PHM系统体系结构设计方法（三）

PHM系统体系结构设计方法是指按照选取的体系框架，针对不同的开放目标，有选择地设计体系结构产品的方法。常用的体系结构设计方法有：基于开放系统方法的体系结构设计、基于结构化方法的体系结构设计、基于面向对象方法的体系结构设计和以活动为中心的体系结构设计等。

一、基于开放系统方法的体系结构设计

开放系统方法是被美国国防部称为是21世纪武器装备的研制、部署和保障的方法，对其所下的定义是：开放系统方法是一种综合的武器采办策略和技术策略，它利用得到广泛支持的协商一致的标准，进行模块化设计，规定关键接口。开放系统方法主要由3个要素组成，即模块化设计、关键接口和标准。

1、模块化设计

模块化设计是开放系统方法的基础。模块化是指进行系统设计时将系统分解成若干组成部分，每个组成部分担负一种功能。模块化设计通过组合可替代的模块可以实现系统的扩展或功能的重构。模块化设计使系统更易于研制、维修、改型和升级，一个模块更新升级对其他模块的影响很小。模块设计始于系统研制初期，并始终作为系统不断发展扩充的手段。

模块化设计具有以下3个特点：

1）依据功能将系统分解为若干个规模适当的可重复使用的模块，每个模块担负一种功能，而每个模块内部又包含一些彼此独立的功能要素；

2）要求对模块的功能目标进行明确描述，据此准确定义模块接口；

3）易于进行设计更改，从而有利于随时吸纳新技术，有利于工业界通用的关键接口标准，有效实现系统互操作性。

2、关键接口

开放系统方法将系统接口分为关键接口和非关键接口，关键接口是指那些可以优先采用开放式标准的模块接口。这些接口在实现技术上可不断发展更新，对其要求也会不断增多。而所谓开放式标准，是指广泛使用的协商一致的，由公认的工业标准团体颁布并维护的规范和标准。关键接口如图1所示。

图1

3、标准

标准是开放式系统方法的基本技术平台，无论是模块化设计还是模块接口，都离不开标准，尤其是接口标准。标准规定了系统各组成部分间的实体关系、功能关系和运行关系，从而实现互操作性、互连、兼容性。因此，要正确实施开放系统方法、合理选用接口标准是至关重要的。

基于开放系统方法的系统体系结构设计遵循螺旋式模型，螺旋式模型从设计目标、要求及限制条件出发，通过循环迭代过程大道最终目的，通常包括3个循环：

第一个循环主要是软件，同时兼顾接口和原型硬件的设计。

第二个循环主要考虑接口，兼顾原型硬件，并考虑对软件的修改。

第三个循环主要考虑硬件，从原型硬件转向最终硬件，同时可回来修改接口和软件。

二、基于结构化方法的体系结构设计

结构化方法起源于20世纪50年代Marca和McGowanJ，它包括结构化设计和结构化开发。该方法是一种比较成熟的过程驱动系统工程方法，其出发点是系统需要执行的功能或活动，基于功能分解来得到系统的层次结构图。该方法的特点是面向数据流、自顶向下和逐步求精。利用结构化方法进行系统体系结构设计，需要从系统执行的功能和为完成这些功能所需的物理实体这两个角度对系统体系结构进行考察。

1、体系结构分类

结构化方法将体系结构分为以下3种类型：

1）功能体系结构：功能体系结构是为完成一定任务按照某种顺序排列的活动或功能的集合，它反映系统使命和任务是如何完成的。功能体系结构可由综合数据词典支持的活动模型、数据模型、规则模型和动态模型等进行描述。

2）物理体系结构：物理体系机构是对构成系统的物理资源（表示为节点）及其连通性（表示为连接）的描述。其节点具有一定的功能，但不描述功能如何实现，节点之间的连接表示它们之间可以存在信息流。物理体系结构可以由框图、节点图等多种形式进行描述。

3）技术体系结构：技术体系结构主要是系统建设中的具体规定，以指导系统的开发实现，并确保新系统与旧系统的相互兼容。技术体系结构将抽象的功能体系机构和物理体系结构与详细的系统设计联系起来，以便系统设计的实现。

2、体系结构开发过程

在结构化的体系结构设计中，主要构筑功能体系结构和物理体系结构，而重点是功能体系结构的建立。整个开发过程可分为3个阶段：

1）分析阶段：以系统概念为基础，得到系统的功能描述和物理体系结构视图，这是体系结构开发的核心。

2）综合阶段：应用分析阶段得到的结果，即静态模型、动态模型和物理体系机构等，构造体系结构的可执行模型。

3）评估阶段：针对可执行模型的仿真运行，来得到系统体系结构的性能和效能的度量。

上述3个阶段是一个循环迭代的过程，直到体系结构的结果满足用户对系统的期望，其主要设计过程如图2所示。首先根据需求信息确定系统概念，系统概念是对如何达到使用目的的简明描述；在系统概念分析的基础上，进行功能分解，建立功能体系结构；在功能体系结构和系统概念的基础上，建立物理体系结构；其中物理体系结构的确定还需要技术体系结构的指导。

