体系建模范文
体系建模范文（精选7篇）
体系建模 第1篇
关键词：企业信息系统,企业体系结构,业务系统,IT系统,企业变革
1 引 言
随着经济全球化的进程和市场竞争的加剧, 企业面对竞争更激烈、业务变更和整合更频繁的全球化运营环境。商务环境的变化正深刻影响着企业组织管理的各方面。在新的环境下, 作为企业业务运行的核心支持系统的企业信息系统 (Enterprise Information Systems, EIS) 面临前所未有的挑战。一方面, 技术的迅速发展要求企业能够创造性地应用信息技术。另一方面, 在企业组织变化的条件下, 敏捷制造、虚拟企业、大规模客户定制等新的生产模式也对企业EIS提出了更高的要求。
企业体系结构 (Enterprise Architecture, EA) 作为业务流程和IT架构的组织逻辑, 反映了标准化和集成化的公司运作模型, 目标是得到业务的敏捷性和利润的增长[4]。EA的研究在信息管理领域正得到越来越多的关注。本文的结构如下:第二章分析EIS开发方式的问题, 第三章介绍EA的概念和代表框架并总结EA的特点, 第四章分析EA对EIS开发的重要意义, 第五章是全文的结论。
2 EIS开发方式存在的问题
当前EIS建设的问题很大程度上是组织的战略与业务以及业务与技术脱节造成的, 需要从组织的全局和顶层来考虑系统的体系结构问题。如果只注重部分用户的近期需求而忽视系统总体的安排, 必然导致信息系统在结构上十分脆弱, 缺乏应对环境变化的能力。
2.1 业务与技术不匹配
EIS开发方法一般是从冻结某一阶段的业务需求开始, 经过分析、设计、编码、测试, 最后形成针对先前冻结的业务需求的EIS。这种开发方法拉大了业务系统与EIS之间的距离, 使得EIS远远落后于业务系统的变更。当EIS开发完成, 具有的相对稳定性难以满足企业管理变化的需要。
2.2 功能固化
在传统的EIS开发中, 由于采用刚性结构, 系统从高层到低层的功能固化在系统程序中, 当其中一个层次的功能发生变化时, 系统就需要重新开发。
2.3 资源浪费
EIS项目的第一个阶段是“定义现有状况”, “分析现存系统”或“定义现存流程”, 即项目的发现阶段。产生如流程图, 实体关系图, 架构图等产品。虽然这些产品是新项目的基础, 但是它们都是根据项目的背景产生的, 而从企业更广泛的背景来看却不完整。在项目结束之后, 这些产品也就不再保存, 维护和升级, 造成资源的浪费。
3 EA的概念和框架结构
3.1 企业体系结构
企业体系结构 (Enterprise Architecture, EA) 提供企业的整体结构图, 是业务和技术的规划工具和概念工具, 表现为描述企业结构和功能的一整套相互关联的模型。在此基础上, EA是组织运作模型的系统化的描述, 是开发EIS的概念模型, 代表一系列指导专用的体系结构开发的模型, 原则, 服务, 方法, 规范, 设计概念, 要素和结构。
EA的建立从整个组织的使命、战略、业务、技术的关系及其演化来建立信息系统的全局的、顶层的模型。EA框架确定体系结构的范围并将组成元素分解为结构层次和框架维度, 用来处理系统的复杂性, 管理技术资源, 实现业务和IT资源的敏捷性, 以此来控制管理整个EIS开发过程[6]。
3.2 几种典型的EA框架
3.2.1 Zachman企业体系结构框架
John Zachman开发了一个定义体系结构的框架, 分为6个角色:战略计划者, 系统用户, 系统设计者, 系统开发者, 承包商和系统本身, 提供观察一个企业的模型。
他提出和每个角色绑定在一起的抽象模型, 从不同侧面回答了下面几个问题, 即:企业如何运作, 企业的一般运作方式, 运作的主体, 运作的地点, 运作时间以及为何运作。企业在信息系统开发之前已经具有一定的组成部分, 该框架提供一个有效的方法来辨认和描述开发前已有和计划有的部分以及各部分之间的关系 (参见表1) 。
Zachman Framework 成为众多企业体系结构的参考模式, 形成了诸如FEAF、TEAF、C4ISR、USCS EA、IRS 等行业的企业建模框架。
3.2.2 联邦企业体系结构框架
在Zachman提出EA框架之后, 又有很多的框架被提出。1999年9月, 首席信息官理事会 (CIO) 发布了联邦企业体系结构框架 (FEAF) , FEAF为各联邦机构的参考体系结构提供了一般框架, 由此促进了联邦机构之间在一般业务流程、嵌入式技术、信息流和系统投资等方面的协调。FEAF描述开发联邦政府的多组织功能体系结构的模型和定义。与Zachman框架相似的是, FEAF的模型也描述了4个部分的基本关系, 分别是企业的业务, 操作业务的必需数据, 管理数据的应用和支持应用的技术。
最近, 美国联邦行政管理与预算局 (OMB) 建立了联邦企业体系结构项目管理部门, 该部门建议根据5个参考模型开发EA, 如表2所示。
建立FEAF参考模型的目的是为了通过跨机构的分析和对政府机构内部及机构之间的协作、互操作性、集成的调查使得政府机构能够较大程度地改进。FEAF的5个视图及其含义如下:
(1) 规划者视图 (作用域)
代表最初的体系结构概略图 (sketches) , 从最高的抽象层次上描述企业的规模、性质、部分关系和基本目标。对应于规划者或投资人的实施概要, 概括系统的作用域、代价、与总体环境的关系。
(2) 所有者视图 (企业业务模型)
由EA架构师绘制, 从所有者的视角描述企业。对应于企业 (业务) 模型, 这些模型构成业务设计, 说明业务实体和过程以及两者之间的联系。
(3) 设计者视图 (信息系统模型)
在这一抽象层次上, 架构师的计划转化为从设计者视角观察的详细需求表示。对应于系统分析师设计的系统模型, 系统分析师必须确定数据元素、逻辑过程流以及表示业务实体和过程的功能。
(4) 构建者视图 (技术模型)
承包者必须重新绘制架构师的计划来表示构建者的视角, 提供足够的细节以便理解工具、技术和材料的约束。构建者计划仍构成另一层抽象并对应于技术模型, 它必须让信息系统模型适应于编程语言、输入输出 (I/O) 设备或其他必要的支持技术的细节。
(5) 转包者视图 (详细规格说明)
转包者在最低的抽象层次上使用规格说明, 对应于交给程序员的详细规格说明, 程序员对单个模块编码, 而无需关心系统的整体环境或结构。可以表示各种商业通用系统、政府通用系统或模块化系统构件的详细需求, 这些系统可以直接获得或者实现, 而无需构建。
3.2.3 开放组织体系结构框架
开放组织体系结构框架TOGAF (The Open Group Architectural Framework) 给出大量实践基础上的EA通用的三分法, 即业务层、逻辑层和技术层, 具有明确的现实意义。TOGAF集中关注4个架构:业务体系结构、数据体系结构、应用体系结构和技术体系结构。其中数据体系结构和应用体系结构又统称为信息系统体系结构。业务体系结构严格意义上称为本体商业知识体系;信息系统体系结构称为逻辑体系, 是一种信息处理的概念模型, 类似数据库建模与物理模型的区分, 是与平台无关的。而技术体系结构是一种与平台相关的物理模型。
关于业务体系, TOGAF遵循通用的基于组织结构、业务愿景、业务功能和过程的业务建模蓝图。通常用UML和BPM等方法表述。TOGAF强调可以在业务建模时参考已有的按照行业或应用领域等给出的业务参考体系。如:基于行业的业务参考体系TeleMangement Forum等;基于通用商业领域的业务参考体系, 如电子商务, 供应链管理等;基于分析模式, 如流程组件, 业务规则, 任务描述等。
关于逻辑体系, TOGAF分为数据体系结构和应用体系结构。传统的数据建模分为概念模型和物理模型, 经过多年信息化的积累, 各行各业的数据模型已经很充分。例如:美国C4ISR系统的战略级体系结构框架逻辑数据模型; ARTS为零售业定义的数据模型;POSC为石油工业定义的数据模型。实际上, 通用数据模型的研究致力于各行业数据模型的整合, 成果颇丰。
3.3 EA框架的一般特点
