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摘要 仿真技术是认识客观世界的一种重要手段，只有保证了仿真系统的 正确性和可信度，才能使仿真系统真正具有生命力，使所研究和解决的 关键技术具有实用性和可行性。因此，仿真系统模型可信度的研究具有 重要的理论和实际应用价值。 本文在总结国内外相关研究的基础上，围绕仿真可信度的概念体 系，给出了仿真系统可信度的若干原则以及仿真可信度研究中的关键问 题。首先，本文基于h l a 的光通信仿真系统的特点给出了该过程模型 的具体描述，并提出了优化过程模型的几种可行的途径。然后应用层次 分析法( 蝴) 及模糊层次分析法建立了该仿真系统的层次结构，根据 专家意见构造判断矩阵，从而计算出各子系统的权值，得出总系统的仿 真可信度。其次，应用模糊评判方法研究其仿真的可信度，并给出定性 的结论。最后深入研究了基于b p 网络的可信性评估方法( b p i 0 的设计， 讨论y i jr l 练结果分折的方法，并以简化的基于h l a 的通信对抗仿真为 例，说明了该方法的应用。 关键字：可信度评估i i l a 过程模型层次分析法模糊评判法b 嗍 a b s t r a c t s 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 tm e t h o dt ou n d e r s t a n dt h ew o r l d o n l yw e c a ne n s u r et h ec o n c n i e s sa n d v a l i d i t yo f t h es i m u l a t es y s t e m , c 锄 t h es i m u l a t es y s t e mb ev i t a l i z i n g a n dt h ek e yt e c h n o l o g yw a 3r e s e a r c h e d i n t ob ep r a c t i c a la n df e a s i b j 日os oi ti sv a l u a b l ei nt h e o r ya n dm i l i l vl dd o r e s e a r c ho nt h er e l i 曲i l i t yo f t h ns i m u l a t es y s t e mm o d e l b a o i lt h er e s e a r c hb o t hh e r ea n da b r o a d t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h e c o n c e p ts y s t e mo fs i m u l a t er e l i a b i l i t ya n ds o m ep r i n c i ll e sa n dp r o b l e m si n c a r r y i n g 0 1 1r e s e a r c ho ns i m u l a t es y s t e mr e l i a b i l i t y f i r s t l y , b a s eo nt h e c h a r a c t e r i s t i co fh l a o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns i m u l a t es v s t e m , i td e s c r i b e d t h ep r o c e s sm o d e ta n dc a i n eu p 、 ，i t hs o m ek i n do fw a y st oo p t i m a lt h e p r o c e s sm o d e l 。i te s t a b l i s h e dt h eh i b e r a t e h yo ft h i ss i m u l a t i o ns y s t e mb y u s i n ga h pa n df u z z ya h 只o b t a i n i n gt h ee s t i m a t i o nm a t r i xa c c o r d i n gt o e x p e r t ss u g g e s t i o n , i tc a l c u l a t e dt h ew e i g h i n go f e v e r ys u b - s y s t e ma n dt h e n t h ew h o l es y s t e m sr e l i a b i l i t yc a nb eg o t s e c o n d l y , i tr e s e a r c h e di n t ot h e r e l i a b i l i t yb yu s i n gf u z z ye s t i m a t i o nm e t h o da n dc a m et oaq u a l i t a t i v e c o n e l u