一種基于數據驅動的裝備信息系統軟件快速設計框架

陳思源 李 燁 孔 鑫 鄭 鑫

中國運載火箭技術研究院， 北京 100076

0 引 言

信息化時代的大背景下，信息技術的發展極大地推動了新世紀軍事的革新，現代化軍隊建設的重要標志就是信息化程度的提高，在信息化、大數據、網絡化基礎設施的支撐下，下一代作戰裝備的數據化發展成為必然。裝備信息系統旨在為裝備信息的準確、可靠、快速、高效的采集、傳輸和管理提供有效手段的信息系統，它利用計算機和網絡技術，實現武器系統綜合保障決策的科學化和快速化，全面提升裝備綜合保障效率和效益。

軟件開發方法不斷更替變化，追求高質量和高效率的軟件開發是軟件工程演化的核心目標[1]，許多面向不同種類軟件的開發方法被提出，如基于構件的軟件開發方法[2]、模型驅動的軟件設計開發方法[3]、基于數學的形式化軟件開發方法[4]等。對于裝備信息系統軟件，其設計核心是裝備數據，目前裝備信息數據越來越呈現出“海量異構”、“動態實時”、“復雜多源”等特征。面向該類軟件，圍繞數據的用途和流向開展軟件設計是更加合理有效的設計模式。

隨著云計算、大數據時代的到來，許多以數據驅動軟件設計的思維和模型被提出，如面向數據的體系結構[5-6]，基于大數據的軟件設計模型[7-8]等。這些方法的核心思想都是將數據作為設計的中心，從面向流程的開發轉變為面向數據的開發，從軟件結構上去適應和解決具有大數據特征信息系統的研制問題。本文借鑒相關思想，結合裝備信息系統的對象特征，提出了一種基于數據驅動的裝備信息系統軟件快速設計框架，為相關軟件的設計提供了基礎理論和方法技術支撐。

1 開發框架總體設計

武器裝備的信息數據涉及裝備生產、測試、使用、維修、銷毀全壽命過程中各方面數據的產生、維護、管理和使用，包含數值、文字、圖片、文檔、影像、音頻等各種類型的數據格式。不同武器裝備根據自身特性不同，其信息系統作用和使命各不相同，其所包含的數據模態也有較大的不同。數據不同導致裝備信息管理軟件的整體業務流程和運行模式差異很大。但對于各類裝備信息系統軟件，它們的共同特征均為“數據定義業務”的運行模式，即以數據驅動業務需求為基本設計依據。本文提出的裝備信息系統軟件開發框架，通過構建面向該類軟件設計的數據驅動指導模式，形成一套輔助開發工具集合和解決方案，提高該類軟件開發的效率、可靠性和安全性。

裝備信息系統軟件開發框架的核心設計思路是實現數據“土壤”生長服務“森林”的機制，使設計人員的精力集中于復雜信息數據的分析和結構設計上，所有依附于數據的業務服務由框架提供的輔助開發工具快速具象化，并建立各服務間的邏輯交互關系，使其生成為一個面向用戶使用的完整系統軟件。開發框架沒有基于任何商業框架，自身實現了基于Java Web的MVC(模型-視圖-控制器)三層設計模式，從框架層面實現了軟件的前后臺解耦，簡化了設計人員的開發和配置。

2 數據驅動的敏捷開發設計模式

2.1 表單型業務設計模式

表單型業務是用戶基于某一組表或單界面進行數據處理的業務服務，是處理裝備信息最常用的手段，如查看裝備的關鍵指標、健康狀態、出廠信息、配套關系等。基于開發框架進行該類業務的開發模式如圖1所示。

2.1.1 映射1過程

圖1中映射1表示由數據庫中的業務表生成一個基于該表的業務服務的過程，這個過程是一對多的，即一個業務表可以通過框架生成數個服務。

圖1 表單型業務開發設計流程

開發框架通過映射1實現了一鍵式驅動生成業務服務的功能，當前階段該服務會被進行初始參數配置，同時可以按默認配置直接運行。

2.1.2 映射2過程

映射2表示配置服務控制層的過程，控制層是當前服務的中樞，控制當前服務中數據的基本流轉規則，負責連接視圖層和模型層交互，具體配置信息如下：

1) 配置服務基本信息：基本信息包括服務的標識、服務的從屬關系、服務運行的基本策略等。其中基本策略主要是指如“多用戶同時修改業務的同一條數據時的修改策略”這種業務數據增刪改查時的基本規則；

