專利名稱：大規(guī)模復雜系統(tǒng)的能力需求分析方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能力需求分析方法，尤其是涉及一種大規(guī)模復雜系統(tǒng)的需求獲
取、分析與驗證的方法與技術。
背景技術：
大規(guī)模復雜系統(tǒng)的研制往往涉及較長周期的應用開發(fā)和系統(tǒng)集成，比如軍事電子 信息系統(tǒng)(外軍稱為指揮與控制、通信與計算、情報、偵察與監(jiān)視系統(tǒng)，英文縮寫為C4ISR 系統(tǒng))是一種集成了無線和有線等通信網構成的大規(guī)模分布式復雜系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的每個 網絡節(jié)點都是一個人機交互系統(tǒng)，從技術角度看整個系統(tǒng)就是以軟件為核心的信息處理系 統(tǒng)，因此這類系統(tǒng)的研制必須通過完善的頂層分析和設計的方法和技術，才能實現各分系 統(tǒng)(子系統(tǒng))的互操作，避免"煙囪式系統(tǒng)"的現象。目前，國際上流行的方法是引入體系結 構框架標準，統(tǒng)一需求設計的過程和產品，如美軍的《國防部體系結構框架(DoD AFl.O)》、 英軍的《國防部體系結構框架(MOD AF1.0)》等。 但是，如何有效獲取這類復雜系統(tǒng)的需求仍然是一個難題，其主要問題是，客戶 (使用方和管理方)關心的是信息系統(tǒng)能否提高武器裝備系統(tǒng)的能力(功能和效能)，能否 幫助他們完成使命任務，提出準確、細致的系統(tǒng)需求，而開發(fā)商由于缺乏部隊經驗，對系統(tǒng) 的應用背景了解甚少，難以真正理解和把握項目需求的目標，時常出現系統(tǒng)研制偏離應用 需求。目前，西方發(fā)達國家普遍認為，這類系統(tǒng)的策劃和研制必須與部隊的使命任務緊密聯 系，從充分發(fā)揮武器裝備的功能和效能、提高部隊作戰(zhàn)能力出發(fā)，才能獲得滿足用戶需要的 需求。

發(fā)明內容
為了克服現有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種突破傳統(tǒng)、且能有效規(guī)范 和方便了大規(guī)模復雜系統(tǒng)的總體分析和一體化設計的大規(guī)模復雜系統(tǒng)的能力需求分析方 法。 本發(fā)明是通過以下技術方案來實現的 —種大規(guī)模復雜系統(tǒng)的能力需求分析方法，包括以下步驟
(1)建立領域知識和領域概念框架 根據大規(guī)模復雜系統(tǒng)的體系結構框架及相關領域的應用術語，建立領域知識，所
述的領域知識是一種通用概念，是對大規(guī)模復雜系統(tǒng)體系結構框架中各種抽象概念的具體
說明，通過重點分析知識的內涵和外延，并以圖形方式展現知識的結構，而所述的領域概念
框架指的是大規(guī)模復雜系統(tǒng)應用領域內通用概念之間的關系及語義約束，領域專家通過對
領域知識建模形成領域概念框架； (2)獲取能力需求 大規(guī)模復雜系統(tǒng)采取領域知識引導獲取能力需求的方法，該方法從系統(tǒng)的使命任 務出發(fā)，分析使命任務所需完成的目標、實現目標的任務場景以及開展的活動方式，最終從活動中獲取復雜系統(tǒng)的能力需求，即從領域概念框架出發(fā)，進行自上而下分析，對已有的抽 象的領域概念逐步具體化，直至形成完整的用戶需求規(guī)約，初始的領域概念由領域專家給 定，并且在工程中不斷完善，而系統(tǒng)用戶在領域概念框架引導下理解領域概念，并根據自己 的應用需要對每個概念的相關細節(jié)進行具體說明，進而產生能力需求概念模型。
(3)驗證能力需求 所述的驗證用戶需求即全面檢驗第步驟(2)中產生的能力需求是否滿足領域概 念框架的語義約束，是否存在與領域概念及其邏輯關系相矛盾的錯誤，如果驗證通過就可 以進行下一步驟，如果不通過，則返回步驟(2)重新進行需求獲取，或者返回步驟(1)完善 領域概念框架后再獲取能力需求；
