防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型校核驗(yàn)證及評估*

林 馳，李 松，王 剛

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051）

0 引言

建模與仿真是探索客觀世界和對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行研究的有效途徑［1］。在國防軍事領(lǐng)域，作戰(zhàn)仿真作為研究作戰(zhàn)系統(tǒng)的有效方法更加得到重視［2］。目前國內(nèi)外已經(jīng)建立一批作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，然而指控模型作為核心卻容易被忽視［3］。

在作戰(zhàn)仿真應(yīng)用中指控模型可以有效減少所需的兵力和裝備，降低人為因素影響，因此，指控模型是否可信，關(guān)系到作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)能否進(jìn)行有效的作戰(zhàn)模擬和發(fā)揮對人員訓(xùn)練、武器裝備作戰(zhàn)效能評估、新武器系統(tǒng)概念研究以及戰(zhàn)術(shù)有效性檢驗(yàn)方面的作用［2］。模型的校核驗(yàn)證及評估是解決問題的有效途徑，一方面校核驗(yàn)證可確保模型滿足可信性要求，另一方面評估可獲得模型可信性程度。

盡管國內(nèi)外在復(fù)雜仿真系統(tǒng)VV&A的研究取得一定進(jìn)展，但對防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型校核驗(yàn)證及評估的研究甚少。本文通過分析國內(nèi)外復(fù)雜系統(tǒng)特別是作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)VV&A研究現(xiàn)狀，根據(jù)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控進(jìn)程及其模型的特點(diǎn)，對其建模全生命周期進(jìn)行校核驗(yàn)證及評估。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外研究VV&A起步早，在理論性研究、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究、方法技術(shù)研究、工具及應(yīng)用研究4個方面取得很多進(jìn)展，具體如下：

理論性研究起始于人們對仿真模型的可信性存在質(zhì)疑，在開始階段主要分為模型校核和模型驗(yàn)證兩部分［4］。Shannon指出校核是從內(nèi)部進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，驗(yàn)證則是從外部特性入手，具體需要從建模人員，評估人員和用戶3個角度考慮。Osman Balci等學(xué)者則提出將建模仿真劃分為10個階段和13個VV&A過程同時進(jìn)行框架設(shè)計(jì)，并提出全生命周期的VV&A以及總結(jié)出15條原則和13條指導(dǎo)研究策略［5］，且在研究復(fù)雜系統(tǒng)的過程中為彌補(bǔ)定量評估的缺陷指出采用定性方法并進(jìn)行相應(yīng)的研究。

而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究是在VV&A發(fā)展到一定程度時，很多學(xué)者意識到制定相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的重要性，具有代表性的成果有美國DMSO起草的《VV&A Recommended Practice Guide》，美國陸軍制定的《陸軍M&S管理程序》，美國海軍制定的《海軍M&S校核，驗(yàn)證與確認(rèn)》及加拿大國防部制定發(fā)布的《M&S VV&A Guidebook》。

在方法技術(shù)方面的研究，主要成果有：《VV&A Recommended Practice Guide》總結(jié)出校核驗(yàn)證的76種方法和18種統(tǒng)計(jì)技術(shù)；Osman Balci等學(xué)者在研究VV&A及可信性評估的方法中提出靜態(tài)分析、動態(tài)測試、約束分析和理論證明等方法［6-7］；另外Holmes和Robert G.Sargent［8］等學(xué)者針對模型驗(yàn)證提出對照比較法，專家評定法，圖靈測試法，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，靈敏度分析法，半實(shí)物仿真法，數(shù)據(jù)圖法，假設(shè)檢驗(yàn)法，極端條件測試法等多種方法。

