程大章

(同濟大學)

1 頂層設計的由來

2010年10月起，中國突然出現(xiàn)了大量關于頂層設計的各種討論，把原本在系統(tǒng)工程領域的理念與方法，廣泛用于社會與政治的改革。這是因為在中國共產黨十七屆五中全會通過的《中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃的建議》中表述了“重視改革頂層設計和總體規(guī)劃”。之后，中央經(jīng)濟工作會議更明確提出了加強改革頂層設計，在重點領域和關鍵環(huán)節(jié)取得突破。“頂層設計”指向宏觀的改革，如政治體制改革、經(jīng)濟體制改革、文化體制改革、社會體制改革。而在比較短的時期內形成新的體制，需要在頂層進行一個框架性的設計，從國有企業(yè)、財政體制、金融體質、匯率形成機制、法制基礎上的市場體系等問題上全面推進改革。

頂層設計是一種從宏觀的角度對所涉對象的設計思想、設計目標、設計環(huán)境、設計流程、設計內容、設計方法及設計成果的質量檢驗進行全面的和系統(tǒng)的規(guī)劃。這一方法具有科學的、清晰的思路，呈現(xiàn)了全面性和系統(tǒng)性，能有效地指導與推進社會、經(jīng)濟、工程等各項工作。

智慧城市的本質是一場社會體制的改革，就支撐其的信息應用系統(tǒng)而言，整體的規(guī)劃必須進行頂層設計，才能夠有效、可持續(xù)地得到發(fā)展。智慧城市的規(guī)劃可應用各種技術與方法，其中較為有效的是企業(yè)架構（Enterprise Arch）和體系結構（Architecture）。美國聯(lián)邦政府利用EA的方法論開發(fā)了一個聯(lián)邦政府頂層設計的架構，為它的電子政務建設服務。體系結構則用于軍事綜合電子信息系統(tǒng)，建立在軍事作戰(zhàn)時支持指揮員進行計劃、指揮和控制部隊的一體化指揮、控制、通信、計算機、情報、監(jiān)視和偵察的信息系統(tǒng)。因此，本文有關頂層設計的方法，主要借鑒企業(yè)架構與體系結構。

2 企業(yè)架構

企業(yè)架構是由系統(tǒng)架構標準的國際權威機構——開放群組提出的，“有效的企業(yè)架構對企業(yè)的生存和成功具有決定性的作用，是企業(yè)通過IT獲得競爭優(yōu)勢不可缺少的手段。” 將EA理解為一種自上而下的、涉及到整個組織的，也可以理解為是一種自下而上的、由項目或任務驅動的。

美國聯(lián)邦CIO理事會把EA定位為一個組織的戰(zhàn)略、業(yè)務工作和流程，與它的IT戰(zhàn)略連接起來。EA采用多種結構模型和視圖使之文檔化，顯示如何去滿足一個組織當前和未來的需要，定義了未來某一給定時點上的、必須支持一個組織的業(yè)務工作和戰(zhàn)略的目標架構。民間機構Meta Group，把EA理解為是一個組織的關鍵業(yè)務、信息、應用、技術戰(zhàn)略以及它們對業(yè)務功能和流程的影響的一種整體化表述。它關注組織的業(yè)務流程、組織結構以及運用什么技術去實施這些業(yè)務流程。美國聯(lián)邦政府CIO辦公室則認為EA是一種戰(zhàn)略信息資產庫，用于定義業(yè)務、運營業(yè)務所需的信息、支持業(yè)務運營所需的技術以及實施新技術，以適應業(yè)務需求變化所需的過渡流程。我們可以看到，盡管還沒有一個被普遍接受的定義，但是所有的定義都力圖說明EA使一個組織的信息、流程和技術與該組織的戰(zhàn)略相連接，以保障企業(yè)和政府機構具有透明性、一致性、合規(guī)性和最大的靈活性。

IT 界在長期的應用推進過程中，逐步體會到成功的企業(yè)需要“架構”形成，而不能任其自由發(fā)展。戰(zhàn)略決定做正確的事，業(yè)務架構決定正確、高效地做事。企業(yè)架構則是一個涵蓋業(yè)務和IT全面的企業(yè)藍圖設計工具，它可以幫助企業(yè)的管理者了解企業(yè)的構成和運營，發(fā)現(xiàn)問題并不斷地改進。