(4)生成解決方案 從能力需求模型中構造符合體系結構框架標準的視圖產品，進而實現大規(guī)模復雜 系統(tǒng)從需求分析到概念設計的無縫銜接。 步驟(2)所述的能力需求概念包括元概念層、領域特定概念層和應用概念層，其 中元概念層為頂層概念，屬于定于領域特定概念的基本概念，領域特定概念層的領域特定 概念為特定領域中約定俗成的抽象概念，而應用概念層的應用概念則為領域特定概念定義 和約束的用于描述某個具體應用的概念。 本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明所述的方法有效規(guī)范和方便了大規(guī)模復雜系統(tǒng)的總 體分析和一體化設計，在理論方法體系上，突破了傳統(tǒng)的軟件需求的概念，是新一代大規(guī)模 復雜系統(tǒng)集成分析與設計的重要支撐手段。


圖1為本發(fā)明一實施例的流程圖； 圖2為本發(fā)明所述的領域概念框架的抽象層次示意圖； 圖3為本發(fā)明所述的能力概念的元概念框架示意圖； 圖4為本發(fā)明一實施例的聯合火力打擊的領域概念模型示意圖； 圖5為本發(fā)明所述的能力需求分析框架示意圖； 圖6為本發(fā)明一實施例的"縱深打擊"使命任務的應用模型示意圖； 圖7為本發(fā)明所述的概念的一致性檢驗原理示意圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖，詳細說明本發(fā)明的
具體實施例方式
1、總體實現方案 本發(fā)明提出了一種新的需求獲取過程方法——基于領域知識復用的能力需求獲 取過程，實現以問巻引導的需求獲取與建模方式，支持領域知識在需求過程中不斷積累和 復用，并利用領域知識檢驗需求的一致性和完整性，分析論證需求的可行性。
圖1為本發(fā)明一實施例的流程圖。 如圖1所示，上述過程由建立領域知識和領域概念框架、獲取能力需求、驗證能力
需求三個核心子過程的循環(huán)迭代和一個解決方案生成的子過程收尾組成。
圖2為本發(fā)明所述的領域概念框架的抽象層次示意圖。
為了實現引導式需求獲取，本發(fā)明采用三層概念抽象構成一個完整的能力需求概 念，如圖2所示能力需求概念分為三個抽象層次元概念、領域特定概念(或領域概念) 和應用概念，其中元概念屬于頂層概念，是用于定義領域特定概念的基本概念，如"使命"、 "任務"、"能力"等，領域特定概念是某個特定領域中約定俗成的抽象概念，如"機動作戰(zhàn)能 力"(來源于元概念本體中的"能力")，而應用概念則是用領域特定概念定義或語義約束的 用于描述某個具體應用的概念，如由"機動作戰(zhàn)能力"導出的具體概念"裝甲車作戰(zhàn)"。
2、具體實現步驟 (1)領域知識及領域概念框架的建立 圖3為本發(fā)明所述的能力概念的元概念框架示意圖；圖4為本發(fā)明一實施例的聯 合火力打擊的領域概念模型示意圖。 根據軍事電子信息系統(tǒng)體系結構框架及相關軍事應用術語，本發(fā)明定義了能力、 使命、任務、目標、節(jié)點、實體、活動、信息等概念，并建立元概念層框架，如圖3所示根據三 層概念抽象結構，將由領域專家在元概念的約束下，構建領域概念框架，域概念實際上就是 元概念的實例化，如圖4所示針對一個假設的聯合火力打擊行動，建立了聯合火力打擊的 領域概念模型，圖4反映了其中部分概念模型，參與該行動的我方包括空軍和陸軍。另外， 需求分析主要關注的是我方的"機動"、"情報"和"打擊"三個能力需求，領域專家通過這三 個類，定義了六個實例，表示六種不同的具體能力，并賦予系統(tǒng)中四種作戰(zhàn)資源(轟炸機、 偵察機、火箭炮和步兵營)，此外，專家還定義了我方參戰(zhàn)的指揮節(jié)點(指揮部、空軍部隊、 空中偵察部隊、炮兵部隊和步兵部隊)以及它們與作戰(zhàn)資源之間的指揮通信關系。
(2)能力需求獲取 圖5為本發(fā)明所述的能力需求分析框架示意圖；圖6為本發(fā)明一實施例的"縱深 打擊"使命任務的應用模型示意圖。 本發(fā)明在理論上采取領域知識引導獲取應用需求的方法，該方法從系統(tǒng)的使命任
