CN101702214A

CN101702214A - 大规模复杂系统的能力需求分析方法

Info

Publication number: CN101702214A
Application number: CN200910213065A
Authority: CN
Inventors: 王智学; 陆建江; 刘晓明; 陈剑; 王聪; 董庆超
Original assignee: 王智学
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2010-05-05

Abstract

本发明公开了一种大规模复杂系统的能力需求分析方法，该方法包括以下步骤：建立领域知识和领域概念框架、获取用户需求、验证能力需求和解决方案生成，即通过建立领域知识和领域概念框架、获取用户需求、验证能力需求三个核心子过程的循环迭代和一个解决方案生成子过程收尾组成。本发明所述的方法有效规范和方便了大规模复杂系统的总体分析和一体化设计，在理论方法体系上，突破了传统的软件需求的概念，是新一代大规模复杂系统集成分析与设计的重要支撑手段。

Description

大规模复杂系统的能力需求分析方法

技术领域

本发明涉及一种能力需求分析方法，尤其是涉及一种大规模复杂系统的需求获取、分析与验证的方法与技术。

背景技术

大规模复杂系统的研制往往涉及较长周期的应用开发和系统集成，比如军事电子信息系统(外军称为指挥与控制、通信与计算、情报、侦察与监视系统，英文缩写为C4ISR系统)是一种集成了无线和有线等通信网构成的大规模分布式复杂系统，该系统中的每个网络节点都是一个人机交互系统，从技术角度看整个系统就是以软件为核心的信息处理系统，因此这类系统的研制必须通过完善的顶层分析和设计的方法和技术，才能实现各分系统(子系统)的互操作，避免“烟囱式系统”的现象。目前，国际上流行的方法是引入体系结构框架标准，统一需求设计的过程和产品，如美军的《国防部体系结构框架(DoD AF1.0)》、英军的《国防部体系结构框架(MOD AF1.0)》等。

但是，如何有效获取这类复杂系统的需求仍然是一个难题，其主要问题是，客户(使用方和管理方)关心的是信息系统能否提高武器装备系统的能力(功能和效能)，能否帮助他们完成使命任务，提出准确、细致的系统需求，而开发商由于缺乏部队经验，对系统的应用背景了解甚少，难以真正理解和把握项目需求的目标，时常出现系统研制偏离应用需求。目前，西方发达国家普遍认为，这类系统的策划和研制必须与部队的使命任务紧密联系，从充分发挥武器装备的功能和效能、提高部队作战能力出发，才能获得满足用户需要的需求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种突破传统、且能有效规范和方便了大规模复杂系统的总体分析和一体化设计的大规模复杂系统的能力需求分析方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种大规模复杂系统的能力需求分析方法，包括以下步骤：

(1)建立领域知识和领域概念框架

根据大规模复杂系统的体系结构框架及相关领域的应用术语，建立领域知识，所述的领域知识是一种通用概念，是对大规模复杂系统体系结构框架中各种抽象概念的具体说明，通过重点分析知识的内涵和外延，并以图形方式展现知识的结构，而所述的领域概念框架指的是大规模复杂系统应用领域内通用概念之间的关系及语义约束，领域专家通过对领域知识建模形成领域概念框架；

(2)获取能力需求

大规模复杂系统采取领域知识引导获取能力需求的方法，该方法从系统的使命任务出发，分析使命任务所需完成的目标、实现目标的任务场景以及开展的活动方式，最终从活动中获取复杂系统的能力需求，即从领域概念框架出发，进行自上而下分析，对已有的抽象的领域概念逐步具体化，直至形成完整的用户需求规约，初始的领域概念由领域专家给定，并且在工程中不断完善，而系统用户在领域概念框架引导下理解领域概念，并根据自己的应用需要对每个概念的相关细节进行具体说明，进而产生能力需求概念模型。

(3)验证能力需求

所述的验证用户需求即全面检验第步骤(2)中产生的能力需求是否满足领域概念框架的语义约束，是否存在与领域概念及其逻辑关系相矛盾的错误，如果验证通过就可以进行下一步骤，如果不通过，则返回步骤(2)重新进行需求获取，或者返回步骤(1)完善领域概念框架后再获取能力需求；

