復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真理論方法體系探討

王積鵬 李伯虎，2

（1.北京航空航天大學(xué)，北京100191；2.北京仿真中心，北京100854）

引 言

復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真作為仿真科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的一個重要分支，是直接與工程應(yīng)用緊密聯(lián)系的仿真實踐活動，它不僅要認(rèn)識和把握仿真科學(xué)與技術(shù)的一般規(guī)律，更要在認(rèn)識的基礎(chǔ)上去指導(dǎo)具體的仿真工程實踐.目前，復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于理論方法的研究，所涉及的相關(guān)知識尚處于不斷創(chuàng)新發(fā)展之中，有關(guān)理論方法呈現(xiàn)了與多種學(xué)科理論交叉、融合與匯聚的發(fā)展形態(tài)［1-5］，尚未形成體系.為此，本文基于多年研究工作，提出了復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真理論方法框架，如圖1所示，分析了理論方法在仿真工程中的應(yīng)用模式，目的在于為該領(lǐng)域研究工作提供技術(shù)支撐.

1 基礎(chǔ)理論

復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真涉及的基礎(chǔ)理論主要指適用于不同應(yīng)用領(lǐng)域復(fù)雜性問題研究的普適性科學(xué)理論，包括：系統(tǒng)科學(xué)理論、信息科學(xué)理論、管理科學(xué)理論等.

系統(tǒng)科學(xué)作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系一個大的門類，是以系統(tǒng)為研究對象、面向系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)理論，是一門從整體上研究各種系統(tǒng)共同運動規(guī)律的科學(xué)［6］.

信息科學(xué)是以信息為主要研究對象，以信息的運動規(guī)律和應(yīng)用方法為主要研究內(nèi)容，以計算機等技術(shù)為主要研究工具，以擴展人類的信息功能和智力功能為主要目標(biāo)的一門新興的綜合性學(xué)科.電子信息技術(shù)發(fā)展速度遠(yuǎn)快于信息科學(xué)理論的發(fā)展，電子信息技術(shù)、信息革命、信息化、信息社會的互動發(fā)展形態(tài)，促進(jìn)了信息科學(xué)理論完善和快速發(fā)展.

管理科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)、信息科學(xué)一樣，是一門由許多學(xué)科交叉融合形成的綜合性科學(xué)，其研究通常采用歷史分析法、比較分析法、案例分析法、歸納演繹法等.

圖1 復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真理論方法框架示意圖

2 學(xué)科理論

復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真涉及的學(xué)科理論，主要指適用于仿真科學(xué)與技術(shù)的共用理論，包括：相似理論、仿真建模理論、仿真系統(tǒng)理論、仿真應(yīng)用理論等.這些理論是開展復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真研究的重要基礎(chǔ)［7-9］.

2.1 相似理論

相似理論是論述自然界和工程中各種事物相似條件和相似現(xiàn)象性質(zhì)的學(xué)說.仿真領(lǐng)域所研究的相似理論，是針對仿真目的，為尋找仿真模型與研究對象之間的相似特性；對不同事物、系統(tǒng)、信息的相似性進(jìn)行描述的基本概念和理論，包括：相似、相似域、相似規(guī)則、強相似、弱相似、相似性度量等［10-12］.

復(fù)雜系統(tǒng)的相似理論，主要研究由眾多異構(gòu)系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)在適應(yīng)性、不確定性、涌現(xiàn)性等方面的相似性質(zhì).目前，復(fù)雜系統(tǒng)的相似問題研究主要包括：復(fù)雜系統(tǒng)的非線性相似、涌現(xiàn)性相似、不確定性相似、突變型相似、不可逆和不可重復(fù)性相似、自治性相似、自組織性相似等.由于復(fù)雜系統(tǒng)不可以用還原論進(jìn)行描述，因此，其相似理論研究目前僅僅處于初步探索階段.

2.2 仿真建模理論

仿真建模理論是對仿真研究對象進(jìn)行抽象描述，形成仿真模型的理論和方法.其主要任務(wù)是對客觀實體、運用環(huán)境、人類行為等進(jìn)行抽象描述，為各類仿真應(yīng)用奠定模型基礎(chǔ).通常認(rèn)為，仿真是一種基于模型的活動，建立系統(tǒng)模型并通過模型的運行進(jìn)行研究和試驗，是仿真研究的主要目的.目前，仿真建模理論研究主要包括：模型的一般理論、構(gòu)建模型的理論、復(fù)雜性建模理論等.

模型的一般理論主要研究模型分析、設(shè)計、構(gòu)建、驗證、管理的共性原理和方法.復(fù)雜性建模理論，是將復(fù)雜性科學(xué)的相關(guān)理論和研究方法應(yīng)用到仿真建模，建立符合復(fù)雜性仿真應(yīng)用模型、以及驗證模型正確性和可信性的理論方法［13-15］.

