作戰(zhàn)軟件模型檢驗(yàn)方法研究＊

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1 引言

在作戰(zhàn)軟件的開發(fā)過程中,作戰(zhàn)模型研制是將軍事理論知識轉(zhuǎn)化為軟件工程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是作戰(zhàn)軟件開發(fā)的前提和基礎(chǔ),作戰(zhàn)軟件是否符合作戰(zhàn)指揮的戰(zhàn)術(shù)原則和戰(zhàn)場實(shí)際情況,將取決于作戰(zhàn)軟件中所使用的作戰(zhàn)模型是否正確可信。因此,如何保證作戰(zhàn)模型的正確可信,為作戰(zhàn)軟件提供高質(zhì)量的作戰(zhàn)模型,是作戰(zhàn)軟件開發(fā)過程中一個亟待解決的重要問題。解決上述問題的有效途徑是對作戰(zhàn)模型進(jìn)行有效、系統(tǒng)的檢驗(yàn),這是確保作戰(zhàn)軟件所采用的作戰(zhàn)模型正確可信的重要措施和手段。在作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)過程中的每一階段,都需要使用各種檢驗(yàn)方法作為具體的操作手段,所以,對作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)方法進(jìn)行研究,正確選取適合于作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)各個階段的檢驗(yàn)方法,對成功開展模型檢驗(yàn)工作,確保作戰(zhàn)模型的正確可信有著重要的意義。

2 作戰(zhàn)模型的研制基本過程

作戰(zhàn)模型是根據(jù)特定的作戰(zhàn)應(yīng)用需求和作戰(zhàn)軟件開發(fā)的需要,對作戰(zhàn)指揮決策過程和方法的抽象描述。它是構(gòu)成作戰(zhàn)軟件中指揮流程、控制流程、決策內(nèi)容、輸入輸出、及算法的關(guān)鍵要素,并為作戰(zhàn)軟件詳細(xì)設(shè)計提供必要的輸入。作戰(zhàn)模型研制基本過程如圖1所示,作戰(zhàn)模型研制是一個不斷抽象和深化的過程。

圖1 作戰(zhàn)模型研制基本過程

由圖1可以看出,作戰(zhàn)模型研制主要劃分為兩個階段：理論模型研制和工程模型研制。理論模型是對特定作戰(zhàn)應(yīng)用環(huán)境下的作戰(zhàn)指揮決策過程的首次抽象和概念描述,它側(cè)重于對軍事領(lǐng)域知識的分析和描述,并獨(dú)立于模型實(shí)現(xiàn),其特點(diǎn)是采用符合軍事人員的思維方式與表述習(xí)慣的圖、文、表等格式化文檔實(shí)現(xiàn)對領(lǐng)域知識的結(jié)構(gòu)化描述。工程模型是對理論模型進(jìn)行工程化處理的產(chǎn)物,它將理論模型中所描述的格式化要素信息轉(zhuǎn)化為面向軟件技術(shù)人員的形式化描述方式,其特點(diǎn)是采用便于技術(shù)人員理解和進(jìn)行后期設(shè)計實(shí)現(xiàn)的形式化、層次化的方法,實(shí)現(xiàn)對理論模型的工程化處理。

在作戰(zhàn)模型的研制過程中,由于作戰(zhàn)模型的抽象性、現(xiàn)代作戰(zhàn)的復(fù)雜性、指揮決策過程信息獲取的不完全性等眾多不確定性因素,可能導(dǎo)致作戰(zhàn)模型偏離作戰(zhàn)指揮決策的客觀實(shí)際,必然存在模型是否正確合理、功能是否完善、是否適應(yīng)作戰(zhàn)軟件開發(fā)需要等問題[1]。因此,需要在模型研制的各階段采用適合的檢驗(yàn)方法對作戰(zhàn)模型進(jìn)行檢驗(yàn),以保證作戰(zhàn)模型正確可信。

3 作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)方法的分類

作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)方法按照各自的特點(diǎn),可劃分為以下四個基本類別[2～5],同時,類別越正式,復(fù)雜程度也越高。

1)非正式方法

非正式方法也稱為主觀方法,因?yàn)樗鼈兯褂玫墓ぞ吆屯緩街饕蕾囉谌说耐评砗椭饔^判斷,它并不具備嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述和分析推理。所謂的“非正式”并非表明這些方法的運(yùn)用缺乏組織性或正式的指導(dǎo)原則。實(shí)際上,此種方法的運(yùn)用有明確定義步驟的結(jié)構(gòu)化程序,而且確定了專門的數(shù)據(jù)要求(如：檢查表格、提問等),適當(dāng)運(yùn)用此方法可以得到很高的效率,但同時它也存在一個嚴(yán)重的缺陷,即分析的結(jié)果在很大程度上將受到領(lǐng)域?qū)＜业馁|(zhì)量和主觀意識的制約。

