一种基于Inf-ProA框架的能力满足度计算方法

樊志强，曹 江，牛 婵，王丽婷

(1.华北计算技术研究所，北京 100083； 2.军事科学院，北京 100091)

0 引 言

能力是指系统在特定环境下完成任务的本领，系统的建设越来越强调要实用化，要面向能力需求而不是单单面向功能性能要求。因此，能力满足度也越来越成为系统建设和运用的重要评价指标。不少研究人员也开展了相关研究，樊延平等人[1]提出了面向任务的装备体系作战能力需求满足度方法；禹明刚等人[2]提出了面向任务与基于ANP的网络信息体系能力需求满足度分析方法；张杰勇等人[3]提出了基于能力满足度的网络信息体系武器装备发展路线评估方法；焦安龙等人[4]提出了武器系统作战能力需求满足度评估方法；刘国泰等人[5]提出了指挥信息系统能力需求满足度评估模型。

然而，现有研究的能力满足度分析方法大多是面向已研制的系统开展的，在发现能力不满足或满足度较低后，需要修改系统的成本和代价较大。此外，军队系统中面向能力的系统建设越来越强调系统在论证设计阶段就要说明其对体系能力的提升或能力差距的弥补。因此，本文提出在系统论证设计阶段，基于体系结构框架对体系能力和系统进行关联性设计和描述，并基于体系结构设计成果开展能力满足度量化分析，以便于在系统建设早期做出能力满足度判断，有效避免系统在后期开发中带来的不必要成本开销，同时在系统实现阶段能够正确、有效地指导系统的研制。

目前，具有代表性的体系结构框架有：美国国防部体系结构框架(DoDAF)[6-9]、英国国防部体系结构框架(MoDAF)[10-13]、开放组织体系结构框架(ToGAF)[14-17]以及基于信息主导的体系结构框架(Inf-ProA)[18]等。Inf-ProA框架是一种面向军队大型信息系统/体系建设特点的体系结构框架，具有较好的适用性，能更好地建立能力与系统的关联。因此，本文研究基于Inf-ProA框架的系统能力满足度分析方法。Inf-ProA框架包含业务、信息和技术3层体系结构。该框架提供了能力、信息活动、能力效果等视角模型，能够有效建立能力至系统功能性能之间的量化追踪关系，为计算能力满足度建立了良好的基础。

1 能力追踪关系建立

本章首先说明基于Inf-ProA框架如何建立能力与系统的追踪关系，然后进一步给出如何利用Inf-ProA的视角模型提取追踪关系。

1.1 追踪关系元模型

图1 追踪关系元模型

基于Inf-ProA框架，能力至系统的追踪关系如图1所示，能力通过信息活动分解为活动功能和能力效果，并进一步与系统功能和系统性能建立关联，从而将顶层的能力落实到具体的系统功能性能要求。在系统论证过程，又会将大系统的功能性能要求进一步分解为若干软件的功能性能要求。因此，软件功能需求至能力的追踪关系链为：软件功能需求—系统功能—活动功能—信息活动—能力；软件性能需求至能力的追踪关系链为：软件性能需求—系统性能—能力效果—信息活动—能力，追踪关系元模型如图1所示，具体追踪关系说明如表1所示。

表1 追踪关系说明表

1.2 追踪关系获取

软件功能和性能需求从软件需求规格说明书中获取，软件功能需求与系统功能的追踪关系、软件性能需求与系统性能由软件需求规格说明书中的追踪表获取。体系结构要素获取途径如表2所示，体系结构要素之间的追踪关系获取途径如表3所示。

表2 体系结构要素获取途径

表3 体系结构要素之间的追踪关系获取

2 能力满足度计算

基于1.1节中描述的能力关系追踪路径，可对体系结构要素的满足度进行计算，并通过量化加权来提高满足度的精准度。针对体系结构要素自身特征，本文提出了体系结构要素的量化权重计算方法，给出了基于追踪关系链的满足度计算公式，能够逐级计算追踪关系链上的各要素满足度，最终计算出能力满足度值。