復(fù)雜環(huán)境建模理論是對地形地貌、海洋、空間、大氣、電磁等環(huán)境的建模仿真，重點是對實體運行和決策行為直接產(chǎn)生影響的環(huán)境進(jìn)行仿真，實現(xiàn)使人能有身臨其境的仿真效果；目前研究熱點主要集中在電磁環(huán)境效應(yīng)建模方法、光學(xué)環(huán)境建模方法、可視化建模方法、混合現(xiàn)實建模方法，其發(fā)展方向為標(biāo)準(zhǔn)化、多學(xué)科融合、實時動態(tài)化和分布式協(xié)同化.

2.3 仿真系統(tǒng)理論

仿真系統(tǒng)理論主要研究仿真系統(tǒng)及其支撐環(huán)境設(shè)計、構(gòu)建、運行管理，它包括一般理論、領(lǐng)域理論、支撐技術(shù)等.

仿真系統(tǒng)的一般理論是指導(dǎo)仿真系統(tǒng)構(gòu)建與運行的共性理論，包括：仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計和全壽命管理等.

仿真系統(tǒng)的領(lǐng)域理論是指導(dǎo)特定領(lǐng)域仿真系統(tǒng)研制的理論，包括：仿真系統(tǒng)的超現(xiàn)實性理論、時空一致性理論、實時性理論等.

仿真系統(tǒng)的支撐技術(shù)，主要研究構(gòu)建仿真系統(tǒng)所采用的一系列技術(shù)與工具，包括：仿真系統(tǒng)開發(fā)支撐技術(shù)、系統(tǒng)運行支撐技術(shù)、系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等.

2.4 仿真應(yīng)用理論

仿真應(yīng)用理論主要研究各個仿真應(yīng)用領(lǐng)域共有的普適性規(guī)律，包括可信性理論、仿真試驗設(shè)計原理與方法、仿真可視化原理與方法、仿真結(jié)果分析與評估方法、虛擬樣機工程方法等.

仿真應(yīng)用的可信性理論包括仿真可信性的基本理論、影響因素的分析、控制方法等.其中，仿真可信性的基本理論，主要研究仿真可信性的概念、度量方法、分析與評估等；仿真可信性是指相對于特定應(yīng)用目的、正確反映原系統(tǒng)客觀規(guī)律的程度，通常包括數(shù)據(jù)可信性、模型可信性、仿真系統(tǒng)可信性、仿真實驗可信性等；目前，仿真可信性的定量度量方法大多是基于誤差理論進(jìn)行研究，而仿真可信性的定性度量方法主要基于仿真各個環(huán)節(jié)和仿真結(jié)果；仿真可信性的分析與評估采用定量與定性相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合研究；但是，對于復(fù)雜系統(tǒng)仿真的可信性分析與評估，現(xiàn)在經(jīng)常采用的層次分析和模糊評判等方法仍有很大的局限性.

仿真試驗設(shè)計原理與方法，是依托仿真系統(tǒng)，根據(jù)研究目的，制定試驗大綱、確定試驗項目、開展試驗設(shè)計、整合仿真資源、運行仿真系統(tǒng)、獲取仿真數(shù)據(jù)、分析試驗結(jié)果、形成評估結(jié)論的完整過程.仿真試驗設(shè)計的主要目的是利用相關(guān)的原理和方法，對仿真試驗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，期望以較小的試驗規(guī)模和次數(shù)，達(dá)到試驗?zāi)康?，獲取必須的試驗結(jié)果.

仿真可視化原理與方法，是將仿真活動中的過程、現(xiàn)象、事物用人們視覺可以觀察的方式表現(xiàn)出來，包括：仿真建模的過程、仿真運行的過程、仿真結(jié)果的可視化等，在各類仿真活動中均有應(yīng)用.仿真可視化采用基于地理信息系統(tǒng)的二維可視化和視景技術(shù)的三維可視化，應(yīng)用仿真初始條件的可視化、仿真模型的可視化、仿真試驗的可視化、仿真評估的可視化、仿真環(huán)境的可視化、人機交互的可視化、仿真不可見信息的可視化等方面.

仿真結(jié)果分析與評估方法，主要包括仿真試驗數(shù)據(jù)處理分析、仿真結(jié)果評估、綜合評估的結(jié)果分析等.

虛擬樣機工程方法，是一種基于計算機仿真的數(shù)字化復(fù)雜產(chǎn)品工程支持技術(shù)，它利用建模仿真技術(shù)構(gòu)造數(shù)字化復(fù)雜產(chǎn)品（虛擬樣機），并將建模仿真技術(shù)魯棒、協(xié)同、集成化地應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品采辦的全生命周期；以虛擬樣機為核心，合理組織復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)全過程的三要素（團(tuán)隊、管理、技術(shù)），有機集成三類技術(shù)（工程設(shè)計、建模仿真、項目管理），促進(jìn)復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)過程中各類活動的集成優(yōu)化運行，以達(dá)到提升復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)效率和質(zhì)量、提高企業(yè)創(chuàng)新能力與市場競爭力的目的.目前，虛擬樣機工程方法的研究熱點包括：復(fù)雜產(chǎn)品多域多維多尺度動態(tài)演進(jìn)的建模，復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計知識的物化，多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化理論與方法，復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機工程全生命周期管理，網(wǎng)絡(luò)化虛擬制造平臺，基于知識的產(chǎn)品多學(xué)科、異地、協(xié)同建模仿真，建模仿真與數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的集成，基于仿真的采辦（Simulation Based Acquisition，SBA）和面向各領(lǐng)域、各層次的參數(shù)化、組件化、通用化的產(chǎn)品與環(huán)境模型庫技術(shù)等.

