CN102708224B - 一种基于功能设计的系统结构自动分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用系统设计数据自动分析系统结构的方法。本发明包括如下步骤：(1)读取并解析系统设计数据文件，形成系统功能表、系统功能关系表、系统及功能部署表以及系统接口关系表；(2)系统功能部署完备性分析。根据系统功能表和系统及功能部署表来分析判断系统功能是否全部部署在系统上，全部系统功能是否由系统执行；(3)系统结构关系合理性分析。根据系统功能表、系统功能关系表、系统及功能部署表以及系统接口关系表来分析系统之间的结构关系是否满足系统功能之间数据交换的要求，是否存在增加和遗漏交换。采用本发明分析方法可以在系统结构设计的同时快速、准确、低成本的为设计人员提供支持。

Description

一种基于功能设计的系统结构自动分析方法

技术领域

本发明属于信息系统工程领域，具体涉及一种利用系统设计数据自动分析系统结构的方法。

背景技术

由于信息技术在社会、经济和日常生活中的广泛使用，使得信息系统的功能、结构越来越复杂。这大大增加了系统设计和开发的难度。为保证信息系统设计的科学性，人们研究并提出了多种系统设计的思想和方法，如结构化的设计方法、面向对象的设计方法、面向服务的设计方法。这些方法为信息系统设计提供科学的方法指导。

信息系统的结构设计包含系统的组成、系统完成的功能以及系统之间的结构关系等内容，是系统设计的重要组成部分，其直接影响系统功能、效能、成本、可靠性、可扩展性等指标。

目前，最常用的系统结构分析方法是人工判断法和基于仿真的分析方法。

人工分析方法主要是设计人员根据自己的设计经验，在设计中对系统结构进行分析判断。其分析判断的结果与设计人员的水平和经验密切相关，因此，这种方法得到的结论具有一定的主观性和不确定性。对于规模较大、功能复杂的信息系统来说，其结构关系的复杂程度随着组成单元的数量、完成功能的数量急剧增加，单纯依靠设计人员的经验难以分析复杂的系统结构。

基于仿真的分析方法能够很好地分析系统结构、功能甚至系统的效能，也是目前最常用的方法。这种方法分析的前提是必须建立系统仿真模型。建立仿真模型本身就是一项复杂的工作，耗时费力，其复杂程度不亚于系统设计。因此，基于仿真的分析方法主要用于分析复杂流程设计、系统效能等。

发明内容

本发明的目的在于利用系统设计数据自动分析系统结构设计的合理性。该方法利用保存在数据库的系统设计数据，特别是系统功能、系统结构设计数据，按照系统功能的组成以及功能之间数据流的关系，通过建立系统功能、系统结构等的关系模型，实现对系统结构设计自动化分析。

本发明按照以下步骤实施：

步骤1：解析数据文件文件，构建数据表。

以系统设计数据文件为本发明的输入，读取并解析系统设计数据文件，按照固定格式构建系统功能表、系统功能关系表、系统及功能部署表以及系统接口关系表。

系统功能关系矩阵主要表现系统功能之间的信息交换关系。根据系统设计数据库中的系统功能表和数据流表，构建系统功能关系矩阵。设系统功能表中包含系统功能的个数为N个，系统功能间数据流关系矩阵D是N×N的矩阵，矩阵中的元素d_ij的含义

$d_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{cc}1& f_i\→f_j\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

其中f_i→f_j表示功能f_i向f_j输入信息或数据

系统功能部署关系矩阵主要表现系统完成系统功能集。根据系统设计数据库中系统功能关系表和系统及功能部署关系表，建立系统功能部署关系矩阵。设系统结构中共包含M个系统，每个系统完成一定的系统功能，建立系统功能部署关系矩阵SF，SF是一个M×N的矩阵，矩阵元素

系统-系统关系矩阵主要表现系统组成单元的接口关系。根据系统设计数据库中系统接口关系表生成系统-系统关系矩阵。设系统-系统关系矩阵为SS，SS为M×M的矩阵，矩阵元素

${\mathrm{sss}}_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{cc}1& s_i\→s_j\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

