一種基于遺傳算法的體系結(jié)構(gòu)自動(dòng)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于遺傳算法的體 系結(jié)構(gòu)自動(dòng)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會(huì)和技術(shù)的發(fā)展，許多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的系統(tǒng)越來越復(fù)雜，具體表現(xiàn)在覆蓋范圍 更廣、要素類型更多、結(jié)構(gòu)關(guān)系更雜。為了將規(guī)模龐大、業(yè)務(wù)繁多、關(guān)系復(fù)雜的信息系統(tǒng)優(yōu)化 整合，構(gòu)建成有機(jī)協(xié)同、高效運(yùn)行的體系，就必須在系統(tǒng)思想指導(dǎo)下，采用科學(xué)合理的方法 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)和"系統(tǒng)之系統(tǒng)"進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，它對(duì)系 統(tǒng)各組成部分(軟件、硬件、數(shù)據(jù)、活動(dòng)、人員、機(jī)構(gòu)等)及它們之間的搭配和排列（層次、布 局、邊界、接口關(guān)系等)進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論發(fā)展，產(chǎn)生了一些不同領(lǐng)域的體系 結(jié)構(gòu)框架和設(shè)計(jì)方法，用來指導(dǎo)和規(guī)范體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)成果，例如化e Open Group提出的《開放組織體系結(jié)構(gòu)框架(TOGAF)》和美國國防部提出的《國防部體系結(jié)構(gòu)框架 (DoDAF)》等。
[0003] 由于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的困難程度，在完成初步設(shè)計(jì)方案后，對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估 和優(yōu)化是必不可少的。目前驗(yàn)證評(píng)估方法主要關(guān)注設(shè)計(jì)方案的正確性、完備性、一致性，W 及是否能滿足功能性能需求;而對(duì)系統(tǒng)的高效性、抗毀性等非功能需求的驗(yàn)證評(píng)估較為薄 弱，主要采用試驗(yàn)仿真的方法進(jìn)行評(píng)估，并由具備領(lǐng)域知識(shí)的設(shè)計(jì)人員在分析評(píng)估結(jié)果后 對(duì)初步方案進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化。此類方法應(yīng)用于"范圍廣、要素多、關(guān)系雜"的復(fù)雜系統(tǒng)，存在時(shí) 間花費(fèi)多、人力成本大、優(yōu)化效率低等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，提出一種基于遺傳算法的 體系結(jié)構(gòu)自動(dòng)優(yōu)化方法，對(duì)系統(tǒng)的高效性、抗毀性等非功能特性進(jìn)行優(yōu)化。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種基于遺傳算法的體系結(jié)構(gòu)自動(dòng)優(yōu)化方 法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型；
[0007] 步驟2,進(jìn)行非功能特性度量；
[000引步驟3,確定綜合評(píng)估函數(shù)、優(yōu)化約束條件和終止條件；
[0009]步驟4,進(jìn)行基于遺傳算法的自動(dòng)優(yōu)化。
[0010] 其中，步驟1包括如下步驟：
[0011] 步驟1-1，在系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案中，某些非功能特性(如高效性、魯棒性 等)可能不滿足用戶需求或合同要求，因此需要進(jìn)行優(yōu)化。將需要優(yōu)化的某非功能特性記為 P，從體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中選取設(shè)及到P的視圖作為優(yōu)化對(duì)象；
[0012] 步驟1-2,視圖建模:將視圖中的要素(機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)或子系統(tǒng))抽象為節(jié)點(diǎn)，將要素之 間的關(guān)系(如組織關(guān)系、信息交互關(guān)系)抽象為節(jié)點(diǎn)之間的邊，從而將視圖轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)模型。
[0013] 在步驟1-1中視圖的選擇需要依據(jù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中各視圖所描述的對(duì)象和功 能，并結(jié)合需要優(yōu)化的非功能特性進(jìn)行具體分析。例如，某體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案采用美國國防 部體系結(jié)構(gòu)框架(DoDAF)作為規(guī)范，那么如果需要對(duì)組織關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，可就W選擇組織關(guān) 系圖（0V-4)作為優(yōu)化對(duì)象;如果需要對(duì)信息系統(tǒng)的高效性或抗毀性進(jìn)行優(yōu)化，就可W選擇 系統(tǒng)接口描述圖（SV-1)作為優(yōu)化對(duì)象。
