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DoDAF2.0以数据为中心的概念辨析

摘要

美国国防部体系结构框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)在应用推广中衍生出两个问题,即早期DoDAF1.X版本中的认知不确定性以及对DoDAF2.0版本中关于以数据为中心的认识存在误区。本文使用了概念辨析研究法进行了两方面研究,首先,通过对模型与元模型概念的辨析,分析出美国国防部体系架构框架从以产品为中心的DoDAF1.X版本升级到以数据为中心的DoDAF2.0版本以后,发生的实质变化是模型的定义,其内涵是目标对象的转移。其次,辨析了以产品为中心与以数据为中心两方面概念,以产品为中心,就是把具体的体系应用或者体系解决方案定义为模型,以数据为中心,就是把体系论证领域能够使用的通用的业务数据作为模型。最后,总结了以数据为中心的概念对基于元模型的可视化建模在规范一致性、科学完备性以及复用性等方面的重要意义。

1 引言

在DoDAF2.0标准出现之前,就有了“以数据为中心”的概念,早期DoDAF1.X版本中存在认知不确定性的问题,DoDAF2.0版本中存在关于以数据为中心的认识误区。所谓认知不确定性,即是人们对同一个建模要素的理解有差异,这种认知不确定性造成的最大问题是:不同人员构建的同一体系架构解决方案中存在着设计要素的重复、冲突,甚至无法在不同的架构方案中进行互操作和数据交换。因此,在DoDAF2.0之前的体系架构框架,不是不愿意做到“以数据为中心”,而是没能力做到,只能退而求其次,追求“以产品为中心”。

本文使用了概念辨析研究法进行了两方面研究,首先,通过模型与元模型概念的辨析,分析出美国国防部体系架构框架从以产品为中心的DoDAF1.X版本升级到以数据为中心的DoDAF2.0版本以后,发生的实质变化是对模型的定义,其内涵是目标对象的转移。其次,辨析了以产品为中心与以数据为中心两方面概念,以产品为中心,就是把具体的体系应用或者体系解决方案定义为模型,以数据为中心,就是把体系论证领域能够使用的通用的业务数据作为模型。最后,总结了以数据为中心的概念对基于元模型的可视化建模具有规范一致性、科学完备性以及复用性等方面的重要意义。

2 DoDAF2.0以数据为中心的概念辨析

2.1 模型与元模型概念辨析

模型的定义方式很多,其中典型的两种包含类比定义和数据模板定义,分别来自综合定义方法和美国国防部:

综合定义方法(Integration Definition Method,IDEF)中对模型的定义:“不管以何种形式,只要 M 能回答有关实际对象 A 的所要研究的问题,就可以说 M 是 A 的模型”。[1]这个定义强调模型是不限于形式的,可以是数据,可以是数学公式,可以是图形,也可以是物理实体。例如用实心金属制作的飞机风洞模型就是物理实体模型。

DoDAF标准中对模型的定义表述为:“模型作为一种模板,以易于理解的格式来组织和显示数据”,并进一步定义:“当以此方式来收集和呈现数据的时候,其结果就称为视图”。按照这个定义,可以将视图理解为数据实例。[2]

以上两种定义都被广泛认可和接受,但“作为模板的模型”与“作为数据实例的模型”同样被称为“模型”,其形式却不完全相同,比如基于SysML语言和特定的HarmonySE系统架构框架构建的武器系统功能架构模型显然是针对真实武器系统的业务表达,符合IDEF的定义,然而在DoDAF2.0标准中,基于该框架构建出来的一个野战防空体系架构工程按照美国国防部DoDAF标准的定义,却不能叫模型,而称其为一个体系架构实例或者体系架构应用。

