基于体系结构模型的复杂电子信息系统需求开发方法研究 |
| 2012-08-28 13:08 作者：张怀天 韩昭明 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网8月28日消息 《硅谷》杂志2012年第14期刊文称，如何很好地开发研制复杂电子信息系统已成为各国工业部门关注的焦点。经过几次信息化作战的经验教训，为应对未来的作战挑战，美国、英国等国主要工业部门逐渐摸索出面向复杂电子信息系统的体系工程方法。将结合当前体系需求开发需要，在美国、英体系需求开发方法研究的基础上，提出一套基于体系结构模型的复杂电子信息系统需求开发方法，以支撑体系论证、开发和研制。
21世纪是信息时代，信息技术使现代商业、工业、通信业等方面转向网络中心化时代。未来商业运营、工业生产、通信业务将涉及陆、海、空、天、电、网络多维空间的系统单元，是基于信息系统、以信息为主导，具有网络化、智能化、协同化、精确化特征的体系运作，需要操作规程、人员组织、组织机构、系统设备、综合保障、训练培训等方面的异质融合和高度一体，通过体系内部各单元间高度的内聚力提升体系运作效能。如何保障复杂电子信息系统等在未来体系运作中充分发挥体系的“粘合剂”和提高效能的“倍增器”作用已成为各国系统开发和装备发展建设中亟需解决的问题。体系工程方法为指导体系研究、体系建设提供了一套很好的技术方法和管理模式。目前体系工程方法已广泛应用于各国的军民用复杂电子信息系统的发展和建设[1]。
体系需求开发是体系工程的第一步，它决定了体系建设和运用的总体环境、体系需完成的使命任务、约束条件和目标[2]。本文在跟踪分析国内外体系需求开发理论与方法的基础上，提出基于体系结构模型的复杂电子信息系统需求开发方法，给出了需求开发的相关建议和措施，并对此需求开发方法的应用前景进行了展望。
1相关概念
1）体系（SystemofSystems，SoS）
它是指一系列相互依赖的系统，它们之间相互关联或相互连接以提供特定的能力。系统的任何一部分的损失都将严重削弱整个体系的性能或能力[1]。
2）体系工程（SystemofSystemsEngineering，SoSE）
它是指通过规划、分析、组织和集成等方法，组合各类现有和新系统的能力形成体系能力，并使得体系能力大于各系统能力叠加的方法和过程[1]。
3）体系需求
它是指通过获取、分析、规范化描述方法，确定体系使命任务、能力需求以及体系需求解决方案的过程，它综合考虑了对现有系统、演进系统以及新系统，反映了现有系统、标准、规定的局限性和不足[3]。
4）体系结构
它是各组成部分的结构、相互关系以及制约设计和随时间演进的原则和指南。体系结构模型是用文字、表格与图形表征体系结构每个视角特色与特征的结果，是体系结构开发的所有成果的代名词，是体系结构数据及其导出信息的特殊表示形式[4]。
2国外体系需求开发的几点做法
纵观冷战后的几场信息化条件下的局部战争，它实证与检验出以美国为代表的关于复杂电子信息系统需求开发的经验与教训，同时它又在新的起点上发展复杂电子信息系统需求开发的新模式、新方法。其主要有联合能力集成与开发制度（JCIDS）基于能力的分析评估（CBA）方法[5]、精明需求（SR）[6~7]方法以及体系结构理论、方法等支撑手段（以国防部体系结构框架（DODAF[8]）为代表）等等。
一是联合能力集成与开发制度（JCIDS）。这是美国国防部根据当代威胁形式变化，由“基于威胁”转向“基于能力”的采办模式而采用的一种渐进式采办、体系需求开发与优选方法。从某种意义上讲，它是以作战人员为主导、为主体，以能力为主线而形成的一种武器装备体系特别是复杂电子信息系统需求开发、体系发展论证方法和过程。该方法已成功应用于GIG、航空电子信息系统等多个军民用项目中[1]。
二是精明需求分析方法（SR）[6~7]。这是英国国防部借鉴美国基于能力的分析评估方法（CBA），结合本国国情与文化，在英国“精明采办”政策与制度指导下，以系统工程为主线，与采办全过程紧密相结合，涵盖武器装备全寿命，满足国家安全与发展战略的军事需求、适应信息化条件下的局部战争需要而形成的武器装备特别是复杂电子信息系统需求开发和管理方法。
三是体系结构理论与方法。它以美国防部体系结构框架（DODAF）为代表，是在总结几十年来复杂电子信息系统建设和体系研发经验教训的基础上，于本世纪初提出来的一种一体化、标准化顶层设计方法。其主旨是辅助复杂电子信息系统研制建设、交付全谱作战能力，包括能力视图、运作视图、系统视图、标准视图等8大类体系结构模型[9]。