在工具及應(yīng)用方面，比較具有代表性的有基于HLA的測試和評估工具：Ageis公司開發(fā)的聯(lián)邦成員測試工具FedProxy，MAK公司研制的Data Logger等，主要應(yīng)用于國防軍事領(lǐng)域。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于VV&A的研究起步比較晚，目前沒有形成體系化的理念，缺乏相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，主要是在借鑒國外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)復(fù)雜仿真系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行理論、方法等方面的研究。研究工作基本集中在院校和科研機(jī)構(gòu)，主要包括：國防科技大學(xué)對作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)進(jìn)行可信性研究；北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)側(cè)重于交互式仿真系統(tǒng)VV&A的方法指標(biāo)的研究；西北工業(yè)大學(xué)對水下航行器仿真系統(tǒng)進(jìn)行可信性評估研究，以及空軍工程大學(xué)在作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)VV&A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面的研究［2］。目前研究的成果及特點(diǎn)如下：

在理論研究方面，王勇提出評價(jià)框架具有指導(dǎo)性，輔助評價(jià)者展開評價(jià)工作，評價(jià)模型是評價(jià)的手段，通過評價(jià)模型給評價(jià)對象一個結(jié)論，指標(biāo)體系是評價(jià)的準(zhǔn)則，而仿真模型解決評價(jià)數(shù)據(jù)的獲取問題，評價(jià)對象決定了仿真模型和指標(biāo)體系［9］；同時針對CSSCM的評估技術(shù)展開研究，建立了評估CSSCM所依據(jù)的原則，歸納了評估CSSCM語法層，語義層以及語用層3類指標(biāo)，分析了評估CSSCM的非形式化、半形式化、形式化3類方法，最后提出層次化評估方法在CSSCM中評估的作用［10］。而黃興東針對對抗數(shù)字仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，總結(jié)出“一條主線，兩級仿真，3個層次，分層仿真，綜合評估”的仿真試驗(yàn)體系［11］。賈愛梅等人通過對指揮控制系統(tǒng)可靠性評估的研究，提出用可靠度函數(shù)來度量指控系統(tǒng)的可靠性并進(jìn)行深入研究［12］。另外有些學(xué)者提出構(gòu)建作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)平臺可以在仿真系統(tǒng)或模型的驗(yàn)證評估上發(fā)揮有效作用，王君等人結(jié)合地空導(dǎo)彈混編作戰(zhàn)單元指揮控制系統(tǒng)研制背景，設(shè)計(jì)開發(fā)基于HLA的地空導(dǎo)彈混編作戰(zhàn)單元指揮控制系統(tǒng)綜合仿真試驗(yàn)平臺進(jìn)行相關(guān)作戰(zhàn)過程的分析評估［13］，張躍提出構(gòu)建作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)平臺，試驗(yàn)平臺主要是將實(shí)時數(shù)字仿真與硬件或真實(shí)的系統(tǒng)和人員結(jié)合起來構(gòu)成“人在回路”的一種仿真演示驗(yàn)證系統(tǒng)［14］。

而在方法研究方面，寧小磊等人提出采用加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度驗(yàn)證方法，解決在仿真模型驗(yàn)證過程中僅考慮時間序列之間的相似性而忽略時間序列之間的相近性的問題［15］，并在考慮常規(guī)灰色關(guān)聯(lián)法在模型驗(yàn)證上，因絕對值運(yùn)算無法敏感位移差正負(fù)性的缺陷提出比商灰色關(guān)聯(lián)度模型驗(yàn)證法［16］，同時期吳靜等人為降低灰色關(guān)聯(lián)分析用于模型驗(yàn)證的風(fēng)險(xiǎn)，考慮仿真模型輸出和實(shí)際系統(tǒng)輸出時間序列之間的相近性和相似性，提出改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度模型［17］。根據(jù)大型復(fù)雜仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)，趙敏榮提出利用貝葉斯理論對大型復(fù)雜仿真系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證的方法，并指出模型形式是在各種假設(shè)條件下進(jìn)行的，所做的假設(shè)最終體現(xiàn)在模型形式上，即所做的假設(shè)不同，導(dǎo)致模型不同，所以對于模型的驗(yàn)證實(shí)質(zhì)上是對模型所做假設(shè)的檢驗(yàn)［18］。朱紹強(qiáng)和李相民在研究艦炮武器系統(tǒng)半實(shí)物仿真原理及系統(tǒng)仿真試驗(yàn)結(jié)果可信性評估問題的基礎(chǔ)上，介紹了基于最大熵譜估計(jì)的可信性評估定量分析方法，給出了仿真試驗(yàn)靜、動態(tài)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證方法，以及仿真結(jié)果靜、動態(tài)精度的檢驗(yàn)方法［19］。國內(nèi)還有不少學(xué)者結(jié)合自身研究領(lǐng)域在方法技術(shù)上進(jìn)行深入研究，周延延等人通過對傳統(tǒng)模型驗(yàn)證方法的研究，提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型驗(yàn)證方法［20］，馬颯颯將貝葉斯估計(jì)引入軟件可靠性評估預(yù)測領(lǐng)域，提出基于貝葉斯估計(jì)的軟件可靠性綜合評估方法［21］，柯文俊等人為提高系統(tǒng)質(zhì)量提出基于Petri網(wǎng)模型的系統(tǒng)仿真驗(yàn)證方法［22］，及岳增坤提出的基于DODAF的體系結(jié)構(gòu)模型的驗(yàn)證方法［23］等。

