軍事信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)驗證方法綜述

孔瑞遠(yuǎn)，肖桃順，沈艷麗

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軍事信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)驗證方法綜述

孔瑞遠(yuǎn)，肖桃順，沈艷麗

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

體系結(jié)構(gòu)驗證是指從不同角度對體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量進(jìn)行檢驗，以確保體系結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足需求。伴隨著新技術(shù)的發(fā)展以及新形勢的變化，軍事信息系統(tǒng)的設(shè)計日益復(fù)雜，如何有效保障體系結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量已成為體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的關(guān)鍵。因此，體系結(jié)構(gòu)驗證也愈發(fā)重要。但目前，有關(guān)體系結(jié)構(gòu)驗證的研究較少且零散，還未形成完整的體系。本文針對體系結(jié)構(gòu)驗證的主要內(nèi)容，提出了體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完備性、數(shù)據(jù)一致性、邏輯合理性以及效用評估的層級結(jié)構(gòu)，并按照上述層級結(jié)構(gòu)對各驗證方法分別進(jìn)行綜述，體系化地驗證體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

體系結(jié)構(gòu)驗證；數(shù)據(jù)完備性；數(shù)據(jù)一致性；邏輯合理性；效用評估

引言

伴隨著新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，戰(zhàn)爭的形態(tài)和樣式已發(fā)生了重大的變化，新形勢下的戰(zhàn)爭已經(jīng)進(jìn)入信息對抗的時代，軍事信息系統(tǒng)建設(shè)水平逐漸成為獲取戰(zhàn)爭主動權(quán)的關(guān)鍵。當(dāng)前軍事信息系統(tǒng)呈現(xiàn)出系統(tǒng)組成數(shù)量巨大、交互異常復(fù)雜的特點(diǎn)，使得其開發(fā)過程必須在頂層設(shè)計的指導(dǎo)下才能順利進(jìn)行。體系結(jié)構(gòu)涵蓋系統(tǒng)組成部分的結(jié)構(gòu)、它們之間的關(guān)系以及指導(dǎo)設(shè)計和隨時間演化的原理和指南[1]，因此，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計是頂層設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，通過多視圖和多產(chǎn)品的形式，促進(jìn)了不同人員之間的溝通和相互理解；通過各組成系統(tǒng)的集成與整合，提升了所開發(fā)系統(tǒng)的互操作性，從而提高了系統(tǒng)的整體能力；通過過程的最佳化和經(jīng)費(fèi)使用的合理化，促使系統(tǒng)的頂層設(shè)計更加科學(xué)、有效。由于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計在系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，其設(shè)計質(zhì)量就顯得尤為重要。

目前，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計多采用多視圖的方法，以對體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀化表述，如美軍的DoDAF體系結(jié)構(gòu)框架視圖由全視圖、數(shù)據(jù)和信息視圖、標(biāo)準(zhǔn)視圖、能力視圖、作戰(zhàn)視圖、服務(wù)視圖、系統(tǒng)視圖和項目視圖組成[2]。多視圖的設(shè)計方法從多個角度對信息系統(tǒng)進(jìn)行描述，反映出不同觀察者的立場和觀點(diǎn)，能夠用特定的組織方式為決策者提供有用的數(shù)據(jù)，為最終的決策提供技術(shù)支撐。各視圖之間存在著復(fù)雜的交叉和關(guān)聯(lián)關(guān)系，例如，能力視圖描述能力構(gòu)想等，并與作戰(zhàn)活動、系統(tǒng)功能等之間存在對應(yīng)關(guān)系。這些關(guān)聯(lián)是多個視圖和產(chǎn)品構(gòu)成體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，但同時又增加了設(shè)計的難度，對體系結(jié)構(gòu)驗證提出了更高的要求。因此，需要對體系結(jié)構(gòu)驗證方法進(jìn)行更加系統(tǒng)、全面的研究，促使信息系統(tǒng)尤其是軍事信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)驗證方法更加科學(xué)高效，進(jìn)而為體系結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有效的保障。

1 體系結(jié)構(gòu)驗證內(nèi)容

體系結(jié)構(gòu)驗證的主要任務(wù)是檢查體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性，確認(rèn)體系結(jié)構(gòu)描述是否滿足系統(tǒng)的功能需求和非功能需求，以及滿足需求的程度如何[3]。在不同的文獻(xiàn)中，體系結(jié)構(gòu)驗證的內(nèi)容有所不同，并沒有權(quán)威的定義。綜合目前對體系結(jié)構(gòu)驗證的相關(guān)研究，本文認(rèn)為，體系結(jié)構(gòu)驗證內(nèi)容可以劃分為體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完備性驗證、體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)一致性驗證、體系結(jié)構(gòu)邏輯合理性驗證和體系結(jié)構(gòu)效用評估四類。