其实这种看起来存在的混淆本身并不矛盾。其问题的根源在于“研究对象”发生了变化——基于SysML的武器系统模型,其研究对象是武器系统本身,而美国国防部的定义,其研究对象不是一个具体的体系架构应用或者体系作战解决方案,而是构建军用体系的全部设计要素、术语以及它们之间的关系。而且美国国防部的这种模型定义,也是有转变过程的,在DoDAF2.0标准中强调的从以产品为中心到以数据为中心,其本质就是研究目标的转换,以产品为中心,就是把具体的体系应用或者体系解决方案定义为模型,以数据为中心,就是把体系论证领域能够使用的通用的业务数据作为模型。

以上是模型的基础概念。可见,谈论模型之前,必须先确定目标对象,不然容易造成概念混淆。而元模型作为构建模型的基础要素,其本身也是一个相对的概念,谈论元模型,也需要明确地指出,它是哪个模型的元模型。

元模型本身是一个新兴概念。采用元模型的各类架构框架对于对应领域的建模都有重要价值,它解决了产品数据一致性与信息共享问题。

2.2 以数据为中心的概念辨析

在DoDAF2.0标准出现之前,就有了“以数据为中心”的概念,这个概念第一次出现在DoDAF1.0标准发布的时候,并且明确了体系架构建模的标准数据要素——CADM(Core Architecture Data Model,CADM)。[3]但人们在使用CADM建模的时候,最容易发生的就是“认知不确定性”。所谓认知不确定性是指人们对同一个建模要素的理解有差异。

那么,是什么原因导致了这种认知不确定性呢?这是由于CADM的定义方式决定的。早期的CADM可以说是经验式的大杂烩:它根据专家的领域知识完成数据的采集,参考了UML的面向对象式分析方法,定义了体系架构设计可能用到的各类实体、属性以及它们之间的关系;同时,也参考了BPMN(Buissness Process Modeling Notation,BPMN)中对业务过程的表达方式。以DoDAF1.5的CADM为例,它是为以框架为基础的体系架构数据元素开发的国防部标准的体系结构数据模型。[4]CADM的构建还采用了数据建模的集成定义IDEF1.X的方法学、符号和形式。CADM 的95%以上的实体和属性被批准为国防部体系结构数据标准。[5]

另一个引起DoDAF1.X版本“以产品为中心”的原因是美国国防部早期的意识形态决定的。在当时,美国国防部的相关部门正急于从“基于威胁的评估”的方式向“基于能力的评估”的方式转变。这种转变要求新式的论证手段必须得到合理的面向能力的体系架构解决方案,来为装备的立项和设计进行正向牵引。这种解决方案的设计对象都是面向特定作战对象和作战使命的具体装备的集合。因此,定义这些装备的组成关系、交互关系、运行状态、指标度量等视图就成了设计的重中之重。简言之,视图即产品,以产品为中心,就是以装备解决方案为目标对象,将由这些创建好的视图组成的整个工程称为体系架构模型,CADM便是体系架构模型的元模型。

随着实践和应用的深入,由CADM引起的认知不确定性在体系解决方案的构建过程中不断地凸显出来,而此时的国防部,开始真正思考如何解决“以数据为中心”的技术问题。这个革命,首先由国防部对自身的业务定位调整开始——专注于解决具体的作战对象和作战使命的架构模型构建不再是重点,提供完整而准确的基础数据要素才是框架本身的使命。由此,国防部架构框架的目标对象不再是具体的装备解决方案,而是转移到构成这些解决方案的数据集合。但是单单定义了概念数据模型,还不足以构建基于业务相关的视图产品,因此,需要逻辑数据模型的补充。通常逻辑数据模型以某一个数据实体为核心,将跟它有关的所有实体数据按照不同的关系分类建立在一张关系图中,如下图所示,它是以执行者(Performer)实体为核心的关系图。

DoDAF2.0以数据为中心的概念辨析 - 第1张

执行者数据组逻辑数据模型

逻辑数据模型为概念数据模型中列出的每个实体(包括其属性)都提供了类图。

2.3 基于元模型建模的重要意义

元模型并非新生事物,从系统架构设计方法向基于模型的形式转变的时候,元模型概念就应运而生,其描述的内容和应用目的、产出物的特点在于:

