网络信息体系需求工程

陈洪辉 陈涛 张维明

网络信息体系是以网络中心、信息主导、体系支撑为主要特征的复杂巨系统,是推动我军信息化建设实现跨越式发展的抓手.需求是体制变革、系统研制和形成战力的重要起点,是牵引网络信息体系论证建设的关键.科学准确地获取和描述网络信息体系的建设需求,并对其进行高效便捷的管理,才能充分发挥需求论证结果的作用,为网络信息体系的设计研发提供有效指导.

一般意义上的需求工程[1]或传统意义上的军事信息系统需求工程[2],所研究的对象层次较低,方法技术也难以应对网络信息体系的复杂性对需求开发和管理带来的挑战,具体体现为:

1)对体系的使命、能力分析不足.网络信息体系建设相比一般系统而言更为顶层.传统的需求工程多从业务入手,对体系组成系统共同完成使命,以及如何形成战略层次的能力考虑不足,导致“只见树木,不见森林”,无法体现体系的演化性和涌现性.

2)对体系组成要素间的关联考虑不够.传统需求工程技术多以单一系统为研究对象,根据特定的应用场景或业务开展需求论证工作.对组成体系的各系统多是独立分头进行论证,相互间缺乏有效沟通,从而影响体系整体能力的充分发挥.

3)方法可扩展性不足.传统的需求工程方法在开展跟踪、排序等管理活动时,多采用人工手动建立跟踪矩阵、专家打分等方法,效率较低.网络信息体系的需求数量远超一般系统,需求管理的工作量将呈指数级增长,传统方式已无能为力.

4)量化分析手段缺失.传统的需求排序和验证评估等环节,多以主观意见为主,缺乏有效的量化分析手段.当面临规模更为庞大、关联更为复杂的体系需求分析问题时,分析结果的科学性、准确性将大打折扣.

传统需求工程技术的上述缺点,将严重制约网络信息体系的需求论证和建设,迫切需求结合网络信息体系的新特点、新需求,开展需求工程技术的研究,为推进网络信息体系建设稳步发展、充分发挥网络信息体系效能提供重要支持.

1 网络信息体系需求工程基本框架

借鉴军事信息系统需求工程的定义[2],可将网络信息体系需求工程定义为:对网络信息体系进行需求分析,确定用户需求,帮助分析人员理解问题并定义体系所有外部特征的技术或方法.它以体系所需具备的能力为牵引,以军事人员和技术人员为分析主题,确定体系建设目标及用户需求,系统地描述体系的功能特性、行为特性及相关约束.可以认为网络信息体系需求工程由需求生成机制、需求开发和需求管理3部分内容组成,如图1所示.

图1 网络信息体系需求工程基本框架

需求生成机制是网络信息体系需求工程的重要基础,也是与传统需求工程最根本的差别所在.通过明确方法论指导,规定网络信息体系需求分析的主要活动及相互关系,避免传统需求生成过程在实践中暴露出的对各军种需求统筹考虑不够、重复建设、集成性欠缺、“三互”差强人意等缺点.

需求开发包括能力需求提取、能力差距分析、需求描述、需求集成和需求验证评估5个基本活动.能力需求提取是以网络信息体系的使命要求为依据,分析使命要求与能力的关联关系,得出体系的能力需求.能力差距分析,是以网络信息体系当前的结构组成为依据,分析当前已具备能力与能力需求的差距.需求描述指用规范的文档形式,对所明确的能力需求、能力差距以及能力差距的弥补方案进行描述,便于后续的验证评估和管理.需求集成是指将多个利益相关者描述的需求从形式和内容两个方面进行合成,形成有机的整体.需求验证评估是对所描述的正确性、合理性进行检验,判断需求是否是内部一致无误的,以及所描述的需求是否能够达到最初的研制目标,即弥补能力差距、形成所需的能力.

需求管理包括需求跟踪、需求优先级排序和需求审核3个基本活动.需求跟踪是指采用跟踪链或跟踪矩阵的形式,对同一内涵但形式不同的需求、需求之间、需求与其他系统研发元素(例如设计方案)之间的逻辑联系进行记录和维护.需求优先级排序是指根据一定的评价标准,对所有需求的优先级顺序进行指定.需求审核指对需求的变化情况、版本等进行控制.

在上述框架中,能力需求提取和能力差距分析可借鉴外军经验开展工作,需求集成可借鉴体系结构集成的方法技术,需求审核仍可采用传统的变更管理和版本控制方法,余下部分则需针对网络信息体系的特点对传统方法进行改造更新.本文后续将针对网络信息体系背景下的需求生成机制、需求描述、需求验证评估、需求跟踪和需求优先级排序等方法技术的研究思路分别展开讨论.