其中s_i→s_j表示系统s_i向s_j输入信息或数据。

步骤2：系统功能部署完备性分析。分析判断系统功能是否全部部署在系统上，全部系统功能是否由系统执行。

系统功能部署完备性分析的步骤如下。

(1)根据系统功能表和系统及功能部署表，建立两个集合FUN0和FUN1。其中FUN1是根据系统功能表得到的系统功能集，FUN0是根据系统及功能部署表得到的系统功能集。

(2)集合FUN和FUN1进行相减运算，设集合S

S＝FUN1-FUN0

如果S为空则系统功能部署完备；否则，不完备。

步骤3：结构关系合理性分析。分析系统之间的结构关系是否满足系统功能之间数据交换的要求，是否存在增加和遗漏交换。

结构关系合理性分析过程如下。

(1)根据前面建立的系统功能关系矩阵D、系统功能部署关系矩阵SF以及系统-系统关系矩阵SS，按照系统功能之间关系，自动生成系统-系统关系矩阵SS0。

(2)与构建的系统-系统关系矩阵SS比较，进行以下运算

S＝SS0-SS

若S不是零矩阵，则系统接口关系设计存在问题。如果S中的元素为1，则表示按照系统功能关系，该元素对应的系统组成应该存在接口关系，而实际系统中没有，接口设计不完备。若S中的元素为-1，则表示按照系统功能关系，该元素对应的系统组成不存在接口关系，而实际系统中却存在。

步骤3的具体步骤如下：

系统结构关系合理性分析步骤中包含有如下步骤：

(3.1)根据系统功能关系表，建立系统功能关系矩阵；

(3.2)根据系统及功能部署表，建立系统功能部署关系矩阵；

(3.3)根据系统结构关系表，建立系统-系统关系矩阵；

(3.4)根据系统功能关系矩阵、系统功能部署关系矩阵和系统-系统关系矩阵，生成理想的系统-系统关系矩阵；

(3.5)将系统-系统关系矩阵和理想系统-系统关系矩阵相减，根据运算结果结果分析系统结构合理性，如果相减后输出的矩阵为零矩阵，则系统结构设计是合理的，如果相减后输出的矩阵为非零矩阵，则系统结构设计是不合理的。

上述基于功能设计的系统结构自动分析方法，其中所述的步骤(3.4)中的构建理想系统-系统关系矩阵的程序所采用的方法为，如果系统S_i与系统功能F_j存在部署关系，系统功能F_j与F_i存在数据交换关系，并且系统功能F_i被部署在系统S_k上，那么系统S_i和S_k存在接口关系。

上述基于功能设计的系统结构自动分析方法，其中所述的步骤(3.4)中的构建理想系统-系统关系矩阵的程序所采用的方法为：

(5.1)输入矩阵D、SF、SS；

(5.2)扫描系统-系统功能部署矩阵；

(5.3)如果矩阵SF中第i行对应的系统S_i与第j列对应的系统功能F_j存在部署关系，则查找与F_j有数据交换关系的系统功能；

(5.4)扫描系统功能关系矩阵中系统功能F_j所对应的行；

(5.5)如果系统功能F_j与第k列所对应的系统功能F_k存在数据交换关系，则查找部署了系统功能F_k且不是系统S_i的系统集；

(5.6)扫描系统-系统功能部署矩阵中系统功能F_k所对应的列；

(5.7)如果矩阵SF中第l行对应的系统S_l与第k列对应的系统功能F_k存在部署关系，S_l与S_i不同，则系统S_l和系统S_i之间存在接口关系。

系统的组成、各组成单元完成的功能以及各组成单元之间的信息交换关系是由系统功能决定。系统功能的组成决定了系统组成单元以及执行的功能，系统功能之间的关系决定系统之间的信息交换关系。因此，在系统功能设计的基础上，可以通过功能设计的相关数据，对系统结构设计进行基本的分析，判断系统功能是否有相应的系统组成单元来执行，系统之间的接口关系设计是否满足系统功能执行的要求等。

本发明就是利用系统功能设计数据，自动分析判断系统结构设计的合理性。这种分析方法可以在系统结构设计的同时快速、准确、低成本的为设计人员提供支持。

本发明方法根据系统功能对系统结构的要求，以系统功能数据为基础，分析系统功能设计对系统结构的要求，以上述数据为基础，通过相关的程序，自动化地分析系统功能部署完备性和结构关系合理性分析。具体而言，本发明具有以下技术效果。

