CN109460214B - 基于idef建模的航天器软件结构化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于IDEF建模的航天器软件结构化方法，包括：采用IDEF方法来进行设计建模，从功能分解的基础上对航天器软件系统的决策、行为和活动进行建模并逐层细化，直至协助软件研发人员理解软件需求并设计出满足航天型号软件应用需求的高效可靠架构。本发明采用标准可视化建模方法，使项目研发、测试团队和软件利益相关方能更直观的理解系统和软件需求，提高软件研发效率；采用自顶向下，逐层分解细化的方法，解决了结构化设计中功能和非功能需求对软件各部件耦合度高，追溯性差的难题；理清了软件架构设计中各设计元素的动态和静态关系，提高了硬件组件、软件组件相互之间的透明度，使软件构件级重用具有更好的可操作性。

Description

基于IDEF建模的航天器软件结构化方法

技术领域

本发明涉及一种基于IDEF建模的航天器软件结构化方法。

背景技术

航天型号软件是指作为航天型号系统的一部分而发挥作用的软件产品，包括弹、箭、星、船、器等航天型号产品中所应用的嵌入式软件。

航天型号软件的研制一般具有如下两个特点：

a.研制生命周期模型选用瀑布式开发过程，

b.为保证了程序的可读性和可维护性，一般采用面向过程的结构化设计方法，即采用自顶向下、逐步求精及模块化的程序设计方法；

上述开发模式的特点决定了航天型号软件在项目开发的早期(软件需求分析、软件概要设计阶段)存在着较大的技术和进度风险，此外随着软件代码规模越来越大，功能强大，集成度高，软件需求和技术状态难以控制，因此迫切需要类似面向对象软件设计方法中UML之类的建模工具，协助需求分析人员和软件架构设计人员进行建模设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于IDEF建模的航天器软件结构化方法。

为解决上述问题，本发明提供一种基于IDEF建模的航天器软件结构化方法，包括：

步骤a，采用IDEF0图进行结构化需求分析功能建模，理清软件各功能需求；

步骤b，采用以过程为中心的IDEF3视图，描述软件系统中发生的一系列相互关联的活动序列，理清软件系统的层次和过程关系，并按功能将软件分解为对其他部分影响最小的简单且相对独立的软件部件。

进一步的，在上述方法中，所述步骤a包括：

步骤a1，确定所述软件系统的边界、范围、观点及目的；

步骤a2，根据确定的所述软件系统的边界、范围、观点及目的，建立内外关系图，将所述软件系统作为一个整体，梳理出输入、输出、控制和机制等设计要素；

步骤a3，将所述内外关系图按功能分解成3-6个主要部分，形成顶层图；

步骤a4，对分解出的3-6个主要部分分别进行逐层细化分解，其中保持均匀的模型深度，形成子功能示意图；

步骤a5：配上文字说明，每张IDEF0图附有1页的叙述性文字说明。

进一步的，在上述方法中，所述步骤b包括：

步骤b1，将所述软件系统作为一个系统整体来定义运行场景，范围和观点；

步骤b2，从软件配置项内部的静态结构分析，即软件由哪些部件组成，以及部件间的先后执行关系，按照高内聚、低耦合的原则，根据功能需求识别出软件部件，部件间通过交汇点和连接线关联，形成顶层过程流图，注意连接线表示控制权转移，不是调用关系，交汇点表征了各个部件间同步或异步完成的先后关系；

步骤b3：对所述顶层过程流图中识别的各个部件逐层向下分解，其中，分解的原则是按功能将软件分解为对其他部分影响最小的简单且相对独立的软件部件，分解的要求是每个软件部件仅含一个入口、一个出口；

步骤b4：对所述分解的要求的自定向下分解3层，每层以7个软件部件，最后导出部件调用层次结构图。

与现有技术相比，本发明通过采用IDEF方法来进行设计建模，与现有技术相比，其有益效果是：(一)采用标准可视化建模方法，使项目研发、测试团队和软件利益相关方能更直观的理解系统和软件需求，提高软件研发效率。(二)采用自顶向下，逐层分解细化的方法，解决了结构化设计中功能和非功能需求对软件各部件耦合度高，追溯性差的难题。(三)理清了软件架构设计中各设计元素的动态和静态关系，提高了硬件组件、软件组件相互之间的透明度，使软件构件级重用具有更好的可操作性。

