海军作战仿真系统可信度评估理论研究＊

徐 昶 李陆冀

（海军指挥学院 南京 210016）

1 引言

随着现代仿真技术的深入发展，仿真系统的可信度评估工作越来越凸显其重要性。国内外的仿真界已经达成了共识：没有经过可信度评估的仿真系统就没有任何价值[1]。军用仿真大都对作战系统（体系）的发展、运用、管理和决策产生重要影响，因此风险高、责任大。我军从上世纪90年代起重视和加强军用仿真系统的可信度评估。但从目前来看，可信度评估的理论研究和实践与西方发达国家军队相比，仍有较大的差距。

新世纪、新阶段国际国内形势发生了深刻的变化，海洋领域的竞争和对抗日趋激烈。海军由于其涉外性强、兵种多样、技术密集等特点，担负着更加多样化和敏感的使命任务。新形势下，建模和仿真（M＆S）技术的研究与应用更加广泛和深入，相应的仿真可信度评估已经成为亟待研究的重点[2]。针对我海军特点，开创性地推进海军仿真系统可信度评估研究是一项非常紧迫和重要的工作。

2 海军作战仿真系统可信度评估难点分析

信息化海战的复杂性、多样性，使得实兵、实装演练已很难满足作战研究和训练的需求。在现代电子信息技术的支持下，通过作战仿真在实验中学习战争、研究战争，在虚拟作战环境中进行作战训练，已逐步成为主要的研究和训练手段。海军作战仿真系统由于其消耗少、可重复、安全、保密、可靠等优点，在作战理论和战法研究、作战方案评估、装备发展论证、作战训练等许多方面有着无可比拟的优越性。但是，由于仿真系统毕竟是采用或部分采用模型和数据替代真实系统进行研究和实验，因此仿真的可信度成为其是否可以获得良好的应用效益的关键。然而海军作战仿真系统由于其性质和特点，存在着较大的可信度评估障碍。

1）海军作战仿真系统的复杂性导致了仿真和评估的困难

海军作战仿真系统以海军战役作战系统为原型，主要用于研究海战战役规律、训练战役指挥员的指挥能力、指挥效率和参谋人员的业务水平、论证海上战役部署方案和作战决心计划、评估装备体系作战效能等方面。不同的仿真目的对于可信度有不同要求，这使得可信度评估更加复杂。

海军高新技术密集，拥有兵种多样化，是具有国际性、战略性的军种，作战范围囊括陆、海、空、电的广泛领域，具备战略、战役、战术各种层级的作战能力，各作战单位和群体需要密切协同，在某种程度上，海军作战往往具有多军兵种联合作战的性质，作战系统结构十分复杂。

此外，对于海军作战系统来说，整体战斗力指标是这个系统最重要的输出，但是很显然，这一输出并不完全响应于输入，更多的兵员、武器装备和后勤保障并不意味着更多的战斗力[3]。比如赤壁之战、特拉法尔加海战、美日中途岛海战，都是以弱胜强的著名海战战例。这种输出与输入不成比例的非线性是复杂系统的典型表现，从这些分析可以看出，海军战役作战系统是复杂系统。

复杂系统由于内部的复杂性不容易被人们完全掌握，因而其仿真本身具有相当的困难。如果只从整体角度出发来建模仿真，那么对于系统内部情况缺乏了解，不能找到内部结构中的关键因素，背离了系统研究的初衷。如果像简单系统仿真那样，按照还原论思想，先对构成系统的各个组件进行建模，再连接成整个系统，那么作战系统结构动态变化的复杂性在仿真中如何体现？建模与仿真的过程中会不会损伤系统复杂性模拟的逼真程度？忽视复杂性所建立起来的仿真系统能不能满足既定的研究目标？复杂系统仿真如何评估其可信度？等等这些都是复杂系统仿真和评估的关键性问题。所以，海军作战系统的建模与仿真存在着许多困难，对于相应的可信度评估理论也提出了挑战。

2）海军作战仿真系统可信度评估的特点与难点

（1）系统仿真层面较高，可信度对决策影响较大

鉴于我国的当前形势和海军作战能力，未来我海军可能担负的任务大都是战役以上级别的作战，所以海军作战仿真一般涉及的都是战役和战略仿真层面。仿真的结果往往会影响重大的决策，如果因为仿真可信度的疏失，导致做出错误的决策，其后果将是灾难性的。可以说海军战役作战仿真系统可信程度关联着极大的决策风险，对其进行精确评估是仿真应用的基础和前提，是必须万分审慎的关键环节。这对仿真系统的可信度评估提出了极高的要求。

（2）缺乏权威的系统整体可信度评估理论和标准，评估难度较大

国内外仿真领域都已经确认，对于模型的可信度保障可以由校核、验证与确认（VV＆A）工作来完成。尽管VV＆A的原则已经明确指出模型的可信度不能取代仿真系统的整体可信度，整体可信度需要另外的校验方式来保障[4]，然而鉴于仿真系统千变万化、多种多样，仿真系统的整体可信度评估方面始终没有形成权威的理论体系和公认的实践标准。再加上复杂系统的复杂性所带来的影响，对于复杂性的仿真模拟本身就比较困难，如何评估可信度就更具难度。而且系统的可信度不仅仅关乎模型和数据的可信度，还与模型单元之间的接口关系和连接方式有关[5]，如何选择科学合理的可信度评估方法对评估人员也是一个挑战。所以即使通过VV＆A保证各个要素模型的可信度，系统整体可信度的管理和评估仍然是一大难题，也是海军作战仿真系统可信度评估工作中的一大障碍。