The Open Group是一個廠商中立和技術中立的機構，它基于開放標準和全局互操作性，和客戶、供應商、聯(lián)盟和其他標準團體協(xié)同工作，致力于實現(xiàn)企業(yè)內部和企業(yè)之間集成信息的訪問。The Open Group的工作是捕獲、理解并處理當前的和正在出現(xiàn)的需求，建立應對策略，分享最佳實踐；促進可互操作性，促進達成共識，發(fā)展并集成各類規(guī)范和開源技術；提供一整套綜合服務以加強協(xié)會的運作效率以及認證服務。

企業(yè)架構如同戰(zhàn)略規(guī)劃，可以輔助企業(yè)完成業(yè)務及IT戰(zhàn)略規(guī)劃。在業(yè)務戰(zhàn)略方面，可使用TOGAF及其架構開發(fā)方法（Architecture Development Method，ADM）來定義企業(yè)的愿景/使命、目標/目的/驅動力、組織架構、職能和角色。在IT戰(zhàn)略方面，TOGAF及ADM詳細描述了如何定義業(yè)務架構、數(shù)據(jù)架構、應用架構和技術架構，是IT戰(zhàn)略規(guī)劃的最佳實踐的指引。企業(yè)架構是承接企業(yè)業(yè)務戰(zhàn)略與IT戰(zhàn)略之間的橋梁與標準接口，是企業(yè)信息化規(guī)劃的核心。

2.1 TOGAF

The Open Group通過與300多家開放群組架構論壇的會員協(xié)同努力，在1995年發(fā)表了The Open Group Architecture Framework（TOGAF）架構框架，其基礎是美國國防部的信息管理技術架構（Technical Architecture for Information Management: TAFIM）。它是基于一個迭代（Iterative）的過程模型，支持最佳實踐和一套可重用的現(xiàn)有架構資產，可有效用于設計、評估，并建立組織的正確架構。

在TOGAF中“企業(yè)”被定義為有著共同目標集合的組織聚集，這個“企業(yè)”可以是政府部門、公司、部門、單個處/科室，或通過共同擁有權連接在一起的地理上疏遠的組織鏈。在“企業(yè)架構”中的“企業(yè)”不僅可用來表示整個企業(yè)，而且可以表示企業(yè)內的一個特定領域。在這兩個情形中，架構可以跨越多個系統(tǒng)和企業(yè)內的多個職能群組。

如果規(guī)劃目標是集成擴展型的企業(yè)，那么這里的“企業(yè)”就擴大到伙伴、供應商和客戶，以及內部的業(yè)務單位。

業(yè)務運營模型對決定組織內的“企業(yè)架構”具有主要影響，大型公司和政府部門可以由多個企業(yè)組成，可以開發(fā)及維護一些獨立的企業(yè)架構來應對每一個企業(yè)的運營。這些企業(yè)的信息系統(tǒng)經(jīng)常存在許多共同之處，因此，使用一個共同的架構框架通常會有很大的潛在收獲。

開放群組企業(yè)架構框架TOGAF支持4 層的企業(yè)架構子集：

第一層的業(yè)務（或業(yè)務流程）架構：定義商業(yè)策略，管理、組織和關鍵業(yè)務流程。

第二層的技術架構：描述支持核心部署和關鍵任務應用的軟件基礎設施。包括IT安全架構、網(wǎng)絡架構、通訊架構、服務器等，以及中間件。

第三層的數(shù)據(jù)架構：這個描述一個組織邏輯的和物理的數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)管理資源（內容管理和知識管理）的結構。

第四層的應用架構：描述支持業(yè)務架構所需要所要求的應用和應用架構，這種結構為待配置的個人應用系統(tǒng)提供一個藍圖，從他們的交互關系到該組織核心的業(yè)務流程。以適應電子商務和電子政務建設項目的在線方式和自我服務方式的數(shù)據(jù)獲取和服務獲取。

架構設計是一個復雜的技術過程，而設計異構、多供應商的架構更為復雜。在幫助對架構開發(fā)過程的“去神秘化”和“去風險化”方面，TOGAF扮演了重要角色。TOGAF提供了增值平臺和協(xié)助開發(fā)、驗收、運行、使用和維護架構的工具，能為使用者建立真正基于開放系統(tǒng)的解決方案，以處理他們的業(yè)務議題和需要。