3 仿真方法論

復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真的方法論，是研究和解決仿真工程問題的一般規(guī)律和模式.它不僅要考慮方法論的共性特點，綜合采用演繹邏輯、歸納邏輯、概率統(tǒng)計、試驗驗證等思維模式；更要針對領(lǐng)域特點，采用系統(tǒng)工程方法論、體系工程方法論、仿真工程方法論，具體解決復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真工程問題.

3.1 系統(tǒng)工程方法論

系統(tǒng)工程方法論是圍繞特定目的研究開發(fā)人工系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)、從整體上研究和解決問題的總稱.具有代表性的系統(tǒng)工程方法論，包括近半個世紀(jì)以來發(fā)展起來的霍爾和切克蘭德的系統(tǒng)工程方法論、并行工程方法論、物理-事理-人理（Wuli-Shili-Renli，WSR）系統(tǒng)方法論.

系統(tǒng)工程方法論是1968年美國貝爾電話公司工程師霍爾最早提出的，其核心內(nèi)容是時間維、邏輯維、知識維的系統(tǒng)工程三維結(jié)構(gòu)模型.英國學(xué)者切克蘭德把霍爾提出的方法論稱為硬系統(tǒng)方法論，他自己則在此基礎(chǔ)上提出了軟系統(tǒng)方法論.霍爾的三維結(jié)構(gòu)模型中，時間維表示從系統(tǒng)工程規(guī)劃到更新的全過程，分為規(guī)劃、方案、研制、生產(chǎn)、運行、更新等6個階段；邏輯維是運用系統(tǒng)工程方法進(jìn)行思考、分析和解決問題時應(yīng)遵循的程序，它將每個階段所要進(jìn)行的工作分為明確問題、選擇目標(biāo)、系統(tǒng)綜合、系統(tǒng)分析、方案優(yōu)化、做出決策、付諸實施等7個步驟；知識維是指在完成上述各種步驟所需要的各種專業(yè)知識和管理知識.運用系統(tǒng)工程知識把時間維和邏輯維結(jié)合起來，便形成一個二維結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)工程活動矩陣，活動矩陣在應(yīng)用于復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真時，可有效解決仿真工程的管理問題，減少決策上的失誤和計劃實施過程中的困難.切克蘭德的軟系統(tǒng)方法論的核心思路不是尋求最優(yōu)化，而是調(diào)查、比較、學(xué)習(xí)，從系統(tǒng)現(xiàn)狀和模型比較中，學(xué)習(xí)改善現(xiàn)存系統(tǒng)的途徑.其方法流程主要包括問題現(xiàn)狀說明、弄清關(guān)聯(lián)因素、建立概念模型、改善概念模型、將概念模型與現(xiàn)狀比較、實施系統(tǒng)改革方案等6個步驟.

并行工程是美國國防分析研究所在20世紀(jì)80年代提出、在計算機集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS）和系統(tǒng)工程中發(fā)展起來的工程方法論，已經(jīng)成為美國國防部21世紀(jì)發(fā)展武器裝備系統(tǒng)的基本管理指南.并行工程是對系統(tǒng)產(chǎn)品及相關(guān)過程，包括制造過程和支持過程，進(jìn)行并行、一體化設(shè)計的一種系統(tǒng)化方法論，它力圖使系統(tǒng)開發(fā)者從一開始就考慮系統(tǒng)全生命周期的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度和用戶需求.并行工程強調(diào)的四大要素是加速開發(fā)周期、提高系統(tǒng)質(zhì)量、降低系統(tǒng)成本、提供優(yōu)質(zhì)服務(wù).作為系統(tǒng)工程原理的深入和應(yīng)用，并行工程是一種更為廣義的優(yōu)化設(shè)計，更加注重集成性、協(xié)同性、并行性、科學(xué)性.并行工程的組織管理模式采用信息系統(tǒng)支持下的柔性化組織，強調(diào)縮短信息傳遞途徑、加強不同領(lǐng)域間的融合與協(xié)作，對組織結(jié)構(gòu)的影響表現(xiàn)為向扁平化組織結(jié)構(gòu)演化的趨勢.按照并行工程管理技術(shù)和方法組織實施，包括：制定并行工程實施計劃、確定明確的開發(fā)目標(biāo)、進(jìn)行并行工程培訓(xùn)和基礎(chǔ)設(shè)施準(zhǔn)備、分析現(xiàn)有過程、按照重組原則改進(jìn)現(xiàn)有過程模型、實施新的過程、評價結(jié)果并改進(jìn).

