艦船裝備信息系統敏捷原型頂層設計方法

李 皓，徐文元，郭 麗，張生曉，許 鵬

(中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094)

艦船裝備信息系統敏捷原型頂層設計方法

李 皓，徐文元，郭 麗，張生曉，許 鵬

(中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094)

針對國內艦船裝備信息系統總體設計存在的體系結構描述不直觀、需求難于完備等問題，參考軟件工程的敏捷軟件開發方法，本文提出敏捷原型頂層設計方法，并對方法的內含、實現步驟、支撐手段進行了描述。該方法可為用戶與設計人員提供共同交互、共同理解系統需求的原型系統，實現系統設計與系統需求之間的逐步完善、逐步深化、逐步逼近，為實現艦艇裝備信息系統總體快速設計提供理論依據.

艦船裝備信息系統；敏捷原型；頂層設計

0 引 言

艦船裝備信息系統隨著作戰需求的變化，其組成、功能、關系也越來越復雜，為了使其更好地符合軍事需求，實現系統設計最優化，同時，也為了降低研制成本，必須有一種有效的設計方法來指導艦船裝備信息系統的設計，能盡早的與用戶方進行交流溝通，進一步明確和挖掘需求；能盡早的發現系統設計的缺陷，減少后期修改量，降低研制成本；能形象的展示設計理念和設計方案，可準確地指導下一步工作。

針對這類復雜系統，國外普遍采用體系結構設計方法開展系統設計，如美國國防部的 DoDAF（Department of Defense Architecture Framework）、英國國防部的 MoDAF（Ministry of Defense Architecture Framework）、北約的 NAF（NATO Architecture Framework）等，都是體系結構設計方法，能夠為體系結構的設計提供指導，能規范體系結構的設計過程、設計內容和設計形式，使系統的組成關系、流程和信息接口的描述得以統一，便于系統分析、設計和實現人員及使用維護人員對系統體系結構設計的理解、比較和交流，提高系統總體設計的效率。同時，為很好地使用這些體系結構方法，提供了相應的設計工具，如 SA，Rhapsody 等。

但這類方法和工具在艦船裝備信息系統設計過程中，仍然存在以下不足：1）體系結構設計方法要求需求一步到位，即需求具備完備性，否則無法設計出各視圖產品，但艦船裝備信息系統的需求都是逐步明晰、逐步細化的過程；2）體系結構設計出的視圖產品主要采用軟件描述語言如UML進行描述，即使采用SysML 描述，也是由軟件描述語言演化的，不能做到所見即所得，無法直接將設計結果與用戶溝通，無法在設計過程中不斷捕獲和修正需求，實現需求的多次迭代、反復漸進。因此，需要在體系結構設計方法基礎上，補充一種能快速實現可操作、可演示的原型系統頂層設計方法——敏捷原型頂層設計方法，彌補體系結構設計方法的不足。敏捷原型頂層設計方法主要參考了軟件的敏捷開發方法，結合艦船裝備信息系統頂層設計的特征而提出的。敏捷開發方法是針對傳統瀑布式開發模式中的弊端而產生的一種開發模式，它以用戶的需求進化為核心，采用迭代、循序漸進的方法進行軟件開發。具有開發精確、高質量、高速度、高投資回報、高效率等優點，目標是提高開發效率和響應能力。

1 敏捷原型頂層設計方法

敏捷原型頂層設計方法同樣是以用戶的需求演進為核心，采用迭代、循序漸進的方式進行設計。即在需求不是很完備的情況下，抓住系統的重點和主要矛盾，快速實現一個可操作、可演示的原型系統——為用戶與設計人員提供共同交互、共同理解系統需求的原型系統，從而不斷捕獲需求、修正設計方案，實現系統設計方案的逐步完善、逐步深化、最終逼近真實系統。敏捷原型頂層設計方法具有靈活性、高效性、動態性等特點，從而保證設計方案的快速逼近和用戶需求變化的快速響應。