(4)生成解决方案

从能力需求模型中构造符合体系结构框架标准的视图产品，进而实现大规模复杂系统从需求分析到概念设计的无缝衔接。

步骤(2)所述的能力需求概念包括元概念层、领域特定概念层和应用概念层，其中元概念层为顶层概念，属于定于领域特定概念的基本概念，领域特定概念层的领域特定概念为特定领域中约定俗成的抽象概念，而应用概念层的应用概念则为领域特定概念定义和约束的用于描述某个具体应用的概念。

本发明的有益效果是：本发明所述的方法有效规范和方便了大规模复杂系统的总体分析和一体化设计，在理论方法体系上，突破了传统的软件需求的概念，是新一代大规模复杂系统集成分析与设计的重要支撑手段。

附图说明

图1为本发明一实施例的流程图；

图2为本发明所述的领域概念框架的抽象层次示意图；

图3为本发明所述的能力概念的元概念框架示意图；

图4为本发明一实施例的联合火力打击的领域概念模型示意图；

图5为本发明所述的能力需求分析框架示意图；

图6为本发明一实施例的“纵深打击”使命任务的应用模型示意图；

图7为本发明所述的概念的一致性检验原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，详细说明本发明的具体实施方式：

1、总体实现方案

本发明提出了一种新的需求获取过程方法——基于领域知识复用的能力需求获取过程，实现以问卷引导的需求获取与建模方式，支持领域知识在需求过程中不断积累和复用，并利用领域知识检验需求的一致性和完整性，分析论证需求的可行性。

图1为本发明一实施例的流程图。

如图1所示，上述过程由建立领域知识和领域概念框架、获取能力需求、验证能力需求三个核心子过程的循环迭代和一个解决方案生成的子过程收尾组成。

图2为本发明所述的领域概念框架的抽象层次示意图。

为了实现引导式需求获取，本发明采用三层概念抽象构成一个完整的能力需求概念，如图2所示：能力需求概念分为三个抽象层次：元概念、领域特定概念(或领域概念)和应用概念，其中元概念属于顶层概念，是用于定义领域特定概念的基本概念，如“使命”、“任务”、“能力”等，领域特定概念是某个特定领域中约定俗成的抽象概念，如“机动作战能力”(来源于元概念本体中的“能力”)，而应用概念则是用领域特定概念定义或语义约束的用于描述某个具体应用的概念，如由“机动作战能力”导出的具体概念“装甲车作战”。

2、具体实现步骤

(1)领域知识及领域概念框架的建立

图3为本发明所述的能力概念的元概念框架示意图；图4为本发明一实施例的联合火力打击的领域概念模型示意图。

根据军事电子信息系统体系结构框架及相关军事应用术语，本发明定义了能力、使命、任务、目标、节点、实体、活动、信息等概念，并建立元概念层框架，如图3所示：根据三层概念抽象结构，将由领域专家在元概念的约束下，构建领域概念框架，域概念实际上就是元概念的实例化，如图4所示：针对一个假设的联合火力打击行动，建立了联合火力打击的领域概念模型，图4反映了其中部分概念模型，参与该行动的我方包括空军和陆军。另外，需求分析主要关注的是我方的“机动”、“情报”和“打击”三个能力需求，领域专家通过这三个类，定义了六个实例，表示六种不同的具体能力，并赋予系统中四种作战资源(轰炸机、侦察机、火箭炮和步兵营)，此外，专家还定义了我方参战的指挥节点(指挥部、空军部队、空中侦察部队、炮兵部队和步兵部队)以及它们与作战资源之间的指挥通信关系。

(2)能力需求获取

图5为本发明所述的能力需求分析框架示意图；图6为本发明一实施例的“纵深打击”使命任务的应用模型示意图。

本发明在理论上采取领域知识引导获取应用需求的方法，该方法从系统的使命任务入手，分析使命任务所需完成的目标、实现目标的任务场景以及开展的活动方式，最终从活动中获取复杂系统的能力需求，具体实施分为四个步骤，如图5所示：

第一步：使命和任务分析的目的就是从用户业务角度出发，描述和分析待建系统应解决的根本问题，它是需求问题的根本点和出发点，而使命和任务分析关键则在于分析业务目标和系统建设的目标，沿着任务目标线条对能力需求进行自上向下的分析，并在此过程中建立一个初步的能力需求的目标模型。