物理-事理-人理系統(tǒng)方法論是1995年由中科院顧基發(fā)研究員和英國Hull大學(xué)朱志昌博士共同提出的［16］.該方法論認(rèn)為，在處理復(fù)雜系統(tǒng)問題時，既要考慮對象系統(tǒng)的物的方面（物理），又要考慮如何更好使用這些物的方面，即事的方面（事理），還要考慮由于認(rèn)識問題、處理問題、實施管理與決策都離不開的人的方面（人理）.把這三方面結(jié)合起來，利用人的理性思維的邏輯性和形象思維的綜合性與創(chuàng)造性，組織實踐活動，以產(chǎn)生最大的效益和效率.任何復(fù)雜系統(tǒng)不僅涉及物、事、人，而且涉及它們?nèi)咧g動態(tài)、交互的過程.物理、事理、人理三要素是不可分割的，它們共同構(gòu)成了關(guān)于世界的知識，包括是什么、為什么、怎么做、誰去做，所有的要素都是不可或缺的.缺少、忽略了某個要素，對復(fù)雜系統(tǒng)的研究是不完整的.WSR系統(tǒng)方法論的運用包括：理解意圖、調(diào)查分析、形成目標(biāo)、建立模型、協(xié)調(diào)關(guān)系、提出建議6個步驟.在系統(tǒng)綜合集成實施過程中，上述這些步驟有時需要反復(fù)進(jìn)行，也可以將有些步驟提前進(jìn)行.

3.2 體系工程方法論

體系工程與系統(tǒng)工程的主要不同點是作用對象不同，體系工程的對象是多個系統(tǒng)組成的大型復(fù)雜系統(tǒng).除此之外，二者的主要區(qū)別在于四個方面：一是追求的目標(biāo)不同，系統(tǒng)工程將系統(tǒng)整體最優(yōu)作為追求目標(biāo)，體系工程將用戶滿意作為追求目標(biāo)；二是作用對象的組成機制不同，系統(tǒng)工程強調(diào)系統(tǒng)組分之間的有機聯(lián)系，體系工程強調(diào)各個組分開發(fā)運行的相對獨立性；三是對環(huán)境因素的考慮不同，系統(tǒng)工程強調(diào)系統(tǒng)與運行環(huán)境是相互獨立的，體系工程強調(diào)體系背景復(fù)雜、與運行環(huán)境不可分割；四是推進(jìn)方法不同，系統(tǒng)工程強調(diào)系統(tǒng)建設(shè)是實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)的過程，體系工程強調(diào)體系建設(shè)是逐步演化的動態(tài)進(jìn)化過程［16］.

體系工程方法論源于對體系現(xiàn)象與問題的研究，是21世紀(jì)初人們在研究復(fù)雜大系統(tǒng)工程問題時探索形成的.盡管目前學(xué)術(shù)界對體系工程方法論還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識，但是它在體系描述、體系設(shè)計、體系集成、體系演化、體系測度等方面探索提出的方法，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)研究的熱點領(lǐng)域.

體系描述法，涉及體系工程的需求描述、目標(biāo)設(shè)定等，目前主要研究：綜合采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析法、復(fù)雜系統(tǒng)分析法、信息系統(tǒng)分析法、建模分析等手段，對體系的功能、流程、演化等進(jìn)行分析描述［3，17］.

體系設(shè)計法，主要是對體系建設(shè)與體系演化進(jìn)行總體設(shè)計，對發(fā)展戰(zhàn)略在時間、空間的展現(xiàn)形態(tài)和發(fā)展路線的整體設(shè)計，不僅取決于技術(shù)，更取決于理念.采用的方法主要有能力分解法、發(fā)展路線圖、體系結(jié)構(gòu)法、風(fēng)險矩陣等.

體系集成法，涉及體系建設(shè)全過程的技術(shù)集成、管理集成等.其中，技術(shù)集成研究主要采用共性技術(shù)體制的體系資源集成法，體系行動規(guī)劃分析的體系資源配置法，體系協(xié)作和體系編成計劃的信息資源共享法等.管理集成主要是采用管理科學(xué)理論的現(xiàn)代項目管理方法，對人力、物資和各類資源進(jìn)行綜合管理.

體系演化法，主要涉及體系的漸進(jìn)演化模式和激進(jìn)演化模式，在大多數(shù)情況下，體系建設(shè)往往采用漸進(jìn)演化模式，包括體系構(gòu)建、流程重組、體系再造等過程，而每一個過程又要涉及概念分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、運行實現(xiàn)等階段.體系演化方法研究包括體系演化分析法、體系演化設(shè)計法、體系協(xié)同演化法、資源配置演化法、體系靜態(tài)演化與動態(tài)演化法等，有進(jìn)一步向體系演化工程發(fā)展的趨勢.

