基于公理設(shè)計(jì)的軟件體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法研究.pdf

1、本論文受國家自然科學(xué)基金“公理設(shè)計(jì)的擴(kuò)展研究及其穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法”(項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：50575083)支持。針對(duì)制造業(yè)信息系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)（Software Architecture，SA）的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與評(píng)價(jià)問題，從理論和應(yīng)用兩方面對(duì)公理設(shè)計(jì)（Axiomatic Design，AD）進(jìn)行擴(kuò)展性研究，提出一種基于AD的SA構(gòu)建方法，以提高SA構(gòu)建質(zhì)量與效率。
　　首先，提出了融入獨(dú)立公理的用例驅(qū)動(dòng)SA設(shè)計(jì)方法。該方法以AD理論概念框架為

2、指導(dǎo)，按照面向?qū)ο蟮腟A設(shè)計(jì)過程，提出一種功能需求（Functional Requirements，F(xiàn)Rs）與設(shè)計(jì)參數(shù)（Design Parameters，DPs）抽取、分解和映射的新規(guī)則，從縱向和橫向兩方面并行對(duì)SA進(jìn)行設(shè)計(jì)。在縱向設(shè)計(jì)上，從系統(tǒng)的用戶需求出發(fā)，將FRs和DPs分別進(jìn)行用例級(jí)、活動(dòng)級(jí)、交互級(jí)和類級(jí)的4級(jí)Z字形分解與映射，完成用例圖、活動(dòng)圖、交互圖和類圖的SA動(dòng)態(tài)和靜態(tài)建模過程。同時(shí)，從橫向把FRs和DPs的關(guān)系抽象成對(duì)

3、應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并用設(shè)計(jì)矩陣(Design Matrix，DM)來描述。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用獨(dú)立公理對(duì)DM進(jìn)行耦合性分析和處理，從功能和結(jié)構(gòu)上保證各級(jí)建模的獨(dú)立性。以某銀行系統(tǒng)的登錄模塊為例，說明和驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。
　　其次，提出了一種針對(duì)耦合設(shè)計(jì)的SA優(yōu)化方法。在研究設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣（Design Structure Matrix，DSM）及其優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上，利用DM與DSM之間存在互補(bǔ)性的特點(diǎn)，對(duì)二者有效集成，把DM的解

4、耦問題轉(zhuǎn)化為DSM的優(yōu)化問題；同時(shí)引入結(jié)構(gòu)二叉樹及遺傳算法（Genetic Algorithms，GA）理論，綜合應(yīng)用割裂、聚類、劃分3種方法對(duì)DSM進(jìn)行優(yōu)化；提出位置反饋量的概念，對(duì)其進(jìn)行定量分析，以此作為評(píng)價(jià)DSM優(yōu)化效果的度量指標(biāo)。以無人駕駛汽車控制系統(tǒng)(Unmanned Vehicle Control System，UVCS)在信息融合和行車決策模塊為例，說明和驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。
　　再次，提出了一種基于信息度

5、量的SA評(píng)價(jià)方法。針對(duì)SA設(shè)計(jì)方案的多選性問題，研究設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)優(yōu)選的處理策略，將面向?qū)ο筌浖攘恐笜?biāo)與信息度量理論相結(jié)合，提出一種新的適用于軟件設(shè)計(jì)迭代過程的SA設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型。該模型考慮了與SA復(fù)雜性相關(guān)的規(guī)模、耦合性和內(nèi)聚性等質(zhì)量屬性，結(jié)合信息公理構(gòu)建多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)模型，以信息量作為SA評(píng)價(jià)的統(tǒng)一測度，消除了量綱和權(quán)重的影響，為SA設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)選優(yōu)提供一種具有理論基礎(chǔ)的、更為客觀的綜合評(píng)價(jià)方法。以UVCS視頻監(jiān)控控制子系統(tǒng)的設(shè)

6、計(jì)方案優(yōu)選評(píng)價(jià)為實(shí)例，說明和驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。
　　最后，在本文研究成果基礎(chǔ)上對(duì)UVCS進(jìn)行了體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，對(duì)前文所提出的方法進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，通過逐層遞進(jìn)的方式對(duì)本文提出的3個(gè)方法的集成效果進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)也為本方法在實(shí)際SA構(gòu)建過程中的應(yīng)用提供了示范。首先在構(gòu)建用例模型的基礎(chǔ)上從縱向和橫向完成用戶需求到SA的映射，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)UVCS的體系結(jié)構(gòu)；然后對(duì)設(shè)計(jì)方案中存在的耦合設(shè)計(jì)進(jìn)行解耦優(yōu)化，得出控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)或多