基于网络映射的体系结构要素关系分析方法

金群峰，李　纲，侯溯源，卫　威

1．西安测绘研究所，陕西 西安，710054；2．地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054；3.北京易安赛思科技有限公司，北京，100081



基于网络映射的体系结构要素关系分析方法

金群峰1，2，李纲1，2，侯溯源1，2，卫威3

1．西安测绘研究所，陕西 西安，710054；2．地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054；3.北京易安赛思科技有限公司，北京，100081

本文提出了一种基于体系结构设计的系统梳理、整合方法，即利用DoDAF体系结构框架进行装备体系结构设计，根据体系结构产品中不同要素(系统、系统功能等)的关系矩阵，以一种要素(系统功能)为基准，采用网络映射的方式来分析其与体系内其它要素间的关联关系，并且提出了这种关系的可视化算法。在此基础上，分析了系统间的相似度，为系统的整合提供支撑。

体系结构；关系分析；双模式节点图；可视化；自动布局算法

1　前　言

随着信息技术的发展，测绘装备体系越来越复杂，涉及了多种要素(如能力、任务、业务、组织、人员、系统等)，要素间相互关联影响，通过信息系统协同工作，共同完成任务目标。在进行测绘装备体系结构设计时，分析整理这些要素，根据任务要求，对要素进行合并归类，梳理要素内部和要素间的关系，是测绘装备体系结构设计的重要内容。但是，在体系结构设计时，由于要素众多、关系复杂，目前在对要素进行梳理整合时，多是从现有经验出发，由人工进行判断，缺乏科学的理论和方法。为了解决这个问题，作者在规范化体系结构设计的基础上提出了基于网络映射的体系结构要素关系分析方法，通过对体系结构数据的分析，并基于体系结构要素之间关系，实现对体系结构同一类要素(如人员、装备等)的梳理整合和谱系优化。

2　测绘装备体系结构开发

为科学合理地设计测绘装备体系，需要在现代系统工程方法论的指导下开发测绘装备体系结构。为此，采用DoDAF(美国国防部体系结构框架标准)[1，2]及其相关开发工具设计测绘装备体系，保证了体系结构设计的规范性、准确性与科学性(以下以测绘软件装备为例进行描述)。

依据DoDAF1.5 体系结构框架，采用ABM方法(基于活动的方法)[3]，开发了OV-2(业务节点视图)，OV-5(业务活动视图)，OV-4(业务组织视图)等业务视图产品。其中，OV-2描述了测绘生产活动的业务节点；OV-5描述了测绘生产活动；OV-4描述了与测绘生产活动相关的组织机构和人员，并建立了业务节点、活动、组织机构之间的三元关系。同时，还开发了SV-1、SV-4、SV-5等系统视图产品。其中，SV-1描述了测绘生产软件的系统节点连接描述和测绘生产软件的组成；SV-4描述了根据测绘生产活动，测绘软件系统所应具有的功能；SV-5描述了活动和功能之间的对应关系，并建立了系统节点、软件系统功能、系统实体(软件)之间的三元关系。业务视图与系统视图三元关系如图 1所示。

图1　DoDAF中的ABM方法

从上述视图产品可以看出，对体系中的系统装备进行梳理,实现装备的精简整合，起点是测绘业务活动，需要依据活动、功能、系统间关联关系，自上而下进行梳理。但是，测绘装备系统种类和功能众多，在进行人工梳理时，难度很大，需要新的手段和方法。为此，通过对体系结构产品的分析，应用体系结构产品中要素及要素间的关系数据，可以自动形成相关装备精简整合的初步方案。在此基础上，综合其它因素(如成本、使用范围等)，最终完成装备的梳理工作。

3　基于网络映射的体系结构要素关系分析方法

测绘装备梳理的目标是通过对不同装备之间关系的分析，对装备进行科学整合，实现体系优化。因此，首先考虑的是依据装备现有功能，将具有相同或相似功能的装备进行合并。基于上述原则，本文提出了基于网络映射的体系结构要素关系分析方法，通过建立体系结构的要素关系分析模型，将体系结构要素(如系统等)内部关联关系量化，将体系结构内部两种不同要素(如系统与功能)之间的关联关系，以一种要素(如系统功能)为基准，通过网络映射的方式，转换为同一种要素内部之间的关系，并用网络图的方式呈现，为系统的分类组成提供依据。