務入手，分析使命任務所需完成的目標、實現目標的任務場景以及開展的活動方式，最終從 活動中獲取復雜系統(tǒng)的能力需求，具體實施分為四個步驟，如圖5所示 第一步使命和任務分析的目的就是從用戶業(yè)務角度出發(fā)，描述和分析待建系統(tǒng) 應解決的根本問題，它是需求問題的根本點和出發(fā)點，而使命和任務分析關鍵則在于分析 業(yè)務目標和系統(tǒng)建設的目標，沿著任務目標線條對能力需求進行自上向下的分析，并在此 過程中建立一個初步的能力需求的目標模型。 上述的使命和任務的概念來源于業(yè)務規(guī)劃，而對于軍事電子信息系統(tǒng)來說，它主 要來源于作戰(zhàn)條令、條例、規(guī)定以及相關的戰(zhàn)略研究，它是體系結構設計的基本術語。
①使命和任務分析的主要工作是圍繞使命、任務和目標要素進行分析，盡可能誘 導出一些能力需求，具體步驟如下將使命分解為任務，將抽象概念的任務分解為具體的任 務，任務之間滿足高內聚、低耦合的模塊化原則，如果在將一個任務分解為兩個任務時，發(fā) 現它們之間存在較多的聯系(如執(zhí)行任務的主體相同、能力需求相同、資源條件約束相同 等)，則不應將其分解，應把它看作一個原子任務。 ②從業(yè)務總體目標出發(fā)，將每個目標細分為子目標，這樣就構成了一個目標分析 樹，其中，細分有兩種方式，"與"分解和"或"分解，前者指父目標分解后的每個子目標對實 現父目標有一定的貢獻，所有子目標全部實現后父目標方可完全實現，后者指只要實現其
5中任何一個子目標則父目標即可達成，也就是說，前者分解所得到的是局部目標，后者得到 的是實現目標的不同實現方案。 ③找出目標之間的沖突關系，以提醒分析或設計人員解決，或在今后的設計中加 以注意，該工作可以先人工標出沖突關系，通過建模工具對目標模型進行初步的完整性檢 驗，找出上層目標之間可能存在的問題(沖突)，沖突的解決方式一般有兩種①去掉其中 的某個目標，以消除沖突；②標記并保留這種沖突。 第二步活動分析，它是在理解使命和任務的基礎上，對完成使命任務的活動流 程和狀態(tài)變化進行深入分析，描述節(jié)點的資源約束以及節(jié)點之間信息交換對活動開展的影 響，為獲得能力需求的相關要素信息奠定基礎，獲取的能力需求的細致程度和準確程度關 鍵取決于本步驟。 活動描述關注的是活動由粗到細的分解結構、展開的順序以及每個環(huán)節(jié)的輸入 輸出，其方法是先對上述的每個活動進行分解，得到不再分解的原子活動，由此得到一個活 動分解樹，然后在每一層分解中描述活動順序以及輸入輸出。 狀態(tài)描述關注的是活動隨事件流展開的運行機理，其方法是首先分析事件流，然 后分析活動開展的狀態(tài)，并指出隨事件發(fā)生的狀態(tài)變遷，狀態(tài)可以看作是一種特殊的活動。
在活動模型建立(分析)過程中，注意分析每個活動的能力需求，特別是對能力的 功能和測度屬性的要求，同時需要分析需要那些角色參與，受到那些物理資源的約束，在此 過程中可能需要定義新的能力概念或實體概念，如果這些概念沒有在上述步驟中定義過， 因此在建立活動模型時可以修正以上兩個步驟產生的模型，使之與活動的開展相吻合。
由于建立活動模型需要一定建模背景知識，因此該步驟通常是用戶在技術人員的 幫助下完成。 第三步作戰(zhàn)節(jié)點/實體分析分析每個節(jié)點中應該包含的角色、組織資源和物理 資源，建立較為完整的實體概念模型，模型至少能夠全面反映機構類角色的指揮關系以及 系統(tǒng)角色的構成，指揮關系取決于用戶的管理體制，系統(tǒng)構成反映了現存的系統(tǒng)或者用戶 對未來系統(tǒng)支持的期望。 有了目標及作戰(zhàn)節(jié)點后，可以建立目標分配模型，方法為將目標模型的底層目標 進行責任分解，分析所有與實現作戰(zhàn)目標相關的作戰(zhàn)節(jié)點后，即可利用節(jié)點間的關系建立 目標分配模型。 目標分配給作戰(zhàn)節(jié)點后，目標的執(zhí)行依賴于作戰(zhàn)節(jié)點的能力，從而為能力分析奠 定基石出。
第四步能力分析，通過以上分析和模型建立，已經得到了一些能力概念的基本定 義，這里我們可以著手建立或完善能力概念模型，步驟如下
①識別能力及其相互關系； ②分析能力內涵，包括功能屬性分析、測度屬性分析和演化屬性分析； ③分析能力外延，包括能力資源配置分析、能力對任務支持分析等。 通過上述四個步驟，可以有效地獲得用戶應用需求模型，該模型中的概念應該是
領域概念的具體實例化，按照上述步驟，可以建立如圖6所示的"縱深打擊"使命任務應用
