第三章系统工程基础与可行性研究.ppt

1 第3章系统工程基础与可行性研究 3 1基于计算机的系统3 2系统需求识别3 3可行性研究与分析3 4系统体系结构建模3 5系统定义与评审3 6小结 2 3 1基于计算机的系统 3 1 1基于计算机的系统概述基于计算机的系统将一组元素组织起来 以实现某种方法 过程或利用处理信息进行控制 图3 1给出了计算机系统的基本结构 软件 是指计算机程序 数据结构和描述所需逻辑方法 过程或控制的文档 硬件 是指计算机系统中提供计算能力的物理电子设备 人指硬件和软件的操作员和用户 数据库 是一个大型的有组织信息的集合 它通过软件进行数据加工与存取 是系统功能的一个主要部分 文档 是指手册 表格和其他用以描述系统使用和操作的描述性信息 过程 一系列步骤 定义每种元素特定的使用步骤或系统的主流过程性环境 3 图3 1计算机系统及其元素 系统 是元素的集合 同时 系统的概念又是一个递归的概念 一个系统可能包含有大量的元素 而自身又充当其他的 更大的系统的元素 如图3 2所示 3 1 1基于计算机的系统概述 4 图3 2系统的系统 3 1 1基于计算机的系统概述 5 系统工程师 系统分析员 的职责分析客观需求 设计 选择适当的元素并定义其间的关系和设计 建造特定的系统 作为计算机系统分析员 关心的是基于分析设计 基于计算机的系统 形式化方法来表示系统工程整体视图 WV 包含若干个领域 Di 它们本身可以是一个系统或者是系统的系统 WV D1 D2 D3 Dn 每个领域由若干个特定的元素 Ej 构成 每个元素代表了完成领域的实体和目标 Di E1 E2 E3 Em 最后 刻划每个元素 组成元素的是实现 完成 元素功能的技术构件 C Ei C1 C2 C3 Ck 3 1 1基于计算机的系统概述 6 计算机系统工程概念一个问题求解活动 通过和用户的协商揭示并分析客观的功能需求 把整体需求化整为零 分配给计算机系统中的各个元素去完成 系统分析员从界定目标与约束条件开始 导出针对本系统的功能 性能 接口 环境 数据结构的表示 并据此选择必要的元素 进行功能分配 设计元素间的关联关系 也就是针对用户的需求进行基于计算机的系统设计 具体的硬件工程 软件工程 人机工程和数据库工程的作用就是细化功能和性能的范围 产生一个能够和其他元素适当集成的可操作的系统元素 3 1 2计算机系统工程 7 1 硬件和硬件工程计算机系统工程师选择某种硬件元素的组合构成基于计算机系统的硬件元素 在选择硬件元素时 应当考虑以下特性 1 从集成化的角度考虑 对各种元件打包形成单独的构件块 2 各个元件 构件块之间尽量采用标准接口 3 性能 成本 有效性相对地比较容易确定 4 尽量提供多种可供权衡选择的硬件方案 计算机硬件工程是在几十年以来电子设计和电子工程的基础上发展起来的 硬件工程的过程可以划分为计划与定义 设计和样机实现 生产 销售和售后服务三个阶段 3 1 2计算机系统工程 8 2 软件和软件工程在系统工程中 功能和性能的分配一般把部分功能和性能要求分配给软件来实现 在某种情况下 可以把功能看作是一个顺序的数据处理过程 对性能不作显式定义 在另一些情况下 可以把功能看作是对内部各个系统元素的协调和对其他并发程序的控制 而性能则显式定义为响应和等待时间 软件的功能和性能实现软件工程师必须获取或者开发一系列的软件部件 与硬件不同的是 软件部件很难标准化 应尽量采用可复用构件是选择软件部件的第一原则 3 1 2计算机系统工程 9 软件元素一般由程序 数据和文档组成 包括系统软件和应用软件两类 IPO 输入 处理 输出 模型表示输入 软件可以从外部实体或系统内的其他元素接收输入信息 软件还能够用于建立数据库接口 使程序能够存取预先存储的数据 处理 针对接收到的源数据实现完成系统需求所必需的处理 输出 形成数据或信息并输出到其他系统元素 宏元素或外部对象 软件工程三个阶段 回想第一章 分别如图3 3 图3 4 图3 5所示 3 1 2计算机系统工程 10 图3 3软件工程的定义阶段 3 1 2计算机系统工程 11 图3 4软件工程的开发阶段 3 1 2计算机系统工程 12 图3 5软件工程的运行维护阶段 3 1 2计算机系统工程 13 3 人与人机工程 人机交互工程 系统是否具有明显的 