仿真模型驗證分析

1、仿真模型驗證分析     1引言概念模型作為真實世界向仿真實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的一個階段，在仿真系統(tǒng)的開發(fā)中發(fā)揮著極其重要的作用，但前提是其本身是正確且可信的。概念模型表達真實世界的可信程度如何，是否建立了正確的模型，這些問題往往需要通過概念模型驗證來實現(xiàn)。概念模型驗證是確保仿真可信度的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外對于概念模型驗證已有一些研究成果。美國國防部建模與仿真辦公室(DMSO)頒布了VVARPG，用于指導(dǎo)仿真系統(tǒng)的校核、驗證和確認(Verification，ValidationandAccreditation，VVA)工作。許多仿真界的專家如OsmanBalci、Dal

2、eKPace、RobertGSargent等也在論文中討論了概念模型的驗證問題13。從目前的研究情況來看，關(guān)于概念模型驗證的層次、內(nèi)容和標準等問題討論得較少，許多學者都給出了概念模型驗證的方法，但對于如何選擇這些方法、如何將驗證方法與驗證的內(nèi)容相關(guān)聯(lián)等問題研究得較少。因此，本文將在綜述國內(nèi)外概念模型驗證方法的基礎(chǔ)上，重點探討概念模型驗證方法的選擇問題。2概念模型驗證概述21概念模型驗證的定義和任務(wù)概念模型驗證(ConceptualModelValidation，CMV)是仿真系統(tǒng)VVA過程中的重要階段和基本活動，其目的和結(jié)果是為了得到優(yōu)質(zhì)的概念模型。概念模型驗證試圖發(fā)現(xiàn)并糾正概念建模階段中出現(xiàn)

3、的錯誤，確保問題域的特征和結(jié)果都全面而準確地得到認可。在明確了概念模型驗證的作用后，可以對其定義如下:定義1:概念模型驗證是以概念模型為輸入，概念建模和驗證人員采用一定的驗證方法和驗證工具，在領(lǐng)域?qū)＜业墓餐瑓⑴c下，通過一系列檢查、比較、驗證和修改等活動，最終得到優(yōu)質(zhì)概念模型的過程。概念模型驗證的主要任務(wù)是根據(jù)特定的建模目的和目標，考察概念模型在其作用域內(nèi)是否準確地代表了實際系統(tǒng)，確定模型描述真實世界預(yù)定目的的程度，也就是說模型的輸出在多大程度上與人們對真實世界相關(guān)對象領(lǐng)域的理解一致。概念模型驗證的具體任務(wù)是檢驗概念模型的完備性、一致性、正確性。完備性是指所構(gòu)建的概念模型對系統(tǒng)完成使命是否充分;

4、一致性是指所構(gòu)建的概念模型是否相互一致且不相互矛盾;正確性是指所構(gòu)建的概念模型是否保證正確完成系統(tǒng)使命。22概念模型驗證的層次和內(nèi)容概念模型驗證具有一定的層次性。羅愛民博士在博士論文中基于認識論以及信息科學理論指出，系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)所蘊含的信息包括三個層次:語法信息、語義信息和語用信息4，以語法、語義和語用這三個層次來劃分體系結(jié)構(gòu)分析與驗證。本文采納羅愛民論文的分法，將概念模型驗證劃分為語法層概念模型驗證、語義層概念模型驗證和語用層概念模型驗證三個層次。下面針對每個層次的特點，分析其具體的驗證內(nèi)容:1)語法層概念模型驗證是指從概念模型的描述樣式來考慮，只注重概念模型在形式上的正確與否，而不關(guān)心概

5、念模型的實質(zhì)內(nèi)容。根據(jù)概念模型的描述方法和語言不同，語法層驗證的內(nèi)容和重點也各不一樣5。2)語義層概念模型驗證是指檢查概念模型是否客觀地反映了真實世界中的過程、實體、交互等要素，在語義上是否有沖突，是否符合邏輯。它主要包括:語義的正確性、語義的完整性和語義的一致性。語義正確性驗證是指在模型中的對于待開發(fā)系統(tǒng)的功能、行為、性能的表述必須與用戶對目標系統(tǒng)的期望相吻合，即分析模型中所描述的每一項內(nèi)容都代表了對于待開發(fā)系統(tǒng)的真實要求;語義完整性驗證是指檢查概念模型所表達的內(nèi)容是否完整，是否缺少相關(guān)的描述要素;語義一致性驗證是指檢查描述系統(tǒng)各種特征的概念模型是否存在不一致的現(xiàn)象。3)語用層概念模型驗證是

