（系统工程专业论文）综合化航空电子系统仿真可信度研究.pdf

p 鲥e ：i ：业大学碗十学位论文摘要 摘要 仿真技术是现在科学技术的一个重要分支。由于其安全性、可靠性、可操作性、 经济性以及可控性可重复性等方面的优点，现已广泛应用于工程的预研、开发、测试 等过程。仿真技术对国防工业有着尤为重要的作用，大大节省产品的研制费用；缩短 了研制周期。随着仿真技术本身的不断发展和人们对仿真技术价值认识的不断深入， 其应用领域越来越广泛。与此同时，对仿真正确性和可信度的要求也来越高。仿真系 统的最终结果对于预期工程应用来说是否具有可用性，将直接影响到基于仿真结果所 进行的后面一系列应用或决策过程。从某种意义上来说，只有保证了仿真的正确性和 可信度，最终得到的仿真结果才有实际应用的价值和意义。因此，如何评估仿真系统 的正确性和可信度，一直是仿真理论和仿真技术发展中一个不容忽视的问题。 本文基于综合化航电系统，介绍了仿真可信度的概念，研究方法。应用层次分析 法及模糊层次分析法建立了综合化航空电子仿真系统的层次结构，根据专家组意见构 造判断矩阵，从而计算出各子系统的权值，最终得出总系统的仿真可信度。应用相似 理论，构造相似元，计算相应的相似特征值，得到系统的仿真可信度。应用模糊数学 等方法研究其仿真的可信度，最终给出定性的结论。在论文中还提出了应用贴近度对 比仿真结果和被仿真系统原有数据计算仿真可信度的方法。 关键字：仿真可信度，层次分析法，综合化航电系统，相似理论，模糊综合评判。 两北：】业火学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sa l li m p o r t a n tb r a n c ho fm o d e ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g ei ns u c hr e s p e c t sa si t ss e c u r i t y ，d e p e n d a b i l i t y ，e f f e c t i v e n e s s ， e c o n o m ya n dc o n t r o l l a b i l i t yr e p e a t a b i l i t y ，e t c ，t h i st e c h n o l o g yh a v ea l r e a d ya p p l i e dt ot h e c o u r s eo fg r i n d i n g ，d e v e l o p i n g ，t e s t i n ge t c t h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a si m p o r t a n t f u n c t i o nt ot h ed e f e n s ei n d u s t r yp a r t i c u l a r l y w ec a ns a v et h ee x p e n s e so nt h ep r o d u c t s g r e a t l y i nt h ec o u r s e r e s e a r c h i n g ；c a ns h o r t e n t h ec y c l eo fd e v e l o p i n g w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , p e o p l ep a ya t t e n t i o nt ot h ec r e d i b i l i t yo fs y s t e m s i m u l a t i o nm o r ea n dm o r e i no t h e rw o r dc o u l dt h es i m u l a t i o n s y s t e mr e f l e c tt h e p e r f o r m a n c eo f a r t i f i c i a ls y s t e m ? a n dc o u l dt h er e s u l tb ea c c e p t e db yu s e r ? t h i st e x ti sb a s e do nt h ei n t e g r a t e da v i o n i c ss y s t e m ，a n dw ea p p l yt h ea n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s st os t u d yt h ec r e d i b i l i t yo fs y s t e ms i m u l a t i o n ；w ea l s oa p p l yt h e s i m u l a t i o nt h e o r yt or e s e a r c ht h ec r e d i b i l i t yo fs y s t e ms i m u l a t i o no nt h eb a s i so