3.1体系结构要素到网络图的映射

对体系结构要素间关系进行分析，首先要将整个体系结构映射为一张“图”。即把体系结构各类要素(如系统、系统功能)视为节点，要素与要素之间的关系(如系统和功能的对应关系)视为连接节点之间的边，从而将整个体系结构转化为一张由节点(体系结构中各类要素)和边(要素与要素之间的各种关系)所构成的图。整个体系结构数据依据图论,定义为一个图的二元组(V,E)，其中顶集V为要素集，边集E为关系集。E的元素是一个二元组数对，用(x,y)表示，其中(x,y)∈V[4]。

根据映射图，可以将体系结构设计中所形成的系统功能之间的矩阵，映射为一张双模式的节点图，如图 2所示。

图2　系统与功能关系矩阵和双模式节点图

依据双模式图，以系统功能为基准，将系统实体与系统功能之间的关联关系转换为系统实体与系统实体之间的关联关系。转换时，按照如下原则进行：

(1)如果两个系统实体具有同一个功能，则两个系统实体之间存在着关联关系；

(2)如果两个系统实体具有相同的功能越多，则认为两个实体之间的关联越强。

按照上述原则，对系统与系统之间关系矩阵进行转换形成单模式节点图，如图 3所示。在该图中，每一个节点表示一个测绘装备系统；节点和节点之间的边表示两个系统中存在着功能重合；边的权重表示功能重合的数量。

图3　系统与系统关系矩阵与单模式节点图

3.2体系结构要素关联关系的可视化呈现

由于测绘装备数量众多，无论是从矩阵还是网络图中，都很难直接发现其关联关系的规律。为解决这一问题，需要将相应的矩阵和网络图依据它们关联关系的紧密程度，以清晰、合理的形式呈现出来，辅助、指导测绘装备精简、整合。为此，需要设计相关的布局算法，自动调整整个网络图中节点的布局，使得功能重合的节点自动聚类在一起，边的权重越高(功能重合越多)，其节点之间的距离就越近。

根据上述要求，采用力引导(neato)自动布局算法对所生成的单模式节点图进行处理。力引导布局算法是目前应用最广泛的可视化布局算法，来源于“弹簧模型”[5]。其本质思想是将图看做一个顶点为钢环，边为弹簧的物理系统，通过计算弹簧弹力(引力和斥力)，寻找使整个系统达到一个稳定状态的方法来确定节点在图形中的位置。在布局时，所有的节点都随机置于一个平面上，算法模拟引力和斥力，为每个节点计算最佳的全局布局X坐标和Y坐标。通过neato布局算法，当整个系统达到平衡时，没有联系的节点将相互远离，紧密联系的节点则倾向聚集在一起，如图 4所示。

图4　利用neato算法进行自动布局后的系统关系图

在此基础上，还可根据分类中层次的要求，通过对边的权重进行过滤(如只显示权重>5的边)，来显示不同的分类层次。也可使用GMap算法[6]对图进行处理，自动对聚类的范围进行划分，从而形成不同类型的聚类图，更加清晰、醒目地显示不同情况下装备功能的重合情况，如图 5所示。

关系权重为1时软件之间关系　　　　关系权重为5时软件之间关系图5　使用不同权重过滤后系统的划分

根据所生成的聚类图，在进行测绘装备的分类和整合时，可以以此为起点，依据系统功能，由多方(如：管理者、开发者、用户等)参与共同完成装备的梳理整合工作，合并具有相同功能的测绘装备，进行谱系整理。

4　结束语

基于网络映射的体系结构要素分析方法在进行复杂装备体系的分析、梳理时，能够为初始方案设计提供依据，并为后续多方参与的谱系整理工作，通过可视化方式提供辅助支撑，从而有效提高装备整合的合理性和工作效率。在作者开发的测绘装备体系结构设计分析系统中，已经集成了该方法，应用于测绘装备体系结构优化研究，并在测绘生产作业软件的一体化改造方案设计中进行了验证，取得了较好的效果。该方法除了用于基于功能的系统梳理外，也可依据体系结构中业务节点-业务活动-角色的三元关系，用于业务节点的划分和体系中编制体制的调整。下一步将继续深化对该方法的研究。根据分析目标对聚类的算法和相关参数(如权重)进行调整，将影响调整结果的一些主观因素(如：用户的需求)与定量分析相结合，进一步提高分析结果的准确性和可用性。

[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,卫威.利用可视化技术在体系结构设计中进行关联影响分析[J]. 军事运筹与系统工程,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，高级工程师，主要从事测绘导航总体论证研究。

E917

A