6、指在語法、語義層次的信息都正確、一致、完備的前提下，檢查概念模型所發(fā)揮的效用是否滿足需求以及滿足需求的程度。由于概念模型處在仿真系統(tǒng)開發(fā)的初期階段，對功能的驗證很難進行。容易陷入兩難境況:一是陷入冗余和瑣碎，一是遺漏重要需求。充分且必要的功能要求的界限很難把握，缺少嚴格的判斷標準。目前主要是人工審閱，依靠專家的經(jīng)驗來主觀判定功能需求的正確性和完備性6。3概念模型驗證方法的現(xiàn)狀分析目前，國內(nèi)外已經(jīng)有很多關(guān)于概念模型驗證方法的研究成果。美國國防部(DoD)建模與仿真辦公室(DMSO)在VVARPG中總結(jié)了76種驗證方法7。許多仿真界的專家如OsmanBalci、DaleKPace、RobertGS

7、argent等也在論文中討論了概念模型的驗證方法1，2，3，8。通過總結(jié)，可以將概念模型的驗證方法分為專家評審法、折衷分析法、形式化驗證方法和可執(zhí)行驗證方法四類。31專家評審法專家評審法是目前廣泛使用的概念模型驗證方法。該方法實施的主要過程是:組織一個由領(lǐng)域?qū)＜医M成的評審小組，專家依據(jù)自己的知識和經(jīng)驗，采用閱讀的方法檢查概念模型的設(shè)計文檔。這種方法雖然比較常用，而且簡單易行，但它存在著以下三個主要問題:第一，難以處理大型、復(fù)雜的概念模型文檔。對于大型的仿真系統(tǒng)，其概念模型可能是一份多達幾百頁的文檔。面對這樣龐大的文檔，由于精力問題，極少有人能夠認真地檢查每一部分、每一細節(jié)，從而使得概念模型驗證

8、過程僅僅是一種形式，不能達到其原本目的。第二，這種方法的主觀性較強，往往由于專家的知識結(jié)構(gòu)、經(jīng)驗水平等因素影響，驗證結(jié)果存在一定偶然性。第三，驗證過程需要較長的時間。組織多人參加的評審會議，由于受時間、地域等因素限制，往往比較困難。同時，多個專家對于許多問題難以達成一致意見，這也在一定程度上延長了驗證的過程。32折衷分析法折衷分析法是由美國卡內(nèi)基梅隆大學軟件工程研究所首先提出的，該方法可以用于對概念模型的各種非功能性指標(如性能、可更改性、可靠性、安全性等，也稱為質(zhì)量屬性)進行折衷分析。該方法的優(yōu)點是在系統(tǒng)各類相關(guān)角色的參與下，確定各類質(zhì)量屬性的一個折衷方案，有利于模型設(shè)計在相關(guān)各方達成共識;

9、但其缺點是建立與實際系統(tǒng)吻合的質(zhì)量屬性模型非常困難，但卻是得出正確評價結(jié)果的關(guān)鍵，另外，該方法無法對模型的行為特性進行驗證910。33形式化驗證方法形式化驗證方法是通過嚴格的邏輯運算或推理來發(fā)現(xiàn)概念模型的問題，是最精確、最嚴格的方法。對于采用嚴格的數(shù)學定理表達式描述的概念模型，一般采用這種方法。比較常見的形式化驗證方法有:基于Statecharts的形式化驗證方法11、模型檢測方法(ModelChecking)12、基于本體的形式化驗證方法13等。形式化驗證方法的優(yōu)點是具有嚴格的語義規(guī)則，驗證過程嚴密，不過也存在以下不足:一是因為研究比較初步，還只是側(cè)重于完備性、一致性等比較容易的驗證內(nèi)容，但

10、是對于邏輯性、合理性等比較復(fù)雜的驗證則沒有涉及;二是定義在核心實體上的驗證規(guī)則很不全面，而且依賴于體系結(jié)構(gòu)的形式化描述，不具有通用性。目前對于形式化驗證方法的研究還比較少，研究深度也不夠，不過該方法的精確性和嚴密性等特點也決定了它將是以后概念模型驗證方法研究的主要發(fā)展方向。34可執(zhí)行驗證方法可執(zhí)行驗證方法是一種人機交互的驗證方法，模型按照過程邏輯進行“執(zhí)行”，其結(jié)果正確性依賴領(lǐng)域?qū)＜业呐袛?。該方法首先由喬治梅森大學系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)實驗室提出的，可以用于驗證模型的邏輯性、合理性等動態(tài)特性，即側(cè)重于模型驗證的語法和語用層次。其基本思路是以概念模型為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)換為某種可執(zhí)行模型(如有色Petri網(wǎng)(CPN