fo u t s i d e h a n gw e a p o n f i n a l l y ，b e c a u s et h ea r t i f i c i a lc r e d i b i l i t yi saf u z z yc o n c e p t ，s ow ec a nn o t h a v eac l e a rc o n c e p to ft h eu s a b i l i t yw i t hac e r t a i nc r e d i b i l i t y , s ow eh a v ep u tf o r w a r da n d i n t r o d u c e dt h ef u z z yj u d g m e a tm e t h o dt oj u d g eo f t h ec r e d i b i l i t yo fs y s t e ms i m u l a t i o na n d t h ec o u r s eo fi t sa p p l i c a t i o n k e y w o r d ：t h ec r e d i b i l i t yo fs y s t e ms i m u l a t i o n ；t h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ；i n t e g r a t e d a v i o n i c s s y s t e m ；t h es i m u l a t i o nt h e o r y ；t h ef u z z yj u d g m e n to ft h e c r e d i b i l i t y 。 i i 蝤北工业大学硕士学位论文 绪论 1 1 系统仿真概论 第一章绪论 1 9 4 6 年电子微分分析器的诞生，开创了系统仿真的新纪元，系统仿真逐渐成为以 相似论、系统科学、计算机科学、系统工程理论、概率论、数理统计和时间序列分析 等多个学科理论为基础的新兴地综合性学科。由于仿真技术在应用上的特殊功效( 安 全性和经济性) ，仿真技术获得了十分广泛地应用。首先是由于仿真技术在应用上的 安全性，航天、航空、航海、核电站等，一直是仿真技术应用的主要领域。特别是军 用领域，仿真技术已成为武器系统研制与试验中的先导技术、校验技术和分析技术。 因为武器系统都是多模式符合系统，为了测试其多功能，就要在一个受控环境中，输 入各种模式情况下所要求的各种激励信号，并确定系统对激励信号的相应灵敏度。由 于受到实际飞行和航行试验条件的限制，多功能测试是难以实现的，而仿真实验可以 比较方便地取得统计性数据。其次，仿真技术在应用上的经济性，也是被广泛应用的 因素。世界各国几乎所有大型的发展项目，阿波罗登月计划、战略防御系统、计算机 集成制造、并行工程等，因为投资极大，又有相当的风险，而仿真技术的应用可以用 较小的投资换取风险上的大幅度降低，根据国外有关统计资料分析，由于采用系统仿 真技术，使武器系统靶场实验次数减少了3 0 - 6 0 ，研制费用节省了1 0 - 4 0 ， 研制周期缩短了3 0 - 4 0 ，从而使型号研制得到很高的效费比。 正因为仿真技术对国防建设、工农业生产及科学研究均具有极大的应用价值，所 以仿真技术被美国国家关键技术委员会于1 9 9 1 年确定为影响美国国家安全及繁荣的 2 2 项关键技术之一。军事仿真需求一直是推动仿真技术发展的主要动力之一，军事仿 真技术往往体现出仿真技术的最新成就。目前，在武器系统仿真技术研究方面，美国 已研制出系列化的飞行仿真器和阵列式目标仿真器，研制出万亿次每秒的高速数字机 用于核武器的仿真研究，并将仿真技术用于战争的预先推演。 我国自2 0 世纪5 0 年代开始，在运动体自动控制领域首先采用仿真技术，面向方 程建模和采用模拟计算机的数字仿真获得较普遍的应用，同时采用自行研制的三轴模 西北 ：业大学硕士学位论文绪论 拟转台等参与的半实物仿真实验已开始应用于飞机、导弹的工程型号研制中。6 0 年代 末，在开展连续系统仿真的同时，已开始对离散事件系统的仿真进行究。7 0 年代，我 国训练仿真器得到迅速发展，我国自行设计的飞行仿真器、舰艇仿真器、火电机组培 训仿真系统、化工过程培训仿真系统、机车培训仿真器、坦克仿真器、汽车仿真器等 相继研制成功，并形成一定市场，在操作人员培训中起了很大作用。8 0 年代，我国建 设了一批水平高、规模大的半实物仿真系统，如鱼雷半实物仿真系统、射频制导导弹 半实物仿真系统、红外制导导弹半实物仿真系统，歼击机半实物仿真系统等，这些半 实物仿真系统在武器型号研制中发挥了重大作用。9 0 年代，我国开始对分布交互仿真、 虚拟现实等先进仿真技术及其应用进行研究，开展了较大规模的复杂系统仿真，由单 个武器平台的性能仿真发展为多武器平台在作战环境下的对抗仿真 1 2 仿真可信度研究的意义 所谓仿真就是用一个模型模仿真实系统，也即用一个物理或抽象的系统来描述一 个系统的某些系统特征。既然是一个系统模仿另一个系统，当然俩者不可能完全等同， 但是基本内容应该相同，即模仿系统必须反映原系统主要特征，那么，如何判断两个 系统是否具有可模仿性? 