劉俊先 羅雪山 羅愛(ài)民 陳洪輝

1.國(guó)防科技大學(xué)信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湖南長(zhǎng)沙410073

“體系結(jié)構(gòu)(Architecture)”一詞來(lái)源于建筑領(lǐng)域,表示建筑物的式樣、風(fēng)格以及建造建筑物的藝術(shù)與科學(xué)等,也稱架構(gòu).計(jì)算機(jī)和信息系統(tǒng)產(chǎn)生后,“體系結(jié)構(gòu)”一詞被用于計(jì)算機(jī)軟硬件、信息系統(tǒng)及系統(tǒng)工程等領(lǐng)域,提出了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)等概念.C4ISR體系結(jié)構(gòu)是C4ISR系統(tǒng)組成單元的結(jié)構(gòu)及其關(guān)系,以及指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和演進(jìn)的原則和指南.在系統(tǒng)建設(shè)初期使用體系結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行頂層設(shè)計(jì),科學(xué)規(guī)劃系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)以及相互關(guān)系,遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,能夠促進(jìn)理解與交流、為系統(tǒng)建設(shè)提供決策支持、指導(dǎo)系統(tǒng)開發(fā)與集成、指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行等,在系統(tǒng)的整個(gè)生命周期中都發(fā)揮著重要作用.

體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)抽象的概念,體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)后,必須用一種規(guī)范的形式進(jìn)行表述,這種表述稱為體系結(jié)構(gòu)描述.體系結(jié)構(gòu)開發(fā)涉及各種復(fù)雜的業(yè)務(wù)和技術(shù)領(lǐng)域,由于不同領(lǐng)域人員知識(shí)結(jié)構(gòu)存在差異,相互之間的交流比較困難.如果沒(méi)有某種約束,不同人員根據(jù)自己的習(xí)慣和喜好,采用各自的方式描述體系結(jié)構(gòu),必將造成體系結(jié)構(gòu)描述內(nèi)容和形式的不統(tǒng)一,勢(shì)必帶來(lái)人們理解和認(rèn)識(shí)的不統(tǒng)一,使得體系結(jié)構(gòu)的使用效果大打折扣.通過(guò)建立相應(yīng)的規(guī)范來(lái)約束體系結(jié)構(gòu)描述,進(jìn)而勾畫出復(fù)雜系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),這些規(guī)范就稱為體系結(jié)構(gòu)框架.

經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐,各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展了許多的體系結(jié)構(gòu)框架,如美軍C4ISR體系結(jié)構(gòu)框架[1?2]和DoDAF體系結(jié)構(gòu)框架[3?5]、英軍MoDAF體系結(jié)構(gòu)框架[6]、北約體系結(jié)構(gòu)框架[7]等,其核心和精髓都是基于多視圖的方法.多視圖的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法從不同的角度描述信息系統(tǒng),較方便地反映各類風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)者的需求和愿望,易于形成對(duì)體系結(jié)構(gòu)整體的描述.各視圖和產(chǎn)品數(shù)據(jù)之間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)和約束關(guān)系,不同視圖和產(chǎn)品數(shù)據(jù)存在一定的交叉和重復(fù),這是多個(gè)視圖和產(chǎn)品構(gòu)成體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ).但同時(shí)這些產(chǎn)品和數(shù)據(jù)之間的復(fù)雜關(guān)系也增加了設(shè)計(jì)的難度.

正是由于體系結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用,體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量就顯得尤為重要.體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估是檢查體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成果在語(yǔ)法、語(yǔ)義上是否正確、合理,是否符合系統(tǒng)需求,從結(jié)構(gòu)、性能、可靠性、效能等方面對(duì)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣程度進(jìn)行評(píng)價(jià),并對(duì)一組可選體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行折衷分析和選優(yōu).明確體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證評(píng)估內(nèi)容,并建立科學(xué)高效的體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估方法是開展驗(yàn)證評(píng)估工作的前提和基礎(chǔ).