Zachman之后的框架所提供的术语和建模方法都不相同, 在对各维度的展开程度、建模方法学、建模工具支持等方面存在差异, 进而表现为各模型表达能力、可操作性、模型的开放性以及模型的实际应用情况等的差异。
而框架都一致给出了定义企业运作的逻辑项, 如交互业务流程和业务规则, 信息需求和信息流, 操作位置和用户等, 以及术语, 如硬件、软件、数据及性能标准。这些框架同时也定义了企业现有环境和目标, 以及达到目标的计划。现有的企业模型框架通常采用多个视图支持从不同的角度描述同一个企业对象, 支持不同建模人员的协同工作。
4 基于EA的EIS开发的意义
基于EA的信息系统建设关键是正确处理需求、功能、结构三者关系。要从组织的全局出发, 注重系统总体规划, 全面考虑组织战略、系统各利益相关者的需求、业务、技术以及变革与发展等因素, 以及需求与服务、业务与技术的相互融合的问题。
4.1 减少资源浪费
EA为每个新项目的实施提供了完整而正确的基础, 对每个项目而言, 它都是可重用的。因此也减少了EIS开发中的浪费。
4.2 支持系统演化
在体系结构的观点下, 大的IT项目对组织提出大量的需求。组织要获得正面积极的变化, 就必须具备适应能力。适应能力也必须演化, 并且只能进行增量性的演化。1975年, Alexander将此称为“粉碎式的增长”。其概要是体系结构设计师必须将业务组织结构看成一个活的系统, 而不是形式上可以设计的机器。因此, 成功的EA除了在技术层, 还要在组织层帮助体系结构设计师获得这种增量式演化。
4.3 提高系统重构性
企业管理的变化既有渐进式的局部调整, 也有革命性的变革和重新设计, 根据企业管理系统的层次性, 建立层次化的EIS模型, 可以从不同层次实现系统的可重构性。EA的层次性为敏捷EIS的层次结构提供了基础。
4.4 促进管理变革
EA的主要作用是允许管理的变革。EA完整地定义了现有状态, 需要改变的部分可以精确地确定, 每个改动也可以确定。被提议的变革可以被迅速地评估、分析和定量化变化的结果以及有效地管理变革。
5 结 论
EIS开发方法是当前信息管理领域研究的重要课题, 本文综述了几种典型企业体系结构框架, 讨论了企业体系结构的意义和问题。
EA反映了一个组织变革和IT管理的基本原则, 为提高EIS开发效率, 提高企业适应环境的能力等提供了有效解决途径。经过适当管理的EA能够阐明和优化组织内业务运作的相互关系, 支持这些运作的IT基础设施和应用。EA必须跟随着企业一起成长, 并不断开发, 是企业结构永久的部分。EA提供了实现企业对EIS和信息技术投资获取利润的方法, 是使企业在当今商务环境中成功的方法。
参考文献
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大学生体育教练评价体系建模 第2篇
关键词：体育教练评价体系,主成分分析法,层次分析法,topsis分析法,MATLAB
1、研究背景及目的
随着我国建设体育强国战略目标的确立,中国体育踏上了新的征程。科学发展体育事业对全面提高中华民族健康素质和生活质量、促进人的全面发展、促进经济社会发展和社会体育文化发展有着重要的意义,而且肩负着振奋民族精神、提高我国综合实力的历史使命。而大学生作为我国高素质人才主要群体,肩负着中国未来发展的希望,针对大学生的体育培育尤为重要。我国于1975年成立了中国大学生体育协会,其作为我国唯一的高等学校体育社会团体,在大学生综合素质培养中的作用日益彰显。在大学生体育协会成立四十多年来,我国大学生体育事业蓬勃发展,协会凭借着坚实的群众基础,科学的管理模式,以及周密的组织运营,组织、举行了多届全国大学生运动会,以及20多个项目的全国性大学生单项体育比赛,推动了我国大学生体育竞技迅速发展。但同时,我国的大学生体育竞技发展水平与美国相比还存在着一定差距,以NCAA为代表的全美大学生体育协会已经形成了一套职业化、制度化、规范化的联赛体制,其对于运动员、教练员的数据采集与统计十分完备,在这些方面,我国大学生体育运动事业仍需改进。所以,本文拟采用NCAA教练员的统计数据,建立模型和评价体系,为中国大学生体育联赛的评价工作做出一些探讨。
众所周知,在任何竞技性体育运动中,教练员的角色是非常巨重要的。教练对于一个团队来说具有关键的战略战术指定、场外分析作用,对于运动员的水平提高、经验积累以及竞技指导至关重要。但是,如何评价一个教练员的水平高低,目前来看,对与教练员水平的评价仍集中在主观的,或者是一些不系统的数据统计上,缺少一个客观的、系统性的、科学性的评价体系。本文试图搜集大量的数据,通过数学建模,建立一个数学模型,对教练的成绩评分,从而建立一个客观系统的评价体系。
2、研究方法
本文以美国为研究背景,评价美国大学的体育教练的执教水平,以篮球,冰球和棒球为研究项目。建立合理科学的评价体系,以对教练水平进行排名,进而选出最伟大的教练。
首先,在NCAA(美国大学生体育运动联盟)找到有记录以来历史上此项运动的所有大学教练。进行数据的预处理,在所有教练中选出教龄在10年以上的教练,以此减少异常值对结果分析的影响。从查阅的相关资料及官方网站提供的数据,我们得到了多个评价教练执教水平的指标,例如:获胜场数,负场,胜率,获联赛冠军次数,执教年数等等。利用主成分分析法降维,根据累积贡献率,确定了四个影响教练执教水平最大的四个指标。(且这四个指标适用于大多数的比赛项目,具有较强的普遍性)
然后,针对得出的四个评价指标,利用层次分析法,算出这四个指标的权重,即在评价教练时这些指标所占的重要程度。并且结合topsis法,得出最终排名。
最后,考虑到时间轴上教练水平的比较,将每年联赛参赛的球队总数作为赛事难易程度的指标,并用求出的当年赛程的难度占所有年份难度总和中的比重,纵向比较各个年份之间赛事的难易,然后利用已有的模型,加入时间这个因素,将年度赛程难度作为一个新的评价标准加入到对教练的执教能力的评判中,并再次算出得分,重新排名。
3、模型假设
假设1:执教队伍水平与教练训练水平完全正相关
假设2:教练性别不影响执教水平
假设3:所有队伍水平相当,输赢只和教练水平相关
假设4:Division I(一级赛事)代表最高水平。(即二级赛事教练不参与排名)
4、建立模型
4.1、模型的建立
根据收集到的数据,先用主成分分析法将评价指标降维,选出最主要的四个指标,然后根据层次分析算出不同指标在综合评价教练执教能力中的权重,最后将教练的数据标准化,用topsis分析法进行排名,选出篮球、棒球、冰球三种运动中排名前五的教练。
4.1.1主成分分析
通过主成分分析法,将获胜场数,负场,胜率,获联赛冠军次数,执教年数5个指标降维,选出主要影响因素。主成分是由原始变量提取的综合变量,可以用以下式子表示。
在提取出来的各个主成分中,与相互无关。是的一切线性组合中方差贡献率最大的,也叫做第一主成分。的贡献率依次递减。
由原始数据的协方差阵或相关系数矩阵,可计算出矩阵的特征值或特征根。
其中,对应的方差,对应的方差……对应的方差,因此有:
对应的特征向量就是主成分分析线性模型中对应的系数。
这些系数被成为“主成分载荷”,表示主成分和相应的原先变量的相关系数。相关系数绝对值越大,主成分对该变量的代表性也越大。根据上式算出来的Y值被称为主成分得分。
因为不同的指标有不同的单位,为了实现不同量纲数据之间的可比性,以保证所提取的主成分与原始变量意义上的一致性,在进行主成分分析之前我们要将原始数据标准化。
4.1.2、层次分析
确定了评价教练执教能力的指标后,需要算出不同指标对执教能力的影响比重以及各个指标的权重。建立递阶层次结构模型,构造出各层次中的所有判断矩阵。层次结构反映了因素之间的关系,但准则层中的各准则在目标衡量中所占的比重并不一定相同,根据决策者的标准,它们各占有一定的比例。比较各准则对目标的重要性,。由矩阵A确定对目标的权向量。
进行层次单排序及一致性检验,判断矩阵A对应于最大特征值的特征向量W,经归一化后即为同一层次相应因素对于上一层次某因素相对重要性的排序权值,这一过程即层次排序。
