气象业务系统升级变更方案选择研究

梁中军，郭 静，何文春， 王 舒

(1.国家气象信息中心 系统工程室，北京 100081; 2.中国电子科学研究院，北京 100041)

基础理论 doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.05.011

气象业务系统升级变更方案选择研究

梁中军*1，郭 静2，何文春1， 王 舒1

(1.国家气象信息中心 系统工程室，北京 100081; 2.中国电子科学研究院，北京 100041)

合理选择实施方案是气象业务系统顺利完成升级变更的前提与关键，但是由于选择决策需考虑因素种类多、备选方案优势各异、各因素的评价方式具有差异等因素的存在，致使方案选择困难。为解决上述问题，本文在考虑变更成本、变更对业务的影响、变更风险和变更预期效果等因素基础上，采用费用、参与人员数、变更执行时间、业务影响程度、业务影响时间、技术风险、实施风险、功能完善程度和性能提高程度等属性作为选择的评价指标对问题进行建模，并根据问题特点设计一种选择方法。该方法首先根据备选方案的属性取值约简属性；然后，通过专家评估获得属性权重，并对属性进行模糊化表示和归一化处理；最后，利用TOPSIS方法对业务系统升级变更方案进行选择。通过真实案例实给出了解决方法的具体步骤及选择结果。

气象业务系统；升级变更；方案选择；约简属性；多属性

0 引 言

随着信息技术和气象业务的不断发展，气象信息系统[1-2]在气象业务创新发展中起到了重要的作用。然而由于气象业务需求变更、基础设施资源变化、技术更新等各种不确定因素导致气象信息系统需要不断进行升级变更，以满足业务发展的需要。为保证升级变更能够顺利完成，技术人员需要全面考虑各种因素开展实施方案设计，并产生多种侧重点不同的方案，项目决策者要根据业务的运行特点开展方案选择。

合理选择实施方案是业务系统顺利完成升级变更的前提与关键。目前，已有大量学者对业务系统升级变更的相关问题[3-8]进行了大量研究，但是还未有效的解决业务系统升级变更方案选择问题。由于实施方案的选择涉及多种因素，且各因素之间的度量方式不同，致使选择面临下列挑战。

(1)业务系统升级变更方案选择涉及因素多，且各方案在不同因素上具有不同优势，直接选择困难。实施方案选择需要考虑业务系统升级变更的成本、系统升级变更对业务的影响、业务系统升级变更的风险和业务系统变更的预期效果等因素，有些方案成本高但风险低，有些方案则成本低但风险高，直接选择最优方案困难。

(2)选择涉及的每个因素由若干属性组成，不同属性的评价方式有所差异，难以直接开展方案选择。在上述因素中，变更成本由费用、参与人员数和变更执行时间等属性组成，变更对业务的影响由业务影响程度和业务影响时间等属性组成，变更风险由技术风险和实施风险等属性所组成，变更预期效果由功能完善程度和性能提高程度等属性所组成。上述属性既包含定量属性也有定性属性，它们具有不同的单位、量纲和数量级，难以相互比较，为此直接选择困难。

(3)由于实施方案涉及信息复杂，致使部分属性的取值具有不确定性，难以直接根据属性取值对方案进行综合评价和排序。例如：变更操作步骤之间的相互影响，致使变更执行时间和业务影响的取值具有不确定性，难以直接根据这些信息来直接确定最优方案。

为解决上述问题，本文在考虑上述因素的基础上对业务系统升级变更方案选择问题建模，并根据问题设计一种选择方法。在问题建模上，综合考虑了变更成本、变更对业务的影响、变更风险和变更预期效果等因素对方案选择的影响，采用费用、参与人员数、变更执行时间、业务影响程度、业务影响时间、技术风险、实施风险、功能完善程度和性能提高程度等属性作为选择评价指标对问题进行建模。在问题求解上，方法首先根据备选方案的属性取值情况对决策属性进行约简，去除选择不起作用的属性；然后，通过专家评估剩余属性的重要程度获得属性权重，并对属性进行模糊化表示和归一化处理；最后，利用TOPSIS方法对业务系统升级变更方案进行选择。通过真实案例实给出了解决方法的具体步骤及选择结果。