1 體系結(jié)構(gòu)信息模型

按照認(rèn)識(shí)論的觀點(diǎn),對(duì)事物的認(rèn)識(shí)和理解,依賴于主體表述該事物的存在方式、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其變化方式.事物的存在方式、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其變化方式的外在形式、內(nèi)在含義和效用價(jià)值是正確表示和理解事物的三要素,它們相互依存、不可分割.要正確理解體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果,判斷體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量,也有必要從外在表現(xiàn)形式、內(nèi)在含義和效用價(jià)值3方面入手.借用語(yǔ)言學(xué)中關(guān)于語(yǔ)法、語(yǔ)義和語(yǔ)用信息概念,體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的信息分為語(yǔ)法、語(yǔ)義和語(yǔ)用信息[8,13].

體系結(jié)構(gòu)的語(yǔ)法信息指的是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果外在表現(xiàn)形式所包含或提供的信息,是體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)最直觀的表現(xiàn)形式,與它們的具體含義無(wú)關(guān),主要反映體系結(jié)構(gòu)實(shí)體之間的結(jié)合方式和相互關(guān)系.體系結(jié)構(gòu)的語(yǔ)義信息主要指描述體系結(jié)構(gòu)的實(shí)體在組合后所體現(xiàn)出的邏輯含義,反映體系結(jié)構(gòu)各實(shí)體之間的邏輯關(guān)系和行為特征,如結(jié)構(gòu)與分解關(guān)系、信息流關(guān)系、時(shí)序關(guān)系等.如果按照一定語(yǔ)法規(guī)則描述的實(shí)體沒(méi)有內(nèi)在的邏輯關(guān)系,那么這樣的設(shè)計(jì)是不完整的.按照一定邏輯或語(yǔ)義組合的體系結(jié)構(gòu)實(shí)體最終能執(zhí)行一定的功能,具有一定的性能,實(shí)現(xiàn)一定的效用,這是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo).體系結(jié)構(gòu)語(yǔ)用信息反映體系結(jié)構(gòu)的功能和性能,能夠支持完成的任務(wù)和最終實(shí)現(xiàn)的效能.

圖1 體系結(jié)構(gòu)信息模型

語(yǔ)法信息、語(yǔ)義信息和語(yǔ)用信息是體系結(jié)構(gòu)表現(xiàn)在3個(gè)不同層面的信息,體系結(jié)構(gòu)是這3個(gè)層面信息的綜合體.文獻(xiàn)[8]提出一種體系結(jié)構(gòu)信息模型,如圖1所示.體系結(jié)構(gòu)語(yǔ)法信息是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中直接的內(nèi)容,語(yǔ)義信息和與語(yǔ)用信息是語(yǔ)法信息中隱含的信息,它們通過(guò)語(yǔ)法信息體現(xiàn),是語(yǔ)法信息綜合后在主體上形成的高層信息.體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表面看是設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)語(yǔ)法信息,但本質(zhì)上是在語(yǔ)義信息指導(dǎo)下、以語(yǔ)用信息為目標(biāo)、體現(xiàn)語(yǔ)義信息和語(yǔ)用信息的綜合設(shè)計(jì).

2 基于信息模型的體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估內(nèi)容

2.1 體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估的內(nèi)容層次

按照體系結(jié)構(gòu)信息模型,體系結(jié)構(gòu)是通過(guò)語(yǔ)法信息、語(yǔ)義信息和語(yǔ)用信息來(lái)表示的,體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的設(shè)計(jì)不規(guī)范、數(shù)據(jù)不一致、不能滿足實(shí)際需要等問(wèn)題,就是體系結(jié)構(gòu)語(yǔ)法層、語(yǔ)義層和語(yǔ)用層設(shè)計(jì)的問(wèn)題.針對(duì)體系結(jié)構(gòu)信息模型,在文獻(xiàn)[8-9]的基礎(chǔ)上,建立C4ISR體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估內(nèi)容模型如圖2所示.

