體系結(jié)構(gòu)建模工具SA分析與研究

陳 鑫，黃 力，羅雪山

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息系統(tǒng)工程重點實驗室，湖南 長沙 410073）

體系結(jié)構(gòu)是描述系統(tǒng)各組成單元的結(jié)構(gòu)、單元之間的相互關(guān)系、約束設(shè)計和發(fā)展的原則與指南。目前，美國以及歐洲發(fā)達國家紛紛建立了各國自己用于指導(dǎo)體系機構(gòu)開發(fā)的指南和框架[1]。體系結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計和建模的一體化工具與技術(shù)，在國外已經(jīng)比較成熟，其中比較典型的是IBM公司收購和開發(fā)的SA（System Architect），系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)建模工具軟件，主要是指創(chuàng)建體系結(jié)構(gòu)提供的一種綜合性的建模解決方案。本文簡單介紹了SA的基本概念，分析了它的主要功能和模塊組成。根據(jù)體系結(jié)構(gòu)建模開發(fā)方法，剖析SA的數(shù)據(jù)定制開發(fā)方法，并對SA功能擴展方法和技術(shù)進行了研究。

1 SA軟件簡介

SA最初是由英國Popkin公司[2]并推出的綜合集成建模工具，是企業(yè)建模軟件的先驅(qū)，2005年4月Popkin公司被Telelogic公司收購，2009年IBM把Telelogic產(chǎn)品和Rational產(chǎn)品整合，現(xiàn)在SA已經(jīng)發(fā)展成為一款功能強大的全球最主要的建模與分析評價工具，是系統(tǒng)開發(fā)所必需的工具[3]。SA為開發(fā)企業(yè)架構(gòu)提供了集成環(huán)境，支持DoDAF、MoDAF、NAF、ToGAF、Zachman 等多種企業(yè)架構(gòu)框架和 IDEF、UML、BPMN等多種建模語言，是開發(fā)復(fù)雜大系統(tǒng)的得力支撐工具。主要提供系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、需求分解、體系結(jié)構(gòu)仿真、XML體系平臺、DoDAF體系結(jié)構(gòu)等模塊，實現(xiàn)了作戰(zhàn)需求分解、系統(tǒng)體系的建模與仿真、C4ISR體系結(jié)構(gòu)描述。

SA軟件由一整套組件組成，這些組件主要用于獲取、設(shè)計、建模、創(chuàng)建信息系統(tǒng)。所有設(shè)計信息存儲在一個多用戶數(shù)據(jù)庫中，也就是知識庫，稱為encyclopedia，即為一個體系結(jié)構(gòu)項目。每一個encyclopedia都是創(chuàng)建于SQL Server 2000中的一個數(shù)據(jù)庫。為了方便對encyclopedias管理，SA提供了一個數(shù)據(jù)庫管理工具——SAEM（System Architect Encyclopedia Manager）。SAEM提供了登陸數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫進行壓縮、備份、查詢、重命名、再存儲、刪除和解鎖等功能。

2 SA模塊與功能分析

2.1 SA模塊

SA主要由以下幾大模塊組成：

1）SYSTEM ARCHITECT 該模塊是SA基本的功能模塊，以多用戶方式集成各主要領(lǐng)域的建模方法，支持業(yè)務(wù)流程建模、功能建模、基于UML的面向?qū)ο蠛徒M件建模、關(guān)系數(shù)據(jù)建模、XML設(shè)計及結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)分析與設(shè)計等方法，用戶可通過瀏覽器瀏覽這些建模方法，并通過SA提供的選項來設(shè)置這些建模方法，通過設(shè)計區(qū)域中的圖來實現(xiàn)這些建模方法。圖由符號和定義組成，圖、符號和定義存儲在SA的知識庫中，知識庫則存儲在SQL Server，Oracle或MSDE數(shù)據(jù)庫中，允許多個用戶同時使用。

