信息工程方法

总体数据规划技术报告三峡工程管理系统总体规划组1997年1月26日引 言中国长江三峡工程开发总公司自年月正式组建以来，在组织三峡信息系统规划论证和急用系统开发方面做了大量的工作。年月正式签订合同引进外资合作开发三峡工程管理系统（，加拿大方是Monenco AGRA公司，中方有哈工大、华中理工大等四高校），随之进行了需求调查和管理模型的研究工作。三峡总公司信息中心通过调研认识到，为履行合同采用信息工程方法开发，必须首先搞好总体数据规划工作，为此，特邀请大连海事大学信息工程研究所高复先教授任技术总顾问，于年月日至日组织了信息工程方法论-信息资源管理及信息组织技术研讨会（高复先主讲），为进行开发的总体数据规划作好了认识准备。年月日至日集中进行的总体数据规划第一阶段（总体调研）工作，是按照信息工程方法进行正规的总体数据规划的基础工作，通过调研分析准确把握用户的需求-功能需求和信息需求。在此后进行的总体数据规划第二阶段（系统建模）工作，则是在功能需求和信息需求分析的基础上，产生总体数据规划的三项关键性成果-系统功能模型、系统据模型和系统体系结构模型。本报告阐明我们采用信息工程方法进行总体数据规划的工作目标、成果表述和组织方法的理论根据、实践经验和具体步骤。一、系统开发目标和总体数据规划三峡工程管理系统是新一代的集成化、网络化的大型信息系统，其信息中心和信息网络将全面支持三峡工程的科学管理工作-从计划合同、技术设计、物资设备供应，到工程项目管理和监理工作的进度控制、质量控制、造价控制，使业主、设计、施工和监理四方的工程管理信息能及时采集汇总，快速处理流通，成为整体工程管理的大脑和神经网络系统。这样的信息系统必须建立在稳定的、高档次的数据环境之上，即体现集成化信息系统的核心与基础-数据集成的实质，而不是一些分散应用通过多种接口相互联接的结果。国内外大量的系统集成化开发经验教训一再说明，许多理论研究也充分阐明，企图通过接口将一些信息孤岛连成信息大陆是没有出路的1-2。加拿大Monenco AGRA公司提出的/是积累多年的成功的工程管理系统，体现了先进的信息技术，但因国情、管理体制和方法等方面的不同，不能简单搬用。积极的引进先进技术的态度在这里的体现，应该是将的有关数据结构，借鉴过来用于数据库的基本表（Base Table）设计；的有用程序模块，应加以选取、修改或重作，使其成为的类库（Class Library）部件。已经开发和使用的急用系统（如总经理查询、财务结算和物资管理等），是一些独立的、缺乏信息共享能力的应用，它们不是通过接口与新系统互通信息，而是在完成其历史使命之后由重新开发的的有关功能所取代。在我们面临开发集成化、网络化的大型信息系统的宏大而艰巨任务时，采取正确的技术路线，处理好技术引进、现有应用和系统开发目标的关系是极为重要的。多年来国内花巨资引进国外应用软件系统的失败教训是深刻的，我们一定要避免将国外的应用软件系统简单引进，或者在没有搞好自己的总体数据规划的情况下，就搞移植或转换的厄运。我们按照信息工程方法进行正规的总体数据规划的目的，就是要通过业务人员与系统分析人员的密切合作，调研分析、准确把握用户的功能需求和信息需求，在此基础上产生系统功能的正确定义和模块划分（即系统功能模型），系统数据的组织方法和规范结构（即数据模型），搞清楚所有功能与数据的存取关系（即系统体系结构模型），以便进行有计划、有步骤的的集成化开发建设。二、总体数据规划的理论依据与工作要则信息工程方法论（）是年代初由美国学者詹姆斯.马丁（James Martin）等人创立的，高教授于年代中期开始引进并结合国情进行研究和推广应用。这是一种以数据为中心、强调总体数据规划作用、在稳定高档次的数据环境之上建立新一代的信息系统（）的有效的方法论1、3。信息工程的基本原理是：数据位于现代数据处理的中心；数据是稳定的，处理是多变的；最终用户必须真正参加开发工作，特别是中高层业务人员要参加的高层构思和总体规划工作。