模型，該應用模型是在"聯合火力打擊的領域概念模型(圖4)"的引導下生成的。
(3)驗證用戶需求
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圖7為本發(fā)明所述的概念的一致性檢驗原理示意圖。 上述步驟中獲取的大規(guī)模復雜系統(tǒng)的能力需求內部可能會存在語義上的沖突和 矛盾，同時在語義層面上還極有可能存在違反待建系統(tǒng)所屬領域內部知識或規(guī)則的一致性 問題，因此，本發(fā)明采用描述邏輯描述能力需求模型，并借助描述邏輯提供的自動一致性推 理引擎，發(fā)現能力需求中存在的各種一致性問題，從而保證系統(tǒng)需求的一致性、合理性和完 整性，為下一步的系統(tǒng)軟件的開發(fā)與維護奠定良好的基礎。 具體實現方法是在進行領域概念模型的推理和驗證時，將元模型轉換為描述邏 輯TBox中的公理集合，將領域模型轉換為描述邏輯ABox中的事實斷言的集合，使領域模型 轉換為領域本體，同時，在領域模型一致性檢驗規(guī)則或合理性檢查規(guī)則的約束下，借助描述 邏輯提供的自動推理引擎的邏輯推理功能，實現領域模型的自動推理和驗證；在進行應用 模型的推理和驗證時，將已經通過驗證的領域模型轉換為描述邏輯TBox中的公理集合，將 應用模型轉換為描述邏輯ABox中的事實斷言的集合，獲得應用本體，同時，在應用模型一 致性檢驗規(guī)則的約束下，借助自動推理引擎的邏輯推理功能，實現應用模型的邏輯推理和 驗證，一致性檢驗過程如圖7所示。 例如，假設我們想修改圖6所示的模型，在資源之間增加一些聯絡關系KA1F1， B1F1)， (M2B2，B1F1)， (M1B1，B1F1)， (M2B2，A1F2)} G火力協(xié)同(w)，以表示在執(zhí)行任務中某 些作戰(zhàn)實體可以直接請求其它作戰(zhàn)實體的火力支援，然而，在模型驗證中就會發(fā)現某些聯 絡關系違反了領域特定約束規(guī)則，它們是(A1F1，B1F1)、(M1B1，B1F1)和(M2B2，A1F2)，因為 這些資源所屬的指揮節(jié)點之間缺少火力協(xié)同關系，即KA1，B1)， (M1，B1)， (M2，A1M G火力 協(xié)同(w)。(4)解決方案生成 由于頂層分析與設計通常采用一種系統(tǒng)工程方法就是體系結構框架方法，其中有 代表性的就是美國DoD AF和英國M0D AF，所以能力需求解決方案主要采用體系結構框架方 法，具體說就是采用DoD AF描述方法，主要使用OV視圖產品，在能力元模型中，包含了描述 體系結構的相關信息，通過提取這些信息可以生成相關的體系結構視圖，具體的說就是生 成以下視圖產品 ①0V-2作戰(zhàn)節(jié)點連接性描述，作戰(zhàn)節(jié)點連接性描述主要是描述作戰(zhàn)節(jié)點間信息 交互關系，在作戰(zhàn)實體/節(jié)點分析中，可以得出作戰(zhàn)節(jié)點連接性描述，從而生成該視圖產品 (0V-2)。 ②0V-3作戰(zhàn)信息交換矩陣，在作戰(zhàn)實體/節(jié)點分析中，可以得出各作戰(zhàn)實體/節(jié) 點的連結關系，從而生成信息交換矩陣(0V-3)。 ③0V-4組織關系圖，在作戰(zhàn)實體/節(jié)點分析中，可以得到系統(tǒng)的指揮關系，例 如作戰(zhàn)節(jié)點關系模型中作戰(zhàn)節(jié)點分為三類，H咖an， D印artment和System,都有層次關系 SubClassOf，具體到系統(tǒng)為SubSystemOf，機構為SubD印artmentOf ，機構之間還可以定義 它們的上下級關系SuperiordD印artment禾P SubordinateD印artment，在機構禾P人員之間 還有包含關系HavingMumber，建立模型時重點描述機構以及人員之間各種關系，比如機構 之間的隸屬關系，人員與機構之間的隸屬關系，人員與機構或者人員之間的指揮或領導關 系等。所以可以生成組織關系圖(0V-4)。 ④0V-5活動模型，作戰(zhàn)活動分析以過程和活動為中心，建立了與相關概念的關聯，條件和約束施加于作戰(zhàn)過程之上，由于過程由多個活動組成，因此形成了間接的約束關 系，在描述各個作戰(zhàn)活動時，將相關的作戰(zhàn)節(jié)點，資源，結果與事件顯示地與活動關聯起來， 這樣就生成了活動模型(0V-5)。 除了 OV視圖外，根據能力需求模型，還能生成SV視圖的部分產品。