附图说明

图1是本发明一实施例的基于IDEF建模的航天器软件结构化方法的数据流图；

图2是本发明一实施例的IDEF0基本图标；

图3是本发明一实施例的IDEF0顶层示意图；

图4是本发明一实施例的IDEF0子功能示意图；

图5是本发明一实施例的顶层过程流图；

图6是本发明一实施例的逐层分解的过程流图；

图7是本发明一实施例的部件调用层次结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明一实施例的基于IDEF建模的航天器软件结构化方法的数据流图；图2是本发明一实施例的IDEF0基本图标；图3是本发明一实施例的IDEF0顶层示意图；图4是本发明一实施例的IDEF0子功能示意图；图5是本发明一实施例的顶层过程流图；图6是本发明一实施例的逐层分解的过程流图；图7是本发明一实施例的部件调用层次结构图。

如图1～7所示，本发明提供一种基于IDEF建模的航天器软件结构化方法，包括：

步骤a，采用IDEF0图进行结构化需求分析功能建模，理清软件各功能需求；

步骤b，采用以过程为中心的IDEF3视图，描述软件系统中发生的一系列相互关联的活动序列，理清软件系统的层次和过程关系，并按功能将软件分解为对其他部分影响最小的简单且相对独立的软件部件。

在此，本发明方法适用的航天器软件系统仅取决于是否采用结构化分析与设计的开发模式：

类似于UML适用于面向对象的建模设计，本发明方法适用于面向过程的结构化软件开发模式。其中IDEF0：功能建模(Function Modeling)是以结构化分析和设计技术(Structured Analysis and Design Technique，SADT)为基础所发展出来的一种系统菜单的工具。藉由图形化及结构化的方式，清楚严谨的将一个系统当中的功能、以及功能彼此之间的限制、关系、相关信息与对象表达出来。藉由如此的表达方式，让使用者得以藉由图形便可清楚知道系统的运作方式以及功能所需的各项资源，并且提供建构者与使用者在进行相互沟通与讨论时，一种标准化与一致性的语言。而IDEF3即过程描述获取(ProcessDescription Capture)是为收集和记录过程提供了一种机制。IDEF3以自然的方式记录状态和事件之间的优先和因果关系，办法是为表达一个系统、过程或组织如何工作的知识提供一种结构化的方法。

鉴于航天器软件一般是指运行于特定类型计算机系统的嵌入式软件，该类软件对开发模式未作出具体约束，上述条件一般的航天器软件系统都可以满足，故本发明方法可以应用到大多数的航天器软件系统的功能需求分析以及结构化设计。

本发明在尝试了诸如RTCase等多种第三方建模工具后，发现可以融合IDEF0和IDEF3模型高效解决上述难题，能够解决航天器软件结构化设计缺乏统一、有效建模方法的问题。本发明针对面向过程的航天器软件结构化需求分析和设计的需求，提出了采用IDEF方法来进行设计建模，从功能分解的基础上对航天器软件系统的决策、行为和活动进行建模并逐层细化，直至协助软件研发人员理解软件需求并设计出满足航天型号软件应用需求的高效可靠架构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(一)采用标准可视化建模方法，使项目研发、测试团队和软件利益相关方能更直观的理解系统和软件需求，提高软件研发效率。(二)采用自顶向下，逐层分解细化的方法，解决了结构化设计中功能和非功能需求对软件各部件耦合度高，追溯性差的难题。(三)理清了软件架构设计中各设计元素的动态和静态关系，提高了硬件组件、软件组件相互之间的透明度，使软件构件级重用具有更好的可操作性。

本发明的基于IDEF建模的航天器软件结构化方法一实施例中，所述步骤a包括：

步骤a1，确定所述软件系统的边界、范围、观点及目的；

步骤a2：根据确定的所述软件系统的边界、范围、观点及目的，建立内外关系图，将所述软件系统作为一个整体，梳理出输入、输出、控制和机制等设计要素；

步骤a3：将所述内外关系图按功能分解成3-6个主要部分，形成顶层图；

步骤a4：对分解出的3-6个主要部分分别进行逐层细化分解，其中保持均匀的模型深度，形成子功能示意图；

步骤a5：配上文字说明，每张IDEF0图附有1页的叙述性文字说明。

本发明的基于IDEF建模的航天器软件结构化方法一实施例中，所述步骤b包括：

步骤b1，将所述软件系统作为一个系统整体来定义运行场景，范围和观点；

步骤b2，从软件配置项内部的静态结构分析，即软件由哪些部件组成，以及部件间的先后执行关系，按照高内聚、低耦合的原则，根据功能需求识别出软件部件，部件间通过交汇点和连接线关联，形成顶层过程流图，注意连接线表示控制权转移，不是调用关系，交汇点表征了各个部件间同步或异步完成的先后关系；