2.1 权重计算

通常，权重主要分为主观权重[19]、客观权重[20]和综合权重[21-23]。主观权重主要通过专家打分给出，考虑到体系结构设计要素多，而且大型信息系统的体系结构相对复杂，专家难以给出每个模型中体系结构元素的权重。为此，本文提出一种基于体系结构模型的客观权重计算方法。该方法利用设计的体系结构模型自身信息，计算能力、信息活动、活动功能、系统功能、能力效果、系统性能等核心体系结构要素的权重。

1)能力权重计算。

根据体系结构中能力的层级描述特征，能力权重计算思路为：假设能力树中的所有叶子节点能力是具有相同重要性的任务，即将叶子节点能力权重进行平均分配，中间节点能力权重为其子节点能力权重的和，即子节点越多的能力，重要性越高，具体计算公式为：

(1)

其中，WC表示能力权重，n表示叶子节点数量，m表示非叶子节点能力的子节点数量，WCi表示非叶子节点能力的第i个子节点权重。

首先计算出叶子节点能力权重，再自底向上对不同层级中的中间节点能力进行权重计算，以此计算出所有能力的权重。

2)信息活动权重计算。

基于信息活动间的信息交互关系，本文提出一种信息活动节点交互信息量比重计算法，用于计算权重。某个信息活动节点交互信息量与全部信息活动节点的交互信息量之比即为该信息活动节点的权重，即数据交互越多的信息活动越重要。其中，交互信息量为信息活动节点的输入信息量与输出信息量的和，具体计算公式为：

(2)

其中，WIAi表示第i个信息活动权重，IIAi表示第i个信息活动的输入信息量，OIAi表示第i个信息活动的输出信息量，m表示信息活动数量。

3)活动功能权重计算。

活动功能用于支撑信息活动中输入输出数据的处理转化，一个信息活动可由一个或多个活动功能支撑。基于此提出一种基于活动功能转化处理输入输出数据量的比重计算法，用于计算权重。某个活动功能处理的输入、输出的数据总量与所有活动功能处理的输入、输出的数据总量之比即为该活动功能的初始权重，即处理信息量越多的活动功能越重要，通过初始权重与其所属信息活动权重相乘对活动功能进行归一化处理，可获得活动功能的最终权重。具体计算公式为：

(3)

其中，WAFij表示第i个信息活动所属的第j个活动功能权重，IAFij表示该功能活动处理的输入信息量，OAFij表示该功能活动处理的输出信息量，IIAi表示第i个信息活动的输入信息量，OIAi表示第i个信息活动的输出信息量，WIAi表示第i个信息活动权重。

4)能力效果权重计算。

根据第1.2节中给出的追踪关系的获取途径，能够得到能力—信息活动—能力效果间的追溯关系，追踪关系表示如表4所示，从而确定与能力具有追踪关系的所有信息活动，并根据信息活动权重计算方法计算这些信息活动的权重，将这些权重进行归一化处理，获得基于能力的信息活动权重，然后将每个信息活动的权重平均分配给与其具有追踪关系的能力效果，即可获得能力效果的权重。具体计算如公式(4)和公式(5)所示，其中公式(4)用于进行信息活动权重归一化处理。

表4 能力—信息活动—能力效果追踪关系表

(4)

(5)

其中，WIANj表示第j个与能力具有追踪关系的信息活动，m表示与能力具有追踪关系的信息活动数量，WCEi表示第i个能力效果的权重，n表示能力效果数量，numIAj表示第j个与能力具有追踪关系的信息活动所追踪的能力效果数量。

5)系统功能权重计算。

基于系统功能的“优先级”属性进行权重计算，针对不同优先级级别设置不同的代表数值。例如，优先级包括高、中、低3个等级时，可赋相应的代表数值分别为5、3、1，某个系统功能的优先级代表数值与所有系统功能优先级代表数值总量的比即为该系统功能的权重。也可基于系统功能的“难度”等其它属性进行权重计算，计算方法同基于“优先级”属性的权重计算方法，具体计算公式为：

(6)