體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完備性驗證主要驗證體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在種類和數(shù)量上是否滿足描述體系結(jié)構(gòu)的要求、是否缺少描述和構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)所需的相關(guān)數(shù)據(jù)[4]。具體來說，主要包含三方面：一是產(chǎn)品的種類和數(shù)量是否滿足要求，例如，按照某個具體的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，需要提供六個視圖，但產(chǎn)品中只提供了兩個視圖，那么該產(chǎn)品是不完備的；二是特定產(chǎn)品的具體內(nèi)容是否完整，例如，一個系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)缺少相應(yīng)的系統(tǒng)功能集，那么該節(jié)點(diǎn)是不完備的；三是數(shù)據(jù)元素有定義但沒有被使用，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)“孤島”，例如，定義了一個作戰(zhàn)任務(wù)，但卻沒有賦予該作戰(zhàn)任務(wù)任何作戰(zhàn)能力，那么該作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)是不完備的。

體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)一致性驗證主要驗證體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是否存在相互矛盾的內(nèi)容。數(shù)據(jù)的一致性包括兩個方面：一是數(shù)據(jù)實體一致性，即相同或不同產(chǎn)品中對同一個數(shù)據(jù)實體的描述應(yīng)該相同；二是數(shù)據(jù)關(guān)系一致性，即相同或不同產(chǎn)品中不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)系應(yīng)一致。數(shù)據(jù)關(guān)系的不一致性體現(xiàn)在，在合理的假設(shè)條件下，數(shù)據(jù)關(guān)系在同一產(chǎn)品或不同產(chǎn)品中出現(xiàn)邏輯上相互矛盾的情形，例如，同一作戰(zhàn)活動同時由一對具有父子關(guān)系的作戰(zhàn)單元執(zhí)行，就會造成作戰(zhàn)單元層次分解關(guān)系的矛盾，這在邏輯上是不合理的。

體系結(jié)構(gòu)邏輯合理性驗證主要驗證行為是否按設(shè)計的方式執(zhí)行并達(dá)到設(shè)計的效果。邏輯合理性驗證的對象是體系結(jié)構(gòu)的動態(tài)行為，在美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架中，對應(yīng)的產(chǎn)品主要為作戰(zhàn)視圖中的作戰(zhàn)事件跟蹤描述（OV-6c），用于定義作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)間引起信息交互動作的關(guān)鍵事件的時間順序特征，有助于保證每個作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)完成相應(yīng)的作戰(zhàn)活動，并可與作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移描述（OV-6b）結(jié)合描述作戰(zhàn)活動的動態(tài)行為。邏輯合理性驗證可分為兩個方面，一是驗證作戰(zhàn)流程、系統(tǒng)功能流程是否合理，例如，如果流程運(yùn)行中存在不能運(yùn)行的業(yè)務(wù)活動，則說明流程不合理；二是驗證所設(shè)計的體系能否按期望運(yùn)行，主要包括驗證流程是否存在意外終止、死循環(huán)或資源爭用等現(xiàn)象，以及驗證在添加事件或活動的執(zhí)行延時信息后或在不同的任務(wù)場景下，流程能否順利、按期望的方式執(zhí)行等。

體系結(jié)構(gòu)效用評估主要評估體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量、可用性和可實施性等，分析按照設(shè)計方案開發(fā)的系統(tǒng)是否滿足各項需求指標(biāo)、是否達(dá)到設(shè)計要求。效用評估主要包括性能驗證評估、效能驗證評估和綜合評估等。其中，性能驗證評估主要對體系結(jié)構(gòu)的性能，體系靜態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、抗毀性和適應(yīng)性，以及系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估；效能驗證評估將作戰(zhàn)任務(wù)的性能需求和系統(tǒng)性能進(jìn)行對比分析，找出影響作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵系統(tǒng)因素，并評估系統(tǒng)對整個體系的能力提升或填補(bǔ)能力差距方面有何貢獻(xiàn)；綜合評估通過對費(fèi)用、風(fēng)險等非功能性指標(biāo)的評估，來驗證體系結(jié)構(gòu)的可用性和可實施性等。

借用語言學(xué)中的語法、語義和語用概念，可對體系結(jié)構(gòu)驗證內(nèi)容進(jìn)行劃分。數(shù)據(jù)完備性驗證對應(yīng)于語法層面，是對體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的最基礎(chǔ)的要求，可以避免數(shù)據(jù)的缺失或浪費(fèi)，并滿足基本需求；數(shù)據(jù)一致性驗證和邏輯合理性驗證對應(yīng)于語義層面，驗證體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)所表達(dá)的信息是否正確、合理，但前者主要針對體系結(jié)構(gòu)的靜態(tài)數(shù)據(jù)實體和關(guān)系，而后者則主要面向體系結(jié)構(gòu)的動態(tài)行為；效用評估對應(yīng)于語用層面，從性能、效能等方面反映體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量、評估體系結(jié)構(gòu)的可用性等，提供了設(shè)計方案對比的依據(jù)。與語法、語義和語用的遞進(jìn)關(guān)系類似，體系結(jié)構(gòu)驗證內(nèi)容也呈現(xiàn)出一定的層級結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該層級結(jié)構(gòu)能夠從一定程度上反映出體系結(jié)構(gòu)驗證的內(nèi)容、其相關(guān)關(guān)系以及驗證過程的一般次序。在本文的后續(xù)章節(jié)中，將按照該次序?qū)w系結(jié)構(gòu)驗證的各內(nèi)容展開研究。