上述构造成对比较判断矩阵的办法虽能减少其它因素的干扰,较客观地反映出一对因子影响力的差别。但综合全部比较结果时,其中难免包含一定程度的非一致性。本文对判断矩阵进行了一致性检验。定义一致性比率CR=CI/RI,当CR<0.1时,通过一致性检验。检验结果为CR=0.0956<0.1,通过了一致性检验。
根据层次总排序权值,得到之前四个评价指标的权重如下:
4.1.3、计算排名
基于TOPSIS算法,将教练排名,选出最优的5名教练。利用matlab软件编程对数据进行处理和计算。
第一步:数据的原处理,刨除掉执教年数在10年以下的教练,减少异常值对结果的影响。
第二步:对评估矩阵进行标准化,即化为矩阵
第三步:确定指标权重向量,并构建加权规范化评估矩阵
第四步:确定理想解和负理想解
第五步:计算评价对象与理想解、负理想解之间的距离以及评估对象与理想解和负理想解的近似程度,并给出排名列表。
根据接近度的大小对评估对象进行降序排列,最后得到教练的一个排名。
4.2、时间轴上的综合评价模型
在对一个教练进行评价时,不但要考虑对带队伍的战绩等等,还要考虑时间对于战绩等所有评价因素的影响,当时间这个因素参与时讨论其对整个模型是否有影响,使得评价体系更加完整,优化。
4.2.1、时间模型的建立
第一步:指标量化
统计整个赛事历史以来每年参加联赛的所有参赛队伍为,Y为所有年份参赛队伍的总和,则,表示第i年量化后的比赛难度。最后得出整个赛事历史以来每年参赛难度的一览表(以篮球运动为例)。
第二步:计算教练执教生涯的难度系数
根据已建立的模型,以及各个教练的统计数据,将该教练的整个执教生涯中每年的参赛难度系数求平均。
第三步:优化模型
将时间因素作为新的指标,考虑到教练的评价体系当中。得到新的评价模型:
4.2.2、模型的普遍性分析
我们将所建立的优化模型运用到评价美国大学足球的教练中去,对足球我们找到的教龄、胜场数、负场数、平局数、胜率、碗赛胜场数、碗赛胜率、全国冠军数8个指标作为评价指标。利用主成分分析法,降低指标维数的思想,计算出这8个指标与评价的相关程度,从而留下与指标相关程度较大的4个指标,作为评价教练的标准。
而后,利用层次分析法,计算出这4个指标在评价教练时所占的权重,由教练的4大指标的数据得到其得分,从而对教练践行排名。
在多个权威国际网站和多个体育评论杂志索发表的期刊上,我们找到了美国大学足球教练的普遍前五排名。
可以看出,重合率在50%左右,在排名中,我们仍可以看出时间对评价体系具有一定的影响。主要在于不同时代的训练方式,对此项运动的注重程度和发展速度的不同,使得结果有一定的偏差。但是,我们的模型是可以普遍运用于大多数联赛制运动中的。
5、模型的优缺点
本文的评价模型涵盖了评判一个教练生涯的所有基本数据,主成分分析法确定主要影响因素,层次分析法使对评价结果影响最大的因素的作用发挥到了最大。并且模型充分考虑了不同时代对评价结果造成的影响,将时间轴上不同年代的教练通过统一的量化指标,放在一个点上去综合评判,更具有说服力。
但是模型也存在着几点不足,例如在实际应用中存在一定的局限性,不能适用于所有的运动项目,如田径,跳水等计分排名性的体育项目,而且模型对数据有较高的要求,所以只适用于有较完善数据统计系统的目标比赛项目中。
参考文献
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高职数学建模竞赛培训体系的思考 第3篇
全国大学生数学建模竞赛由教育部高教司和中国工业与应用数学学会共同主办, 创办于1992年, 十几年来参赛学校的数量和参赛学生的数量以年均20% 的速度增长. 大学生数学建模竞赛得到了高职院校的肯定, 受到了高职学生的欢迎. 但是随着参赛高职院校的数量和参赛学生数量的增加, 所有的参赛院校都面临着同样的问题:如何做好赛前培训? 培训什么? 按照什么方式培训? 如何提高培训的效率? 这些问题困扰着参赛的高职院校的指导教师和学生. 笔者根据多年来参加、指导全国大学生数学建模竞赛的实践经验, 总结出数学建模竞赛“选拔、培训、参赛”三个步骤进行数学建模竞赛培训, 希望能为热爱数学建模和参与数学建模竞赛的指导教师和参赛学生提供一种可以借鉴的经验和方法.
一、选 拔
首先我们会在院内举办一个数学建模选拔赛, 通过笔试选拔出一批具有较好数学基础, 又有钻研精神, 并具备一定思维能力的同学来参加院内的数学建模培训. 进一步的选拔主要考虑以下几个环节:数学建模培训课程的签到记录;数学建模培训课程中的课堂表现, 如独立思考能力、上机操作能力、和同学的合作情况、写作能力、克服困难的勇气和决心等等. 通过这种方式选拔出队员, 然后按照3人一组分为若干小组, 为了使得小组具有较好的知识结构和合作能力, 一般总是将不同专业的学生安排在一起, 使得每个小组至少包含一位数学基础较好的同学、计算机编程能力强的同学. 同时也优先考虑将比较熟悉的同学放在一组, 配合起来会更有默契. 各组通过做题交流和磨合, 合作比较好的保留, 合作不好的再进行调整.
二、培 训
我们认为, 经过数学建模培训要达到的目标有以下几个方面. 一是认识数学的学科特点和分类, 一定程度上提高数学修养, 提升宏观驾驭和应用数学的能力. 二是针对各种不同的复杂问题背景, 能够实现两个转化:实际问题的数学量化和描述 (数学模型的建立) 以及数学模型求解和求解结果的实际解释和反馈 (模型求解和检验) . 三是增强良好的心理素质和团队精神. 四是掌握常用数学软件的使用技巧, 以及熟练使用网络资料查找和收集资料. 除此以外还需提高学生的数学建模写作水平. 针对上述对数学建模培训的能力和目标, 在培训过程中, 我们分阶段开设了一系列的课程 (专题) 来实施. 具体来讲, 有以下四个阶段以及相应的专题课程.
首先是准备阶段. 准备阶段主要完成两个方面的工作, 一是介绍常用数学工具软件的功能、使用方法、编程技巧等内容. 二是介绍如何应用计算机网络资源实现文献查找和资料收集. 值得注意的是, 这一阶段两方面的工作是一直贯穿整个数学建模培训过程始终的, 是一个随着培训过程逐步提高和完善的过程.
第二阶段为建模预处理阶段. 这个阶段主要完成数据分析和处理工作, 培养学生根据问题背景提取数据并对数据进行分析和处理的能力, 介绍常见的数据分析和处理方法, 如回归分析、相关分析, 还可以介入一些对数据进行插值和拟合的方法和思想.
第三阶段是专题培训阶段. 这个过程主要是根据数学建模竞赛的特点和数学学科的专业划分以及课程设置等来展开, 这是整个建模培训过程的重心. 一系列的能力培养和形成以及完善都是在这一阶段实现的. 按照数学建模的竞赛章程, 一般都是按连续和离散两个大的方向来设置赛题.通过上述三个阶段的培训, 学生从知识结构以及能力要求上基本已经具备建模和模型求解的能力了.
第四阶段为模拟和实战阶段. 这一阶段是培训学生以小组形式针对一个选定的模拟题目用三天的时间完全按照数学建模竞赛的要求完成问题分析、模型建立和求解、论文写作等环节. 同时, 培训教师针对各小组存在的问题进行指导. 通过实战的磨合, 培养和形成良好的心理素质、良好的协作和协调能力以及写作能力. 通过上面的分析可以发现, 从数学学科以及专业的角度, 数学建模的培训过程实际上是一个跨学科、跨专业并且综合性非常强的过程. 实践表明, 我们制订的培训计划具有较强的科学性、合理性以及可操作性, 并受到学生的欢迎和指导老师的肯定.
三、参 赛
竞赛是三人一组, 参赛队员经过讨论, 分工协作, 奋力攻关, 三天内共同完成一篇科技论文. 因此参赛队员必须具有团队协作的意识、吃苦耐劳的精神以及良好的身体素质.除此之外, 队员要各有所长, 三人中最好有一人具备很强的数学基础知识及分析应用能力, 一人有较强的计算机应用能力, 另一人写作能力突出. 三天三夜时间, 要求学生将所有精力放在建模上, 其脑力劳动强度可想而知. 这期间必须有学院各个部门的全力配合支持, 教师生活上的关心、爱护以及耐心细致的指导帮助, 方能保证每一位参赛选手全身心地投入.