总体规划的核心与基础是总体数据规划，其主要目的是改变企业低档次的数据环境-数据文件（Data-Files）环境和应用数据库（Application Data Bases）环境，通过改造或重构建立高档次的数据环境-主题数据库（Subject Data Bases）环境和具有信息综合深加工意义的信息检索系统（Information Retrieval Systems），这是企业信息化建设成功的重要标志。总体数据规划的组织实施是需要花气力的，文献1给出了一个中型企业进行正规的总体数据规划需要周、个步骤的工作计划进度表。信息工程转变了传统的以处理为中心的开发思路，确立了以数据为中心的新思维，只有搞好总体数据规划才能导出计算机系统规划、通信网络规划和应用系统开发计划。应用系统开发是在系统体系结构模型的控制下，以系统数据模型的实现为基础，有计划、有步骤地按系统功能模型建立应用，从而形成集成化的信息系统。信息工程从总体数据规划到应用开发，都是在集成化的计算机辅助软件工程（-）工具的支持下进行的。稳定的高档次的数据环境建设，是与信息资源管理的规范化进程同步的。信息资源管理（）是对信息资源开发利用的全局管理，是将信息技术与管理科学结合起来，把信息当做一种重要资源来进行优化配置和使用。在集成化信息系统化建设中，企业内部的应用集成主要体现在各业务域共享信息的联机存取上，因此需要企业内统一的信息标准；而企业与外单位的信息交换，特别是远程异地的信息交换，就需要业务伙伴之间达成共识的统一的信息标准。因此，在总体数据规划中建立并执行信息资源管理基础标准是非常重要的。我们在文献2的基础上，于年提出的五项信息资源管理基础标准是完全可以用于建设上的，这就是：数据元素标准、信息分类编码标准、用户视图标准、概念数据库标准和逻辑数据库标准（详见4）。年代的信息工程将面向对象的思想和方法溶汇进来，形成了面向对象的信息工程（?quot;。这种新一代的方法论，实质上是在数据集成的基础上，综合多种信息技术方法（包括结构化方法、原型方法、方法和基于Repository的方法等），开发集成化、网络化和自动化的的方法论。将全企业范围的建设工作划分为四个阶段：. 企业规划。高层管理人员直接参与，采用全局的观点识别企业目标和关键成功因素，研究关键信息流，划分业务域，构思全企业范围的集成框架。. 业务域分析。业务代表和系统分析员组成的联合需求规划（）小组，对每一业务域进行较详细的分析，建立业务域的对象和事件的详细模型。. 系统设计。针对具体的应用，由联合应用设计（）小组采用面向对象技术，设计出系统的类（Classes）和方法（Methods），用责任驱动设计（Responsibility-Driven Design）来详细分析类的行为。同时开发快速原型和演示系统，以便及时获得用户的返馈信息。. 建造。尽量使用编码生成器（Code Generator）和可重用的类库，以提高系统建造的速度和质量。继承了传统的信息工程的原理和方法，首先建立包括数据模型的计算机化业务的框架，再利用起到中心支持作用的类库（Class Libraries）和快速应用开发（）方法。由于强调识别全企业范围的共用的对象类型，因而使系统开发工作和维护量达到最小。采用这种信息工程的方法，首先做好高层规划和建模，然后再分别建立能连接到规划和模型上的应用系统5。根据上述理论和实践体验，结合三峡信息化建设的实际情况，我们提出了本次总体数据规划工作的几项要则：、组成业务代表与系统分析员相结合的联合规划组，强调两类人员密切合作，互相学习，通过调查和讨论进行需求分析。、综合利用信息工程的理论和实践经验，采用业务代表与系统分析员都能掌握的科学、简单和实用的分析、建模方法和文档规范。、对已有的调研资料进行去伪存真、删繁就简的分析，提取合理部分重新规范表述，根据实际情况做补充调查。、借鉴的有关资料，结合国情和三峡工程管理的实际吸收有关部分，参照用于需求分析与系统建模。