作戰(zhàn)仿真數(shù)據(jù)VV&C研究

吳　亮

(中國人民解放軍91336部隊，河北 秦皇島 066000)

0　引言

作戰(zhàn)仿真是部隊訓(xùn)練、武器裝備作戰(zhàn)效能檢驗的重要手段，而其可信性是能否取得良好應(yīng)用效果的關(guān)鍵。影響作戰(zhàn)仿真的可信性的因素主要包括需求分析、模型及其轉(zhuǎn)換、算法和數(shù)據(jù)等方面，而絕大多數(shù)模型與仿真對數(shù)據(jù)的依賴程度非常大。如果驅(qū)動一個仿真的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或不適應(yīng)目前的任務(wù)，將很可能使結(jié)果驗證失敗。因此，數(shù)據(jù)是影響作戰(zhàn)仿真可信性的一個重要方面。在M&S過程中，當(dāng)錯誤的數(shù)據(jù)被使用或者正確的數(shù)據(jù)被不當(dāng)使用時，仿真結(jié)果就會變得混亂而不可信。所以，恰當(dāng)?shù)厥占褪褂每尚诺臄?shù)據(jù)對作戰(zhàn)仿真具有十分重要的意義。而作戰(zhàn)仿真數(shù)據(jù)的可信性主要由數(shù)據(jù)的校核、驗證和認(rèn)可(Data Verification , Validation and Certification, VV&C)活動來保證[1]。

1　數(shù)據(jù)VV&C的概念及數(shù)據(jù)分類

1.1　數(shù)據(jù)VV&C的概念[1-2]

數(shù)據(jù)校核：包括數(shù)據(jù)提供者校核和數(shù)據(jù)用戶校核兩個方面。數(shù)據(jù)提供者校核是利用技術(shù)和相關(guān)程序保證數(shù)據(jù)滿足數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制條件并滿足由過程與數(shù)據(jù)建模中得到的業(yè)務(wù)規(guī)則。數(shù)據(jù)用戶校核是利用技術(shù)和相關(guān)程序保證數(shù)據(jù)滿足數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定的用戶專用的限制條件，以及從過程與數(shù)據(jù)建模中得到的業(yè)務(wù)規(guī)則，并保證數(shù)據(jù)的正確轉(zhuǎn)換與格式化。

數(shù)據(jù)驗證：由領(lǐng)域?qū)＜覍?shù)據(jù)進(jìn)行的有文檔的評估，以及該評估與已知數(shù)值的對比。數(shù)據(jù)提供者的驗證是指在規(guī)定準(zhǔn)則和假設(shè)下進(jìn)行的評估；數(shù)據(jù)用戶的驗證是指對數(shù)據(jù)適用于預(yù)定模型的評估。

數(shù)據(jù)認(rèn)可：確定數(shù)據(jù)已依照文檔要求的標(biāo)準(zhǔn)或準(zhǔn)則經(jīng)過了校核與驗證。包括數(shù)據(jù)提供者認(rèn)可和數(shù)據(jù)用戶認(rèn)可。

1.2　數(shù)據(jù)分類

根據(jù)作戰(zhàn)仿真自身的特點，可以將作戰(zhàn)仿真數(shù)據(jù)分為五類，如表1所示。

表1　作戰(zhàn)仿真數(shù)據(jù)分類

2　作戰(zhàn)仿真數(shù)據(jù)VV&C過程研究

在作戰(zhàn)仿真中，為了獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和與特定仿真應(yīng)用相關(guān)的可用的和可信的數(shù)據(jù)，應(yīng)該從數(shù)據(jù)提供者和數(shù)據(jù)用戶兩個角度對數(shù)據(jù)VV&C進(jìn)行研究。

2.1　數(shù)據(jù)提供者的VV&C過程研究

從數(shù)據(jù)提供者的角度看，數(shù)據(jù)VV&C過程包含任務(wù)活動，需要有VV&C角色參與，活動中還需要一些數(shù)據(jù)和文檔資源，并形成一些VV&C產(chǎn)品。