其中，WSFi表示第i个系统功能的权重，PSFi表示第i个系统功能优先级所代表的数值，n表示系统功能数量。

6)系统性能权重计算。

基于系统性能的“优先级”属性进行权重计算，针对不同优先级级别设置不同的代表数值。例如，优先级包括高、中、低3个等级时，其对应的代表数值分别为5、3、1。某个系统性能的优先级代表数值与所有系统性能优先级代表数值总量之比，即该系统性能的权重。此外，也可以基于系统性能的“难度”等属性进行权重计算，计算方法同基于“优先级”属性的权重计算方法，具体计算公式为：

(7)

其中，WSPi表示第i个系统性能的权重，PSPi表示第i个系统性能优先级所代表的数值，n表示系统性能数量。

2.2 满足度计算

基于1.2节提供的追踪过程描述流程进行满足度计算。首先，根据系统性能需求与系统性能追踪关系计算系统性能的满足度，根据系统功能需求与系统功能追踪关系计算系统功能的满足度；然后，基于系统性能与能力效果间的追踪关系及系统性能的满足度计算能力效果的满足度，基于系统功能与活动功能间的追踪关系及系统功能的满足度计算活动功能的满足度；再然后，基于能力效果与信息活动的追踪关系、活动功能与信息活动的追踪关系以及能力效果的满足度、活动功能的满足度计算信息活动的满足度；最后，基于信息活动与能力的追踪关系及信息活动的满足度计算出能力的满足度。具体计算方法如下：

1)系统功能满足度计算。

对于具有追踪关系的系统功能，即该系统功能有软件功能需求对其进行支撑，则其满足度标记为1，对于无追踪关系的系统功能，则其满足度标记为0，具体计算公式为：

(8)

2)系统性能满足度计算。

对于具有追踪关系的系统性能，即该系统性能有软件性能需求对其进行支撑，则其满足度标记为1，对于无追踪关系的系统性能，则其满足度标记为0，具体计算公式为：

(9)

3)能力效果满足度计算。

基于系统性能与能力效果的追踪关系以及系统性能的满足度对能力效果的满足度进行计算。首先获取与某个能力效果有追踪关系的所有系统性能，对其权重进行归一化处理，计算出基于该能力效果的系统性能权重，然后基于计算出的权重对能力效果所追踪的系统性能满足度进行加权求和计算，所得结果即为该能力效果的满足度，具体计算公式为：

(10)

其中，SATCEi表示第i个能力效果的满足度，n表示能力效果数量，W′SPij表示第i个能力效果所追踪的第j个系统性能归一化后的权重，m表示第i个能力效果所追踪的系统性能数量，SATSPij表示第i个能力效果所追踪的第j个系统性能满足度。

如表5所示为一个系统性能与能力效果间的追踪关系表，已知6个系统性能的权重分别为(0.1,0.2,0.1,0.3,0.2,0.1)，系统性能的满足度分别为(0.9,0.8,0.7,1.0,0.8,0.6)，能力效果的权重分别为(0.2,0.5,0.3)。其中系统性能1、系统性能2、系统性能3与能力效果1有追踪关系，对这3个系统性能的权重进行归一化处理，结果为(0.25,0.5,0.25)，则能力效果1的满足度为0.9×0.25+0.8×0.5+0.7×0.25=0.8，以相同的计算方式得出能力效果2的满足度为1，能力效果3的满足度为0.73。

表5 系统性能与能力效果追踪关系

4)活动功能满足度计算。

基于系统功能与活动功能的追踪关系以及系统功能的满足度对活动功能的满足度进行计算。首先获取与某个活动功能有追踪关系的所有系统功能，对其权重进行归一化处理，计算出基于该活动功能的系统功能权重，然后基于计算出的权重对活动功能所追踪的系统功能满足度进行加权求和计算，所得结果即为该活动功能的满足度，具体计算公式为：

(11)

其中，SATAFi表示第i个活动功能的满足度，n表示活动功能数量，W′SFij表示第i个活动功能所追踪的第j个系统功能归一化后的权重，SATSFij表示第i个活动功能所追踪的第j个系统功能满足度。