1 气象业务系统变更的考虑因素

为保证实施方案能够满足业务和决策者的需求，气象业务系统在升级变更时需要考虑下列因素。

(1)气象业务系统升级变更的成本

为了优化现有气象业务系统，系统在升级变更时需要花费一定代价来实现这一改变。气象业务系统升级变更的成本是指在业务系统升级变更时期内，因优化系统而花费的所有代价的总和。其主要包括：费用、参与人员数和变更执行的时间。在选择实施方案时，业务系统升级变更的成本是决策的重要因素之一。

(2)系统升级变更对气象业务的影响

为实现气象业务系统的升级变更，实施方案中可能会存在一些操作(如：重启系统、配置参数、安装新软件等)导致现有业务系统临时中断服务或暂停服务。对于实时性要求强的业务应用，即使是较短的服务中断也会产生很大的影响。因此，在选择实施方案时，升级变更过程中对业务的影响也是决策的关键因素之一，其主要反映在业务影响程度和业务影响时间上。

(3)业务系统升级变更的风险

在业务系统升级过程中，不同的实施方案将可能面临不同的风险挑战，其主要包括：技术风险和实施过程风险。其中：技术风险主要考虑变更方案所采用的最新技术是否能与现有平台各类软件兼容，实施过程中的风险主要考虑实施过程的复杂程度、人员组织对项目实施时间的影响，导致变更不能按照计划时间完成。为此，在选择实施方案时需要考虑实施过程中所面临的风险。

(4)系统变更的预期效果

在业务系统升级的实施方案中，不同的方案可能具有不同的预期优化效果。有些方案可能只完成了部分功能的优化，有些则全面提升了系统的性能。在选择实施方案时，应该充分考虑系统变更的预期效果。

理想的情况下，最优的实施方案应该是业务系统升级变更所花费成本最低，对业务影响最小，系统升级后的优化效果最好，面临风险最小的方案。但是由于不同实施方案在上述因素上优势各异，致使最优实施方案困难。

2 气象业务系统升级变更方案选择问题建模

气象业务系统升级变更方案选择就是在综合评价各类因素的基础上，获得最优的实施方案。为解决变更方案选择问题，本文在充分考虑各个因素特点的基础上，对气象业务升级变更方案选择问题进行建模。在建模时，综合考虑变更成本、变更对业务的影响、变更风险和变更的预期效果等因素对方案选择的影响，采用下列属性作为选择的评价指标对问题进行建模。具体如表1所示。

表1 变更决策考虑的主要因素及其属性

变更成本：主要由费用、参与人员数和变更执行时间所决定。其中，费用是指业务系统升级变更的花费总和，参与人员数是指完成变更方案所需的人员数量；变更执行时间是执行变更实施方案所需花费的总时长，其取值通常为时间区间。

变更对业务的影响：主要由业务影响程度和业务影响时间所决定。其中，业务影响程度是领域专家根据经验评估获得，其取值可分为五个等级(即：高、较高、中、较低、低)，业务影响时间是执行变更方案可能会影响业务的总时长，其取值通常为时间区间。

变更风险：主要由技术风险和实施风险所决定。其中，技术风险是指变更方案所采用的最新技术与现有平台各类软件兼容的风险，实施风险是指方案的复杂程度、人员组织对项目实施时间的影响风险。其取值由领域专家根据经验评估获得，其取值可分为五个等级(即：高、较高、中、较低、低)。

变更预期效果：主要由功能完善程度和性能提高程度所决定。其中，功能完善程度是指方案对系统功能缺陷修复的程度；性能提高程度是指方案对系统的非功能属性(如：可靠性、安全性、吞吐率、响应时间等方面)的优化程度。其取值由领域专家根据经验评估获得，其取值可分为九个等级(即：极好、很好、好、较好、一般、较差、差、很差、极差)。

在上述属性中，既包含定量属性，也包含定性属性。其中，费用、人员数等属性可以采用具体数字进行表达，变更执行时间和业务影响时间可以由区间数来表达，而业务影响程度、技术风险、实施风险、功能完善程度、性能提高程度等定性属性难以给出具体的数值，采用相应的语言进行描述。

基于以上属性描述，气象业务系统升级变更方案选择问题描述如下：

气象业务系统升级变更方案选择问题：已知技术人员根据气象业务系统的升级变更需求，设计了n个备选实施方案{1,2,…,i,…,n}，每个实施方案i在费用、参与人员数、变更执行时间、业务影响程度、业务影响时间、技术风险、实施风险、功能完善程度和性能提高程度等属性的取值为{ci,pi,ETi,idi,ITi,tri,eri,dfi,pdi}，气象业务系统升级变更选择问题就是综合上述信息的取值，从备选方案中选择一个最优方案，使得决策者最满意。