2) 配置服務字段信息：服務字段信息中的標識信息可由數據庫表信息直接映射獲取，框架可對其二次修改；

3) 配置服務權限信息：配置可訪問該服務界面的權限規則；

4) 配置服務過濾規則：配置當前服務中需要被過濾的數據項；

5) 配置關聯子服務：選擇已有服務與當前服務，建立從屬關系，這里需要匹配當前服務和已選子服務間的外鍵連接數據項。

2.1.3 映射3過程

映射3表示配置服務視圖層的過程，視圖層負責當前服務的人機交互部分，實現對交互過程展示細節的配置，具體配置信息如下：

1) 配置頁面展示規則：開發框架對表單型業務實現了基本頁面框架(如圖2所示)，包含了兩級展示界面，一級界面(列表界面)以列表形式概要顯示該服務對應的數據表項，二級界面(卡片界面)以卡片界面樣式詳細顯示列表項中每個字段；開發框架可對每個頁面的全局效果進行配置調整，如每頁顯示列表項條數等；

圖2 表單型業務基本頁面框架

2) 配置字段展示規則：配置每個字段在列表界面和卡片界面的顯隱關系、排列順序、檢索規則和顯示樣式等，每個字段可以選擇文本框、下拉框、樹形框、字典項等表現形式，還可以配置手動輸入、查詢選擇、日期選擇等人機交互方式；

3) 配置人機交互接口：配置當前服務可以點擊的人機交互操作按鈕；

4) 配置自定義視圖文件：可以通過載入用戶自定義的JavaScript文件，重寫當前服務的展示頁面。

2.1.4 映射4過程

映射4表示配置服務模型層的過程，模型層實現當前服務的后臺邏輯運算，每個“模型單元”通過控制層的連接與視圖層人機交互接口一一對應；開發平臺本身提供了增加、刪除、復制、保存等“固有模型”，同時用戶通過該配置過程也可實現“自定義模型”與人機交互接口的綁定。

2.2 流程型業務設計模式

流程型業務指對于業務數據的處理需要在多用戶間流轉進行的業務服務，如處理裝備的維修過程、保養過程、定檢過程、出入庫過程等。基于開發框架進行該類業務的開發模式如圖3所示。

圖3 流程型業務開發設計流程

流程型業務同樣通過開發框架基于數據驅動生成業務界面，對于界面的配置過程與表單型業務基本一致，而對于流程型業務最重要的是配置業務的流程形態。開發框架提供可視化的開發工具，通過拖拽連線的方式實現流程的節點和流轉關系設置。

對于流程中每個節點，可以進行的配置如下：

1) 節點基本信息：如節點的名稱、節點界面的顯隱關系等；

2) 操作權限：配置當前節點可以增刪改哪些數據項或發起哪些操作，如打回操作、辦結操作、注釋操作等；

3) 數據權限：配置當前節點可以查看與當前業務相關的數據種類；

4) 超時配置：配置節點超過處理時限后的操作；

5) 附加變量配置：配置業務流轉時節點間傳遞的附加參數。

對于流程中每條連接線，可以配置線(線表示流轉過程)的基本信息，、條件表達式(流轉條件判斷)、參數映射關系和一些附加事件。

2.3 可視化統計型業務設計模式

可視化統計型業務指將各類數據及其統計結果以一種直觀、容易理解的形式呈現給用戶的業務。通過開發框架的數據維護引擎，開發人員可以將數據庫數據直接進行相應處理后與可視化功能連接，通過一定配置，快速形成高展示度界面，開發設計流程如圖4所示。

圖4 可視化統計型業務開發設計流程

裝備信息系統軟件開發框架將數據引擎與數據可視化模塊建立直接關聯，極大提高了數據展示效率。開發人員可以從感知與認知系統特性、數據本身屬性和目標任務決定數據的呈現方式，可以通過柱狀圖、餅狀圖、折線圖、散點圖等二維、三維圖形對數據進行多樣化呈現，向用戶展示不同數據集的動態變化趨勢，統計數據集的規模和變化方向，通過圖形圖像的可視化手段達到幫助用戶輔助分析決策的目的。