2 體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完備性驗證

數(shù)據(jù)完備性驗證的傳統(tǒng)方法是人工評審法，即專家根據(jù)個人知識和行業(yè)經(jīng)驗，按照體系結(jié)構(gòu)設(shè)計要求對體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐條比對，找出不滿足完備性的數(shù)據(jù)，在實施過程中可綜合多名專家進(jìn)行評審。人工評審法受限于專家的經(jīng)驗以及人工的不可遷移性，適用于小規(guī)模的體系結(jié)構(gòu)驗證，當(dāng)信息系統(tǒng)的設(shè)計非常復(fù)雜而需要多次重復(fù)驗證時，該方法則難以適用。

文獻(xiàn)[5]在進(jìn)行數(shù)據(jù)完備性驗證時，首先將C4ISR體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)歸納為八種核心數(shù)據(jù)實體，包括：作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)、組織、作戰(zhàn)活動、信息、系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)、系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)；然后對每種核心數(shù)據(jù)實體建立完備性規(guī)則，根據(jù)這些規(guī)則對各核心數(shù)據(jù)實體的完備性進(jìn)行驗證。由于該方法只是對部分重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，驗證內(nèi)容不夠全面；且其完備性規(guī)則的建立依賴于產(chǎn)品的描述方法和表現(xiàn)形式，不具有通用性。

為使數(shù)據(jù)完備性驗證具有通用性，文獻(xiàn)[6]提出了基于CADM的數(shù)據(jù)完備性驗證。其中，CADM是核心體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型的英文簡稱，在DoDAF 1.0版中，作為體系結(jié)構(gòu)描述信息的數(shù)據(jù)模型，是體系結(jié)構(gòu)框架的重要組成部分。該方法首先確定了實體之間的三種關(guān)系：確定關(guān)系、分類關(guān)系和非確定關(guān)系，并針對不同關(guān)系確立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)完備性驗證要求。此后的驗證大致可分為四步：首先，明確數(shù)據(jù)規(guī)范，即根據(jù)CADM模型確定數(shù)據(jù)實體以及數(shù)據(jù)實體間相互關(guān)系的表現(xiàn)形式；其次，根據(jù)CADM模型建立數(shù)據(jù)實體以及數(shù)據(jù)實體間相互關(guān)系的關(guān)系模型；然后，按照關(guān)系模型中關(guān)系類型的類別，即關(guān)系類型是確定關(guān)系還是分類關(guān)系，分別建立完備性驗證規(guī)則；最后，根據(jù)已建立的完備性規(guī)則進(jìn)行完備性驗證。由于CADM模型是體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的概念模式，與具體的表現(xiàn)形式和存儲形式無關(guān)，使得該方法具有一定的通用性，但這種通用性是建立在體系結(jié)構(gòu)均采用相同的CADM模型的基礎(chǔ)之上，但實際當(dāng)中不同的系統(tǒng)往往采用不同的體系結(jié)構(gòu)，這些體系結(jié)構(gòu)又基于不同的數(shù)據(jù)模型，因而該方法也很難在現(xiàn)實中得以實現(xiàn)。

由于CADM模型基于DoDAF 1.0版，而在DoDAF 2.0版中，國防部體系結(jié)構(gòu)框架元模型（DoDAF meta-model，DM2）取代了以前版本的CADM模型，為此，文獻(xiàn)[7]提出了一種基于DM2的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完備性驗證方法。DM2定義了體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)要素，促進(jìn)了體系結(jié)構(gòu)描述的綜合，是體系結(jié)構(gòu)描述內(nèi)部以及跨體系結(jié)構(gòu)描述保持語義一致性的基礎(chǔ)。該方法首先根據(jù)IDEAS（國際國防企業(yè)體系結(jié)構(gòu)規(guī)范）的頂層結(jié)構(gòu)，分析其中的交迭關(guān)聯(lián)關(guān)系，提取數(shù)據(jù)間的完備性規(guī)則；之后，根據(jù)數(shù)據(jù)實體之間的關(guān)系，構(gòu)建交迭關(guān)系矩陣；最后，根據(jù)已建立的完備性規(guī)則，利用交迭關(guān)系矩陣，判斷體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的完備性。該方法具有一定的通用性，但缺點(diǎn)與基于CADM的完備性驗證方法類似。

現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完備性驗證主要是基于數(shù)據(jù)模型（CADM，DM2）建立驗證規(guī)則，能夠?qū)谶@些數(shù)據(jù)模型的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗證，但不能應(yīng)用于其他體系結(jié)構(gòu)中。因此，需要對更具通用性的數(shù)據(jù)完備性驗證理論和方法展開進(jìn)一步研究。

3 體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)一致性驗證

在文獻(xiàn)[8]中，作者還提出了數(shù)據(jù)一致性驗證的方法，與數(shù)據(jù)完整性驗證方法類似，其針對八種核心數(shù)據(jù)實體分別定義了一致性規(guī)則，并進(jìn)行檢驗。該文首先針對八種核心數(shù)據(jù)實體展開討論，以集合化的方式描述這些核心數(shù)據(jù)實體，在此基礎(chǔ)上分別定義出一致性的規(guī)則，提出通過相互比較的方式對其進(jìn)行一致性檢查，但沒有明確敘述相應(yīng)的驗證方法。此外，八種核心數(shù)據(jù)實體的分類雖然集中了大部分體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，但仍然不能涵蓋全部，因而相應(yīng)的，一致性驗證也不夠全面，不具有通用性。