2.2 企業(yè)架構的效用

從世界先進國家的發(fā)展歷程來看，企業(yè)架構的采納和推行，是經(jīng)濟、社會、商業(yè)發(fā)展到一定階段的必然產物。隨著經(jīng)濟全球化和中國綜合實力的增強，企業(yè)架構在我國的政府部門/機構和企事業(yè)單位中的應用受到的關注。

企業(yè)架構的目的是將跨企業(yè)的、常為零散的那些遺留流程（人工/自動）優(yōu)化進一個集成的環(huán)境，它可以及時響應變更并有效的支持業(yè)務戰(zhàn)略。

今天的企業(yè)CEO都知道對信息進行有效的管理及利用，是業(yè)務成功的關鍵因素，也是獲取競爭優(yōu)勢不可缺少的手段。企業(yè)架構能夠滿足該需求，為響應持續(xù)變更的業(yè)務環(huán)境所需的IT系統(tǒng)的演進，提供戰(zhàn)略背景。

良好的系統(tǒng)架構使企業(yè)能在IT效率和業(yè)務創(chuàng)新之間達成適當?shù)钠胶?，它允許單個的業(yè)務單位在追求競爭優(yōu)勢時平穩(wěn)地進行創(chuàng)新活動。同時，它確保了組織對集成的IT戰(zhàn)略的需要能夠被滿足，并允許跨越整個擴展企業(yè)，實現(xiàn)緊密的合作協(xié)同。 企業(yè)架構的效用是多方面的，至少體現(xiàn)在3方面。

1）高效率的IT運行。 降低的軟件開發(fā)、支持和維護的成本；增強的應用可移植性；提高的互操作性和更為簡單的系統(tǒng)和網(wǎng)絡管理；提高的處理關鍵性的企業(yè)議題的能力，如安全；更容易的升級和系統(tǒng)構件的替換。

2）更好的收益，降低了未來投資的風險。降低了IT基礎設施的復雜度；使現(xiàn)有IT基礎設施投資的回報率最大化；開發(fā)、購買和外包IT解決方案的彈性；降低新投資以及IT擁有成本的全面風險。

3）更快、更簡單和更便宜的采購。 采購決策更簡單，因為在有條理的規(guī)劃中，管控采購的信息是隨時可用的；采購流程更快，最大化采購速度和靈活性而無需犧牲架構的一致性；采購異構、多供應商的開放系統(tǒng)的能力。

企業(yè)架構組織內的關鍵人員（利益相關者）需要通過IT系統(tǒng)進行處理的事務，通過識別和提煉利益相關者的需求，開發(fā)顯示關注和需求將如何被處理的架構視圖，并顯示為調和不同利益相關者之間潛在沖突性的關注而做出的權衡。

架構框架是一套基礎結構，用來開發(fā)大規(guī)模的不同架構，它描述了一個用構建塊的集合來設計企業(yè)目標狀態(tài)的方法，并顯示這些構建塊如何搭配在一起。它包含一套工具和共同詞匯，提供所建議標準的清單以及符合標準的、可以實現(xiàn)構建塊的產品。構建塊可以是架構元模型實體的目錄清單、矩陣及圖表、功能規(guī)格、應用模塊、軟件/硬件產品及其組合。

使用TOGAF設計和實施企業(yè)架構的組織確保了其設計和采購的規(guī)格，它能促進開放系統(tǒng)的實現(xiàn)，從而使能開放系統(tǒng)的效益并降低風險。尋求“無邊界信息流”的組織，能使用TOGAF來定義和實現(xiàn)對企業(yè)內或企業(yè)間集成信息進行訪問的結構和流程。同時，承擔或計劃承擔企業(yè)架構的設計者和實施者都可從TOGAF的使用中獲益。

研究表明，IT架構的優(yōu)化可以為企業(yè)帶來2%的業(yè)務增長；業(yè)務架構的優(yōu)化可以帶來8%的增長；如果業(yè)務和IT能夠相互支持，利用總體架構的理念優(yōu)化的話，甚至可以帶來20%的增長。

如果沒有企業(yè)架構，要考慮和滿足所有關注和需求是極為困難的。近年來，隨著企業(yè)信息化程度的加深，如何建立有效機制使IT與業(yè)務融合，即通過更好的IT運營，產生相應的業(yè)務價值，提高核心競爭力成為企業(yè)迫在眉睫的問題。融合戰(zhàn)略發(fā)展、業(yè)務以及 IT 系統(tǒng)的企業(yè)架構（EA），可以幫助企業(yè)實現(xiàn)IT效益最大化，通過業(yè)務架構藍圖，避免重復投資與信息孤島。