s i o n f i n a l l y ；r e l i a b i l i t ye s t i m a t i o nm e t h o dd c s i g nb a s e do nb pn e t w a si n v e s t i g a t e de x t e n s i v e l y b e s i d e s i ta l s od i s c u s s e dt h er e s u l tw a i n i n g a n a l y s i sm e t h o d b yt a k i n gt h es i m p l i f i e dc o u n t e r m e a s u r es i m u l a t i o n s y s t e mb a s e do n 肌a f o re x a m p l e , i td e m o n s t r a t e dt h ea p p l i c a t i o no ft h e m e t h o d k e yw o r d s ：c r e d i b i l i t ye v a l u a t i o ah l a p r o c e s sm o d e lt h e a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e t sf u z z ys y n t h e t i ce v a l u a t i o n b p n 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于h l a 的光通信系统 仿真可信度评估是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者魏陋岫姐卓日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者躲叠监呈 年办4 日 指导导师签名：左丕华f 塞。竺：望月兰三日 第一章绪论 随着仿真应用范围不断向复杂大系统方向扩展，各个应用领域内要 解决的问题的规模和复杂度在不断地增加。仿真技术经历了从集中式仿 真到集中、分布交互仿真相结合，经历了定量仿真到定性定量相结合睁 仿真，从单一粒度仿真到多粒度、多侧面协同仿真的发展过程。仿真结一 果是否具有足够的可信度来满足仿真目的的需要，是仿真系统开发者和 用户非常关心的问题。同时，仿真系统研究的对象越来越趋于人类未钳 的领域，仿真逐渐成为研究这些系统的少数有效工具之一，例如：大型 武器系统社会系统和经济系统等。由于系统分析与决策越来越依赖于 仿真结果的正确性，因此就越来越强调仿真系统要具有足够的可信度， 以满足人们进行系统分析、预测和决策的需要。本章首先给出基于高层 体系结构( h i g hl 七v e la r c h i t e c t u r e ，腿a 的光通信仿真系统的可信度评 估的研究背景，分析开展h l a 光通信仿真系统的可信度评估研究的必 要性。然后，在总结仿真系统的可信度评估的国内外研究历史与现状的一 基础上，提出了基于h l a 的光通信仿真系统的可信度评估研究中的主 要问题，分析了其仿真系统可信度评估的特点 1 1 研究背景 计算机仿真技术是近3 0 年发展起来的一门综合性很强的新兴技术， 因其具有可靠、无破坏性、安全经济、研制周期短、不受气象条件和场 地空域限制等优点，目前已在生产管理、工程技术和军事研究等各个领 域得到了广泛的应用。通信对抗系统的计算机仿真不仅能够分析设计通 信对抗系统，而且能够用于研究通信对抗战术。使战术和技术密切结合， 提高电子对抗在现代高技术战争中的实战能力i l 肛i 。 仿真系统的可信度评估工作由来已久。对于单平台仿真系统，由于 其研究对象的机理比较清楚，并且真实系统的实验结果能够得到，那么 可以通过适当的数学解析方法或统计分析技术对仿真结果与真实系统 的实验结果进行比较，来获得对仿真系统的可信度水平的评价。但是随 着仿真系统的研究对象向复杂大系统方向发展，其不确定性因素越来越 多，真实系统的实验结果越来越难以得到，仿真应用系统的复杂程度大 大增加了，仿真可信度评估问题成为仿真系统应用中一个日益突出的阿 题。在分布交互仿真发展的前几个阶段，人们也考虑到了可信度问题， 提出了一些如何进行可信度评估工作的建议，并在一些具体系统中进行 了实践。但是这些理论与实践工作还很不成熟很不完善。不仅如此，还 有很多仿真系统着重于开发，而忽略了可信度评估工作。同样，h l a 仿真系统的开发迅速发展。但是h l a 仿真系统可信度的研究并没有跟 上其开发的速度。基于h l a 的分布式光通信仿真系统面临着提高其可 信度的问题，如何有效地进行基于甩a 的光通信仿真系统的可信度评 估研究成为h l a 仿真应用必须研究解决的一个重要问题。 从以上讨论可以知道，随着仿真技术的发展和人们对仿真技术应甩 价值认识的不断提高，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越来越高。只有保证仿真的正确性和可信度，最终 得到的仿真结果才具有实际应用的价值和意义，仿真系统才真正具有生 命力。