王 昊，張振華，趙 剛，梁 棟，賈 智

（北方自動控制技術研究所，太原 030012）

0 引言

系統(tǒng)架構可以拆分成兩部分：“系統(tǒng)”和“架構”。系統(tǒng)是若干相互聯(lián)系、相互作用、相互依賴的要素結(jié)合而成的，具有一定結(jié)構和功能［1］。架構是各要素之間的物理拓撲關系和軟件拓撲關系的體現(xiàn)。系統(tǒng)架構發(fā)展經(jīng)歷了集中式、聯(lián)合式、綜合化，并向分布式綜合化發(fā)展，綜合化架構已在炮兵和裝甲領域成為統(tǒng)型架構。我國空軍航空電子系統(tǒng)已進行了分布式綜合模塊化航電（DIMA）系統(tǒng)架構研究設計和仿真評估，但缺乏系統(tǒng)級的架構優(yōu)劣評估。

分布式綜合模塊化航空電子繼承了IMA 架構的系統(tǒng)綜合化、功能軟件化、網(wǎng)絡一體化、產(chǎn)品商用化、調(diào)度靈活化、維護中央化等特點［2］；同時取代IMA中將所有計算機資源集中在一個區(qū)域的做法［3-4］。隨著航空電子技術發(fā)展，陸軍裝備開始借鑒航空電子綜合模塊化（IMA）系統(tǒng)架構，從面向局部功能，設計子系統(tǒng)轉(zhuǎn)為面向整個武器平臺資源，設計信息系統(tǒng)支撐平臺（陸戰(zhàn)平臺信息控制系統(tǒng)）［5］。陸戰(zhàn)平臺系統(tǒng)架構以作戰(zhàn)需求為輸入，依據(jù)功能、位置或安全等級等因素，實現(xiàn)業(yè)務在各個子系統(tǒng)、模塊、操作系統(tǒng)分區(qū)的部署。

系統(tǒng)架構作為影響系統(tǒng)優(yōu)劣的關鍵因素之一，其綜合度、耦合度、可靠性、實時性等指標影響系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。目前航電系統(tǒng)的評估為航電系統(tǒng)的發(fā)展提供了堅實的理論基礎和技術支撐［6］，但大多數(shù)研究僅對系統(tǒng)架構的個別屬性進行仿真評估，已有文獻未從系統(tǒng)角度對整個陸戰(zhàn)平臺系統(tǒng)架構優(yōu)劣進行判斷。本文提出一種系統(tǒng)架構評估建模方法，按照系統(tǒng)架構設計時采用的自頂向下的順序，從業(yè)務層到系統(tǒng)層進行數(shù)學建模并評估。

1 DIMA 系統(tǒng)架構

1.1 IMA 架構

綜合模塊化（IMA）架構以通用化、模塊化為基礎，如圖1，以“解耦+ 重構”為核心思想，將軟件與硬件解耦，實現(xiàn)資源模塊化和模塊通用化［5］。綜合模塊化系統(tǒng)架構通過資源整合實現(xiàn)資源共享，將本由硬件完成的公共功能，轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖娲瓿?，提高了系統(tǒng)資源利用率。綜合模塊化系統(tǒng)軟件架構引入“分區(qū)”概念，應用軟件運行在一個或多個分區(qū)內(nèi)，每個軟件都獨立運行在自己的虛擬資源上并保證性能，分區(qū)內(nèi)和分區(qū)間的軟件按照一定的規(guī)則調(diào)度和運行。

1.2 DIMA 系統(tǒng)架構

圖1 某種陸戰(zhàn)平臺信息控制系統(tǒng)IMA 系統(tǒng)架構

分布式綜合航空電子系統(tǒng)結(jié)合了聯(lián)合式和綜合模塊化航空電子的優(yōu)點［7］，通過分布式架構思想對綜合模塊化架構進行拓展。分布式綜合模塊化航空電子繼承了IMA 結(jié)構的系統(tǒng)綜合化、功能軟件化、網(wǎng)絡一體化、產(chǎn)品商用化、調(diào)度靈活化、維護中央化等特點［8］，同時取代IMA 中將所有計算機資源集中在一個區(qū)域的做法［9-10］。如圖2，既采用綜合模塊化思想，實現(xiàn)資源模塊化和模塊通用化，同時采用分布式架構思想，改變模塊集中部署的部署方式，核心處理單元由集中式轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际?，各個綜合化模塊支持安裝在不同位置，可就近分布在信息采集區(qū)域。