3 问题求解

3.1 属性约简

在方案选择的过程中，属性的数量影响着问题求解的难度。在实践过程中发现备选实施方案可能会在某个属性值上取值均相同。由于这些属性的取值相同，所以这些属性信息在选择决策过程中并不起决定作用，而且还会增加相应计算量。为快速求解本问题，本文对原始决策方案的属性进行约简，按照约简规则1去除备选方案中取值相同属性，其具体描述如下。

约简规则1：假设有n个备选方案，如果任意备选方案在某属性的取值相同，则在本次决策选择中，该属性可以被约简。

3.2 确定属性权重

不同属性在方案选择中起着不同作用，为支持项目决策者选择满意的升级变更方案，需要评价属性的重要程度，计算每个属性权重的大小。由于不同业务系统在实时性要求、业务重要程度等因素上存在差异，不同业务系统在升级变更时的属性权重会有个性化差异。为更好的反映决策者的主观意愿，本文采用专家评估的方法[9]来获取其权重。各属性的相对重要程度越高，其权重应该越大，反之则越小。

3.3 属性的模糊化表示与归一化处理

气象业务系统升级变更方案选择问题求解困难主要体现在备选方案属性信息的复杂性。一方面，由于备选方案的属性类型不同，它们具有不同的单位、量纲和数量级，难以相互比较；另一方面，由于实施方案涉及信息复杂，致使部分属性的取值具有不确定性，所以难以直接根据属性取值进行综合评价和排序。为有效选择最优方案，本文采用模糊化方法来对定性属性的取值进行数字化表示，并对其取值进行归一化处理。

根据第二节的描述可知，方案的定性属性主要采用五级语言和九级语言来进行描述。为支持决策选择，本文将采用文献[10]中的模糊化方法利用三角模糊数来对定性属性进行数字化表示，将语言描述转化为三角模糊数，其具体表示方法如下：

利用上述转化方法，业务影响程度、技术风险、实施风险等属性取值的三角模糊数表示如表2所示。

表2 业务影响程度、技术风险、实施风险等属性取值的三角模糊数表示

功能完善程度、性能提高程度等属性取值的三角模糊数表示如表3所示。

表3 功能完善程度、性能提高程度等属性取值的三角模糊数表示

为消除量纲和数量级对选择的影响，本文根据属性的意义和其表示方式，利用向量规范化法[11]分别对其进行归一化处理。其计算方法如下。

假设有n个备选方案，则任意备选方案i在不同属性下的归一化取值分别可采用下列方法计算获得。

(1)费用与参与人数的归一化方法

(1)

(2)

(2)变更执行时间和业务影响时间的归一化方法

(3)

(4)

(5)

(6)

(3)业务影响程度、技术风险和实施风险的归一化方法

(7)

(8)

(9)

(4)功能完善程度和性能提高程度的归一化方法

(10)

(11)

(12)

3.4 基于TOPSIS方法的业务系统升级变更方案选择

有效选择实施方案需要综合考虑各个方案的属性信息。由于本问题多个属性取值的数字化表达方式具有差异，所以难以直接开展选择计算。考虑到TOPSIS方法[12]具有同时分析多类属性，并且充分考虑备选方案到理想最优方案和最差方案的优势的特点，本节在上述步骤的基础，借鉴文献[13]的方法，给出方案选择的具体步骤，其具体描述如下。

(1)根据属性约简后的结果，利用3.3节中的算法对剩余属性进行归一化处理获得规范化矩阵。

假设经过属性约简，n个备选方案共有m个属性参与选择计算，属性经过规范化处理获得规范化矩阵W：

其中，1≤m≤9，wiv是备选方案u在第v个属性上的归一化取值，其计算方法如3.3节所述，wuv的取值可为实数、区间数或三角模糊数。

(2)根据专家对属性重要程度的评价获得属性权重，并计算形成加权规范矩阵。

(13)

