基于风险的VV&A进程研究*

刘　彬　李为民　吕诚中

(空军工程大学　西安　710051)



基于风险的VV&A进程研究*

刘彬李为民吕诚中

(空军工程大学西安710051)

摘要聚焦降低实践中复杂系统建模与仿真辅助决策时的风险，研究了复杂系统建模与仿真中的风险概念，探讨了校核、验证与确认(简称为VV&A)在复杂系统建模仿真中的作用，提出了一种基于风险的VV&A的流程框图，分析了基于风险VV&A的关键问题，丰富了VV&A的内涵，对复杂系统建模与仿真具有一定的参考价值。

关键词基于风险; 辅助决策; VV&A; 建模与仿真

Class NumberTP391.9

1　引言

随着科学技术向信息技术、智能技术、大数据技术等领域不断深化拓展，复杂系统成为各类研究中不可回避的一个现实问题[1]。复杂系统具有涌现、非线性、自组织、混沌、博弈等特点，增加了现实研究的难度，提高了研究的风险性[2～3]；建模与仿真中的VV&A技术能够最大程度降低复杂系统的研究成本及风险，成为各科技强国争先研究的一个热点[4～5]。

美国早在20世纪50年代便开始VV&A技术的相关研究，一直引领世界VV&A技术的发展潮流[6]。20世纪90年代，美国系统梳理出VV&A技术的相关概念；新世纪以来，美国多次对VV&A技术进行不同领域的丰富与完善[7～8]。由文献[9～10]可看出，基于风险的VV&A技术研究成为近年来国外追踪的前沿热点。

论文聚焦降低复杂系统研究过程中建模与仿真方法运用带来的风险，试图通过构建和分析基于风险的VV&A的结构框架和关键技术，以期为后续复杂系统建模与仿真的深化研究树立一个靶标，提供一些参考借鉴。

2　建模与仿真中的风险概念

风险主要指某一特定危险情况发生的可能性和后果的组合。风险有两种定义：一种定义强调了风险表现为不确定性；而另一种定义则强调风险表现为损失的不确定性。对于建模与仿真本身，其风险主要趋近于第一种定义；对于利建模与仿真辅助决策，其风险主要趋近于第二种定义。

模型是对实际系统的模拟。建模与仿真和实际系统(包括使用环境)的相似程度直接影响着仿真结果的可靠性及其推广程度。然而，在建模与仿真操作过程中，由于受认识的局限，不可避免地会与系统的实际情况产生一些差距，因此当用建模与仿真结果指导相关实践时不可避免地会产生一些偏差甚至风险。

为了更好地定量描述风险，作以下假设： 1) 任何错误的决策均会造成一定的代价或损失(损失的大小取决于错误决策的影响)； 2) 决策失误带来的其他负面影响也会反过来影响决策； 3) 决策者能够根据决策的错误可能性审慎进行决策。基于上述三种基本假设，可以看出风险与可能性及结果密切相关，可由式(1)表示。

R=L·C

(1)

式(1)中，R代表风险，L代表可能性，C代表结果。其中，风险涉及利用建模与仿真进行辅助决策时的不确定性(包括必要的数据输入)；风险涉及模型的发展，主要聚焦建模与仿真中系统的设计、发展、应用及操作风险。可能性涉及到针对具体问题建模与仿真中不当输入及其带给辅助决策的影响。结果指利用建模与仿真中的错误输出辅助决策。从式(1)可以看出，可以通过减小可能性错误和结果错误两方面来降低风险。

3　VV&A在建模与仿真中的作用

3.1VV&A的界定

建模与仿真的可信度可以通过校核与验证加以度量、通过确认来加以官方认证，以确保其能为特定的应用目的服务，上述过程就是建模与仿真的校核、验证与确认。具体涵义如下[10～11]：

建模与仿真系统校核(Verification)：确定仿真系统准确地代表了开发者的概念描述和技术要求的过程；建模与仿真系统验证(Validation)：从仿真系统应用目的出发，确定其代表真实系统正确程度的过程；建模与仿真系统确认(Accreditation)：是官方正式地接受一个仿真系统为专门应用服务的过程。

3.2VV&A的作用

校核、验证与确认是确保建模与仿真系统可行性的关键。校核、验证与确认的主要作用就是通过规范的方法来建立建模与仿真的可信度。所有的建模与仿真都是用来解决一些特定的实际问题(用户使用声明)。不同的实际问题有不同的要求，可根据这些要求建立概念模型。基于概念模型搭建建模与仿真的框架及设计软件(包括建模与仿真的设计、发展及作战进程)。校核、验证与确认包括步骤、进程及评估，共同确保建模与仿真系统达到预期的可信性要求。