上述做法共性特征：一是以国家战略与安全策略为基点、先进作战概念为指导、体系作战能力为核心、仿真试验与演习为手段，成熟商用工具为支撑，开展体系需求开发；二是以军方为主导与监督实体、制度化标准化为约束，确保体系需求开发有法可依、有法必依。
目前国外主要国家在体系需求开发方面主要存在四个问题：一是涉及用户和研制单位众多、利益之争尖锐激烈，相容性难，一方面强调体系的一体化与网络化，另一方面却又突出彰显各用户的主角与权威，争夺各自利益。二是体系需求具有演进性和不确定性、需求分析和需求管理难度大；三是虽然体系需求开发的手段强大、技术先进，但难以抑制后续体系和设备研制周期与费用拖而涨的问题，迫使各国不断减砍大项、削减经费、改革采购制度；四是由于电子信息系统具有要素多、复杂度高等特征，其体系需求开发的新模式、新方法还处于不断探索与争辩之中，有待于实践检验与统一认知。
3基于体系结构模型的体系需求开发方法
本文拟以“体系结构模型”为重要手段，以信息为主导，以业务能力为核心，以体系效能为标准，针对复杂电子信息系统需求开发问题，首先运用“体系结构”作为用户需求和体系需求的一种规范化描述方法，再用体系结构模型形成的基础数据集，进行比对性分析、匹配性分析、一致性分析等，用于分析发现体系或系统存在的问题与矛盾，进而有针对性地对体系研发与改进提出解决方案，其主要分析过程包括环境及威胁分析、使命任务分析、典型业务分析、能力需求分析、体系需求方案论证分析五个步骤，如图1所示。在体系需求开发方面，必须从体系环境出发，以任务为驱动，紧密围绕使命任务（特别是各类使用人员的具体业务）展开分析论证，然后通过多个典型业务的运用分析，提出业务指标体系，再通过现有体系的执行能力与完成任务率的比对分析，得出关键问题与能力差距的结论，以此输入到体系需求论证分析过程之中，进而形成不同种类的需求文档和指标要求，用于指导和约束体系的关键技术攻关和研制。另外，联合仿真试验与测试评估、实装试验与训练等，始终伴随体系需求开发的全过程。总之，体系需求开发全过程必须以体系结构为支撑，其关键要素一是业务、二是能力需求、三是仿真试验与测试评估等。
图1基于体系结构模型的复杂电子信息系统
需求开发方法过程模型
3.1环境及威胁分析
环境及威胁分析主要解决体系运行背景与环境的问题。其内容包括：环境分析和威胁分析，其中：环境分析主要是就公司或国家顶层战略，确定体系运行所处的国家（地区）安全环境，包括国家（地区）内部及周边政治、经济、外交、军事、文化、民意等态势和主要影响因素；威胁分析是明确可能的威胁来源与形式、潜在和现实威胁对象，及其对当前和目标电子信息系统带来的威胁和挑战。
3.2使命任务分析
使命任务分析主要解决体系需要完成哪些使命任务的问题。主要根据环境和威胁分析，确定各类用户和使用人员的使命任务。结合网络化条件下的电子信息系统运用研究和专家研讨，制定各种体系运用概念，从而形成面向各类应用的联合运用概念集，支持此阶段分析的体系结构模型主要有OV-1。
3.3典型业务分析
典型业务分析主要解决体系具体要完成哪些业务、如何完成任业务的问题。其内容包括：辨识所需的能力、确定具体业务、确定操作条件、确定业务指标，其中辨识所需的能力，是依据各类使用人员职责和业务需求，确定其所需的业务能力；确定具体业务，是结合所需体系运用概念、业务能力，确定体系运用概念下对应业务能力的具体业务；确定操作条件，是确定与业务操作的相关条件要求，如操作环境、操作规则等；确定业务指标，是根据业务和操作条件，确定具体业务在时间、空间、信息等方面的要求和指标。支持此阶段分析的体系结构模型主要有OV-1、OV-2、OV-3、OV-4、OV-5、OV-6a、OV-6b、OV-6c。
3.4能力需求分析
能力需求分析主要是解决体系业务能力差距的问题。其内容包括：确定能力差距、评估能力差距风风险、排定能力差距优先级，其中，确定能力差距，主要是依据业务想定，结合业务指标要求，在具体业务解析的基础上，确定各业务能力的差距；评估能力差距风险，是据此是从现有体系业务能力、设备能力、训练能力等方面分析能力差距产生原因，如人员和设备编配不足；能力缺失、结构不合理；设备水平不高；训练水平不高等，并评估能力差距可能产生的风险；排定能力差距优先级，主要是根据能力差距形成的风险，结合现有与今后高新技术的支持情况与经费可能，排定能力差距优先级、规划能力发展路线图。支持此阶段分析的体系结构模型主要有CV-2、CV-3、CV-4、OV-1、OV-2、OV-3、OV-4、OV-5、OV-6c以及现有体系的SV-1、SV-2、SV-3、SV-4、SV-5。