卫星移动通信系统体系结构及建模 第4篇
卫星移动通信系统辅助地面网通信, 使得通信业务量有了质的提高, 通信应用深入各行各业, 已成为各行各业发展必不可缺的手段。卫星移动通信系统巨大的市场潜力及应用价值, 使得世界各国也都开始着力于建设自己的卫星移动通信系统, 目前国外的卫星移动通信系统有北美移动卫星 (MSAT) 系统、亚洲蜂窝卫星 (ACeS) 系统、瑟拉亚卫星 (Thuraya) 系统以及提供全球覆盖的国际海事卫星[1] (Inmasrsat) 系统等。Inmasrsat由国际海事组织经营, 使用该系统的国家已超过160个, 用户达29万多个, 其第四代系统BGAN是第一个通过手持终端向全球同时提供话音和宽带数据的移动通信系统, 也是第一个提供数据速率证的移动卫星通信系统。为适应我国移动通信系统的未来发展需要, 研究适合国内特点的卫星移动通信系统具有重要的意义。
1 卫星移动通信系统传输模型
在卫星通信中, 电波在空间传输时要受到很多因素的影响, 如大气吸收、对流层闪烁、雨、雪等都会导致不同程度的衰减, 其中降雨对信号的衰减最为严重, 因此卫星链路的雨衰特性是影响卫星通信系统传输质量与可靠性的主要因素[2,3]。在进行卫星通信系统设计时要采取必要措施来应对各种信号衰减, 针对信道特点来设计传输模型。
卫星信号在卫星与地面网间的传输模型如图1所示。
S-Um接口:移动终端与地面信关站使用卫星信道通过卫星中继进行信号的传输;
Abis接口:地面信关站与信关站收发信机的接口;
A接口:地面移动网交换中心与信关站的接口。
2 卫星移动通信系统通信体制
2.1 调制方式
无论是业务信道还是控制信道, 本系统均采用相同的调制方式, 与GSM系统不同, 本系统采用π/4-CQPSK (Coherent Quadrature Phase Shift Keying) 调制机制, 其成型滤波采用滚降系数为0.35的平方根升余弦函数。π/4-CQPSK调制方式[4]数学模型如下:
式中:x (t) 为已调信号;p (t) 定义如下:
相对于常用的QPSK调制方式可以较好地改善调制信号的峰均比, 提高功率放大器的功率效率, 减少带外功率辐射, 大大方便功率放大器的设计。
2.2 帧结构
移动卫星通信系统采用TDMA多址方式, 在物理层信号以TDMA帧的形式进行传输, 考虑到与地面GSM网手持终端的兼容性, 帧格式分为巨帧、超帧、复帧、帧 (frame) 、时隙, 其组成与地面GSM网的帧结构相同。
3 卫星通信信令结构
信令是指在通信系统中除用户的业务数据之外的一切控制信息与状态信息。在卫星移动通信系统中, 移动终端与卫星中继通过S-Um口进行信息传输, 其信令交换使用图2的3层协议结构即物理层 (L1) 、数据链路层 (L2) 和网络层 (L3) 。其中, 数据链路层 (L2) 由于使用卫星信道, 其信道模型与地面GSM系统有着本质区别, LAPSat可以同时支持确认和非确认模式的数据传输。L3层协议层主要完成电路交换连接的建立、保持和终止, 并提供短信控制以及补充业务的必要支持。L3层又细分为以下子层:无线资源管理层 (RR) 、移动管理层 (MM) 和连接管理层 (CM) (包括呼叫控制 (CC) 、补充业务 (SS) 、短信息业务 (SMS) ) 。
3.1 网络层协议栈
L3层的信令传输由协议控制实体来实现传输功能, RR层和MM层还定义了L3层信令传输的其他功能, 如信息复用和分割。RR层和MM层通过信息头PD来识别信号, 具体流程如图3所示。
上行信号:首先CM子层定义一个传输标识 (TI) , 作为信息头的一部分, 将控制信息, 补充信息以及短信息分别加上一个TI头传送给MM层, MM层的传输函数将带有不同传输标识的CC, SS, SMS信息复用, 并添加协议标识 (PD) , 上行传输给RR层, RR层的传输函数根据不同的PD头以及相应的信道配置将不同的信息通过各自的接入点 (SAPI) 传送给对应的物理信道。双音接收系统 (DTRS) 实体使用同样的传输函数将双音多频信号 (DTMF) 传输给RR层实体。RR实体在接入点 (SAPI) 等于2处检测快速随路控制信道 (FACCH) 上的数据链路连接是否存在, 如果存在, 则使用数据链路 (DL) 连接, 否则通过接入点 (SAPI) 等于0进行数据传输, 信息以bit流的形式在定义的各种逻辑信道上进行物理层的传输。当RR连接不存在时, RR实体则终止数据传输。
下行信号:RR层根据协议标识 (PD) 头将从L2中层不同接入点获得的信息进行分割并分配给不同的子层, (但分割时保留PD头, 以便后续MM层继续使用) 。其他的RR信息和DTRS信息则通过各自的接入点MNRR-SAP, DTRS-SAP传送给MM层。MM层再通过识别不同的TI, 将不同的信息通过各自的MM层接入点传送给CM的各个功能子层 (即控制业务子层、补充业务子层、短信息业务子层) 。
3.2 逻辑信道配置
在L3层的协议栈里, 信令最终以帧的形式在物理信道上传输, 根据不同信令使用的频段和时隙的不同, 将物理信道划分为多个逻辑信道。与GSM系统的逻辑信道不同, 卫星移动通信信道主要分为两大类[5]:用于传输用户编码语音和数据的卫星业务信道 (S-TCH) , 以及卫星控制信道 (S-CCH) 。
卫星业务信道 (S-TCH) :包括全码率业务信道 (S-TCH/F) , 信息速率为24 Kb/s;半码率业务信道 (S-TCH/H) , 信息速率为12 Kb/s;1/4码率控制信道 (S-TCH/Q) , 信息速率为6 Kb/s;1/8码率控制信道, 信息速率为3 Kb/s。可根据具体的语音和数据量的大小来分配所用信道。
卫星控制信道 (S-CCH) :包括卫星广播控制信道 (S-BCCH) 、卫星公共控制信道 (S-CCCH) 、卫星专用控制信道 (S-DCCH) 。其中, 卫星专用控制信道又包括独立控制信道和随路控制信道。随路控制信道分为慢速随路控制信道 (S-SACCH) 和快速随路控制信道 (S-FACCH) , 通常不能独立使用, 而是联合其他控制信道一起使用。上述三种控制信道通过使用不同的帧格式来将信息组帧传输。
(1) S-BCCH包括同步信道 (S-SCH) 、卫星广播控制信道 (S-BCCH) 、卫星波束广播信道 (S-BBCH) , 主要传输系统信息等信令。
(2) S-CCCH包括卫星呼叫信道 (S-PCH) 、卫星随机接入信道 (S-RACH) 、卫星接入授权信道 (S-AGCH) 等。在此信道上主要传输呼叫请求、信道请求、签权、同步信道信息、立即指配命令等信令。
(3) S-DCCH与S-ACCH, 主要用于信道上点对点的信息交换, 以通用的帧格式在信道上传输。主要传输分配命令, 分配响应、信道模式修改及响应、加密模式及响应等信令。
4 卫星移动通信呼叫模型
信令在保证通信正常进行起着关键作用, 在卫星移动通信系统中涉及的信令很多, L3层各子层涉及的信令总结如下:
RR层包括信道请求、呼叫请求、信道建立、加密模式及响应、信道分配与切换、信道释放、RR层状态信息, 以及状态诊断信息 (包括卫星波束信息, 电源控制信息, 版本信息以及各种错误信息等) 。
MM层包括注册信息 (包括身份注册与位置更新) 、安全信息 (包括鉴权, 身份认证与临时身份分配) 、连接管理信息、MM层与CM层状态信息。
CM层包括CM业务请求信息、呼叫建立、呼叫过程、拆链、状态信息 (包括拥塞状态, DTMF等) 。
上述信令在进行信令传输时遵循通用的信令格式[6,7,8], 如表2所示。
表中信令的第一个字节属于标识头部分, 高4位为传输标识, 低4位为协议标识, 用来区分使用不同协议的信令。第二字节标识信令类型, 剩余字节为具体的信息单元。这些信令在移动通信过程中主要完成呼叫、位置更新、信关站间及内部的切换、定向重试、短信息等业务。在卫星移动通信系统中使用的上述基本流程与陆地蜂窝GSM系统的流程类似, 但由于使用卫星作为中继, 信号传播延时大[9,10]等原因, 又有它的特殊之处, 比如呼叫重建功能不再适用本系统, 利用卫星中继的优势在信令中增加了GPS信息等。针对移动通信系统, 设计呼叫模型如图4所示, 其流程主要是, 移动终端首先发出信道请求命令, 中继卫星接收到信号之后进行透明转发, 将信令转发给信关站, 信关站控制中心对信令进行分析, 并对移动用户做出响应, 向地面网中的被呼叫用户发出命令, 被呼叫用户接收到命令后做出响应, 并发出相关请求命令给信关站的控制中心, 通过卫星中继转发给地面发出呼叫的移动用户, 经过一系列的请求, 命令与响应之后, 最终在呼叫用户与地面网的被呼叫用户建立连接, 连接完成之后, 进行呼叫进程。
5 结 语
卫星移动通信在技术和成本上具有高可用性和高性价比的优势, 它以其覆盖广, 通信容量大, 通信距离远, 不受地理环境限制, 质量优, 经济效益高等优点, 已成为信息化的主要支柱之一。但是我国目前采用的卫星移动通信系统均来源于国外, 卫星通信的许多核心技术也为国外所有, 因此建设我国自主的卫星移动通信系统意义重大, 且势在必行。
本文所提出的卫星移动通信系统体系架构对于国内建设卫星移动通信系统具有一定的借鉴意义。基于此通信系统的呼叫模型为后续卫星通信系统的应用提供了参考价值。
摘要：卫星移动通信是实现全球无缝覆盖通信的必要手段。由于卫星移动信道的特殊性, 使得卫星移动通信系统有别于地面网通信系统。目前国内在建设自己的卫星移动通信系统方面尚属空白。针对卫星移动通信的特点, 提出一种卫星移动通信体系结构, 从传输模型、通信体制和信令结构几方面对体系进行了设计, 并在此基础上提出了适用于我国实际情况下卫星移动通信的呼叫模型, 为未来国内建设自己的卫星移动通信系统提供了参考依据。该呼叫模型对未来卫星移动通信系统的应用具有一定的借鉴意义。
关键词：卫星移动通信,呼叫模型,网络层协议栈,逻辑信道
参考文献
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体系建模 第5篇
关键词：经济数学,建模,思想
经济数学作为财经类专业的核心课程之一, 包括高等数学、线性代数与线性规划、概率论与数理统计三门课程, 这三门课不仅是日后学习专业课的重要基础, 更重要的是可以通过经济数学课程的学习提高学生的综合素质, 培养分析问题、解决问题以及创新能力, 在经济类人才培养体系中居于重要地位.现结合笔者的教学体会以及多年对数学建模的研究, 就经济数学的课程建设与教学方法改革谈一些粗浅的看法.
