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基于公理设计的软件体系结构构建方法研究

吴克寿  
【摘要】:本论文受国家自然科学基金“公理设计的扩展研究及其稳健优化设计方法”(项目批准号:50575083)支持。针对制造业信息系统软件体系结构(Software Architecture,SA)的设计、优化与评价问题,从理论和应用两方面对公理设计(Axiomatic Design,AD)进行扩展性研究,提出一种基于AD的SA构建方法,以提高SA构建质量与效率。 首先,提出了融入独立公理的用例驱动SA设计方法。该方法以AD理论概念框架为指导,按照面向对象的SA设计过程,提出一种功能需求(Functional Requirements,FRs)与设计参数(Design Parameters, DPs)抽取、分解和映射的新规则,从纵向和横向两方面并行对SA进行设计。在纵向设计上,从系统的用户需求出发,将FRs和DPs分别进行用例级、活动级、交互级和类级的4级Z字形分解与映射,完成用例图、活动图、交互图和类图的SA动态和静态建模过程。同时,从横向把FRs和DPs的关系抽象成对应的数学模型,并用设计矩阵(Design Matrix, DM)来描述。在此基础上,应用独立公理对DM进行耦合性分析和处理,从功能和结构上保证各级建模的独立性。以某银行系统的登录模块为例,说明和验证了该方法的可行性和有效性。 其次,提出了一种针对耦合设计的SA优化方法。在研究设计结构矩阵(Design Structure Matrix, DSM)及其优化方法的基础上,利用DM与DSM之间存在互补性的特点,对二者有效集成,把DM的解耦问题转化为DSM的优化问题;同时引入结构二叉树及遗传算法(Genetic Algorithms, GA)理论,综合应用割裂、聚类、划分3种方法对DSM进行优化;提出位置反馈量的概念,对其进行定量分析,以此作为评价DSM优化效果的度量指标。以无人驾驶汽车控制系统(Unmanned Vehicle Control System, UVCS)在信息融合和行车决策模块为例,说明和验证了该方法的可行性和有效性。 再次,提出了一种基于信息度量的SA评价方法。针对SA设计方案的多选性问题,研究设计方案评价优选的处理策略,将面向对象软件度量指标与信息度量理论相结合,提出一种新的适用于软件设计迭代过程的SA设计方案评价模型。该模型考虑了与SA复杂性相关的规模、耦合性和内聚性等质量属性,结合信息公理构建多目标综合评价模型,以信息量作为SA评价的统一测度,消除了量纲和权重的影响,为SA设计方案的评价选优提供一种具有理论基础的、更为客观的综合评价方法。以UVCS视频监控控制子系统的设计方案优选评价为实例,说明和验证了该方法的可行性和有效性。 最后,在本文研究成果基础上对UVCS进行了体系结构的构建,对前文所提出的方法进行实例验证,通过逐层递进的方式对本文提出的3个方法的集成效果进行了验证,同时也为本方法在实际SA构建过程中的应用提供了示范。首先在构建用例模型的基础上从纵向和横向完成用户需求到SA的映射,在此基础上设计UVCS的体系结构;然后对设计方案中存在的耦合设计进行解耦优化,得出控制系统设计的一个或多个解耦设计方案;最后针对满足功能需求的多个解耦设计方案,从规模、耦合度和内聚度3个方面对备选解耦设计方案进行度量,计算每个方案的总信息量,并进行排序,将信息量最小的设计方案确定为UVCS案例的SA最终设计结果。通过对UVCS体系结构的构建,进一步证明了本文所提出方法的正确性、有效性和实用性。


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