对仿真系统进行校核、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 d - a c c r e d i t a t i o n ，v v & 是降低建模与仿真的风险，提高仿真可信度的有效 途径。系统地开展仿真系统可信度评估的理论、方法、工具和应用研究， 对仿真的发展将会起到重要的推动作用吐 1 2 研究现状 1 幺t 发展历程 国外对仿真可信度评估研究最早开始于对仿真模型的检验问题，这| 可以追溯劭2 0 世纪6 0 年代初期，人们对利用模型代替实际系统进行 仿真实验的可信度有了怀疑1 9 6 2 年，美国学者b i g g s 和c a w t h o m e 就 对“警犬”导弹仿真进行了全面评估几十年来，对仿真模型检验问题 的研究一直是仿真可信度评估研究的重点。七十年代中期，美国计算机 仿真学会成立了模型可信性技术委员会( t e c h n i c a lc o m m i t t e eo i lm o d e t c r e d i b i l i t y 简称t c m c ) ，其任务是建立与模型可信度相关的概念、术 语和规范。在8 0 年代中期。分布交互仿真技术发展起来之后，对仿真 系统的可信度评估研究的重点从仿真模型的校验方法研究为主转向如 何更加全面系统地对仿真系统进行w & a 上来。1 9 9 6 年美国建模与仿 真办公室( d m s o ) 军用仿真v v & a 工作技术支持小组起草了v v & a 建议指导规范( r e c o m m e n d e dp r a c t i e og u i d e , r p g ) 。目前，它修订后 的版本更利于人们根据需要查阅相关酶v v & a 问题。此外，美国各军 兵种，包括陆军、海军、空军、海军陆战队等部门，按照国防部1 9 9 6 年4 月2 9 日下达的指令5 0 0 0 6 1 的要求，先后建立了各自的建模与仿 真w & a 细则，以指导其仿真应用系统的可信度评估与v v & a ，但目 2 前也没有统一的方案。1 9 9 7 年i e e e 通过了关于分布交互仿真的标准 i e e e l 2 7 8 4 ，这是关于大型复杂仿真系统w & a 自廿一个较全面的指导。 2 0 0 2 年l o 月在美国召开了“2 l 世纪建模与仿真校核与验证的基础”的 国际会议，对建模与仿真的校核与验证问题进行了总结与展望。 目前主要是以上述文献指导h l a 仿真系统可信度评估问题的研 究。随着1 9 9 5 年h l a 概念的提出，基于h l a 的分布交互仿真系统迅 速发展。国外对基于h l a 的大型复杂仿真系统的w & a 研究主要集中 在概念、原则、过程，方法、计算机辅助支持工具等几个方面。美国国 防部的v v & a 建议指导规范提出了1 2 条原则指导v v & a 过程，认为 w & a 应贯穿于建模与仿真的全生命周期。针对h l a 仿真系统的 v v & a 过程，j e a nc n a f f a g n i n i 等1 9 9 9 年提出了一个围绕i - i l a 的联邦开 发与运行过程来开展w & a 活动的过程。o s m a nb a l i 等分析了软件测 试技术、系统技术和统计技术的有关方法应用于仿真可信度研究的可行 性，而d m $ o 的v v a 建议指导规范列举了可用于仿真系统校核与验 证盼7 6 种软件测试和系统评估方法及l 譬种统计技术。使用h l a 的分 布仿真系统对于有效的校核与验证技术的要求迅速增加。p a i l c k w g o a l w i n 等总结了一些政府支持的和商用的v v & a 工具1 4 j 。 在我国，5 0 ，年代已应用了仿真技术，直到8 0 年代才有了仿真可 信度方面的论述，这些论述也大都出自对国外有关文献的体会，名词术 语也不统一( 有译法不一致的原因，也有受原文，例如a c c r e d 胁i o n 含 义不统一影响的原因) ，又缺少共同关注的议题，因而发展缓慢。近些 年来，随着仿真技术的发展，仿真系统的可信度研究工作得到一定程度 的推动，表现在许多单位开展了仿真系统的w & a 研究及可信度评估 方法的研究工作，国内的仿真文献中也开始涉及仿真可信度评估问题。 仿真工作者在w & a 方面进行了许多有益的探索，特别是在基于与实 际系统的测试或运行结果相对照的验证方法的研究与应用方面。包括对 导弹系统仿真的可信度、离散事件系统仿真程序的正确性检验问题、飞 行实时仿真系统性能测试与评估等。哈工大、北航等近年来对分布交互 仿真的w & a 进行了概念、过程和指标等的分析研究国内对基于h l a 的仿真系统盼w & a 研究包括对h l a 仿真系统的成员测试、数据收集 和可信度影响因素分析等问题的研究。 总的来说，我国m a 仿真系统的w & a 研究仍处于起步阶段。这 方面的研究工作还比较粗浅和分散，缺乏规模，也没有专门的组织和机 构对仿真可信度评估问题进行专门的研究。因此，我国的仿真可信度评 估研究急需加强。 1 2 2 主要问题 在国内，系统仿真可信性研究也日益得到重视，然而这方面的研究 工作还比较粗浅和分散，人们对有关仿真可信性的概念和一般方法论还 没有统一的认识，也没有类似于t c m c 的专门机构来负责协调，这与我。 