體系測度法，主要涉及體系有效測度、體系效能評價、體系探索分析等.目前，體系有效測度與體系效能評價研究主要包括體系效能測度建模、體系魯棒性測度、體系動態(tài)適應(yīng)性測度、體系涌現(xiàn)性測度、體系建模與仿真驗證等；體系探索分析研究主要包括探索性分析理論、探索性分析框架、探索性分析建模、關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)等方法手段研究.

3.3 仿真工程方法論

仿真工程方法論，是借鑒相關(guān)學(xué)科理論研究成果，研究仿真科學(xué)技術(shù)的工程方法論［7-8，18］.通常，仿真工程方法論涉及“仿真建模、仿真運行、仿真應(yīng)用”等，包括抽象映射的仿真建模、模型試驗的仿真運行、目標(biāo)牽引的仿真應(yīng)用方法論等.

基于抽象映射的仿真建模方法論，核心思想是抽象與映射，即對仿真對象的主要特性進(jìn)行抽象提取，建立相應(yīng)的概念模型；進(jìn)而對概念模型進(jìn)行形式化表述和數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，將其映射為可計算的仿真模型.這一過程是基于相似理論實現(xiàn)的，不僅涉及對仿真對象的感性認(rèn)識和理性抽象，也涉及到對模型進(jìn)行形式化映射和驗證等一系列活動.

模型試驗的仿真運行方法論，認(rèn)為仿真活動的本質(zhì)是對仿真模型進(jìn)行試驗，在有序的模型組織體系下，設(shè)計、控制、管理仿真系統(tǒng)運行的過程.當(dāng)前，系統(tǒng)仿真正在向“數(shù)字化、虛擬化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化、普適化”為特征的現(xiàn)代化方向發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下構(gòu)造、運行、管理仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)仿真系統(tǒng)與研究對象的在線同步運行試驗，將大大提升仿真系統(tǒng)的運行效率，擴展仿真系統(tǒng)的作用范圍.

目標(biāo)牽引的仿真應(yīng)用方法論.現(xiàn)行的仿真應(yīng)用都是圍繞預(yù)定目標(biāo)展開的，目標(biāo)牽引是仿真應(yīng)用方法論的重要前提.利用仿真手段開展復(fù)雜系統(tǒng)和工程應(yīng)用的“全系統(tǒng)、全過程、全方位”研究，根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域的特定任務(wù)要求，從仿真對象的不同角度、不同層次進(jìn)行系統(tǒng)整體和全過程的仿真應(yīng)用研究，解決不同應(yīng)用領(lǐng)域的特定問題，是現(xiàn)代仿真工程的主要使命.

4 仿真工程方法

復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真的工程方法，是為了獲取滿足應(yīng)用領(lǐng)域要求的仿真系統(tǒng)產(chǎn)品，支持仿真工程開發(fā)、技術(shù)實現(xiàn)、綜合集成、評估分析的規(guī)則、技術(shù)和工具的集合.與信息系統(tǒng)開發(fā)的工程方法類似，系統(tǒng)仿真的工程方法大多脫胎軟件工程方法，而且往往比軟件開發(fā)方法的成熟期滯后一個階段.目前，復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真工程方法主要包括：復(fù)雜系統(tǒng)仿真的過程模型、復(fù)雜系統(tǒng)仿真的開發(fā)方法、復(fù)雜系統(tǒng)仿真的通用方法、復(fù)雜系統(tǒng)仿真的評估方法等［4，14-15］.

4.1 仿真的過程模型

復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真的過程模型，是跨越仿真系統(tǒng)開發(fā)期的全部“過程、活動、任務(wù)”的結(jié)構(gòu)框架，它能夠清晰、直觀地表達(dá)復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真開發(fā)過程要完成的主要活動和任務(wù)，可以作為復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真的工作基礎(chǔ).過程模型應(yīng)能支持復(fù)雜系統(tǒng)仿真的開發(fā)、保障、組織過程，歷史上主要出現(xiàn)過三類過程模型：線性模型、原型模型和演化模型.

線性模型，包括瀑布模型和快速應(yīng)用開發(fā)模型應(yīng)用于系統(tǒng)需求比較清晰、項目邊界比較明確的項目，常規(guī)武器裝備研制大多采用這類模型.

原型模型，是對線性模型的改良，一般應(yīng)用于通過原型試驗后逐步確定系統(tǒng)發(fā)展模式的項目，對需要探索試驗的項目，例如戰(zhàn)略武器裝備研制大多采用這種模型.

演化模型，是對原型模型的進(jìn)一步改進(jìn)，應(yīng)用于系統(tǒng)需求是在整個開發(fā)過程中逐步明晰的項目，強調(diào)系統(tǒng)建設(shè)是一個動態(tài)、漸進(jìn)、分階段發(fā)展完善的過程，比較適合復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真這類項目的開發(fā)；演化模型的實現(xiàn)類型又包括增量模型、螺旋模型、雙螺旋模型、基于構(gòu)件的開發(fā)模型、噴泉模型、智能模型等.