1.支持多种建模方法，扩展性好

本发明的输入为系统设计数据文件，与系统设计中具体的建模方式和平台无关，因此本发明支持多种建模方法，具有较好的开放性和兼容性。对于新的建模方法输入的设计数据，本发明只需对新数据文件直接解析即可使用，具有较好的扩展性。

2.结论科学、客观

本发明直接利用设计数据，按照系统功能与系统结构之间的逻辑关系，建立分析相关分析程序，自动化分析系统结构。该分析过程不要人工参与，与设计人员、分析人员的认知水平和经验无关，分析结论具有科学性和客观性。

3.快速高效

本发明完全采用自动化的分析手段，只要提供系统功能和系统结构设计数据，即可通过简单程序对设计进行分析，不需建立其他复杂的模型，具有快速、高效的特点。

附图说明

图1本发明所述的基于功能设计的系统结构自动分析方法中的步骤图；

图2本发明所述的基于功能设计的系统结构自动分析方法中的结构关系合理性分析过程图；

图3本发明所述的基于功能设计的系统结构自动分析方法中实施例1系统功能描述图示例；

图4本发明所述的基于功能设计的系统结构自动分析方法中实施例1系统结构描述图示例。

具体实施方式

为保证本专利的特征和优点更加易懂，下面结合附图和实例进行详细说明。

实施例1

某系统设计中，系统功能设计和系统结构设计分别如图3和图4所示。

步骤1：解析数据文件文件，构建数据表。

该设计结果以XML文件格式输入，对该设计文件解析，生成系统功能表1、系统功能关系表2、系统及功能部署关系表3和系统接口关系表4。

表1：系统功能表

功能ID	功能名称
		F0001	系统功能1
F0002	系统功能2
		F0003	系统功能3
F0004	系统功能4
		F0005	系统功能5
F0006	系统功能6
		F0007	系统功能7
F0008	系统功能8
		F0009	系统功能9

表2：系统功能关系表

功能关系ID	源功能ID	汇功能ID
			FR0001	F0001	F0002
FR0002	F0002	F0003
			FR0003	F0003	F0001
FR0004	F0003	F0005
			FR0005	F0003	F0008
FR0006	F0003	F0007
			FR0007	F0004	F0001
FR0008	F0004	F0003
			FR0009	F0006	F0004
FR00010	F0007	F0005
			FR00011	F0007	F0009
FR00012	F0008	F0007
			FR00013	F0009	F0005

表3：系统及功能部署表

系统ID	系统名称	系统完成的功能集的ID
			S0001	系统1	F0001；F0002
S0002	系统2	F0007；F0008
			S0003	系统3	F0003
S0004	系统4	F0005；F0009
			S0005	系统5	F0004；F0006

表4：系统接口关系表

系统关系ID	源功能ID	汇功能ID
			SR0001	S0001	S0003
SR0002	S0002	S0004
			SR0003	S0003	S0002
SR0004	S0003	S0004
			SR0005	S0003	S0001
SR0006	S0005	S0003

步骤2：系统功能部署完备性分析。

步骤2.1：根据系统及功能部署表，建立集合FUN0，FUN0是设计系统完成所有功能的集合。集合FUN0初始值为空。

分别读取系统及功能部署表中的每条记录，将系统完成的功能集的ID加入到集合FUN0中。直至系统及功能部署表的最后一条记录结束。得到系统完成功能集合FUN0。

根据表3的数据，得到

FUN0＝{F0001，F0002，F0003，F0004，F0005，F0006，F0007，F0008，F0009}

步骤2.2：根据系统功能表，建立集合FUN1。FUN1的初始值为空。

分别读取系统功能表中的每条记录，将系统功能ID的数据加入到集合FUN1中，直至系统功能表的最后一条记录结束。最终得到系统功能集FUN1。

根据表4的数据，得到

FUN1＝{F0001，F0002，F0003，F0004，F0005，F0006，F0007，F0008，F0009}

步骤2.3：比较FUN0与FUN1的值。

FUN1-FUN0＝Φ

对于图4所示的系统结构描述图来说，其系统功能部署是完备的。

步骤3：结构关系合理性分析。

步骤3.1：建立系统功能关系矩阵

设系统功能表中记录数为N，构建N×N的零矩阵D。读系统功能关系表记录数据，修改D矩阵元素的值。从系统功能关系表的第1条记录开始，读取每条记录的数据，源系统功能ID所对应的系统功能所在的行i以及汇功能ID所对应系统功能所在的列j，D中的元素d_ij＝1，直至记录结束。最终得到的矩阵D就是系统功能关系矩阵。