图2

其中最关键的是功能体系结构开发，具体包括以下5个步骤：

第一步：在给定系统概念的基础上，进行功能的分解建立分层的树形功能结构图，然后针对功能自顶向下地建立活动模型，并描述其中的数据流，一般可采用IDEF0和数据流DFD等工具。

第二步：根据活动模型中的数据和对象，运用IDEF1x和实体-关系图等工具建立逻辑数据模型。

第三步：分析活动模型中存在规则，也就是建立规则模型，根据具体应用可以采用决策树、决策表、结构化语言和数学逻辑等方法来描述。

第四步：分析体系结构的动态行为，利用状态图构建系统的动态模型，显示系统在各事件下的状态转移。

第五步：将各模型中的术语定义集成为数据词典。

在上述设计过程中，功能体系结构的4大要素（过程模型、数据模型、规则模型和综合数据词典）逐一生成。这些模型从不同角度描述了功能活动，但也相互关联，如过程模型的输入、输出是数据模型中的实体，规则模型的前提条件和输出也是数据模型中实体的属性。它们之间存在着重叠的信息，其一致性由综合数据词典保证。

三、基于面向对象方法的体系结构设计

面向对象方法是一种围绕真实世界的概念来组成模型的思维方法，基本思想是对问题空间进行自然分割，以更接近人类的思维方式建立问题域模型，以便对客观实体进行结构和行为模拟，从而使设计的系统尽可能直接地描述现实世界。它是一种自底向上归纳和自顶向下分解相结合的方法。面向对象的语言或方法没有正式标准，但统一建模语言UML已成为主要的和最广泛的面向对象建模语言。

1、遵循的原则

运用UML进行面向对象体系结构设计，需遵循两个原则：一是“自顶向下，粒度适中”的原则。自顶向下即分析时首先将系统视为一个与外界环境存在着交互作用的整体，然后对系统的结构进行分解，将其分为不同层次上的组成单元，直到能物理实现为止。此过程中产生的每一个单元都可视为一个对象。粒度适中，是指分解过程中在各个层次上产生的组成元素的个数要适中，避免过多或过少。二是“基于事件的交互”原则。即系统中各实体对象之间的通信联系是通过彼此之间发送和接收事件进行的，而整个系统的行为也是通过对象见得这种事件交互关系得以体现。

2、主要迭代特性

面向对象体系结构设计过程的主要迭代特性如图3所示。迭代周期的主要输入和输出是系统的行为，预期行为是输入，模拟行为是输出。在这两种情况下，利用UML顺序图来表示系统行为。

图3

迭代的基本过程如下：

1）根据顺序图定义某些行为，其主要涉及对象的实例。

2）构造新的对象类型和与之有关的状态图，或修正某些现有状态图。

3）根据顺序图测试各种情况下产生行为的模型。

4）将预期行为同模拟行为进行比较。如果相互匹配，则进一步模拟新的行为，或进行下一层对象分解的模拟。如果不够匹配，则需重新构造对象类型及其状态图。

3、体系结构设计过程

基于面向对象的系统体系结构设计过程，主要用到UML模型中的用例图、类图、交互图和状态图等，其主要步骤如下：

1）利用用例图产生整体的概括性描述。根据系统支持的活动和过程的描述，以及系统的用于和作用，构造阐述系统用途的用例模型。

2）使用用例构造体系的顺序图。顺序图是系统对象动态行为的静态表示，体现对象间消息传递的前后顺序。首先构造顶层顺序图，其描述外部角色和系统对象之间的事件交互；在构造顺序图过程中，要提取系统信息对象类以构造顶层类图；根据顺序图来得到系统的顶层状态图。

3）进行对象分解并细化描述。对象分解目的就是要把整个系统由单一的实体分解为几个主要的组成部分，从应用视图角度来看可以得到系统的功能节点分解，从系统结构观点来看可以得到系统节点分解。随着对象的分解，进入下一个循环周期。对象分解与顺序图中的实体建立对应关系，带来更详细的顺序图行为描述；并在对象分解的基础上对各对象构建相应的状态转移图。

四、以活动为中心的体系结构设计

以活动为中心的体系结构设计方法，是指以待开发系统需要完成的活动和应该具备的功能为中心，从系统需要的完成活动和系统应具备的功能出发，进行系统体系结构的设计。该方法在设计内容上，仍坚持以产品为中心，且遵循以数据为中心的原则，强调产品之间数据的相关性。同以产品为中心和以数据为中心的方法相比，以活动为中心的系统结构设计方法、更加强调体系结构设计的核心内容，即活动和功能。

1、遵循的原则

以活动为中心的体系结构设计方法遵循以下原则：

1）以活动（功能）为主线设计体系结构。

2）体系结构设计要强调数据之间相关性，以数据为中心。

3）应用视图中活动、节点、信息组织等4个实体和系统视图中的功能、系统节点、系统、数据等4个实体是核心实体，是体系结构设计的核心。

4）体系结构的所有实体和属性只能在一个产品中设计，其他产品可以引用。

5）部分关系和实体属性可以从核心实体中自动生成。

2、设计开发过程

以活动为中心的体系结构开发过程如图4所示，主要包括以下6个步骤：