一、经济数学课程教学中融入数学建模思想的重要性
1.数学建模的基本内涵
数学建模是全国最大的大学生课外科技活动之一, 近几年, 许多院校正在将数学建模教学活动与数学类各主干课程有机地结合起来, 通过数学建模的思想方法来提高学生的综合素质以及研究与实践能力.数学建模是指通过对实际问题的抽象、简化确定变量参数, 并应用某些“规律”建立起变量、参数间确定的数学问题, 求解该数学问题, 解释验证所得到的解, 从而确定能否用于解决问题的多次循环、不断深化的过程.简而言之, 就是建立数学模型来解决各种实际问题的过程.
2.教学中融入数学建模思想的重要性
当代经济学研究的最显著特点之一, 就是数学方法的广泛引入和应用, 定量地研究经济运行和发展的规律.在经济管理中不仅广泛应用数学方法, 且已经从传统的简单统计、成本核算、税利结算发展到市场调研、经济预测与决策.可以说, 没有良好的数学素质, 就不可能成为一名优秀的财经类高级从业人员.而笔者在多年从事经济专业的数学教学工作中, 深切地感到学校各方面对课程体系建设重视不够, 集中表现在课程体系孤立, 与专业课程学习严重脱离, 导致学生对数学课兴趣不足, 学习积极性不高, 数学素养较差并继而影响专业课学习效果等, 这成为培养合格经济人才急需加强的一个重要环节.而通过在经济数学中引入数学建模思想的教学模式, 不仅可以直接获得必要的数学知识和基本运算技能, 为学好后续的专业课程打下良好基础, 更重要的还在于培养了学生的思维能力和创新意识.数学建模的过程充满着归纳判断、演绎思辨等理性思维活动, 这些特点对培养学生的理性思维习惯、创新精神、实践能力和严谨态度具有不可替代的独特作用, 而这正是高等学校财经类专业开设经济数学课程的目的和意义所在.
二、在经济数学教学中融入数学建模思想的具体办法
1.在教学内容上融入数学建模思想, 建立数学知识与专业课知识相融合的课程体系
教学中应将数学与专业知识有机结合起来, 实现数学与专业课知识的有机转化.针对文科类学生数学知识相对薄弱, 而专业动手能力相对较强的实际情况, 在设置教学课程体系时, 以数学建模知识应用为目的, 结合专业课涉及的数学模型, 强化数学知识与专业课程的联系, 将课程体系分解为四类知识, 建立数学知识与专业课知识融合体系, 形成数学建模课程知识链:数学知识类、计算机知识类、方法论类与数学建模实践类.其中, 数学知识类以基础数学知识为龙头, 构建利用数学建模解决经济中问题所必要的基础数学知识, 如微积分、线性代数与线性规划、概率论与数理统计等知识.其次, 以方法论与工具运用为基础, 加强计算机知识、统计知识、数学建模基本方法讲授, 构建必要的计算机软件运用、计算机编程等知识, 如Matlab, Excel, Word等.最后, 以数学实践运用为中心, 通过基础知识的训练, 将数学知识与经济、管理、工程数学模型结合起来, 密切联系数学在经济管理中的实践运用, 达到综合解决实际问题的能力.通过系统学习以上内容, 增强了学生基本的数学建模能力, 弥补了经济类专业学生数学知识及计算机相关知识的不足, 加强学生分析问题、解决问题的技巧和能力.
2.在教学方法上融入数学建模思想, 使之层次化
(1) 最优化分组学生法
根据学生特点, 将全班学生按3人一组分成若干组, 进行合作学习.在学生学习中, 根据学生自己的意愿以及特长有机组合学生团队, 尽量将计算机特长、数学特长、专业及写作特长的学生组成一个团队, 使之相互学习, 取长补短.除了专业知识上的互补外, 还可以学习对方的某些优良品质, 达到“1+1>2”的效果;同时也为以后学院参加全国大学生数学建模竞赛的人员选拔提前作出了准备.
(2) “建构式”教学模式
学生的数学学习不是一个被动的接受过程, 而是一个主动的建构过程, 即数学知识不能从教师迁移到学生, 而必须基于学生对知识的体察, 从自身经验的反省, 与环境包括与他人的交流中主动地建构起来.因此应该在课堂教学中实施一种淡化数学的纯理论性教学, 注重数学思想、数学方法传授的教学模式.主讲教师灵活地应用“传授式”“示范式”“建构式”教学方法, 利用自己在长期教学和科研实践中积累起来的对数学思想和研究方法的体会, 通过具体数学内容的传授, 对学生言传身教.如讲概念注意其背景, 讲思想交代演化过程.合理运用归纳与推理, 注意分析典型例子, 使学生对数学知识不仅“知其然”, 而且“知其所以然”, 引导学生能提出问题、分析问题, 并指导学生去研究, 去创新, 取得启迪悟性、挖掘潜能的效果.教师平等地与学生讨论问题, 满腔热忱地鼓励学生大胆发表不同意见, 细心发现学生的点滴创新意识, 培植他们的创新精神, 做学生的良师益友.
(3) 多媒体课件以及数学软件的合理化运用
数学课程作为一门基础课, 内容丰富, 逻辑严密, 结构完美, 思维的训练强度大, 分支之间相互渗透, 知识点的联系较多.而CAI辅助教学能够在有限的课时内提供大量的信息;同时课件的趣味性和艺术性激发了学生的求知欲, 刺激了学生的学习动机.并且利用课件丰富的表现力, 分解抽象思维的难度, 还可以利用课件的网络功能, 重组知识结构, 促进问题的表征.但是在运用多媒体教学的过程中要注意与传统黑板粉笔相结合, 防止课堂一味灌输, 缺乏课堂师生互动.
同时数学软件是数学建模的重要技术手段, 在教学过程中对于一些过于繁琐的推理和复杂的计算, 我们可以利用数学软件解决, 如Matlb, Maple, Mathematic等软件, 从而删减一些相对陈旧的概念、方法等, 节省部分课时.
3.在考核方式上融入数学建模思想, 使之多样化
当前数学考试的主要目是为了评价学生的学习质量和教师的教学质量.但是长期以来, 数学考核的唯一形式是限时笔试, 这容易使学生养成机械地套用定义、定理和公式解决问题的习惯.显然这种限时完成的规范化试卷的考核形式并不能真正检查和训练学生对知识的理解和掌握.
我们借鉴全国数学建模竞赛的方式, 对数学的考核方式进行了初步的改革, 将学生的总评成绩分成三块:一是平时成绩 (占20%) , 包括平时作业、提出问题、上课发言、数学实验成绩等.二是闭卷考试成绩 (占30%) , 这部分以考核学生基本概念、基本计算能力为主, 按传统的考试方式, 限时完成.三是开放式考试成绩 (占50%) , 这部分考核以数学建模的方式进行, 由学生自由组合, 三人一组, 教师事先设计好题目, 规定完成的最后期限, 学生可根据需要查找相关资料, 并对计算的结果进行数据分析, 结合实际给出可行性建议, 最后以论文的形式上交评分.
实践证明, 这样的考核方式既可以考查学生对数学知识的理解程度, 又可以改变考试成绩表上一片“红灯”和不及格率逐年增加的现象, 有利于帮助学生端正数学学习的态度, 克服恐惧感;有利于培养学生的自学能力, 为终身学习打下基础;有利于培养学生以所学的数学知识解决现实问题的主动性和创造性.
三、结 语
通过实践证明, 在经济数学教学中突出数学建模思想, 采用数学建模的培养模式, 注重培养学生解决实际问题的能力, 是数学教育改革的发展方向.学数学是为了用数学, 教师应努力创造机会, 通过教学改革研究与实践, 突破传统基础数学以理论教学为主, 重概念、重推理、重逻辑的教学模式, 以素质教育能力培养为课程教学目标, 通过对数学实验与数学建模教学内容的合理选材, 对教学方式方法的科学处理, 把数学建模思想方法渗透到数学的教学环节中去, 切实提高学生的数学应用意识和创新能力.
参考文献
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[4]黄筱调.模块式教学法的理论及实践.辽宁高等教育研究, 1998 (5) .