4.2 仿真的開發(fā)方法

對于復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真開發(fā)而言，目前具備理論和技術(shù)支持發(fā)展比較成熟的工程方法有：結(jié)構(gòu)化方法、面向?qū)ο蠓椒ā⒒跇?gòu)件方法、基于Agent方法.這些方法的共同特點是，可以在形式化或非形式化的理論和技術(shù)支持下，為復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真開發(fā)提供全過程支持.

結(jié)構(gòu)化方法，源于20世紀(jì)70年代的結(jié)構(gòu)化分析與設(shè)計技術(shù)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于系統(tǒng)定義、需求分析、系統(tǒng)設(shè)計中.其主要特征是面向過程和功能分解.面向過程體現(xiàn)在它是一種面向信息流的分析與設(shè)計，自始至終“以信息流”為主線，清晰地表達(dá)了信息的流向.功能分解體現(xiàn)在以“自頂向下、逐步求精”作為核心，其過程是一個由抽象到具體的基于功能的模塊劃分過程.結(jié)構(gòu)化方法一般包括四個步驟：結(jié)構(gòu)化分析、結(jié)構(gòu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)化實現(xiàn)、結(jié)構(gòu)化測試.該方法的優(yōu)點是簡單、易于掌握，按功能進(jìn)行分解和集成的理論方法比較成熟，具有完善的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、配套的工具環(huán)境支持.缺點是開發(fā)效率較低，難以適應(yīng)需求變化，系統(tǒng)各組成部分的重用性較差.結(jié)構(gòu)化方法應(yīng)用過程主要指分析階段和設(shè)計階段.分析階段的主要階段成果是建立數(shù)據(jù)模型、過程模型、規(guī)則模型、動態(tài)模型、綜合字典；設(shè)計階段的主要階段成果體現(xiàn)為功能建模和信息建模.

面向?qū)ο蠓椒?，顧名思義就是以對象觀點來分析現(xiàn)實系統(tǒng)中的問題.采用自然的思維方式，把事物歸類、綜合，提取共性并加以描述；面向?qū)ο蠓椒ㄊ且环N分析、設(shè)計、思維、綜合方法.它是一種應(yīng)用對象、類、繼承、聚合、消息傳遞和多態(tài)性等構(gòu)造系統(tǒng)的綜合集成方法.包括面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析、面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計、面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)實現(xiàn)、面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)測試.它在系統(tǒng)開發(fā)過程中采用了一致的模型，可支持各個階段之間的回溯.對象技術(shù)反映了對世界的自然視圖.對象按類和類層次被分類，封裝了數(shù)據(jù)和處理.類定義一旦完成，形成了在建模、設(shè)計和實現(xiàn)不同級別上重用的基礎(chǔ).新對象可從類中通過實例化產(chǎn)生.目前，面向?qū)ο蟮姆椒ㄒ呀?jīng)在工程開發(fā)中得到普遍采用，其優(yōu)點是建立的模型接近自然描述，對象的層次嵌套結(jié)構(gòu)便于對復(fù)雜系統(tǒng)的描述，便于形成可重用的模塊，有統(tǒng)一建模語言和配套工具支持面向?qū)ο蟮拈_發(fā)和推廣應(yīng)用.

基于構(gòu)件方法，采用了一種簡單的構(gòu)件化思想.在傳統(tǒng)的建筑學(xué)領(lǐng)域，建筑物設(shè)計與建造采用的就是基于構(gòu)件的方法，包括建筑尺度的標(biāo)準(zhǔn)化、不同建筑物中都用大量的相同構(gòu)件、構(gòu)件的粒度可大可小、外購標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件與建筑物本體有機地綜合等；基于構(gòu)件方法可以看成是在系統(tǒng)構(gòu)件的基礎(chǔ)上增加了許多“使能機制”，支持快速地構(gòu)造系統(tǒng)，完成系統(tǒng)綜合集成的使命.基于構(gòu)件方法是在面向?qū)ο蠓椒ǖ幕A(chǔ)上，根據(jù)軟件重用的技術(shù)需求逐步發(fā)展起來的，強調(diào)使用“構(gòu)件”來設(shè)計和構(gòu)造系統(tǒng).構(gòu)件方法通常包括二個子過程：領(lǐng)域工程和應(yīng)用工程.領(lǐng)域工程的目的是在特定的應(yīng)用領(lǐng)域中標(biāo)識、構(gòu)造、分類和傳播一組產(chǎn)品；應(yīng)用工程可在應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)或者再工程中選取這些產(chǎn)品進(jìn)行重用.通常，可重用構(gòu)件的分析、設(shè)計技術(shù)可采用傳統(tǒng)的方法；但是，可重用構(gòu)件應(yīng)該在特定的應(yīng)用領(lǐng)域中進(jìn)行設(shè)計，建立應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、接口協(xié)議和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)［18-19］.

