海军训练仿真中的因果追溯分析

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1、第四鄙分航天与装备仿真 4 5 9 海军训练仿真中的因果追溯分析 石 峰1杨峰1 2高兴华1 方志刚1 ( 1 海军装备研究院北京，1 0 0 0 7 3 2 国防科学技术大学长沙，4 1 0 0 7 3 ) 摘要：训练中应用仿真技术使得海军训练水平得到不断提高，与此同时，训练仿真过程中或者事后对训练数据的分析和评 估也越来越受到关注因果追溯分析用于对训练中发生的事件做出合理的因果解释，本文就这类分析的分析对象、方式、特 点、方法以及典型应用进行了介绍，并提出了展望 关犍词：因果追溯分析；训练仿真；因果解释；训练 中图分英号：T P 3 9 1 9 C a u s a lT r a c i n

2、 g A n a l y s i si nN a v yT r a i n i n gS i m u l a t i o n S h iF e n 9 1 Y a n gF e n 9 1 G a oX i n g h u a l F a n gZ h i G a n g l ( 1 N a v a l A c a d e m y o f A r n m m e n t ，B c i j i n g t1 0 0 0 7 3 ：2 N U D T C h a n g s h a ，4 1 0 0 7 3 ) A b s t r a c t ：T h ea p p l i c a t i o n

3、 so fs i m u l a t i o nt e c h n o l o g i e si m p r o v et h en a v yt r a i n i n gl e v e l A n d ，t h r o u g ht h et r a i n i n gs i m u l a t i o np r o c e s s o ra f t e ra c t i o n sa n a l y s i sa n dr e v i e wa t t r a c tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s C a u s a lt r a c i n

4、 ga n a l y s i s ( C T A ) i su s e di nc a u s a le x p l a n a t i o nf o r t h ee v e n t sh a p p e n e di nt h et r a i n i n g S o ，t h eC T A so b j e c t s ，m o d e s c h a r a c t e r i s t i c s 。m e t h o d sa n dt y p i c a la p p l i c a t i o n sa l ep r e s e n t e d f o l l o w , a

5、n di t sp r o s p e c ti ss h o w e da tl a s t K e yw o r d s , C a u s a lT r a c i n gA n a l y s i s ；T r a i n i n gS i m u l a t i o n ：C a u s a lE x p l e n a t i o n ：T r a i n i n g 1 引言 当前，军事训练已从体质、技巧向素质、思想发展， 训练内容从简单的操作训练向复杂的战术训练、战役战 略指挥训练发展，训练方式从言传身教、实际操作向模 拟器、训练仿真发展。在海军装备规模加大、科技含量 和复杂程

6、度提高、造价日益昂贵、训练条件苛刻多变的 情况下，仿真技术在训练中的应用带来越来越多的好处： ( 1 ) 相对实际训练，可显著降低训练的费用、增加 训练的次数、增强人员熟练程度； ( 2 ) 可以进行现实中无法完成或者需要花费巨大代 价才可能完成的训练任务； ( 3 ) 防止操作实际系统不当带来的破坏和损失，提 作者简介：石峰( 1 9 7 7 - - ) 男河北石家庄，工程师博士。从事舰船 系统工程、装备仿真评估的研究扬蜂( 1 9 7 5 - ) ，男( 汉) 山东潍坊 人，博士，副教授。主要研究方向系统工程、装备采办与仿真评估等 高兴华( 1 9 7 2 一) 男( 汉) 。山东昌乐人，

7、硕士工程师，主要研究方 向舰船系统工程等。方言喇( 1 9 6 6 - ) ，男( 汉) 湖南衡阳人。硕士。高 级工程师主要研究方向舰船系统工程、腐蚀与防护等 高了安全性，减轻对环境的影响： ( 4 ) 可按需安排训练内容，设定训练条件，对训练 过程全方位监控并能实施干预，事后可进行科学分析， 发现训练中暴露的问题： ( 5 ) 针对不同人员可以采用不同的训练程序，降低 教官的训练难度，增强训练针对性。 仿真技术在训练中发挥着巨大的作用，但要看到模 拟器和训练仿真是不能完全替代实际系统和真实战场上 的训练，它们提供的训练内容只是增强了部队的基本能 力，人与装备的结合、人与部队的结合只有在实战中

