第一章绪论
利用建模与仿真(ModelingandSimulation,M&S)技术分析研究实际系统的方法日益受到人们的重视。仿真系统在何种程度上逼真地表达了真实(或想象的)世界中的原型，是衡量其质量好坏的根本尺度。为了实现表达真实系统这一功能，在仿真开发的初始阶段，首先需要明确待开发的仿真系统需要“做什么”、“表达什么”、“怎样表达”等重要的需求信息，并建立能够清晰陈述各项需求的文档川。这些需求信息与需求文档是否完备、详尽，对仿真系统是否逼真，能否产生可信的仿真结果，有着至关重要的影响。本章首先描述了基于UML描述的概念模型校验(VerificationandValidation,V&V)的研究背景;然后，深入分析了开展研究的必要性，并详细总结了国内外研究现状;最后，介绍了论文的研究内容和组织结构。
1.1研究背景与意义随着M&S技术的飞速发展，M&S技术的应用已经从最初作为建造实际系统进行实验与验证的辅助研制工具，发展到用于各种复杂系统操作的模拟器训练。到目前为止，M&S技术的应用己覆盖了当今社会各种复杂系统的概念研究、系统分析研究、系统开发与测试、系统预测与评估、系统使用培训与维护培训等所有领域[(2l。与此同时，M&S的正确性和可信度问题也成为专家所关注的一个重要问题，而仿真可信性研究的核心就是仿真系统的，’校核、验证与确认(Verification,ValidationandAccreditation,VV&A)"o任何系统的仿真建模都会涉及到以下环节:从需求中提炼有关概念，建立概念模型(ConceptualModel,CM);由概念模型进行结构、程序的设计;生成计算机仿真系统上可以运行的软件:经过测试后投入使用。如图1.1所示。负责人用户图1.iM&s开发过程由图1.1可以看出，概念模型是仿真开发过程中的第一步，它完成的是从原型系统到模型系统的第一次相似或近似。与后续的建模任务相比，它实现的是一种从无到有的转换。因此，概念模型校验是VV&A工作中最重要、最困难的问题之一，是影响模型可信度一个举足轻重的环节。概念模型校验的核心在于确定其理论和假设是否正确，对原型系统的表达是否能合理地满足用户的需求;目的是确保正确、完整地提供一个支持需求向设计过渡的能力框架。概念模型的校验是仿真可信度评估的基础。虽然对仿真测试和应用结果的验证可以确定特殊测试案例下仿真执行过程的正确性，但如果没有对仿真概念及算法的验证，则难以保证应用于一般情况下的仿真过程的正确性。
概念模型校验可以为其他环境下仿真运行有效性的推测提供依据，也可以明确仿真应用的适用范围。具体来说，研究概念模型校验的意义如下:(1)有利于概念模型真正成为用户和模型开发人员、开发人员与技术人员彼此沟通的桥梁;(2)暴露仿真模型开发最初阶段的问题，降低模型开发风险;(3)经过验证的概念模型是促进模型重用、建设权威数据源的重要资源。目前，国际上关于概念模型开发的指南、评估方法及描述方式的开发不具有连贯性，对于如何描述概念模型没有形成一致的意见，因此，对于如何评价概念模型上还没有形成标准。而过去数十年的研究表明，在众多的建模语言中，统一建模语言(UnifiedModelingLanguage,UML)作为一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言，融入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术，适用于以面向对象技术来描述任何类型的系统，而且适用于系统开发的不同阶段—从概念模型建立直至系统完成后的测试与维护，因此逐渐成为软件开发的标准，包括美国国防部在内的许多研究机构也利用UML对概念模型进行描述[(3][4][5]。为使基于UML描述的概念模型能够更加准确清晰地陈述模拟系统的表达需求，更好地开展VV&A工作，有必要对基于UML描述的概念模型的校核、验证技术进行深入地研究。1.2研究现状对概念模型的研究最早由美国国防部建模与仿真办公室((DefenseModelingandSimulationOffice,DMSO)于1995年在它的第一个建模仿真主计划[61中提出，它把概念模型看作是独立于仿真实现的一个重要阶段，促进了各类模型与模拟应用之间，以及模型与相关系统之间的互操作性，同时也促进了M&S部件的可重用，实现了仿真规模的可伸缩性和仿真的高性能。
1996年，DMSO制定了VV&A建议指导规范(RPG)[}l，指出概念模型是从需求分析转化到系统设计的一个桥梁。校验概念模型时，首先要审核所有的用户需求是否确实在概念模型中给出了全面准确的描述。此外，V&V人员还应对概念模型中所描述的算法、假设、限定条件和逻辑结构的正确性予以验证。IEEE也在1997年制订并通过了分布交互式仿真系统((DIS)VV&A建议标准[(81，提及了概念模型校核与验证的目标、内容、工具及技术;2007年IEEE又针对HLA联邦开发和执行过程的VV&A制定了指导规范[[9]，给出了针对联邦概念模型校核与验证时所需要的信息、完成的任务以及得到的产品，为概念模型校核与验证的实施提供了理论指导。随着国际上对W&A关注程度的增加，在一些仿真会议中，也出现了对概念模型校验的讨论。美国海军建模与仿真管理办公室(U.S.NavyModelingandSimulationManagementOffice,NMSO)资深专家OsmanBalci博士在1998年的冬季仿真会议((WinterSimulationConference,WSC)中总结了W&A技术与方法【}o]，指出在M&S各阶段适用的V&V技术。
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摘要 6-7
Abstract 7
第一章 绪论 8-12
1.1 研究背景与意义 8-9
1.2 研究现状 9-10
1.3 研究内容及论文组织结构 10-12
1.3.1 研究内容 10-11
1.3.2 论文组织结构 11-12
第二章 概念模型校验基础 12-21
2.1 概念模型 12-15
2.1.1 基本内涵 12-14
2.1.2 描述形式 14-15
2.2 校核与验证概念 15-17
2.2.1 校核(Verification)定义及实质 16
2.2.2 验证(Validation)定义及实质 16
2.2.3 校核与验证的关系 16-17
2.3 概念模型校验原则 17-18
2.4 概念模型校验方法 18-19
2.5 影响概念模型校验的因素 19-20
2.6 本章小结 20-21
第三章 概念模型校验过程 21-35
3.1 概念模型校验一般过程研究 21
3.2 基于UML描述的概念模型校验过程建立 21-34
3.2.1 建立校验范围和标准 22-23
3.2.2 确定校验内容 23-26
3.2.3 确定校验方法 26-31
3.2.4 实施校验 31-34
3.3 合理性分析 34
3.4 本章小结 34-35
第四章 概念模型动态行为校验 35-53
4.1 动态行为校验方法研究 35-36
4.2 动态模型的Patri网映射 36-50
4.2.1 状态图的Petri网映射分析 36-39
4.2.2 时序图的Petri网映射分析 39-41
4.2.3 时序图至Petri网映射算法设计 41-48
4.2.4 算法正确性验证 48-50
4.3 实施可执行验证 50-51
4.4 本章小结 51-53
第五章 概念模型校验实例分析 53-68
5.1 报文传输概念模型建立 53-56
5.1.1 需求分析 53-54
5.1.2 概念模型的UML描述 54-56
5.2 报文传输概念模型校验 56-67
5.2.1 时序图向Petri网模型的映射 57-59
5.2.2 状态图向Petri网模型的映射 59-62
5.2.3 Petri网模型分析 62-67
5.3 本章小结 67-68
第六章 总结与展望 68-70
6.1 全文总结 68-69
6.2 工作展望 69-70
参考文献 70-74
作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作 74-75