圖1　數(shù)據(jù)提供者VV&C的靜態(tài)描述

圖1為數(shù)據(jù)提供者VV&C過程的靜態(tài)結(jié)構(gòu)描述。圖中VV&C資源主要包括數(shù)據(jù)字典、史料數(shù)據(jù)、演習(xí)數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)等；VV&C產(chǎn)品主要有：數(shù)據(jù)VV&C計劃、數(shù)據(jù)校核報告、數(shù)據(jù)驗證報告、數(shù)據(jù)認(rèn)可報告以及經(jīng)過認(rèn)可的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)提供者VV&C過程的五個步驟的主要任務(wù)如表2所示。

表2　數(shù)據(jù)提供者VV&C的主要任務(wù)

2.2　數(shù)據(jù)用戶的VV&C過程研究[3-4]

數(shù)據(jù)提供者對數(shù)據(jù)進(jìn)行VV&C后，可以確保數(shù)據(jù)在一定的條件下是正確的、可信的，但不能保證數(shù)據(jù)能夠滿足所有的應(yīng)用要求；另外仿真過程中，數(shù)據(jù)并不能完全被直接使用，往往需要根據(jù)實際情況經(jīng)過轉(zhuǎn)換后才能使用；而且在對模型進(jìn)行VV&A時，也需要一定的數(shù)據(jù)支持。因此，數(shù)據(jù)用戶還必須在仿真全過程中進(jìn)行VV&C。

數(shù)據(jù)用戶VV&C是基于特定的仿真應(yīng)用而進(jìn)行的，與仿真過程緊密相連。下面以基于HLA的聯(lián)合作戰(zhàn)仿真為例，從數(shù)據(jù)用戶的角度研究數(shù)據(jù)VV&C過程。如圖2所示，與數(shù)據(jù)VV&C相關(guān)的基于HLA的聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)FEDEP主要為六個階段：定義聯(lián)合作戰(zhàn)聯(lián)邦目標(biāo)、進(jìn)行聯(lián)合作戰(zhàn)概念分析、設(shè)計聯(lián)合作戰(zhàn)聯(lián)邦、開發(fā)聯(lián)合作戰(zhàn)聯(lián)邦以及計劃、集成和測試聯(lián)邦以及執(zhí)行聯(lián)邦。相應(yīng)地，數(shù)據(jù)VV&C的過程也分為六個階段。

階段一：確定和鑒別聯(lián)邦數(shù)據(jù)需求、制定VV&C計劃。首先確定和鑒別聯(lián)合作戰(zhàn)聯(lián)邦的數(shù)據(jù)需求，包括數(shù)據(jù)的意義、類型、質(zhì)量要求、權(quán)威性要求等。其次對數(shù)據(jù)需求進(jìn)行校核，逐一審查輸入數(shù)據(jù)是否符合聯(lián)合作戰(zhàn)仿真要求、輸出數(shù)據(jù)是否支持作戰(zhàn)仿真程序需求。最后，制定詳細(xì)的數(shù)據(jù)VV&C計劃，計劃內(nèi)容包括數(shù)據(jù)V&V的目標(biāo)、意義、原則、內(nèi)容、方法、角色、階段性產(chǎn)品、可接受性標(biāo)準(zhǔn)及時間節(jié)點等。

階段二：校核數(shù)據(jù)源及元數(shù)據(jù)。首先檢驗數(shù)據(jù)源及其可用性，檢查數(shù)據(jù)源的元數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)源的權(quán)威性、適用性和時效性。其次檢驗輸入數(shù)據(jù)庫，確保作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的完備性。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)一般包括作戰(zhàn)損耗數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)編制數(shù)據(jù)、武器的性能和效能指標(biāo)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、氣象和天候數(shù)據(jù)等。就一般情況來看，這些都是普通作戰(zhàn)樣式的作戰(zhàn)數(shù)據(jù)，不一定都適合于聯(lián)合作戰(zhàn)樣式的數(shù)據(jù)要求，需要用戶進(jìn)行修改或創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)以填補(bǔ)空缺。接著檢驗輸出數(shù)據(jù)的特征描述。輸出數(shù)據(jù)一定要滿足聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出需求，主要與輸出數(shù)據(jù)的用途有關(guān)，如用于態(tài)勢顯示、在線統(tǒng)計、事后評估等。最后生成驗證數(shù)據(jù)。驗證數(shù)據(jù)主要用作評判聯(lián)合作戰(zhàn)模型的輸出結(jié)果的參照數(shù)據(jù)。