圖2 體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估的內(nèi)容層次

語(yǔ)法層驗(yàn)證主要是解決體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“對(duì)不對(duì)”的問(wèn)題,檢查體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容是否完整、形式是否規(guī)范、描述是否準(zhǔn)確,包括設(shè)計(jì)完整性檢查、數(shù)據(jù)引用正確性檢查、數(shù)據(jù)對(duì)齊分析、關(guān)系一致性分析等活動(dòng).語(yǔ)義層驗(yàn)證主要是解決體系結(jié)構(gòu)“行不行”的問(wèn)題.開展兩方面的工作,一是作戰(zhàn)流程、系統(tǒng)功能流程設(shè)計(jì)的合理性驗(yàn)證,二是系統(tǒng)/作戰(zhàn)狀態(tài)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)/作戰(zhàn)流程設(shè)計(jì)的一致性驗(yàn)證.語(yǔ)用層驗(yàn)證評(píng)估主要是解決體系結(jié)構(gòu)“好不好”的問(wèn)題,評(píng)估體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)象的性能和效能是否滿足需求,通過(guò)驗(yàn)證分析所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本性能是否達(dá)標(biāo),系統(tǒng)的弱點(diǎn)和瓶頸在哪里,系統(tǒng)在整個(gè)體系中的作用如何等.

2.2 C4ISR體系結(jié)構(gòu)的語(yǔ)法驗(yàn)證

語(yǔ)法層驗(yàn)證主要對(duì)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合語(yǔ)法規(guī)則進(jìn)行驗(yàn)證,即對(duì)描述體系結(jié)構(gòu)的基本元素、產(chǎn)品、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)是否符合語(yǔ)法規(guī)范和要求進(jìn)行驗(yàn)證.其中包括設(shè)計(jì)完整性檢查、數(shù)據(jù)引用正確性檢查、數(shù)據(jù)對(duì)齊分析、關(guān)系一致性分析.

設(shè)計(jì)完整性檢查主要檢查用戶是否完成所有必須的設(shè)計(jì)內(nèi)容.這里必須的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括兩個(gè)方面的含義:一是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所要求的視圖或產(chǎn)品;二是特定產(chǎn)品的具體內(nèi)容是否完整,必不可少的屬性等是否完成了設(shè)計(jì),如:對(duì)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)間信息交換的設(shè)計(jì)是否完整,具體包括信息交換的名稱、產(chǎn)生信息的作戰(zhàn)活動(dòng)、使用信息的作戰(zhàn)活動(dòng)、觸發(fā)事件、時(shí)效性要求等;對(duì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn),是否指明了節(jié)點(diǎn)完成的系統(tǒng)功能集？系統(tǒng)子節(jié)點(diǎn)是否指明了完成的功能？對(duì)系統(tǒng)功能,是否有至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)配置了此項(xiàng)功能？

數(shù)據(jù)引用正確性檢查主要是檢查所有數(shù)據(jù)引用,判斷是否存在無(wú)出處的引用.主要包括兩種檢查:一是參考資源的引用正確性檢查,如作戰(zhàn)活動(dòng)模型中的所有作戰(zhàn)活動(dòng)是否來(lái)自“通用聯(lián)合任務(wù)清單”？二是其他產(chǎn)品設(shè)計(jì)內(nèi)容引用正確性檢查,如作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行的作戰(zhàn)活動(dòng),或信息交換中生成或使用該信息交換的活動(dòng),必須被作戰(zhàn)活動(dòng)模型包含.

數(shù)據(jù)對(duì)齊分析主要是檢查所有核心數(shù)據(jù),引導(dǎo)用戶比對(duì)名稱相同的核心數(shù)據(jù),對(duì)本質(zhì)相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記,否則需要用戶進(jìn)行改名處理.如作戰(zhàn)、后勤、裝備部門在描述聯(lián)合火力打擊作戰(zhàn)樣式下的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)時(shí),可能都會(huì)使用“聯(lián)合火力打擊”、“威脅評(píng)估”、“計(jì)劃擬制”等作戰(zhàn)活動(dòng),以及同名的作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)等.這些同名的作戰(zhàn)活動(dòng)、作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)在作戰(zhàn)、后勤、裝備等部門設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)中是否表示同一個(gè)活動(dòng)？不進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊分析,可能會(huì)出現(xiàn)用同一名稱命名不同事物的可能,這會(huì)使體系結(jié)構(gòu)集成時(shí)形成錯(cuò)誤的流程圖、狀態(tài)圖,從而給后續(xù)分析、研發(fā)造成更大的隱患.