根据图3的系统功能描述，其对应的数据表1和表2，得到系统功能关系矩阵D为

$D=\left(\begin{array}{ccccccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 1& 0& 1& 1& 0\\ 1& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

步骤3.2：建立系统功能部署关系矩阵

设系统及功能部署表的记录数为M，产生一个M×N的零矩阵SF。读取系统及功能部署表中的记录，修改SF中相应元素的值。

从系统及功能部署表中的第1条记录开始直至记录结束，读取每条记录。解析系统完成的功能集的ID中的各功能ID，设该条记录中系统ID所对应SF中的行为i，系统完成的功能集的ID中系统功能ID分别对应SF中{j₁，j₂，…j_k}，则第i行和第j_l，(l＝1，2，…k)列所对应的元素指为1。最终得到的SF就是系统功能部署关系矩阵。

根据图4描述的系统结构关系图，其对应的数据表是表3和表4，最终得到系统功能部署关系矩阵SF为

$\mathrm{SF}=\left(\begin{array}{ccccccccc}1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 0& 0\end{array}\right)$

步骤3.3：构建系统-系统关系矩阵

设矩阵SS为M×M的零矩阵，读取系统接口关系表修改SS中相关元素的值。

从系统接口关系表的第1条记录开始直至记录结束，读取每条记录的信息。每条记录中源系统ID表示的系统对应矩阵SS的第i行，汇系统ID表示的系统对应矩阵SS的第j列，则SS的第i行和第j列对应元素的值为1。最终得到SS就是系统-系统关系矩阵。

根据图4描述的系统结构关系图，其对应的数据表是表3和表4，最终得到系统-系统关系矩阵SS为

$\mathrm{SS}=\left(\begin{array}{ccccc}0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\\ 1& 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0\end{array}\right)$

步骤3.4：生成理想的系统-系统关系矩阵

基于建立的系统功能关系矩阵、系统功能部署关系矩阵及系统-系统关系矩阵。如果系统S_i与系统功能F_j存在部署关系，系统功能F_j与F_i存在数据交换关系，并且系统功能F_i被部署在系统S_k上，那么系统S_i和S_k存在接口关系。具体利用以下程序自动生成理想的系统-系统关系矩阵。

具体程序如下：

对于图3和图4的设计，得到理想的系统-系统关系矩阵

$\mathrm{SS}0=\left(\begin{array}{ccccc}0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\\ 1& 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 1& 0& 0\end{array}\right)$

步骤3.5：比较两个系统-系统关系矩阵

对比分析自动生成的系统-系统关系矩阵SS0与根据系统结构描述图得到的矩阵SS，分析系统结构设计的合理性。

比较方法：SS0-SS

如果输出的矩阵为零矩阵，则结构设计是合理的。如果输出矩阵为非零矩阵，矩阵中存在为1的元素，那么该元素所在第i行对应的系统和所在第j列对应的系统应该存在接口关系，而实际设计中漏掉了。矩阵中存在为-1的元素，那么该元素所在第i行对应的系统和所在第j列对应的系统没有接口关系，而实际设计中增加了。

对于图3和图4的设计，得到

$\mathrm{SS}0-\mathrm{SS}=\left(\begin{array}{ccccc}0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

其中系统S1和S5之间丢失一条接口关系。

Claims (1)