2 网络信息体系需求生成机制

需求是制定规划计划、确定研制方案等活动的主要依据.因此,高质量的需求是搞好网络信息体系建设的重要前提.对网络信息体系需求生成机制的研究,主要是要明确需求生成的方法论指导,规定需求生成过程,建设配套参考资源,从机制上形成对需求质量的保证.

在方法论指导上,基于能力的需求分析方法和体系结构方法是非常适宜用来指导军事需求工作的方法.1)基于能力的需求方法是美军已采用多年的需求生成方法,其大致过程包括能力领域分析、能力需求分析、能力缝隙分析和能力需求方案分析4个阶段.美军国防部的三大决策支持系统之一的联合能力集成开发系统[4](Joint Capability integrated development system,JCIDS)就是采用基于能力的方法.2)体系结构方法是目前国内外大型复杂系统建设普遍采用的顶层设计方法[5].在军事需求工作中采用体系结构方法具有以下几个方面的优点:一是能从多个视角出发,系统全面地描述各领域、各部门的需求;二是便于各类需求的集成和管理,形成一体化的整体需求;三是它能成为联系需求与规划计划、军种建设、装备研发等的通用语言,能贯穿从需求到设计到制造的整个流程;四是便于需求描述转化为形式化模型和仿真模型,支持需求验证与评估.

对网络信息体系需求生成过程的研究,需要参考外军实践经验,提出符合我军实际的需求生成过程及相关机构设置.总的来说,网络信息体系需求从生成到发挥作用,通常要经过需求提出、需求评审与统筹、需求贯彻与落实等主要环节.1)需求提出主要根据使命任务、部队建设等需要,提出相应的军事需求.需求提出过程包括根据使命任务、联合作战等需要提出原始需求;结合现有能力进行需求分析,按照规范化方法进行需求建模;消除由冲突和不合理需求得到的需求;形成需求文档等步骤,得到初步军事需求等步骤.2)需求评审与统筹主要针对各相关单位形成的初步军事需求,由全军统一的需求论证责任单位组织对需求进行统筹分析、评审、综合分类,并进行优先排序,明确需求的基本解决方案,再根据需要将综合分析的结果下发各相关部门,进一步修改完善各自需求.经过多次迭代后,形成最终需求.3)需求贯彻与落实主要根据最终的需求分类和解决方案,将需求提交给相关的部门,由其进行规划计划制定、装备立项论证、训练演习方案制定、经费预算等,并进行需求跟踪,监督各需求的落实情况,判断具体实施方案是否满足需求.为在需求生成各环节抓好落实,需要在现有编制体制下,从需求生成所需人员、标准规范和支撑手段3个方面入手分析,进一步论证网络信息体系需求论证支撑机构设置.

参考资源用于规范和支撑需求生成各环节工作,提高需求获取、描述、验证评估等活动的规范性和科学性.参考资源主要包括标准规范、基础数据和模型3类.标准规范类参考资源包括网络信息体系能力谱系、联合任务清单、信息交互清单等,提供需求生成必须遵循的规范和约束.技术数据类参考资源包括作战、人员、物资、装备等各方面的基础数据,为需求建模和验证评估提供支撑.模型类参考资源主要包括作战规则和仿真评估模型,用于支撑基于仿真的需求验证评估.参考资源的建设是一项长期、复杂的战略工程,需要由军方牵头,联合各领域有关单位分工协作,协同推进建设.

3 网络信息体系需求描述技术

对需求的刻画描述是指导系统或体系建设的重要基础.通常采用文本为主辅以图表的形成需求文档,并以需求文档作为后续工作的输入.这种方式虽然使用了各种需求建模方法,但近些年较大规模系统的研制实践表明,需求描述的规范化、数据化还存在不足,各论证单位分头描述的需求难以集成,对研发的牵引作用也难以发挥.网络信息体系建设更为复杂,上述问题将更为突出,迫切需要开展需求描述技术的研究.对网络信息体系需求描述技术的研究,应当以基于能力的需求分析方法和体系结构方法为指导,从需求描述框架、需求元模型、需求描述过程和需求描述工具4个方面着手,如图2所示.

图2 网络信息体系需求描述技术研究内容

目前已有的需求描述框架很多,以文本形式或对已有体系结构框架进行裁剪为主,但主要是针对信息系统或具体项目建设,没有考虑体系的特点和要求[6−7].对网络信息体系需求描述框架的研究,首先要基于网络信息体系的特点、体系运行机理等研究成果,明确需要描述的要素和要求.从当前理解来看,需要要素应当至少涵盖能力、作战/业务活动、信息、规则等.其次,针对网络信息体系建设、运用、管理等各环节,梳理风险承担者的组成与分类,分析各类风险承担者的职责,综合提出描述框架的视角组成、地位作用、相互关系等.最后,结合体系设计要素和风险承担者关注内容,定义各视角的描述内容,确定各视角的模型集.