（3）原型系统数据少，相似度比较判别方法不适用

当前仿真界在处理系统整体可信度评估时经常使用的方法是一致性校验：将原型系统输入数据作为仿真系统的输入，比较两者在输出上的一致性，最终得到系统整体的可信度[6]。这种方法对于系统内部复杂性不好掌握的复杂系统来说是一个很好的途径，它使得评估人员可以绕过系统不可预见的复杂性来得到最终想要的结果，只要对比数据足够丰富，可以充分验证仿真系统的可信度。这种方法需要较为丰富的原型系统数据来支持，或者存在着原型系统来进行数据比对实验，这两个条件是相似度比较判别方法适用的前提条件。

然而我海军成军以来特别是现代化建设以来的作战实践很少，积累的数据不足，妨碍了相似度比较判别方法的实施。有限的军事演习，出于技术以及其他原因，本身的可信度是不能与实际作战相比拟的。缺少统计意义的实战数据，或者使用演习所积累的数据作为相似度比较判别的依据会给系统可信度评估带来较大隐患。

此外，海军作战仿真研究的大多是假想中的情况，具有高度前瞻性。如果抽调部队实兵进行大规模的数据比对实验将耗费大量的资源和人力，也背离了仿真研究追求高效费比的初衷，因此是不现实的。缺少真实数据积累、缺少原型系统支持，这两个海军作战仿真系统的特点导致了常规的相似度比较判别方法在战役层面的仿真评估中基本不可用。

3 海军作战仿真系统可信度评估的理论探索

复杂性主要源于涌现性[7]，为了克服系统复杂性对仿真系统可信度评估带来的困难，首先要对涌现性的影响作用进行分析。

1）涌现性对复杂系统整体可信度的影响分析

涌现性对系统可信度评估的影响有两种不同的可能，一是涌现性质被忽视，在建模过程中受到损伤，直接降低了仿真系统的客观可信度；二是涌现性质完好，涌现性的倍乘作用对系统可信度产生不确定的影响，使得主观上在进行评估时提升了评估的难度，以下对两种情况分别分析。

（1）建模过程中对重要涌现性损伤降低系统可信度

模型是对原型的抽象，完全和原型一模一样的模型，既不必要也不可能实现。在建模过程中，总是要简略或者删去原型的某些属性或者元素。这其中省略的部分可能对于单个模型的建模不重要，构建的模型在一定范围内具有足够可信度，满足应用的需求。但是要考虑到，在复杂系统中，组分构成系统时通过相互作用和与环境的交互产生的涌现性。这些省略的要素在模型构成系统的过程中是不是会有影响？缺失了某些要素是否会导致本来应该出现的涌现性不再产生？如果仿真系统在重要的涌现性质上与原型系统不能保持足够的近似，那么仿真系统是否可信？

虽然组分模型满足应用需求，但是由于不恰当的简化，导致系统涌现性仿真的损伤，这样的情况是容易发生的。举例说明：对于使用筷子来帮助吃面的仿真。一根筷子根据现实情况，给其定义“挑”的动作，而两根筷子在人脑自适应控制情况下就可以协同动作，涌现出“夹”的功能。然而需要注意的是，其一“夹”的功能不是“挑”的功能的叠加，而是明显优于“挑”的新功能（对物品的形状和质地无苛刻要求，“夹”的动作适用性远远超过“挑”），是两根筷子组成的系统涌现出的整体特性；二是实现“夹”这个功能，有一个隐含要素容易被忽略，即是我们所处真实世界中普遍存在的“摩擦力”。如果对筷子这个模型进行建模的过程中错误的简化，忽略了筷子的“摩擦力”属性，那么无论单根筷子模型的其他方面构建的如何逼真，两根筷子在绝对光滑的情况下显然是不可能“夹”起面条来的，因此也就损失了系统涌现性所实现的最重要的功能。

这个例子中，“挑”这个动作需要的隐含要素是重力，没有摩擦力的情况“挑”的动作依然可以完成，单根筷子的仿真模型对于仿真研究目的毫无问题。但是忽略了“摩擦力”要素，两根筷子的涌现性就消失了。这样建成的仿真系统在面对原有的研究目的—“用筷子来帮助吃面的仿真”这一应用时，显然并不符合现实的实际情况，可以说是几乎不具有可信度。

此外，人们利用仿真技术来研究原型系统，很多时候就是为了调整系统的内部结构和组成，优化系统，提升效能[8]。而有益的涌现性使系统效能得到跃升，这样的涌现性质本来就是人们所期待的，在某种程度上与仿真研究的出发点相一致。从这一角度来说，损伤了涌现性的仿真建模将违背仿真研究的目的，这样的仿真是不可接受的。