用户友好性 是评价计算机系统质量优劣的指标之一 人 是重要的元素组成人元素的元件包括 人的记忆和知识表示 思维和推理 直观感觉 人的对话构造等等 人类工程学是应用心理学和方法论导出的知识来确定和设计高质量人机对话界面 HCI HumanConversationInterface 的多学科活动 人机工程过程包括 3 1 2计算机系统工程 14 1 活动分析 对分配给人的每一项活动 在与其他系统生成元素进行交互的环境中进行评价 活动还要划分成任务 并在以后对它们进一步分析 2 语义分析和设计 对用户要求的每一个动作和机器产生的每一个动作的精确含义进行定义 并进行能够传递正确语义的对话设计 3 语法和词法设计 标识与描述各个动作和命令的特定形式 然后设计每一动作或命令的硬件与软件实现 4 用户环境设计 将硬件 软件和其他系统生成元素组合起来形成用户环境 环境包括物理设备以及人机对话界面 5 原型 利用原型能够形式化的定义HCI 能够使用户积极的参与而不是被动的评价HCI 应当重复地使用原型化方法运行和评价所有的人机工程 3 1 2计算机系统工程 15 4 数据库与数据库工程数据库工程是一门技术学科 它的应用是在数据库的信息域定义完成之后 对于使用数据库的系统来说 例如几乎所有的商业软件 数据库往往作为信息仓库成为所有功能的核心 对于不使用数据库的系统中 也要进行数据分析和数据设计 数据库工程的目标 明确加工对象和输出结果的数据结构特征 3 1 2计算机系统工程 16 3 2系统需求识别 3 2 1系统分析的目标系统需求分析是一组称为计算机系统工程的活动 它着眼于所有的系统生成元素 由硬件 软件 数据库方面的工程师共同参加 系统分析的目标包括 1 识别出用户的需求 2 评价系统的可行性 3 进行经济分析和技术分析 4 在明晰总体需求的前提下 将要实现的功能分配给硬件 软件 人 数据库和其他的系统元素 5 预测成本 进行进度设计 6 生成系统规格说明 用作所有后继工程的基础 17 识别用户的真正需求是系统分析的第一步 分析人员应当注意弄清楚下列问题 1 用户所期望的功能和性能 2 对于可靠性和质量提出的问题有哪些 3 总的系统目标是什么 4 成本 资源和进度有哪些限制和约束 5 可能会有哪些扩充需求 6 有哪些有效的技术可供使用 7 制造的需求是什么 市场竞争情况如何 3 2 2系统分析过程 18 3 3可行性研究与分析 就商业软件来说 只要不限定资源与时间 总是可行的 但这里要考虑的是 在指定的目标和满足质量 时间 成本约束条件前提下 问题有没有可行解 暂时不必考虑 如何解 的问题 主要从四个方面考虑可行性 1 经济可行性 进行投入 产出分析 确定系统有无经济价值 2 技术可行性 在预定的时间与成本限制下 对待开发系统进行功能 性能和限制条件的分析 确定在当前已经拥有的资源环境中 存在有多大的技术风险 3 法律可行性 确认待开发系统是否存在有涉及侵权 妨碍和责任问题 4 对不同的方案进行评估抉择 19 在进行技术风险分析时 要考虑 1 开发风险 在预定的限制范围约束下 能否设计出系统并实现其功能与性能 2 评价资源的有效性 人力 可复用构件 软 硬件环境三个层次的资源是否具备 3 相关的技术发展能否支持这一系统 对于法律可行性进行评价时涉及的面也比较广 它包括合同 责任 侵权以及其他一些技术人员常常不了解的险境 必要时可以请法律顾问来参与评价 3 3可行性研究与分析 20 可行性研究的结果是形成一个单独的 可行性报告 其中最主要的内容是 1 项目的背景 问题描述 实现环境和限制条件等 2 管理概要与建议 重要的研究结果 结论 说明 劝告和影响等 3 推荐的方案 不止一个 候选系统的配置与选择最终方案的原则 4 简略的系统范围描述 分配元素的可行性 5 经济可行性分析结果 经费概算和预期的经济效益等 6 技术可行性 技术风险评价 技术实力分析 已有的工作及技术基础和设备条件等等 7 法律可行性分析结果描述 8 可用性评价 汇报用户的工作制度和人员的素质 确定人机交互功能界面需求 9 其他项目相关的问题 如可能会发生的变更等等 3 3可行性研究与分析 21 经济可行性的结论通过投入 产出分析得出 同时重视 货币时间效果 影响 整个系统的经济效益有形效益 