确定描述框架后,需要建立相应的元数据模型,在数据上对需求进行规范.需求元模型应当包括概念数据模型、逻辑数据模型和物理交换规范.概念数据模型的研究需要基于网络信息体系概念、内涵等基本理论研究成果,对核心概念数据进行定义,并支持未来的扩展.逻辑数据模型主要定义概念数据模型相关的数据实体和关系,消除自然语言描述存在的二义性.物理交换规范研究要结合描述框架定义,分析框架模型对数据元素的引用关系,形成通用的物理交换规范,便于对多个利益相关者描述的需求进行集成.对元模型的研究深化,可反过来加强对框架模型的理解和重新认识,促进框架的修改完善.

需求描述过程主要是分析各模型开发顺序,定义网络信息体系需求描述的具体步骤,明确各步骤的主要工作、输入输出关系以及提交的成果.上述研究成果将为需求描述框架和需求元模型的使用提供指南.

需求描述工具是支持上述理论研究成果落地的手段,能为需求描述、检查、集成和后续的验证评估提供有力支持.目前市面上流行的需求描述工具多以文本描述为主,少数能支持已有的框架,但难以扩展适应新的框架.因此,需要针对网络信息体系需求描述的特点,研制新的软件工具.需求描述工具研制应当支持基于框架和元模型进行定制扩展,具备一定的适应能力.

4 网络信息体系需求验证评估技术

需求验证评估主要是验证需求描述是否正确无误、逻辑一致,并对所描述需求在性能和行为上能否满足体系所需具备的能力或用户的要求进行评估.以往系统研制过程中,通常是采用会议评审的方式对需求进行审查,主要靠专家依据经验和知识进行主观判断.这种方法一来专家负担较重,二来缺少量化标准.在网络信息体系建设中,组成要素庞杂,相互关联紧密,需求数量激增,迫切需要自动化的手段来提高验证评估的效率,需要量化分析技术以实现验证评估的精细化.此外,量化手段还可用于评估各组成要素对体系能力形成的贡献程度,为建设过程中的科学决策提供依据.

需求的验证评估必须以其所采用的描述方法为基础.因此,需要结合所提出的网络信息体系需求描述框架和元模型,开展验证评估技术研究.针对军事信息系统的需求验证评估,我们做了一些探索性工作,主要是基于军事信息系统需求描述框架的验证工作[2].对网络信息体系需求的验证评估,可借鉴前期研究成果,从验证和评估两个方面分别开展研究.

对需求验证技术的研究主要从5个方面入手:1)语法规范验证:基于网络信息体系的需求描述框架和元模型,检查是否存在名词术语、数据元素等的错误使用.2)模型规则验证:检查所建立的模型是否符合该类模型的语法规则.3)数据完备性验证:检查需求描述数据是否完整,例如作战活动是否被分配到某个节点执行.4)数据一致性验证:检查不同视图、不同模型之间对同一数据元素的属性及关系的描述是否一致.5)需求模型的合理性验证:主要针对活动图、时序图等模型,检验模型描述是否存在死锁等问题.

考虑到在需求评估阶段尚未存在可供测试评估的实际系统,基于仿真手段开展评估成为了我们的首选考虑.由于网络信息体系的需求描述相比一般系统的需求描述更为顶层,作为体系组成要素的系统尚未开展设计,无法从系统设计方案直接生成仿真模型,因此,需要在完成模型、数据参考资源的基础上,将对体系需求描述中的实体转换为可执行模型,利用HLA/RIT/DDS等中间件的建设成果将模型进行集成,基于需求描述中的场景进行仿真,采集仿真数据开展分析评估,并利用STK等可视化环境进行展现,为需求论证人员提供决策依据.

5 网络信息体系需求跟踪技术

在传统需求工程领域,需求跟踪就是一项重要的活动,是需求确认、系统验证、变更管理等的依据[1].但需求跟踪也是一项成本较高的活动,有些企业甚至为了避免这种投入在工程实践中不进行需求跟踪[8].网络信息体系的复杂性远超一般系统,需求规模更为庞大,需求跟踪的重要性更为突出,但传统需求跟踪技术在网络信息体系建设中却因人力成本过于巨大而基本不具可操作性.因此,在网络信息体系背景下开展需求跟踪技术研究,主要是提高需求跟踪的自动化水平,降低人的工作负载.基于上述考虑,我们认为对网络信息体系需求跟踪技术的研究,应当从4个方面展开,如图3所示.

