基于網(wǎng)絡(luò)映射的體系結(jié)構(gòu)要素關(guān)系分析方法

金群峰，李　綱，侯溯源，衛(wèi)　威

1．西安測(cè)繪研究所，陜西 西安，710054；2．地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710054；3.北京易安賽思科技有限公司，北京，100081

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基于網(wǎng)絡(luò)映射的體系結(jié)構(gòu)要素關(guān)系分析方法

金群峰1，2，李綱1，2，侯溯源1，2，衛(wèi)威3

1．西安測(cè)繪研究所，陜西 西安，710054；2．地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710054；3.北京易安賽思科技有限公司，北京，100081

本文提出了一種基于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)梳理、整合方法，即利用DoDAF體系結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行裝備體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中不同要素(系統(tǒng)、系統(tǒng)功能等)的關(guān)系矩陣，以一種要素(系統(tǒng)功能)為基準(zhǔn)，采用網(wǎng)絡(luò)映射的方式來(lái)分析其與體系內(nèi)其它要素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并且提出了這種關(guān)系的可視化算法。在此基礎(chǔ)上，分析了系統(tǒng)間的相似度，為系統(tǒng)的整合提供支撐。

體系結(jié)構(gòu)；關(guān)系分析；雙模式節(jié)點(diǎn)圖；可視化；自動(dòng)布局算法

1　前　言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，測(cè)繪裝備體系越來(lái)越復(fù)雜，涉及了多種要素(如能力、任務(wù)、業(yè)務(wù)、組織、人員、系統(tǒng)等)，要素間相互關(guān)聯(lián)影響，通過(guò)信息系統(tǒng)協(xié)同工作，共同完成任務(wù)目標(biāo)。在進(jìn)行測(cè)繪裝備體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，分析整理這些要素，根據(jù)任務(wù)要求，對(duì)要素進(jìn)行合并歸類，梳理要素內(nèi)部和要素間的關(guān)系，是測(cè)繪裝備體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。但是，在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于要素眾多、關(guān)系復(fù)雜，目前在對(duì)要素進(jìn)行梳理整合時(shí)，多是從現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，由人工進(jìn)行判斷，缺乏科學(xué)的理論和方法。為了解決這個(gè)問(wèn)題，作者在規(guī)范化體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提出了基于網(wǎng)絡(luò)映射的體系結(jié)構(gòu)要素關(guān)系分析方法，通過(guò)對(duì)體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的分析，并基于體系結(jié)構(gòu)要素之間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)體系結(jié)構(gòu)同一類要素(如人員、裝備等)的梳理整合和譜系優(yōu)化。

2　測(cè)繪裝備體系結(jié)構(gòu)開發(fā)

為科學(xué)合理地設(shè)計(jì)測(cè)繪裝備體系，需要在現(xiàn)代系統(tǒng)工程方法論的指導(dǎo)下開發(fā)測(cè)繪裝備體系結(jié)構(gòu)。為此，采用DoDAF(美國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架標(biāo)準(zhǔn))[1，2]及其相關(guān)開發(fā)工具設(shè)計(jì)測(cè)繪裝備體系，保證了體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范性、準(zhǔn)確性與科學(xué)性(以下以測(cè)繪軟件裝備為例進(jìn)行描述)。