采用新系统后增加的收入再加上使用新系统后节约的运行费用 无形效益 包括用户满意度 更高的质量等等 很难直接度量 3 3 1效益度量方法 22 度量经济效益时 一般从投入 产出比 成本回收时间和纯收入三个角度来考虑 在计算过程中 必须充分考虑到货币的时间价值问题 1 货币的时间价值 由于利率的存在 货币的时间价值是能够准确估算的 假设年利率为i 现在投入P元 则n年后能够得到 F P 1 i n这就是P元钱在n年后的价值 反之 假设n年后能收入F元 则其当前价值是 P F 1 i n例 假设购置一套应用软件投资20万元 预计可使用5年 每年直接经济效益9 6万元 年利率为5 试计算投入 产出比 解 考虑到货币的时间价值 5年的总体收入应当逐年按照上式计算 并非为恒定的9 6万元 1 5年中 每年的收入折算到当前的数据如表3 1所示 3 3 1效益度量方法 23 表3 1货币的时间价值 根据上表所列数据 本软件投入 产出比为 41 5630 20 2 0785 3 3 1效益度量方法 24 2 投资回收期 根据上例 两年后收入17 8513万元 尚欠2 15万元没有收回成本 在第三年还需要 2 15 8 2928 0 259 年 故投资回收期为2 259年 3 纯收入 根据上面的计算结果 5年纯收入为41 5630 20 21 5630万元注 只有当纯收入大于0时 开发软件才有真正的效益 3 3 1效益度量方法 25 有了正确的效益度量方法 就能够进行成本 效益分析 除经济效益之外 非经济效益也应当适当考虑 下面以一个管理信息系统软件为例 分析其可能的成本 效益 信息管理系统可能的效益表如表3 2所示 3 3 2成本 效益分析 26 表3 2信息管理系统可能的效益表 3 3 2成本 效益分析 27 表3 2信息管理系统可能的效益表 3 3 2成本 效益分析 28 表3 2信息管理系统可能的效益表 上表中 CR 降低成本 ER 减少错误 IF 增加灵活性 IS 增加活动速度 MC 改进管理计划和控制 3 3 2成本 效益分析 29 新系统的效益和系统的工作过程有关如果以一个CAD系统为例 想要进行经济可行性分析判定 分析员就要对现行的人工设计系统和待开发的CAD系统定义可度量的特性 例如 选择产生最终详细图纸的时间t draw作为一个可度量量 而且经分析得知 CAD系统产生的时间缩减比为1 4 为进一步对效益进行量化 确定下面的数据 3 3 2成本 效益分析 30 t draw 平均绘图时间 4小时c 每个绘图小时的成本 20元n 每年绘图总数量 8000p CAD系统中已完成绘图的百分比 60 根据上述设定数据 计算每年节省费用的估算值 即所得到的因节省了绘图时间而得的效益为节约的绘图费用 缩减比 t draw n c p 96000元 年 3 3 2成本 效益分析 31 技术分析的目的提交系统的技术可行性评估 说明为完成系统功能 达到系统性能指标要采取什么样的技术 存在哪些技术风险并判定这些技术问题对于成本有什么影响 技术可行性分析方法模型化方法 包括数学模型和物理模型 是一种有效的方法 模型化过程示意 如图3 6 3 3 3技术分析 32 图3 6模型化过程示意 3 3 3技术分析 33 为了对系统进行技术分析而使用模型时 应当注意遵循下面的准则 1 模型应当表现出待评估系统构成的动态特性 其操作尽量接近真实的结果 2 模型应当包括系统中所有的元素并保证其可靠性 3 模型中要突出表现与现实问题最相关的因素 在初期对次要问题要谨慎地回避 以便简化模型 4 模型力求简单 对过于复杂的模型可以分解为一组相对简单的模型 其中一个模型的输出可以是另一个的输入 对一个特定系统元素的评估应当独立于其他元素 5 对模型要进行一系列的试验 使其尽可能的不断接近系统的目标 3 3 3技术分析 34 应当在满足功能 性能 环境 可扩充性需求的前提下 将各个系统功能与其必要的一些性能和接口特性一起 分配给一个或多个系统元素 不同的分配方式也就对应着系统的不同的实现方案 可以按照成本 进度等约束条件 在若干可能的方案中择优推荐 例如 以一个绘图系统为例 它的主要功能是进行三维转换 在对候选方案进行初步设计之后 发现基于不同的分配方案 可能的系统实现方案有如下几种 1 完全由软件实现三维转换 