為使數(shù)據(jù)一致性驗證具有通用性，文獻(xiàn)[9]提出了一種基于CADM的C4ISR體系結(jié)構(gòu)一致性驗證方法。該方法仍針對的是文獻(xiàn)[10]中提出的八個核心實體，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)一致性驗證，并以作戰(zhàn)活動和作戰(zhàn)單元的一致性驗證方法為例進(jìn)行具體介紹。該驗證方法的驗證過程大致可分為三步：首先，根據(jù)CADM模型提取出數(shù)據(jù)關(guān)系的約束，并根據(jù)相關(guān)約束建立一致性規(guī)則，例如，部分?jǐn)?shù)據(jù)關(guān)系需要滿足單向性約束，那么一個數(shù)據(jù)關(guān)系映射的兩對數(shù)據(jù)實體之間應(yīng)保證父子節(jié)點(diǎn)（單向）的邏輯性；然后，建立數(shù)據(jù)關(guān)系的鄰接矩陣，通過鄰接矩陣生成可達(dá)性矩陣，以表示數(shù)據(jù)實體間的間接關(guān)系；最后，根據(jù)一致性規(guī)則，利用可達(dá)性矩陣設(shè)計算法完成一致性驗證。該文主要針對父子關(guān)系下的數(shù)據(jù)關(guān)系約束，建立邏輯沖突的數(shù)據(jù)一致性驗證方法，而沒有對其他類型的數(shù)據(jù)關(guān)系約束進(jìn)行討論。

針對DoDAF 2.0版，文獻(xiàn)[11]提出了基于DM2的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)一致性驗證方法。該文將體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)一致性分為數(shù)據(jù)標(biāo)識一致性和數(shù)據(jù)關(guān)系一致性，前者可直接利用DM2模型進(jìn)行檢驗，因此，該文主要針對后者展開討論并將數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)一步劃分為數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系和數(shù)據(jù)指派關(guān)系。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系和數(shù)據(jù)指派關(guān)系的一致性驗證過程相似，大致分為兩步：第一步，根據(jù)IDEAS的元組關(guān)聯(lián)關(guān)系，對不一致性進(jìn)行分類，根據(jù)不一致性的種類建立一致性規(guī)則；第二步，建立關(guān)系矩陣，并根據(jù)一致性規(guī)則進(jìn)行驗證。在具體細(xì)節(jié)上，二者又有較大區(qū)別，例如，在不一致性的分類上，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的不一致性主要針對IDEAS的五種元組關(guān)聯(lián)關(guān)系，判斷出不一致性主要有類型實例、超子類型、前后序及整體部分關(guān)系四種；而數(shù)據(jù)指派關(guān)系的不一致性主要有可替型、冗余型和沖突型三種。該文對體系結(jié)構(gòu)驗證的對象、不一致性的分類以及相應(yīng)的驗證方法均進(jìn)行了研究，能夠比較好地應(yīng)用于實際檢驗過程中，但沒有研究其他類型的數(shù)據(jù)一致性。

上述研究主要針對靜態(tài)數(shù)據(jù)的一致性，而沒有對動態(tài)行為的一致性進(jìn)行驗證。因此，為確保實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，文獻(xiàn)[12]研究了體系結(jié)構(gòu)的靜態(tài)一致性和動態(tài)一致性的約束和檢驗方法。其中，靜態(tài)一致性主要以數(shù)據(jù)字典為基礎(chǔ)，其驗證過程為：建立靜態(tài)一致性約束，包括數(shù)據(jù)關(guān)系約束和產(chǎn)品數(shù)據(jù)約束，前者基于數(shù)據(jù)字典而形成，后者則是基于產(chǎn)品的數(shù)據(jù)范圍和數(shù)據(jù)的表述規(guī)范；進(jìn)而根據(jù)約束檢驗數(shù)據(jù)的一致性。動態(tài)一致性的驗證過程主要為：根據(jù)動態(tài)行為的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，建立基于有色Petri網(wǎng)的可執(zhí)行模型；設(shè)定系統(tǒng)的不同環(huán)境或不同參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)并利用可執(zhí)行模型進(jìn)行仿真測試和分析，從而對動態(tài)行為的一致性進(jìn)行驗證。盡管該文建立了動態(tài)一致性驗證的流程，但對于如何建立可執(zhí)行模型、如何設(shè)定各種參數(shù)以及如何建立仿真模型進(jìn)行仿真分析等關(guān)鍵問題沒有涉及。