圖2 某種陸戰(zhàn)平臺信息控制系統(tǒng)DIMA 系統(tǒng)架構

2 DIMA 系統(tǒng)架構的業(yè)務拓撲、物理拓撲與網(wǎng)絡拓撲

系統(tǒng)架構主要由業(yè)務拓撲、物理拓撲、網(wǎng)絡拓撲反映。

在DIMA 架構設計中，業(yè)務是最小實體，不可再分，且一個業(yè)務對應一個軟件模塊。為了實現(xiàn)功能需求，將系統(tǒng)功能分解為多個業(yè)務，每個業(yè)務將單獨占有一定的系統(tǒng)資源（存儲、IO、網(wǎng)絡），每個業(yè)務并行運行；根據(jù)信息交互流程，梳理各業(yè)務之間的信息交互內(nèi)容、觸發(fā)條件、最大時延要求、可靠性等信息傳輸?shù)幕拘枨?，可確定業(yè)務屬性和業(yè)務間的信息流關系。

如下頁圖3 所示，業(yè)務拓撲反映系統(tǒng)功能分解的各項業(yè)務及各項業(yè)務之間的信息流關系。在規(guī)劃業(yè)務拓撲時，將對信息流傳輸指標作出要求，并與網(wǎng)絡拓撲共同決定系統(tǒng)信息流的傳輸性能，進而影響系統(tǒng)功能性能的實現(xiàn)和可靠性指標。

圖3 業(yè)務拓撲

如圖4 所示，網(wǎng)絡拓撲反映硬件資源間如何通過物理拓撲進行通信，不同的網(wǎng)絡拓撲影響硬件資源的種類、數(shù)量、余度、總線網(wǎng)絡類型等指標，將決定系統(tǒng)信息流的傳輸性能，進而影響系統(tǒng)性能指標和可靠性指標。

物理拓撲反映模塊等硬件資源的連接方式。不同的物理拓撲關系表現(xiàn)為不同的硬件資源部署關系，將影響整個系統(tǒng)的體積、重量、可靠性等性能指標。

圖4 物理拓撲與網(wǎng)絡拓撲

3 系統(tǒng)架構建模方法

系統(tǒng)架構建模方法依據(jù)“自下向上”的逆向邏輯，根據(jù)典型陸戰(zhàn)平臺系統(tǒng)架構的初步方案，按照業(yè)務-操作系統(tǒng)分區(qū)-硬件模塊-子系統(tǒng)-系統(tǒng)5個層級，分別確定業(yè)務及業(yè)務間的拓撲關系、業(yè)務在操作系統(tǒng)分區(qū)的部署及分區(qū)間的拓撲關系、操作系統(tǒng)分區(qū)在LR U 模塊的部署及物理和網(wǎng)絡拓撲關系、LR U 模塊在子系統(tǒng)的部署及子系統(tǒng)間的拓撲關系。本節(jié)將圖2 的DIMA 系統(tǒng)架構各層級部署關系和拓撲關系進行數(shù)學抽象表達，按照從應用層到系統(tǒng)層的設計順序，構建系統(tǒng)架構各層級模型。

3.1 圖論相關知識

定義1 一個有向圖G，記為G=＜V，E＞，其中

1）V 是一個非空有序集，稱為頂點集，其元素稱為頂點。

2）E 是有序集{＜a，b＞|a，b∈V} 的有窮多重子集，稱為邊集，其元素稱為有向邊（本文提到的邊都為有向邊）。

定義2 以某頂點A 為例子，在所有與A 關聯(lián)的邊中，以A 為起點的邊的條數(shù)稱為出度。以A 為終點的邊的條數(shù)則稱為入度。其中，入度+出度，稱為A 的度。

3.2 業(yè)務層拓撲關系模型建立

n 個業(yè)務、業(yè)務屬性、業(yè)務間拓撲關系（本文抽象為邊）及邊的屬性可由式（1）來表示：

其中，NodeV=（v0，v1，…，vn），NodeV是業(yè)務節(jié)點的集合；NodeE=（E0，E1，…，En），NodeE是業(yè)務間拓撲關系（邊）的集合；ListEi= {＜vi，vj＞（0 ＜= i，j ＜=n 且i 不等于j）}，ListEi是業(yè)務間拓撲關系（邊）Ei 的起點和終點的集合，反映業(yè)務間拓撲關系的方向性。例如：ListE1{＜v1，v2＞}表示編號1 的邊E1 中業(yè)務1 指向業(yè)務2，業(yè)務1 為起點，業(yè)務2 是終點。PV是業(yè)務各項屬性的集合。PE是邊各項屬性的集合。