基于语义的需求跟踪模型为自动化生成候选跟踪链提供理论基础.目前已有研究探索了将文本相似性用于需求跟踪[9−10],但这些成果的准确性都较低[11].语义的引入,将为同时实现降低跟踪成本和提高跟踪精度提供可能.通过分析需求中的语义片段,挖掘语义片段间的深层关联关系,并利用这种语义相似关系构建需求间的关联关系,生成候选跟踪链.需求论证人员利用候选跟踪链时,需要人为判断其是否正确(即跟踪链两端的需求是否存在跟踪关系).

图3 网络信息体系需求跟踪研究内容

基于机器学习的跟踪链生成方法主要是利用机器学习技术提高所生成候选跟踪链的准确性.通过对需求跟踪模型生成的候选跟踪链进行人工识别,分别构建正向学习集合(正确的候选链)和负向学习集合(错误的候选链),随后再利用多个学习器进行学习,并利用学得的模型改进需求跟踪结果.

模型化需求的跟踪方法主要针对形式化需求模型对象的跟踪问题开展研究.学术界已有的研究多考虑文本类需求的跟踪问题,然而在网络信息体系的需求论证中,模型化需求是必不可缺的,也需要跟踪方法的支持.根据跟踪链两端内容的不同,又可将问题细分为“文本-模型”、“模型-模型”两类子问题.主要的解决思路是将模型化需求转化为具有明确语义标识的XML文件,通过对XML文件中语义片段的抽取,基于需求跟踪模型生成候选链路.

需求跟踪关系的可视化展现方法主要解决目前跟踪关系展现方式贫乏的问题.传统方法展现形式单一,主要采用矩阵反映跟踪关系,一方面是当需求数量较多时用户浏览不便,另一方面给用户理解和利用跟踪关系带来了困难.为解决上述问题,要分析各类涉众利用跟踪关系的特点和要求,针对性地提出形式多样、便于图上漫游的展现方法,为用户方便快捷地利用跟踪关系进行各种分析决策(例如:分析需求之间的依赖、冲突与冗余等关联关系,分析哪些需求是关键需求等)提供支持.

6 网络信息体系需求排序方法

对需求按优先级进行排序是方案设计和系统研发前的首要任务之一[12].一般信息系统需求排序通常采用比例尺度排序和顺序尺度排序[13].比例尺度排序为每个需求在指定值域内赋值(例如0∼100%),比较典型的有层次分析法[14]、100美元法等.顺序尺度排序则直接为需求的顺序进行赋值,典型方法有累计投票法、Top-10、分级法等[1].这些方法要么粒度较粗(只能将需求分成少数几个等级),要么可扩展性差、复杂性高(需要人工参与对所有需求都进行两两比较),也都没有考虑需求变更对排序结果的影响.在网络信息体系需求论证中,需求数量相比一般信息系统急剧增加,体系滚动推进建设时不可避免会经常出现需求变更,多涉众参与排序也难免出现排序意见不一致.传统方法难以处理上述情况,需要研究与之相适应的需求排序方法,如图4所示.

图4 网络信息体系需求排序研究思路

高可扩展的精细化排序方法的目标是在降低用户参与排序工作负担的同时,对所有需求的优先级进行排序,即同时提高可扩展性和排序粒度.我们已开展了探索研究,基于图论的思想将需求优先级关系用有向图进行建模,将排序问题转化为图的有向支撑树问题,并提出了求解的启发式算法,取得了较好的效果,但仍存有继续优化的空间.

排序结果动态更新方法主要解决部分需求发生变更后排序结果更新困难的问题.需求变更必将导致需求的优先级发生变化,传统方法需要重复完整的排序过程,开销太大.解决思路是针对各类需求变更情况(新增、修改、删除等)分析其对全局排序结果的影响机制,基于排序结果的有向图模型提出动态更新方法.

基于不一致意见的排序学习方法研究,可借鉴知识工程领域偏好学习[15]的思想,将涉众对需求的排序看作对未知真实排序结果的采样,将需求两两比较结果作为学习样本,以均方误差为度量并综合涉众权重构建目标函数,对真实排序结果进行推断.

7 结论

本文分析传统需求工程技术在网络信息体系建设中面临的挑战,明确定义了网络信息体系需求工程的概念内涵.由于一般意义上的需求工程或传统意义上的军事信息系统需求工程技术存在着对体系组成要素间的关联考虑不够、方法可扩展性不足、量化分析手段缺失等问题,难以完全满足网络信息体系需求论证的需要.本文重点针对网络信息体系背景下的需求生成机制、需求描述、需求验证评估、需求跟踪和需求排序等方法技术的研究思路进行了讨论,结合前期研究基础提出了研究思路,对未来网络信息体系需求工程的发展具有一定的参考价值.由于网络信息体系的研究才刚刚起步,一些理解和认识还不够深入.下一步将结合作者单位所承担的网络信息体系理论研究课题和工程建设任务,不断加以改进完善并开展实证研究.