進(jìn)一步地，文獻(xiàn)[13]在其碩士論文中對動態(tài)行為一致性驗證問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究。作者首先分析了作戰(zhàn)視圖和系統(tǒng)視圖中的動態(tài)行為產(chǎn)品之間的關(guān)系，以及它們與其他非動態(tài)行為產(chǎn)品的關(guān)系；進(jìn)而對動態(tài)行為的關(guān)鍵產(chǎn)品進(jìn)行定義，即能直接反映作戰(zhàn)信息交互事件或系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交互事件的時間特性和順序特性的產(chǎn)品；在此基礎(chǔ)上得到關(guān)鍵產(chǎn)品的形式化描述。論文分別從語法層次和語義層次研究一致性驗證。針對語法層次上的一致性驗證，由于動態(tài)行為關(guān)鍵產(chǎn)品的描述形式主要采用文字和圖形，使得不同產(chǎn)品間的一致性問題難以暴露出來，因此，論文用形式化的方法描述關(guān)鍵產(chǎn)品，提高了動態(tài)行為關(guān)鍵產(chǎn)品描述的準(zhǔn)確性、完備性、無二義性和易理解性；通過對作戰(zhàn)視圖的兩個關(guān)鍵產(chǎn)品作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變描述和作戰(zhàn)事件跟蹤描述中的各元素分別具體分析，建立相應(yīng)的一致性規(guī)則，并提出算法予以驗證。針對語義層次上的一致性驗證，其一致性規(guī)則的建立過程與語法層次的建立過程相似，但不能基于一致性規(guī)則利用算法進(jìn)行驗證；為此，論文將關(guān)鍵產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為一種中間產(chǎn)品，利用中間產(chǎn)品與對象Petri網(wǎng)模型建立關(guān)聯(lián)，最后利用對象Petri網(wǎng)進(jìn)行可執(zhí)行驗證。

與數(shù)據(jù)完備性驗證相似，現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)一致性驗證也是基于數(shù)據(jù)模型（CADM，DM2）建立驗證規(guī)則，因而也需要對更具通用性的數(shù)據(jù)一致性驗證理論和方法展開進(jìn)一步研究。此外，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)一致性驗證方法多是基于數(shù)據(jù)關(guān)系建立可達(dá)性矩陣，進(jìn)而利用圖論的方法進(jìn)行驗證，當(dāng)數(shù)據(jù)關(guān)系非常復(fù)雜從而造成可達(dá)性矩陣異常龐大時，利用圖論中尋找生成樹的方法來確認(rèn)不一致的類別所面臨的復(fù)雜度可能會呈指數(shù)級增長，對驗證的時效性會有較大的影響。

4 體系結(jié)構(gòu)邏輯合理性驗證

目前，邏輯合理性驗證的主要方法是喬治梅森大學(xué)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)實驗室提出的可執(zhí)行驗證法[14-15]，在實際驗證過程中，邏輯合理性驗證常與下一節(jié)即將介紹的效用評估一起進(jìn)行，這是因為邏輯合理性驗證方法的構(gòu)建過程可作為效用評估方法構(gòu)建的一部分。可執(zhí)行驗證法的基本思路是根據(jù)數(shù)據(jù)模型，將體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為某種可執(zhí)行模型，根據(jù)所建立的模型要求輸入相關(guān)信息，運(yùn)行可執(zhí)行模型，驗證行為是否按設(shè)計的方式執(zhí)行并達(dá)到設(shè)計的效果?？蓤?zhí)行驗證法的核心是可執(zhí)行模型的建立，下面將介紹幾種典型的可執(zhí)行模型的建立方法。

文獻(xiàn)[16]基于Statechart圖建立可執(zhí)行模型。Statechart圖是一種狀態(tài)遷移圖，能有效刻畫元素的狀態(tài)、遷移和動作。該文的主要思路為：首先，將體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的動態(tài)行為用Statechart圖描述，從而利用Statechart圖的特點(diǎn)追蹤作戰(zhàn)和系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移等動態(tài)行為在體系結(jié)構(gòu)運(yùn)行過程中的變化；在建立可執(zhí)行模型過程中，開發(fā)出腳本語言，以控制Statechart圖的狀態(tài)改變、遷移等過程的執(zhí)行，結(jié)合其他信息建立仿真環(huán)境。該方法能夠驗證體系結(jié)構(gòu)動態(tài)行為狀態(tài)的可達(dá)性，但不能對資源使用、時間耗費(fèi)等功能或性能進(jìn)行檢驗。

文獻(xiàn)[17]基于結(jié)構(gòu)化的方法建立可執(zhí)行模型。其方法可概括為：首先，將作戰(zhàn)活動模型與有色Petri網(wǎng)對應(yīng)起來，具體為將每個活動轉(zhuǎn)換為Petri網(wǎng)中的轉(zhuǎn)移，活動之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換為Petri網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)與位置的關(guān)系；其次，將數(shù)據(jù)模型與有色Petri網(wǎng)對應(yīng)起來，具體為根據(jù)數(shù)據(jù)模型中的信息設(shè)置Petri網(wǎng)中令牌的顏色，從而完成有色Petri網(wǎng)的構(gòu)建；最后，對有色Petri網(wǎng)進(jìn)行執(zhí)行，通過對結(jié)果的分析反映體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行情況。該方法能很好地描述體系結(jié)構(gòu)的狀態(tài)、轉(zhuǎn)移等特征，但無法描述相應(yīng)元素的時序特征，并且在轉(zhuǎn)換過程中，需要人工輸入部分信息，自動化程度需要提高。