11、)、增強型功能流框圖等)，添加某些信息后，運行該可執(zhí)行模型，驗證概念模型描述中的動態(tài)行為是否按預(yù)期的順序執(zhí)行，是否有邏輯沖突，能否達到預(yù)期的效果，另外，還可以通過模型運行收集數(shù)據(jù)，對概念模型的部分性能參數(shù)進行評價。目前關(guān)于可執(zhí)行驗證法主要有三種思路，分別從不同方面對概念模型的動態(tài)行為進行驗證:思路一:從概念模型的結(jié)構(gòu)化描述中，利用活動模型、數(shù)據(jù)模型的組合構(gòu)建CPN可執(zhí)行模型4，14。其主要思想是以IDEF0進行結(jié)構(gòu)化描述，把每個活動變?yōu)镻etri網(wǎng)的轉(zhuǎn)移，每個連接兩個活動的IDEF0箭頭用“弧線位置弧線”來替換，信息用于規(guī)定令牌的顏色設(shè)置，最后通過CPN模型的執(zhí)行結(jié)果來判斷其是否符合需求。由于

12、IDEF0是靜態(tài)模型，缺少對輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)等時序關(guān)系的描述，因此，在生成對象Petri網(wǎng)模型中，缺少相關(guān)信息，需要人工干預(yù)的因素較多。思路二:從基于UML的概念模型面向?qū)ο竺枋鲋?，利用UML的類圖、活動圖、協(xié)作圖的組合構(gòu)建CPN可執(zhí)行模型。其主要思想是首先將UML類圖中的類轉(zhuǎn)化為兩種類:一種是只有屬性沒有操作的“屬性類”，另一種是只有操作沒有屬性的“操作類”，如果一個類既有屬性又有操作，則要轉(zhuǎn)換成兩個類;然后將關(guān)聯(lián)類置換為位置，關(guān)聯(lián)類中屬性設(shè)置為位置中令牌的顏色，又將操作類置換為轉(zhuǎn)移，如果類中有多個操作，則可建立轉(zhuǎn)移的子轉(zhuǎn)移;再次是根據(jù)協(xié)作圖或活動圖確定弧線的方向，最后利用規(guī)則模型中的規(guī)則

13、產(chǎn)生弧線標識、規(guī)則模塊。該方法相對于思路一的優(yōu)勢在于:CPN模型中的位置、轉(zhuǎn)移和令牌的設(shè)置都來源于類圖，而第一種思路則來源于不同的模型，增加了模型的構(gòu)造難度，但該思路的缺點是UML的描述方法不如結(jié)構(gòu)化的描述方法形象直觀，而且UML類圖和IDEF0模型類似，也是靜態(tài)模型，需要較多的人工干預(yù)。思路三:利用相關(guān)軟件實現(xiàn)概念模型的可執(zhí)行驗證，例如Telelogic公司的TAUG2軟件。這種思路提出了將不同作戰(zhàn)節(jié)點的狀態(tài)圖進行連接，然后根據(jù)不同的想定將其以時序圖的方式進行執(zhí)行，具有一定的可操作性和實用性，但其主要問題是無法對概念模型的行為特性進行完整的評價，且該方法只能以UML的描述為基礎(chǔ)，不具有通用性

14、。4概念模型驗證方法的選擇通過上面對概念模型驗證方法的分析可知，由于采用的技術(shù)途徑不同，每種驗證方法各有優(yōu)缺點，概念模型驗證人員在進行概念模型驗證時，只有根據(jù)具體需求選擇驗證方法，盡最大可能地發(fā)揮各種方法的優(yōu)點，才能取得較好的驗證效果。本文認為應(yīng)該結(jié)合概念模型驗證的內(nèi)容，針對不同的層次，選擇相應(yīng)的概念模型驗證方法。1)在進行語法驗證時，運用專家評估法和可執(zhí)行驗證方法語法層次的驗證是概念模型驗證的第一個層次，運用專家評估法可以簡單而直接地發(fā)現(xiàn)模型存在的語法問題，進而可以及時改正這些問題。由于現(xiàn)在很多的建模工具都有語法檢查功能，例如Telelogic公司的TAUG2。因此在進行語法驗證時可以采用相

15、關(guān)軟件來實現(xiàn)可執(zhí)行驗證。2)在進行語義驗證時，運用專家評估法和形式化驗證方法語義層次的驗證是概念模型驗證的第二個層次，在語法檢查正確的前提下，還需要檢查概念模型在語義上是否正確。專家評估法是進行語義驗證的一種有效方法，利用領(lǐng)域?qū)＜覍︻I(lǐng)域知識的深入了解，可以發(fā)現(xiàn)概念模型中的語義錯誤。運用形式化驗證方法，通過將概念模型轉(zhuǎn)化為形式化的描述，同樣可以實現(xiàn)對概念模型的語義進行驗證。3)在進行語用驗證時，運用可執(zhí)行驗證方法語用層次的驗證是概念模型驗證的第三個層次，它是在模型的語法和語義都正確的前提下所進行的一種驗證。語用層次概念模型驗證的目的是檢查概念模型是否能夠達到預(yù)期的功能?？蓤?zhí)行驗證方法是進行語用層次驗證的常用方法，該方法通過將概念模型轉(zhuǎn)換為某種精確語義表示的可執(zhí)行