金群峰，李　綱，侯溯源，衛(wèi)　威

1．西安測繪研究所，陜西 西安，710054；2．地理信息工程國家重點實驗室，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．西安測繪研究所，陜西 西安，710054；2．地理信息工程國家重點實驗室，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，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)點圖；可視化；自動布局算法

1　前　言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，測繪裝備體系越來越復(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)行測繪裝備體系結(jié)構(gòu)設(shè)計時，分析整理這些要素，根據(jù)任務(wù)要求，對要素進(jìn)行合并歸類，梳理要素內(nèi)部和要素間的關(guān)系，是測繪裝備體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容。但是，在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于要素眾多、關(guān)系復(fù)雜，目前在對要素進(jìn)行梳理整合時，多是從現(xiàn)有經(jīng)驗出發(fā)，由人工進(jìn)行判斷，缺乏科學(xué)的理論和方法。為了解決這個問題，作者在規(guī)范化體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(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，通過對體系結(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，實現(xiàn)對體系結(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　測繪裝備體系結(jié)構(gòu)開發(fā)

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

依據(jù)DoDAF1.5 體系結(jié)構(gòu)框架，采用ABM方法(基于活動的方法)[3]，開發(fā)了OV-2(業(yè)務(wù)節(jié)點視圖)，OV-5(業(yè)務(wù)活動視圖)，OV-4(業(yè)務(wù)組織視圖)等業(yè)務(wù)視圖產(chǎn)品。其中，OV-2描述了測繪生產(chǎn)活動的業(yè)務(wù)節(jié)點；OV-5描述了測繪生產(chǎn)活動；OV-4描述了與測繪生產(chǎn)活動相關(guān)的組織機(jī)構(gòu)和人員，并建立了業(yè)務(wù)節(jié)點、活動、組織機(jī)構(gòu)之間的三元關(guān)系。同時，還開發(fā)了SV-1、SV-4、SV-5等系統(tǒng)視圖產(chǎn)品。其中，SV-1描述了測繪生產(chǎn)軟件的系統(tǒng)節(jié)點連接描述和測繪生產(chǎn)軟件的組成；SV-4描述了根據(jù)測繪生產(chǎn)活動，測繪軟件系統(tǒng)所應(yīng)具有的功能；SV-5描述了活動和功能之間的對應(yīng)關(guān)系，并建立了系統(tǒng)節(jié)點、軟件系統(tǒng)功能、系統(tǒng)實體(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，對體系中的系統(tǒng)裝備進(jìn)行梳理,實現(xiàn)裝備的精簡整合，起點是測繪業(yè)務(wù)活動，需要依據(jù)活動、功能、系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，自上而下進(jìn)行梳理。但是，測繪裝備系統(tǒng)種類和功能眾多，在進(jìn)行人工梳理時，難度很大，需要新的手段和方法。為此，通過對體系結(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)，可以自動形成相關(guān)裝備精簡整合的初步方案。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

測繪裝備梳理的目標(biāo)是通過對不同裝備之間關(guān)系的分析，對裝備進(jìn)行科學(xué)整合，實現(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)部兩種不同要素(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

對體系結(jié)構(gòu)要素間關(guān)系進(jìn)行分析，首先要將整個體系結(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，要素與要素之間的關(guān)系(如系統(tǒng)和功能的對應(yīng)關(guān)系)視為連接節(jié)點之間的邊，從而將整個體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為一張由節(jié)點(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。整個體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)依據(jù)圖論,定義為一個圖的二元組(V,E)，其中頂集V為要素集，邊集E為關(guān)系集。E的元素是一個二元組數(shù)對，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)點圖

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

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

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

按照上述原則，對系統(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)點圖，如圖 3所示。在該圖中，每一個節(jié)點表示一個測繪裝備系統(tǒng)；節(jié)點和節(jié)點之間的邊表示兩個系統(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)

由于測繪裝備數(shù)量眾多，無論是從矩陣還是網(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，輔助、指導(dǎo)測繪裝備精簡、整合。為此，需要設(shè)計相關(guān)的布局算法，自動調(diào)整整個網(wǎng)絡(luò)圖中節(jié)點的布局，使得功能重合的節(jié)點自動聚類在一起，邊的權(quán)重越高(功能重合越多)，其節(jié)點之間的距離就越近。

根據(jù)上述要求，采用力引導(dǎo)(neato)自動布局算法對所生成的單模式節(jié)點圖進(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，來源于“彈簧模型”[5]。其本質(zhì)思想是將圖看做一個頂點為鋼環(huán)，邊為彈簧的物理系統(tǒng)，通過計算彈簧彈力(引力和斥力)，尋找使整個系統(tǒng)達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)的方法來確定節(jié)點在圖形中的位置。在布局時，所有的節(jié)點都隨機(jī)置于一個平面上，算法模擬引力和斥力，為每個節(jié)點計算最佳的全局布局X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)。通過neato布局算法，當(dāng)整個系統(tǒng)達(dá)到平衡時，沒有聯(lián)系的節(jié)點將相互遠(yuǎn)離，緊密聯(lián)系的節(jié)點則傾向聚集在一起，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，通過對邊的權(quán)重進(jìn)行過濾(如只顯示權(quán)重>5的邊)，來顯示不同的分類層次。也可使用GMap算法[6]對圖進(jìn)行處理，自動對聚類的范圍進(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時軟件之間關(guān)系　　　　關(guān)系權(quán)重為5時軟件之間關(guān)系圖5　使用不同權(quán)重過濾后系統(tǒng)的劃分

根據(jù)所生成的聚類圖，在進(jìn)行測繪裝備的分類和整合時，可以以此為起點，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繪裝備，進(jìn)行譜系整理。

4　結(jié)束語

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，能夠為初始方案設(shè)計提供依據(jù)，并為后續(xù)多方參與的譜系整理工作，通過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)的測繪裝備體系結(jié)構(gòu)設(shè)計分析系統(tǒng)中，已經(jīng)集成了該方法，應(yīng)用于測繪裝備體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，并在測繪生產(chǎn)作業(yè)軟件的一體化改造方案設(shè)計中進(jìn)行了驗證，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-業(yè)務(wù)活動-角色的三元關(guān)系，用于業(yè)務(wù)節(jié)點的劃分和體系中編制體制的調(diào)整。下一步將繼續(xù)深化對該方法的研究。根據(jù)分析目標(biāo)對聚類的算法和相關(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)計中進(jìn)行關(guān)聯(lián)影響分析[J]. 軍事運籌與系統(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，高級工程師，主要從事測繪導(dǎo)航總體論證研究。

E917

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