基于Agent方法，源于20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來的Agent理論和技術(shù)，由于它可以用于解決開放、復(fù)雜、異構(gòu)、大型分布式系統(tǒng)的信息處理要求，因此，引起了眾多研究人員的關(guān)注.目前，基于Agent方法研究分為形式化的方法和非形式化的方法.形式化方法主要包括系統(tǒng)規(guī)范、系統(tǒng)實現(xiàn)、系統(tǒng)驗證等.非形式化方法主要研究基于Agent的分析與設(shè)計方法學(xué)，主要包括擴充面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)或方法學(xué)的適用性來設(shè)計Agent系統(tǒng)，擴展知識工程的方法學(xué)和建模技術(shù)，利用形式化方法和語言提供定義框架以支持Agent或Agent系統(tǒng)規(guī)范，支持特定的Agent系統(tǒng)開發(fā)等.與構(gòu)件相比，Agent增加了自動化處理分布式系統(tǒng)問題必須解決的技術(shù)關(guān)鍵.隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于Agent方法必將成為未來網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的主流方法之一.

4.3 仿真的通用方法

針對不同應(yīng)用目的，復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真的對象規(guī)模、對象特性、應(yīng)用范圍是不同的，因此，所采用的仿真方法也表現(xiàn)出了多樣性特征，形成了豐富的仿真方法集合.通常，復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真的通用方法主要有以下分類：

依據(jù)仿真對象規(guī)模和復(fù)雜程度，可以劃分為簡單系統(tǒng)仿真方法和復(fù)雜系統(tǒng)仿真方法.簡單系統(tǒng)仿真方法多采用成熟的數(shù)學(xué)建模方法，包括機理分析法、直接相似法、概率統(tǒng)計法、層次分析法、圖論方法、蒙特卡洛法、模糊集論法等；復(fù)雜系統(tǒng)仿真主要采用簡化仿真、智能仿真、構(gòu)造人工系統(tǒng)等方法.

依據(jù)系統(tǒng)模型性質(zhì)，可以劃分為定量仿真方法和定性仿真方法.定量仿真方法包括：連續(xù)系統(tǒng)仿真、控制系統(tǒng)仿真、離散事件系統(tǒng)仿真；定性仿真方法主要有模糊仿真法、歸納推理仿真法、非因果關(guān)系推理法等.

依據(jù)仿真系統(tǒng)實現(xiàn)手段，可以劃分為物理仿真法、數(shù)學(xué)仿真法、半實物仿真法（實物在回路仿真法）、人在回路仿真法、軟件在回路仿真法（嵌入式仿真法）等.

依據(jù)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以劃分為集中式仿真法和分布式仿真法.分布交互式仿真法是復(fù)雜系統(tǒng)仿真采用的主流方法，目前正隨著信息技術(shù)環(huán)境的變革，向網(wǎng)絡(luò)化仿真演進(jìn).

依據(jù)仿真時鐘與實際時鐘關(guān)系，可以劃分為實時仿真法、亞實時仿真法、超實時仿真法.實時仿真法采用的仿真時鐘與實際時鐘完全一致，也稱為在線仿真；亞實時和超實時仿真中的仿真時鐘分別慢于或快于實際時鐘.

依據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)仿真建模方法，可以劃分為理論仿真、實驗仿真和混合仿真.復(fù)雜系統(tǒng)理論仿真中，基于系統(tǒng)辨識的建模和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的建模方法、基于灰色系統(tǒng)理論的建模和系統(tǒng)動力學(xué)的建模方法比較常用；復(fù)雜系統(tǒng)混合仿真方法中，LVC（實體Live、虛擬Virtual、構(gòu)造Constructive）的混合仿真方法近年來比較常用.

依據(jù)構(gòu)建仿真系統(tǒng)的方法，可以劃分為仿真系統(tǒng)設(shè)計法、仿真系統(tǒng)開發(fā)管理法、仿真時間管理法、仿真數(shù)據(jù)管理法等.值得指出的是，近年來大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，使得構(gòu)建仿真系統(tǒng)的方法面臨顛覆性的變革，基于非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析和模糊匹配的搜索式仿真將成為一種全新的仿真方法流派.

依據(jù)仿真試驗方法，可以劃分為仿真試驗組織和仿真數(shù)據(jù)分析評估方法、仿真可視化分析和仿真應(yīng)用的可信性分析方法等.

4.4 仿真的評估方法

復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真的評估方法主要包括仿真系統(tǒng)可信性評估、仿真結(jié)果評估［20-21］、仿真對象能力評估等.20世紀(jì)90年代開始，一些新的綜合分析方法成為新的研究熱點，包括探索性分析方法、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法、體系重心分析方法等.

探索性分析方法，是針對人們對系統(tǒng)不確定性與整體性重視不夠而提出的，過去研究只是在一個預(yù)計“最佳”方案的基礎(chǔ)上做一些靈敏度分析，進(jìn)行局部的不確定性分析，很少進(jìn)行全局的不確定性分析.借助仿真實驗手段，探索性分析可以直觀、全面地分析了各種不確定性要素對結(jié)果的影響.應(yīng)用研究相比理論研究更是一個熱點和亮點，大量有影響的成果不斷面世.

