基于網絡映射的體系結構要素關系分析方法

金群峰，李　綱，侯溯源，衛　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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基于網絡映射的體系結構要素關系分析方法

金群峰1，2，李綱1，2，侯溯源1，2，衛威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構設計的系統梳理、整合方法，即利用DoDAF體系結構框架進行裝備體系結構設計，根據體系結構產品中不同要素(系統、系統功能等)的關系矩陣，以一種要素(系統功能)為基準，采用網絡映射的方式來分析其與體系內其它要素間的關聯關系，并且提出了這種關系的可視化算法。在此基礎上，分析了系統間的相似度，為系統的整合提供支撐。

體系結構；關系分析；雙模式節點圖；可視化；自動布局算法

1　前　言

隨著信息技術的發展，測繪裝備體系越來越復雜，涉及了多種要素(如能力、任務、業務、組織、人員、系統等)，要素間相互關聯影響，通過信息系統協同工作，共同完成任務目標。在進行測繪裝備體系結構設計時，分析整理這些要素，根據任務要求，對要素進行合并歸類，梳理要素內部和要素間的關系，是測繪裝備體系結構設計的重要內容。但是，在體系結構設計時，由于要素眾多、關系復雜，目前在對要素進行梳理整合時，多是從現有經驗出發，由人工進行判斷，缺乏科學的理論和方法。為了解決這個問題，作者在規范化體系結構設計的基礎上提出了基于網絡映射的體系結構要素關系分析方法，通過對體系結構數據的分析，并基于體系結構要素之間關系，實現對體系結構同一類要素(如人員、裝備等)的梳理整合和譜系優化。

2　測繪裝備體系結構開發

為科學合理地設計測繪裝備體系，需要在現代系統工程方法論的指導下開發測繪裝備體系結構。為此，采用DoDAF(美國國防部體系結構框架標準)[1，2]及其相關開發工具設計測繪裝備體系，保證了體系結構設計的規范性、準確性與科學性(以下以測繪軟件裝備為例進行描述)。

依據DoDAF1.5 體系結構框架，采用ABM方法(基于活動的方法)[3]，開發了OV-2(業務節點視圖)，OV-5(業務活動視圖)，OV-4(業務組織視圖)等業務視圖產品。其中，OV-2描述了測繪生產活動的業務節點；OV-5描述了測繪生產活動；OV-4描述了與測繪生產活動相關的組織機構和人員，并建立了業務節點、活動、組織機構之間的三元關系。同時，還開發了SV-1、SV-4、SV-5等系統視圖產品。其中，SV-1描述了測繪生產軟件的系統節點連接描述和測繪生產軟件的組成；SV-4描述了根據測繪生產活動，測繪軟件系統所應具有的功能；SV-5描述了活動和功能之間的對應關系，并建立了系統節點、軟件系統功能、系統實體(軟件)之間的三元關系。業務視圖與系統視圖三元關系如圖 1所示。

圖1　DoDAF中的ABM方法

從上述視圖產品可以看出，對體系中的系統裝備進行梳理,實現裝備的精簡整合，起點是測繪業務活動，需要依據活動、功能、系統間關聯關系，自上而下進行梳理。但是，測繪裝備系統種類和功能眾多，在進行人工梳理時，難度很大，需要新的手段和方法。為此，通過對體系結構產品的分析，應用體系結構產品中要素及要素間的關系數據，可以自動形成相關裝備精簡整合的初步方案。在此基礎上，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　基于網絡映射的體系結構要素關系分析方法

測繪裝備梳理的目標是通過對不同裝備之間關系的分析，對裝備進行科學整合，實現體系優化。因此，首先考慮的是依據裝備現有功能，將具有相同或相似功能的裝備進行合并。基于上述原則，本文提出了基于網絡映射的體系結構要素關系分析方法，通過建立體系結構的要素關系分析模型，將體系結構要素(如系統等)內部關聯關系量化，將體系結構內部兩種不同要素(如系統與功能)之間的關聯關系，以一種要素(如系統功能)為基準，通過網絡映射的方式，轉換為同一種要素內部之間的關系，并用網絡圖的方式呈現，為系統的分類組成提供依據。