在工具應(yīng)用方面也取得一定的研究成果，主要包括：數(shù)據(jù)分析軟件KD-Analysis和聯(lián)邦校核工具KD-FVT、數(shù)據(jù)采集工具DCT、成員一致性測試與評估工具KD-FCT、可信性評估軟件包、武器系統(tǒng)貝葉斯可靠性評估軟件SBRA等［2］。

2 防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型分析

防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型是構(gòu)建防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控系統(tǒng)的核心，主要以作戰(zhàn)條例、戰(zhàn)術(shù)規(guī)則、交戰(zhàn)準(zhǔn)則、控制邏輯等為依據(jù)，以目標(biāo)或火力通道等作戰(zhàn)要素或資源為約束和輸入，基于對威脅態(tài)勢的綜合判斷，以獲得最大作戰(zhàn)效益為目標(biāo)，通過各級指揮人員、戰(zhàn)勤人員實(shí)時“人在回路”的交互式或自主方式，完成作戰(zhàn)指揮與武器控制方式優(yōu)化選擇及決策的一系列分析、判斷、評估的求解過程。一方面從防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制進(jìn)程進(jìn)行分析描述，具體包含戰(zhàn)前籌劃/計(jì)劃、態(tài)勢分析、輔助決策及作戰(zhàn)協(xié)同/控制4個階段，其中主要以戰(zhàn)中實(shí)時態(tài)勢分析和輔助決策為重點(diǎn)，另一方面從防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控系統(tǒng)的角度分析，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)，系統(tǒng)功能及地位等要素主要分為區(qū)域、戰(zhàn)術(shù)及火力3個層級，其中具備作戰(zhàn)指揮與火力控制雙重功能的戰(zhàn)術(shù)級作戰(zhàn)指控系統(tǒng)，作為開展網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)的關(guān)鍵將是研究的重點(diǎn)，具體的模型類別如圖1所示。

根據(jù)圖1能了解到防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型類別復(fù)雜且模型特點(diǎn)不一，對所有指控模型進(jìn)行分析的工作量非常大，且涉及的知識面比較廣。因此，主要以戰(zhàn)術(shù)級防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控系統(tǒng)戰(zhàn)中實(shí)時態(tài)勢分析和輔助決策為重點(diǎn)進(jìn)行分析，而態(tài)勢分析和輔助決策的實(shí)質(zhì)就是指控系統(tǒng)的信息處理過程，主要可以從情報(bào)信息處理和指揮信息處理兩個過程進(jìn)行描述，具體如下頁圖2所示，其中指揮信息處理中的目標(biāo)識別、威脅估計(jì)及目標(biāo)分配是3個相對復(fù)雜的子過程，是構(gòu)建指控系統(tǒng)的關(guān)鍵模型。