3.3 操作系統(tǒng)分區(qū)層拓撲關系模型建立

3.3.1 虛割集運算定義

虛割集運算定義如下：

定義新運算Δ（Pi），分區(qū)Pi通過虛割集運算，得到映射在本分區(qū)的業(yè)務。如圖5 所示，分區(qū)1 通過劃分虛割集，得到映射在自己分區(qū)的業(yè)務為v1、v2、v3。

圖5 虛割集運算

虛割集運算算法：

輸入：業(yè)務節(jié)點集合NodeV，虛割集運算Δ（Pi），業(yè)務節(jié)點個數(shù)n

輸出：分區(qū)Pi

1.for a=0

2.va∈NodeV

3. if va∈Δ（Pi）

4. Pi={va}

5. else a=a+1

6.if a＞n

7.end for

3.3.2 業(yè)務映射

圖6 業(yè)務與分區(qū)的映射關系

業(yè)務層模型向操作系統(tǒng)層的映射通過虛割集劃分實現(xiàn)。

應用層業(yè)務m（0≤m≤Nn）映射到操作系統(tǒng)層上的分區(qū)用鄰接矩陣Xm表示

其中，xi=1 表示第m 個業(yè)務映射到第i 個操作分區(qū)，xi=0 則表示沒有映射到該分區(qū)。

應用層所有Nn個業(yè)務映射到操作系統(tǒng)層上的n 個分區(qū)用鄰接矩陣X 表示

約束條件：任意一個業(yè)務i 只能映射到唯一操作系統(tǒng)分區(qū)：

3.3.3 數(shù)學模型

n 個操作系統(tǒng)分區(qū)、操作系統(tǒng)分區(qū)屬性、操作系統(tǒng)分區(qū)間拓撲關系（定義為“分區(qū)間的邊”）及分區(qū)間邊的屬性可由公式來表示：

其中，Nodep=（P0，P1，…，Pn），Nodep是分區(qū)節(jié)點的集合；Nodelp=（lp0，lp1，…，lpn），Nodelp是“分區(qū)間的邊（line of operating）”的集合；Listlpi={＜Pi，Pj＞（0＜=i，j＜=n 且i 不等于j）}，Listlpi是“分區(qū)間的邊”lpi的起點和終點的集合，反映分區(qū)間拓撲關系的方向性；Nodepi_v={Vm}（0≤i≤n）（0≤m≤num），num 為業(yè)務節(jié)點的數(shù)量，Nodepi_v是分區(qū)Pi內(nèi)所包含的業(yè)務節(jié)點Vm 的集合；Listpi_in= {＜Vi，Vj＞（0＜= i，j ＜=n 且i 不等于j）}，Listpi_in是操作系統(tǒng)分區(qū)內(nèi)業(yè)務節(jié)點拓撲關系的集合；Pp是操作系統(tǒng)分區(qū)各項屬性的集合。Plp是“分區(qū)間的邊”各項屬性的集合。

3.4 模塊層拓撲關系模型建立

模塊中以分區(qū)為調(diào)度單元確保分區(qū)間業(yè)務應用的安全隔離，滿足多個不同的分區(qū)在多個不同模塊的部署問題，分區(qū)內(nèi)部作為整體進行調(diào)度，不允許分區(qū)和分區(qū)內(nèi)的任務進行核間遷移，分區(qū)調(diào)度表為靜態(tài)生成，不允許動態(tài)修改［8］。以分區(qū)為調(diào)度單位，減少了系統(tǒng)所需的硬件模塊數(shù)量，提升了系統(tǒng)資源利用率。