上述的使命和任务的概念来源于业务规划，而对于军事电子信息系统来说，它主要来源于作战条令、条例、规定以及相关的战略研究，它是体系结构设计的基本术语。

①使命和任务分析的主要工作是围绕使命、任务和目标要素进行分析，尽可能诱导出一些能力需求，具体步骤如下：将使命分解为任务，将抽象概念的任务分解为具体的任务，任务之间满足高内聚、低耦合的模块化原则，如果在将一个任务分解为两个任务时，发现它们之间存在较多的联系(如执行任务的主体相同、能力需求相同、资源条件约束相同等)，则不应将其分解，应把它看作一个原子任务。

②从业务总体目标出发，将每个目标细分为子目标，这样就构成了一个目标分析树，其中，细分有两种方式，“与”分解和“或”分解，前者指父目标分解后的每个子目标对实现父目标有一定的贡献，所有子目标全部实现后父目标方可完全实现，后者指只要实现其中任何一个子目标则父目标即可达成，也就是说，前者分解所得到的是局部目标，后者得到的是实现目标的不同实现方案。

③找出目标之间的冲突关系，以提醒分析或设计人员解决，或在今后的设计中加以注意，该工作可以先人工标出冲突关系，通过建模工具对目标模型进行初步的完整性检验，找出上层目标之间可能存在的问题(冲突)，冲突的解决方式一般有两种：①去掉其中的某个目标，以消除冲突；②标记并保留这种冲突。

第二步：活动分析，它是在理解使命和任务的基础上，对完成使命任务的活动流程和状态变化进行深入分析，描述节点的资源约束以及节点之间信息交换对活动开展的影响，为获得能力需求的相关要素信息奠定基础，获取的能力需求的细致程度和准确程度关键取决于本步骤。

活动描述：关注的是活动由粗到细的分解结构、展开的顺序以及每个环节的输入输出，其方法是先对上述的每个活动进行分解，得到不再分解的原子活动，由此得到一个活动分解树，然后在每一层分解中描述活动顺序以及输入输出。

状态描述：关注的是活动随事件流展开的运行机理，其方法是首先分析事件流，然后分析活动开展的状态，并指出随事件发生的状态变迁，状态可以看作是一种特殊的活动。

在活动模型建立(分析)过程中，注意分析每个活动的能力需求，特别是对能力的功能和测度属性的要求，同时需要分析需要那些角色参与，受到那些物理资源的约束，在此过程中可能需要定义新的能力概念或实体概念，如果这些概念没有在上述步骤中定义过，因此在建立活动模型时可以修正以上两个步骤产生的模型，使之与活动的开展相吻合。

由于建立活动模型需要一定建模背景知识，因此该步骤通常是用户在技术人员的帮助下完成。

第三步：作战节点/实体分析：分析每个节点中应该包含的角色、组织资源和物理资源，建立较为完整的实体概念模型，模型至少能够全面反映机构类角色的指挥关系以及系统角色的构成，指挥关系取决于用户的管理体制，系统构成反映了现存的系统或者用户对未来系统支持的期望。

有了目标及作战节点后，可以建立目标分配模型，方法为将目标模型的底层目标进行责任分解，分析所有与实现作战目标相关的作战节点后，即可利用节点间的关系建立目标分配模型。

目标分配给作战节点后，目标的执行依赖于作战节点的能力，从而为能力分析奠定基础。

第四步：能力分析，通过以上分析和模型建立，已经得到了一些能力概念的基本定义，这里我们可以着手建立或完善能力概念模型，步骤如下：

①识别能力及其相互关系；

②分析能力内涵，包括功能属性分析、测度属性分析和演化属性分析；

③分析能力外延，包括能力资源配置分析、能力对任务支持分析等。

通过上述四个步骤，可以有效地获得用户应用需求模型，该模型中的概念应该是领域概念的具体实例化，按照上述步骤，可以建立如图6所示的“纵深打击”使命任务应用模型，该应用模型是在“联合火力打击的领域概念模型(图4)”的引导下生成的。

(3)验证用户需求

图7为本发明所述的概念的一致性检验原理示意图。

上述步骤中获取的大规模复杂系统的能力需求内部可能会存在语义上的冲突和矛盾，同时在语义层面上还极有可能存在违反待建系统所属领域内部知识或规则的一致性问题，因此，本发明采用描述逻辑描述能力需求模型，并借助描述逻辑提供的自动一致性推理引擎，发现能力需求中存在的各种一致性问题，从而保证系统需求的一致性、合理性和完整性，为下一步的系统软件的开发与维护奠定良好的基础。