这就对仿真正确性、可行度提出了要求，只有保证仿真的可 信度，得到的仿真结果才有实际应用的价值和意义，仿真系统才具有生命力。因此如 何评价仿真系统的正确性和可信度一直是仿真技术和仿真理论发展中一个极其重要 的问题。 随着仿真技术的应用领域不断扩展，对其可信度提出了更高的要求。仿真系统的 最终结果对预期工程应用来说是否具有可用性，将直接影响到基于仿真结果所进行的 后续一系列应用或决策过程。只有保证仿真的正确性和可信度，最终得到的仿真结果 才有实际应用价值和意义。因此，如何评估仿真系统的正确性和可信度，一直是仿真 理论和仿真技术发展中一个不容忽视的问题。 仿真可信度涉及到建模和仿真的各个方面。就建模来说，从实际系统抽象出的数 学模型是不是如实的反映原系统的运动规律，数学模型转化为仿真模型所应用的算法 是否得当，都是可信度研究的问题。不同应用目的对仿真模型的复杂程度要求是不同 2 西北工业大学硕士学位论文 绪论 的。在大型系统中，一些运动物体被简化为质点，这种简化对仿真可信度必然会带来 影响。另外不同的计算方法的选择同样会对计算精度和计算时间带来影响，如何选择 数值解法因此也属仿真可信度研究的问题。我国仿真可信度研究方面还存在许多迫切 需要解决的问题，与国外相比也存在较大差距，特别是缺乏仿真可信度问题研究的组 织、协调。仿真可信度的评估是一个综合性系统工程，需要建立一系列标准。从可信 度角度来规范模型利仿真的开发过程。我国亟待解决的问题主要存在以下几方面： 1 尚未建立关于仿真可信度的概念体系。仿真效果如何界定，如何评定，是仿真的 基本问题。但目前国内对这一问题的表达尚未达成一致，常用术语有可信性、可 信度、逼真度、置信度等等。目前尚未见到关于这一术语具体含义的系统阐述。 归根结蒂，这些问题反映仿真理论的滞后性。仿真技术是在自动控制理论，计算 技术、计算机技术等基础上发展起来的一门综合性技术，有其不同于其他技术的 特殊性，其发展需要有新的理论的指导。随着仿真技术的发展和应用领域的扩大， 对理论的需求也越来越迫切。 2 对仿真可信度保证和评估的方法研究曛待提高。仿真可信度的评估方法是在仿真 可信度评估过程中为完成仿真可信度评估工作各阶段目的而采用的各种技术、工 具、策略等的总称。仿真系统是融合了建模技术、系统科学、软件工程和其他有 关领域知识的复杂系统。因此，仿真可信度评估也应该充分吸收有关领域的成功 方法。在这方面虽然开展了许多研究工作，但大部分集中在仿真结果的验证方法 的研究上，而对模型的校核验证方法、仿真开发过程所需耍的校核验证方法、相 关文档的管理方法等缺少研究。特别是直接对仿真可信度进行评估的研究方法方 面，目前还是空白。 3 缺乏对仿真可信度全方位多角度的研究。目前的研究主要集中在模型和算法的的 校验方面，而对仿真需求、物理效应识别以及人机交互等问题涉及较少。随着仿 真可信度问题研究的不断深入，人们逐渐认识到上述相关问题对仿真可行度都有 着重要影响，必须全方位综合考虑相关问题。 4 缺乏对分布交互仿真系统( d i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es y s t e m ：d i s ) 仿真可信度的研 究。对d i s 系统来说，由于网络互操作的引入，其不确定性因素和仿真应用的复 杂程度大大增加，同时还带来了许多新问题，如时空一致性、环境和模型的一致 西北i 业入学硕士学位论文 绪论 性等。而且d i s 大多应用于军事领域，缺少可与之对应的数据源，难以使用上述 基于实际系统的测试或运行结果相对照的验证方法。 5 缺乏仿真可信度i a - j 题研究的组织与协调。仿真可行度的保证和评估是一项系统工 程，需要建立一系列的标准从可信度角度规范模型和仿真开发过程。而且目这在 和大程度上制前我们仍处在各自为战的状态，既无章可循，也缺乏沟通与交流。 约了仿真可信度研究的深入。 1 3 航空电子仿真系统的介绍 5 0 年代飞机中的航空电子设备，在飞机总成本中占的比例尚不足1 0 ，但到了 9 0 年代，随着飞机功能的不断增强，航空电子设备在飞机总成本中占的比例已上升到 3 0 , - 4 0 ，个别飞机甚至达到了5 0 。由于航空电子设备对飞机的功能和性能的影响 越来越大，因此，航空电子也正在受到人们的高度重视。2 l 世纪的航空电子技术还将 进一步随着飞机功能的不断增加而发展，航空电子的重要性将在2 1 世纪变得更为突 出。 综合航空电子技术就是在这样的背景条件下应运而生，它是一个新兴的技术领 域。其本质仍然是一个对信息的采集、处理、分配、存储的系统。是一个在苛刻的空 间限制条件下、对密集性的航空电子子系统集合进行信息综合和功能综合的技术。 图1 1 给出了一个典型的航空电子系统结构。由图可见为了在网络节点之间进 行数据通讯，从而进行各个航空电子子系统的信息和功能综合，是通过标准的多路数 据总线m i l s t d 1 5 5 3 b 总线( 简称1 5 5 3 b 总线) 来进行的。 i 大气机i 愦导l | l ；_ 黄欲| l 塞叁澍 二l 卜i |= “i 。卜 ：一 ， ：譬卜叫- 。一- 、= _卜r j 。j 幽二，每 垮卜卜姝r 。 = r ! 