5)信息活动满足度计算。

基于能力效果与信息活动追踪关系、活动功能与信息活动的追踪关系以及能力效果的满足度、活动功能的满足度对信息活动的满足度进行计算。将与信息活动有追踪关系的所有能力效果、活动功能的权重进行归一化处理，获得基于该信息活动的能力效果、活动功能权重，并基于该权重与其对应的能力效果、活动功能满足度进行加权求和计算，获得的结果即为该信息活动的满足度，具体计算公式为：

i=1,2,3，…，n

(12)

其中，SATIAi表示第i个信息活动的满足度，n表示信息活动数量，W′CEij表示第i个信息活动所追踪的第j个能力效果基于该信息活动进行归一化后的权重，J表示第i个信息活动所追踪的能力效果数量，SATCEij表示第i个信息活动所追踪的第j个能力满足度。W′AFik表示第i个信息活动所追踪的第k个活动功能基于该信息活动进行归一化后的权重，K表示第i个信息活动所追踪的活动功能数量，SATAFij表示第i个信息活动所追踪的第j个活动功能满足度。

6)能力满足度计算。

根据体系结构中能力的层级描述特征，叶子节点能力满足度计算方式为：基于信息活动与叶子节点能力追踪关系及信息活动满足度对叶子节点能力进行满足度计算，将与叶子节点能力有追踪关系的所有信息活动的满足度与权重进行加权求和计算，所得结果即为该叶子节点能力的满足度。非叶子节点能力满足度计算方式为：首先将非叶子节点能力的子节点能力权重进行归一化处理，获得基于该非叶子节点能力的子节点权重，然后基于该权重对子节点能力满足度进行加权求和计算，获得的计算结果即为该非叶子节点能力的满足度，具体计算公式为：

(13)

其中，SATC表示能力满足度，W′IAi表示叶子节点能力所追踪的第i个信息活动基于该能力进行归一化后的权重，SATIAi表示叶子节点能力所追踪的第i个信息活动满足度。W′Cj表示非叶子节点所追踪的第j个子节点基于该非叶子节点进行归一化后的权重，SATCj表示非叶子节点所追踪的第j个子节点能力满足度。

3 满足度计算案例及方法特点分析

根据第2章给出的能力满足度计算方法，以某业务信息系统案例进行实验验证。表6给出了该案例的体系结构设计数据的统计。系统性能需求从该系统的需求规格说明书中的性能需求部分获取。图2给出了该案例部分能力的满足度计算结果。其中，图中每个元素括号中的数字分别表示了满足度值和归一化处理后的权重值，最左边的叶子能力只给出了满足度计算值。

表6 某业务信息系统顶层设计数据

图2 满足度计算结果(部分)

从图2中可以看出，采用Inf-ProA体系结构框架，能够在系统论证设计时有效地建立能力到信息活动、活动功能、能力效果、系统功能、系统性能等要素的关联追踪关系。因此，相比于现有研究，本文提出的方法能够支持在系统建设早期基于体系结构模型对系统的能力满足度进行量化计算和评价分析，以尽早解决能力不满足或满足度低的问题。

此外，本文采用Inf-ProA体系结构框架，能够从功能、性能这2个维度建立系统与能力的关联映射，而DoDAF、MoDAF等框架缺乏能力与系统性能的关联映射。因此，本文提出的方法能够更全面地进行能力满足度计算和分析。

4 结束语

针对在系统建设早期进行能力满足度分析的需要，本文研究分析了体系结构设计中面向能力的体系结构数据特征及能力至系统功能、性能的追踪关系，提出一种基于Inf-ProA框架的能力满足度计算方法，能够对追踪关系链上的核心体系结构要素进行权重计算，也可以基于追踪关联链进行能力满足度计算。因此，该方法实现了在系统建设早期，基于体系结构设计进行能力满足度分析，有效地避免了由于前期分析不足导致后期系统建设成本增加的风险。本文通过应用案例对该方法进行实验验证，实验结果表明该方法对能力满足度分析具有有效性。下一步的主要工作是结合更多的应用案例，对本方法进行进一步验证，以及增加对其它能力进行满足度评估，实现本方法的适用性。