具体实现方法是：在进行领域概念模型的推理和验证时，将元模型转换为描述逻辑TBox中的公理集合，将领域模型转换为描述逻辑ABox中的事实断言的集合，使领域模型转换为领域本体，同时，在领域模型一致性检验规则或合理性检查规则的约束下，借助描述逻辑提供的自动推理引擎的逻辑推理功能，实现领域模型的自动推理和验证；在进行应用模型的推理和验证时，将已经通过验证的领域模型转换为描述逻辑TBox中的公理集合，将应用模型转换为描述逻辑ABox中的事实断言的集合，获得应用本体，同时，在应用模型一致性检验规则的约束下，借助自动推理引擎的逻辑推理功能，实现应用模型的逻辑推理和验证，一致性检验过程如图7所示。

例如，假设我们想修改图6所示的模型，在资源之间增加一些联络关系{(A1F1，B1F1)，(M2B2，B1F1)，(M1B1，B1F1)，(M2B2，A1F2)}

火力协同(w)，以表示在执行任务中某些作战实体可以直接请求其它作战实体的火力支援，然而，在模型验证中就会发现某些联络关系违反了领域特定约束规则，它们是(A1F1，B1F1)、(M1B1，B1F1)和(M2B2，A1F2)，因为这些资源所属的指挥节点之间缺少火力协同关系，即{(A1，B1)，(M1，B1)，(M2，A1)}火力协同(w)。

(4)解决方案生成

由于顶层分析与设计通常采用一种系统工程方法就是体系结构框架方法，其中有代表性的就是美国DoD AF和英国MOD AF，所以能力需求解决方案主要采用体系结构框架方法，具体说就是采用DoD AF描述方法，主要使用OV视图产品，在能力元模型中，包含了描述体系结构的相关信息，通过提取这些信息可以生成相关的体系结构视图，具体的说就是生成以下视图产品：

①OV-2作战节点连接性描述，作战节点连接性描述主要是描述作战节点间信息交互关系，在作战实体/节点分析中，可以得出作战节点连接性描述，从而生成该视图产品(OV-2)。

②OV-3作战信息交换矩阵，在作战实体/节点分析中，可以得出各作战实体/节点的连结关系，从而生成信息交换矩阵(OV-3)。

③OV-4组织关系图，在作战实体/节点分析中，可以得到系统的指挥关系，例如：作战节点关系模型中作战节点分为三类，Human，Department和System，都有层次关系SubClassOf，具体到系统为SubSystemOf，机构为SubDepartmentOf，机构之间还可以定义它们的上下级关系SuperiordDepartment和SubordinateDepartment，在机构和人员之间还有包含关系HavingMumber，建立模型时重点描述机构以及人员之间各种关系，比如机构之间的隶属关系，人员与机构之间的隶属关系，人员与机构或者人员之间的指挥或领导关系等。所以可以生成组织关系图(OV-4)。

④OV-5活动模型，作战活动分析以过程和活动为中心，建立了与相关概念的关联，条件和约束施加于作战过程之上，由于过程由多个活动组成，因此形成了间接的约束关系，在描述各个作战活动时，将相关的作战节点，资源，结果与事件显示地与活动关联起来，这样就生成了活动模型(OV-5)。

除了OV视图外，根据能力需求模型，还能生成SV视图的部分产品。

⑤SV-1系统接口描述

因为作战节点可以是Human，Department或者System，所以结合作战节点及作战信息，可以生成SV-1系统接口描述。

⑥SV-5作战活动与系统功能跟踪能力矩阵，实际上在能力需求元模型中，准确的定义了能力和活动之间的关系，通过这种关系，我们可以生成作战活动与系统功能跟踪能力矩阵(SV-5)。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种大规模复杂系统的能力需求分析方法，包括以下步骤：

(1)建立领域知识和领域概念框架

(2)获取能力需求

(3)验证能力需求

(4)生成解决方案

2.根据权利要求1所述的大规模复杂系统的能力需求分析方法，其特征在于：步骤(2)所述的领域概念框架包括元概念层、领域特定概念层和应用概念层，其中元概念层为顶层概念，属于定于领域特定概念的基本概念，领域特定概念层的领域特定概念为特定领域中约定俗成的抽象概念，而应用概念层的应用概念则为领域特定概念定义和约束的用于描述某个具体应用的概念。