林 驰，李 松，王 刚

（空军工程大学防空反导学院，西安710051）

0 引言

建模与仿真是探索客观世界和对复杂系统进行研究的有效途径［1］。在国防军事领域，作战仿真作为研究作战系统的有效方法更加得到重视［2］。目前国内外已经建立一批作战仿真系统，然而指控模型作为核心却容易被忽视［3］。

在作战仿真应用中指控模型可以有效减少所需的兵力和装备，降低人为因素影响，因此，指控模型是否可信，关系到作战仿真系统能否进行有效的作战模拟和发挥对人员训练、武器装备作战效能评估、新武器系统概念研究以及战术有效性检验方面的作用［2］。模型的校核验证及评估是解决问题的有效途径，一方面校核验证可确保模型满足可信性要求，另一方面评估可获得模型可信性程度。

尽管国内外在复杂仿真系统VV&A的研究取得一定进展，但对防空反导作战指控模型校核验证及评估的研究甚少。本文通过分析国内外复杂系统特别是作战仿真系统VV&A研究现状，根据防空反导作战指控进程及其模型的特点，对其建模全生命周期进行校核验证及评估。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

国外研究VV&A起步早，在理论性研究、标准规范研究、方法技术研究、工具及应用研究4个方面取得很多进展，具体如下：

理论性研究起始于人们对仿真模型的可信性存在质疑，在开始阶段主要分为模型校核和模型验证两部分［4］。Shannon指出校核是从内部进行一致性检验，验证则是从外部特性入手，具体需要从建模人员，评估人员和用户3个角度考虑。Osman Balci等学者则提出将建模仿真划分为10个阶段和13个VV&A过程同时进行框架设计，并提出全生命周期的VV&A以及总结出15条原则和13条指导研究策略［5］，且在研究复杂系统的过程中为弥补定量评估的缺陷指出采用定性方法并进行相应的研究。

而标准规范研究是在VV&A发展到一定程度时，很多学者意识到制定相应规范标准的重要性，具有代表性的成果有美国DMSO起草的《VV&A Recommended Practice Guide》，美国陆军制定的《陆军M&S管理程序》，美国海军制定的《海军M&S校核，验证与确认》及加拿大国防部制定发布的《M&S VV&A Guidebook》。

在方法技术方面的研究，主要成果有：《VV&A Recommended Practice Guide》总结出校核验证的76种方法和18种统计技术；Osman Balci等学者在研究VV&A及可信性评估的方法中提出静态分析、动态测试、约束分析和理论证明等方法［6-7］；另外Holmes和Robert G.Sargent［8］等学者针对模型验证提出对照比较法，专家评定法，图灵测试法，统计检验法，灵敏度分析法，半实物仿真法，数据图法，假设检验法，极端条件测试法等多种方法。

在工具及应用方面，比较具有代表性的有基于HLA的测试和评估工具：Ageis公司开发的联邦成员测试工具FedProxy，MAK公司研制的Data Logger等，主要应用于国防军事领域。

1.2 国内研究现状

国内对于VV&A的研究起步比较晚，目前没有形成体系化的理念，缺乏相关的规范标准，主要是在借鉴国外经验的基础上，结合国内复杂仿真系统特点进行理论、方法等方面的研究。研究工作基本集中在院校和科研机构，主要包括：国防科技大学对作战仿真系统进行可信性研究；北京航空航天大学和哈尔滨工业大学侧重于交互式仿真系统VV&A的方法指标的研究；西北工业大学对水下航行器仿真系统进行可信性评估研究，以及空军工程大学在作战仿真系统VV&A标准规范方面的研究［2］。目前研究的成果及特点如下：

在理论研究方面，王勇提出评价框架具有指导性，辅助评价者展开评价工作，评价模型是评价的手段，通过评价模型给评价对象一个结论，指标体系是评价的准则，而仿真模型解决评价数据的获取问题，评价对象决定了仿真模型和指标体系［9］；同时针对CSSCM的评估技术展开研究，建立了评估CSSCM所依据的原则，归纳了评估CSSCM语法层，语义层以及语用层3类指标，分析了评估CSSCM的非形式化、半形式化、形式化3类方法，最后提出层次化评估方法在CSSCM中评估的作用［10］。而黄兴东针对对抗数字仿真试验系统，总结出“一条主线，两级仿真，3个层次，分层仿真，综合评估”的仿真试验体系［11］。贾爱梅等人通过对指挥控制系统可靠性评估的研究，提出用可靠度函数来度量指控系统的可靠性并进行深入研究［12］。另外有些学者提出构建作战仿真实验平台可以在仿真系统或模型的验证评估上发挥有效作用，王君等人结合地空导弹混编作战单元指挥控制系统研制背景，设计开发基于HLA的地空导弹混编作战单元指挥控制系统综合仿真试验平台进行相关作战过程的分析评估［13］，张跃提出构建作战仿真试验平台，试验平台主要是将实时数字仿真与硬件或真实的系统和人员结合起来构成“人在回路”的一种仿真演示验证系统［14］。