[0014] 步驟1-2中將視圖中的要素抽象成的節(jié)點(diǎn)的集合記為￥=^1，乂2，...，乂。1}，乂。1為第 nl個(gè)節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系抽象成的邊的集合記為E={ei，e2, . . .，en2}，en2為第n2個(gè)邊， 將視圖轉(zhuǎn)換的網(wǎng)絡(luò)模型記為G = <V，E〉。^分布式計(jì)算系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，系統(tǒng)視圖 所包含的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、計(jì)算設(shè)備等可W抽象為節(jié)點(diǎn)集合V ={ Vi惟1，Vi惟2，V存儲(chǔ)1， V踩各1. ..}，集合中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)了一個(gè)設(shè)備，如胃1代表了 1號(hào)計(jì)算設(shè)備。設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳 輸關(guān)系可W抽象為邊的集合E={ei惜1補(bǔ)#2，ei惜1陳祖，...}，集合中的每條邊對(duì)應(yīng)了一個(gè)數(shù)據(jù) 傳輸關(guān)系，如ei借1窗麼代表了 1號(hào)計(jì)算設(shè)備到2號(hào)存儲(chǔ)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系。
[001引步驟2包括：
[0016] 步驟2-1，基于平均最短路徑、介數(shù)、聚集系數(shù)等網(wǎng)絡(luò)模型常用度量指標(biāo)，選擇與步 驟1-1中指定的非功能特性P相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)模型度量指標(biāo)，對(duì)步驟1-2中得到的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行 度量。
[0017] 步驟2-1中將選擇的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)模型度量指標(biāo)分別進(jìn)行歸一化，記為I(G) = {ii(G), i2(G)，. ..，in3(G)}，其中，1(G)為指標(biāo)集合，指標(biāo)集合中的 il(G) 42(G)，...，in3(G)為歸一 化后的各項(xiàng)度量指標(biāo)，in3(G)為第n3個(gè)指標(biāo)。
[001引步驟3包括如下步驟：
[0019] 步驟3-1，將步驟2-1中選擇的各相關(guān)指標(biāo)的度量進(jìn)行綜合，形成綜合評(píng)估函數(shù)，對(duì) 步驟1-1中指定的非功能特性P進(jìn)行綜合度量;在遺傳算法領(lǐng)域該綜合評(píng)估函數(shù)也可被稱為 適應(yīng)度函數(shù)。
[0020] 步驟3-2,根據(jù)實(shí)際需求和優(yōu)化代價(jià)等多方面因素，確定優(yōu)化的約束條件；約束條 件通常規(guī)定了候選優(yōu)化方案某些指標(biāo)的最低或最高范圍，限制了優(yōu)化過程中候選優(yōu)化方案 的可行域。
[0021] 步驟3-3,根據(jù)實(shí)際需求和優(yōu)化代價(jià)等多方面因素，確定優(yōu)化的終止條件。終止條 件通常包括優(yōu)化的目標(biāo)需求，迭代的最大次數(shù)等等。
[0022] 步驟3-1中所述綜合評(píng)估函數(shù)是對(duì)步驟2-1中選擇的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)模型度量指標(biāo)的綜 合，記為F(G)=f[I(G)]，其中f為如下幕平均合成函數(shù)。
[0023]
[0024] 式中，為步驟2-1中定義的第j項(xiàng)歸一化后的度量指標(biāo);wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重;k 為幕平均階數(shù)，取值范圍為任意實(shí)數(shù)，最常見的有四種，即k=l(算數(shù)平均合成模型），k = 2 (平方平均合成模型），k=l(調(diào)和平均合成模型），k = 0(幾何平均合成模型）。例如取k=l， 即采用算數(shù)平均進(jìn)行合成，貝U
[0025]
[00%]步驟3-2中的各項(xiàng)約束條件記為：
[0027]
[0028] 其中Gspace代表所有的候選優(yōu)化方案組成的集合，α和β為用戶規(guī)定的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足 的技術(shù)指標(biāo)，h^G)〉a表示候選優(yōu)化方案G的某個(gè)指標(biāo)hj必須大于a，hk(G)〉i3表示候選優(yōu)化方 案G的某個(gè)指標(biāo)hk必須大于β。
[0029] 步驟3-3中的終止條件包含多方面因素，例如：要求優(yōu)化后的系統(tǒng)非功能特性Ρ的 綜合度量指標(biāo)大于某個(gè)設(shè)定的闊值t，記為F(G)〉t;或優(yōu)化的總迭代次數(shù)小于某個(gè)闊值Ν，記 為 MaxIte;r<N。
[0030] 步驟4包括如下步驟：
[0031 ]步驟4-1，將優(yōu)化過程中的候選優(yōu)化方案編碼為遺傳算法可處理的候選解，并根據(jù) 步驟3-2中確定優(yōu)化的約束條件確定候選解的可行解空間；
[0032] 步驟4-2,確定遺傳算法交叉、變異、選擇的策略，產(chǎn)生候選解集；
[0033] 步驟4-3,采用步驟3-1中的綜合評(píng)估函數(shù)對(duì)步驟4-2中產(chǎn)生的候選解集中的解進(jìn) 行評(píng)估，并結(jié)合步驟3-3中確定優(yōu)化的終止條件，判斷當(dāng)前解集中最優(yōu)解是否已經(jīng)達(dá)到優(yōu)化 的目標(biāo)需求，或者已經(jīng)達(dá)到最大迭代次數(shù)等其它終止條件。如果已經(jīng)滿足終止條件，則輸出 當(dāng)前最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案作為最終的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，否則返回步驟4-2繼續(xù)產(chǎn) 生候選解集。
[0034] 步驟4-1中，為了適合遺傳算法進(jìn)行處理，將候選優(yōu)化方案G編碼為數(shù)組形式的候 選解，記為encode(G) = x，數(shù)組的每一種取值唯一對(duì)應(yīng)了一種設(shè)計(jì)方案，數(shù)組