8、磨 砺，才能形成真正的战斗力。美军将新武器装备、新的 战法、大量的作战部队投入到世界各地的战场如科威特、 科索沃、阿富汗、伊拉克，举行各种各样大规模的演习 就是为了保持军力的领先地位，保证军队战斗力能维持 其霸主地位。 军事训练中涉及了各种各样的仿真相关技术。如 C G F 、A g e n t 、人工智能、虚拟现实、嵌入式系统、严肃 游戏等等，但是越来越受到关注的是训练过程中或者事 系统仿真技术及其应用第1 0 卷 后对训练数据的分析和评估，这样不但能形成良性循环， 而且能进一步发挥训练仿真在训练中的作用。 2 因果追溯分析H 1 因果追溯分析是一类重要的因果解释的手段。它与 正向演绎预测、

9、归纳等分析手段不同，更加强调从结果 出发逆向寻找原因。在训练过程中或者事后，如果能够 就其中发生的行为( 包含问题和错误等) 等进行判断并 做出合理的解释，将会对下一步的训练工作提供很好的 帮助。 2 1 因果追溯分析对象 对训练仿真结果进行解释主要回答两大类问题： ( 1 ) 现象解释，说明某些行为的发生，及其作用过 程如何。需要说明的行为包括正常行为和异常行为，追 溯分析可以得到触发这些行为的原因以及行为作用过 程，这些对于理解和分析仿真结果都能起到重要的作用： ( 2 ) 规律解释，说明行为发生的规则和特点。当某 次训练仿真发生行为及其因果关系并不能完全说明训练 结果，即现象解释无法胜任

10、时，这就要求通过大量的训 练仿真数据来探索和解释行为发生的规则和特点，如探 索训练中的难点，发现训练程序的不足等等。 就训练中最引人关注的“错误”而言，它可以归为 现象解释一类。根据分析目的可以将错误区分为三类范 畴：程序性错误( P r o c e d u r a lE r r o r s ) 、认知错误( C o g n i t i v e E r r o r s ) 和无意识错误( U n i n t e n d e dE r r o r s ) 。程序性错误 是基于技巧的( S k i l l B a s e d ) ，并且是典型的能清楚定义 的( 如操作步骤颠倒) 。认知错误是基于知

11、识的 ( K n o w l e d g e B a s e d ) ，属于个人对一般概念的理解，以 及他们在执行过程中对态势的意识和建模。认知错误是 由于有缺陷的、不完备知识的使用，或是没有使用正确 的知识而导致的。无意识错误来自人类缺陷的过失( 如 听错命令，训练输入错误参数) ，而不是个人的技巧和知 识，更不是来自它们。 2 2 因果追溯分析的方式及特点 因果关系追溯分析主要有面向因素和面向行为两种 方式： ( 1 ) 面向因素方式关注仿真中各种参变量要素之间 的因果作用关系，通常采用统计方法发现它们之间的真 实关系。该分析方式具有严格的数学理论支持，因而其 分析结果偏向于各种数学公式、

12、图表。统计分析、定性 建模是典型的面向因素的分析方式。 ( 2 ) 面向行为方式关注仿真输出的各种行为之间的 关系，它按照人的理解方式发现问题，寻找原因。故障 分析、病因诊断等都是典型的面向行为的分析方式。 行为表达与因素表达的形式不同，关注的角度不同， 从而决定了它们能够解决的问题也不同。在具体的实施 过程中，两种分析方式没有严格的界限，它们能够综合 在一起使用和相互补充。目前，面向因素的分析方式由 于具备坚实的数学基础，因此得到广泛的应用。但是它 仅仅通过因素变量对结果进行分析，一方面不容易理解， 另一方面容易忽略行为作用过程等细节，而这些可能会 对用户理解问题造成影响。 由于训练仿真系统