而在方法研究方面，宁小磊等人提出采用加权灰色关联度验证方法，解决在仿真模型验证过程中仅考虑时间序列之间的相似性而忽略时间序列之间的相近性的问题［15］，并在考虑常规灰色关联法在模型验证上，因绝对值运算无法敏感位移差正负性的缺陷提出比商灰色关联度模型验证法［16］，同时期吴静等人为降低灰色关联分析用于模型验证的风险，考虑仿真模型输出和实际系统输出时间序列之间的相近性和相似性，提出改进的灰色关联度模型［17］。根据大型复杂仿真系统的特点，赵敏荣提出利用贝叶斯理论对大型复杂仿真系统模型进行验证的方法，并指出模型形式是在各种假设条件下进行的，所做的假设最终体现在模型形式上，即所做的假设不同，导致模型不同，所以对于模型的验证实质上是对模型所做假设的检验［18］。朱绍强和李相民在研究舰炮武器系统半实物仿真原理及系统仿真试验结果可信性评估问题的基础上，介绍了基于最大熵谱估计的可信性评估定量分析方法，给出了仿真试验静、动态数据的验证方法，以及仿真结果静、动态精度的检验方法［19］。国内还有不少学者结合自身研究领域在方法技术上进行深入研究，周延延等人通过对传统模型验证方法的研究，提出基于神经网络的模型验证方法［20］，马飒飒将贝叶斯估计引入软件可靠性评估预测领域，提出基于贝叶斯估计的软件可靠性综合评估方法［21］，柯文俊等人为提高系统质量提出基于Petri网模型的系统仿真验证方法［22］，及岳增坤提出的基于DODAF的体系结构模型的验证方法［23］等。

在工具应用方面也取得一定的研究成果，主要包括：数据分析软件KD-Analysis和联邦校核工具KD-FVT、数据采集工具DCT、成员一致性测试与评估工具KD-FCT、可信性评估软件包、武器系统贝叶斯可靠性评估软件SBRA等［2］。

2 防空反导作战指控模型分析

防空反导作战指控模型是构建防空反导作战指控系统的核心，主要以作战条例、战术规则、交战准则、控制逻辑等为依据，以目标或火力通道等作战要素或资源为约束和输入，基于对威胁态势的综合判断，以获得最大作战效益为目标，通过各级指挥人员、战勤人员实时“人在回路”的交互式或自主方式，完成作战指挥与武器控制方式优化选择及决策的一系列分析、判断、评估的求解过程。一方面从防空反导作战指挥控制进程进行分析描述，具体包含战前筹划/计划、态势分析、辅助决策及作战协同/控制4个阶段，其中主要以战中实时态势分析和辅助决策为重点，另一方面从防空反导作战指控系统的角度分析，根据作战任务，系统功能及地位等要素主要分为区域、战术及火力3个层级，其中具备作战指挥与火力控制双重功能的战术级作战指控系统，作为开展网络化作战的关键将是研究的重点，具体的模型类别如图1所示。

根据图1能了解到防空反导作战指控模型类别复杂且模型特点不一，对所有指控模型进行分析的工作量非常大，且涉及的知识面比较广。因此，主要以战术级防空反导作战指控系统战中实时态势分析和辅助决策为重点进行分析，而态势分析和辅助决策的实质就是指控系统的信息处理过程，主要可以从情报信息处理和指挥信息处理两个过程进行描述，具体如下页图2所示，其中指挥信息处理中的目标识别、威胁估计及目标分配是3个相对复杂的子过程，是构建指控系统的关键模型。

3 防空反导作战指控模型校核验证及评估思路分析

3.1 总体框架设计

图1 防空反导作战指控模型

防空反导作战指控模型的建模仿真具有较高的复杂度，实现了从作战需求到初始概念，初始概念到建模，建模到实验分析的研究过程，主要包含需求定义、概念模型、数学模型及仿真模型4个阶段。因此，对指控模型的检验可以从这几个方面出发，总体框架设计如图3所示。

图2 指控系统的信息处理过程

3.2 需求校核

需求定义是将实际作战需求转化成准确的仿真需求的前提和保证，在建模与仿真的全生命周期，一般起着导引作用，同时也作为模型最终确认的证据。如何保证需求定义的可信性，成为研究防空反导作战指控模型亟需解决的问题，而需求校核是解决该问题的有效方法。