3.5体系需求方案论证分析
体系需求方案论证分析主要是解决通过何种途径和方法解决体系业务能力差距的问题。其内容包括：非设备解决方案论证分析、设备解决方案论证分析、非设备与设备解决方案综合论证分析，其中，非设备解决方案论证分析，主要是提出与系统设备无关的解决方案，如创新操作规程、改良训练培训方式、调整组织编配、提高领导和业务人员素质、重组体系与系统结构等；设备解决方案论证分析，主要是在充分论证考量技术储备、关键技术及技术风险、时间进度和成本效益等方面的基础上，明确所有可能的体系需求解决方案，重点是改进改造设备和研发高新设备；非设备与设备解决方案综合论证分析，主要是围绕业务能力需求，基于效果评价，论证提出预期能力的非设备解决方案与体系需求解决方案的组合，以及联合仿真试验或技术攻关建议。经过体系需求方案论证分析之后，对非设备与设备解决方案进行整理形成非设备解决方案和体系需求解决方案。支持此阶段分析的体系结构模型主要有CV-2、CV-3、CV-4、OV-1、OV-2、OV-3、OV-4、OV-5、OV-6c以及未来体系的SV-1、SV-2、SV-3、SV-4、SV-5。
4应用建议
运用基于体系结构模型的复杂电子信息系统需求分析方法需要注意以下几个方面思想的转变：
1）主体思维
改变之前“以客体为中心”、针对特定威胁、强调威胁形式、威胁会在何时何地发生的设备需求分析开发模式，转变为以“主体为中心”、突出重点、以不变应万变，强调威胁对象如何挑战以及需要什么样的能力来应对未知威胁。
2）体系思维
从体系综合运用的角度出发，打破各类用户在体系中“烟囱式”思维模式，将设备和系统置于多用户联合运用和网络化多类并行运用的大背景下，兼顾体系运用全过程，最终向各类用户交付有用、可用、可负担的能力，实现以系统为中心到以体系业务能力为中心的思维转变。
3）融合思维
摆脱之前“唯设备论”的思想，重视操作规程、人员组织、训练培训、领导水平、人员素质等其他非设备因素，促进设备因素和非设备因素的双向融合与统筹谋划，从而加快业务能力生成和交付，提高体系研制开发的综合效益，适应应对各时期威胁的需要。
具体实施过程中，建议：面向未来体系运用和网络化运用，加强运用理念、技术理念和与顶层概念研究，指导体系与能力建设，使研发的各类设备具有与生俱来的联合性，形成满足未来各种业务需求的体系业务能力；复杂电子信息系统需求开发过程中，以国家和公司顶层战略为基点、体系运用概念为指导、使命任务为牵引、体系业务能力为核心、联合与一体化为目标、综合效能为基准，设备和非设备因素分析研究相结合，确保获得使用人员所需的能力需求；以体系结构理论和相关产品等规范性方法辅助体系需求分析和需求描述，加强需求开发基础体系结构模型和数据的积累，提高需求开发成果的重用性；加强SA等辅助工具的应用，缩短论证周期、提高论证效率以及论证分析的正确性、有效性和合理性。
5结论及展望
随着技术复杂性、系统复杂性以及单元精确性要求的提高，特别对配置大量信息化设备的复杂电子信息系统而言，仅仅依靠单独的设备或系统并不能形成体系运作能力，需要从体系的角度，从联合运用和网络化运用的全过程、全要素以及设备的全寿命周期构建体系能力，才能有效确保用户体系运作能力快速的生成和提升。本文在考虑借鉴国外复杂电子信息系统需求开发的先进技术，结合体系工程思想，从体系的角度，提出了基于体系结构模型的复杂电子信息系统需求开发方法，构建了其开发过程模型，并经研究分析给出了支撑各需求开发活动的体系结构模型，该方法已用于相关复杂电子信息系统的需求开发和论证工作，对未来信息化、网络化条件下复杂电子信息系统体系需求论证具有一定的借鉴意义。
作者简介：
张怀天（1980-），男，河北唐山人，硕士，工程师，主要从事复杂电子信息系统顶层设计，研究方向：体系需求分析与论证、体系结构设计。（原文载于《硅谷》杂志2012年第14期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载） |
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