文獻(xiàn)[18]基于對象Petri網(wǎng)建立可執(zhí)行模型。該文首先根據(jù)對象Petri網(wǎng)的特點(diǎn)以及建模過程，建立所需建模元素與體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品數(shù)據(jù)之間的關(guān)系；利用體系結(jié)構(gòu)描述構(gòu)建對象Petri網(wǎng)框架模型，進(jìn)而創(chuàng)建其類庫模型，根據(jù)不同類之間的關(guān)系確定類庫的輸入輸出端口；根據(jù)體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對各對象Petri網(wǎng)模型進(jìn)行細(xì)化，定義建模元素相關(guān)函數(shù)，添加相應(yīng)指標(biāo)后完成對象Petri網(wǎng)模型的構(gòu)建。

現(xiàn)有的邏輯合理性驗證多是基于可執(zhí)行模型進(jìn)行驗證，因此，相關(guān)研究關(guān)注的焦點(diǎn)在于構(gòu)建不同的可執(zhí)行模型。由于可執(zhí)行模型的建立必然涉及到體系結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，例如，將體系結(jié)構(gòu)與Petri網(wǎng)相對應(yīng)，在轉(zhuǎn)換過程中必然會造成信息的損失，而現(xiàn)有研究中對可執(zhí)行模型建立過程對原有體系結(jié)構(gòu)的影響并沒有進(jìn)行深入的理論研究，使得該方法仍需進(jìn)一步完善。

5 體系結(jié)構(gòu)效用評估

5.1 性能驗證評估

文獻(xiàn)[19]研究了體系結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)合理性和作戰(zhàn)規(guī)則合理性驗證方法。針對體系結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)合理性驗證，論文借鑒軟件工程領(lǐng)域的研究成果，提出了利用耦合度、內(nèi)聚度和復(fù)雜度三種指標(biāo)的加權(quán)來驗證結(jié)構(gòu)的合理性，以“高內(nèi)聚度、低耦合度、低復(fù)雜度”作為合理性原則。其中，耦合度反映了系統(tǒng)模塊之間通過連接而建立的聯(lián)系強(qiáng)度，可通過數(shù)據(jù)交換關(guān)系的描述計算得到信道占有率，并以此度量耦合度；內(nèi)聚度反映了一個系統(tǒng)的內(nèi)部各成分聯(lián)系的緊密程度，以子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流關(guān)系來度量；復(fù)雜度反映了系統(tǒng)分解的復(fù)雜程度以及各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)流的復(fù)雜程度，以部分核心要素的數(shù)量和層次來度量。在獲得三個指標(biāo)度量值后，進(jìn)行歸一化處理，并加權(quán)以獲得結(jié)構(gòu)合理性的度量。針對體系結(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)規(guī)則合理性驗證，論文提出利用基于可執(zhí)行模型的仿真方法進(jìn)行驗證。驗證過程主要為：首先，對作戰(zhàn)規(guī)則所包含的各模型進(jìn)行分析，建立合適的轉(zhuǎn)換規(guī)則并將其轉(zhuǎn)換為基于對象Petri網(wǎng)的可執(zhí)行模型；隨后，建立仿真模型，并設(shè)定不同場景和不同參數(shù)作為仿真模型的輸入，然后多次運(yùn)行該模型并對結(jié)果進(jìn)行分析以完成驗證。

Popkin公司的System Architect[20]基于過程模型，對DoD體系結(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)視圖進(jìn)行執(zhí)行，能較好地驗證作戰(zhàn)概念。該方法以過程為中心，通過模擬實際運(yùn)行場景對過程執(zhí)行，實現(xiàn)對作戰(zhàn)視圖的驗證。在其實際運(yùn)行場景的模擬中，將可用資源以及相應(yīng)任務(wù)分配給角色，明確角色的權(quán)利和職責(zé)，進(jìn)而描述過程相關(guān)的執(zhí)行時間，根據(jù)角色和時間制定觸發(fā)事件觸發(fā)作戰(zhàn)活動等的執(zhí)行。該方法對作戰(zhàn)流程進(jìn)行了很好的描述，并能夠?qū)Y源進(jìn)行分析，獲取其使用情況，但只能對作戰(zhàn)視圖進(jìn)行執(zhí)行，而無法對整個體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估。

文獻(xiàn)[21]基于xUML語言，對系統(tǒng)功能建模，對系統(tǒng)需求進(jìn)行驗證。該方法主要利用了xUML語言的性質(zhì)，xUML是UML語言的擴(kuò)展，對狀態(tài)轉(zhuǎn)換等方面功能進(jìn)行了增強(qiáng)，能夠更加準(zhǔn)確地描述體系結(jié)構(gòu)的靜態(tài)行為；xUML采用行為描述語言對體系結(jié)構(gòu)的動態(tài)行為進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。該方法的主要驗證過程為：通過對xUML圖形描述種類的改進(jìn)，如包圖、活動圖等，建立相應(yīng)的可執(zhí)行模型；基于已建立的可執(zhí)行模型，利用xUML中狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的三種效果驗證行為完整性，通過對用例的單元測試和系統(tǒng)測試驗證行為正確性，利用狀態(tài)轉(zhuǎn)換中的各種格局驗證行為可行性，最后利用仿真的方法完成性能驗證。該方法利用了xUML的特點(diǎn)而不依賴于具體實現(xiàn)技術(shù)和軟件環(huán)境，但是缺乏和作戰(zhàn)視圖的一致性聯(lián)系，無法從整體上來評估體系結(jié)構(gòu)。