国仿真技术迅速发展和需求日益迫切的形势极不相称，需大力加强。 我国的仿真工作者也非常重视仿真的可信度问题。特别是在基于与 实际系统的测试或运行结果相对照的验谨方法的开发与应用方面，国防 科技大学、北京航空航天大学和哈尔滨工业大学等单位都进行了许多有 益的探索。黄柯棣、查亚兵、张伟等人对仿真可信度的研究较为深入。 毋庸讳言，我国在仿真可信度方面的研究工作还存在许多迫切需要解决 的问题，与国外相比，也还存在很大差距存在的问题主要反映在以 下 几个方面1 6 | 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 何评价，是仿真的基本问题。但目前国内对这一词题的表述尚未达成一 致。常用的术语就有“可信度”，“逼真度”、“置信度”，等。除逼真度 外，目前还未见到其他术语具体含义的系统阐述归根结蒂，这些问题 反映了仿真理论发展的滞后性。仿真技术是在其他理论和技术基础上发 展起来的，但它毕竟是一种新技术，有其不同于其他技术的特殊性，冀 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 。仿真可信度评价指标和评估方法研究仿真可信度评估方法是 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、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专门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。 我国在仿真可信度评估方面虽然己开展了许多研究工作，但大都集 中在仿真结果的验证方法研究上，而对模型的校核与验证方法、仿真开。 发过程中必要的校核与验证方法、相关文档的管理方法等缺乏研究。特 别是直接对仿真可信度进行评估的方法研究方面目前还是空白。 3 模型、数据对仿真可信度的影响。数学模型是对客观世界中客 观事物( 包括实体、过程、自然现象等) 的数学抽象和数学描述，是仿真 的基础。数学模型建立后，模型的正确性和数据准确性如何，是否能够 真实地反映原型系统的各种动静态特性，都需要进行验证。如果不满足 仿真需求，还要进行相应的修正。因此，建模和验模是两个相互交替进 行的过程，而且贯穿于仿真的整个开发周期。 4 数学模型对仿真可信度的影响主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 模型的正确性 ( 2 ) 模型的完整性； ( 3 ) 模型的复杂程度； ( 4 ) 数据的准确性。 4 仿真算法对仿真可信度的影响。要对系统进行仿真研究，仅仅 完成了数学模型的建立是不够的，还必须将数学模型变换成能够在计算 机上解算或试验的仿真模型( 二次模型化) 。这就涉及到仿真算法问题。 因为系统数学模型的形式是多种多样的( 状态方程、微分方程、传递函 数等) 。它们最终都要通过计算机采用数值计算方法求解，所以仿真算 法也是多种多样的。仿真算法主要涉及以下几个方面的问题： ( 1 ) 算法的收敛性和数值稳定性 ( 2 ) 算法精度； ( 3 ) 算法速度实时性； ( 4 ) 并行算法； ( 5 ) 刚性问题和微分代数问题。 ，。环境仿真的可信度问题。仿真中的实体都是存在于一定的仿真 环境中的，实体和环境之间存在着交互作用。如果有人参与，人和仿真 环境之间也存在交互作用根据应用场合和应用目的的不同，环境仿真 的逼真度要求也不同。例如，半实物仿真中探测器和传感器的探测、测 量环境的生成需要具有很高的逼真度，环境数据误差必须控制在要求的 范围内：而对于人在回路仿真来说，由于人的感觉远没有仪器那样敏锐 和精确，所以对环境仿真逼真度的要求就比较低。再如，用于工程研究 的仿真系统可能需要研究典型条件下系统的运动变化规律，环境仿真逼 真度的要求较高；相比之下，用于人员训练的仿真系统环境仿真的目的 主要是使参训人员产生沉浸感，除对训练有特殊影响的环境信息需要达 到较高逼真度外，总体上讲环境仿真的逼真度要求较低。 6 人的决策行为模型验证问题。许多大型复杂仿真系统，如战场 仿真系统、关于经济和社会的仿真系统等，都包含对人的决策行为的仿 真。由于目前对人类大脑的机理尚未完全研究清楚，无法做到自主学习， 所以建立决策行为模型还只能借鉴专家系统的开发方法，通过建立知识 库和推理机的方式进行。 能否利用专家系统的验证方法对人的决策行为模型进行验证? 多 数传统的专家系统的验证实际上都差不多，都是检验系统在多大程度上 具备了专家解决问题的能办。具体方法是用一组用例来测试：事先由该 领域专家做出解决方案，然后对系统施加一系列的输人，得到系统对这 些输人的响应，检查这些响应与同输人条件下专家的响应之间的差别。 5 然而这种验证方法对其他的决策行为模型来说却未必有效、这是因 为，上述用例测试通常是静态的，典型情况下，时间并不是一个输入变 量，而验证人的行为模型要求时间必须明确包含在输人中，这种行为不 仅要求正确，而且应该是时变的。例如，战场上对输人的响应如有较大 延迟，即使是正确的，也会导致决策者的失败，而且，战术决定要根据 战场形势韵变化来作出，而战场形势的变化通常是不可预测的，几乎不 可能提供这种动态的测试输入这就意味着需要开发更有效的人的决策 行为模型验证方法。 