防空反导作战指控模型需求定义基本都是采用自然语言和图形化模型进行综合描述，对自然语言描述的部分一般采用非形式化的方法进行检验，主要是针对该部分内容进行需求评估和需求追踪，而对图形化模型描述部分一般采用模型执行的方法。需求校核主要从问题域、用户域及仿真域3个方面的需求进行检验，其指标体系主要包括需求的正确性、完整性、清晰性、一致性以及可测试性，其中一致性主要从语法、语义去定量检验。

3.3 概念模型验证

概念模型是为某一应用目的、运用语言、符号和图形等形式，对真实世界系统信息进行的抽象和简化，构建概念模型的过程［24-30］。防空反导作战指控概念模型也同样可以采用自然语言和形式化语言进行描述，对于自然语言描述部分主要采用非形式化方法进行验证，而对于图形化描述静态部分采取数据分析，语义语法分析方法，动态部分则采用基于时态逻辑的概念模型验证方法和形式化证明方法，其验证的指标体系分析则是从语法、语义及语用3方面进行分析，语法、语义及语用的验证是保证概念模型正确性、完整性及一致性的重要途径。

3.4 数学模型验证

图3 总体框架设计

数学模型一般是以代数方程、微分方程以及状态方程等可解析的数学方程及状态图、树形图等图结构模型进行描述的，作为构建仿真模型的必经阶段，它是否可信很大程度决定仿真模型质量的好坏［2］。防空反导作战指控数学模型的验证可以从建模目标与规则、先验军事知识、作战实验数据、建模理论与方法、建模步骤安排等方面进行检验，它主要回答的是“是否正确建立了数学模型”以及“建立的数学模型是否正确”。根据防空反导作战指控数学模型的特点，一般选用专家评判法、直接对比法、经验测试法以及非形式化方法中的一种或综合多种方法进行验证，指标体系主要从与概念模型的一致性、模型的正确性、模型的合理性等方面进行确定。

3.5 仿真模型验证

仿真模型的验证主要从仿真算法，流程图以及程序代码3方面进行。目前仿真模型验证的方法主要可分为动态和静态两大类方法：静态方法主要是在不执行模型的情况下对仿真模型的流程图、仿真算法、程序代码等的阅读、检查与分析，一般采用的是人工方法进行结构分析、流程图检验、代码审查等；动态方法主要是针对仿真模型的程序代码，即通过运行程序来检验程序是否存在错误，以及能否达到预定的效果，一般采用白盒测试、黑盒测试和灰盒测试方法。如果从仿真算法、流程图以及程序代码等方面对防空反导作战指控仿真模型进行验证，工作量将非常大，下面主要以流程图为对象进行验证思路分析。

防空反导作战指控仿真模型流程图验证，一般是检查流程图是否正确反映仿真算法和编程过程，从功能性、有效性以及组合性3方面检查模型是否对实际作战指控过程进行真实描述，主要从作战指控流程、模型输入输出数据、流程图执行及程序行为、节点及流程路径的设置、模型的变量参量等方面进行检验。验证的目的主要是及时发现并改正指控模型中存在的不合理控制转移、输入输出的不合理关系、不恰当的嵌套、不合理的参量变量设置等。

3.6 模型评估

校核验证确保模型满足可信性要求，为了获取模型的可信性程度还需要进行模型评估，模型评估是分析模型相对于特定应用目的而言，其过程、现象和结果是正确反映真实世界程度的过程［2］。模型评估一般可以分为同一仿真模型不同构成部分评估、同一仿真模型不同应用目的评估，及同一真实对象不同仿真模型评估3种类型，对于防空反导作战指控模型的评估属于第1种类型，主要是由包含的子模型或组成部分的评估综合而成。针对防空反导作战指控模型，可以采用模块化指挥控制评价结构（MCES）来构建模型评估的框架，具体如图4所示。

图4 模型评估过程

其中问题阐述主要是明确被评估模型的情况及评估的层次和假设条件；模型边界是从静态角度分析确定模型的物理实体和结构；模型定义则是从动态角度分析模型的功能过程；模型元素和功能结合是基于以上两个步骤确定物理实体、结构和功能过程之间的关系，建立体系结构；指标说明是基于体系结构定义评估可信度所需的指标；数据生成和处理主要是通过实验等产生指标数值并进行处理；确定评估方法是指根据模型的特点和指标体系选择评估的方法；数据综合获取可信度就是基于指标数值和确定的评估方法进行计算获取模型可信度。

4 结论

本文通过分析国内外对复杂仿真系统特别是作战仿真系统的VV&A研究现状的基础上，提出对防空反导作战指控模型进行全生命周期的验证评估，主要从需求校核、概念模型验证、数学模型验证、仿真模型验证及模型评估5个子过程展开。这对防空反导作战指控系统的研究及构建一体化防空反导作战体系具有重大意义。由于防空反导作战指控模型类别多且模型复杂度高，本文只进行大致思路的分析，缺少对具体指控模型的校核验证及评估研究，这将是未来学习研究中所需致力的关键。