綜上所述，體系結構框架（TOGAF）是一個行業(yè)標準的體系架構框架，它能被任何希望開發(fā)一個信息系統(tǒng)體系架構的人員與機構自由使用。TOGAF幫助企業(yè)大大節(jié)約成本，增加業(yè)務模式的靈活性，更加的個性化、隨需應變，并提高信息系統(tǒng)應用水平，同時推動業(yè)務模式創(chuàng)新，帶來最佳管理實踐。

3 體系結構

體系結構一詞在英語中起源于建筑業(yè)，用以表示建筑學、建筑式樣、建筑物等。計算機硬件、系統(tǒng)工程等領域借鑒建筑學中的思想，提出了計算機體系結構、系統(tǒng)體系結構的architecture概念。

3.1 體系結構的定義

若干有關事物或概念互相聯(lián)系而構成一個整體稱為體系，整體中各個組成部分的搭配和排列稱為結構，體系結構研究整體的內涵、外延、層次和關系。體系結構所研究的系統(tǒng)結構通常在較高的抽象層次上，而且不僅僅指系統(tǒng)的物理結構。

國際系統(tǒng)工程理事會（INCOSE）將體系結構定義為：用系統(tǒng)元素、接口、過程、約束和行為定義的基本的和統(tǒng)一的系統(tǒng)結構。

IEEE標準P1471-2000對軟件密集系統(tǒng)的體系結構定義為：通過系統(tǒng)部件、部件之間的相互關系及與環(huán)境的關系以及指導系統(tǒng)設計和演化的原則體現(xiàn)出來的一個系統(tǒng)的基本結構。

美軍C4ISR體系結構框架中將體系結構定義為：系統(tǒng)各部件的結構、它們之間的關系以及制約它們設計和隨時間演化的原則和指南。這里的部件不僅包括軟件、硬件等物理部件，還包括數(shù)據(jù)、活動、人員等，體系結構邏輯部件、部件之間的關系包括層次、布局、邊界、接口關系等。

C4ISR系統(tǒng)把指揮員、作戰(zhàn)兵器和作戰(zhàn)指揮的各要素組合成一個有機的體系，構成現(xiàn)代軍隊的神經(jīng)中樞，是奪取信息優(yōu)勢、取得控制信息權的根本保障，是戰(zhàn)爭中的“兵力倍增器”。

由于智慧城市涉及廣泛的社會信息應用系統(tǒng)的協(xié)同與互聯(lián)，需要高度的集中指揮和實時聯(lián)動，借鑒軍事綜合電子信息系統(tǒng)的思想與技術是十分有效的。

3.2 體系結構的特征

體系結構在近年來受到了學術界和工程界的高度重視，對此進行了大量的研究與工程實踐。

1）復雜系統(tǒng)的抽象表達

由于系統(tǒng)的構成及功能越來越復雜，使得描述系統(tǒng)的難度不斷增加。抽象可以有效處理復雜問題，它抽取事物最基本的特性和行為，忽略不必要的細節(jié)信息。體系結構在高層次上定義系統(tǒng)的組成其交互關系，隱去系統(tǒng)部件的局部細節(jié)信息，提供了一種理解、管理復雜系統(tǒng)的機制。系統(tǒng)設計的抽象不但可使系統(tǒng)的表述變得簡單化，而且具有更明確的傳遞信息能力。系統(tǒng)的用戶、設計者、實現(xiàn)者和維護者等在此基礎上，都可以就理解系統(tǒng)的有關問題進行交互溝通，形成統(tǒng)一認識。

2）體現(xiàn)系統(tǒng)的頂層及早期的設計決策

頂層及早期的設計決策比底層及后期的詳細設計、實現(xiàn)、維護階段的工作重要得多，對系統(tǒng)生命期的影響范圍最大，是整個系統(tǒng)開發(fā)成敗的關鍵。

3）約束系統(tǒng)開發(fā)人員的實現(xiàn)行為

體系結構是待開發(fā)系統(tǒng)的技術規(guī)劃，系統(tǒng)開發(fā)人員在實現(xiàn)系統(tǒng)時必須以體系結構所規(guī)定的結構性設計決策為依據(jù)，去開發(fā)屬下的系統(tǒng)部件，按規(guī)定的方式實現(xiàn)部件之間的交互，進行系統(tǒng)的詳細設計和實現(xiàn)。實現(xiàn)約束是由系統(tǒng)級做出，部件的實現(xiàn)者必須遵從自己所負責部件的約束。在工程中，體系結構設計者考慮系統(tǒng)的總體權衡問題，不必掌握系統(tǒng)的所有設計細節(jié)和實現(xiàn)技術；部件的開發(fā)人員則在體系結構給定的約束條件下進行工作。