7 分布交互仿真的可信度问题。分布交互仿真是仿真技术与网络一 技术相结合的产物，网络的弓 人使仿真实现变得更为困难和复杂，出现， 了时空一致性、环境和实体模型一致性以及互操作性等一系列新问题， 这就为仿真可信度研究提出了新挑战。而且，分布交互仿真大多应用于 军事领域，缺乏可与之对照的数据源，难以使用比较成熟的基于与原型 系统的测试或运行结果相对照的验证方法。 1 五3 主要特点 在过去的可信度评估实践中，人们总结了关于可信度评估的一些主 要特点。如果能够深刻理解这些特点，将有助于人们合理制定合理的可 信度评估计划，指导工作的进行，提高工作效率。 l 、不存在完全正确的模型。模型是对客观事物的抽象和近似描述， 因此没有任何模型是完全正确的。即使一个模型对于一种应用来说是正 确的，对另外一种应用也可能是不正确的。而且，完整的可信度评估需 要对其在所有可能的输人条件下进行测试和检查。对于一些复杂的仿真 系统，设置所有可能输人的条件几乎是不可能的。 2 ，可信度评估应贯穿于建模与仿真( m o d e la n ds i m u l a t i o n , m & s ) 的整个开发生命周期。可信度评估不是m & g 开发生命周期中的一个单 独的阶段或步骤，而是贯穿始终的。在m & s 开发生命周期的每一阶段， 都有一系列相应的可信度评估工作，确定该阶段存在的不足之处，以便 及时修正和改善。应该在m & s 规划和开发的初级阶段就制定计划，而 且，可信度评估过程应该从m & s 最初的开发一直持续到以后对m & s 的修改。 3 、对预期应用准确清楚的表达和阐述是可信度评估的基础。如果 需求表达不清，无论开发出的m & s 如何完美，所得到的m & s 结果也 没有什么实际意义。 4 、仿真可信度的高低与仿真系统的预期应用紧密相关。仿真目的 不同、逼真度要求也不同。许多人可能认为，既然验证就是将仿真与原 6 型系统做比较，得到的确认结论就应该是一定的。其实不然。验证和确 认都是针对预期应用进行的。针对一种应用所做的可信度评估并不适用 于其他场合。 5 、m & s 的验证并不保证m & s 对于预期应用的可接受性。m & s 通过验证只是m & s 具有可用性的必要条件，但不是充分条件。这是因 为m & s 是否可用与m s 的目标和需求有关，如果m & s 的目标和需 求定义不够准确，就无法得到正确的确认结沦。 6 、子模型可信度评估并不意味着整个模型的可信度。每个子模型7 在特定范围内具有足够的可信度，并不能保证整个m & s 应用是足够可 信的。这是因为，子模型可能认为误差在允许范围内，但这些误差积累 以后，就可能使得整个m & s 的误差超出允许范围之外，子模型之间的 接口关系和连接方式也会影响整个模型的可信度。因此，即使子模型进 行了各自的可信度评估，整体m & s 或联邦仍然需要进行可信度评估。 7 、确认不是一种非此即彼的选择：确认并不是简单地说m s “好” 还是“不好”，因为m s 毕竟是对原型系统的一种近似，有其固有的 局限性，要想让复现原型系统所有侧面是不现实的。确认应该表达的滔 义是，m & s 在多大程度上与仿真目的相适应，也就是仿真的可信度如一 何。 s 、可信度评估需要有创造性和洞察力。可信度评估并不是一个简 单的选择和运用v v a 技术的过程，它要求工作人员不仅要对仿真魄 预期应用具有深人透彻的了解，而且还要具备m & s 开发应用的专门知 识以及丰富的m & s 开发经验。除此之外，创造性地运用各种技术的能 力以及对问题准确分析，把握的洞察力也同样重要 9 、必须进行计划和存档。对于成功的可信度评估过程来说，详细可 信度评估计划是必需的。在计划中应确定测试项目，准备测试基准数据， 安排工作进程另外，整个可信度评估过程都应当以标准格式进行记录 和存档，内容包括对工作过程的记录以及所得到的结果等。这些文档既 是对前面进行的工作的总结，又对以后的可信度评估工作打下一个良好 的基础。 l o 、成功的可信度评估需要对所使用的数据进行可信度评估。数据 是可信度评估工作中的一个关键因素。无论m & s 中使用的数学表达式、 算法以及软件设计多么完善，如果所使用的数据不正确或者不合适，帮 会导致应用的失败。在开发和应用过程中所用到的数据，无论是原始输 入数据、中间参数还是仿真结果输出，都必须是合适的、准确的和完全 的，必须具有正确的表现形式，并且经过有效的校核和验证 7 1 3 论文的研究内容和创新 可信度评估是仿真研究的一个重要方面。积极开展仿真系统的可信 评估相关技术研究，追踪国际仿真技术前沿，对我国仿真技术的深入发 展和广泛应用是非常有益的论文的主要工作如下： 1 、可信度评估过程模型：论文在介绍h l & 仿真系统的联邦开发和 运行过程( f e d e p ) 的基础上，围绕f e d e p 提出了一个改进的v v & a 1 。 过程模型，分析了该模型每个步骤的活动，并从提高效率和减少风险的。 角度，总结并提出了在这个过程模型中如何选择w & a 活动的几种可 行的解决方案。 