、采取实用的-工具，以规划设计元库（Repository）为中心机理，形成规范化的机内文档，系统地支持需求分析、系统建模和应用设计，使本次规划工作顺利与后续开发相衔接。三、总体数据规划的技术成果与工作组织综合传统的信息工程（）和面向对象的信息工蹋希希桑牛椒郏岷衔颐堑难芯亢鸵延芯椋衔裕牵校停拥目栌扇惶住?b自顶向下规划设计与自底向上实现相结合”的方法，总体说来包括三个过程：总体规划过程、系统设计过程和系统建造过程。. 总体规划过程。进行全三峡工程管理的信息总体婊醋芴迨莨婊允菽秃凸苣偷慕饕晒滓墓魇怯芍懈卟懔斓疾斡氤橄蟆侗鸷投?quot;职能域，这是系统的最初构思。分小组进行职能域分析，分解、综合、定义业务过程，这是子系统或功能模块的最初构思。经过进一步分析，就可以识别定义主要的存取关系，而形成系统的体系结构，这就是建模过程。. 系统设计过程。这是针对总体数据规划已定义的应用系统，在系统逻辑数据模型和功能模型之上进行的基本上是的第三阶段的工作。但是，我们还强调面向对象方法与结构化方法的结合，称之为新结构化方法-在复查确认系统目标之后进行系统数据结构设计、功能结构设计、存取设计、屏幕界面规格和处理程序规格设计等。. 系统建造过程。基本上是的第四阶段的工作，采用各种编码生成器，也可以采用结构化方法进行系统建造。为便于工作组织，我们将总体数据规划过程又划分为两个阶段-第一阶段进行总体调研，第二阶段进行系统建模。第一阶段（总体调研）工作基本上有三项：业务需求调研；数据需求调研；将两者结合起来的数据流程草图的绘制。产生五项基本成果：职能模型；业务过程模型；用户视图定义；一级数据流程图和二级数据流程图；数据流分析报告。第二阶段（系统建模）有三项关键性工作，产生相应的三项关键性成果：系统功能模型；系统数据模型；系统体系结构模型。总体数据规划培训教材与使用说明4完整介绍了本次总体数据规划全部成果的规范表示方法，这里结合工作组织作些必要的说明。、关于用户视图分析传统的关系型数据库规划设计所采用的数据分析方法是基于实体关系（-）分析的，这套方法不易被用户分析员所接受。为此，年代初James Martin作了一些简化，提出了简化的-分析法，用结构化的-图来表示数据模型1。不久，Willian Durell又作了进一步的简化，他明确提出用户视图与外部数据流是同义词的论断，主张数据分析从用户视图分析和规范化入手2。用户视图即最终用户所熟悉的单证、报表、帐册和用户屏幕格式等，它反应了最终用户对数据实体的看法，是信息需求调研的主要对象。我们进行了用户视图的分类编码、构成表述、适度规范化（存储类视图规范到-）和视图集分组导出主题数据库的研究，制定了统一的文档标准，多年来的实践证明是科学而简单的，对信息化建设是有效的4、6。、关于数据流分析早期James Martin所作的数据分布分析（详见1第九章）的基本思想仍然是正确有用的，但对今天的计算机体系结构和通信网络来说，实施起来难度较大，不易得出数据流的量化分析结果。我们采用简化的一级数据流程图（-），并强调各职能域输出数据流的识别和定义，结合用户视图的生存期和记录数的登记，可以容易地得出系统内各职能域之间以及系统内外的数据流的量化分析结果。这对识别主题数据库，规划系统硬件和通信环境是十分必要的。、关于数据建模数据模型（Data Model）是对规划系统信息结构的概括性认识。我们采用数据库基本表集的二级有序结构来表示数据模型，其标准打印输出形式，是对 James Martin 的结构化-图的一种简化。用户视图分析是数据建模的基础，与James Martin的实体大组概念等价的是用户视图分组，并且更贴近用户，便于用户参与搞准概念数据库的定义与内容。逻辑数据库是概念数据库的细化，通过分析规范化到，使得一个概念数据库演化为一个或几个基本表（Base Table）。按我们制定的数据库标识、名称、属性表和数据模型的表述规范，逻辑数据库模型是分层有序的基本表集，如下例：数据模型自上而下分为全域数据模型、应用系统数据模型和子系统数据模型。