3.1體系結構要素到網絡圖的映射

對體系結構要素間關系進行分析，首先要將整個體系結構映射為一張“圖”。即把體系結構各類要素(如系統、系統功能)視為節點，要素與要素之間的關系(如系統和功能的對應關系)視為連接節點之間的邊，從而將整個體系結構轉化為一張由節點(體系結構中各類要素)和邊(要素與要素之間的各種關系)所構成的圖。整個體系結構數據依據圖論,定義為一個圖的二元組(V,E)，其中頂集V為要素集，邊集E為關系集。E的元素是一個二元組數對，用(x,y)表示，其中(x,y)∈V[4]。

根據映射圖，可以將體系結構設計中所形成的系統功能之間的矩陣，映射為一張雙模式的節點圖，如圖 2所示。

圖2　系統與功能關系矩陣和雙模式節點圖

依據雙模式圖，以系統功能為基準，將系統實體與系統功能之間的關聯關系轉換為系統實體與系統實體之間的關聯關系。轉換時，按照如下原則進行：

(1)如果兩個系統實體具有同一個功能，則兩個系統實體之間存在著關聯關系；

(2)如果兩個系統實體具有相同的功能越多，則認為兩個實體之間的關聯越強。

按照上述原則，對系統與系統之間關系矩陣進行轉換形成單模式節點圖，如圖 3所示。在該圖中，每一個節點表示一個測繪裝備系統；節點和節點之間的邊表示兩個系統中存在著功能重合；邊的權重表示功能重合的數量。

圖3　系統與系統關系矩陣與單模式節點圖

3.2體系結構要素關聯關系的可視化呈現

由于測繪裝備數量眾多，無論是從矩陣還是網絡圖中，都很難直接發現其關聯關系的規律。為解決這一問題，需要將相應的矩陣和網絡圖依據它們關聯關系的緊密程度，以清晰、合理的形式呈現出來，輔助、指導測繪裝備精簡、整合。為此，需要設計相關的布局算法，自動調整整個網絡圖中節點的布局，使得功能重合的節點自動聚類在一起，邊的權重越高(功能重合越多)，其節點之間的距離就越近。

根據上述要求，采用力引導(neato)自動布局算法對所生成的單模式節點圖進行處理。力引導布局算法是目前應用最廣泛的可視化布局算法，來源于“彈簧模型”[5]。其本質思想是將圖看做一個頂點為鋼環，邊為彈簧的物理系統，通過計算彈簧彈力(引力和斥力)，尋找使整個系統達到一個穩定狀態的方法來確定節點在圖形中的位置。在布局時，所有的節點都隨機置于一個平面上，算法模擬引力和斥力，為每個節點計算最佳的全局布局X坐標和Y坐標。通過neato布局算法，當整個系統達到平衡時，沒有聯系的節點將相互遠離，緊密聯系的節點則傾向聚集在一起，如圖 4所示。

圖4　利用neato算法進行自動布局后的系統關系圖

在此基礎上，還可根據分類中層次的要求，通過對邊的權重進行過濾(如只顯示權重>5的邊)，來顯示不同的分類層次。也可使用GMap算法[6]對圖進行處理，自動對聚類的范圍進行劃分，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。

關系權重為1時軟件之間關系　　　　關系權重為5時軟件之間關系圖5　使用不同權重過濾后系統的劃分

根據所生成的聚類圖，在進行測繪裝備的分類和整合時，可以以此為起點，依據系統功能，由多方(如：管理者、開發者、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，進行譜系整理。

4　結束語

基于網絡映射的體系結構要素分析方法在進行復雜裝備體系的分析、梳理時，能夠為初始方案設計提供依據，并為后續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。在作者開發的測繪裝備體系結構設計分析系統中，已經集成了該方法，應用于測繪裝備體系結構優化研究，并在測繪生產作業軟件的一體化改造方案設計中進行了驗證，取得了較好的效果。該方法除了用于基于功能的系統梳理外，也可依據體系結構中業務節點-業務活動-角色的三元關系，用于業務節點的劃分和體系中編制體制的調整。下一步將繼續深化對該方法的研究。根據分析目標對聚類的算法和相關參數(如權重)進行調整，將影響調整結果的一些主觀因素(如：用戶的需求)與定量分析相結合，進一步提高分析結果的準確性和可用性。

[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,衛威.利用可視化技術在體系結構設計中進行關聯影響分析[J]. 軍事運籌與系統工程,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，主要從事測繪導航總體論證研究。

E917

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