3 裝備信息數據規范模型

3.1 規范模型設計

裝備信息系統軟件開發框架旨在為所有該類型軟件提供基礎開發支撐，針對各類裝備不同的數據管理需求，在充分分析裝備數據的構成、共有屬性、業務基本模式等的基礎上，設計裝備數據的規范模型，通過該模型形成裝備數據的解析范式，實現各類裝備信息數據的本質一致性存儲、檢索和業務使用，保證開發框架的通用性。裝備數據的規范模型基于航天裝備數據的信息化標準，充分考慮裝備涉及的各類型各專業異構多源數據的實際情況，形成統一的數據描述與封裝標準，規范模型結構如圖5所示。

圖5 裝備數據規范體系結構

元數據用于存儲各種類型的數據本身，元信息用于描述元數據的定義，即描述數據的數據，裝備數據規范模型的核心是元信息的結構，其中：

1) 數據字典用于指示元信息中各類數據的物理意義，如在安全等級字段，字典會將“1”翻譯成“一級”，字典會將“2”翻譯成“二級”；

2) 分類定義用于指示不同字段數據的基本類型，如文本、圖片、音頻、視頻等；

3) 維度定義與分類定義配合使用，對數據的一些詳細信息進行描述，如文件后綴名、文件大小、文件的存儲位置和方式等；

4) 接口定義用于指示用戶訪問該數據的方式，如只讀、讀寫、下載本地等；

5) 安全標準與接口定義配合使用，劃分不同權限對應不同的數據訪問方式。

本文的元信息結構中還設計了一定的預留字段，在后續使用中，當增加了某些不在元信息描述范疇內的元數據時，可以方便開發人員進一步擴展。

3.2 數據維護引擎

開發框架包含基于數據規范模型的數據維護引擎，該引擎可以實現對各種類型的裝備數據的封裝、存儲和索引；通過封裝后的所有裝備數據可以實現“自識別”，即數據本身通過系統元數據庫功能可以實現跨專業、跨格式、跨應用查詢、檢索、獲取、解析和利用。數據維護引擎的作用流圖如圖6所示。

圖6 數據維護引擎工作示意圖

開發人員通過引擎在規范模型的約束下建庫，簡化了專業業務人員的建庫工作，為系統提供了良好的可操作性。軟件使用時，在導入外部數據階段，需為當前文件配置一個xml格式的索引文件，引擎通過索引文件將原始外部文件封裝；在用戶訪問階段，引擎通過解析元信息將數據還原。基于本文設計的元數據引擎，可為開發框架提供高靈活性、適應性的數據處理接口，是開發框架保持通用性的核心方法。

4 實踐效果

利用開發框架可以實現基于底層數據表結構一鍵式快速生成含有人機交互界面的業務模塊，業務呈現形式可以根據數據使用需求在多種模態間切換。開發框架可以將在框架外部實現的復雜業務處理方法與業務服務快速關聯(圖7～8分別為表單型和流程型業務配置界面)，進一步通過界面的配置實現軟件整體的敏捷搭建。

圖7 表單型業務配置界面

圖8 流程型業務配置界面

開發人員通過數據引擎提供信息數據集中注冊和管理的平臺，按照數據規范模型的約束和指導，實現對于所有信息數據在邏輯上的創建、存儲、管理及檢索操作，數據注冊過程具有很強的通用性，通過權限配置和過濾規則模塊實現數據權限的快速設置。

目前，本文提出的快速設計框架已有效應用于數個運載火箭以及導彈裝備的裝備信息系統中；尤其在裝備全壽命保障體系的研制論證階段，利用本框架可以實現1-2天內快速形成原型軟件系統，相比傳統開發模式研制效率提升5倍以上。

5 結 論

本文提出的裝備信息系統軟件快速設計框架，形成了一套基于數據驅動的信息管理類軟件設計模式以及配套的輔助開發工具，具備支撐軟件快速研發、規范裝備性數據結構、增強大數據呈現效果的優點。基于數據驅動的開發模式與裝備信息類軟件設計過程的高度匹配，增強了系統可靠性、降低了研制成本，是該類軟件研發的一種高效的技術手段和整體解決方案。