圖7 模塊及模塊間的拓撲關系

3.4.1 實割集運算定義

實割集運算定義如下：

定義新運算Δ（Mi），模塊Mi通過實割集運算，得到映射在本模塊的分區(qū)。如圖7，模塊1 通過劃分實割集，得到映射在自己模塊的分區(qū)為P1、P2。

實割集運算算法：

輸入：分區(qū)集合NodeP，實割集運算Δ（Mi），分區(qū)節(jié)點個數(shù)n

輸出：模塊Mi

1.for a=0

2.Pa∈NodeP

3. if Pa∈Δ（Mi）

4. Mi={Pa}

5. else a=a+1

6.if a＞n

7.end for

3.4.2 分區(qū)映射

分區(qū)層模型向模塊層的映射通過實割集劃分實現(xiàn)。

分區(qū)m（0≤m≤Nn）映射到模塊上用鄰接矩陣Xm表示

其中，xi=1 表示第m 個分區(qū)映射到第i 個模塊，xi=0則表示沒有映射到該分區(qū)。

圖8 分區(qū)與模塊的映射關系

分區(qū)層所有Nn個分區(qū)映射到模塊層上的n 個分區(qū)用鄰接矩陣X 表示

約束條件：任意一個分區(qū)i 只能映射到唯一模塊上：

3.4.3 數(shù)學模型

n 個模塊、模塊屬性、模塊間拓撲關系（定義為模塊間的邊）及模塊間的邊的屬性可由下式來表示：（NodeM，NodeE，ListlM，Nodepi_v，Listpi_in，PM，PlM） （11）其中，NodeM=（M0，M1，…，Mn），NodeM是模塊節(jié)點的集合；NodelM=（M0，M1，…，Mn），NodelM是“模塊間的邊”（line of Modular）的集合；ListlM= {＜Mi，Mj＞（0 ＜=i，j ＜=n 且i 不等于j）}，ListlM是模塊間拓撲關系的集合；NodeMi_p={Pm}（0≤i≤n）（0≤m≤num），num 為模塊的數(shù)量，NodeMi_p是模塊Mi所包含的分區(qū)節(jié)點p 的集合；NodeMi_in={＜Pi，Pj＞（0 ＜= i，j ＜=n 且i 不等于j）}，NodeMi_in是模塊內(nèi)操作系統(tǒng)分區(qū)拓撲關系的集合；PM是模塊各項屬性的集合。PlM是模塊間的邊各項屬性的集合。

3.5 子系統(tǒng)層拓撲關系模型建立

3.5.1 綜合割集運算定義

綜合割集運算定義如下：

定義新運算Δ（Zi），子系統(tǒng)Zi通過綜合割集運算，得到映射在本子系統(tǒng)的模塊。如圖9 所示，子系統(tǒng)1 通過綜合割集運算，得到映射在自己子系統(tǒng)的模塊為M1、M2。

綜合割集運算算法：

輸入：模塊集合NodeM，綜合割集運算Δ（Zi），模塊個數(shù)n

輸出：子系統(tǒng)Zi

1.for a=0

2.Ma∈NodeM

3. if Ma∈Δ（Zi）

4. Zi={pa}

5. else a=a+1

6.if a＞n

7.end for

圖9 分區(qū)與模塊的映射關系

3.5.2 模塊映射

圖10 模塊與子系統(tǒng)的映射關系

模塊層模型向子系統(tǒng)層的映射通過實割集劃分實現(xiàn)。

模塊m（0≤m≤Nn）映射到子系統(tǒng)上用鄰接矩陣Xm表示

其中，xi=1 表示第m 個模塊映射到第i 個子系統(tǒng)，xi=0 則表示沒有映射到該子系統(tǒng)。

模塊層所有Nn個模塊映射到n 個子系統(tǒng)用鄰接矩陣X 表示

約束條件：任意一個模塊i 只能映射到唯一子系統(tǒng)：

3.5.3 數(shù)學模型

n 個子系統(tǒng)、子系統(tǒng)屬性、子系統(tǒng)間拓撲關系（定義為子系統(tǒng)的邊）及子系統(tǒng)的邊的屬性可由公式來表示：

其中，NodeZ=（Z0，Z1，…，Zn），Nodep是分區(qū)節(jié)點的集合；ListlZ= {＜Zi，Zj＞（0 ＜= i，j ＜=n 且i 不等于j）}，ListlZ是子系統(tǒng)的邊（line of Zi）的集合；NodeZi_M={Mm}（0≤i≤n）（0≤m≤num），num 為模塊的數(shù)量，NodeZi_M是子系統(tǒng)Zi所包含的模塊節(jié)點M 的集合；ListZi_in={＜Mi，Mj＞（0＜= i，j＜=n 且i 不等于j）}，ListZi_in是子系統(tǒng)內(nèi)模塊間拓撲關系的集合；PZ是子系統(tǒng)各項屬性的集合。PE是子系統(tǒng)的邊各項屬性的集合。