圖2　基于HLA的聯(lián)合作戰(zhàn)聯(lián)邦的開發(fā)及VV&C過程

階段三：校核數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及輸入數(shù)據(jù)。首先檢查數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法與過程。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要滿足數(shù)據(jù)的精度和完整性要求，轉(zhuǎn)換過程要符合一定的規(guī)范要求。其次檢查輸入的實例數(shù)據(jù)。檢查實例數(shù)據(jù)的描述特征是否符合要求，如果不符合數(shù)據(jù)要求，還要按一定的規(guī)范進(jìn)行轉(zhuǎn)換。最后校核固定數(shù)據(jù)。固定數(shù)據(jù)通常被固化在一定的表達(dá)式中，被引用后可能與原目的不相符，需要檢驗；另外，固定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成仿真程序時，也有可能在格式上出現(xiàn)差錯。

階段四：校核初始化數(shù)據(jù)及驗證固定數(shù)據(jù)。首先審查初始化數(shù)據(jù)，確保它們與原始數(shù)據(jù)相一致。其次驗證固定數(shù)據(jù)。采用獨(dú)立的算法對固定數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，并與驗證數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

階段五：校核與驗證(V&V)交換數(shù)據(jù)及評估輸出數(shù)據(jù)。首先對參與聯(lián)邦對象的交換數(shù)據(jù)進(jìn)行校核與驗證。檢查交換數(shù)據(jù)是否滿足交換格式要求以及是否能夠成功交換。其次校核輸出數(shù)據(jù)。審查輸出數(shù)據(jù)的描述特征是否滿足要求，以及是否與驗證數(shù)據(jù)保持形式上的一致性。接著驗證輸出數(shù)據(jù)。將輸出數(shù)據(jù)與驗證數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計算數(shù)據(jù)的靈敏度和偏差，判斷聯(lián)合作戰(zhàn)模型的正確性。最后并評估數(shù)據(jù)。對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，聘請領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行裁定。

階段六：聯(lián)合作戰(zhàn)聯(lián)邦數(shù)據(jù)認(rèn)可。收集前面五個階段的VV&C產(chǎn)品和成果，根據(jù)聯(lián)合作戰(zhàn)樣式的要求，由權(quán)威部門對數(shù)據(jù)進(jìn)行評判，決定是否被認(rèn)可。

3　作戰(zhàn)仿真輸出數(shù)據(jù)的驗證策略研究

作戰(zhàn)仿真(特別是聯(lián)合作戰(zhàn)仿真)的輸出數(shù)據(jù)具有一些典型的特點：一是輸出的數(shù)據(jù)類型多，如模型計算的結(jié)果數(shù)據(jù)、態(tài)勢數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、想定數(shù)據(jù)及參考數(shù)據(jù)等；二是輸出數(shù)據(jù)的表達(dá)方式具有多樣性，如虛擬戰(zhàn)場表達(dá)、作戰(zhàn)態(tài)勢的表示及綜合態(tài)勢的顯示等；三是輸出數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式豐富，如圖形、圖像、表格、曲線等。因此，為了達(dá)到全面驗證輸出數(shù)據(jù)的效果，應(yīng)該研究有一個行之有效的驗證策略。