2）SA for DoDAF SA針對軍事應(yīng)用領(lǐng)域的信息系統(tǒng)進行開發(fā)。最新推出的版本支持DoDAF2.0。大到視圖產(chǎn)品，小到每個產(chǎn)品內(nèi)部的屬性內(nèi)容，都嚴格遵循DoDAF規(guī)范，將DoDAF中涉及到的數(shù)據(jù)屬性固化在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中。SA的DoDAF框架模板將采用不同建模語言、不同描述形式的所有DoDAF產(chǎn)品集成到了一個統(tǒng)一的開發(fā)界面中；用單一數(shù)據(jù)庫存儲相互關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品。不僅能夠?qū)w系建模，還能夠進行流程仿真，為對目標體系進行分析、評估提供定量化的依據(jù)，從而找到現(xiàn)有體系的不足和待建系統(tǒng)對已有體系的作用。

該模塊不僅能夠滿足繪制DoDAF模型，而且還能夠把一組相互關(guān)聯(lián)的模型工件管理起來，DoDAF視圖內(nèi)的數(shù)據(jù)可被其他視圖利用，自動生成部分視圖，有助于減少建模時間與開銷。SA工具支持模型整體信息的一致性。支持OV與SV的關(guān)聯(lián)，可以指派運作節(jié)點到系統(tǒng)節(jié)點，映射信息交換到系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換，用SV5矩陣把活動與系統(tǒng)功能關(guān)聯(lián)起來，建立運作架構(gòu)與系統(tǒng)架構(gòu)之間的可追溯性。

3）SA for DoDAF ABM 目前，SA提供了兩種支持DoDAF開發(fā)的選項：SA for DoDAF和 SA for DoDAF ABM。ABM（Activity Based Methodology）是基于活動建模的 DoDAF產(chǎn)品的方法論，由MITRE公司創(chuàng)建。ABM的基礎(chǔ)是IDEF0。ABM for DoDAF為ABM的相關(guān)方面提供自動化，為開發(fā)DoDAF產(chǎn)品提供一個架構(gòu)開發(fā)流程，從而節(jié)約DoDAF信息捕獲和DoDAF建立的時間并提高工具效率。

基于活動的體系結(jié)構(gòu)開發(fā)能夠使核心體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)形成信息交換和系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換；信息交換和系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換被用來生成作戰(zhàn)和系統(tǒng)視圖；確保作戰(zhàn)視圖和系統(tǒng)視圖產(chǎn)品的數(shù)據(jù)一致性；形成高質(zhì)量的體系結(jié)構(gòu)和分析產(chǎn)品，加速體系結(jié)構(gòu)開發(fā)過程。

4）SA Information Web Publisher 該模塊是一個強大的報告生成和發(fā)布工具，提供了網(wǎng)站開發(fā)工具，使用它用戶可向Web服務(wù)器以網(wǎng)頁的形式發(fā)布SA知識庫中的信息以及這些信息的全面報告，簡化用戶在不同應(yīng)用系統(tǒng)和流程之間的轉(zhuǎn)換過程，方便目標用戶查看資料庫中的復(fù)雜模型信息。該模塊可使用戶選擇預(yù)置的模板來強調(diào)SA所支持的建模，包括EA、BPM、UML和DoDAF等。它使用類似于SA SQL的報告生成系統(tǒng)，允許對知識庫中信息（定義、關(guān)系和圖表信息）進行復(fù)雜的橫向及樹形探查。其向html模板發(fā)布的層疊式報告，用戶可以改變它的布局、顏色、圖像及標識。

該模塊支持網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多用戶工作，一個用戶運行該模塊時，會認為其他用戶可能會修改信息，因此，為生成穩(wěn)定的報告，需要對用戶自己的知識庫備份，然后通過備份發(fā)布信息。

5）SA Compare 該模塊是一種特有的知識庫管理工具，用戶可以使用它去比較兩個知識庫，也可以對同一知識庫的不同架構(gòu)模型進行數(shù)據(jù)元素比較，通過比較不同的情況，方便用戶更好地理解變更后的結(jié)果，用來發(fā)現(xiàn)不一致及差距。它主要是將每個知識庫轉(zhuǎn)換為XML文件進行比較，也可以產(chǎn)生單個比較的XML文件。該模塊可根據(jù)圖或定義的類型選擇比較的內(nèi)容，用基于樹形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)圖對圖、符號對符號和定義到定義的對比，例如可選擇比較兩個知識庫的全部內(nèi)容，或僅僅比較用例圖或?qū)嶓w定義等。該模塊以Web瀏覽器的形式提供比較的結(jié)果，并使用不同的顏色提醒用戶有哪些不同。

