帶看門狗機制的仿真模型灰色關(guān)聯(lián)驗證*

寧小磊,吳穎霞,陳戰(zhàn)旗

(中國華陰兵器試驗中心,陜西華陰 714200)

帶看門狗機制的仿真模型灰色關(guān)聯(lián)驗證*

寧小磊,吳穎霞,陳戰(zhàn)旗

(中國華陰兵器試驗中心,陜西華陰 714200)

灰色關(guān)聯(lián)結(jié)果注重數(shù)據(jù)序列的整體性能評價,從算法設(shè)計上忽略數(shù)據(jù)序列細節(jié)。將灰色關(guān)聯(lián)分析應(yīng)用于仿真模型驗證時,存在部分階段不準確模型被大量其余階段準確模型淹沒的風險,針對這一問題,提出一種帶看門狗機制的灰色關(guān)聯(lián)模型驗證方法,看門狗識別、吠叫和記錄大差距序列數(shù)據(jù),記錄的數(shù)據(jù)結(jié)果可為后續(xù)模型修正提供細節(jié)基礎(chǔ),提高了模型驗證的可靠性和細節(jié)可辨識度。最后,通過實例分析驗證了改進模型的合理性和有效性。

模型驗證;灰色關(guān)聯(lián)度;可信度;仿真;看門狗機制

0 引言

仿真具有靈活性、可重復性、無破壞性和經(jīng)濟性等優(yōu)勢,因此在武器系統(tǒng)的研制、試驗和鑒定過程中,主要通過系統(tǒng)仿真試驗來考核和測試武器系統(tǒng)性能,靶場試驗則主要用來檢驗系統(tǒng)仿真和仿真系統(tǒng)的有效性?？梢?在新的概念框架下,仿真模型的有效性直接決定了決策的正確性。目前,仿真系統(tǒng)有效性檢驗最基本、最直接的方法是考察相同初始條件下仿真模型輸出與實際系統(tǒng)輸出是否一致[1]。灰色關(guān)聯(lián)理論在序列一致性分析方面具有明顯的優(yōu)勢,文獻[1-5]將灰色關(guān)聯(lián)引入仿真模型的有效性驗證中,并針對其主要依據(jù)序列所形成的空間曲線形態(tài)的相似程度進行判斷,忽略曲線之間的接近程度的缺陷,提出了改進分析模型,并取得了一定的效果。然而,常規(guī)仿真模型灰色關(guān)聯(lián)驗證一般通過對比計算灰色關(guān)聯(lián)度與預設(shè)的工程經(jīng)驗閾值,當計算灰色關(guān)聯(lián)度大于工程經(jīng)驗閾值時,模型通過有效性檢驗。這種綜合性檢驗結(jié)果忽略了各階段數(shù)據(jù)的細節(jié)問題,存在“好”數(shù)據(jù)淹沒部分少量壞數(shù)據(jù)的風險,但這些壞數(shù)據(jù)有可能是模型不準確所致。針對這個問題,構(gòu)建了一種帶看門狗機制的仿真系統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)驗證模型,該模型在不同的工作階段設(shè)置不同的看門狗和看門狗閾值,當比較結(jié)果大于閾值時,看門狗吠叫并記錄數(shù)據(jù)。該方法避免了全彈道中大量“好”數(shù)據(jù)淹沒“少”量壞數(shù)據(jù)的可能,使仿真模型驗證更具精確性和科學性,也可為模型修正提供數(shù)據(jù)。

1 問題的提出

基于灰色關(guān)聯(lián)分析的仿真模型驗證的基本思想是:在相同初始條件下,得到仿真試驗數(shù)據(jù)x1(k)和實際系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)x0(k);對數(shù)據(jù)進行預處理使其滿足采樣間隔相等且序列長度相同的條件;將其代入灰色關(guān)聯(lián)度模型進行計算,以計算得到的灰色關(guān)聯(lián)度γ(x0,x1)作為衡量兩類輸出一致性和動態(tài)關(guān)聯(lián)性的定性指標,根據(jù)該指標作出仿真輸出是否被接受的判斷[1]?；疑P(guān)聯(lián)度按下式進行計算:

(1)

式中:ε為分辨系數(shù),在[0,1]之間取值,一般取0.5;γ為兩組數(shù)據(jù)序列間的灰色關(guān)聯(lián)度,有0<γ≤1。對固定的分辨系數(shù)ε,γ越大,說明兩組數(shù)據(jù)序列間的相關(guān)性就越強。