2 、提出了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及模糊层次分析法并应用该方法确定基于h l a 的 光通信系统中各子系统的权重，从而进一步得出总系统的仿真可信度。 ，、引入模糊理论中模糊综合评判方法，给出基于h l a 的光通信系 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系统 的仿真可信度。 4 、最后深入研究了基予b p 网络的可信性评估方法的设计。并讨 论了训练结果分析的方法l 以简化的基于h l a 的通信对抗仿真为例， 说明了该方法的应用。 第二章h l a 和可信度评估的相关理论 2 1h l a 简介 美国国防部于1 9 9 6 年净月正式颁布了建模和仿真领域的高层体 系结构( h i g h l e v e r a r c h i t e c t u r e ) ，简称h l a ，其目标是实现国防范围内 不同类型的仿真问的互操作和仿真部件的重用。瑚l a 的体系结构是开 放性的层次结构，这使得h l a , 可以很好的实现各种不同类型的仿真应： 用的混合使用，即各类仿真应用的互操作；h l a 提供了仿真应用间相： 互通讯的标准接口，基于h l a 的各种不同类型的仿真应用能很容易地i 集成到i - i l a 的仿真环境中，从而实现各类仿真应用的联合仿真。 高层体系结构是一个可重用自蟹用于分布式仿真部件的理论体系， 它支持不同仿真部件组成的复杂仿真。 在h l a 中，将用于达到某一特定仿真目的分布仿真系统称为联邦 ( f e d e r a t i o n ) ，一它由若干个相互作用的联邦成员( f e d e r a t e ，或简称成员， 构成。最主要的一种联邦成员是仿真应用( s i m u l a t i o n ) 仿真应用使用实 体的模型来产生联邦中某一实体的动态行为。其它类型的联邦成员有联 邦管理器，数据收集器、隐形观察器等。 成员由若干互相作用的对象构成，对象是成员的基本元素。这组对 象被选择来构成成员是为了完成联邦运行的某一功能，鲤记录数据，仿 真某个实体( 飞机，坦克) 的动态行为等。实际上，成员是一类粒度比对 象更大的可重用单元但在h i l ，t 的规范申，不考虑如何由对象构建成： 员，而是在假设已有成员的情况下，考虑如何构建联邦。联邦也可以作 为一个成员加入到更大的联邦中”1 2 1 。li t l a 的组成 l 、框架和规则集 h l a - 规则：5 个面向联邦，另5 个面向联邦成员。 2 、联邦接口规范说瞬 运行支持系统( r t i ) 作为h l a 仿真应用的核心，它的最显著的特点 是通过提供通用的、相对独立的服务程序，将应用层同其底层支撑环境 功能分离开，可以使这两部分相对独立的开发。最大限度地利用各自领 域的最新技术。 9 3 、对象模型模板规范 对象模型模板规范( 0 m t ) 记录的是一些关键性的信息，如对象类 及其结构、交互、属性等。主要包括以下几个部件； ( 1 ) 对象模型标识表l 提供了联邦中各联邦成员的标识，以及对象 模型的总体描述。 ( 2 ) 对象类结构表：记录联邦成员中包含的对象类之间的继承关系， 并记录了联邦成员对每个对象类的发布和订阅能力。 ( 3 交互类结构表：记录发布对象之间的交互。发布对象是联邦成 员中那些允许其他联邦成员的对象与其互操作的对象。 ( 4 ) 属性参数表；对象类结构表中的每一个对象类都有一个固定 的属性集。属性表用来描述这个属性集，同样参数表用来描述交互类的 参数。 ( 5 ) 路由空间表。 2 1 2h l a 的对象模型开发过程 开发一个h l a 模型应用系统的关键，首先是根据物理模型结合联 邦概念模型归还和确定独立的联邦成员，通过对象模型模板h l a 定义 了s o m 。一个具有指导意义的s o m 的开发过程如下：( 1 ) 确定要发布 的对象类和交互类；( 2 ) 确定订阅类的需求；( 3 ) 确定要发布的属性与 参数；( 4 ) 确定待订阅的属性；( 5 ) 准备对象类结构表；( 6 ) 准备对象 交互表；( 7 ) 准备属埘参数表；( 3 ) 准备o m t 扩展表( 可选) 。 2 2 系统可信度评估的相关理论 2 2 1 系统建模与仿真 模型；是指一个系统、实体、现象或过程的物理的、数学的或其它 逻辑的表达方法。狭义的模型可指具体的某个模型，广义的模型可指整 个仿真系统。 仿真：是基于模型的活动。用仿真来模拟实际的或概念的系统。用 于检验和分析实际系统，或培训操作人员操作实际系统“1 。 建模与仿真：建立和使用各种仿真模型，用来研究、理解实际不存 在的概念系统，或因资源、安全和保密性限制而不能进行实验的真实系 统，调查和分析综合环境下的仿真，为教育、培训和军事演习提供决策。 1 0 下图2 1 描述了仿真研究的基本原理和组成。 图2 1 仿真研究的基本原理和组成 2 2 2 仿真可信度与可信度评估 l 、仿真可信度与可信度评估的概念 仿真系统的可信度是仿真系统的使用者对应用仿真系统在一定环 境、一定条件下仿真实验的结果，解决所定义问题正确性的相信程度。 评估仿真系统可信度的过程称为仿真系统的可信度评估。 