依據(jù)DoDAF1.5 體系結(jié)構(gòu)框架，采用ABM方法(基于活動(dòng)的方法)[3]，開發(fā)了OV-2(業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)視圖)，OV-5(業(yè)務(wù)活動(dòng)視圖)，OV-4(業(yè)務(wù)組織視圖)等業(yè)務(wù)視圖產(chǎn)品。其中，OV-2描述了測(cè)繪生產(chǎn)活動(dòng)的業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)；OV-5描述了測(cè)繪生產(chǎn)活動(dòng)；OV-4描述了與測(cè)繪生產(chǎn)活動(dòng)相關(guān)的組織機(jī)構(gòu)和人員，并建立了業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)、活動(dòng)、組織機(jī)構(gòu)之間的三元關(guān)系。同時(shí)，還開發(fā)了SV-1、SV-4、SV-5等系統(tǒng)視圖產(chǎn)品。其中，SV-1描述了測(cè)繪生產(chǎn)軟件的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)連接描述和測(cè)繪生產(chǎn)軟件的組成；SV-4描述了根據(jù)測(cè)繪生產(chǎn)活動(dòng)，測(cè)繪軟件系統(tǒng)所應(yīng)具有的功能；SV-5描述了活動(dòng)和功能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并建立了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、軟件系統(tǒng)功能、系統(tǒng)實(shí)體(軟件)之間的三元關(guān)系。業(yè)務(wù)視圖與系統(tǒng)視圖三元關(guān)系如圖 1所示。

圖1　DoDAF中的ABM方法

從上述視圖產(chǎn)品可以看出，對(duì)體系中的系統(tǒng)裝備進(jìn)行梳理,實(shí)現(xiàn)裝備的精簡(jiǎn)整合，起點(diǎn)是測(cè)繪業(yè)務(wù)活動(dòng)，需要依據(jù)活動(dòng)、功能、系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，自上而下進(jìn)行梳理。但是，測(cè)繪裝備系統(tǒng)種類和功能眾多，在進(jìn)行人工梳理時(shí)，難度很大，需要新的手段和方法。為此，通過(guò)對(duì)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的分析，應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中要素及要素間的關(guān)系數(shù)據(jù)，可以自動(dòng)形成相關(guān)裝備精簡(jiǎn)整合的初步方案。在此基礎(chǔ)上，綜合其它因素(如成本、使用范圍等)，最終完成裝備的梳理工作。

3　基于網(wǎng)絡(luò)映射的體系結(jié)構(gòu)要素關(guān)系分析方法

測(cè)繪裝備梳理的目標(biāo)是通過(guò)對(duì)不同裝備之間關(guān)系的分析，對(duì)裝備進(jìn)行科學(xué)整合，實(shí)現(xiàn)體系優(yōu)化。因此，首先考慮的是依據(jù)裝備現(xiàn)有功能，將具有相同或相似功能的裝備進(jìn)行合并?；谏鲜鲈瓌t，本文提出了基于網(wǎng)絡(luò)映射的體系結(jié)構(gòu)要素關(guān)系分析方法，通過(guò)建立體系結(jié)構(gòu)的要素關(guān)系分析模型，將體系結(jié)構(gòu)要素(如系統(tǒng)等)內(nèi)部關(guān)聯(lián)關(guān)系量化，將體系結(jié)構(gòu)內(nèi)部?jī)煞N不同要素(如系統(tǒng)與功能)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以一種要素(如系統(tǒng)功能)為基準(zhǔn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)映射的方式，轉(zhuǎn)換為同一種要素內(nèi)部之間的關(guān)系，并用網(wǎng)絡(luò)圖的方式呈現(xiàn)，為系統(tǒng)的分類組成提供依據(jù)。

3.1體系結(jié)構(gòu)要素到網(wǎng)絡(luò)圖的映射

對(duì)體系結(jié)構(gòu)要素間關(guān)系進(jìn)行分析，首先要將整個(gè)體系結(jié)構(gòu)映射為一張“圖”。即把體系結(jié)構(gòu)各類要素(如系統(tǒng)、系統(tǒng)功能)視為節(jié)點(diǎn)，要素與要素之間的關(guān)系(如系統(tǒng)和功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系)視為連接節(jié)點(diǎn)之間的邊，從而將整個(gè)體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為一張由節(jié)點(diǎn)(體系結(jié)構(gòu)中各類要素)和邊(要素與要素之間的各種關(guān)系)所構(gòu)成的圖。整個(gè)體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)依據(jù)圖論,定義為一個(gè)圖的二元組(V,E)，其中頂集V為要素集，邊集E為關(guān)系集。E的元素是一個(gè)二元組數(shù)對(duì)，用(x,y)表示，其中(x,y)∈V[4]。