⑤SV-1系統(tǒng)接口描述 因為作戰(zhàn)節(jié)點可以是Human, D印artment或者System,所以結合作戰(zhàn)節(jié)點及作戰(zhàn) 信息，可以生成SV-1系統(tǒng)接口描述。 ⑥SV-5作戰(zhàn)活動與系統(tǒng)功能跟蹤能力矩陣，實際上在能力需求元模型中，準確的 定義了能力和活動之間的關系，通過這種關系，我們可以生成作戰(zhàn)活動與系統(tǒng)功能跟蹤能 力矩陣(SV-5)。 以上已以較佳實施例公開了本發(fā)明，然其并非用以限制本發(fā)明，凡采用等同替換 或者等效變換方式所獲得的技術方案，均落在本發(fā)明的保護范圍之內。
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權利要求
一種大規(guī)模復雜系統(tǒng)的能力需求分析方法，包括以下步驟(1)建立領域知識和領域概念框架根據大規(guī)模復雜系統(tǒng)的體系結構框架及相關領域的應用術語，建立領域知識，所述的領域知識是一種通用概念，是對大規(guī)模復雜系統(tǒng)體系結構框架中各種抽象概念的具體說明，通過重點分析知識的內涵和外延，并以圖形方式展現知識的結構，而所述的領域概念框架指的是大規(guī)模復雜系統(tǒng)應用領域內通用概念之間的關系及語義約束，領域專家通過對領域知識建模形成領域概念框架；(2)獲取能力需求大規(guī)模復雜系統(tǒng)采取領域知識引導獲取能力需求的方法，該方法從系統(tǒng)的使命任務出發(fā)，分析使命任務所需完成的目標、實現目標的任務場景以及開展的活動方式，最終從活動中獲取復雜系統(tǒng)的能力需求，即從領域概念框架出發(fā)，進行自上而下分析，對已有的抽象的領域概念逐步具體化，直至形成完整的用戶需求規(guī)約，初始的領域概念由領域專家給定，并且在工程中不斷完善，而系統(tǒng)用戶在領域概念框架引導下理解領域概念，并根據自己的應用需要對每個概念的相關細節(jié)進行具體說明，進而產生能力需求概念模型。(3)驗證能力需求所述的驗證用戶需求即全面檢驗第步驟(2)中產生的能力需求是否滿足領域概念框架的語義約束，是否存在與領域概念及其邏輯關系相矛盾的錯誤，如果驗證通過就可以進行下一步驟，如果不通過，則返回步驟(2)重新進行需求獲取，或者返回步驟(1)完善領域概念框架后再獲取能力需求；(4)生成解決方案從能力需求模型中構造符合體系結構框架標準的視圖產品，進而實現大規(guī)模復雜系統(tǒng)從需求分析到概念設計的無縫銜接。
2. 根據權利要求l所述的大規(guī)模復雜系統(tǒng)的能力需求分析方法，其特征在于步驟(2) 所述的領域概念框架包括元概念層、領域特定概念層和應用概念層，其中元概念層為頂層 概念，屬于定于領域特定概念的基本概念，領域特定概念層的領域特定概念為特定領域中 約定俗成的抽象概念，而應用概念層的應用概念則為領域特定概念定義和約束的用于描述 某個具體應用的概念。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大規(guī)模復雜系統(tǒng)的能力需求分析方法，該方法包括以下步驟建立領域知識和領域概念框架、獲取用戶需求、驗證能力需求和解決方案生成，即通過建立領域知識和領域概念框架、獲取用戶需求、驗證能力需求三個核心子過程的循環(huán)迭代和一個解決方案生成子過程收尾組成。本發(fā)明所述的方法有效規(guī)范和方便了大規(guī)模復雜系統(tǒng)的總體分析和一體化設計，在理論方法體系上，突破了傳統(tǒng)的軟件需求的概念，是新一代大規(guī)模復雜系統(tǒng)集成分析與設計的重要支撐手段。
文檔編號G06Q10/00GK101702214SQ20091021306
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月10日 優(yōu)先權日2009年11月10日
發(fā)明者劉曉明, 王智學, 王聰, 董慶超, 陸建江, 陳劍 申請人:王智學