6）SA Simulator II 該模塊是流程仿真工具，支持用戶建立動態(tài)流程模型，用圖表形式準確地顯示仿真結(jié)果和業(yè)務(wù)處理情況。條形圖顯示利用率水平、一個流程內(nèi)各活動的等待時間，能快速發(fā)現(xiàn)瓶頸和弱點，餅形圖和電子表顯示成本信息。該流程仿真工具支持BPMN、IDEF和流程圖建模方式，支持業(yè)務(wù)目標到業(yè)務(wù)流程的過程模擬，支持動態(tài)圖形化顯示利用率；通過自定義圖形模型和圖標有效地使業(yè)務(wù)處理可視化；其預(yù)測、暴露瓶頸和利用率功能讓用戶能最佳地設(shè)計業(yè)務(wù)流程，從而改善流程，并通過改善流程降低成本；通過仿真使用戶更好地計算運營風(fēng)險、計算意外故障率，提高業(yè)務(wù)風(fēng)險可視性；確認系統(tǒng)配置和服務(wù)等級協(xié)議前，對流程設(shè)計進行測試和優(yōu)化，以此降低實施成本和減少差錯；資源配置文件和換班日歷可以準確地反映工作情況。

2.2 SA功能分析

在實際使用SA軟件基于DoDAF框架進行體系結(jié)構(gòu)建模時，會經(jīng)常使用到SA軟件的一些重要的功能，針對主要軟件功能進行分析：

1）圖形化產(chǎn)品繪制 SA軟件對于不同的視圖產(chǎn)品提供了不同的控件。直接使用這些控件的組合就可以方便地繪制圖形化產(chǎn)品。在添加圖元和連接線的過程中，可以對圖元和連接線的屬性進行添加和設(shè)置，使得這些圖形元素附帶著各種相關(guān)信息，便于查看和屬性信息的生成。

2）企業(yè)探查視圖 企業(yè)探查視圖可以對企業(yè)架構(gòu)進行分析性的探查。這是一種類似于蛛網(wǎng)狀的視圖，用戶可以通過這種視圖對當前的架構(gòu)組織的關(guān)系內(nèi)容進行圖形化的探查。在企業(yè)探查視圖中，如果企業(yè)架構(gòu)發(fā)生變更，用戶可以直觀地看到這個變更所帶來的影響度。用戶可以創(chuàng)建一個企業(yè)探查視圖來反映業(yè)務(wù)流程是由哪些應(yīng)用系統(tǒng)來實現(xiàn)的，這些應(yīng)用系統(tǒng)又是運行在哪些服務(wù)器上。如果業(yè)務(wù)流程發(fā)生改變，用戶就可以迅速地觀察到相應(yīng)的服務(wù)器所發(fā)生的變化。企業(yè)探查視圖可以顯示架構(gòu)組織中的對象（包括視圖、符號和定義）以及它們之間的關(guān)系。對象之間的相關(guān)性可通過SA進行顯示，常采用“使用”，“包含”，“定義”，“父關(guān)系”，“子關(guān)系”等詞語。

3）關(guān)聯(lián)矩陣生成 SA提供了一組矩陣編輯器，使得分析人員在繪制視圖之前可以先輸入一些信息，表明模型元素之間的相關(guān)性。在矩陣中，分析人員可以分析問題的影響度以及信息的相互依賴關(guān)系。SA軟件所提供的矩陣功能分為兩種：一種是通過圖形中的屬性信息和圖元之間的關(guān)系，自動生成的矩陣報表。如：SA可以根據(jù)OV2與OV5自動構(gòu)建OV3，同樣可以根據(jù)SV1與SV4自動生成SV6等；另一種是通過矩陣瀏覽器，對矩陣打開進行編輯，將行和列之間有關(guān)聯(lián)關(guān)系的位置進行標注，如：SV3、SV5等。

