16、通用架构框架与通用建模框架：企业架构的互操作性

最新推荐文章于 2025-09-05 15:20:18 发布

咖啡JSON

最新推荐文章于 2025-09-05 15:20:18 发布

阅读量75

点赞数

CC 4.0 BY-SA版权

分类专栏：工业4.0时代的智能生产和物流创新文章标签：通用架构框架 GAF 通用建模框架

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/i1j2k/article/details/149368338

工业4.0时代的智能生产和物流创新专栏收录该内容

16 篇文章 ¥499.90

订阅专栏¥69.90

会员秒杀 ¥9.9 重磅福利

超级会员免费看

通用架构框架与通用建模框架：企业架构的互操作性

1. 引言

在当今的工程领域，架构、方法和建模方法是分析系统、软件和企业（SSE）的有效途径。过去四十年来，不同专业领域的专家致力于架构研究，产生了一系列有重大影响力的成果。

1.1 主要架构框架

国际影响力框架 ：包括 Zachman 框架、CIM - OSA（计算机集成制造开放系统架构）、PERA（普渡企业参考架构）、ARIS（集成信息系统架构）、GERAM（通用企业参考架构和方法）、FEAF（联邦企业架构框架）、DoDAF（国防部架构框架）、TOGAF（开放组架构框架）、UAF（统一架构框架）、GEAF（高德纳企业架构框架）、ESA - AF（欧洲航天局架构框架）等。这些架构框架在国际上具有广泛影响，应用于众多领域，且很多在不同领域应用时还有扩展版本，如基于 Zachman 框架的 TEAF（财政部企业架构框架），基于 DoDAF 发展出的 MODAF（英国国防部架构框架）、NAF（北约国防标准）、AGATE（法国 DGA 架构框架）。
特定领域专有框架 ：如航天工业的 RASDS（空间数据系统参考架构），汽车工业的 AUTOSAR（汽车开放系统架构）。

1.2 国际标准

国际上也发布了一系列标准来支持模型需求识别、建模框架建立和建模方法形成，如 ISO 15704、19439、19440 和 42010。其中 ISO 42010 提出了以架构描述、架构框架和架构描述语言为核心的标准化系统描述方法。

1.3 建模方法和语言的发展

为满足复杂系统的分析需求，建模方法和语言也在迅速发展。如 IDEF 系列建模语言（包括 IDEF0、IDEF1x、IDEF3、IDEF5 等）、UML（统一建模语言，包含多个视图和图表）、DFD（数据流图）、ERD（实体关系图）、EPC（事件过程链）、BPMN（业务流程建模符号）、UPDM（DoDAF/MODAF 统一概要）、BPEL（业务流程执行语言）、Gellish（通用工程语言，一种文本建模语言）、SoaML（面向服务架构建模语言）、ESL（能源系统语言）、AADL（航空电子架构描述语言）、EAST - ADL（用于补充 AUTOSAR）、Petri 网以及新开发的 ArchiMate 和 SysML 等。其中，UML 在信息系统开发和软件工程领域影响广泛，而作为 UML 扩展的 SysML 在系统工程中应用广泛，SysML v1.4 已被发布为国际标准。

1.4 工业设计模式的转变

现代工业正努力摆脱繁琐的文书工作，复杂系统、软件和企业的设计与开发过程也在不断演变。目前，基于模型的系统工程（MBSE）正在取代传统的基于文本的系统工程（TSE）。国际系统工程理事会（INCOSE）在“系统工程愿景 2020”中提出了 MBSE，旨在使建模方法支持系统设计的全过程，包括需求验证、设计、分析、验证和确认，涵盖产品设计的整个生命周期。NASA、波音、洛克希德·马丁和空客等都在积极实践和推广 MBSE，并且 MBSE 已进入石化、建筑、医疗、智慧城市等多个行业和领域。INCOSE 在“系统工程愿景 2025”中指出，未来 MBSE 的应用将从传统领域扩展到工程、自然和社会领域。

随着越来越多的系统开发项目包含不同的架构、方法和建模方法，如何整合这些元素成为一大挑战。为此，提出了通用架构框架（GAF）和相关的通用建模框架（GMF），GAF 为系统设计和开发提供 MBSE 工具和方法，GMF 提供一套描述系统不同视图的模型和方法。