3 防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型校核驗(yàn)證及評估思路分析

3.1 總體框架設(shè)計(jì)

圖1 防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型

防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型的建模仿真具有較高的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了從作戰(zhàn)需求到初始概念，初始概念到建模，建模到實(shí)驗(yàn)分析的研究過程，主要包含需求定義、概念模型、數(shù)學(xué)模型及仿真模型4個階段。因此，對指控模型的檢驗(yàn)可以從這幾個方面出發(fā)，總體框架設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 指控系統(tǒng)的信息處理過程

3.2 需求校核

需求定義是將實(shí)際作戰(zhàn)需求轉(zhuǎn)化成準(zhǔn)確的仿真需求的前提和保證，在建模與仿真的全生命周期，一般起著導(dǎo)引作用，同時也作為模型最終確認(rèn)的證據(jù)。如何保證需求定義的可信性，成為研究防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型亟需解決的問題，而需求校核是解決該問題的有效方法。

防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型需求定義基本都是采用自然語言和圖形化模型進(jìn)行綜合描述，對自然語言描述的部分一般采用非形式化的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，主要是針對該部分內(nèi)容進(jìn)行需求評估和需求追蹤，而對圖形化模型描述部分一般采用模型執(zhí)行的方法。需求校核主要從問題域、用戶域及仿真域3個方面的需求進(jìn)行檢驗(yàn)，其指標(biāo)體系主要包括需求的正確性、完整性、清晰性、一致性以及可測試性，其中一致性主要從語法、語義去定量檢驗(yàn)。

3.3 概念模型驗(yàn)證

概念模型是為某一應(yīng)用目的、運(yùn)用語言、符號和圖形等形式，對真實(shí)世界系統(tǒng)信息進(jìn)行的抽象和簡化，構(gòu)建概念模型的過程［24-30］。防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控概念模型也同樣可以采用自然語言和形式化語言進(jìn)行描述，對于自然語言描述部分主要采用非形式化方法進(jìn)行驗(yàn)證，而對于圖形化描述靜態(tài)部分采取數(shù)據(jù)分析，語義語法分析方法，動態(tài)部分則采用基于時態(tài)邏輯的概念模型驗(yàn)證方法和形式化證明方法，其驗(yàn)證的指標(biāo)體系分析則是從語法、語義及語用3方面進(jìn)行分析，語法、語義及語用的驗(yàn)證是保證概念模型正確性、完整性及一致性的重要途徑。

3.4 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

圖3 總體框架設(shè)計(jì)

數(shù)學(xué)模型一般是以代數(shù)方程、微分方程以及狀態(tài)方程等可解析的數(shù)學(xué)方程及狀態(tài)圖、樹形圖等圖結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行描述的，作為構(gòu)建仿真模型的必經(jīng)階段，它是否可信很大程度決定仿真模型質(zhì)量的好壞［2］。防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控?cái)?shù)學(xué)模型的驗(yàn)證可以從建模目標(biāo)與規(guī)則、先驗(yàn)軍事知識、作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、建模理論與方法、建模步驟安排等方面進(jìn)行檢驗(yàn)，它主要回答的是“是否正確建立了數(shù)學(xué)模型”以及“建立的數(shù)學(xué)模型是否正確”。根據(jù)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控?cái)?shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，一般選用專家評判法、直接對比法、經(jīng)驗(yàn)測試法以及非形式化方法中的一種或綜合多種方法進(jìn)行驗(yàn)證，指標(biāo)體系主要從與概念模型的一致性、模型的正確性、模型的合理性等方面進(jìn)行確定。