全域数据模型是集成化数据环境建设的根据。、关于功能建模确定系统的职能域是总体数据规划的第一步工作，按的方法即是最高层的对象模型。分析与定义各职能域的业务过程，是总体数据规划的业务分析的关键性工作。为便于分析工作，绘制二级数据流程图（-）草图是必要的。我们经过简化规范，强调业务过程之间必须是数据联接（即存储类用户视图），使它成为深入业务调查的记录和两类人员对话的依托。系统的功能模型（Function Model）是对规划系统功能结构的概括性认识。借助-容易得出职能域的业务过程和业务活动的分层列表。在此基础上，对业务过程和业务活动作计算机化的可行性分析，就可以得出系统的功能模型-应用系统子系统功能模块程序模块的分层有序列表。、关于系统体系结构模型信息系统体系结构（Information System Architecture）在信息工程方法论中，是指系统数据模型和功能模型的关联结构，采用矩阵来表示，它可分为全域、系统和子系统三个层次。系统体系结构模型的建立，是进行数据分布分析，制定系统开发计划的科学依据。参照可以识别定义每一数据库（基本表）与功能模块之间的输入输出（）关系，由此就可以得出-矩阵。可以看出，系统或子系统的阵，是其数据流程图的更为简单明了的等价表示。、关于实用的-工具的选择集成化计算机辅助软件工程（-）工具，是近些年得到较大发展的企业集成化建设的支撑工具。由于整个面向对象方法尚处于发展过程之中，目前的-工具只是部分适合方法，而且基本上是系统建造的下游工具。我们研制的全面配合上述开发过程的一组辅助工具，既可以联合使用，也可单独使用，属于-工具组。的总体数据规划工作，是在（ Data-Planning Aided Tool）的辅助下进行的，它帮助规划人员按标准步骤进行数据分析建模和业务分析建模，将总体规划与集成化数据环境建设结合起来。系统设计辅助工具（System Design Aided Tool）自动与总体数据规划相衔接，全面支持新结构化方法的实施，系统设计人员用它方便地完成系统设计。信息分类编码管理工具可用于企业信息化的全程，管理全部信息分类编码对象、编码规则和编码表的建立、更新和发布。 在总体数据规划辅助工具的使用中，用户视图和数据流定义等是规划员录入计算机的，但数据元素的一致性检验、数据流的量化统计分析则是自动完成的；数据库的定义、数据建模中的顺序和层次的生成和调整，是在屏幕上人机交互简便实现的；模块与数据之间的存取关系，可分散给各业务域分析人员去识别、录入，系统自动将它们合成、整理，自动生成子系统、系统乃至全域-阵。总之，整个总体数据规划的分析建模工作，规划人员录入、人机交互、系统自动处理的工作量比，大约为：。全部规划资料都存储在计算机内，即标准的机内文档。与通常的纸面文档的本质区别在于，这种文档?quot;活化的，既便于更新和维护，又便于与系统设计相衔接-系统设计实际上是自动调出机内规划元库进行细化。四、总体数据规划进度安排与成功保证三峡总公司信息中心经过一段时间的调研和考查，决定采用上述理论、方法和工具进行总体数据规划。经过认真组织，组成了有近人参加的联合规划组，首先集中进行总体调研工作，完成五项基本成果，然后进行系统建模。经过反复讨论，初步确定的本次总体数据规划职能域划分定义如下表：总体调研工作的进行和基本成果的产生过程，不是简单的逐日排列的线性步骤，而是一种迭代循环的渐进过程。集中进行的总体调研工作的进度安排是：、调研开始（三天）：交代工作方法（半天讲课）；核心组提出职能模型初稿，分组；以草绘为线索进行小组讨论，理解掌握方法，粗拟前四项成 果框架；根据已有资料各小组按职能域开展三项基本工作。、调研继续（五天）：完成；完成企业模型（职能模型与过程模型）；用户视图适当规范化；利用录入调研资料。、调研深入（五天）：核对一级数据流；确认录入一级数据流；数据流分析报告打印。