体系建模 第6篇
在系统需求分析过程中, 分析建模是很重要的阶段, 主要使用一种符合需求分析原则的符号体系来建立一组模型, 包括创建描述信息内容和信息流模型, 划分系统, 建立各个系统的功能模型和行为模型, 描述关键要素。常规分析建模可细分为结构化分析和面向对象分析两种方法, 其中结构化分析方法可能产生解释错误、信息含糊等问题, 因此目前大多采用面向对象分析方法进行分析建模。
1 UML 的建模流程
1.1 UML 的符号系统
UML的建模语言以图形为主进行系统分析, 实现可视化建模。常用的图形有:用例图、静态图、行为图和交互图[1]。
1.2 UML 的建模流程
1.2.1 利用用例模型建立系统功能模型
在需求分析初期, UML将用户需要就系统单次交互过程中所实施的一组行为的相关动作序列提出一个用例, 并汇总各类用例行程一个集合, 建立用例模型, 以此确定待开发系统功能, 具体包括用户与各用例之间关系、用例与用例之间包含扩展关系等等。客户描述用例的过程, 就是明确系统功能的过程。
1.2.2 利用静态模型建立系统功能模型
UML静态模型主要描述系统内部静态结构可视图, 以用例模型为基础, 确定用例内部及相互之间依赖、关联和聚合等关系及整体功能范围对其提出的约束和限定, 最后在粗略的静态系统模型框架内逐步细化各功能需求。
1.2.3 利用动态模型机制建立系统行为模型
UML动态模型主要用于描述对象间作用关系和信息交换关系。其中状态图主要描述控制信息即外部事件导致系统将采取怎样的动作方式, 描述各种系统行为模式以及各行为状态之间的变迁方式;序列图主要描述系统对象间交互动态关系, 可显示对象间信息发送顺序和对象间交互关系两方面内容[2]。
2 基于 UML 的网络安全体系建模分析方法
网络安全系统是基于安全管理和安全技术的集攻击、防范、检测、控制、管理和评估于一体的系统工程[3]。目前安全体系设计的主要问题是结构框架比较抽象, 歧义问题较多, 因此统一建模语言UML是适用于网络安全体系建模的较好选择。
2.1 安全目标建模
安全目标ST可从业务功能、业务范围和业务流程等入手建模, 定义ST是二元组ST=
业务功能BF表示网络可以实现特定目的的能力, 适合用用例图进行刻画。
BF为四元组BF=
业务范围BS表示业务功能所达到的广度, 适合用类图进行刻画。
BS为二元组BS=
业务流程BP表示业务执行过程, 适合用活动图进行刻画。
BP为九元组BP=
2.2 安全边界建模
安全边界SB可从物理联通边界和安全措施边界入手建模, 定义SB是二元组SB=
连通边界LNB表示网络资产要素及要素间在物理逻辑连通方面的关系。LNB=
安全措施SMB表示网络中各类技术、管理措施的限定边界。SMB=
2.3 安全体系要素建模
安全体系要素可从安全机制和安全威胁两方面入手建模。
安全机制STR可定义为七元组STR=
安全威胁ST是可定义为五元组ST=
3 结束语
基于网络安全系统设计的发展现状, UML成为网络安全系统设计中的首选建模模式。在具体的网络安全系统设计中, 可从安全目标、安全边界和安全体系要素三个方面入手建模, 以充分发挥UML的可视化、直观性等优势。
参考文献
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体系建模 第7篇
构造性和演化性是软件的两个基本特性[1]。随着软件工程学科的飞速发展,软件演化的重要性和普适性越来越强[2]。软件演化包括静态演化和动态演化:对于静态演化,已有相对完整的理论和可行的技术;与它相比,动态演化的相关理论、方法和技术还处于起步阶段[3]。因此,动态演化已逐渐成为软件工程领域的研究热点[4]。动态演化的目标在于支持系统在运行时刻以尽可能小的代价进行软件的动态配置和更新,即系统中不受动态演化实施影响的部分仍可以继续提供服务,而受影响的部分则须暂停服务而无法正常工作[3,5]。目前,动态演化仍面临多方面的挑战[3,5,6,7,8,9],为了应对这些挑战,本课题组拟提出一种面向动态演化的建模和分析方法,该方法在需求分析、软件体系结构SA(software architecture)设计、可演化性分析、动态演化实施分析等多个阶段管理和支持动态演化:以解决软件动态演化面临的若干挑战为导向,以需求模型为驱动,以SA为视图,以支持动态演化的平台为支撑,以形式化方法为工具。在整个研究框架内,本文的前期成果是已完成的面向软件动态演化的需求建模[7]。因此,本文将在文献[7]的基础上,讨论面向动态演化的SA建模。区别于传统的SA建模,本文在SA建模时重点关注如何使得SA能有效支持动态演化,并提高所建立的SA模型的动态演化性。
1 建模要求和建模思路
1.1 建模要求
针对动态演化,本文的SA建模特别关注以下要求:(1) SA作为动态演化分析、实施的视图,不仅应能直观表达软件系统的结构,而且应具有精确的语义。(2) 动态演化作为执行期的演化,需要对系统的执行状态进行描述。因此,SA不仅应能表达系统的静态结构,而且应可反映系统的动态行为和状态的动态变化。(3) 作为整个研究框架一个组成部分,SA建模应与上游的需求建模[7]之间建立良好的追踪机制,即文献[7]中需求建模对动态演化的支持机制应在SA建模中得到继承和保持。
1.2 建模思路
SA是软件系统的模型。考虑到元模型是用来定义模型的工具,是建模的主要依据。因此,本文设计了一种面向动态演化的SA元模型DEAM(Dynamic-Evolution-Oriented Architecture Meta-model)。DEAM作为SA元模型,是用来定义SA的工具,依据上文的建模要求,DEAM的设计思路如下:(1) 选取Petri网作为SA建模的主形式化工具。考虑到Petri网既具有直观的图形表示,又具有严格的数学基础,因此,基于Petri网建立的SA既能直观表达系统的结构,又具有精确的语义。(2) DEAM包括静态和动态两个视图。静态视图表达SA的静态结构,动态视图以静态视图为基础,反映系统的行为导致的SA状态变化。其中,静态视图以Petri网的网结构表示,动态视图以网系统表示,构件之间的交互就相应地以Petri之间的交互和熔合展示出来,软件系统的动态行为以Petri网中变迁点火引起的网系统的动态运行来展示。(3) 为了建立与文献[7]中的需求建模之间良好的追踪机制,需在DEAM中对需求元模型中的一些特殊机制加以映射和表达。因此,通过变迁的分类来映射稳定和易变需求,通过库所的分类来映射主动和被动需求,通过区分端口和接口来映射计算和交互的相对隔离等机制,从而在SA建模中继承和保持需求建模对动态演化的支持机制。
2 构件和连接件建模
IEEE Std1471-2000标准把构件和构件之间的关系作为SA的核心[10]。连接件一般被用于描述构件之间的交互行为。因此,构件和连接件建模是SA建模的重要组成部分。为了使Petri网满足建模要求,首先,将Petri网扩展为构件网结构。
2.1 构件网结构
为了保持与文献[7]中需求建模的相关部件和相应机制的追踪性,本文提出的构件网结构在传统的Petri网基础上,做出以下三点限制和区分:(1) 考虑与文献[7]中需求建模对稳定需求和易变需求的区分机制相对应:在构件网结构中,通过对变迁的分类来对应稳定需求和易变需求,把变迁分为稳定变迁和易变变迁,易变变迁往往是一个较复杂子网结构的抽象,并且子网的结构经常需要动态演化。(2) 考虑与文献[7]中需求建模对主动需求和被动需求的区分机制相对应:在构件网结构中,通过对库所的分类来对应主动需求和被动需求,主动特征对应的库所拥有一定的行为(将在动态视图中进一步阐述);而被动特征对应的库所,其状态完全由其局部环境(即前后集)决定。(3) 考虑与文献[7]中需求建模对计算行为和交互行为相分离机制对应:考虑到计算行为包括顺序组合、选择组合、迭代组合等,而交互行为由一组交互动作确定。因此,为了实现两者的分离,在构件网结构中也相应地区分接口和端口,用接口之间的连接来实现计算行为的组合,用端口之间的协议来实现交互。为了保证构件网结构的组合之后依然具有良好的结构,规定每个网结构有一个入接口和一个出接口,而端口数量则由需求建模中的交互协议确定。
定义1 (构件网结构) 满足以下条件的六元组N=(P, T; F; E, A, C)称作一个构件网结构:(1) P∪T ≠ ϕ且P∩T = ϕ;(2) F ⊆ (PT)∪(TP);(3) dom(F)∪ran(F) = P∪T;(4) E⊆T ; A⊆P ;C⊆T;(5) N存在一个输入源(简称“源”)i∈P∪T,使得˙i = ϕ(i的前集为空);同时,N存在一个输出槽(简称“槽”)o∈P∪T,使得o*=ϕ(i的后集为空);(6) 任意一个节点x∈P∪T,都属于从i到o的一个路径上;其中:P是N的库所集,T是N的变迁集;F是N的有向弧集,称为N的流关系;E是易变变迁集,A是主动库所集,C是交互变迁集;dom(F)={x∈P∪T |∃y∈P∪T,(x, y)∈F};ran(F) = {x∈P∪T | y∈P∪T,(y, x)∈F}。