规范性:由于各种架构框架制定了其元模型元素及其关联关系的数据结构,用数学模型规范了业务逻辑的表达方式,提供了表达的框架,规约了业务实体、关系与元模型数据组的对应以及业务逻辑与视图的对应,使建模人员可借此框架标准将非结构化的文字表达变为结构化、格式化的模型表达。

科学性和完备性:以体系架构设计框架DoDAF2.0的元模型为例,即DM2,是一种数学方法,由一个4阶的偏导方程构成,定义了事物的本质,可以用这种方法来描述任意事物,借助元模型来表达复杂事物的本质的方法天然具备科学性,且可从数学角度验证元模型对本体表达的完备性。[6]

一致性:由于各种架构框架要表达的逻辑都很复杂,涉及跨领域、跨部门、跨层次的利益攸关者与知识背景,需要不同背景的多个团队协同表达,元模型和基于元模型开发出的工程数据可以为不同领域和背景的人员提供统一的需求表达框架,便于在建模过程中的互相理解以及体系模型的集成开发。

可重用性:论证数据资源是论证工作的弹药,目前所采用的论证方式和工具所能存储的论证成果是以文档为最小单元的,而文档中的数据才是论证的核心和可复用的资源。分析认为:建立体系架构设计和需求论证所需基础数据资源的规范化表达和存储是解决这一矛盾的关键一环,DoDAF2.0正式提出了“以数据为核心”这一概念,将可复用的最小单元变为数据这一核心资源,可有效积累和帮助迭代优化论证的数据资源并形成科学权威的资源库,降低今后需求论证的难度和提高工作效率,并在一定程度上提高需求成果的质量。

互操作性:以DoDAF2.0为例,它的元模型较前一版本的一大区别在于增加了能力视图,强调基于能力的方法,采用自顶向下的思路,最大的好处在于从一开始就奠定了开发出系统的互联、互通、互操作性。

提高需求质量:元模型定义方法以及基于元模型的可视化系统架构构建过程通过上述的需求的复用机制、规范化表达、需求一致性表达等多个维度保证了最终所提出需求的质量。

思维指南:体系架构在发现、分析和解决问题方面,可引领用户——包括体系架构的开发者和体系架构的使用者思考,便于快速阅读和理解。

3 结论

美国国防部体系架构框架从DoDAF1.X升级到DoDAF2.0标准以后,发生的实质变化是对模型的定义,其内涵是目标对象的转移。所谓“以产品为中心”,就是把基于CADM或者UPDM1.0构建的架构方案或者视图产品集合称为模型,模型的目标对象是针对具体作战对象和作战使命的装备集合;“以数据为中心”,就是把用于构建架构方案的概念数据和逻辑数据称为模型,模型的目标对象是可用于体系架构设计的全部实体、属性以及它们之间的关系集合。

参考文献:

[1] 陈禹六 . IDEF 建模分析和设计方法[M]. 北京: 清华大学出版社, 1999: 4.

[2]DoD Architecture Framework Version 2.0 Volume 1[R/OL].2009: 18. https://vdocuments. mx / dod-architecture-framework-version-20.html.

[3]DoD Architecture Framework Working Group. DoD architecture framework version 1.0,volume I,II,III[R] . Washington D.C. :DoD,2003.

[4]DoD Architecture Framework Working Group. DoD architecture framework version 1.5,volume I,II,III[R] . Washington D.C. :DoD,2007.

[5] 李娜,夏靖波,冯奎胜.基于DODAFv1.5核心体系结构数据模型研究[J].现代防御技术,2010,38(01):55-59.

[6] 张晓雪,罗爱民,黄力,罗雪山.基于DM2的体系结构可执行模型构建方法[J].国防科技大学学报,2013,35(02):27-33.

本文来源:第三届体系工程学术会议论文集——复杂系统与体系工程管理,作者:卫继承,张娟,邱薇,姜海森,张航。

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