缈一f | _ i ： 图1 1典型的航空电子系统结构 1 5 5 3 b 已经发展成为优越的、国际公认的数据总线标准。被利用在许多军事平台 西北工业太学硕士学位论文 上并逐渐进入非军事上一些空白的应用领域。 军，陆军装配上。平台不仅局限于航行器上， 卫星、国际空间站上。 1 5 5 3 b 已经被世界性的采用在空军，海 它还被利用在坦克、轮船、导弹、人造 航空电子综合仿真系统是系统仿真技术与航空电子综合系统相结合的产物，是现 代仿真技术的一个重要分支。它主要是围绕机载航空电子系统的研制、测控、管理和 应用等各个环节对系统进行全面的系统分析、方案设计与性能评估。从航空事业发展 的初期开始，仿真技术就已广泛应用到航空工程的各个方面。航空电子系统仿真，这一 伴随着航空科技的发展而发展起来的新兴技术领域，在过去的几十年里里曾为我国航 空事业的发展多次发挥过重要作用。在我国航空的试验中，仿真技术也一直受到从设备 研制单位到试飞打靶单位的重视。事实证明，航空作为一个商科技、高投入、高风险的 行业，不能没有科学可靠的系统仿真理论和仿真方法、仿真实验结果的。 综合化航空电子仿真通常是以航空电子大系统为研究对象的、面向复杂系统的仿 真。其仿真实验过程包括对多功能火控雷达系统、显示控制系统( d c m p ) 、任务计算 机系统、外挂管理系统、惯导导航系统、大气数据计算机、集成数据传输系统、前视 红外系统、无线电高度表等分系统及其测控系统的系统建模、模型实现和模型实验三 项基本活动构成，相互关系如图1 2 所示。 图1 2 航电仿真的基本活动 西北j 。业大学硕= = 学位论文 1 4 论文的研究内容 本论文研究的内容包括四个部分： 1 、论文第一章主要介绍了系统仿真的发展过程，仿真可信度的研究背景和研究 意义，航空电子系统的模型结构和基本活动。 2 、论文第二章介绍了仿真可信度的定义、性质以及与校核、验证、确认( v v & a ) 的关系。给出了v v & a 的原则，并以分布交互仿真系统的v v & a 9 步参考模型为例 介绍了仿真系统的v v & a 过程，介绍了仿真系统的v v & a 方法。最后给出了仿真可 信度评估模型。 3 、论文第三章提出仿真可信度中权重的概念以及确定权重的几种方法。详细介 绍了层次分析法并应用层次分析法确定从合航电系统中备子系统的权重，从雨进一步 得出总系统的仿真可信度。 4 、论文第四章介绍了相似学中的相似理论，利用相似理论原理建立了综合航电 系统的相似理论模型。通过确定相似元以及相似特征值的计算得出综合航电系统的仿 真可信度。 5 、论文第五章引入模糊理论中模糊综合评判方法，给出了综合航电系统仿真模 型与其可信度之间的映射关系，利用模糊综合评判得出了综合航电系统的仿真可信 度。 两北工业大学硕士学位论文仿真可信度概述 第二章仿真可信度概述 对于现代作战飞机来说，综合化航空电子系统的作用日益重要。通过航空电子系 统可以使作战飞机的各个子系统达到高度的资源综合和信息共享，从而有效地完成各 种飞行和攻击任务。本文所研究的对象主要是是综合化航空电子综合系统的仿真可信 度。本章将首先对仿真可信度的定义、性质和一些研究方法做具体的介绍。 2 1 仿真逼近度、可信度的定义 通俗地讲，仿真是由计算机等手段复制真实世界中模拟事物的过程。被模拟的事 物可能是某种设备( 如：坦克、飞机) ，也可能是某种自然环境( 如：地理环境、气 候环境) ，也可能是人，也可能使这些事物的综合体( 如：战场环境) 。无论属于何种 属性，有一点是共同的，就是无从了解被模拟事物的所有知识。但是，当我们研究仿 真对被模拟事物的复现程度时，完全可以将被模拟事物的所有知识作为参照物。称之 为仿真对象。 定义1 ：从真实世界被模拟事物中抽象出来的知识体称为仿真对象。 显然总希望仿真结果与原型系统的输出完全一致，但仿真系统不可能完全复现仿 真对象，它具有以下两个特征： 1 仿真的不完整。任何仿真系统都是对仿真对象部分特征的模拟，全面模仿仿真对 象既无必要，又不可能。因此，任何仿真系统复现的都是仿真对象的一个予集。 2 仿真的不精确性。仿真系统对仿真对象的模拟是不精确的，二者之间必然存在着 误差。在给定输入条件的前提下，仿真也会生成一定的实体状态。这些状态与相 同输入条件下仿真对象的相应状态相似，但二者还存在差别。这种仿真系统与仿 真对象之间的差别就是仿真误差。 定义2 ：仿真系统对仿真对象某个侧面或整体的外部状态和行为的复现程度称之 为逼真度。 西北 ：业大学硕十学位论文仿真可倩度概述 理解逼近度的概念时应注意以下两个概念： 1 逼近度描述的不是仿真与某种特定应用目的的适应程度，而是仿真对仿真对象的 复现程度。对一个具体的仿真系统其逼真度是一定的。通俗地讲逼近度要解决的 就是象不象的问题。 2 逼近度考查的是仿真系统或子系统的外部特性( 主要是输入与输出之间的关系) ， 而非系统或子系统本身的实现方式或手段。 逼近度介于o - 1 之间，作为边界条件0 表示仿真与仿真对象之间没有任何相似之 处：l 表示仿真完全精确的复现了仿真对象。 显然任何仿真都是对仿真对象某个侧面的复现，无论有何种方法计算整体的逼近 度，得到的结果肯定都不高。除用于同类系统之问的比较时，整体逼近度并无很多实 际意义。