(3)根据加权规范矩阵确定理想最优方案和理想最差方案的加权规范向量A+和A-。

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

4 实例分析

本文以某气象业务系统的升级变更为例来分析方法的执行步骤。其中，该业务系统的升级变更内容为操作系统与高可用软件的更换，以及存储扩容。根据业务系统升级变更要求，技术人员分别给出了4组具体实施方案，经过评估每组实施方案在变更成本、变更对业务的影响、变更风险和变更预期效果的具体情况如表4所示。

表4 某气象业务系统升级变更的备选方案及属性取值

针对上述方案信息，首先利用属性约简规则删除此次决策无关属性(即：费用、功能完善程度和性能完善程度)，对业务影响程度、技术风险和实施风险等属性的取值进行模糊化表示，并由专家评估给出决策属性的权重，具体如表5所示。

表5 备选方案约简属性后的数字化表示及其权重信息

根据上述属性信息利用3.3节的归一化方法处理后所得归一化矩阵为：

(0.424264, 0.632456, 0.894427)[0.537528, 0.640899]

(0.141421, 0.316228, 0.503115)[0.19604, 0.228265]

(0.424264, 0.632456, 0.894427)[0.59512, 0.694307]

(0.141421, 0.316228, 0.503115)[0.203212, 0.234695]

根据权重信息，计算形成加权规范矩阵:

(0.127279, 0.189737, 0.268328)[0.161258, 0.19227]

(0.042426, 0.094868, 0.150935)[0.058812, 0.06848]

(0.127279, 0.189737, 0.268328)[0.178536, 0.208292]

(0.042426, 0.094868, 0.150935)[0.060964, 0.070409]

根据加权规范矩阵确定理想最优方案和理想最差方案的加权规范向量A+和A-。

A+=[0.063246, [0.052739, 0.070476] (0.127279, 0.189737, 0.268328)[0.178536, 0.208292]

(0.084853, 0.139262, 0.206559)]

A-=[0.031623 [0.032034, 0.042768] (0.042426, 0.094868, 0.150935)[0.058812, 0.06848](0.028284, 0.069631, 0.154919)]

降序排列各个方案的相对贴近度，经过排列后选择实施方案1作为该业务系统的升级变更的实施方案。

5 结 语

本文针对气象业务系统升级变更方案选择问题，在问题建模的基础上，提出一种选择方法。该方法首先根据备选方案的属性取值约简属性；然后，通过专家评估获得属性权重，并对属性进行模糊化表示和归一化处理；最后，利用TOPSIS方法对业务系统升级变更方案进行选择。通过真实案例实给出了解决方法的具体步骤及选择结果。

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梁中军(1983—)，男，新疆人，博士，主要研究方向云计算与大数据；

E-mail：liangzj@cma.gov.cn

郭 静(1982—)，女，安徽人，博士，主要研究方向云计算与大数据；

何文春(1982—)，男，湖北人，高级工程师，主要研究方向云计算和气象数据存储；

王 舒(1987—)，女，山西人，博士，主要研究方云计算和被动微波遥感土壤水分反演。

Research on Selecting the Scheme for Upgrading and Changing the Meteorological Business System

LIANG Zhong-jun*1, GUO Jing2, HE Wen-chun1, Wang Shu1

(1.Engineering system Division, National Meteorological Information Center, Beijing 100081, China;2.China Academy of Electric and Information Technology, Beijing 100041，China)

Selecting an appropriate scheme is crucial for upgrading and changing the meteorological business system.However，it is difficult to select the scheme, due to many factors affects the decision-making and each scheme have different advantage on different factors, which evaluated by different methods.In this paper, a model was built to this selection problem by considering the cost of change, the business influence of change, the risk of change, and expected effect of change.To evaluate the scheme, the cost, the number of participants, the execution time of change, the business influence degree of change, the business influence time of change, the technical risk, the implement risk, the degree of functional improvements, and the degree of performance optimization are chosen as the decision-making attributes.To solve this problem, a method is proposed base on analyzing the trait of this problem.It first reduce the attributes according to the value of different schemes.Then, obtain the weight of attributes according the estimation of expert, express some attributes with fuzzy value, and normalize all the value of attributes.At last, employ TOPSIS to select the scheme.The experiment result show that this algorithm can estimate the computing resource scale effectively.

Meteorological Business Systems; upgrade and change ; selecting the scheme; reduce the attributes; multi-attributes

2016-09-01

2016-10-10

国家气象信息中心青年科技基金课题(NMICQJ201610)

：A

1673-5692(2016)05-514-08