4）體系結構是決定系統(tǒng)質量的基礎

系統(tǒng)的質量可分為兩類情況，第一類是通過觀察系統(tǒng)來度量，如功能、性能、可靠性、互操作性等；第二類是無法通過觀察系統(tǒng)來度量，只能由考察開發(fā)活動或維護活動來確定，包括可維護性等問題，如可移植性、可復用性等。體系結構方面的決策，如部件的層次、功能的劃分等，會影響系統(tǒng)的某些質量特性，對其權衡都要在體系結構中得到體現(xiàn)。當然，系統(tǒng)的詳細設計與實現(xiàn)等也會影響系統(tǒng)的質量特性，體系結構僅是保證系統(tǒng)達到其需求的質量特性的一個必要條件。

5）系統(tǒng)開發(fā)的組織結構取決于體系結構

體系結構規(guī)定了待開發(fā)系統(tǒng)的結構，直接確定開發(fā)組織工作的分解與組織結構。而且，開發(fā)組織的成員之間要按照部件的接口規(guī)格說明進行交互與工作推進。

6)在一定的時間段內相對保持穩(wěn)定

通常，任何系統(tǒng)不會隨著用戶需求的變化、技術的進步而不斷升級、演化，這無論是對C4ISR系統(tǒng)還是智慧城市來說都是普遍的情況。體系結構雖然隨著時間的推移會發(fā)生變化，但是這種變化與體系結構所實現(xiàn)的子系統(tǒng)的變化相比要緩慢得多。系統(tǒng)可能發(fā)生的變動可以分為局部的、非局部的和體系結構級的。局部的是指只要修改單個部件本身；非局部的是指要修改多個部件，但不影響到基礎不影響到基礎體系結構；體系結構級是指會影響各部件的相互關系，甚至要改動整個系統(tǒng)。由于具有穩(wěn)定性，一個設計良好的體系結構可以在相當長的時間內保證系統(tǒng)可能發(fā)生的變動是局部的或非局部的。如果一個系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生體系結構級的變動，那么它的體系結構設計是失敗的。

7）體系結構支持體系可重用

在理想的情況下，體系結構描述的各個組成部分都是被獨立定義的，因此，可以在不同的場合中得到重用。體系結構重用有兩種：一種是體系結構級重用，即同一體系結構可被應用于有類似需求的其他系統(tǒng)，開發(fā)出多種不同的系統(tǒng)；另一種是部件級重用，即體系結構設計者利用體系重用，以節(jié)約研制經(jīng)費，提高設計效率和可靠性。

由于體系結構的上述特點，使得它在系統(tǒng)的生命期中有著十分重要的作用，因而體系結構可作為系統(tǒng)的風險承擔者相互交流的手段，便于從總體上分析、理解、比較系統(tǒng)；體系結構被系統(tǒng)設計者用作詳盡的系統(tǒng)設計規(guī)范；體系結構可被用來分析、評價系統(tǒng)的互操作性；體系結構可被用來作為系統(tǒng)集成或演化的依據(jù)和指南；體系結構可被用來分析系統(tǒng)的費效比，以輔助采辦決策并提高采辦、投資決策的科學性。

3.3 多視圖建模

當信息系統(tǒng)的功能越來越多，規(guī)模越來越大，結構越來越復雜時，給體系結構的設計和描述帶來了巨大的復雜性。僅采用一個簡單的模型是很難把系統(tǒng)的組成、結構及相互關系等內容描述清楚。尤其是C4ISR系統(tǒng)和智慧城市這類信息系統(tǒng)的體系結構開發(fā)涉及各種復雜的業(yè)務領域和技術領域，不同領域人員的知識結構存在差異，相互之間的交流困難，傳統(tǒng)分析方法難以形成一個全局的，統(tǒng)一的體系結構描述。

