上提高系統(tǒng)的重用性和互操作性。vv&a過程的探究有助于vv&a工作的開展和規(guī)范。介紹了bom在hla應(yīng)用中的體系結(jié)構(gòu),并簡要提出基于bom的hla仿真系統(tǒng)的開發(fā)步驟,最后對該類仿真系統(tǒng)的vv&a過程展開研究,重點(diǎn)研究了用戶模型、仿真模型組件及聯(lián)邦成員三者的v&v。實(shí)踐表明:提出的vv&a過程切實(shí)可行,對vv&a工作起到了很好的指導(dǎo)作用。