關(guān)系一致性分析主要驗(yàn)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)一致性驗(yàn)證主要包括不同產(chǎn)品中體系結(jié)構(gòu)實(shí)體一致性以及實(shí)體之間關(guān)系的一致性.不同產(chǎn)品中體系結(jié)構(gòu)實(shí)體一致性指出現(xiàn)在不同產(chǎn)品中的相同數(shù)據(jù)實(shí)體要一致.實(shí)體之間關(guān)系要一致主要指不同視圖或產(chǎn)品中體現(xiàn)的同類實(shí)體關(guān)系必須一致.

2.3 C4ISR體系結(jié)構(gòu)的語(yǔ)義驗(yàn)證

語(yǔ)義驗(yàn)證評(píng)估主要是判斷體系結(jié)構(gòu)的基本語(yǔ)法元素形成的描述語(yǔ)義是否合理和正確,是否存在相互矛盾、沖突和不合理的內(nèi)容.其中主要是對(duì)行為邏輯的正確性進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估.驗(yàn)證分為兩個(gè)方面:一是驗(yàn)證用戶對(duì)體系和系統(tǒng)行為的期望是否合理？即作戰(zhàn)/作戰(zhàn)流程、系統(tǒng)功能流程是否合理？二是驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的體系和系統(tǒng)能否按用戶所期望的運(yùn)行？即作戰(zhàn)狀態(tài)描述、系統(tǒng)狀態(tài)描述等是否符合作戰(zhàn)流程和功能流程的描述？如不能通過(guò)行為邏輯驗(yàn)證,則用戶對(duì)系統(tǒng)的期望是不合理的,或系統(tǒng)設(shè)計(jì)是無(wú)效的.

2.4 C4ISR體系結(jié)構(gòu)的語(yǔ)用驗(yàn)證評(píng)估

語(yǔ)用驗(yàn)證評(píng)估主要側(cè)重體系結(jié)構(gòu)的效用分析,特別是體系結(jié)構(gòu)的整體效用.分析按照體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案最終開發(fā)得到的系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,滿足各項(xiàng)需求指標(biāo).語(yǔ)用驗(yàn)證主要包括性能驗(yàn)證評(píng)估、效能驗(yàn)證評(píng)估和綜合評(píng)估.通過(guò)語(yǔ)用驗(yàn)證評(píng)估,旨在解決以下問(wèn)題:系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足基本性能指標(biāo)的要求？若不滿足,系統(tǒng)的弱點(diǎn)和瓶頸是什么？出現(xiàn)瓶頸或弱點(diǎn)的原因是什么？如何改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案才能提高性能？

性能驗(yàn)證評(píng)估是針對(duì)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo),驗(yàn)證對(duì)應(yīng)性能指標(biāo)能否達(dá)到設(shè)計(jì)的指標(biāo),能否達(dá)到需求性能指標(biāo),滿足需求的程度.性能驗(yàn)證評(píng)估可分為基本性能評(píng)估、靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能評(píng)估、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)性能評(píng)估3類.基本性能驗(yàn)證評(píng)估主要通過(guò)對(duì)基本性能指標(biāo)的評(píng)估來(lái)分析體系結(jié)構(gòu)的性能,指標(biāo)包括體系結(jié)構(gòu)中各系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)功能的能力,如處理速度、作用范圍、發(fā)現(xiàn)概率等.該類驗(yàn)證評(píng)估的目的是驗(yàn)證評(píng)估體系結(jié)構(gòu)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo).系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)指的是系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu).靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能評(píng)估指標(biāo)包括:結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,即系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)要素及其關(guān)系的復(fù)雜程度;結(jié)構(gòu)抗毀性,即系統(tǒng)在受到攻擊后能夠繼續(xù)完成任務(wù)的能力;結(jié)構(gòu)適應(yīng)性,即系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)不同任務(wù)變化的能力.系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)指的是系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu).驗(yàn)證評(píng)估內(nèi)容包括系統(tǒng)傳輸瓶頸、系統(tǒng)處理瓶頸等,評(píng)估指標(biāo)包括系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)服務(wù)時(shí)間、平均等待時(shí)間等.通過(guò)對(duì)這些指標(biāo)的分析,可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)的瓶頸和薄弱環(huán)節(jié),從而為進(jìn)一步改進(jìn)完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出建議和參考.