多視圖建模是人們了解復雜事物體系結構時的一種方法，其基本思想是“分而治之”，將一個復雜問題從各個視角去分解，同時也形成對體系結構的整體描述。如機械制圖，將一個空間三維物體向三個不同的正交方向投影，形成該物體的正視圖、側視圖和俯視圖，通過一定的規(guī)則，形成對三維物體的全面描述。若只用其中的任何一個或兩個視圖，則不能完整地描述物體的概貌。對于復雜信息系統(tǒng)來說，其組成和結構的復雜度給體系結構描述帶來很大困難，系統(tǒng)涉及的各類風險承擔者（如投資者、設計人員、實現(xiàn)人員、系統(tǒng)工程師、用戶、維護人員等）又均與系統(tǒng)的建設與開發(fā)密切相關。由于職責和考慮問題的角度不同，使得各人所關注的內容有一定差異，而這些內容又必須在體系結構描述中得以考慮和體現(xiàn)。因此，只有采用多視圖的體系結構方法才能得到科學描述。

采用多視圖建模方法來全面反映信息系統(tǒng)各類風險承擔者的需求和愿望，易于形成對體系結構整體的描述。從各種不同角度對復雜事物的抽象，將一個復雜的事物抽象成多種（類）簡單的描述，簡化了信息系統(tǒng)體系結構描述過程，降低了描述的復雜度。針對不同風險承擔者的特點和關注的問題，多角度描述信息系統(tǒng)的體系結構，使各類人員從不同的角度理解體系結構，便于他們之間的交流，形成對體系描述的共識。

4 體系結構工程

4.1 體系結構工程的組成

體系結構工程在信息系統(tǒng)工程中位于需求分析和系統(tǒng)的詳細設計之間，體系結構工程的主要依據(jù)是需求分析階段完成的系統(tǒng)規(guī)格說明書。

信息系統(tǒng)體系結構工程是用工程化的原則和方法來開發(fā)、維護系統(tǒng)體系結構的有關技術及管理方法，在給定成本、進度的前提下，開發(fā)具有可理解、可跟蹤、可驗證和可修改等特點的，并滿足業(yè)務功能需求的信息系統(tǒng)體系結構。

信息系統(tǒng)體系結構工程由方法、工具和過程三部分組成。

體系結構工程方法是開發(fā)體系結構的技術手段，它支持設計、驗證、評價和維護等各階段的活動。

體系結構工程工具要為體系結構工程方法和體系結構管理提供自動的或半自動的軟件支撐環(huán)境，是體系結構設計者在開發(fā)中智力和體力的擴展和延伸。

體系結構工程過程是在軟件工具支持下由體系結構設計者完成的一系列工程活動，它將體系結構工程的方法和工具綜合起來進行合理、及時的體系結構開發(fā)。過程規(guī)定了方法使用的順序、要求交付的文檔資料、為保證質量和協(xié)調變化所需要的管理以及體系結構各個階段開發(fā)完成的里程碑等。

4.2 體系結構工程中的角色

體系結構工程中涉及的角色主要有用戶、需求工程師、體系結構設計者和系統(tǒng)開發(fā)者。雖然有時某個（或多個）人會充當其中的多個角色，但無論從技術的角度還是管理的角度，角色還是需要明確劃分。這里的用戶是廣義的，包括系統(tǒng)的使用者和采辦者，他們對開發(fā)系統(tǒng)有各種要求。需求工程師通過適當?shù)囊龑?、?guī)格說明、鑒定和證實技術來形成一個用戶所需要的系統(tǒng)的精確描述。

體系結構設計者是體系結構工程的主體，負責依據(jù)用戶需求設計系統(tǒng)的體系結構，建立體系結構描述。當信息系統(tǒng)規(guī)模大、技術復雜時，體系結構開發(fā)需要多方面的知識，體系結構設計者應該是精通多個領域的專家。通常是由各個領域的專家組成體系結構設計小組，共同完成體系結構的設計、維護。

系統(tǒng)開發(fā)者包括詳細設計者、實現(xiàn)者和項目管理者。體系結構描述產生后，由系統(tǒng)開發(fā)者來構造系統(tǒng)。體系結構描述是用戶需求的體現(xiàn)，是系統(tǒng)設計和實現(xiàn)人員對系統(tǒng)進行詳細設計和實現(xiàn)的依據(jù)。體系結構設計者是用戶、需求工程師與系統(tǒng)開發(fā)者的中介，負責溝通用戶、需求工程師和系統(tǒng)開發(fā)者的認識和見解，起著橋梁的作用。