非正式法比較容易掌握和使用,此種方法是目前模型檢驗(yàn)中應(yīng)用最廣泛的一種方法,其中各種檢驗(yàn)技術(shù)同樣可以應(yīng)用于作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)的各個階段。由于這種方法主要依賴于人的推理和主觀判斷,所以它特別適合對作戰(zhàn)模型的定性方面進(jìn)行分析和檢驗(yàn),在作戰(zhàn)模型的需求檢驗(yàn)、理論模型驗(yàn)證和模型確認(rèn)階段,它擁有不可替代的重要作用。該方法中適用于作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)的技術(shù)包括：專家評審驗(yàn)證、基于物元法的評估、圖上推演、圖靈測試等。

2)靜態(tài)方法

靜態(tài)方法評估靜態(tài)模型設(shè)計和代碼,對模型內(nèi)部的設(shè)計進(jìn)行正確性檢查。靜態(tài)方法不要求運(yùn)行模型,而是通過人腦的推理和想象來判斷模型的執(zhí)行結(jié)果,從而檢查模型的結(jié)構(gòu)、模型內(nèi)部數(shù)據(jù)和控制流的正確性以及語法的正確性等。這種方法應(yīng)用于校核驗(yàn)證模型的靜態(tài)方面。

靜態(tài)方法的特點(diǎn)決定了它適合對作戰(zhàn)模型的靜態(tài)方面進(jìn)行有效檢驗(yàn),如利用可追溯性分析校核理論模型中的需求在轉(zhuǎn)化到工程模型時是否具有一致性;利用語義分析工具,如編程語言編譯器,可以根據(jù)編譯過程中編譯器顯示的各種編譯信息,對工程模型的代碼進(jìn)行校核等。該方法中適用于作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)的技術(shù)包括：可追溯性分析、結(jié)構(gòu)分析、數(shù)據(jù)分析、接口分析等。

3)動態(tài)方法

動態(tài)方法要求運(yùn)行模型,并根據(jù)模型在運(yùn)行時的表現(xiàn)來對其進(jìn)行評估。大多數(shù)動態(tài)方法需要在檢驗(yàn)的模型加入自檢驗(yàn)程序模塊,即在執(zhí)行模型中加入用于檢驗(yàn)的附加代碼段,以收集模型運(yùn)行中的狀態(tài)信息,通過對這些信息的分析達(dá)到檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪康摹＿@種方法是實(shí)際中較為有效的方法,應(yīng)用于校核驗(yàn)證模型的動態(tài)方面。

動態(tài)方法是在模型運(yùn)行的情況下對模型進(jìn)行檢驗(yàn),因此該方法中的某些檢驗(yàn)技術(shù)適合檢驗(yàn)作戰(zhàn)模型的動態(tài)方面,例如利用特殊輸入測試可以驗(yàn)證作戰(zhàn)模型的輸出是否在期望值區(qū)間以內(nèi),從而判斷模型的可信性;統(tǒng)計技術(shù)可以應(yīng)用于作戰(zhàn)模型中的解析子模型,如果模型的輸入輸出過程的數(shù)據(jù)可以得到,那么可用統(tǒng)計技術(shù)進(jìn)行模型驗(yàn)證,得到定量的評估結(jié)果等。另外一部分技術(shù)由于自身使用條件的限制(如所需要的信息在作戰(zhàn)模型運(yùn)行中難以得到),在作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)過程中使用起來比較困難,包括：白盒測試、預(yù)測驗(yàn)證、符號調(diào)試和回歸測試等。該方法中適用于作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)的技術(shù)包括：仿真驗(yàn)證、斷點(diǎn)檢查、靈敏度分析、特殊值測試等。

4)形式化方法

形式化檢驗(yàn)方法是基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)邏輯和推理,通過數(shù)學(xué)證明、邏輯運(yùn)算或者推理來發(fā)現(xiàn)模型的問題,是較為精確和嚴(yán)格的檢驗(yàn)方法。如果實(shí)際中可應(yīng)用該方法,那將是對模型進(jìn)行檢驗(yàn)最有效方法,但由于當(dāng)前的形式化檢驗(yàn)技術(shù)的復(fù)雜性和局限性,這種方法甚至不能應(yīng)用到一個略為復(fù)雜的模型中去。