4）報告生成 SA軟件提供了3種報表和文檔生成系統(tǒng)。第1種是Reporting System，提供大約150個預(yù)定義報表。用戶也可以通過報表自定義圖形用戶界面建立自己所需報表生成模板。第2種是Microsoft Word Reports，SA在安裝時，在Word模板路經(jīng)下裝載了很多預(yù)定義Word模板。運行報表時，用戶可以新建或打開一個已經(jīng)存在的Word文檔，并選擇一個SA預(yù)定義模板，然后在打開encyclopedia的情況下，運行Word模板報表生成功能。第3種是HTML Generator，SA自帶的“HTML Publisher”生成器可以使用戶自動生成上下文相關(guān)的encyclopedia中圖形的HTML格式報表。

5）一致性檢查 在使用SA軟件繪制多個圖形化產(chǎn)品時，由于圖與圖之間的各種屬性存在著關(guān)聯(lián)關(guān)系，對于這樣相關(guān)性應(yīng)該有一致性檢查機制進行保證。SA的一致性檢查主要體現(xiàn)在父子圖之間的平衡功能，對于父圖中某些圖元節(jié)點的輸出和輸入在子圖相應(yīng)的節(jié)點上應(yīng)該有同樣的輸出和輸入，通過平衡功能可以保證他們輸出、輸入的一致性。由于SA是以數(shù)據(jù)為中心的建模產(chǎn)品，對某個圖元定義的一個屬性數(shù)據(jù)，可供其他產(chǎn)品編輯調(diào)用，在操作中直接選用“choice”項中列出的已有數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)這種一致性。

6）使用數(shù)據(jù)建模設(shè)計數(shù)據(jù)庫 SA提供了業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)據(jù)建模能力，包括對模型和主題的支持，區(qū)分邏輯的和物理的圖表，以及樣式表的生成和反向數(shù)據(jù)工程。還提供了全面的相關(guān)數(shù)據(jù)建模能力。數(shù)據(jù)架構(gòu)師和數(shù)據(jù)庫管理員可以通過使用邏輯和物理模型，樣式表生成和反向數(shù)據(jù)工程的方法來設(shè)計和維護數(shù)據(jù)庫，還可以在不同的物理模型，不同的數(shù)據(jù)庫以及不同的模型和數(shù)據(jù)庫之間進行同步。對邏輯數(shù)據(jù)建模的支持包括從可管理的主題域中區(qū)分設(shè)計，或自動地把一組主題域相加到主模型視圖。SA可以根據(jù)你的邏輯數(shù)據(jù)模型自動地生成物理數(shù)據(jù)模型并對應(yīng)到具體地關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。事實上，一個邏輯模型可以作為許多物理模型，每個物理模型均可對應(yīng)一個數(shù)據(jù)庫實體。所以，用戶應(yīng)該通過維護邏輯模型來體現(xiàn)對業(yè)務(wù)需求地理解；通過維護物理模型來考慮對關(guān)系型數(shù)據(jù)庫部署的約束。

3 SA功能擴展研究

SA可通過多種方式進行擴展和定制，其中功能最強大的是使用腳本語言擴展元數(shù)據(jù)定義文件。SA中提供了元模型，由元數(shù)據(jù)負責存儲模型庫，SA的對象模型是建立在其元模型基礎(chǔ)之上的[4]，對元數(shù)據(jù)進行擴展，就能對SA的模型庫進行擴展，從而對SA建立的體系結(jié)構(gòu)模型進行擴展和定制。

3.1 SA元模型組成及各部分關(guān)系

SA元模型的組成元素主要包括：Diagram、Symbol、Definition、MetaItem、MetaProperty以及基本數(shù)據(jù)類型。

1）Diagram 定義產(chǎn)品（模型），由 Symbol以及 Definition組成。

2）Symbol 定義了模型元素的表示，可以是任意的矢量圖形，也可以是位圖和其他形式的圖，主要是能清晰、準確地表示模型元素的含義。

3）Definition 定義了模型元素的具體含義，Definition的具體描述由MetaItem和MetaProperty組成。對于可視化模型元素，Symbol和Definition的組合就構(gòu)成了該模型元素的完全表示，一個表示可視化的圖形，一個表示本質(zhì)含義；對于非可視化模型元素，可以由Definition給出其本質(zhì)含義。