根據(jù)映射圖，可以將體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所形成的系統(tǒng)功能之間的矩陣，映射為一張雙模式的節(jié)點(diǎn)圖，如圖 2所示。

圖2　系統(tǒng)與功能關(guān)系矩陣和雙模式節(jié)點(diǎn)圖

依據(jù)雙模式圖，以系統(tǒng)功能為基準(zhǔn)，將系統(tǒng)實(shí)體與系統(tǒng)功能之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)實(shí)體與系統(tǒng)實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。轉(zhuǎn)換時(shí)，按照如下原則進(jìn)行：

(1)如果兩個(gè)系統(tǒng)實(shí)體具有同一個(gè)功能，則兩個(gè)系統(tǒng)實(shí)體之間存在著關(guān)聯(lián)關(guān)系；

(2)如果兩個(gè)系統(tǒng)實(shí)體具有相同的功能越多，則認(rèn)為兩個(gè)實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)越強(qiáng)。

按照上述原則，對(duì)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間關(guān)系矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)換形成單模式節(jié)點(diǎn)圖，如圖 3所示。在該圖中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)測(cè)繪裝備系統(tǒng)；節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的邊表示兩個(gè)系統(tǒng)中存在著功能重合；邊的權(quán)重表示功能重合的數(shù)量。

圖3　系統(tǒng)與系統(tǒng)關(guān)系矩陣與單模式節(jié)點(diǎn)圖

3.2體系結(jié)構(gòu)要素關(guān)聯(lián)關(guān)系的可視化呈現(xiàn)

由于測(cè)繪裝備數(shù)量眾多，無(wú)論是從矩陣還是網(wǎng)絡(luò)圖中，都很難直接發(fā)現(xiàn)其關(guān)聯(lián)關(guān)系的規(guī)律。為解決這一問(wèn)題，需要將相應(yīng)的矩陣和網(wǎng)絡(luò)圖依據(jù)它們關(guān)聯(lián)關(guān)系的緊密程度，以清晰、合理的形式呈現(xiàn)出來(lái)，輔助、指導(dǎo)測(cè)繪裝備精簡(jiǎn)、整合。為此，需要設(shè)計(jì)相關(guān)的布局算法，自動(dòng)調(diào)整整個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖中節(jié)點(diǎn)的布局，使得功能重合的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)聚類在一起，邊的權(quán)重越高(功能重合越多)，其節(jié)點(diǎn)之間的距離就越近。

根據(jù)上述要求，采用力引導(dǎo)(neato)自動(dòng)布局算法對(duì)所生成的單模式節(jié)點(diǎn)圖進(jìn)行處理。力引導(dǎo)布局算法是目前應(yīng)用最廣泛的可視化布局算法，來(lái)源于“彈簧模型”[5]。其本質(zhì)思想是將圖看做一個(gè)頂點(diǎn)為鋼環(huán)，邊為彈簧的物理系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算彈簧彈力(引力和斥力)，尋找使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的方法來(lái)確定節(jié)點(diǎn)在圖形中的位置。在布局時(shí)，所有的節(jié)點(diǎn)都隨機(jī)置于一個(gè)平面上，算法模擬引力和斥力，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算最佳的全局布局X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)。通過(guò)neato布局算法，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，沒(méi)有聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)將相互遠(yuǎn)離，緊密聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)則傾向聚集在一起，如圖 4所示。

圖4　利用neato算法進(jìn)行自動(dòng)布局后的系統(tǒng)關(guān)系圖

在此基礎(chǔ)上，還可根據(jù)分類中層次的要求，通過(guò)對(duì)邊的權(quán)重進(jìn)行過(guò)濾(如只顯示權(quán)重>5的邊)，來(lái)顯示不同的分類層次。也可使用GMap算法[6]對(duì)圖進(jìn)行處理，自動(dòng)對(duì)聚類的范圍進(jìn)行劃分，從而形成不同類型的聚類圖，更加清晰、醒目地顯示不同情況下裝備功能的重合情況，如圖 5所示。