正式方法的各項技術(shù)在作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)中實(shí)施起來將會遇到很大的困難,只有當(dāng)作戰(zhàn)模型的建模采用了形式化建模技術(shù),該方法才有一定的實(shí)際應(yīng)用價值,因此這種方法對于作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)不太適用。

4 作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)方法的分配

表1給出了各種檢驗(yàn)方法在作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)過程中各階段的初步分配情況,從表中可以看出,理論模型驗(yàn)證和作戰(zhàn)模型確認(rèn)主要采用非正式方法,工程模型校核和驗(yàn)證則可以綜合采用非正式方法、靜態(tài)方法和動態(tài)方法。這也是由作戰(zhàn)模型研制過程的特點(diǎn)所決定的,作戰(zhàn)模型的研制是一個由定性到定量逐步轉(zhuǎn)化的過程,與之對應(yīng),作戰(zhàn)模型的檢驗(yàn)方法也應(yīng)如此。沒有哪一種檢驗(yàn)方法可以完美適用于所有作戰(zhàn)模型的檢驗(yàn),因此必須根據(jù)作戰(zhàn)模型的特點(diǎn)綜合運(yùn)用適合的檢驗(yàn)方法,才能保證檢驗(yàn)的效果。該方案按照作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)過程各階段進(jìn)行,考慮了各種檢驗(yàn)方法的適用范圍和局限,并結(jié)合了各階段作戰(zhàn)模型的特點(diǎn),將各種方法應(yīng)用于適合的作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)的各個階段。

表1 檢驗(yàn)方法在檢驗(yàn)各階段的分配方案

5 作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)方法的組合應(yīng)用策略

在實(shí)際的作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)工作中,為了能夠達(dá)到較好的檢驗(yàn)效果,在對模型的同一部分進(jìn)行檢驗(yàn)時可采用多種方法進(jìn)行檢驗(yàn),或者將多種方法結(jié)合起來使用,為此,提出一種作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)方法的組合應(yīng)用策略：以理論模型的專家評審驗(yàn)證法和工程模型的仿真驗(yàn)證法為主要檢驗(yàn)方法,將多種方法有機(jī)整合到這兩種主要檢驗(yàn)方法中,實(shí)現(xiàn)了多種檢驗(yàn)方法的綜合運(yùn)用。

5.1 理論模型專家評審驗(yàn)證法

理論模型側(cè)重于對軍事領(lǐng)域知識的分析和描述,主要采用圖、文、表等格式化文檔進(jìn)行描述。因此,需要借助領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)和判斷對其進(jìn)行定性分析和檢驗(yàn)。理論模型專家評審驗(yàn)證法是以領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識為基礎(chǔ),在檢驗(yàn)表的指導(dǎo)下,采用評審技術(shù)對理論模型中所描述的各個關(guān)鍵要素進(jìn)行驗(yàn)證,并結(jié)合適合的可信度評估方法對理論模型的可信度進(jìn)行評估的驗(yàn)證方法。

1)理論模型專家評審過程

理論模型專家評審驗(yàn)證的過程主要劃分為以下7個階段進(jìn)行：組建理論模型評審組、確定理論模型評審的范圍和標(biāo)準(zhǔn)、準(zhǔn)備評審材料、專家評審、理論模型可信度評估、問題修正和持續(xù)跟蹤。

2)理論模型專家評審活動

專家借助檢驗(yàn)表(如表2),采用比較驗(yàn)證的方式對理論模型文檔進(jìn)行評審。

表2 理論模型檢驗(yàn)表

在對各檢驗(yàn)項進(jìn)行評審時,還可以按照該檢驗(yàn)項內(nèi)容的特點(diǎn),采用不同的方式和檢驗(yàn)表進(jìn)行具體的評審。軍事規(guī)則檢驗(yàn)項、解析公式和數(shù)學(xué)運(yùn)算檢驗(yàn)項可以采用相應(yīng)的檢驗(yàn)表進(jìn)行評審,戰(zhàn)法和作戰(zhàn)過程檢驗(yàn)項則采用圖上推演法對其進(jìn)行檢驗(yàn)。