13、众多、层次不一、用途不同，因 此因果追溯分析具有以下特点： ( 1 ) 仿真中蕴含的因果关系具有多样性、层次性和 多角度特点。因果关系的多样性，复杂仿真模型众多、 关系复杂，包含多种多样的因果关系，如指控关系、交 战关系以及空间、时间、电磁等作用关系；因果关系的 层次性，仿真系统反映的是实际存在的目标系统，系统 的层次性决定了因果关系的层次性，体系之间、系统之 间、子系统之间不同层次包含的因果关系的形式和特点 都不同：因果关系表达的角度不同，哲学意义上的因果 关系可以表达成一致的形式，但在仿真分析中，因果关 系可以从不同的角度来表示。例如从因素或从行为的角 度都可以反映一定的因果关系内容。因果

14、关系具有多样 性、层次性和多角度特点是因果关系本身的特点决定的： ( 2 ) 事件包含重要信息。事件和状态都是仿真基本 的数据，事件是状态发生质变的关键点，包含了关键点 的状态信息，也正是这部分信息才是用户所需要关注的， 而不是那些非质变的中问状态信息，仿真中训练行为和 仿真实体问的交互与离散事件密切相关； ( 3 ) 过程与结果同样重要。因果关系的作用是一个 时间过程。训练仿真中，因果关系大量存在并且作用关 系和顺序错综复杂，这将导致仿真的结果很难直接与仿 真最初的设置和行为关联，也就很难直接分析它们之间 的因果关系，所以只有通过对过程的分析才能进一步解 释和说明仿真结果。此外，因果作用过程

15、本身也是一种 因果知识，是用户关注和解决各种应用所需要的内容， 过程细节不但可以清晰用户对系统的认识，而且还可以 更加全面的解释仿真输出的数据： ( 4 ) 结果抽象为多个层次。因果追溯分析得到的结 果存在多个层次：数据信息知识。因果数据是 最基本的记录仿真行为因果作用过程的仿真数据，是进 行因果分析的基础：因果信息是对因果数据进行初步分 析后得到的结果，它从数据中提取一些有意义的部分， 如某行为发生的原因，从结果到原因的作用过程，是现 象解释的结果；因果知识是更高层次信息的提炼，它体 现了系统的内在j i ! l ! 律和特点，可以形成某些经验、关联 信息甚至是专家见识，是规律解释的结果。

16、第四部分航天与装鲁仿真 4 6 1 2 3 因果追溯分析方法 目前，在仿真领域已形成了多种多样的冈果追溯分 析方法，按照仿真模型实体提供信息的多少可以将这些 方法归纳为三类：“黑箱”类、“自箱”类和“灰箱”类。 当把模型，实体看作是“黑箱”时，只能获取其外部 行为。如果该模型输入输出同步，可以通过记录轨迹的 方式得到因果关系；如果能够提前建立因果关系的规则， 也就是建立先验的因果模型，那么在得到仿真数据后， 可依据规则逐步推理得到因果解释：如果没有限制。可 以采用统计分析或数据挖掘来识别因果关系。“黑箱”类 方法是一种最常用的因果追溯分析方法，它对仿真模型 没有特殊要求，它忽略了模型本身，只关注模型输出的 数据，但同时也增加了分析的难度。譬如，对于复杂的 仿真系统，因果关系的隐含性、复杂性和动态性将增加 建立先验的全局因果模型规则的难度。 当把模型，实体看作是“白箱”时，模型信息完全已 知，可以通过对模型的直接分析掌握有关因果关系发生 的流程。在分析仿真数据时，可以按照这些得到的因果