建模与仿真、VV&A、T&E三者的关系
文案 | 刘丽，贾荣珍，王行仁，詹文军
配图 | 来源互联网
1引言
建模与仿真技术广泛地应用于各个领域的规划制订、方案论证、设计分析、运行维护、训练及管理等各个阶段。通过建模与仿真技术．可以有效地减少系统的研制费用、螗短研制周期．从而节省人、财和物力资源，取得了明显的经济教益和社会效益。与此同时．随着建模与仿真(Modeling and Siretdation，简称M＆s)复杂程度的不断增加，M&S的正确性和置信度问题也越来越重要。即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以后一系列应用决策过程。一个不正确的仿真结果可能导致重大的央策失误。从某种意义上来说．只有保证了M&S的正确性和置信度，最终得到的仿真结果才有实际应用的价值和意义．仿真系统才真正具有生命力。因此，对如何保证M&S的正确性和置信度的研究，引起了国内外仿真界的足够重视。在这种背景下．导致了校核、验证与确认(Verification，Validation and Accreditation．简称VV＆A)技术的产生、发展和应用。VV＆A技术能够提高和保证M&S的置信度，降低由于仿真系统在实际应用中的仿真结果不准确而引起的风险。在VV&A过程中．同时进行测试与评估(Test and Evaluation．简称T＆E)，可为VV&A提供摄好的确认基准。下面探讨M&S、VV&A、T&E三者的关系，“便成功地应用这些技术，确保仿真系统的置信度。
2M&S与VV&A之间的关系
VV&A过程应该自始至终贯穿于M&S的整个生命开发周期．二者密切相关。它们的关系如下图所示。
上图中的“问题实体”表示要进行建模与仿真的实际系统、设想或现象。“概念模型”和“仿真模型”表示问题实体在M&S开发生命周期中的不同阶段所呈现的不同表现形态，图中虚线部分表示M&S开发生命周期的三个主要阶段：“分析与建模”、“设计实现”、“仿真试验”。
在分析与建模阶段通过对问题实体进行数学、逻辑上的抽象和描述，得到该实体的概念模型。然后进一步通过设计实现将概念模型再转换为软件实现．得到仿真模型，最后，在仿真实验阶段运行仿真模型得到仿真结果。从而结束M&S开发生命局期。
图中大圆框中说明在M&S开发生命周期中进行的主要V&V工作：“验证概念模型”、“校核仿真模型”、“验证仿真结果”。对概念模型验证主要是检验概念模型的理论和假设是否正确，问题实体的模型表达是否合理地满足建模的目的。仿真模型的校核则是确保软件设计实现与概念模型的一致性，仿真结果的验证则是确定仿真模型的输出结果对于M&S预期应用是否正确，即是否符合图中的问题实体的需求．
数据有效性的验证是这三部分工作的基础．它确保在M&S中的数据是合适、正确的。上图概括了VV&A与M&S的之间的基本关系．虽然该图对M＆S生命周期和其中的W&A过程描述的比较简单，但是图中仍然体现了VV＆A的基本原则：即VV＆A是M&S的有机组成部分，另外图中也反映了数据的有效性在VV＆A中的重要角色。
确定VV＆A需求、起草VV&A计划、概念模型的校核和验证、校桉M&S设计、验证M&S的实现和应用、M&S可接受性评估，可见．新模型的开发过程从系统概念定义开始，到用户操作测试和确认结束，每一步都应该按需求进行评估、记录偏差、并对偏差进行修正。总结并记录支持v＆v的成果．
作为接受评估的基础和报告。该报告反过来．为用户作出确认决定提供参考。这是十反复的过程，如果中间出现任何问题，必须立即改进模型或做进一步的V&V。
3M＆S与T&E之间的关系
T＆E过程为决策者提供基本信息，评定技术参数是否达到指标，并确定系统是否达到预期的目标。任何一个系统在交付使用前必须进行测试与评估，通过评估系统性能是否满足所提要求．可以增强用户对系统的信任感。
随着系统复杂性的增加．测试人员更多地考虑采用M&S的方法对系统进行测试与评估。采用M&S的方法进行T&E，可以提高测试环境的范围和逼真度．提高测试效率．增加实时的人机交瓦能力．设置不同的环境条件．进行后置系统分析等，使用M&S可增加测试时间和事件、降低系统涮试的费用和风险，并可不断重复。
对一个仿真系统，M&S可减少系统研发时间，降低开发仿真系统的成本风险，并提高仿真系统的质量。仿真系统的开发．从需求确定、开始概念设计到新系统的制造、测试，都必须考虑实际的综合环境来支持各个阶段。
在仿真系统开发过程中，用模型来指导仿真系统的开发，对系统测试的结果，反过来又指导对模型的修正。测试与评估过程为决策者提供基本信息，评定技术性能参数是否达标，井确定M&S构造的仿真系统是否达到了预期的目的。
