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仿真系统可信度评估方法研究

张忠  
【摘要】:仿真技术作为认识、改造客观世界的一种重要手段,被广泛应用于航天、航空、航海、电力、通信等诸多领域。仿真系统是仿真技术应用的体现形式,其可信度能否达到要求,直接关系到仿真系统应用的成败。因此,仿真系统可信度评估问题已成为系统仿真领域的研究热点。如今的仿真系统一般是由多个子系统及其分系统甚至子分系统等构成的大型系统,其状态变量与输出变量众多,变量关联复杂,而且不同的仿真系统之间往往结构不同、功能各异。在评估仿真系统的可信度时,究竟应该从哪些方面来考察仿真可信度,如何度量仿真系统在这些方面的表现,以及如何提高评估工作的自动化水平和效率等等,这些问题尚未得到很好的解决,严重制约着仿真应用领域的拓展。论文依托国家自然科学基金项目“基于多属性决策网MADN的仿真系统VVA理论方法研究”的资助,对仿真系统可信度评估方法进行了研究,具体内容包括以下几个方面: (1)研究了仿真可信度评估模型与评估方法。针对现有仿真可信度评估模型存在的语义不严谨、普适性不强、描述能力不足等问题,构建了一种形式化评估模型,阐述了其基本要素、要素间关系、数学表达式以及参数图。结合形式化评估模型,提出了一种新的仿真可信度评估方法。同时,探讨了该方法在实际使用过程中所需的若干关键算法,由此引出后续章节的研究内容。 (2)研究了仿真时序数据相似性度量方法,以解决仿真时序数据与参考时序数据的相似性度量问题。根据变量的测量尺度对单维时序数据进行了分类,分析了每类单维时序数据的相似性度量应该具备的性质,由此针对不同的需求构造了多种不同特性的仿真单维时序数据相似性度量。针对多维时序数据变量类型不同、关联方式各异的情况,构造了扩展高斯核函数来处理不同变量之间的非线性关联,再结合仿真单维时序数据相似性度量与核主元分析,提出了仿真多维时序数据相似性度量方法。 (3)研究了仿真可信度指标综合方法。在仿真可信度评估过程中,需要对反映仿真系统不同侧面的可信度指标进行综合,以获得仿真系统的整体可信度。其间经常遇到指标权重信息不完全、指标权重信息完全但不一致、指标之间不独立等情况。针对上述三种情况,分别提出了相应的指标综合方法,解决了专家权重分配、综合判断矩阵一致性分析、指标间关系描述等难点。 (4)研究了仿真系统可信度缺陷环节分析方法,以准确地找出制约仿真系统可信度的瓶颈,指导仿真系统的改进工作。立足于仿真可信度的形式化评估模型及评估结果,结合Sobol法与正交设计法,提出了一种仿真系统可信度缺陷环节分析方法。该方法依据由常规正交表改造而来的扩展表安排试验方案,通过分析试验结果,判定缺陷环节的缺陷等级,再利用Sobol法计算出各个缺陷环节的耦合环节灵敏度。 (5)开发了仿真系统可信度评估辅助工具。仿真系统可信度评估是一项艰巨而繁琐的系统工程,需要众多领域专家的共同参与,其间涉及到大量的仿真数据、参考数据、过程信息等。因此,结合论文的方法性研究成果,利用Microsoft Visual C++6.0与Matlab7.0,开发了仿真系统可信度评估辅助工具,共包含七个模块:评估对象管理模块、评估专家管理模块、评估模型确定模块、可信度计算模块、可信度缺陷环节分析模块、评估结果统计模块和评估报告生成模块。 本文以XX要地防空作战仿真系统为应用背景,验证了评估方法及评估工具的有效性与实用性。相比前人的研究成果,本文所提出的评估方法具有语义清晰、逻辑严谨、普适性好、可操作性强等优点,能够合理有效地解决仿真系统的可信度评估问题,所开发的评估工具已被航天系统的多家单位采用,反响良好。


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