但仿真系统各个侧面的仿真却可以比较准确地反映仿真与仿真对象之间的相 似程度，可用来描述仿真系统各个侧面的仿真效果。然而逼近度毕竟只是对仿真本身 的评价，不是对仿真与仿真目的的相适应程度的评价。而后者才是用户所关心的。用 仿真可信度表示与仿真目的的适应程度。 定义3 ：相似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程 度称为可信度。 可信度也介于0 - l 之间。作为边界条件0 表示仿真完全失败，没有任何可用性。 l 表示所有的预期应用都可完整的真实地再现。 一般说来随着仿真系统某个侧面逼近度提高，整个系统仿真可信度很可能会提 高，至少不会降低。但必须看n - - 者之间存在藿本质区别。这种区别在于，逼近度考 查的是仿真与仿真对象本身，而可信度考查的是这种差别对仿真可用性的影响程度。 从使用范围看，仿真规模越小，粒度越小，复杂程度越低，越适合使用逼近度的概念； 相反，仿真程度规模越大，粒度越大，复杂程度越高，越适合使用可信度概念。 2 2 仿真可信度性质 在说明了仿真可信度的定义以后，为了更好的进行仿真可信度研究，接下来先介 1 蜒北t 业大学硕士学位论文 仿真可信度概述 绍仿真可信度的一些性质。 一般说来仿真可信度具有以下性质： ( 1 ) 目的相关性：这是仿真可信度的本质属性。仿真可信度高低是与该仿真系统的目 的紧密相关的。即使同一仿真系统，仿真目的不同，系统所表现出来的可信度也不同。 仿真可信度描述的是仿真与仿真对象的差别对仿真可用性的影响程度，离开仿真目的 仿真可信度是没有任何意义的。 ( 2 ) 客观性；对一个具体的具有明确应用目的的仿真系统，其仿真可信度是确定的， 不随评价者的态度和评价方法为转移。评价者不同，所使用的评价方法不同，得到的 结论可能不同，但这种不同来源于评价过程，而非可信度本身。 ( 3 ) 综合性：仿真可信度是仿真模型、算法、通讯数据库及硬件等诸多因素的综合反 映。仿真的某个侧面可能受到多种因素的影响；同样的某因素也可能影响可信度的 某个侧面。这一点对系统集成、改进和可信度评价都会带来很大困难，必须引起重视。 ( 4 ) 层次性：仿真系统由若干个子系统构成，相应的，各子系统也存在仿真可信度问 题。子系统可信度必然会反映在整个系统的可信度。 2 3 仿真可信度与v v & a 的关系 仿真系统校核、验证与确认( v e r i f i c a t i o n ，v a l i d a t i o na n da c c r e d i t a t i o n ：v v & a ) 是 可信度评估工作的基础， 是贯穿仿真系统设计、开发、调试、应用、维护整个生命 周期的一项重要活动。它通过仿真系统生命周期中的有关活动，对各阶段工作及其成 果的正确性和有效性迸行全面的评估，丛而保证仿真系统达到足够高的可信度水平以 满足应用目标的需要。 仿真系统的可信度可以通过有计划的校核与验证工作来加以测量，并通过确认来 正式的加以确认，可以为某一特定的应用服务。 校核是确定仿真系统准确的代表了开发者的概念描述和设计的过程。 验证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。 确认是官方的正式的接受仿真系统为专门的应用目的服务的过程。 西北1 ，业大学硕士学位论文 仿真可信度概述 校核关心的是“是否正确地建立了仿真系统”，也就是设计人员是否按照仿真系统 应用日标和功能需求的要求正确的设计出仿真系统的模型，仿真软件开发人员是否按 照设计人员提供的仿真模型正确的实现了模型。 验证关心的是仿真系统在具体的应用中多大程度的反映了真实世界的情况。 确认是在校核验证的基础上，有仿真系统的主管部门和用户组成的验收小组，对 仿真系统的可接受性平u 有效性作出正式的确认。 校核、验证与确认之间有着十分密切的联系。校核工作为确认系统的各项功能提 供了依据，验证工作为系统的有效性评估提供了依据，雨系统性能的好坏则是校核与 验证都关心的问题。v v & a 的核心问题就是仿真系统的可信度评估，即建模和仿真的 发起者和用户对应用仿真系统解决具体问题的信心。校核、验证、确认和可信度评估 的关系可以用图2 1 表示。 可信度评估 图2 1 仿真系统校核、验证与确认之间的关系 2 4 仿真系统v v & a 的原则 讨论v v & a 的原则可以深化对仿真系统v v a 概念的理解，对仿真系统的 v v & a 理论研究和实践都有重要的指导意义。 对于仿真系统v v & a 应该遵循的主要原则包括： 硼北工业大学硕士学位论文 仿真可信度概述 ( 1 ) 相对正确原则：没有绝对正确的仿真系统，仿真系统的正确性是相对于其应 用目的而言的，一个仿真系统对一个应用目的而言完全正确，而对另一个应用目的可 能是完全不正确。 ( 2 ) 全生命周期原则：v v & a 是贯穿仿真系统生命周期的一项工作，仿真系统牛 命周期中的每个阶段都应该根据其实验内容和对实验应用目标的影响安排适合的 v v & a 活动，以发现可能存在的问题和影响，仿真系统v v & a 不能等到仿真系统开 发工作基本完成之后才开始进行，那样很难真正发挥v v & a 应有的作用。 ( 3 ) 有限名目标原则：仿真系统v v & a 的目标应紧紧围绕仿真系统的应用目标和 功能需求，对于应用目标无关的项目，可以不进行v v & a 活动，以减少v v & a 的开 支。 ( 4 ) 必要不充分原则：仿真系统的验证不能保证仿真系统应用结果的正确性和可 接受性，即v v & a 是必要的但不是充分的，要尽力避免三类错误：第一类错误是仿 真系统是正确的，但却没有被接受；第二类错误是仿真系统是不正确的，但却被接受： 第三类错误是解决了错误的问题。 ( 5 ) 全局性原则：对仿真系统的组成部分的校核与验证不能保证整个仿真系统的 正确性，整个仿真系统的正确性必须从系统整体出发进行校核与验证。 ( 6 ) 程度性原则：对仿真系统的验收得到的不是简单的接受或拒绝的二值逻辑问 题，而是相对仿真系统的应用目标可接受的程度如何。 ( 7 ) 创造性原则：对仿真系统的v v & a 需要评估人员具有足够的洞察力和创造力， 因为仿真本身就是一门创造性很强的科学技术，对其进行评价更需要足够的创造力， v v & a 既是一门科学又是一门艺术。 ( 8 ) 良好计划和记录原则：仿真系统的校核与验证必须做好计划和记录工作，良 好的计划应选择对提高仿真系统的正确性和仿真结果的可信度最有贡献的活动，并优 化安排其实施过程，以最大限度的发现问题，提高仿真系统质量。对每项工作结果都 要做认真的记录，为系统v v & a 下一步工作和确认提供必要的信息。 ( 9 ) 分析性原则：仿真系统v v & a 不仅要利用系统测试所获得的数据，更重要的 是要充分利用系统分析人员的知识与经验，对有关问题尤其是无法通过测试来检验的 问题，要进行细致深入的分析。 砥北工业人学硕士学位论文 仿真可信度概述 ( 1 0 ) 相对独立原则：仿真系统的v v & a 要保证评估工作的一定的独立性，以避 免开发者对v v & a 结果的影响，但v v & a 要与开发人员相互配合，加深对系统的理 解，以利于做好仿真系统的v v & a 工作。 ( 11 ) 数据正确性原则：v v & a 所需要的数据数据库必须是经过校核、验证与确 认，证明其正确性和充分性的。 2 5 仿真系统的w & a 过程 仿真系统v v & a 是仿真系统生命周期中的一项重要活动。本节将以分布式交互仿 真系统v v & a 为例，对仿真系统v v a 过程作简要介绍。 分布交互仿真系统v v & a 的参考模型如图2 2 所示： 第一步，设计v v & a 计划草案：仿真系统v v a 计划的设计应该在分布交互仿 真系统开发计划设计和需求分析阶段开始的时候就进行，在这一阶段，仿真系统 晒北一l ，业大学硕士学位论文 仿真可焦度概述 v v & a 计划和测试计划应概念化，并提出草案。v v & a 方案的设计应一直持续到第 二步和第三步。 第二步，d i s 标准兼容性测试；对将要参加分布交互仿真系统的各卜分系统( 或 重要部件) 进行标准兼容性测试，确认它们可以充分利用分布交互仿真协议数据单元 ( p r o t o c o ld a t au n i t ：p d u ) 进行通信，与分布交互仿真标准( i e e e l 2 7 8 ) 兼容保证 了各分系统( 或重要部件) 中的实体可以用“共同语言”进行交互。 第三步，验证系统概念模型：分布交互仿真系统的概念模型为系统功能提供了一 个高层次的描述，这种表述必须要根据实际的应用要求进行，保证概念模型与系统应 用需求之间保持可溯性。 第四步，校核系统结构( 概要) 设计：分布交互系统的结构( 概要) 设计完成将 各个分系统( 或重要部件) 的功能与概念模型的功能要求一一对应起来。分布交互仿 真资源库中关于参加该分布交互仿真系统的分系统( 或重要部 牛) 的校核、验证与确 认的历史、精度情况等可以帮助设计者做出决定。系统的结构( 概要) 设计的结果要 根据概念模型加以校核。以确定所需的功能均已分配到各分系统( 或重要部件) 。 第五步，校核系统详细设计：在详细设计阶段，结构( 概要) 设计被扩展到更加 详细的水平。将参加的分系统中的仿真实体与功能需求的详细说明一一对应起来，这 阶段的校核工作保证系统详细设计是正确的和完全的，并与需求的详细说明保持可追 溯性。 第六步，校核软件系统功能：这一阶段分布交互仿真系统的仿真实体的功能同详 细设计的要求比较，以确定所需的功能能正确实现。 第七步，验证系统实验结果：这一阶段的主要目的是确认分布交互仿真系统在多 大程度上反映了真实系统的实际功能、性能、行为，并具有足够的精度和交互能力以 满足应用耳标的需要。 第八步，确认系统：负责系统确认的机构( 用户和发起人) 要审核分布交互仿真 系统校核、验证工作的结果，并对系统的可接受性问题做出确认决定。 第九步，准备有关文档：v v & a 报告要详细记录分布交互仿真系统v v a 工作 的各项成果，v v & a 报告应保存在分布交互仿真资源库中，作为对有关系统v v & a 工作的证明和未来应用参考。 “北l 业火学硕士学位论文 仿真可信度概述 2 6 仿真系统的w & a 方法 随着信息领域的各种新技术在仿真系统中的不断应用，包括：面向对象技术、人 工智能技术、模糊技术、计算机网络技术、虚拟现实环境技术等等，这些新技术的应 用大大增强了仿真系统的功能和性能，同时也对仿真系统的v v & a 提出了更高的要 求，因此有必要研究仿真系统校核与验证的新方法和新技术，以满足仿真系统v v & a 的需要。目前国际上研究仿真系统的校核与验证的方法主要有表2 1 所示： 表2 1 仿真系统的校核与验证的方法 非正规方法静态方法 动态方法 正规方法 过程审核原因效果图 接受测试场地测试 不正确输入测试 归纳法 桌面检查控制分折 a l p h a 测试 功能测试 实时输入测试 推导法 检查法调用结构分析断言检验图形比较自驱动输入测试逻辑摊论 回顾法 并行过程分析b e t a 测试接口，界面测试强度目8 试归纳断言 图灵测试控制流分析 自底向j 二测试数据接口测试路径输入驱动测试l a m b d a 微积分 走查法状态转移分析 比较测试模型接口测试统计技术 谓词微积分 数据分析兼容性测试用户接口测试结构测试谓词变换 数据依赖性分析授权浞4 试对象流测试分支测试正确性证明 数据流分析 性能测试分支测试条件测试 界面分析安全性测试区间测试预测性验证数据流测试 模型界面分析 标准测试产品测试循环目i 试 用户界面分析调试回归测试路径测试 语义分析运行测试是敏性测试说明测试 结构分析运行监视测试特殊输入测试子模型，模块测试 符号评估运行剖面测试边界值输入测试符号调试 语法分析运行跟踪测试等效区问输入测试自顶向下测试 追溯性评价缺陷，错误插入测试 帆值输入测试 可视化动画 2 7 仿真可信度评估模型 任何一个仿真的可信度评估都不是一件容易的事情。在实践中人们往往应用多种 砥北t 业大学硕士学位论文仿真可信度概述 方法和手段，从多个角度对仿真进行分析和评估。一般说来评估手段不同，得到的评 估结果也可能不同，有时甚至大相径庭。所以要想给出一个可操作的、实用性强的、 能够反映仿真各方面性能的评估模型几乎是不可能的。本文从仿真目的角度给出一个 可信度评估模型。 定义4 ：仿真对象中各个知识的复现对仿真目的的影响程度称为兴趣系数。 兴趣系数用o - 1 之间的小数表示。作为边界条件，兴趣系数为0 表示知识的复现 对仿真目的没有任何影响。兴趣系数又大，说明该知识的复现对仿真目的影响越大。 对一个具体的仿真应用来说，兴趣系数应满足归一化条件，即仿真对象所有知识的兴 趣系数之和为l 。 定义5 ：仿真对象中各个知识在仿真中的复现程度称为准确度。 准确度用o - 1 之间的小数表示。作为边界条件，准确度0 表示仿真没有复现知识； 准确度l 表示仿真完整、准确的复现该知识。 这里给出一个仿真可信度评估模型： c = y 形一， ， 其中c 为仿真可信度。彬为仿真对象中第i 个知识的兴趣系数，取决于仿真目的， 并满足归一化条件= l 。4 表示仿真对象中第j 个知识的准确度。知识种类不同， ， 准确度的度量方法不同，可以使用定量方法，也可以使用定性方法。 这个模型尚处于理论研究阶段，要应有于实践，首先要解决两大问题： 第一，仿真对象的具体化，也就是说，如何从被模拟事物中抽象出所需知识。 第二，仿真对象的知识具有不同的类型和属性，具有各自表述和度量方法，所以仿真 中知识的复现的准确度如何度量也是一个非常复杂的问题。 西北丁业大学硕士学位论文 用层次分析法分析综台航电仿真系统仿真可信度 第三章用层次分析法分析综合航电仿真系统仿真可信度 系统仿真可信度评估，确认是一项复杂的任务，建模和仿真的v v & a 技术是进行 系统仿真可信度评估的重要手段。般的在评估过程中通常存在两个主要问题：一是 必须将这一复杂任务迸行细分至可执行的具体校核与验证工作，因而需评估的目标多 且可能是矛盾的；二是如何应用校核萃u 验证结论得到模型和仿真的综合可信度。本章 将应用层次分析法( t h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ：a h p ) 对综合航空电子系统的仿 真可信度进行研究。 3 1 权重的概念以及确定权重的几种方法 在一个复杂系统仿真可信度评估的过程中，各个子系统( 因素) 的权重是至关重 要的，它反映了各个因素在复杂系统中所占有的地位或所起的作用，它直接影响到仿 真系统可信度评估的结果。现在通常是凭经验给出权重，不可否认，这在一定程度上 能够反映实际情况，评判结果也比较符合实际，但是凭经验给出权重又往往带有主观 性，有时不能客观地反映实际情况，得出的结果可能“失真”。因此有必要研究权重的 确定方法。 1 专家估测法 设因素集u = 如，“：， ，现有 个专家各自独立的给出各因素“，o = 1 , 2 ”) 的 权重，如表3 1 所示： 1 1 1 ；i 北1 ：业大学硕士学位论文用层敬分析法分析综台航屯仿真系统仿真可信度 表3 1 专家估测法确定权重 因素 专家 “】“2 ”， n l 专家1 a 1 1a 2 1 a ，l 甜m l 专家2 a 1 2 a 2 2 口，2 a h 2 ： ： ： 专家k o l ka 2 1 r a i k a 1 权重a 昙壹钆 昙扔 杰 1 亡 0 = 骣- j 功 ，* l “j - li 缶 1 根据表3 - l ，可取各因素权重的平均值作为其权重：a ，= 嘞( i = l ，2 ，抨) ， 即 州潦，蒜，毒， 8 ， 2 频数统计方法 设因素集u = 恤“2 ， ，请有关专家k 人( k 3 0 ) ，根据权重分配调研表( 表 3 2 ) ，对因素集u 中的各个元素，各自独立的提出自己认为最适合的权重。 