、业务领导复查确认与修改（两周）：职能模型职能域定义确认，说明与现行职能部门关系；确认外部单位的定义。业务模型确认各职能域中的业务过程定义；说明新的或关键业务过程（可列出其业务活动）。用户视图定义确认各职能域中用户视图的定义和组成；确认存储类视图及内容。数据流分析报告数据流定义合理性，冗余或遗漏；数据流量估算的合理性。要坚持每周进行总结，根据实际问题排出下周的具体计划，以保证扎扎实实完成总体调研工作，得出内容真实完整的成果。在这些成果的基础上，才能进行有效的系统建模工作，得出系统建模的三项成果：系统功能模型定义了应用系统，划分了子系统和功能模块；系统数据模型提出了全域和各应用系统的主题数据库结构，其中还体现了基础标准的运用；系统体系结构模型通过-矩阵的表达法，给出了各应用系统或子系统的开发顺序关系及控制机制，清楚表明所有功能模块与基本表之间的的存取关系。这些总体数据规划的成果以元库的方式存储在计算机内，可以自动化地与系统设计相衔接，是有计划、有步骤进行应用开发的科学依据。要保证本次总体数据规划工作的成功，就要坚持前面提出的几项要则。多次实践经验证明，违背这些要则，就会导致总体数据规划工作的失败，其表现形式有：总体数据规划工作开头紧，越搞越松，中途停顿或不了了之；缺乏指导控制，缺少规范，各小组文档简繁不一，无法完成系统建模；缺乏深入调研，文档整理形似神异，对后续开发无用。注：1994年6月三峡总工司会同中南勘测设计院、河海大学、华中理工大学和哈尔滨工业大学等单位完成了中国长江三峡工程开发总公司管理信息系统需求分析说明书；随后开发了应急系统；1996年11月分与加拿大 Monenco AGRA 公司人员合作进行的用户需求分析，以业务流程图为主要分析表达工具，部分利用了数据流程图，从方发论上看，基本上属于面向过程的方法。主要参考文献1 James Martin原著，高复先 吴曙光等编译：信息工程与总体数据规划，人民交通出版社，1989年。2 高复先：试论建设中的总体数据规划，交通与计算机1990年第1期。3 Willian Durell原著，高复先编译：数据管理-信息系统成功建设的基础，东北电力试验研究院1992年。4 James Martin: Principles of Object-Oriented Analysis and Design, PTR PRENTICE HALL 1993.5 高复先：信息工程的理论与实践，中国计算机报1994年第期。6 高复先：总体数据规划培训教材与使用说明书，1995年10月。7 高复先：信息系统集成与国民经济信息化，工程设计及自动化1995年第期。8 中国长江三峡工程开发总公司：三峡工程管理信息系统规划方案，1994年2月。9 高复先：信息工程开发工具的研究，计算机系统应用1995年第期。10 中国长江三峡工程开发总公司：建设中的三峡工程管理信息系统，1995年10月。11甘维义：引进国外先进的工程管理信息系统的可行性研究-赴加拿大考查Monenco AGRA 工程管理信息系统的报告，中国长江三峡工程开发总工司公程建设部，1995年10月。12狄宗楷 哈秋聆 等：三峡工程施工管理科学化研究-工程管理系统（）研究报告，1995年11月。13 Hibernia Management and Development Company Ltd.:Hibernia Development Project Key Data and Critical Issues, April 1995.14 Monenco AGRA公司：关于中国三峡总公司现行组织机构的调查报告最终草稿（1），1996年6月。15 Monenco AGRA公司：管理模型初稿（），1996年7月。16 Monenco AGRA公司：三峡总公司工程管理系统开发总体规划提交报告（），1996年7月。17 许卓明：业务功能实体相关表，1996年11月。18 中国长江三峡工程开发总公司：三峡工程质量管理办法（修改稿），1996年12月。25