几点说明： ( 1 ) 仿真系统可信度的主体是仿真系统的使用者，反映的是仿真 系统的使用者应用仿真系统的一种相信程度 ( 2 ) 仿真系统的可信度受到仿真系统所处的外界环境因素的限制， 仿真系统不可能反映整个真实世界( 或人脑中构想的世界) ，其反映的只 能是真实世界的一部分，在仿真系统中体现的真实世界( 或人脑中构想 的世界) 就构成了仿真系统所处的环境。 ( 3 ) 仿真系统的输入是有一定条件限制的，仿真结果是在满足一 定条件的仿真系统输入下得到的仿真系统的输出结果，在讨论仿真可信 度问题时，必须指明仿真系统的仿真结果是在什么样的输入条件下获得 的。对于回一个仿真系统，不同的输入条件，仿真结果的正确性有可能 不同 ( 4 ) 仿真系统的可信度是针对仿真系统的使用者所定义并要解决 的问题而言的，仿真系统所要解决的问题通常是有限问题的集合，仿真 系统的可信度与仿真系统的使用者所定义并要解决问题的明确程度有 很大关系，问题越明确，仿真系统的可信度就可能越高。仿真系统的可 信度是解决所定义问题的正确性在仿真系统的使用者头脑中的反映。 2 、仿真可信度的性质 由上述仿真可信度概念的讨论中，有如下仿真可信度所具有的性 质， ( 1 ) 目的相关性 仿真可信度的高低直接与仿真系统的目的紧密相关。即使是对同一 个仿真系统，仿真目的不同，系统所表现的可信度也不同。如果抛开仿 真目的来谈可信度是没有任何意义的。 ( 2 ) 客观性一一 仿真可信度具有确定性和无偏见性，它不以系统使用者的态度和肝 使用的评估方法等主观因素为转移。 ( 3 ) 综合惶 仿真可信度是仿真模型、模型实现算法等多种因素的综合反映。仿 真可信度的某个侧面可能受多种因素影响，同样某一种因素也可能影响 可信度的某个侧面。例如车辆仿真系绕中，地形数据的准确性不仅会影 响视景中的遮挡关系，还会影响车辆行进的地形匹配。 ( 4 ) 层次性 仿真系统一般分成若干子系统，这些子系统也存在仿真可信度问 题，同时它们会反映在整个系统的仿真可信度之中。 ( ，) 简洁性 仿真结果应该被系统的任何使用者所理解。并产生相同的效果。使 用者为理解仿真产生的结果无需进行超常的训练。而且一个仿真系统的? 仿真结果应尽量表达的简单、清晰，并与系统实际结果相一致。 3 ，可信度评估的复杂性 仿真可信度评估在仿真系统中占有很重要的地位，但是要建立一套 完善的可信度评估理论和行之有效的评估方法却并非易事。这主要是队 下因素引起的； ( ) 仿真系统是融合了建模技术、系统科学、软件工程和领域知识 的复杂系统。我们在进行仿真可信度评估时，应充分吸收有关领域的成 功方法。但是这些方法绝大部分不是针对仿真可信度评估两直接提出来 的，因此在仿真可信度评估中应用这些方法时必须充分考虑仿真系统的 特点 ( 2 ) 复杂系统中研究对象的复杂程度大并且不确定性因素多。这些 仿真系统需要我们采取更为有效的方法和各方法之问有效配合进行可 信度评估。 ( 3 ) 。仿真系统中不断应用信息领域中的新技术，包括：面向对象技 术、人工智能技术、模糊技术、网络技术等等。这在增强仿真系统功能 和性能的同时也增加了仿真可信度评估难度。 2 2 3 可信性评估研究的参考框架 复杂大系统仿真可信性研究具有以下特点：涉及的技术面；包括 建模与仿真技术、系统工程技术、信息技术、计算机技术和网络技术等； 包含的内容多，包括评估的理论、过程、方法和工具等；工程实践 性强，要结合真实系统和仿真系统并服务于特定的应用目的。结合仿真 评估所具有的特点，论文从面向应用的角度，给出了可信性评估研究的 参考框架。 该参考框架自下而上共分为四个层次：底层支撑技术、基础理论、 评估服务和应用，并说明了以下几点t l 、可信性评估研究建立在建模与仿真技术和其它相关技术的基础 上，在评估研究中要充分利用并借鉴其它相关领域所取得的成果。 2 ，评估应用中要以建模与仿真应用目的为核心，综合考虑数据、 模型和仿真三方面的因素，建立科学的评估指标体系并最终形成规范的 评估报告。 ，、可信性评估研究的核心集中在基础理论层和评估服务层，包括 概念，原则、过程，方法和文档等，对于一些程式化成果最好表现为工 具的形式，以更好地服务于应用。 4 、评估的理论、方法和工具研究受应用需求的牵引并为应用服务， 在应用中获得的经验、教训等可丰富和完善仿真评估的理论并进一步促 进评估服务的完善。 应用层 一回囤 评估评估支撵工具 服务数据采集 i 资源管理i 过程管理i 评估方法l 规范化文档 基础理论概念度量 原则指标体系 底层支撑建模与仿真技术系统工程技术信息技术 技术计算技术计算机技术网络技术软件工程技术管理技术 图2 2 可信性评估研究的参考框架 第三章系统可信度评估的过程研究 基于h l a 光通信仿真系统的可信度评估研究不是在仿真系统建立 以后才进行的，而是伴随仿真应用系统的立项、设计、开发、调试、应 用、维护整个生命周期的一项重要活动。在基于i - t l a 光通信仿真系统 的可信度评估研究中，首先要明确在仿真生命周期的各个阶段，可信度， 评估要完成的工作，即进行可信度评估的过程研究，弄清楚每个阶段的 活动、产品、文档和数据等具体信息。本章首先分析了围绕不同版本的 联邦开发和运行过程( 班d e p ) 的过程模型的优缺点，接着在此基础上， 改进了围绕f e d e p1 5 1 6 ，版本的可信度评估过程模型，给出了该过程。 