2. 通用架构框架（GAF）和通用建模框架（GMF）

GAF 和 GMF 是通过比较和总结各种企业架构和建模框架得到的通用方法，GMF 基于 GAF 提供建模视图。

2.1 通用架构框架（GAF）

GAF 是由 Li 在 2007 年提出的系统、软件、企业（SSE）架构框架，具有三个轴：视图（View）、生命周期（Lifecycle）和实现（Realization）。具体如下表所示：
| 轴 | 描述 |
| — | — |
| 视图（View） | 与 ISO 42010 一致，整合系统利益相关者（包括所有者、管理者、设计师、操作员和用户）的关注点，为他们提供系统分析、设计、实施和评估的视角，定义系统建模的领域和对象，重点关注三种系统结构。 |
| 生命周期（Lifecycle） | 基于项目管理生命周期，增加了运营和维护阶段。项目生命周期从项目定义开始到实施结束，而架构在系统运行时对集成系统的跟踪、修改和优化有很大帮助，其建模方法对系统运行也同样重要。 |
| 实现（Realization） | 反映如何使用架构方法和建模方法来描述系统的各个方面，完成系统分析、设计、运营和维护。具体步骤为：先在概念定义阶段后构建系统的现状（As - Is）模型，分析现状模型找出系统的不足和问题；接着根据利益相关者需求开发目标（To - Be）模型，提供初步设计方案；最后进行详细设计，将模型中的需求转化为三个具体领域（信息、人及组织、制造）的设计规范。 |

GAF 的使用在不同阶段有不同的操作，具体流程如下：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([项目定义阶段]):::startend --> B(将系统视为整体，构建概念模型):::process
    B --> C(开发目标视图，确定系统战略目标):::process
    C --> D([分析阶段]):::startend
    D --> E(关注系统结构、行为和性能视图):::process
    E --> F{项目类型}:::process
    F -->|系统改造| G(使用参考模型构建现状模型，找出问题):::process
    F -->|新建系统| H(使用参考模型将目标转化为具体需求):::process
    G --> I([初步设计阶段]):::startend
    H --> I
    I --> J(使用参考模型描述新系统，满足上一阶段需求):::process
    J --> K([详细设计阶段]):::startend
    K --> L(交付模型和文档，转化为技术指导):::process
    L --> M([实施阶段]):::startend
    M --> N(在技术规范指导下构建或改造系统):::process
    N --> O([运营和维护阶段]):::startend
    O --> P(对系统进行改进和优化):::process

2.2 通用建模框架（GMF）

GMF 分为三层，每层代表企业的一个方面：
- 系统静态结构层 ：定义企业的静态结构，包括组织结构、资源结构、数据/信息结构、产品/服务结构和功能结构，回答系统是什么的问题。各静态结构相互关联，如功能单元可与相关的组织单元、资源单元、信息单元和产品单元关联，反映该功能的必要条件；组织单元也可与其他单元关联，反映组织单元运营的基本条件。
- 系统行为/动态结构层 ：描述整个系统的逻辑、顺序和相关特征，结合静态结构层定义的元素，定义企业运营机制的模型。系统逻辑关系描述系统活动的输入输出以及各种活动之间的数据、信息、人员、材料等的流动关系；系统顺序关系描述系统活动的顺序和触发条件。
- 系统性能结构层 ：定义系统的目标、相关性能指标和测量方法。系统评估结构描述系统不同层次性能指标的分解关系和计算方法，定义了四个性能级别：目标、指标、因素和元素。在目标分解和系统实施过程中，评估结构从上到下为系统设计、实施和运营提供指导和标准；在系统分析和监控过程中，从下到上验证系统运行是否满足要求。