步骤b3：对所述顶层过程流图中识别的各个部件逐层向下分解，

其中，分解的原则是按功能将软件分解为对其他部分影响最小的简单且相对独立的软件部件，分解的一般要求是每个软件部件仅含一个入口、一个出口；

步骤b4：对步骤b3中分解的要求的自定向下分解一般以3层为宜，每层以7个软件部件，最后导出部件调用层次结构图。

具体的，一实施例中，对某航天器软件采用IDEF建模的结构化设计方法，从功能分解的基础上对航天器软件系统的决策、行为和活动进行建模并逐层细化，直至协助软件研发人员理解软件需求并设计出满足航天型号软件应用需求的高效可靠架构。其方法的具体步骤如下：

如图1所示，本发明方法典型应用1的数据流图。

步骤a：采用IDEF0图用于结构化需求分析功能建模，理清软件各功能需求；

步骤a1：明确本软件系统的边界、范围、观点及目的；

在引出用户需求或软件需求已定义的前提下，明确本软件系统的应用场景，工作模式，主要功能、性能、接口要求和设计约束等信息。

步骤a2：建立内外关系图，将软件系统作为一个整体，梳理出输入、输出、控制和机制等设计要素；

先把一个软件抽象为一个顶层功能，其基本结构是用盒子(box)代表功能活动，用与之相连的箭头表示与活动关联的各种事物。功能可能是一种行为(Action)、作业(Operation)或是过程(Processes)，箭头代表方块中所需的信息，例如：输入、输出、控制、机制等。其中输入和控制分离以判别数据的角色和作用。判别原则是看该数据是否将在活动中被修改，是则输入，否则归类为控制信息，每一活动或功能可以没有输入但至少需要一个控制；每一活动或功能可以没有输入但至少需要一个控制。

步骤a3：将内外关系图按功能分解成3-6个主要部分，形成顶层图。

在IDEF0顶层示意图(附图3)的基础上，将其按主要功能分解，形成如附图4所示的子功能示意图，注意图形边界连接的一致性(节点号、图框号、控制号以及详细的参考信息含义必须一致)。

步骤a4：对步骤a3中形成的3-6个主要部分分别进行逐层细化分解，需保持均匀的模型深度，形成子功能示意图。

应注意进行逐层分解时优先考虑分解功能复杂的功能模块，当一个箭头可同时用作控制及输入功能时，把它表示为控制。当怀疑是输入还是控制时，使之成为控制。一个箭头在父图是控制箭头时，在子图中可能是控制，也可能是输入，也可是两者。

步骤a5：配上文字说明，每张IDEF0图附有1页的叙述性文字说明。

说明性文字的受众可以是本软件项目的设计和测试人员，也可以是在本软件项目的基础上进行重构或二次开发的设计人员，通过图文并茂的方式更好的理解本软件架构设计。

步骤b：采用以过程为中心的视图(IDEF3)，描述软件系统中发生的一系列相互关联的活动序列，从理清软件系统的层次和过程关系，到按功能将软件分解过对其他部分影响最小的简单且相对独立的软件部件；

步骤b1：将软件系统作为一个系统整体来定义运行场景，范围和观点；

在梳理完软件系统功能需求后，采用一种过程描述获取的方法，以自然的方式记录状态和事件之间的优先和因果关系，描述清楚本系统是如何工作的。

步骤b2：从软件配置项内部的静态结构分析，即软件由哪些部件组成，以及部件间的先后执行关系，可按照高内聚、低耦合的原则，根据功能需求识别出软件部件，部件间通过交汇点和连接线关联，形成顶层过程流图，详见附图5，注意连接线表示控制权转移，不是调用关系，交汇点表征了各个部件间同步或异步完成的先后关系；

步骤b3：对步骤b2中顶层过程流图中识别的各个部件逐层向下分解，

分解的原则是按功能将软件分解为对其他部分影响最小的简单且相对独立的软件部件。一般要求是每个软件部件仅含一个入口、一个出口。形成分解后过程流图，详见附图6；

步骤b4：对步骤b3中要求的自定向下分解一般以3层为宜，每层以7个软件部件，最后导出部件调用层次结构图，详见附图7。

以某型号软件系统为例，采用IDEF0和IEDF3相结合的方法，对需求分析功能建模以及梳理系统的层次和过程关系，能十分简明的表达结构化的设计思想，清楚的表达过程之间的联系。从功能建模顶层图开始，设计人员采用如表1所示的模型元素，按如下的过程流图绘制细则将软件全部功能进行过程分解，以确定过程流的层次和软件部件，最终形成部件调用层次结构图。