通過參加科研項目的數(shù)據(jù)VV&C實踐，本文認(rèn)為：以作戰(zhàn)想定為依據(jù)，設(shè)計一個多觀測點數(shù)據(jù)驗證的測試用例，由多個領(lǐng)域?qū)＜覍Χ嘤^測點采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行定性與定量相結(jié)合方法來綜合驗證。實踐表明，這是一種非常有效的驗證策略。觀測點的設(shè)計應(yīng)該由數(shù)據(jù)的輸出形式與內(nèi)容，以及研究的目的來決定。一般地，為了全面驗證作戰(zhàn)仿真的輸出數(shù)據(jù)，應(yīng)該設(shè)置四個觀測點。

觀測點一：想定觀測點。想定觀測點顯示的數(shù)據(jù)主要有想定數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及參考數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式一般為數(shù)據(jù)元素、數(shù)據(jù)值或數(shù)據(jù)表格。這些數(shù)據(jù)可以作為輸出數(shù)據(jù)的參考依據(jù)。有時為了檢驗輸出數(shù)據(jù)的合理性，也可以通過修改想定觀測點的輸入數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。

觀測點二：態(tài)勢顯示觀測點。從態(tài)勢顯示觀測點獲取的數(shù)據(jù)主要有態(tài)勢數(shù)據(jù)、戰(zhàn)場環(huán)境、軍標(biāo)及綜合態(tài)勢數(shù)據(jù)等。態(tài)勢數(shù)據(jù)是一個動態(tài)的數(shù)據(jù)，它反映作戰(zhàn)活動及其演變的過程。常見的態(tài)勢數(shù)據(jù)有武器的運(yùn)動軌跡、性能變化，作戰(zhàn)過程中各戰(zhàn)斗單元的位置、狀態(tài)及交戰(zhàn)過程；戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)包括地理環(huán)境數(shù)據(jù)、電磁環(huán)境數(shù)據(jù)、氣象環(huán)境數(shù)據(jù)和核化環(huán)境數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)有些是動態(tài)的，如電磁環(huán)境、氣象環(huán)境數(shù)據(jù)等；有些是靜態(tài)的，如地理環(huán)境數(shù)據(jù)等；綜合態(tài)勢數(shù)據(jù)一般體現(xiàn)在高層作戰(zhàn)仿真中，如戰(zhàn)略作戰(zhàn)。它反映的不僅是作戰(zhàn)方面的數(shù)據(jù)，還要反映政治、經(jīng)濟(jì)、外交、輿論及社會環(huán)境等。

觀測點三：在線實時統(tǒng)計觀測點。在線實時統(tǒng)計觀測點可以將作戰(zhàn)的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和挖掘，通過各種方法將它直觀地呈現(xiàn)出來，如統(tǒng)計表格、直方圖、餅狀圖等，VV&C人員和領(lǐng)域?qū)＜铱梢岳眠@些圖表來驗證輸出數(shù)據(jù)。

觀測點四：事后評估觀測點。作戰(zhàn)仿真的結(jié)果不僅僅是考察作戰(zhàn)態(tài)勢，還要評估作戰(zhàn)效能和武器系統(tǒng)的效能，后兩個方面的數(shù)據(jù)可以從事后評估觀測點獲取。

通過綜合以上四個觀測點的輸出數(shù)據(jù)，便可以全面地驗證作戰(zhàn)仿真的數(shù)據(jù)。

4　結(jié)束語

對于作戰(zhàn)仿真而言，數(shù)據(jù)VV&C是一個重要的研究內(nèi)容。廣義上說，數(shù)據(jù)VV&C是仿真VV&A的一部分，應(yīng)該貫穿于仿真的全過程。本文從數(shù)據(jù)VV&C的基本理論、過程及驗證策略三個方面進(jìn)行了研究。首先介紹數(shù)據(jù)VV&C的基礎(chǔ)，包括數(shù)據(jù)VV&C及其相關(guān)概念、數(shù)據(jù)的分類；其次，對數(shù)據(jù)作戰(zhàn)仿真VV&C的過程進(jìn)行了研究；最后以作戰(zhàn)仿真為例，研究了輸出數(shù)據(jù)的驗證策略。本文研究的大部分內(nèi)容已經(jīng)在科研項目中得到了應(yīng)用，并取得了良好的效果。■