敏捷原型頂層設計方法不同于傳統的原型系統，原型系統應體現最終目標產品的主要和基本功能，是具有可運行、可演示性質的早期版本；敏捷原型法不要求是否體現主要功能，它只需對系統進行簡單、快速的需求捕獲，重點從人機交互角度進行功能實現，而且，核心是借助開發工具快速實現原型系統。它也不同于軟件設計中的界面原型，界面原型主要采用靜態的方法設計出目標系統的每個界面，界面之間的相互關系、界面的操作流程、界面顯示的信息等都無法描述。而敏捷原型設計方法則采用動態的方法將目標系統的界面進行實現，將與界面顯示、界面關聯、人機交互等方面相關的功能進行實現。

2 敏捷原型頂層設計方法的特點

敏捷原型頂層設計方法相對于傳統的設計方法具有以下特點：

1）需求的不完備性和不確定性。傳統的設計方法要求用戶需求完整和明確，只有在正確完整的需求下才能得到正確的結果。但是在實際的艦船裝備信息系統設計過程中，需求往往是變化的、逐步挖掘出來的，造成這種原因，大部分是用戶自己無法準確地提出自己的需求，需隨時間變化而不斷明確，當然，有時是用戶不能很好地表達自己的需求，或者是用戶和設計者理解上的差異。傳統的設計方法很難適應這種變化，而敏捷原型頂層設計方法擁抱變化，允許變化隨時隨地發生，通過對變化的快速響應達到需求的逐漸完備和確定。

2）用戶參與設計。傳統設計方法中用戶的參與度不高，與設計團隊之間相對割裂，是導致最終研制出的系統與用戶理想的系統差距較大的重要原因。而敏捷原型頂層設計方法通過提供便利的交互環境——敏捷原型系統，促使用戶參與到設計過程中，用戶通過操作和使用快速原型系統，提出修改意見和建議，不斷的修正和完善系統設計方案。

3）理解的一致性。傳統的設計方法往往采用文字和圖表的方式，在用戶和設計人員之間以及設計人員內部進行交流溝通，文字的理解具有二義性，圖表方式雖然相對直觀，但也需要在統一規范下才能達到一致的理解，而且需要具備一定的計算機軟件知識。而敏捷原型頂層設計方法通過提供可操作、可演示的敏捷原型系統，使不同人員之間達到一致的理解，大大提高溝通交流的有效性和準確性。

4）整體可評價性。傳統的設計方法是一種靜態設計方法，對設計方案優劣的判斷大部分采用專家研討的方式，屬定性評價方式，而且評價的內容跟專家的知識結構和水平強相關，無法保證每次評價的內容、評價的粒度相同。敏捷原型頂層設計方法無論是系統的功能、數據要求及數據結構、操作性能、特點以及系統的體系結構等方面均可進行定性或定量的評價，將評價結果快速反饋到設計中。

3 敏捷原型頂層設計方法實現步驟

敏捷原型頂層設計方法的實現步驟分為：快速分析、原型構造（以界面為主的功能）、運行評價原型、修改原型 4 步，再構造、再運行評價、再修改，直到獲取到滿意的需求，具備充分指導裝備設計工作為止。

1） 快速分析：分析人員和用戶通過界面原型方法快速確定系統的基本要求，編寫需求規格說明書，以備開發模型使用。

2） 原型構造：使用原型開發工具對系統進行建模、集成測試，快速產生出敏捷原型。

3） 運行評價原型：運行敏捷原型系統，通過用戶的操作，體驗目標裝備系統的操作方式、交互流程、指揮關系、部分功能特征等，從而評價敏捷原型與用戶需求的吻合程度，提出修改意見。

4） 修正和改進原型：根據修改意見進行修改。修改完后，再次進入運行評價原型階段，2 個階段是一個不斷迭代、交替進行的過程。

當然，若修改意見屬于顛覆性或需求的大幅增加，就需要從新開始分析－構造－運行與評價－修改。

4 敏捷原型頂層設計方法

根據原型輔助的敏捷體系結構設計方法，研制出界面原型設計和集成運行環境、原型信息生成與運行環境，為設計人員提供一個可視化的且方便、快捷的軟件界面原型設計和集成運行環境，提供 1 套基于作戰系統協議的接口、流程生成和運行環境，彌補體系結構設計工具 SA 描述的不直觀、非動態的缺點，統一和規范概念原型的開發，提高開發效率。