效能驗(yàn)證評(píng)估是針對(duì)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效能指標(biāo),驗(yàn)證對(duì)應(yīng)效能指標(biāo)能否達(dá)到設(shè)計(jì)的指標(biāo),能否達(dá)到需求指標(biāo),以及滿足需求的程度.體系結(jié)構(gòu)的效能驗(yàn)證評(píng)估主要是達(dá)到兩個(gè)目的,一是通過(guò)對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)的性能需求和系統(tǒng)性能的對(duì)比分析,解決系統(tǒng)能在多大程度上滿足作戰(zhàn)任務(wù)要求,并找出影響作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵系統(tǒng)因素;二是評(píng)估系統(tǒng)對(duì)整個(gè)體系的能力提升或填補(bǔ)能力差距方面有何貢獻(xiàn)？基于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),一方面可以明確特定任務(wù)背景下的作戰(zhàn)體系及相應(yīng)的支撐系統(tǒng),進(jìn)而通過(guò)仿真等手段獲取相應(yīng)的能力指標(biāo)和作戰(zhàn)效能指標(biāo);另一方面,可以從體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接獲得相應(yīng)的性能指標(biāo).通過(guò)建立性能指標(biāo)和能力指標(biāo)、效能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,可以比較特定任務(wù)場(chǎng)景下系統(tǒng)能力差距或效能差距的滿足情況,進(jìn)而分析體系結(jié)構(gòu)的整體效能.

綜合評(píng)估是綜合考慮體系結(jié)構(gòu)的功能性指標(biāo)和非功能性指標(biāo),對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評(píng)估.體系結(jié)構(gòu)非功能性指標(biāo)的評(píng)估,包括可用性、費(fèi)用、風(fēng)險(xiǎn)等方面,主要回答“所設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)是否有用、是否具有可實(shí)施性”等問(wèn)題.

3 C4ISR體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估方法

國(guó)內(nèi)外對(duì)體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估方法已開展了大量研究.國(guó)外研究側(cè)重在驗(yàn)證評(píng)估方法,主要研究了專家評(píng)審法、基于軟件體系結(jié)構(gòu)評(píng)估的方法和基于可執(zhí)行模型的方法[10].國(guó)內(nèi)學(xué)者主要研究了體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估的概念、內(nèi)涵、內(nèi)容和方法,如羅愛(ài)民提出了一種C4ISR系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)信息模型,建立了一種體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析框架[8];修勝龍研究了C4ISR體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的一致性開發(fā)和驗(yàn)證方法[11];黃力研究了基于Statechart圖的C4ISR系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證方法[12];姜志平研究了基于CADM的C4ISR系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證方法及關(guān)鍵技術(shù)[13];姜軍研究了可執(zhí)行體系結(jié)構(gòu)及DoDAF的可執(zhí)行化方法[14].這些研究從不同側(cè)面分析了體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估問(wèn)題.

根據(jù)方法的特點(diǎn),體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估方法可以分為3類:形式化驗(yàn)證方法、基于仿真模擬的驗(yàn)證評(píng)估方法和綜合評(píng)估方法.