模型的具体描述，提出了优化该过程模型的几种可行的途径：根据风险、 效益比、利用已有仿真和运用测试和评估( t & e 等方法来选择可信度译 估的活动 羹3 1 可信度评估过程模型简介 i i l a 仿真系统的可信度评估过程并不是孤立存在的，它依赖于 f e d e p 过程的描述，并围绕f e d e p 过程展开。可信度评估过程贯穿于 联邦开发和运行全过程，主要分为校核、验证与确认( v v & a ) 三个方 面的活动。就f e d e p 而言，w & a 过程不是唯一盼，需要根据联邦的 变化不断进行人员、活动、产品、方法、工具以及文档等方面的调整。 首先介绍以美国国防部建模与仿真办公室( d m s o ) 的f e d e p1 5 版本为基础附w & a 过程模型。围绕f e d e p 六阶段，这个过程模型可 以分为九个阶段1 9 j z 阶段一，制定w & a 计划阶段。阶段二，概念模， 型验证阶段。阶段三；一致性校核阶段。阶段四：功能、想定，f o m 校核阶段。阶段五，成员运行支撑框架的接口校核阶段。阶段六，兼容 性校核阶段。阶段七：互操作性验证阶段。阶段八：联邦验证阶段。阶 段九，确认阶段 其次介绍以f e d e p 的i e e e l 5 1 6 3 版本为基础的v v & a 过程模型。 围绕f e d e p 七阶段i i o l ，这个过程模型可以分为七个阶段。阶段一：目 标校核阶段。阶段二，概念模型验证阶段阶段三：设计校核阶段。阶 段四；实现校核阶段。阶段五：联邦验证阶段。阶段六，确认决策阶段。 阶段七；事后执行并归档阶段。 通过仔细比较这两个版本的v v & a 过程模型，并分析它们之问的 异同。可以得出结论：基于i e e e 版本的f e d e p 的v v & a 过程模型相 1 4 对于d m s o 版本的f e d e p 的w & a 过程模型有许多优点，如：效率 更高、更易与f e d e p 过程集成、有更多支持确认决策的证据被收集。 这些优点形成的原因是由于：基于i e e e 版本的f e d e p 的v v & a 过程 随联邦开发过程而变化；f e d e p 过程和围绕它的w & a 过程两者之间 有更多共同的目标；两者之问共享许多开发资源、工具和数据。 在基于i e e e 版本的v v & a 过程模型中，按照f e d e p 过程的七个 阶段也划分为了七个阶段。但是我们认为该v v & a - 过程模型仍存在着 一些缺点：模型的某些方面比较粗糙，遗漏了一些内容，例如资源的一 致性校核部分 模型各阶段的活动很多，需要进一步细化，例如细化联 邦实现校核中的兼容性校核等；模型还需要进一步优化，来减少部分 v v & a 活动，提高w & a 工作效率。这样，为；了更好地利用w & a 过 程模型进行i i l a 仿真系统的可信度研究工作，对基于i e e e 版本的 v 、，& a 过程模型进行了改进。改进后的模型将更好地服务予v v & a 工 作| 1 1 1 改进后的模型围绕i e e e1 5 1 6 3 盼f e d e p 分为八个阶段。改进的 主要方面为：增加7 一致性校核阶段，该阶段加在目标校核阶段和概念 模型验证阶段之间；在阶段五，即实现校核中增加兼容性校核内容；在 阶段八，即事后执行归档中详细列出了需要记录和准备的文档以及数 据；给出了优化模型，提高效率的二种方法：根据风险，效益比、利用 已有仿真和运用t & e ，具体内容将在下一节给出。 本文提出的改进盼w & a 过程模型中，增加了一致性校核、兼狂 性校核阶段等，反映了w & a 使用者需要具体明确的模型内容的需求： 增加了优化模型的讨论来减少v 、像a 活动，一方面从w & a 工作者的 角度来说，可以提高效率，减少风险。另一方面从m & s 开发者的角度 来说，可以减少开发的时间与费用l 模型最后一个阶段列出了需要记录 和准备的文档以及数据，便于m & s 用户和确认人员得出确认结论，对 今后使用该仿真系统的人员来说，也提供了详细的模型可信与否的信 息。这几个方面分别体现了v v & a 使用者、m & s 开发者和今后m & s 用户对v v & a 过程的关注点，以下将介绍各个阶段的具体活动。 阶段一，目标校核阶段。这一阶段是围绕“定义联邦目标”阶段展 开的目标校核包括联邦目标和性能的校核这一阶段的活动首先是校 核与验证计划的开发。内容包括：v v & a 工作打算进行的活动；将使用 的工具；每一步期待的结果或产品；与开发者共享的活动；为达到联邦 某个可接受等级必须进行的v 、，& a 活动。这一阶段的活动其次是检查 需求描述和目标描述。w & a 人员要校核系统需求的完备性、正确性、 一致性、可行性和可测试能力。 阶段二：一致性校核阶段。这一阶段是围绕f e d e p 的阶段二至五 展开的。一致性校核是指确定成员是否与h l a 一致性校验表中的h l a 规则一致这个阶段的活动从设计开发阶段一直持续到测试集成阶段。 v v & a 人员决定：在设计阶段，仿真对象模型( s o m ) 是否符合对象模型 模板( o m t ) ；在开发阶段，联邦对象模型f o m ) 是否符合o m t 。成员 a p i 是否符合h l a 接口规范。 阶段三；概念模型验证阶段。这一阶段是围