3.5 仿真模型驗(yàn)證

仿真模型的驗(yàn)證主要從仿真算法，流程圖以及程序代碼3方面進(jìn)行。目前仿真模型驗(yàn)證的方法主要可分為動態(tài)和靜態(tài)兩大類方法：靜態(tài)方法主要是在不執(zhí)行模型的情況下對仿真模型的流程圖、仿真算法、程序代碼等的閱讀、檢查與分析，一般采用的是人工方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、流程圖檢驗(yàn)、代碼審查等；動態(tài)方法主要是針對仿真模型的程序代碼，即通過運(yùn)行程序來檢驗(yàn)程序是否存在錯誤，以及能否達(dá)到預(yù)定的效果，一般采用白盒測試、黑盒測試和灰盒測試方法。如果從仿真算法、流程圖以及程序代碼等方面對防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，工作量將非常大，下面主要以流程圖為對象進(jìn)行驗(yàn)證思路分析。

防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控仿真模型流程圖驗(yàn)證，一般是檢查流程圖是否正確反映仿真算法和編程過程，從功能性、有效性以及組合性3方面檢查模型是否對實(shí)際作戰(zhàn)指控過程進(jìn)行真實(shí)描述，主要從作戰(zhàn)指控流程、模型輸入輸出數(shù)據(jù)、流程圖執(zhí)行及程序行為、節(jié)點(diǎn)及流程路徑的設(shè)置、模型的變量參量等方面進(jìn)行檢驗(yàn)。驗(yàn)證的目的主要是及時發(fā)現(xiàn)并改正指控模型中存在的不合理控制轉(zhuǎn)移、輸入輸出的不合理關(guān)系、不恰當(dāng)?shù)那短?、不合理的參量變量設(shè)置等。

3.6 模型評估

校核驗(yàn)證確保模型滿足可信性要求，為了獲取模型的可信性程度還需要進(jìn)行模型評估，模型評估是分析模型相對于特定應(yīng)用目的而言，其過程、現(xiàn)象和結(jié)果是正確反映真實(shí)世界程度的過程［2］。模型評估一般可以分為同一仿真模型不同構(gòu)成部分評估、同一仿真模型不同應(yīng)用目的評估，及同一真實(shí)對象不同仿真模型評估3種類型，對于防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型的評估屬于第1種類型，主要是由包含的子模型或組成部分的評估綜合而成。針對防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型，可以采用模塊化指揮控制評價(jià)結(jié)構(gòu)（MCES）來構(gòu)建模型評估的框架，具體如圖4所示。

圖4 模型評估過程

其中問題闡述主要是明確被評估模型的情況及評估的層次和假設(shè)條件；模型邊界是從靜態(tài)角度分析確定模型的物理實(shí)體和結(jié)構(gòu)；模型定義則是從動態(tài)角度分析模型的功能過程；模型元素和功能結(jié)合是基于以上兩個步驟確定物理實(shí)體、結(jié)構(gòu)和功能過程之間的關(guān)系，建立體系結(jié)構(gòu)；指標(biāo)說明是基于體系結(jié)構(gòu)定義評估可信度所需的指標(biāo)；數(shù)據(jù)生成和處理主要是通過實(shí)驗(yàn)等產(chǎn)生指標(biāo)數(shù)值并進(jìn)行處理；確定評估方法是指根據(jù)模型的特點(diǎn)和指標(biāo)體系選擇評估的方法；數(shù)據(jù)綜合獲取可信度就是基于指標(biāo)數(shù)值和確定的評估方法進(jìn)行計(jì)算獲取模型可信度。

4 結(jié)論

本文通過分析國內(nèi)外對復(fù)雜仿真系統(tǒng)特別是作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的VV&A研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出對防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型進(jìn)行全生命周期的驗(yàn)證評估，主要從需求校核、概念模型驗(yàn)證、數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證、仿真模型驗(yàn)證及模型評估5個子過程展開。這對防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控系統(tǒng)的研究及構(gòu)建一體化防空反導(dǎo)作戰(zhàn)體系具有重大意義。由于防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指控模型類別多且模型復(fù)雜度高，本文只進(jìn)行大致思路的分析，缺少對具體指控模型的校核驗(yàn)證及評估研究，這將是未來學(xué)習(xí)研究中所需致力的關(guān)鍵。