2 简单转换 平移 比例变换等 利用具有图形转换功能的硬件 如特殊的图形卡 实现 复杂的转换 投影 透视 消隐等 由软件包实现 3 采用图形工作站 全部三维转换功能均由硬件完成 3 3 4方案制定与评估 35 3 4系统体系结构建模 3 4 1建立系统结构流程图系统结构模板结合IPO结构模型 再加上用户界面处理和系统维护与自测试两个系统特性 就能够构成基于五个范畴域的系统结构模板 如图3 7所示 系统分析人员把预定的各个元素分配到模板内的五个处理区域 就形成了方案 图3 7抽象的系统结构模板 36 实例 传送带分类系统 CLSS conveyorlinesortingsystem CLSS将沿传送带移动的盒子进行分类 每一个盒子由一个包含零件号的条形码来标识 并在传送带末端分送到六个箱子中的一个 这些盒子要通过一个由条形码阅读器及一台PC所组成的分类站 分类站的PC连接到一个分流器上 它把盒子分送到不同的箱子中 盒子以随机的顺序通过且其间的距离相同 传送带以每分钟 英尺的速度移动 如下图所示 3 4 1建立系统结构流程图 37 结构环境图 ACD ArchitectureContextDiagram 位于层次结构的顶层 ACD本身还定义了一些外部实体 包括系统输入信息的产生者 系统输出信息的使用者以及通过接口进行通信或实施维护与自测试的所有实体 图3 8关于CLSS系统的结构环境图 3 4 1建立系统结构流程图 38 结构流程图 AFD ArchitectureFlowDiagram 对图3 8中的五个矩形区域部分进行详细分析 细化这个结构环境图 能够完成传输线分类系统规定的功能的各个专门子系统 并在ACD定义的环境中加以标识 如图3 9所示 专门子系统定义在从ACD导出的结构流程图 AFD 中 信息流穿越ACD的各个区域 可用于引导系统工程师开发AFD AFD给出了各个专门子系统和重要的数据与控制信息流 把每一个子系统划分到结构模板中定义的五个区域的某一个中 在这一步 每个子系统可以包含一个或多个系统元素 3 4 1建立系统结构流程图 39 图3 9关于CLSS的结构流程图 40 第一步得到的AFD是AFD层次结构的顶层模板 其中的每一个圆角矩形表示的元素都可以分解 扩充成为另一个更加详细的结构模板 每一个系统的AFD都可以用作后继工程子系统的开始点 如图3 10所示 3 4 1建立系统结构流程图 41 图3 10自顶向下建立结构流程图的层次结构 42 小结 如上所述 从基本的功能性能需求出发 系统体系结构建模过程如下 构筑顶层的结构环境模型 再按照结构模板将高层ACD逐级分解形成AFD 如此自顶向下逐层细化 将逐步构建起应用系统的体系结构模型 3 4 1建立系统结构流程图 43 利用逐步细化的结构流程图 能够分层次地利用结构模板描述各个子系统的结构与信息流动情况 但是 还需要进一步的为各个子系统及它们之间的信息加以定义 AFD的规格说明 ADS 给出了有关每个子系统的信息和各个子系统之间的信息流 对每个子系统进行 系统模块描述 详细说明每一个子系统的功能 处理对象与方法和其他子系统如何接口 同时 还包括了一个 结构字典 对于子系统中的每一个信息项的类型 组成 来源 去处和传输方式进行了说明 这样 详细的文字描述结合明晰的结构字典 将各个子系统的功能 数据 接口情况表述的十分清楚 形成了对系统的初步认识 表3 3是规格说明中对 零件号 数据项进行详细描述的一个例子 3 4 2系统结构的规格说明定义 44 表3 3结构字典条模样例 3 4 2系统结构的规格说明定义 45 3 5系统定义与评审 3 5 1系统定义文档模板下面是一个推荐用来描述 定义系统的文档大纲 可以供我们在作系统定义时参考使用 1引言1 1文档的范围和目的1 2概述1 2 1目标1 2 2约束条件2功能和数据描述2 1系统体系结构 结构环境图ACD 2 2ACD描述说明 46 3子系统描述3 1子系统N的体系结构图定义3 1 1体系结构流程图AFD3 1 2系统模块描述3 1 3性能问题描述3 1 4设计约束3 1 5系统构件分配3 2体系结构字典3 3结构互连图及其描述4系统模型化和模拟结果4 1用于模拟的系统模型4 2模拟结果4 3特殊的性能问题讨论 3 5 1系统定义文档模板 4