1.一种基于功能设计的系统结构自动分析方法，其中包括如下步骤： 

(1)读取并解析系统设计数据文件，形成系统功能表、系统功能关系表、系统及功能部署表以及系统接口关系表； 

(2)系统功能部署完备性分析，根据系统功能表和系统及功能部署表来分析判断系统功能是否全部部署在系统上，全部系统功能是否由系统执行； 

(3)系统结构关系合理性分析，根据系统功能表、系统功能关系表、系统及功能部署表以及系统接口关系表来分析系统之间的结构关系是否满足系统功能之间数据交换的要求，是否存在增加和遗漏交换； 

所述的步骤(2)的系统功能部署完备性分析步骤中包含有如下步骤： 

(2.1)根据系统功能表和系统及功能部署表，建立两个集合FUN0和FUN1，其中FUN1是根据系统功能表得到的系统功能集，FUN0是根据系统及功能部署表得到的系统功能集； 

(2.2)将集合FUN和FUN1进行相减运算，根据结果的集合是否为空分析判断是否完备，如果为空则系统功能部署完备，否则，则不完备； 

所述的步骤(3)的系统结构关系合理性分析步骤中包含有如下步骤： 

(3.1)根据系统功能关系表，建立系统功能关系矩阵； 

(3.2)根据系统及功能部署表，建立系统功能部署关系矩阵； 

(3.3)根据系统结构关系表，建立系统-系统关系矩阵； 

(3.4)根据系统功能关系矩阵、系统功能部署关系矩阵和系统-系统关系矩阵，生成理想的系统-系统关系矩阵； 

(3.5)将系统-系统关系矩阵和理想系统-系统关系矩阵相减，根据运算结果结果分析系统结构合理性，如果相减后输出的矩阵为零矩阵，则系统结构设计是合理的，如果相减后输出的矩阵为非零矩阵，则系统结构设计是不合理的； 

所述的步骤(3.4)中的构建理想系统-系统关系矩阵的步骤所采用的方法为，如果系统S_i与系统功能F_j存在部署关系，系统功能F_j与F_i存在数据交换关系，并且系统功能F_i被部署在系统S_k上，那么系统S_i和S_k存在接口关系；

所述的步骤(3.4)中的构建理想系统-系统关系矩阵的步骤所采用的方法为： 

(5.1)设系统功能表中记录数为N，构建N×N的零矩阵D，读系统功能关系表记录数据，修改D矩阵元素的值；从系统功能关系表的第1条记录开始，读取每条记录的数据，源系统功能ID所对应的系统功能所在的行i以及汇功能ID所对应系统功能所在的列j，D中的元素d_ij＝1，直至记录结束，最终得到的矩阵D就是系统功能关系矩阵；设系统及功能部署表的记录数为M，产生一个M×N的零矩阵SF，读取系统及功能部署表中的记录，修改SF中相应元素的值，从系统及功能部署表中的第1条记录开始直至记录结束，读取每条记 录；解析系统完成的功能集的ID中的各功能ID，设该条记录中系统ID所对应SF中的行为i，系统完成的功能集的ID中系统功能ID分别对应SF中{j₁,j₂,…j_k}，则第i行和第j_l,(l＝1,2,…k)列所对应的元素指为1，最终得到的SF就是系统功能部署关系矩阵；设矩阵SS为M×M的零矩阵，读取系统接口关系表修改SS中相关元素的值，从系统接口关系表的第1条记录开始直至记录结束，读取每条记录的信息，每条记录中源系统ID表示的系统对应矩阵SS的第i行，汇系统ID表示的系统对应矩阵SS的第j列，则SS的第i行和第j列对应元素的值为1，最终得到SS就是系统-系统关系矩阵； 

(5.2)扫描系统-系统功能部署矩阵； 

(5.3)如果矩阵SF中第i行对应的系统S_i与第j列对应的系统功能F_j存在部署关系，则查找与F_j有数据交换关系的系统功能； 

(5.4)扫描系统功能关系矩阵中系统功能F_j所对应的行； 

(5.5)如果系统功能F_j与第k列所对应的系统功能F_k存在数据交换关系，则查找部署了系统功能F_k且不是系统S_i的系统集； 

(5.6)扫描系统-系统功能部署矩阵中系统功能F_k所对应的列； 

(5.7)如果矩阵SF中第l行对应的系统S_l与第k列对应的系统功能F_k存在部署关系,S_l与S_i不同，则系统S_l和系统S_i之间存在接口关系。