3.1 體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估的形式化方法

形式驗(yàn)證的核心是利用數(shù)學(xué)的確定性證明設(shè)計(jì)的正確性.這證明意味著這種驗(yàn)證是完備的,在數(shù)學(xué)上是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?設(shè)計(jì)的正確性通常與規(guī)范有關(guān).規(guī)范就是要求、約束.就體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證來(lái)說(shuō),規(guī)范體現(xiàn)在兩方面:高層模型和性質(zhì).高層模型就是自頂向下設(shè)計(jì)時(shí)的上層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如綜合級(jí)體系結(jié)構(gòu)是項(xiàng)目級(jí)體系結(jié)構(gòu)的規(guī)范,作戰(zhàn)視圖是系統(tǒng)視圖的規(guī)范等.下層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了上層設(shè)計(jì)要求,就認(rèn)為設(shè)計(jì)是正確的.性質(zhì)就是體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中必須始終遵守的行為屬性,如業(yè)務(wù)流程的活性、正確性、有界性等.常用的體系結(jié)構(gòu)形式化驗(yàn)證方法有:基于數(shù)據(jù)模型的完整性檢查、基于圖論模型的數(shù)據(jù)關(guān)系分析、基于Petri網(wǎng)模型的流程合理性驗(yàn)證、基于有限狀態(tài)機(jī)模型的安全驗(yàn)證等.

3.2 基于仿真模擬的體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估方法

基于仿真模擬的體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估方法指的是根據(jù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),建立仿真模型并進(jìn)一步形成仿真系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)性能或效能評(píng)估的方法.根據(jù)建立仿真模型時(shí)所使用體系結(jié)構(gòu)模型的不同,可以將基于仿真模擬的驗(yàn)證評(píng)估方法分為體系結(jié)構(gòu)模型級(jí)模擬仿真、體系結(jié)構(gòu)視圖級(jí)模擬仿真和集成級(jí)模擬仿真3類.

體系結(jié)構(gòu)模型級(jí)模擬仿真對(duì)單個(gè)體系結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真分析,以確定模型設(shè)計(jì)的合理性和可行性,判斷性能指標(biāo)是否滿足需求.體系結(jié)構(gòu)視圖級(jí)模擬仿真基于視圖內(nèi)的多個(gè)模型建立仿真模型,分析整個(gè)視圖設(shè)計(jì)內(nèi)容的合理性、可行性,可以評(píng)估作戰(zhàn)效能、系統(tǒng)性能等指標(biāo).體系結(jié)構(gòu)集成級(jí)模擬仿真基于多個(gè)視圖內(nèi)的體系結(jié)構(gòu)模型建立仿真模型,分析整個(gè)體系結(jié)構(gòu)所具備的能力及滿足需求的情況.

3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),在難度、復(fù)雜度、分析范圍和使用的仿真引擎方面各有不同,如表1所示.

3.3 體系結(jié)構(gòu)綜合評(píng)估方法

體系結(jié)構(gòu)綜合評(píng)估方法可以采用一般系統(tǒng)綜合評(píng)估的方法,如層次分析法、專家評(píng)審法、軟件體系結(jié)構(gòu)折衷分析方法等.

不同驗(yàn)證評(píng)估方法能夠支持不同的體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估活動(dòng),如形式化方法可以支持?jǐn)?shù)據(jù)及關(guān)系分析、邏輯行為驗(yàn)證和性能評(píng)估等活動(dòng),基于模擬仿真的方法能為性能和效能評(píng)估提供有效支持,綜合評(píng)估方法則適合于效能評(píng)估和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選.

體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估方法還存在許多難點(diǎn)問(wèn)題沒(méi)有完全解決.具體包括:

1)對(duì)形式化方法,如何根據(jù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)生成需要的形式化模型？這些形式化模型遵循的規(guī)范或滿足的性質(zhì)是什么;如何開展相關(guān)規(guī)范和性質(zhì)的驗(yàn)證？如何解決形式化方法應(yīng)用中的狀態(tài)空間爆炸等問(wèn)題？

表1 基于仿真模擬的體系結(jié)構(gòu)驗(yàn)證評(píng)估方法

2)對(duì)基于仿真模擬的驗(yàn)證評(píng)估方法,如何根據(jù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)生成仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),如何根據(jù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的性能參數(shù)生成仿真配置參數(shù),如何進(jìn)行探索性分析快速找到關(guān)聯(lián)的指標(biāo)及其影響？

3)對(duì)綜合評(píng)估方法,如何根據(jù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展非功能性指標(biāo)如可靠性、風(fēng)險(xiǎn)等的評(píng)估分析？