所以在对复杂系统进行分层建模时，不仅要对系统的组件单元进行模拟，还必须认真考虑这些组件单元之间的相互关系的模拟。须将整体涌现性作为十分重要的系统行为进行建模。而对系统的可信度评估，主要的关注点就是系统的整体用线性仿真的可信度，因此校核与验证阶段的重点是检测系统涌现性模型是否满足应用需求。

（2）完好的涌现性对系统可信度评估产生影响，提升了评估的难度

根据复杂系统涌现性的理论，如果仿真系统很好的复现了原型的涌现性，则完好的涌现性对系统的整体性能产生如同原型系统一样的影响效果。有利的涌现性质对于系统可能会产生功能的跃升或倍增，出现1＋1＞2的情况，而不利的涌现会产生系统“坍塌”现象，甚至出现系统内部的组分从协调走向对抗，导致系统在内耗中崩溃的情况，即出现1＋1＜2甚至1＋1＜1的情况[9]。这样可以把涌现看成是系统内部存在着“倍乘器”，正的涌现就是倍数大于1的放大，负的涌现就是倍数小于1的缩减，极限的内耗导致系统崩溃的情况则是涌现性的加成倍率为0。

模型可信度在模型建立之后便客观存在，可以看成是仿真模型的一个附属参数，涌现性行为有可能对可信度这一参数产生放大或缩小的作用。所以在计算系统可信度的过程中，不仅要综合分析各种模型可信度及其权重，更要重点分析涌现性模型的影响作用。

此外，很多的复杂系统仿真具有不同层次的多种多样的涌现性。比如具有战役作战能力的海上编队仿真系统可能同时具有全方位防空的防御力和对敌方目标的饱和攻击能力。这些涌现性有的可能只需要几个组分的密切交互就能产生，有些需要不同层次的诸多模型、子系统的团体协作才会出现，有的甚至需要整个系统的完全运作才能迸发出来。这也是复杂系统理论中“涌现产生层次”的观点[10]。同时，不同层面的涌现性对于系统产生不同的影响，因此各个层次涌现性模型对于仿真系统可信度影响的评估是一项十分复杂和困难的工作。

2）海军作战仿真系统整体可信度评估的可行思路

针对涌现性的两个方面的影响作用，可信度评估的具体方法应该做出改变。初步的解决思路是从复杂系统理论角度分析处理面对的问题，找出可以利用的规律，使用钱学森院士开创的从定性到定量综合集成方法来解决涌现性对系统整体可信度的影响的难题[11]。

（1）利用定性讨论排除重要涌现性损伤的仿真系统

虽然涌现的表现形式千变万化，不能被完全掌握，但是经过观察分析，我们可以看到一些涌现性的规律：

①数量与排列规律：单元的种类、数量和构成方式决定涌现的形式和性质，不同的单元、数量和构成方式会产生不同的涌现；

②量变到质变的规律：涌现是一种“质”的跃升，单元数量不足时不会产生涌现；

③涌现确定性规律：单元的种类、数量和构成方式一旦固定，且达到涌现的阀值时必然产生确定的涌现；

④涌现是系统状态在局部小范围的极值，有益的涌现是局部的优化排列。

这些规律在特定的仿真系统中往往表现出特定效果。

一般情况下，海军作战仿真系统中有益的涌现性与优秀的战役战术理论相符合，因为两者都是追求战斗力或者战斗效能的优化[12]。在验证仿真系统重要涌现性是否缺失时，依靠资深的军事理论专家参与系统的可信度评估讨论。列出想定研究中可能涉及到的战役战法，定性讨论仿真系统是否能够复现这些战役战法。如果讨论结果为否定的，则可以检验出仿真建模中的错漏和失误，对于提高仿真质量具有重要作用。

（2）借鉴复杂性定量计算方法来实现可信度评估

系统的复杂性是系统的整体性行为，主要表现于系统的外部功能。在某些情况下，系统外部功能的相似度比对不适用时，复杂性的相似度比对不失为可行的方法。这里所说的复杂性程度是指复杂系统中对于涌现性的度量，不包括其他数量、规模等意义上的“复杂”。

复杂系统理论诞生以来，用以定量计算系统“复杂性”程度的方法[13]已经开发出很多，其中有些比较成熟，完全可用应用于可信度评估中：

因为涌现性与组分的数量、规模、种类等有着密切联系，可以说涌现性程度包含了这些信息。定量计算原型系统和仿真系统的复杂性程度（涌现性的度量），并作出比较，有助于实现系统整体的可信度评估。

4 结语

海军作战仿真系统可信度评估是这一仿真研究领域的重要课题，是目前领域内研究的重点和难点。本文结合了可信度评估、VV＆A以及复杂系统等相关理论，分析了评估的难点、涌现性对可信度评估的影响，提出了复杂系统仿真需要避免的错误和可信度评估的相应注意事项，最后提出了借鉴复杂性定量计算比对的方法应用于可信度评估的思路，但是这一思路还有待进一步深入研究和细化。

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