校核、验证与确认是确保建模与仿真系统实用性的关键。校核、验证与确认的一个功能就是为建模与仿真提供规则以确保其在设计和执行过程中满足模型实用要求，从而达到科学和工程实践需求。校核、验证与确认进程主要为建模与仿真提供可信度支撑以确保建模与仿真的能力、精确性及可用性达到要求。校核、验证与确认通过减小建模与仿真辅助决策时的风险，增强决策者利用建模与仿真辅助决策的信心。

4　基于风险的VV&A进程框图设计

基于风险的校核、验证与确认立足于从减少建模与仿真辅助决策的负面影响。校核、验证与确认主要通过确保建模与仿真的能力、精确性及可用性达到提高建模与仿真的可信度的目标；然而，如果校核、验证与确认的执行过程安排得不合理，可能会徒费资源，耗费代价。执行过程被亦可称为修正过程，文献[11]表明当忽视修正过程的重要性时，可能会裁剪校核、验证与确认的关键步骤，从而给建模与仿真带来不可测的错误。如果没有意识到校核、验证与确认执行进程的不当，而利用其结果辅助决策时将可能产生严重的风险。基于风险的VV&A进程为校核、验证与确认进程修正提供了一种可行的方法依托，可为建模与仿真(辅助决策)研究的相关问题提供支撑。

基于建模与仿真模拟实际系统的各种可能性，从宏观层面抽象出普存问题，设计了一种风险评估方法。许多建模与仿真的普存问题可能在建模仿真进程中显现出来，假定不同普存问题在影响建模仿真层面是独立的。基于风险的VV&A的进程就是根据以往的经验或一定规范要把建模与仿真过程中显现或隐藏的问题挖掘出来并给予适度解决。基于上述理念和思想，设计出如图1所示的基于风险的VV&A进程框图。

由图1可以看出，所设计的基于风险的校核、验证与确认具有三个典型特征：兼容性、互动性及低风险性。在兼容性方面，图1所设计的基于风险的校核、验证与确认进程具有较好的可拓展性，一方面，吸收以往较好建模与仿真的做法作为指导相似建模与仿真的经验；另一方面，提出了一种规范作为应对“新型”建模与仿真问题的依据(当这种“新型”的建模与仿真问题得到较好解决后，亦可作为指导类似建模与仿真过程的经验)。

图1　基于风险的VV&A进程框图

在互动性方面，图1设计的基于风险的校核、验证与确认具有较好的沟通互动性，当建模与仿真相关信息满足不了风险评估要求时，需要重新组织专家，增加对建模与仿真进程的相关风险评估，通过组织建模与仿真特征评估达到最终风险评估要求。

低风险性主要指校核、验证与确认基于风险出发，通过使校核、验证及确认过程满足相关风险要求，从而达到降低建模与仿真中错误风险及伴随风险的目的。在很多情况下，建模与仿真的错误是相对固定的，只需给校核、验证、确认确定适当的目标即可降低错误的可能性。将校核、验证及确认进程基于风险的目标确认如下：基于风险校核进程目标为： 1) 降低建模与仿真设计与应用过程中不严格尊重客观事实的可能性； 2) 降低建模与仿真设计与应用过程中不满足建模与仿真标准的可能性； 3) 降低软件存在不可测错误的可能性； 4) 降低不当数据输入的可能性。基于风险的验证进程目标为： 1) 降低模型与实际不匹配的可能性； 2) 降低数据大幅偏离实际的可能性。基于风险的确认进程目标为： 1) 降低选择不合适模型与仿真解决问题的可能性； 2) 降低校核与验证不充分的可能性。

5　基于风险VV&A进程设计的关键问题

图1所设计的基于风险的校核、验证与确认进程虽然具有较好的兼容性、互动性及低风险性，但要使其有效执行需解决以下关键问题：使用声明问题、初级风险评估问题、建模与仿真可信度证据收集问题及终级风险评估问题。

5.1使用声明问题

使用声明是建模与仿真的首要核心问题，解决的是建模与仿真适用范畴问题，它是基于风险的VV&A进程需要达到的目标。不同的建模与仿真任务有不同的使用声明，同一建模与仿真在使用背景变换之后需要不同的使用声明。在基于风险的VV&A进程中，使用声明也是联系建模与仿真与实际系统的桥梁，是遂行风险评估的依托，也是专家及用户对其进行评估的依据。