關(guān)系權(quán)重為1時(shí)軟件之間關(guān)系　　　　關(guān)系權(quán)重為5時(shí)軟件之間關(guān)系圖5　使用不同權(quán)重過(guò)濾后系統(tǒng)的劃分

根據(jù)所生成的聚類圖，在進(jìn)行測(cè)繪裝備的分類和整合時(shí)，可以以此為起點(diǎn)，依據(jù)系統(tǒng)功能，由多方(如：管理者、開發(fā)者、用戶等)參與共同完成裝備的梳理整合工作，合并具有相同功能的測(cè)繪裝備，進(jìn)行譜系整理。

4　結(jié)束語(yǔ)

基于網(wǎng)絡(luò)映射的體系結(jié)構(gòu)要素分析方法在進(jìn)行復(fù)雜裝備體系的分析、梳理時(shí)，能夠?yàn)槌跏挤桨冈O(shè)計(jì)提供依據(jù)，并為后續(xù)多方參與的譜系整理工作，通過(guò)可視化方式提供輔助支撐，從而有效提高裝備整合的合理性和工作效率。在作者開發(fā)的測(cè)繪裝備體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)中，已經(jīng)集成了該方法，應(yīng)用于測(cè)繪裝備體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，并在測(cè)繪生產(chǎn)作業(yè)軟件的一體化改造方案設(shè)計(jì)中進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了較好的效果。該方法除了用于基于功能的系統(tǒng)梳理外，也可依據(jù)體系結(jié)構(gòu)中業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)-業(yè)務(wù)活動(dòng)-角色的三元關(guān)系，用于業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的劃分和體系中編制體制的調(diào)整。下一步將繼續(xù)深化對(duì)該方法的研究。根據(jù)分析目標(biāo)對(duì)聚類的算法和相關(guān)參數(shù)(如權(quán)重)進(jìn)行調(diào)整，將影響調(diào)整結(jié)果的一些主觀因素(如：用戶的需求)與定量分析相結(jié)合，進(jìn)一步提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可用性。

[1]DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework 2.0 Volume 1: Introduction, Overview, and Concepts[R]. U.S: Department of Defense, 2009.

[2]DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework 2.0 Volume 2: Architectural Data and Modes[R]. U.S: Department of Defense, 2009.

[3]Steven J Ring, Dave Nicholoson. Activity-based Methodology for Development and Analysis of Integrated DoD Architectures[A].MITRE: 2004 Command and Control Research and Technology Symposium,2004.

[4]金群峰,衛(wèi)威.利用可視化技術(shù)在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行關(guān)聯(lián)影響分析[J]. 軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程,2014,28(3):57-60.

[5]EADES P. A Heuristic for Graph Drawing[J]. Congressus Numerantium,1984(42):149-160.

[6]Y.Hu,E.Gansner, S.Kobourov.Visualizing Graphs and Clusters as Maps[J].IEEE Computer Graphics and Applications,2010,99(1):54-66.

Element Relationship Analysis Method of System Architecture Based on Network Mapping

Jin Qunfeng1,2, Li Gang1,2, Hou Suyuan1,2, Wei Wei3

1. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China 3. Beijing EASYS Technology Co. Ltd., Beijing 100081, China

A method of system integration based on architecture is proposed in this paper. With this method, the equipment architecture is designed using DoDAF, an element (system function) is taken as the benchmark according to the relationship matrix of different elements in the architecture product, and the relationship between the benchmark and other elements are analyzed through network mapping. Besides, an algorithm for visualizing these relationships is presented, which can be used to analyze the similarity of systems and provide support for system integration.

system architecture; relationship analysis; two-mode view; visualization; auto-layout algorithm

2015-09-11。

金群峰(1971—)，男，高級(jí)工程師，主要從事測(cè)繪導(dǎo)航總體論證研究。

E917

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