2.2 构件建模
要完整和精确描述构件很困难,所以目前关于构件的定义都比较抽象。通常,一个构件应该包括两个部分:接口和实现。本文用构件网结构描述构件的实现。为了体现计算与交互分离的思想,把接口和端口区别对待:接口用于构件之间的组合,端口用于构件之间的交互;接口包括一个输入接口和一个输出接口,端口则由交互协议规定;接口可以是库所也可以是变迁,端口则只能是变迁。构件模型如图1所示。
定义2 (构件) 构件是SA中承担计算功能的单元,用五元组Com= (N, I, O, C, S) 表示,其中:(1) N=(P, T; F; E, A, C)是一个构件网结构,描述了构件的实现;(2) I是N的输入源i,表示构件的输入接口;(3) O是N的输出槽o,表示构件的输出接口;(4) C是N的交互变迁集,表示构件的端口集;(5) 接口和端口统称为构件的接触点;(6) S是构件的依赖规约,用一个进程项表示(来源于文献[7]中的需求建模),是从构件外部对构件的观察描述:表达构件必须实现的功能,否则构件将无法满足与环境之间的交互要求。
构件也可直接以九元组Com= (P, T; F; E, A, I, O, C, S)的形式表示。在不考虑因依赖规约而导致的一致性问题时,也可简化为八元组(P, T; F; E, A, I, O, C)或四元组 (N, I, O, C)的形式。可见,本文所提出的构件模型拥有一个输入接口和一个输出接口,用于构件之间的组合;拥有n(n≥0)个端口,用于构件之间的交互。此外,构件模型继承了构件网结构之中对易变变迁和稳定变迁的区分、主动库所和被动库所的区分。正是这些特色的引入,使得该构件模型能更有效地支持动态演化。
需要说明的是,构件的接口可以是库所也可以是变迁,在构件之间通过接口进行组合的时候,若对构件的接口有类型要求,可以通过引入虚结点,在不改变构件的计算功能的前提下,实现构件的接口类型的变换。
定义3 (虚结点) 虚结点是指没有实际意义的结点,它只能作为构件网结构中输入源的前提或输出槽的后提被添加进网结构,从而成为构件的输入或输出接口。
引入虚结点是为了建模方便,以便于构件之间的组合。虚结点本身不代表任何实质的计算,虚结点的类型包括虚库所和虚变迁。引入虚结点之后的网结构必须满足定义1的要求。
2.3 连接件建模
连接件是实现构件之间联系和交互的特殊部件。在SA中,构件并非孤立地存在着的,而需要通过连接件建立并维持关系:静态地看,通过连接件的连接,把多个构件连接成为一个整体;动态地看,连接件为构件之间的信息传递、交互和协作提供了途径,并维持了构件之间的行为关联关系。
为了体现计算与交互分离的思想,本文把接口和端口区别对待,因此,连接件也相应地分为接口连接件和端口连接件,其中:接口连接件用于构件之间接口的连接,端口连接件用于端口之间的连接。需注意的是,接口和端口不直接相连,因为接口用于构件之间的组装,而端口体现构件之间的交互协议。
Petri网中的网结合技术有四种基本类型:库所熔合、正向弧添加、逆向弧添加、变迁熔合,分别对应以下四类连接件。
定义4 (库所熔合连接件CP) 设两个构件,其构件网结构为Nk=(Pk, Tk; Fk; Ek, Ak, Ck),Nk中各存在一个熔合库所pk∈(ik∪ok),其中k=1,2,将p1和p2熔合成为一个库所p,则称Net=((P1∪P2-{p1, p2})∪{p}, T1∪T2; (F1-Fp1)∪(F2-Fp2)∪Fp; E1∪E2, A1∪A2, C1∪C2)为N1和N2基于库所熔合连接件CP的(p1, p2)连接,记为Net=(N1, p1)CP(N2, p2),其中:Fp1和Fp2分别是与p1和p2直接相连的弧,Fp是用p分别代替p1和p2产生的弧。
需注意的是:通过连接件连接之后得到的网Net满足Petri网的定义,但不一定满足构件网结构的定义。
库所熔合连接件的实质是:连接件的两端分别是两个不同构件的库所接口,通过连接件的作用,使得它们就像是一个库所的两个分身一样,共享库所的状态。因此,连接件两端的库所状态是动态一致的:若其中一端的库所中产生一个托肯,另一端的库所中也相应增加一个托肯;若其中一端的库所中消耗一个托肯,另一端的库所中也相应减少一个托肯;若库所中只有一个托肯,当对应的两个构件中该托肯都可以被其后集变迁点火消耗时,则将导致选择和竞争。
定义5 (正向弧添加连接件CPT) 设两个构件,其构件网结构为Nk=(Pk, Tk; Fk; Ek, Ak, Ck) ,其中k=1,2,对于N1的一个接口库所p1∈(i1∪o1),N2的一个接口变迁t2∈(i2∪o2),添加一条从p1到t2的弧,则称Net=(P1∪P2, T1∪T2; F1∪F2∪F*; E1∪E2, A1∪A2, C1∪C2) 为N1和N2基于正向弧添加连接件CPT的(p1, t2)连接,记为Net=(N1, p1)CPT(N2, t2),其中:F*为连接时添加的正向弧,即由接口库所p1指向接口变迁t2的弧。
正向弧添加连接件的作用是:用连接件的始端构件控制连接件的末端构件,即连接件的末端变迁的点火条件由末端构件内部的前提库所集和始端库所共同决定。
定义6 (逆向弧添加连接件CTP) 设两个构件,其构件网结构为Nk=(Pk, Tk; Fk; Ek, Ak, Ck) ,其中k=1,2,对于N1的一个接口变迁t1∈(i1∪o1),N2的一个接口库所p2∈(i2∪o2),添加一条从t1到p2的弧,则称Net=(P1∪P2, T1∪T2; F1∪F2∪F#; E1∪E2, A1∪A2, C1∪C2) 为N1和N2基于逆向弧添加连接件CTP的(t1, p2)连接,记为Net=(N1, t1) CTP (N2, p2),其中:F#为连接时添加的逆向弧,即由接口变迁t1指向接口库所p2的弧。
逆向弧添加连接件的作用是:连接件的始端变迁的点火将导致其末端库所中增加一个托肯。因此,该连接件起到从始端构件向末端构件传递信号或消息的作用。
定义7 (变迁融合连接件CT) 设两个构件,其构件网结构为Nk=(Pk, Tk; Fk; Ek, Ak, Ck),Nk中各存在一个熔合变迁tk∈Ck,其中k=1,2,将t1和t2熔合成为一个变迁t,则称Net=(P1∪P2, (T1∪T2-{t1, t2})∪{t}; (F1-Ft1)∪(F2-Ft2)∪Ft; E1∪E2, A1∪A2, C1∪C2)为N1和N2基于变迁熔合连接件CT的(t1, t2)连接,记为Net=(N1, t1)CT(N2, t2) ,其中:Ft1和Ft2分别是与t1和t2直接相连的弧,Ft是用t分别代替t1和t2产生的弧。
变迁融合连接件的作用是:只有连接件两端的变迁都可以点火时,这两个变迁才可以同时发生;只要有其中一个变迁的点火条件没有得到满足,则连接件两端的变迁都不能执行。
由定义易知,库所熔合、正向弧添加、逆向弧添加连接件是接口连接件,而变迁熔合连接件是端口连接件。
定义8 (连接件) 连接件是SA中承担连接和交互功能的单元,用三元组Con= (Type, Cf, Cb) 表示,其中:(1) Type表示连接件的类型,其取值范围为{CT, CP, CTP, CPT};(2) Cf表示连接件的源,Cb表示连接件的槽,Cf和Cb统称为连接件的角色。
四种基本类型的连接件是由网结合的四种基本技术导出,由于这四种网结合的技术对于两两连接是完备的,因此,其它复杂的网结合方式可以由这四种基本连接方式组合而成。
3 静态视图和动态视图建模
3.1 静态视图建模
静态视图描述了SA的静态结构,其基本部件除了构件和连接件之外,还包括构件与连接件之间的连接关系;进一步,对于复杂系统而言,构件之间通过连接件的作用还可以形成粒度更大的构件或子系统,从而形成SA的多层次结构。
定义9 (连接关系) 连接关系确定了SA中构件和连接件之间的关联关系,用二元组l=(Com.touch, Con.role)表示,其中:(1) Com.touch表示构件Com的一个接触点;(2) Con.role表示连接件Con的一个角色;(3) 连接关系表明构件的接触点Com.touch和连接件的角色Con.role相连接。
在建立连接关系时,必须注意连接件的Type的匹配,即:CT类型的角色都必须和端口变迁相连接,CP则必须都和接口库所相连接,CTP的源必须连接接口变迁、槽必须连接接口库所,CPT的源必须连接接口库所、槽必须连接接口变迁。
定义10 (静态视图) 接下来以递归形式定义静态视图SAS。
(1) 一个构件是一个静态视图。
(2) 四元组(COM, CON, L, C)是一个静态视图,满足条件:① COM是一个构件的集合,其中至少包含一个构件;② CON是一个连接件的集合,其中任意一个连接件的两个角色都参与连接关系;③ L是一个连接关系的集合;④ C是静态视图的端口集合;⑤ 以COM中构件为顶点,CON中连接件为边,依据L建立连接关系,得到的是一个连通图。