5.2初级风险评估问题

初级风险评估问题是建模与仿真的第二个关键问题，解决的是建模与仿真可信度的初步确认问题，它是在应对“新型”建模与仿真问题的风险“粗评估”。初级风险评估主要通过比照使用声明的相关条款对当前建模与仿真的能力、准确性及使用性进行综合评判。对于初级风险评估，其目的在于通过一定形式确定建模与仿真的可信度，很多情况下可以通过如表1所示的问卷调查形式对某种具体风险展开统计学研究。

表1　初级风险评估

表1的列表示某种具体风险发生的可能性，表1的行表示某种具体风险对建模与仿真进程的影响程度，表1中具体位置表示某种具体风险值在一定可能性和影响状态下的风险值。为了更加形象地对风险状态进行刻画，将风险可能性分了五个等级，将风险影响分了五个等级，将风险值分了三个等级，被调查的使用者或者专家可以通过自身对建模与仿真的认知进行风险粗评估，多个使用者或专家的评估结论可按一定方式加权合成最终的初级风险评估结论。

5.3建模与仿真可信度证据收集问题

建模与仿真可信度证据收集是建模与仿真的第三个关键问题，解决的是建模与仿真风险评估的可信数据收集问题。在风险评估之前，需要收集到足够的信息，如果没有收集到的信息不够，需要重新联系相关的权威专家或使用者进行可信数据采集以达到信息数量要求。在可信度证据收集层面，需要对“相似”建模与仿真和“新型”建模与仿真进行区分。对于“新型”建模与仿真，可信度证据收集相对简单高效，按照评估计划中的评估项收集即可；对于“相似”建模与仿真，可信度证据收集相对麻烦低效，因为一些评估者在短期内很难跳出原来“经验”建模与仿真的束缚，从而不能给出足够客观的可信度评估信息。因此，对于建模与仿真可信度收集方面，需要适当向工程应用领域的专家倾斜。

5.4终级风险评估问题

终极评估问题时建模与仿真的最后一个关键问题，解决的是建模与仿真可信度的终极确认问题，它的主要作用是证明可信度达到要求。终极风险评估问题不同于初级风险评估问题，前者主要侧重于证明建模与仿真的可信度达到预定要求，而后者主要侧重于评估建模与仿真的可信度。对于终极风险评估问题，可以通过对具体风险的错误可能性和信心等级两方面进行综合评估，错误可能性小且信心等级高的可信度高，错误可能性大且信心等级低的可信度低。在终极风险评估层面，亦需要高度重视校核和验证，建模与仿真校核、验证进行得越充分，评估建模与仿真的信心越强。

6　结语

随着现实系统向着复杂大系统方向发展，建模与仿真中校核、验证与确认技术的高可靠性、无破坏性、安全性、可重复使用、经济性、不受天气及环境的制约等优势逐步凸显，受到了国内外的广泛重视。论文主要研究了基于风险VV&A进程的结构框架及关键技术，属应对复杂系统建模与仿真的初步探索。对比国外校核、验证与确认技术的先进水平，我国目前上存在较大的差距，在后续的工作中，我们应立足差距、修齐短板，紧跟前沿、紧补短板，争取在修短板和补缺板的过程中实现我国校核、验证与确认技术的跨越式发展，希望本文能为我国校核、验证与确认技术的快速发展起到一定的抛砖引玉的作用。

参 考 文 献

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[6] 焦鹏，唐见兵，许国珍.制导仿真系统的VV&A平台[J].系统仿真学报，2011，23(1)：65-69.

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*收稿日期：2015年10月11日,修回日期：2015年11月25日

作者简介：刘彬，男，博士，研究方向：计算机仿真与应用。

中图分类号TP391.9

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.033

VV&A Process Based on Risk

LIU BinLI WeimingLV Chengzhong

(Air Force Engineering University, Xi’an710051)

AbstractFocusing on reducing decision-making risk in practice relied on complex systems modeling and simulation， a concept of risk for complex systems modeling and simulation is considered. Then， the functions of Verification， Validation and Accreditation (VV&A， for short) played in complex systems modeling and simulation are discussed. After that， an flow chart for risk-based VV&A is put forward. Last but not the least， some core problems for risk-based VV&A are analyzed. The research enriches the connotation of VV&A， which embraces some reference value for further research of complex systems modeling and simulation.

Key Wordsrisk-based, decision-making, VV&A, modeling and simulation