3)理論模型可信度評估

理論模型的可信度是指理論模型與其所描述的作戰(zhàn)指揮決策過程之間的相適應(yīng)程度。檢驗(yàn)人員采用合適的評估方法對各專家的評判結(jié)果進(jìn)行綜合評估,得出理論模型的可信度。由于理論模型指標(biāo)眾多、層次眾多,所以對于理論模型可信度的評估應(yīng)該采用定性和定量相結(jié)合的方法;另外,專家評判的結(jié)果是一個模糊的概念,所以可信度的評估結(jié)論也應(yīng)該是一種模糊性的結(jié)論。因此,應(yīng)采用模糊綜合評判[6]的方法對理論模型可信度進(jìn)行評估。

5.2 工程模型仿真檢驗(yàn)法

和理論模型不同,工程模型面向作戰(zhàn)軟件開發(fā)的技術(shù)人員,側(cè)重于將軍事領(lǐng)域的知識轉(zhuǎn)化到工程領(lǐng)域的算法、流程。由于工程模型具有形式化、工程化的特點(diǎn),所以,可以采用程序設(shè)計語言對工程模型進(jìn)行編碼,以實(shí)現(xiàn)工程模型在計算機(jī)仿真環(huán)境上的運(yùn)行,通過仿真檢驗(yàn)法對工程模型實(shí)施動態(tài)檢驗(yàn)。

1)工程模型仿真檢驗(yàn)流程

工程模型仿真檢驗(yàn)證流程如圖2所示。

2)仿真運(yùn)行結(jié)果的分析驗(yàn)證

仿真運(yùn)行結(jié)果的分析主要以下兩種方式。

宏觀定性分析是對工程模型仿真運(yùn)行過程中所表現(xiàn)出的各種外部行為進(jìn)行分析,從整體上檢驗(yàn)工程模型的可信性;微觀定量分析主要是對工程模型仿真運(yùn)行過程中的各種輸出數(shù)據(jù)和內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,從具體環(huán)節(jié)上檢驗(yàn)工程模型的可信性。

圖2 仿真驗(yàn)證流程

在實(shí)際檢驗(yàn)過程中,通常先采用宏觀定性分析檢驗(yàn)的方式,由領(lǐng)域?qū)＜遗袛喙こ棠Ｐ椭胁缓侠淼男袨?然后再通過微觀定量分析檢驗(yàn)的方式,找出導(dǎo)致不合理結(jié)果的具體環(huán)節(jié)。

3)工程模型仿真檢驗(yàn)框架設(shè)計

工程模型仿真檢驗(yàn)框架,是運(yùn)用仿真檢驗(yàn)方法對工程模型進(jìn)行檢驗(yàn)的計算機(jī)軟、硬件仿真環(huán)境,它是進(jìn)行工程模型仿真檢驗(yàn)的支持工具。在該檢驗(yàn)框架的支撐下,一方面能對工程模型的運(yùn)行進(jìn)行直觀的可視化演示,便于專家的分析和評審;另一方面也可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)模型檢驗(yàn)工作的自動化,提高模型檢驗(yàn)工作的效率。該檢驗(yàn)框架由作戰(zhàn)態(tài)勢設(shè)置與生成模塊、作戰(zhàn)過程仿真模塊、作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)?zāi)K與系統(tǒng)維護(hù)模塊組成,其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 仿真檢驗(yàn)框架軟件結(jié)構(gòu)

6 結(jié)語

隨著現(xiàn)代作戰(zhàn)軟件的功能和性能的不斷增強(qiáng),作戰(zhàn)模型研制的復(fù)雜程度越來越高,這些都對作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)活動提出了更高的要求。本文根據(jù)作戰(zhàn)模型研制的過程以及各階段作戰(zhàn)模型的特點(diǎn),提出了一種作戰(zhàn)模型檢驗(yàn)方法的組合應(yīng)用策略,運(yùn)用該策略可對作戰(zhàn)模型進(jìn)行系統(tǒng)、有效的檢驗(yàn),確保作戰(zhàn)模型的正確可信,并符合作戰(zhàn)軟件的開發(fā)需要。

[1]曹星平.作戰(zhàn)模型驗(yàn)證的過程成熟度模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2006,18(8)：2355～2357

[2]DMSO.VV&A Recommended Practice Guide[EB/OL].http：//vva.dmso.mil/Default.htm,1996

[3]Osman Balci.Verification Validation and Accreditation of Simulation Models[C]//Proceedings of the 1997 Winter Simulation Conference,1997

[4]Osman Balci.Verification Validation and Accreditation[C]//Proceedings of the 1998 Winter Simulation Conference,1998

[5]Robert G.Sargent.Validation and Verification of Simulation M odels[C]//Proceedings of the 2004 Winter Simulation Conference,2004

[6]張偉,王行仁.仿真可信度模糊評判[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2001,13(4)：473～475