由上可知，采用本发明的方法对航天器软件系统进行结构化设计，设计方法合理、高效，设计过程保证了软件需求的有效传递和可追溯，因此本发明方法具有良好的通用性和可操作性。

表1过程流图模型元素说明表

过程流图绘制细则：

分割一个箭头为多个箭头的交汇点称为扇出交汇点；

合并多个箭头到单一箭头的交汇点称为扇入交汇点；

扇入扇出不超过7个；

一般自定向下分解3层，每层以7个软件部件为宜，各部件以自然数排序；

异步与交汇点分为异步与扇出和异步与扇入。其中异步与扇出表示一个前置软件部件执行完，所有后置软件部件分支都必须执行，但后置软件部件分支不必同时启动；异步与扇入表示所有前置软件部件分支都执行完才能执行后置软件部件，但多个前置软件部件分支不必同时完成；

异或交汇点分为异或扇入和异或扇出。其中异或扇入标识多个前置软件部件分支中仅有一个执行完，后置软件部件就可以执行；异或扇出表示一个前置软件部件执行完，多个后置软件部件分支中只能有一个可以执行；

同步与交汇点分为同步与扇出和同步与扇入。其中同步与扇出表示一个前置软件部件执行完，所有多个后置软件部件分支必须同时启动；同步与扇入表示所有前置软件部件分支都执行完才能执行后置软件部件，且多个前置软件部件分支必须同时完成；

异步或交汇点分为异步或扇出和异步或扇入。其中异步或扇出表示一个前置软件部件执行完，一个或多个后置软件部件分支需要执行，但多个后置软件部件分支不必同时执行；异步或扇入表示一个或多个前置软件部件分支执行完，后置软件部件才能执行，但多个前置软件部件分支不必同时执行完；

同步或交汇点分为同步或扇出和同步或扇入。其中同步或扇出表示一个前置软件部件执行完，一个或多个后置软件部件分支必须同时执行；同步或扇入表示一个或多个前置软件部件分支必须同时执行完，后置软件部件才能执行；

连接线表示控制权转移，不是调用关系。

综上所述，本发明通过采用IDEF方法来进行设计建模，与现有技术相比，其有益效果是：(一)采用标准可视化建模方法，使项目研发、测试团队和软件利益相关方能更直观的理解系统和软件需求，提高软件研发效率。(二)采用自顶向下，逐层分解细化的方法，解决了结构化设计中功能和非功能需求对软件各部件耦合度高，追溯性差的难题。(三)理清了软件架构设计中各设计元素的动态和静态关系，提高了硬件组件、软件组件相互之间的透明度，使软件构件级重用具有更好的可操作性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种基于IDEF建模的航天器软件结构化方法，其特征在于，包括：

步骤a，采用IDEF0图进行结构化需求分析功能建模，理清软件各功能需求；

步骤b，采用以过程为中心的IDEF3视图，描述软件系统中发生的一系列相互关联的活动序列，理清软件系统的层次和过程关系，并按功能将软件分解为对其他部分影响最小的简单且相对独立的软件部件；

所述步骤a包括：

步骤a1，确定所述软件系统的边界、范围、观点及目的；

步骤a2，根据确定的所述软件系统的边界、范围、观点及目的，建立内外关系图，将所述软件系统作为一个整体，梳理出输入、输出、控制和机制设计要素；

步骤a3，将所述内外关系图按功能分解成3-6个主要部分，形成顶层图；

步骤a4，对分解出的3-6个主要部分分别进行逐层细化分解，其中保持均匀的模型深度，形成子功能示意图；

步骤a5，配上文字说明，每张IDEF0图附有1页的叙述性文字说明；

所述步骤b包括：

步骤b1，将所述软件系统作为一个系统整体来定义运行场景，范围和观点；

步骤b2，从软件配置项内部的静态结构分析，即软件由哪些部件组成，以及部件间的先后执行关系，按照高内聚、低耦合的原则，根据功能需求识别出软件部件，部件间通过交汇点和连接线关联，形成顶层过程流图，注意连接线表示控制权转移，不是调用关系，交汇点表征了各个部件间同步或异步完成的先后关系；

步骤b3，对所述顶层过程流图中识别的各个部件逐层向下分解，其中，分解的原则是按功能将软件分解为对其他部分影响最小的简单且相对独立的软件部件，分解的要求是每个软件部件仅含一个入口、一个出口；

步骤b4，对所述分解的要求的自上向下分解3层，每层以7个软件部件，最后导出部件调用层次结构图。

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