然而,直接利用常規(guī)灰色關(guān)聯(lián)分析驗證仿真模型的有效性存在大量“好”數(shù)據(jù)淹沒“少”量壞數(shù)據(jù)的缺陷,比如,圖1中,序列x0與x1、x0與x2的灰色關(guān)聯(lián)度相等,但實際問題是序列x1中的第一個數(shù)據(jù)x1(1)明顯超過其他序列數(shù)據(jù),只因x1的其他數(shù)據(jù)與x0極其相似,雖然x1(1)明顯不合群,但卻被算法的綜合性設(shè)計評價淹沒了。這與實際情況有時不符,比如檢驗激光駕束制導武器,當結(jié)果通過模型驗證,但導彈飛行中間段出現(xiàn)序列誤差大于激光束半徑的,導彈應(yīng)該出現(xiàn)失控。

圖1 不同序列的灰色關(guān)聯(lián)

文中的主要工作是:構(gòu)建一種新的灰色關(guān)聯(lián)模型,能夠?qū)崿F(xiàn)辨別序列細節(jié)且兼顧數(shù)據(jù)綜合性,并將其應(yīng)用于仿真模型驗證中。

2 帶看門狗機制的灰色關(guān)聯(lián)模型

因工作機制不同和攻擊效果的需要,導彈飛行彈道可能包括多個階段,比如發(fā)動機工作時間不同,各階段的速度不同;因毀傷和抗干擾需要,彈道分為初始段、中間段和末制導段。同時,各階段工作機理和影響因素不同,建立模型的準確性需求也不同。然而,利用常規(guī)灰色關(guān)聯(lián)分析進行仿真模型驗證時將系統(tǒng)全部工作過程綜合處理,忽略了各階段模型建立準確性需求不同的細節(jié)。存在模型修正難以入手和基于部分不精確模型進行錯誤決策的可能。鑒于此,根據(jù)實際情況需要,對各個階段的模型準確性提出需求,在有效性檢驗過程中設(shè)置看門狗監(jiān)測。當看門狗沒有監(jiān)測到“壞”數(shù)據(jù),且綜合結(jié)果滿足預定要求時,則評定模型通過檢驗。

帶看門狗機制的灰色關(guān)聯(lián)度模型是在原灰色關(guān)聯(lián)度模型的基礎(chǔ)上,增加看門狗環(huán)節(jié)?？撮T狗環(huán)節(jié)的主要技術(shù)有:1)根據(jù)系統(tǒng)對象的工作特點和實際需求對系統(tǒng)的工作過程劃分階段;2)設(shè)置不同階段的看門狗閾值;3)看門狗吠叫識別。當誤差大于預定看門狗閾值時,看門狗吠叫,且記錄數(shù)據(jù),否則通過看門狗環(huán)節(jié)。綜上,帶看門狗機制的灰色關(guān)聯(lián)度模型流程圖如圖2所示。

圖2 帶看門狗機制的灰色關(guān)聯(lián)度模型

3 帶看門狗機制的仿真模型灰色關(guān)聯(lián)驗證

根據(jù)上述分析,將帶看門狗機制的灰色關(guān)聯(lián)分析方法引入仿真模型驗證中,步驟如圖3所示。

圖3 帶看門狗機制的仿真模型灰色關(guān)聯(lián)驗證

4 實例應(yīng)用

算例1:

算例1舉了一個例子,說明常規(guī)灰色關(guān)聯(lián)分析存在的大量“好”數(shù)據(jù)淹沒“少”量壞數(shù)據(jù)的問題。

參考序列:x0=[44 65 64 43 40]

行為序列:x1=[26 18 21 17 14]x2=[50 80 77 151 48]

則根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度計算公式,可得到:

γ(x0,x1)=0.734 2,γ(x0,x2)=0.820 3

上述灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果說明,行為序列x2與參考序列x0關(guān)聯(lián)度更好。但從圖4所示的參考序列和行為序列曲線圖可以看出,行為序列x2中的x2(4)數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)之間的誤差明顯大于其余數(shù)據(jù)與參考序列x0中除(151 43)數(shù)據(jù)之外數(shù)據(jù)之間的誤差。只因行為序列x2與參考序列x0中除(151 43)數(shù)據(jù)之外其余數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度較好,即誤差小,x2(4)被淹沒了。假設(shè)該數(shù)據(jù)為激光駕束制導導彈飛行彈道,若此時仿真數(shù)據(jù)與飛行數(shù)據(jù)之間誤差大于激光束半徑,實際情況是導彈此刻飛行失控,若據(jù)此評估模型通過有效性檢驗,則決策存在風險。若使用新模型,則看門狗會在x2(4)處吠叫,提醒工程師這里存在風險。