1）界面原型設計和集成運行環境

界面原型設計和集成運行環境主要由開發平臺、UI 設計器、工程模板構件等 3 部分組成。每部分包含的功能如圖 2 所示。

開發平臺集成相關模板框架和組件，使平臺具備自定義向導功能；提供工程模板構件管理，使平臺具備識別自定義構件并解析自定義構件功能；利用 Visual Studio SDK 使開發平臺具備定制擴展接口。同時，開發平臺提供測試用例的管理功能，開發人員可根據新建項目向導選擇是否加載原型模擬數據，用戶可以對原型測試數據進行更新及刪除等管理功能。

UI 設計器是為設計人員提供的一款設計工具，用戶可利用設計器對各個面板組件進行拖拽式布局、支持對拖拽的元素組件進行屬性設置、支持自定義多個顯示器數量及位置，是否自適應屏幕大小、支持多個界面元素以 TAB 欄的方式進行堆疊、支持界面占位元素，用戶也可向組件添加自定義標題文字及圖片。

工程模板構件包含以組件形式存在的若干種項目模板。每套模板包括控件庫、資源庫、新建項目向導等，均存在組件庫中，供設計人員使用，并擴展到其他模板框架中去。

因此，界面原型設計和集成運行環境面向 3 類人員使用：設計人員、開發人員、維護人員，設計人員主要使用界面編輯器進行界面設計工作，并將設計的結果基于 xml 格式以資源配置文件形式導出，生成的資源配置文件提供開發人員進行應用程序開發。開發人員主要使用開發平臺進行組件業務邏輯的開發，通過使用開發平臺集成的自定義工程模板向導功能，對工程模板構件進行解析，若符合需求直接使用工程模版構件，若不符合則進行二次開發形成新的工程模版。維護人員主要使用控件庫管理進行資源組件和工程模板構建，累積控件庫資源，讓資源得以復用。

2）原型信息生成與運行環境

設計環境還根據研究內容 1 中研究的某典型艦艇裝備防空反導系統的系統結構成果，利用 DODAF 工具建立全局視圖、作戰視圖、系統視圖、技術視圖等產品形成設計模型庫實現統一管理，通過將基于敏捷原型設計工具和開發環境生成的界面元素，系統設計模型等，存入模型庫實現統一管理。

5 結 語

艦船裝備信息系統作為一個復雜的工程系統，各組成部分之間耦合緊密，需求捕獲困難，方案設計工作繁雜，本文參考軟件敏捷開發方法，并結合我國艦船裝備系統設計的實際特點，創新性地提出了敏捷原型頂層設計方法，為艦船裝備信息系統的頂層設計提供理論依據和手段，從而提高艦船裝備信息系統設計的合理性和效率。

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[3]DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework Version 1.5. The United States: Department of Defense, 2007

[4]DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework Version 2.0. The United States: Department of Defense, 2009

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[7]劉玉仁, 董震曜. 快速原型法在軟件設計中的應用[J]. 光電對抗與無源干擾, 2002(4): 6–9

[8]趙國平. 敏捷鑄造中的快速原型技術[J]. 鑄造設備研究, 1999(6): 4–39

[9]王 沖. 敏捷開發與傳統瀑布模型的比較及教學[J]. 福建電腦, 2011(4): 61–62

The agile prototype top-level design on warship equipment information system

LI Hao, XU Wen-yuan, GUO Li, ZHANG Sheng-xiao, XU Peng
(Systems Engineering Research Institute, Beijing 100094, China)

Aiming at problems that the architecture description is not intuitive, the demand is difficult to complete during the overall design of Warship Equipment Information System (WEIS), the method of the agile prototype top-level design is introduced based on the system engineering method in this paper. And the content of the method, the realization steps, the support means are described. This method can provide a prototype system of mutual interaction and mutual understanding between users and designers, and realize the system design and system requirements gradually improve, gradually deepen, gradually approaching, which is a theoretical basis for the overall rapid design of WEIS.

warship equipment information system (WEIS)；the agile prototype；top-level design

TP12

A

1672 – 7649(2017)08 – 0185 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.04.039

2016 – 04 – 27；

2016 – 08 – 02

李皓(1975 – )，女，研究員，研究方向為系統集成設計、系統仿真及精益研發技術等。