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法，是針對傳統(tǒng)圖論、數(shù)值分析和其它解析方法在應(yīng)對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)化體系形式的分析能力有限，新興的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論則可能為此方面的研究帶來突破而提出的.處理大尺度異質(zhì)戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征要采用符合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)問題的方法.

體系重心分析方法，是針對體系關(guān)鍵節(jié)點及脆弱性分析提出的方法.通常，戰(zhàn)爭體系重心是指支撐參戰(zhàn)國家和部隊?wèi)?zhàn)爭意愿、提供戰(zhàn)爭力量和奪取戰(zhàn)爭行動優(yōu)勢的關(guān)鍵因素.

5 理論方法應(yīng)用分析

復(fù)雜電子信息系統(tǒng)作為一類面向信息化戰(zhàn)爭應(yīng)用的人造系統(tǒng)，具有組成關(guān)系復(fù)雜、機理復(fù)雜、子系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)與環(huán)境之間交互關(guān)系復(fù)雜、總體行為具有涌現(xiàn)性和非線性等特征.綜合采用上述理論方法對仿真工程進(jìn)行指導(dǎo)，可以有效提升復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真的開發(fā)效率、工程質(zhì)量和整體水平.

從基礎(chǔ)理論的應(yīng)用角度分析，復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真，比較適合于采用復(fù)雜系統(tǒng)理論，對系統(tǒng)的自適應(yīng)性、不確定性、涌現(xiàn)性等復(fù)雜性特征進(jìn)行模擬，解決其特定問題；在研究對象、內(nèi)容、方法上，與信息科學(xué)理論有大致相同的范疇，可以直接將信息化建設(shè)的理論方法應(yīng)用到復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真工程之中；可以采用項目管理方法，提高對復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真工程各類活動的管控.

從學(xué)科理論的應(yīng)用角度分析，復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真的相似性問題是值得深入探討的，應(yīng)兼顧整體與局部的相似，將仿真系統(tǒng)進(jìn)行層次分解，構(gòu)建組分的微觀行為模型和系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)行為模型，重點關(guān)注宏觀過程和結(jié)果的相似；其建?；顒討?yīng)該綜合采用模型的一般理論、構(gòu)建模型的理論、復(fù)雜性建模理論，解決系統(tǒng)不同層面、不同類型、不同應(yīng)用過程的仿真建模要求；其系統(tǒng)仿真研究，需要全面涉及仿真系統(tǒng)的一般理論、領(lǐng)域理論、支撐技術(shù)、嵌入式仿真系統(tǒng)技術(shù)等，指導(dǎo)工程實踐；其仿真應(yīng)用，應(yīng)綜合運用仿真可信性理論、仿真試驗設(shè)計原理與方法、仿真可視化原理與方法、仿真結(jié)果分析與評估方法、虛擬樣機工程方法等［22］.

從方法論的應(yīng)用角度分析，三種方法論在解決復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真工程問題時，都可以發(fā)揮很大的作用.可以運用霍爾和切克蘭德、物理-事理-人理、并行工程等系統(tǒng)工程方法論的基本原理，對復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真工程的實施進(jìn)行指導(dǎo)；可以采用體系描述、體系設(shè)計、體系集成、體系演化、體系測度等體系工程方法，以形成體系能力為目標(biāo)，具體規(guī)范復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真的各項活動；可以直接采用抽象映射的仿真建模方法論、模型試驗的仿真運行方法論、基于目標(biāo)牽引的仿真應(yīng)用方法論，開展仿真工作，滿足不同仿真應(yīng)用要求.

從工程方法的應(yīng)用角度分析，復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真工程實施中，可以直接采用演化模型，并在局部選擇采用線性模型和原型模型；開發(fā)方法應(yīng)主要采用基于構(gòu)件的開發(fā)，并根據(jù)需要采用結(jié)構(gòu)化方法、面向?qū)ο蠓椒?、基于Agent方法；在通用方法運用中，不僅要考慮適用性問題，更應(yīng)注重功能維、組織維、指揮級別維、空間維、時間維、使命維的綜合集成問題，采用不同的方法解決系統(tǒng)整體和局部仿真不同層面的問題；應(yīng)綜合利用探索性分析、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析、體系重心分析等方法，加強系統(tǒng)整體的涌現(xiàn)性評估.

6 結(jié) 論

本文梳理了復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)理論、學(xué)科理論、方法論、工程方法，分析了各種理論方法在復(fù)雜電子信息仿真中的應(yīng)用方式.相關(guān)的理論方法都是針對不同的實踐問題研究提出的，不是非此即彼的關(guān)系，任何一種理論方法都不是完美無缺和普遍適用的.在復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真工程中，應(yīng)該根據(jù)具體應(yīng)用項目特點，博采各種理論方法的優(yōu)點，為形成“整體統(tǒng)一”的復(fù)雜電子信息系統(tǒng)仿真理論方法奠定基礎(chǔ).

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