MITRE公司提出了可執(zhí)行體系結(jié)構(gòu)分析法[22]，利用混合仿真技術(shù)驗證體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量。該方法將體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行的形式，利用仿真工具對系統(tǒng)行為進(jìn)行分析，在這一過程中，體系結(jié)構(gòu)的主要產(chǎn)品之間被有效地串連起來，從而可以形成一個統(tǒng)一的執(zhí)行體。其技術(shù)實現(xiàn)過程非常復(fù)雜，需要借助多個模型，具體過程（見圖2）可簡述為：首先，提取系統(tǒng)架構(gòu)開發(fā)軟件System Architect所得到的體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，將其輸入ICAMS中；然后，在ICAMS中對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生基于Petri網(wǎng)的過程模型，并由此建立可執(zhí)行模型；再次，通過HLA將通信仿真軟件NS2、流程仿真軟件Bonapart與作戰(zhàn)仿真軟件Eagle關(guān)聯(lián)起來；最后，利用三個軟件之間的交互，完成作戰(zhàn)觸發(fā)、信息交換、結(jié)果處理等過程，從而完成作戰(zhàn)過程的執(zhí)行，對時間耗費(fèi)情況、資源利用情況等性能指標(biāo)進(jìn)行驗證。但該方法涉及三種轉(zhuǎn)換，過程復(fù)雜，合理性難以得到保證，且容易導(dǎo)致信息的失真和偏差。

5.2 效能驗證評估

文獻(xiàn)[23]提出了應(yīng)用于軍事C3I系統(tǒng)的效能分析方法，開啟了系統(tǒng)效能分析在軍事信息系統(tǒng)中的應(yīng)用。系統(tǒng)效能分析方法考慮到了不確定因素的影響，借助概率論相關(guān)知識，利用系統(tǒng)完成任務(wù)的可能性對系統(tǒng)效能進(jìn)行度量。其分析過程為：首先，確定一個公共屬性空間，分別將系統(tǒng)軌跡和任務(wù)軌跡映射到該空間中，從而能夠在同一空間中度量系統(tǒng)完成任務(wù)的概率；然后，對系統(tǒng)可能的運(yùn)行環(huán)境和參數(shù)進(jìn)行分析，描述出系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)等對性能的影響，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)參數(shù)的范圍形成系統(tǒng)軌跡，可用類似的方法形成任務(wù)軌跡；最后，在該公共屬性空間中，根據(jù)系統(tǒng)軌跡和任務(wù)軌跡計算出系統(tǒng)完成任務(wù)的概率，對系統(tǒng)效能進(jìn)行度量。該方法的難點(diǎn)在于公共屬性空間的形成，此外，系統(tǒng)軌跡和任務(wù)軌跡的形成也是非線性的，較難獲得。

文獻(xiàn)[24]利用指數(shù)法，研究了基于DoDAF的系統(tǒng)效能評估問題。指數(shù)法首先面臨的是指標(biāo)的選擇，通常需要專家確定各指標(biāo)；其次，需要按照一定的方法將指標(biāo)無量綱化，以使指標(biāo)之間相互比較和綜合，指標(biāo)權(quán)重通常依靠專家打分等方法來確定；最后在相關(guān)背景下對指標(biāo)分別求取，根據(jù)指標(biāo)權(quán)重綜合得出評估數(shù)值。該文采用有向無環(huán)圖、邏輯門聚合、歸正函數(shù)等理論，提出了不同領(lǐng)域指標(biāo)體系建模的通用指標(biāo)體系模型；在確定指標(biāo)權(quán)重時，為減少由專家主觀因素所帶來的評估誤差而引入了粒子群理論；最后結(jié)合通用指標(biāo)體系模型，使用層次分析法進(jìn)行評估。

5.3 綜合評估

文獻(xiàn)[25]研究了ATAM法在C4ISR系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)評價中的應(yīng)用，對性能、可靠性等質(zhì)量屬性進(jìn)行了分析。ATAM法（Architecture Tradeoff Analysis Method），即體系結(jié)構(gòu)折衷分析法，是由美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)軟件工程研究所首先提出的。該方法的主要思路是利用場景將質(zhì)量屬性具體化、實例化，對每個質(zhì)量屬性建立模型，通過分析發(fā)現(xiàn)敏感點(diǎn)（即與某個質(zhì)量屬性的變化密切相關(guān)的體系結(jié)構(gòu)參數(shù)，其微小變化會對該質(zhì)量屬性造成重要的影響），進(jìn)而找出多個質(zhì)量屬性共同的敏感點(diǎn)，即折衷點(diǎn)，最后對折衷點(diǎn)是否滿足需求進(jìn)行判斷，改進(jìn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。論文具體闡明了系統(tǒng)描述、場景搜集、體系結(jié)構(gòu)描述、質(zhì)量屬性分析等過程，給出了ATAM法應(yīng)用到C4ISR系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)評價中的例子。