(3) 四元组(SA, CON, L, C)是一个静态视图,满足条件:① SA是一个静态视图的集合,其中至少包含一个静态视图;② CON、L、C同上;③ 以SA中元素为顶点,CON中连接件为边,依据L建立连接关系,得到的是一个连通图。
连接件不但可以用于连接构件,也可用于连接静态视图,从而形成更加复杂的静态视图。静态视图的递归定义使得SA的构造具有层次性。
3.2 动态视图建模
动态视图建立在静态视图的基础上,考虑SA的动态运行和行为导致的状态变化。动态视图以静态视图为基础,进一步加入标识(即托肯)之后,根据Petri网的点火规则运行。动态视图采用的网系统是原型Petri网,即所有的弧的权值都为1,所有的库所容量为无穷大。
定义11 (构件的状态) 对于构件Com= (P, T; F; E, A, I, O, C),映射M:P{0,1,2,}称为构件的一个状态,记为状态s。
与经典Petri网类似,在图形表达构件状态时,对于p∈P,若M(p)=k,则在库所p中以k个小黑点表示p中有k个托肯。
在动态视图中,需要进一步描述构件的动态行为,以动态构件系统的形式表现。
定义12 (动态构件系统) 动态构件系统是九元组ComD= (P, T; F; E, A, I, O, C, M),其中:(1) Com= (P, T; F; E, A, I, O, C)是一个静态的构件网结构,称为动态构件系统的基网;(2) M是动态构件系统的一个状态。
定义13 (主动库所运行规则) 在动态构件系统ComD中,对于A中的任意一个元素pa,pa是一个主动库所,pa的每次运行将使得其库所中的托肯个数加1,即M’(pa)=M(pa)+1。
主动库所对应文献[7]中需求建模的主动需求,是引起行为相关性的“源头元素”。它们主动地创建“任务”或者接受系统外部提交的“任务”。每创建一个任务,其对应的库所中就增加一个托肯。主动库所是系统与系统外部交互的接口。除了主动库所能主动添加托肯之外,动态构件系统的其它状态变化都依据原型Petri网的运行规则。变迁的接连点火、主动库所的运行导致了构件状态的不断变化,展示了构件系统的运行。
SA的动态视图中往往包含许多相互连接和协作的构件,每个构件有其自己的状态,它们共同构成了SA的状态。
定义14 (SA的状态) 对于一个静态视图SAS的构件集合COM,COM中每一个构件的状态记为M1, M2, M3,,Mn,则M=M1∪M2∪M3∪∪Mn称为SA的一个状态,M1, M2, M3,,Mn分别称为SA的一个构件子状态。
SA的任意的构件子状态的改变都将导致SA状态的变化。
定义15 (动态视图) 动态视图是相对于静态视图而言的,是二元组SAD = (SAS, M),满足以下条件:(1) SAS是对应的静态视图;(2) M是SA的一个状态;(3) SA的状态在构件的运行规则和连接件的动态作用下,由于主动库所的执行、变迁的点火而不断改变其自身的状态。
动态视图是软件系统状态的动态运行和变化的抽象表示。
4 案例研究
为了说明本文提出的方法之可行性,以文献[7]的案例为基础进行案例研究。该案例是一个简化的网上银行系统。要求系统实现用户信息管理、余额查询、历史记录查询、网上转账等功能;对于转账功能,要求执行转账之前,系统自动向客户手机发送验证码,验证成功后才执行转账;此外,目前银行正与该市电力营销系统商讨通过网上银行代收电费事宜,但尚未确认和签约。文献[7]已建立了该案例的需求模型,接下来,将进一步对其进行面向动态演化的SA建模。
作为示例,有必要从网上银行系统中选择典型构件,建模其内部的构件网结构。接下来,对短信验证转账构件进行建模。
从文献[7]的需求建模知:短信验证转账构件对应的进程项:(t0(t1+(t2(t3(t4+t5)))))‖[C]((e0+e1)*),其中C={<0.01, t2, e0>, <0.02, t3, e1>}。因此,该构件可细分为两个子构件:转账构件(对应进程项为t0(t1+(t2(t3(t4+t5))))))和验证构件(对应进程项为(e0+e1)*),并通过两个子构件的并行组合和交互构成父构件(也可看成一个子系统,在此视为构件)。
首先,将子构件当成原子构件,即构件Com表示为Com=Com1‖[C]Com2,其中Com1对应进程项为t0(t1+(t2(t3(t4+t5))))),Com2对应进程项为(e0+e1)*。建模短信验证转账构件的框架,如图2所示,其中:构件Com1和Com2以变迁熔合连接件连接起来,并通过引入的两个虚变迁,组成父构件;两个虚变迁分别被提升为构件的输入和输出接口。
接下来,详细建模转账子构件的内部结构:Com1对应进程项为t0(t1+(t2(t3(t4+t5))))),建模得到其内部结构,如图3所示,由于t0是主动特征,因此建模得到的库所p1是主动库所;p1和p5分别被提升为输入和输出接口,t2和t3被提升为端口。
进一步,给出转账子构件的形式化定义,Com1=(P1, T1; F1; E1, A1, I1, O1, C1, S1),其中:P1={ p1, p2, p3, p4, p5 };T1={ t0, t1, t2, t3, t4, t5 };F1={ (p1, t0), (t0, p2), (p2, t1), (p2, t2), (t1, p5), (t2, p3), (p3, t3), (t3, p4), (p4, t4), (p4, t5), (t4, p5), (t5, p5)};E1=ϕ;A1={ p1 };I1={ p1 };O1={ p5 };C1={ t2, t3 };S1= t0(t1+(t2(t3(t4+t5)))))。
限于篇幅,其它构件或子构件不再详细建模。接下来,为了建立系统的全貌,对SA及其子系统的视图进行建模。
根据文献[7]的需求建模,知系统的行为特征模型对应的进程项为:(i((((a+b)+x)+7.00)*))o。将系统划分为三个构件(或子系统):登录构件(对应进程项i)、登出构件(对应进程项o)和业务处理构件(对应进程项(((a+b)+x)+7.00)*),其中业务处理构件较为复杂,可以看成业务处理子系统,并进一步进行分解。系统顶层的SA静态视图,如图4所示。业务处理子系统的静态视图如图5所示。
图5建模过程如下:考虑业务处理子系统对应的进程项为(((a+b)+x)+7.00)*,由于选择算子满足结合律和交换律,因此通过公理系统将其变为等价的形式如下:(a+b+x+7.00)*。易见,业务处理子系统由四个构件选择组合之后,再进行迭代组合。四个构件分别为:账户信息管理构件(对应进程项a)、余额和历史记录查询构件(对应进程项b),代缴电费构件(对应进程项x)、短信验证转账构件(对应标识符7.00),其中:7.00 =(t0(t1+(t2(t3(t4+t5)))))‖[C]((e0+e1)*)。将各个构件当做原子构件,得到业务处理子系统的静态视图如图5所示。
在图5中,四个构件选择组合之后,再迭代组合,并通过引入虚变迁使之符合上一层的连接要求,这样,业务处理子系统被抽象成为业务处理构件,并与顶层SA中的连接件之间保持类型的匹配。另外,图中构件7.00的部分子构件(转账子构件)的详细模型已在前文完成。
需要说明的是,限于篇幅,案例中大部分的构件的详细内部结构无法在文中描述,因此,许多连接件的类型无法确定。随着各个构件和子构件的详细模型的不断被建立,各种连接件的类型也将被确定。最终,随着建模的不断细化,将最终得到完整、精确、详细和层次化的SA视图。
通过案例研究可见:(1) 本文建立的SA模型与文献[7]的需求建模保持很高的可追踪性,考虑到动态演化本质上是需求变化驱动的,为从源头上支持动态演化提供了支持。(2) 本文提出的构件模型区分了主动库所和被动库所,并通过区分接口和端口机制对计算和交互进行了相对隔离,通过变迁分类封装了易变特征和稳定特征;这些机制一方面提高了SA模型的动态演化性,另一方面为动态演化的分析和实施奠定基础。
5 结 语
针对软件动态演化面临的挑战,以需求建模为基础,本文提出面向动态演化的SA元模型DEAM,设计了构件、连接件、静态视图和动态视图等基本部件,使得SA建模能够有效支持软件动态演化:一方面,提高了所建立的SA模型的动态演化性;另一方面,建模结果作为动态演化的分析和实施的视图,为可演化性分析、一致性分析等工作奠定了基础。
摘要：为了应对软件动态演化面临的挑战,应提高所建立的软件体系结构模型的动态演化性。以扩展的Petri网为形式化工具,对面向动态演化的软件体系结构进行建模。首先,将Petri网扩展成为构件网结构,并设计有效支持软件动态演化的构件模型和连接件模型;其次,建立软件体系结构的静态视图和动态视图,为软件动态演化的分析和实施奠定基础;最后,通过案例研究表明:该方法是有效的,并可显著提高所建立的软件体系结构模型的动态演化性。
关键词：软件动态演化,软件体系结构,Petri网,构件,连接件
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