4.3 體系結構工程的原則

在信息系統(tǒng)體系結構開發(fā)過程中必須遵循以下原則：

1）由外到內。即先研究系統(tǒng)的外部問題（環(huán)境），把系統(tǒng)上下、左右的關系搞清楚，然后研究系統(tǒng)的內部問題。

2）自頂向下。體系結構開發(fā)是由系統(tǒng)用戶的需求驅動，開發(fā)方法應自頂向下。將整個系統(tǒng)視為一個與外界環(huán)境存在著交互作用的“黒箱”，然后進行逐層分解，直到能與具體的物理實現(xiàn)相對應為止。

3）抽象。抽取系統(tǒng)最基本的特性和行為，忽略非基本的細節(jié)。采用分層次抽象的辦法來控制體系結構開發(fā)過程的復雜性和可理解性，以有利于體系結構開發(fā)過程的管理。

4）模塊化。模塊是體系結構中邏輯上相對獨立的部分，具有良好的接口定義。模塊化有助于隱藏細節(jié)和表示復雜的系統(tǒng)，促進重用。

5）可互操作?；ゲ僮魇窍到y(tǒng)、設備或業(yè)務團隊向（從）另一系統(tǒng)、設備或業(yè)務團隊提供（得到）服務的能力，使用這些能力可有效地協(xié)同操作，體系結構開發(fā)中要規(guī)定系統(tǒng)實現(xiàn)必須遵循的技術標準。

6）標準化。在一個體系結構開發(fā)過程中應盡量使用通用的術語和定義，這樣便于理解、交流和比較，由不同的人設計的體系結構。

7）可行性。體系結構開發(fā)要考慮系統(tǒng)研制的費用、進度和當前技術水平的實際，盡量采用比較成熟的技術、產品和標準，以降低成本，縮短系統(tǒng)研制周期，降低研制風險。

4.4 體系結構工程的階段劃分

根據(jù)體系結構所處的狀態(tài)、特征以及體系結構開發(fā)活動的目的和任務，將體系結構工程的活動劃分為問題定義、設計、驗證、評價和使用維護五個階段。每個階段都有相對獨立的任務，前一個階段任務的完成是開始進入后一階段工作的前提和基礎。通常，體系結構工程各階段之間的關系并不是順序的，而是帶有反饋的迭代過程。

1）問題定義階段

在開發(fā)信息系統(tǒng)體系結構之前，體系結構設計者必須了解其預期的用途和目的。設計一個信息系統(tǒng)，要盡可能地弄清楚對開發(fā)體系結構感興趣的風險承擔者（如用戶、采辦者、設計者、實現(xiàn)者和維護者等）所關心的問題和視角。體系結構的開發(fā)目的決定了體系結構設計的范圍、時間幀等。體系結構設計的主要依據(jù)是信息系統(tǒng)需求分析階段完成的系統(tǒng)規(guī)格說明書，設計者根據(jù)系統(tǒng)規(guī)格說明書來了解系統(tǒng)需求（系統(tǒng)的目的、任務、范圍），熟悉業(yè)務人員的職能，對系統(tǒng)的使用要求，理解系統(tǒng)的功能和非功能需求，了解與該系統(tǒng)相關且有交互關系的其他已建、在建系統(tǒng)的情況，系統(tǒng)將來的升級、演化計劃等。

同時，體系結構設計者還需要廣泛收集領域信息，諸如行業(yè)使用的通用術語、業(yè)務流程、組織結構、指揮關系、操作規(guī)程等背景知識。

在了解體系結構的開發(fā)目的、熟悉系統(tǒng)和領域信息的基礎上，確定體系結構設計的范圍、詳細程度和時間幀，制定體系結構開發(fā)計劃，包括選用資源（如開發(fā)工具）、定義任務、確定擬采用的體系結構框架、選擇體系結構方法（包括設計方法、驗證方法和評介方法等）以及進度安排等。

2）設計階段

運用上一階段確定的設計方法，遵循體系結構工程原則，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)格說明書中的系統(tǒng)需求，有步驟地建立系統(tǒng)的總體結構，確定系統(tǒng)與外界環(huán)境之間以及系統(tǒng)內各組成部分之間的接口、通信和信息交換關系，并按照系統(tǒng)規(guī)格說明書的要求規(guī)定系統(tǒng)實現(xiàn)必須遵循的技術標準。

設計體系結構必須從分析信息系統(tǒng)支持的業(yè)務概念開始。體系結構設計內容需要符合某種體系結構框架，設計者按照體系結構框架的要求描述、記錄體系結構設計結果，并注意保證體系結構描述內容符合一定的語法規(guī)則和語義規(guī)則。體系結構設計完成后，還要對體系結構描述進行語法、語義正確性檢查和一致性、完備性檢查。