表3 2 权重分配调研表 根据收回的权重分配调查表，对每个因素“，( i = t , 2 ，h ) 进行单因素的权重统 计试验，其具体步骤如下： ( 1 ) 对因素“，( i = 1 ，_ ，2 ，作) 在它的权重d 口( ，= 1 2 ，七) 中找出最大值m 和最小 值m ，即 2 m 譬”堋一2 m 埘i 盘n 、a ， 西北k 大学硕士学位论文用层次分析法分析综合航电仿真系统仿真可信度 ( 2 ) 适当选取正整数p ，利用公式竺三堕计算出把权重分成p 组的组距，并将权重 p 从小到大分成p 组。 ( 3 ) 计算落在每组内权重的频数与频率。 ( 4 ) 根据频数与频率分布情况，般取最大频率所在分组的组中僮为因素u 的权重 口( i = 1 , 2 ， ) ，从而得到权向量： a = 0 ，a ：，a 。) 确定权重的统计方法在处理比较简单，层次较少的系统时非常有效，但在处理比 较复杂的大系统时就有些力不从心了。因此在确定综合航电系统中各自系统的权重 时，采用了层次分析法。 3 2 用层次分析法计算各子系统在总系统之中的权重 层次分析法是定性与定量相结合的决策分析方法，它体现了人们决策思维的基本 特征，即分解一判断一综合。这也是系统仿真可信度评价分析的基本过程。a h p 法的 四个步骤是建立递阶层次、构造判断矩阵、计算权重和一致检验。在系统仿真可信度 评估过程中，最高层表示所要达到的系统仿真可信度指标的总目标，中间层为指标层， 是评价的主指标体系，即决定系统仿真可信度的主要因素，最低层为予指标层，是对 主评价指标的具体化。 建立层次结构是层次分析法的第一步也是十分重要的一步。首先把实际问题分解 成若干个因素，然后按属性不同把这些因素分解成若干组，划分递阶层次结构，一般 可以分为最高层、中间层和最底层。最高层也就是目标层，也即该问题所要达到的目 标。中间层为准则层，层中元素为判断方案好坏的准则，准则层可分为多层，根据问 题规模的大小和复杂程度，可分为准则层、予准则层。最低层为方案层，包括实现目 标所供选择的方案。递阶层次的一般结构性质如图3 1 所示： i i q ：l l ：r ：- 业大学硕士学位论文用层次分析法分析综合航电仿真系统仿真可信度 次 准m q 层 子准则 方案层 图3 1 递阶层次结构图 在确定标度值的过程中要尽量减少因人的因素造成的误差，层次分析法的具体执 行过程中得出各因素相对于上一层次系统权重的具体过程如下图3 2 中所示。 图3 2 层次分析法执行过程 确定各要素或子系统在总系统之中的权重是从专家对要素两两比较得出的，在进 行对比中，专家一般都可以用“同等重要”，“稍微重要”，“明显重要”，“十分重要一c 极 其重要”等定性说明一个因素比另一个因素相对总体而言的重要性程度。，o ，_ y ) 表示 1 9 西北l 业大学硕十学位论文 用层次分析法分析综合航电仿真系统仿真可情度 对总体而言因素x 比因素y 的重要性标度若，g ，y ) 1 ，说明x 比y 重要，若，0 ，y ) l ，n n 素x ，比因素工，重要。嘞 o ，“f 2 l a p 。 为了依据判断矩断矩阵给出各因素对总目标的重要性权重，设w ，是因素x ，的重要 性权重，且n = 1 ，则旷= “。，w 2 w n ) ，就是权向量。构造矩阵 小( 乩小池川除具爿矩阵的性质外还有以下性质 性质1 订：= 兰= 兰w k = 口：+ n 抱，k = 1 州2 ： w lw w l 。 ( 3 3 ) 性质2a + 的任意两行都成比例，从而a 的秩为l ，又由 西北工业大学硕士学位论文 用层次分析法分析综合航电仿真系统仿真可信度 w 1w 1 w lw 2 w 2w 2 w iw 2 w 月w h w lw 2 w 1 w n w 2 w n w n w w l w 2 ： w h w 1 w 2 ： w h 知n 是一的特征值，矿= ( w 1 w 2 w 。r 是对 应的特征向量，其余n 1 个特征值为0 。 性质s “= ( 乩。小以棚喜旷- 桷 性质4 w l ，。 旷去骞舞2 吉鞍 台w ，台 由小l 考| _ ( d 。 ，、 叼m 。 和 ：盟：盟 宝佴；丫 i - l - l w i = i 可得 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 对于给定的实际问题，为了找到权向量，可以找专家商榷判断矩阵a ，但不可能 事先知道爿+ ，但可以用彳代替彳，可给出旷= 如。w ：- - - ) r 的几种近似算法。 方法1 对给定删断矩m i 可令w ，2 蒜轰咖如w ：吧) 坼为 权向量，最大特征值为： ：蔼毕 2 1 ( 3 6 ) 一i ，一。川 ，l w 一二-j，监。n 州 ，l 。hpj 。一。兀同 ， 。 西北工业大学硕士学位论文 用层次分析法分析综合航电仿真系统仿真可信度 方法：对于给定的矩阵一，可令。：姓，以矿：( w 1 ，。：。y 作