VV&A的系统观：建模与仿真基本问题研究

2023-08-15 理论教育版权反馈

【摘要】：图2.19 模型与仿真的映射关系建模V&V与仿真V&V的区别还表现在考察的对象（内容）上，所实施的技术方法也存在较大差异。建模及其V&V必须以领域专家为主体，仿真及其V&V则是以仿真专家为主体。此外，在思维特点上，建模及其V&V活动具有明显的艺术性、智慧性和创新性，而仿真及其V&V活动则具有相对的标准性或带有一定的技巧性。

一般而言，人们的任何探索都可归结为：正确地提出问题、正确地认识问题和正确地解决问题。我们认为，对于应用M&S的领域而言，通常的探索活动可分为：建模研究、应用研究、软件开发和仿真运行活动^[5]。其主体分别是理论分析者、应用工程师、软件开发者和操作员。表2.7列出了四者的研究主体、客体、途径及结果。

表2.7 探索活动领域的研究主体、客体、途径和结果

从中不难看出，四者之间存在一个递阶的层次结构，如图2.18所示。由此也揭示了日渐为人们所忽视的建模与仿真的本质区别，即建模是仿真的前提和基础，仿真只能是基于模型的仿真。

图2.18 探索活动领域的递阶层次

前文提到：模型是一个系统、实体、现象或过程的物理、数学或其他逻辑描述，而仿真是在时间上实现一个模型的一种方法。可以认为，模型是系统质的规定性，而仿真不过是这些质的规定性的外在体现，即仿真是模型概念的外延。

历史表明，任何科学意义上的探索活动均要建模，无论建立的是定量模型还是定性模型，也无论建立的是物理模型，数学模型，还是仿真模型，而仿真仅仅是伴随计算机迅猛发展后兴起的探索活动。事实表明，并非所有探索活动都需要仿真，有的模型可经直接解算得到结论。即使建模需要通过仿真得到结论，仍存在一题多解的算法、多种仿真框架和多种程序语言的选择，这意味着模型相对稳定，仿真产品则更易伴随算法、编程语言等的发展而升级换代。为达到试验目的而建成的仿真系统，其实是基于模型（集）的一整套计算机软、硬件，可能还有人参与的有序集合，相同的模型可对应不同的有序集合，这很大程度上取决于仿真专家组人员、资金、技术成熟度和精度等，这会导致仿真V&V的内容、方法和费用的差异。模型与仿真在映射上的一对多关系，在另一个侧面也反映了仿真只能基于模型。图2.19简明地表述了模型与仿真的关系。由此可见，建模是仿真的必要条件但非充分条件，逻辑上只能认为仿真是广义的建模而非建模是广义的仿真。

建模与仿真之间最本质的区别当然也不能导致泛形式化的重建模V&V、轻仿真V&V。现代意义的V&V活动确实是首先在仿真领域展开的，但V&V蕴含的科学精神和科学态度在建模领域早已存在也是不争的事实，因此在建模领域开展现代意义的V&V十分必要。在逻辑上，V&V的证伪功能强于证实功能，一是通过建模与仿真整体的V&V，多数情况下意味着建模与仿真均通过V&V，但不能排除在限定的V&V活动中错误的模型与错误的仿真可能导出良好结论的“巧合”；二是未通过建模与仿真整体的V&V，首先确定无疑的是建模与仿真被证伪，但可能是基于错误的模型进行仿真。因此，简单认为建模V&V是前伸的、广义的仿真V&V，势必徒增V&V活动的时间和成本。

图2.19 模型与仿真的映射关系

建模V&V与仿真V&V的区别还表现在考察的对象（内容）上，所实施的技术方法也存在较大差异。建模V&V的主要内容是考察从实际系统到概念模型的过程及仿真输入、输出和实际系统输入、输出的比较，主要有需求（仿真输出、功能、接口等）的确定，当然也包括方程式、算法及对假设条件的简明描述，此外还要说明与理论、概念、精度、逻辑、接口和解决方法相关的局限性。建模V&V的最终结果应包括：模型特性、输入/输出数据、接口结构、模型精确性指标、潜在的弱点和局限性及概念模型和需求间的可追溯性（Traceability）；仿真V&V主要考察的是从概念模型到计算机模型的过程。对于软件来说，输入数据确认，决定计算机辅助工具和设计方法，软件测试和报告等都非常重要；对于硬件来讲，考察总体设计图、接口控制设计图、机械设计、电力设计和电磁兼容性等也很重要。此外还有软件代码的校核及软硬件集成校核等，这些都与软件工程的管理相通。由于所考察内容不同，必然带来实施技术方法的差异。建模及其V&V必须以领域专家为主体，仿真及其V&V则是以仿真专家为主体。建模VV&A的技术方法更多的是思辨的、逻辑的和实证的，具有创造性；而仿真VV&A的技术方法更多的是工程的，具有行业标准的。

此外，在思维特点上，建模及其V&V活动具有明显的艺术性、智慧性和创新性，而仿真及其V&V活动则具有相对的标准性或带有一定的技巧性。建模的V&V需要科学的思辨和敏锐的洞察力，在某种程度上也是一门艺术，而仿真的V&V更多的是与工程相联系，相对建模及其V&V的观察、判断、分析、归纳和推理显得较为程序化。

总体来说，建模与仿真的V&V是建模与仿真活动周期中的两个重要阶段，于两者的序结构——时间、空间序上，建模V&V先于仿真V&V是清晰的。同时，建模与仿真作为求解问题的途径，其V&V的两个方面是紧密联系、缺一不可的。虽然通常所说的“建模与仿真的V&V”可以指两者中任何一个，但其实质内容是有所侧重的，其具体含义由上下文传递。至于建模VV&A与仿真VV&A的“A”，即“确认”的区别与联系，从“确认”的内涵上看，二者无异，均指将不断增进的V&V应用于建模与仿真各阶段的产品，即确认是不断地对产品进行测试和评估的动态的管理过程。

[1]（Thomas Kuhn，1922— ），当前美国著名科学哲学家和科学史家。

[2]指某一特定研究领域中持有共同观点、理论和方法的科学家集团。

[3]Theil’s Inequality Coefficient的缩写。

[4]美国Sandia国家试验室，Sandia National Laboratories，位于美国新墨西哥州Albuquerque城。

[5]表2.4中提到DMSO VV&A RPG（Recommended Practice Guide）把M&S全生命周期过程分为六个不同阶段，在很大程度上等同于应用M&S进行探索活动中的软件开发和仿真运行活动。应用M&S的探索活动领域更广，所包含的内容更多，其重点在于建模研究与应用研究。

VV&A的系统观：建模与仿真基本问题研究

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