3）驗證階段

確定設計階段得到的體系結構描述是否滿足系統(tǒng)的功能需求和非功能需求，初步判斷依據(jù)體系結構設計出來的系統(tǒng)能否滿足業(yè)務人員的需求。

4） 評價階段

信息系統(tǒng)研制過程中需要設計多個備選體系結構方案，每個方案對系統(tǒng)開發(fā)的成本、時間、人員、技術、設備等都有特定的用戶要求。評價是“主體估測體系來測評客體各種屬性的量值及其滿足主體需求的效用，以綜合判斷原定需求滿足程度的活動”。根據(jù)決策者的要求建立一套評價指標體系，選擇合適的評價方法，按照一定的過程評判各種設計方案的優(yōu)劣，并加以比較分析，為決策者從中選擇較優(yōu)方案提供科學的依據(jù)。

5）使用維護階段

設計好的體系結構用于特定的目的后，體系結構維護則是對體系結構描述進行修改或對系統(tǒng)需求變化做出響應的過程。當發(fā)現(xiàn)體系結構描述中的潛伏錯誤，用戶提出修改系統(tǒng)需求，或系統(tǒng)升級演化，都需要對體系結構進行維護。

4.5 體系結構設計方法

體系結構框架是規(guī)范化的文擋，只提出體系結構的若干指導原則和基本步驟，并沒有為設計體系結構產品提供方法和詳細的過程，它規(guī)范了體系結構描述，但是其過程仍然是一個復雜的過程，必須用科學的方法指導。針對智慧城市與C4ISR這類系統(tǒng)體系結構產品的設計，需要采用結構化分析方法和面向對象的設計方法。

面向對象的設計方法主要基于UML的信息系統(tǒng)體系結構設計的方法論和根據(jù)UML規(guī)范開發(fā)信息系統(tǒng)產品的程序，實施“自上而下，寬度第一”和“基于事件的交互作用”的基本原則?！白陨隙拢瑢挾鹊谝弧贝_保整個體系結構縱向和橫向的均衡開發(fā)。“基于事件的交互作用”把對象間基于事件的交互作用作為定義機制。不管對象是一個復合系統(tǒng)還是一個軟件，輸入/輸出事件是確定對象行為的重要手段。該方法利用UML的用例圖、順序和擴充順序表、狀態(tài)圖等來建立體系結構產品。

4.6 體系結構驗證評估方法

體系結構驗證的主要任務是檢查體系結構設計的正確性，確定體系結構描述是否滿足系統(tǒng)的功能需求和非功能需求?，F(xiàn)有的信息系統(tǒng)體系結構驗證方法主要包括專家評審法、可執(zhí)行驗證法和體系結構折中分析方法。

專家評審法是專家依據(jù)自己的知識和經(jīng)驗采用閱讀的方法檢查體系結構設計的正確性。

最常用的可執(zhí)行驗證評估方法是根據(jù)體系結構內容構建仿真模型，依托仿真運行環(huán)境，通過運行可執(zhí)行模型來驗證評估體系結構。也可直接以部分體系結構產品為基礎，建立某種可執(zhí)行模型，通過在其中加入某些靜態(tài)信息后，利用該可執(zhí)行模型進行仿真。經(jīng)過仿真，來驗證體系結構描述中的功能是否按照預期的順序執(zhí)行、功能所需要的數(shù)據(jù)是否能夠及時提供。另外，還可以通過仿真搜集系統(tǒng)的性能參數(shù)，對體系結構的部分性能參數(shù)進行驗證和評價?？蓤?zhí)行驗證法適合驗證體系結構的功能需求和部分非功能需求。

ATAM方法是一種驗證體系結構非功能需求的方法，它通過對性能、可更改性、可靠性，安全性等多種非功能需求的分析來檢查體系結構設計的正確性。該方法能提供了一種確定體系結構設計中多種非功能需求的折中點的方法，為改進體系結構設計提供依據(jù)。

5 結束語

企業(yè)架構和體系結構是信息系統(tǒng)頂層設計的有效方法，也是綜合應用系統(tǒng)工程學的科學方法，將此用于智慧城市的總體和各類應用系統(tǒng)的規(guī)劃與設計時，可以提高工程質量，降低工程風險。