在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，現(xiàn)有的效用評估方法主要采用基于可執(zhí)行模型的仿真方法，更側(cè)重于性能方面的評估，而效能評估和綜合評估更多的是處于體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建之后對應(yīng)用系統(tǒng)的驗證?？傮w來說，對體系結(jié)構(gòu)效用評估方法的研究仍然比較薄弱，對不同體系結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)品進(jìn)行比較的理論和方法仍需要進(jìn)一步深入的研究。

6 結(jié)語

體系結(jié)構(gòu)驗證從不同角度對體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量進(jìn)行了檢驗，以確保體系結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足需求，是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量的重要保障。伴隨著新技術(shù)的發(fā)展以及新形勢的變化，信息系統(tǒng)的設(shè)計日益復(fù)雜，如何有效保障體系結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量成為體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的關(guān)鍵。但是由于軍事信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，相關(guān)研究時間較短，對于體系結(jié)構(gòu)驗證方法的研究還遠(yuǎn)未成熟，特別是在實際應(yīng)用中，尚缺乏真正有效、易用的驗證工具。目前關(guān)于體系結(jié)構(gòu)驗證方法已有成果的介紹大多類似，本文在文獻(xiàn)基礎(chǔ)上結(jié)合其他成果對體系結(jié)構(gòu)驗證方法進(jìn)行了系統(tǒng)的整理、總結(jié)，提出了數(shù)據(jù)完備性、數(shù)據(jù)一致性、邏輯合理性以及效用評估的層級結(jié)構(gòu)，以期為相關(guān)研究工作提供理論支撐。

對于現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)驗證方法，本文進(jìn)行了以下四個方面的總結(jié)和思考：

1）數(shù)據(jù)完備性和數(shù)據(jù)一致性驗證主要是基于數(shù)據(jù)模型（如CADM、DM2），建立驗證規(guī)則進(jìn)行驗證。這就要求被驗證的體系結(jié)構(gòu)需采用相同的數(shù)據(jù)模型，因而在實際應(yīng)用中存在一定的難度。

2）邏輯合理性驗證方法主要是可執(zhí)行驗證法，基于不同的理論（如結(jié)構(gòu)化、Statechart圖、對象Petri網(wǎng)等）提出相應(yīng)的可執(zhí)行模型。但由于該方法涉及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的過程中必然會造成損耗，使得可執(zhí)行方法不能完全真實地反映體系結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，應(yīng)該思考如何對這種影響進(jìn)行度量。

3）效用評估方法主要是基于可執(zhí)行模型的仿真方法，在建立各種可執(zhí)行模型的基礎(chǔ)上提出各種假定，然后建立仿真模型進(jìn)行驗證。此外，在可執(zhí)行模型建立后可進(jìn)行邏輯合理性驗證，在仿真模型建立后可應(yīng)用其他傳統(tǒng)的效能評估方法。但現(xiàn)有的效用評估方法仍然無法很好地進(jìn)行不同體系結(jié)構(gòu)優(yōu)劣性的比較，需要進(jìn)一步研究。

4）現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)驗證方法仍然是從“系統(tǒng)”的角度思考“體系結(jié)構(gòu)”問題，然而現(xiàn)今軍事信息系統(tǒng)已更多地發(fā)展為相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，成為“系統(tǒng)的系統(tǒng)”，即“體系”[24]，與傳統(tǒng)的“系統(tǒng)”有本質(zhì)的區(qū)別。其中，一個重要的區(qū)別是“體系”具有“突現(xiàn)性”，即組成系統(tǒng)在演進(jìn)過程中可能突然出現(xiàn)未預(yù)料到的性質(zhì)（類似于基因突變）。因此，體系結(jié)構(gòu)驗證應(yīng)該考慮體系結(jié)構(gòu)的演進(jìn)過程以及可能出現(xiàn)的“突現(xiàn)性”，如何對“突現(xiàn)性”進(jìn)行某種意義下的預(yù)測和度量是未來體系結(jié)構(gòu)驗證的一個重要的、極具挑戰(zhàn)性的研究問題。

[1] C4ISR Architecture Working Group. C4ISR Architecture Framework Version 2.0 [R]. U. S.: Department of Defense, 1997.

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Research on Verification Methods for the Architectures of Military Information Systems

Kong Ruiyuan, Xiao Taoshun, Shen Yanli

(China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China)

Verification of the architecture is the process of quality check of design to ensure that the design satisfies the system requirements. With the developments of new technologies and changes of new situations, design of military information systems becomes more complex, and the quality guarantee of their design gets to be a crucial factor. Thus, verification of the architecture has become more and more important. However, the related researches were few and scattered in present, and there’s no integrated system. Based on the contents of the verification of architecture, a hierarchical structure has been proposed in this paper, including data completeness, data consistency, logic rationality and effectiveness evaluation of the architecture, and the relevant summaries are demonstrated according to this structure.

verification of the architecture; data completeness; data consistency; logic rationality; effectiveness evaluation

10.3724/SP.J.1224.2016.00605

TP302

A

1674-4969(2016)06-0605-09

2016-07-09;

2016-07-25

孔瑞遠(yuǎn)（1987-），男，博士，工程師，研究方向為體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。E-mail: xyzkong@126.com肖桃順（1982-），男，碩士，工程師，研究方向為體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。沈艷麗（1977-），女，本科，高級工程師，研究方向為體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。