圖4 參考序列和行為序列曲線圖

算例2:

以帶看門狗機制的灰色關(guān)聯(lián)分析方法檢驗?zāi)承头刺箍藢椢淦飨到y(tǒng)仿真模型的有效性為例,來說明該方法應(yīng)用于工程實踐時的有效性。方法是通過考察飛行試驗數(shù)據(jù)和仿真試驗數(shù)據(jù)之間的有效性進行評定。在相同條件下,得到的仿真試驗數(shù)據(jù)和飛行試驗數(shù)據(jù)如圖5所示。數(shù)據(jù)分三部分:初始段、中間段和末制導段。模型2因要素考慮不全面導致初始段存在常值誤差,但中間段和末制導段與飛行試驗數(shù)據(jù)吻合度較好。

圖5 飛行試驗和仿真試驗數(shù)據(jù)曲線

這里以高度-飛行時間曲線為例說明該方法的有效性。圖6給出了高度-飛行時間全彈道和局部放大曲線。從局部放大圖可以看出初始段時,模型2與飛行試驗數(shù)據(jù)吻合度較差;末制導段時,模型1與飛行試驗吻合度較差。通過帶看門狗機制的灰色關(guān)聯(lián)度模型分析其與飛行試驗數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度分別為0.405 4和0.426 1。模型2與飛行試驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度較好,中間段和末制導段模型精度較好,淹沒了初始段模型常值誤差。通過設(shè)置看門狗,記錄了該段數(shù)據(jù)與時序,通過對初始段模型進行修正,得到更好的模型。仿真數(shù)據(jù)如圖7所示。新數(shù)據(jù)序列條件下的灰色關(guān)

圖6 高度-飛行時間曲線圖

圖7 模型修正后高度-飛行時間局部放大曲線圖

聯(lián)度分別為0.498 5和0.725 6?？梢娡ㄟ^看門狗技術(shù),能夠做到有的放矢的進行模型修正,對產(chǎn)品研制與模型改進意義重大。

5 結(jié)束語

考慮到系統(tǒng)不同工作階段影響因素和運行機制不同,導致模型建立的精確性也不同,為了避免精確階段的模型淹沒不精確階段的模型誤差,提出了一種帶看門狗機制的仿真模型驗證方法。該方法能夠辨識模型驗證時的細節(jié),有效克服了部分階段模型建立不準確而又被綜合算法淹沒的風險,最后,通過實例的分析與比較,驗證了帶看門狗機制的灰色關(guān)聯(lián)模型驗證方法的合理性和有效性。

[1] 魏華梁, 李鐘武. 灰色關(guān)聯(lián)分析及其在導彈系統(tǒng)仿真模型驗證中的應(yīng)用 [J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 1997, 19(2): 55-61.

[2] 胡玉偉, 馬萍, 楊明, 等. 基于改進灰色關(guān)聯(lián)分析的仿真數(shù)據(jù)綜合一致性檢驗方法 [J]. 北京理工大學學報, 2013, 33(7): 711-715.

[3] 孫勇成, 周獻中, 李桂芳, 等. 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的仿真模型驗證及其改進 [J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2005, 17(3): 522-525.

[4] 劉思峰, 郭天榜, 黨耀國，等. 灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用 [M]. 北京: 科學出版社, 1999.

[5] 劉軍, 劉藻珍. 一種驗證反坦克導彈系統(tǒng)仿真模型的方法 [J]. 系統(tǒng)仿真學報, 1994, 6(3): 16-19.

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本刊編輯部

Study on Validation of Simulation Models Based on Gray RelationalAnalysis with Dog Watch Mechanism

NING Xiaolei,WU Yingxia,CHEN Zhanqi

(Huayin Ordnance Test Center of China, Shaanxi Huayin 714200, China)

Ordinary gray relational (OGR) analysis usually stresses comprehensive performance of time serial data. When used in validation of simulation models, its comprehensive performance ignores time series’ details, which is usually part of model error. To reduce the risk in application of OGR, a new gray relational analysis with dog watch mechanism was proposed, which is in view of the details of time series. When deviation excesses threshold value, dog watches and numbers are recorded. The numbers can provide technical support for model modifying. Finally, a case study was given to show reasonability and validity of the improved model.

validation of simulation models; gray relational degree; credibility; simulation; dog watch mechanism

2014-05-06

寧小磊(1985-),男,陜西華陰人,工程師,研究方向:系統(tǒng)建模與仿真。

TJ761.12

A