3.6 系統(tǒng)層拓撲關系模型建立

3.6.1 系統(tǒng)割集運算定義

系統(tǒng)割集運算定義如下：

定義新運算Δ（system），系統(tǒng)system 通過系統(tǒng)割集運算，得到映射在本系統(tǒng)的子系統(tǒng)。

系統(tǒng)割集運算算法：

輸入：子系統(tǒng)集合NodeZ，系統(tǒng)割集運算Δ（system），子系統(tǒng)節(jié)點個數(shù)n

輸出：系統(tǒng)system

1.for a=0

2.Za∈NodeZ

3. if Za∈Δ（system）

4. system={Za}

5. else a=a+1

6.if a＞n

7.end for

3.6.2 子系統(tǒng)映射

圖11 子系統(tǒng)與系統(tǒng)的映射關系

子系統(tǒng)m（0≤m≤Nn）映射到同一系統(tǒng)之上。

3.6.3 數(shù)學模型

系統(tǒng)、系統(tǒng)屬性可由公式來表示：

其中，NodeS_Z= {Zm}（0≤i≤n）（0≤m≤num），num 為子系統(tǒng)的數(shù)量，NodeS_Z是系統(tǒng)S 所包含的子系統(tǒng)節(jié)點Z 的集合；ListS_in= {＜Zi，Zj＞（0＜= i，j ＜=n 且i 不等于j）}，ListS_in是系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)拓撲關系的集合；PS是系統(tǒng)各項屬性的集合。

4 建模方法的應用

指標是度量事物屬性或事物之間關系的一種量化準則。各項指標應能夠反映系統(tǒng)架構的好壞優(yōu)劣，能夠判斷系統(tǒng)架構能否能更好地滿足武器裝備功能和性能要求。

綜合度反映模塊內(nèi)業(yè)務的內(nèi)聚程度，耦合度反映模塊間依賴程度。耦合度反映每個模塊之間相互聯(lián)系的緊密程度，模塊之間聯(lián)系越緊密，則耦合性越高，模塊的獨立性就越差，會降低武器裝備對作戰(zhàn)任務的承受力和魯棒性。一個模塊中包含的業(yè)務越多，模塊的綜合度就越高，內(nèi)聚性越高，會減少模塊數(shù)量，繼而會降低武器裝備的空間占用量。

圖12 xx 架構

圖13 驗證評估軟件

4.1 基于指標建模方法的驗證評估軟件

如圖12、圖13 所示，基于本文的指標建模方法，通過編寫驗證評估軟件，對某型架構的綜合度，耦合度這兩個重要指標進行評估。

4.2 綜合度計算方法

指標評估輸入量：子系統(tǒng)包含模塊序列、模塊包含分區(qū)序列、分區(qū)包含節(jié)點序列。指標評估模型：

M 表示一個集合（可以為系統(tǒng)、子系統(tǒng)、模塊、操作系統(tǒng)分區(qū)）；Mi表示第i 個集合中含有的子節(jié)點個數(shù)。n 表示所有集合M 中子節(jié)點（系統(tǒng)集合中包含的子系統(tǒng)、子系統(tǒng)集合中包含的模塊、模塊集合中包含的分區(qū)）的總個數(shù)。

Cohesion 數(shù)值介于［0，1），數(shù)值越大，表示綜合度越高。

4.3 耦合度計算方法

指標評估輸入量：子系統(tǒng)包含邊的個數(shù)、模塊包含邊的個數(shù)、分區(qū)包含邊的個數(shù)。

ei為第i 個集合的度；n 表示業(yè)務個數(shù)；n（n-1）/2表示n 個業(yè)務間拓撲關系中邊的個數(shù)；R（ci，cj）表示業(yè)務ci和cj之間的關系，若ci和cj之間有直接關系，則R（ci，cj）=1，否則R（ci，cj）=0。

Coupling（C）數(shù)值介于［0，1），數(shù)值越大，表示耦合度越高。

4.4 基于建模方法的綜合度、耦合度計算

4.4.1 模塊3（D PM 2）綜合度計算

S1：模塊3 含有分區(qū)2，分區(qū)3，分區(qū)4

S2：分區(qū)2，分區(qū)3，分區(qū)4 含有業(yè)務0，業(yè)務1，業(yè)務2

S3：根據(jù)式（18）計算得綜合度

4.4.2 模塊3（D PM 2）耦合度計算

S1：模塊3 含有的邊數(shù)：＜2，3＞；＜3，5＞；＜5，3＞；

e3=3

S2：根據(jù)式（20）計算k 值

S3：根據(jù)式（19）計算得綜合度

5 結(jié)論

本文為解決陸戰(zhàn)平臺分布式綜合模塊化系統(tǒng)架構缺乏系統(tǒng)級評估方法的問題，按照系統(tǒng)架構從應用層到系統(tǒng)層的設計順序，將系統(tǒng)架構的業(yè)務拓撲、網(wǎng)絡拓撲與物理拓撲進行抽象建模并給出數(shù)學表達式，用以定量評估系統(tǒng)架構。本文通過運用提出的系統(tǒng)架構建模方法，對影響系統(tǒng)架構優(yōu)劣的因素之一：綜合度、耦合度進行評估計算，證明本文提出的系統(tǒng)架構建模方法是可行的。