模型和仿真的测试与评估的一般过程。仿真模型或仿真系统运行后得到有关的性能测试数据，与基准数据进行比较．对于飞行模拟器基准数据可以是试飞数据、实验数据或设计技术指标参数，根据评估标准给定的允许误差对比较结果进行评估．并得到评估结论，若某些性能不满足规范要求可返回进行模型修正或参数调整，优化系统，直到所评定的性能参数达到标准要求、被测模型或仿真系统达到预期目的为止。
4VV＆A与T＆E的关系
任何一个M&S部必须进行VV&A，任何一个系统都必须进行T&E，VV&A和T&E是相互关联的。当被测试系统本身就是一个仿真系统，即M&S就是系统．系统硬件仪仅是运行仿真软件的计算机平台时，T&E作为VV&A的一个子集，T&E和VV&A过程大致相同，只是VV＆A过程还包含一些T&E过程所不具备的活动，如代码枝核、算法验证等。
在这种情况下，实际系统与模型有机地联系在一起．对模型的VV&A和对系统的T&E同时进行。VV＆A和T&E相互配合、相互促进，用模型来指导系统开发，对系统测试的结果反过来卫用于模型的修正。
M&S开发与VV&A 以及仿真系统开发与T＆E的对应关系。可以看出，VV&A和T＆E有许多共同点。首先它们都要确定需求，VV&A过程的M&S开发计划、概念模型开发阶段与T&E过程的系统规范和软件需求规范阶段相对应，之后它们都进入设计开发、设计完成和系统集成阶段。对M&S开发的每一阶段都要进行校核和验证(V&V)，对仿真系统开发的每一步也都要进行检验。
在仿真系统设计完成时，要对整个开发过程进行测试与评估，称为DTE(Developmont Test and Evaluation)；仿真系统集成后，还要对整个系统的操作性能进行测试与评估，称为OTE(Operational Test and Evaluation)。VV&A过程的“校值”是确保产品开发过程的正确性，与T&E过程的“DT&E”一致；VV&A过程的“验证”是确保开发的产品的正确性，与T＆E过程的“OT＆E”一致。
VV＆A过程和T＆E过程有很多的相同点。VV&A和T＆E的主要目的都是降低风险，通过评估仿真系统的性能是否满足要求，使用户增加对仿真系统的信任感。在T＆E和VV&A过程开始之前．都需要确定任务和责任。T&E过程和VV&A过程的信息需求本质是一致的，包括关键技术参数．关键操作结果以及性能指标等。T&E过程的完成为VV&A过程的评估提供了很好的基准。在T&E过程评估仿真系统性能的同时．VV&A过程也在评估M&S的置信度。开发、测试和管理机构都应很好地理解和实施VV&A和T&E过程，这方面T&E过程有许多成熟的方法可以为VV&A所利用。T&E过程和VV&A过程都需要清楚地制定文档。T&E和VV&A的文档有一些重要的交叉信息。
V＆V计划中的一些信息可直接用于T&E计划。两个过程的配合可减少重复，从而节省时间和费用。当构造一个仿真系统时．T&E与VV＆A过程是如此一致，以致于这两个过程可以合二为一。在生产一个M&S产品时，对仿真系统的T&E与仿真的V&V做一简短地对等声明，可最大限度地节省费用和时间、降低风险。
当实际系统包含仿真系统时，对模型的VV&A和对系统的T&同时进行。例如，飞行模拟器是典型的人在回路的实时仿真系统。它由飞行系统、操纵系统发动机系统、视景系统、仪表系统、音响系统、运动系统等许多分系统构成。其中的飞行系统采用M&S的方法，在M&S开发的全生命周期必须进行VV&A，才能保证该系统的正确性和置信度。而操纵系统、发动机系统等有些子系统同时包括软、硬件，在系统开发过程中必须经过T&E，才能保证系统的正确性和精度。然后，进行软件、硬件及网络的连接调试，还包括人的参与。在系统运行过程中，验证整个仿真系统复现实体性能的逼真程度，作出评估。若某些性指标不满足规范要求，必须分析各部件精度对整个仿真精度的影响。重新修正模型或调整参数，优化系统．直至飞行模拟器的各项指标达到标准为止。
5结束语
综上所述，VV&A是M&S的有机组成部分，T&E又是VV&A的有机组成部分，T&E与VV&A有很多共同点。T＆E侧重于对仿真系统性能进行测试与评估，VV＆A要贯穿于M&S开发的全生命周期，性能测试与评估的结果为仿真系统的VV&A打下良好的基础。在M&S开发过程中要同时进行T&E和VV&A．以便确保仿真系统的置信度，使仿真系统具有实用价值。
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