4）MetaItem 描述Definition的組成項。

5）MetaProperty 描述模型元素的具體屬性。

6）基本數(shù)據(jù)類型 包括 Text、Date、Numeric、Expression、Time等。它們是描述其它屬性的基本內(nèi)容。

元模型元素之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 元模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The configuration show of meta-model

從元模型結(jié)構(gòu)圖可知，任何一種建模方法可以用Diagram表示，Diagram的Name就是該建模方法實例的名稱，而Type就是這種建模方法的類型，Symbol定義了所有圖元，Definition定義了相應(yīng)圖元的模型含義以及非可視化圖元的模型含義。Symbol定義了模型元素圖元的屬性。相應(yīng)圖元的模型元素本質(zhì)含義由Definition進行定義，Definition進一步由MetaItem定義，MetaItem由若干MetaProperty定義。MetaProperty就是相應(yīng)建模方法模型元素屬性的最終定義地方，每一個屬性對應(yīng)一個MetaProperty。

3.2 SA元模型數(shù)據(jù)擴展

SA提供了2個元模型數(shù)據(jù)文件以支持用戶定制與擴展SA應(yīng)用，這2個文件為：元數(shù)據(jù)系統(tǒng)文件SAPROPS.CFG和元數(shù)據(jù)用戶擴展定義文件USRPROS.TXT[5]。當SA軟件打開一個體系結(jié)構(gòu)模型時，先將SAPROPS.CFG文件讀入，然后讀入USRPROS.TXT文件，兩者結(jié)合生成 SAPROPS.BIN文件。USRPROS.TXT文件的優(yōu)先級較高，將對 SAPROPS.CFG文件中進行覆蓋。SAPROPS.BIN文件將元數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶。由此實現(xiàn)用戶定制與擴展SA模板功能。

USRPROPS.TXT元數(shù)據(jù)擴展的規(guī)則如下：

1）USRPORPS.TXT 文件中的條目是對 SARPOPS.CFG 文件的添加或替換；

2）USRPORPS.TXT 文 件 中 的 條 目 必 須 以 LIST、RENAME、DIAGRAM、SYMBOL或 DEFINTION等 描 述 語 句開頭；

3）USRPORPS.TXT文件是附加于 SARPOPS.CFG文件的，其條目在應(yīng)用中都是附加于SARPOPS.CFG文件相關(guān)條目的末尾；

4）除非包含CHAPTER命令，USRPORPS.TXT文件條目附加于相關(guān)對話框的末尾；

5）如果SARPOPS.CFG文件中已有相同的CHAPTER命令段，則USRPORPS.TXT文件中相同CHAPTER命令段下的條目將附加于末尾；

6）如果SARPOPS.CFG文件中已有相同的GROUP命令段，則USRPORPS.TXT文件中相同GROUP命令段下的條目將附加于末尾；

7）GROUP命令將會生成一個標準 Windows分組框，GROUP中所有的條目都必須列于其中；

8）如果分組在SAPROPS.CFG文件中使用了PLACEMENT命令，則在USRPORPS.TXT文件中附加于此分組的屬性也必須使用PLACEMENT命令。

4 結(jié) 論

SA作為一套綜合多種建模方法的工具，集成了業(yè)務(wù)流程建模、數(shù)據(jù)建模、對象建模、業(yè)務(wù)流程仿真等多種功能，在國外特別是美國有著大量的成功案例。本文從SA的基本組成出發(fā)，以SA軟件的功能和模塊為基礎(chǔ)，研究和歸納了如何利用SA這個國外先進成熟的體系結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計與建模工具進行定制和擴展，探討了體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的應(yīng)用擴展問題。

[1]DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architecture Framework Version 2.0[M].US：Department of Defense，2009.

[2]Popkin Software Corporations.Popkin Software's New Event[EB/OL].[2002].http：//www.Popkin.com/newsandevents/newsandevents.htm.

[3]Popkin Software.Popkin System Architect Help[M].[S.1.]Popkin Software，2004.

[4]姜軍.可執(zhí)行體系結(jié)構(gòu)及DoDAF的可執(zhí)行化方法研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士論文，2008.

[5]Popkin Software.System architect USRPROPS extensibility guide[M].Popkin Software，2004.

[6]Popkin Software&Systems.System architect VBA extensibility guide[M].[S.1.]Popkin Software&Systems，2004.