各层之间相互关联，系统静态和行为层的模型描述了受系统目标约束的系统结构和运营机制，构成性能分析的基础；系统性能结构层基于系统结构和行为层，为 SSE 的性能方面提供建模形式，通过借鉴现有模型内容并建立分析方法为决策者提供信息。由于性能评估对 SSE 项目早期的决策者和利益相关者非常重要，与性能相关的建模已成为企业建模领域的关键部分。例如，ISO 22400 为自动化系统和集成制定了制造运营管理的关键绩效指标（KPIs），ISO/IEC 42030 用于系统和软件工程的架构评估，评估建模和分析可以指出企业发展的优化方向。在 ISO 15704 - 2005 中，提出了 AHP/ANP（层次/网络分析法）和基于活动的成本核算（ABC）方法，以促进系统集成合理性的多标准决策过程。

3. GAF 与其他主流架构框架的映射关系

不同的架构框架在工程领域都有着各自的特点和应用场景，GAF 与其他主流架构框架存在着一定的映射关系。这种映射关系有助于更好地理解和整合不同的架构框架，为系统设计和开发提供更全面的支持。以下是 GAF 与部分主流架构框架的映射分析：
| 主流架构框架 | 与 GAF 的映射关系 |
| — | — |
| Zachman 框架 | Zachman 框架侧重于从不同的视角（如规划者、所有者、设计者等）和不同的抽象层次（如数据、功能、网络等）来描述企业架构。GAF 的视图轴整合了系统利益相关者的关注点，与 Zachman 框架从不同视角描述架构有相似之处。在生命周期方面，虽然 Zachman 框架没有明确强调运营和维护阶段，但架构的思想同样有助于系统在整个生命周期中的管理。实现轴上，两者都强调使用建模方法来描述系统，不过 GAF 更明确地提出了 As - Is 模型和 To - Be 模型的构建和转化过程。 |
| DoDAF | DoDAF 主要用于国防部的架构设计，它提供了一系列的视图和产品来描述系统的各个方面。GAF 的视图轴与 DoDAF 的视图概念类似，都关注系统利益相关者的需求。在生命周期上，GAF 更强调运营和维护阶段对系统的跟踪和优化。实现轴上，DoDAF 也注重通过模型和文档来描述系统，但 GAF 对模型的构建和转化过程有更详细的步骤说明。 |
| TOGAF | TOGAF 是一个开放的架构框架，提供了一套完整的架构开发方法（ADM）。GAF 的生命周期轴与 TOGAF 的 ADM 有一定的对应关系，都包含了项目定义、分析、设计、实施等阶段。视图轴方面，两者都关注不同利益相关者的视角。实现轴上，TOGAF 强调通过架构资产的管理来实现系统，而 GAF 更侧重于模型的构建和转化。 |

通过这种映射关系的分析，可以发现 GAF 与其他主流架构框架既有相似之处，又有自身的特点。在实际应用中，可以根据具体的项目需求，结合不同架构框架的优势，更好地进行系统设计和开发。

4. GMF 与其他建模架构框架的比较

GMF 作为一种通用的建模框架，与其他建模架构框架相比，有着独特的优势和特点。以下是 GMF 与部分常见建模架构框架的比较：
| 建模架构框架 | 与 GMF 的比较 |
| — | — |
| UML | UML 是一种广泛应用于信息系统开发和软件工程的建模语言，包含多个视图和图表。GMF 的系统静态结构层与 UML 的类图、对象图等有相似之处，都用于描述系统的静态结构。但 GMF 不仅关注静态结构，还包含了系统行为/动态结构层和系统性能结构层，更全面地描述了系统。UML 主要侧重于软件系统的设计，而 GMF 适用于系统、软件和企业等多个领域。 |
| SysML | SysML 是 UML 的扩展，广泛应用于系统工程。GMF 与 SysML 在对系统的描述上有一定的重叠，都关注系统的结构、行为和性能。但 GMF 的层次结构更加清晰，将系统建模分为静态结构、行为/动态结构和性能结构三层，便于对系统进行全面的分析和设计。SysML 更注重系统工程的具体建模方法和工具，而 GMF 提供了一种更通用的建模框架。 |
| IDEF 系列 | IDEF 系列建模语言包括 IDEF0、IDEF1x 等，用于不同方面的系统建模。GMF 的系统静态结构层和系统行为/动态结构层可以借鉴 IDEF 系列的一些建模思想。例如，IDEF0 用于描述系统的功能和活动，与 GMF 的系统行为/动态结构层中描述系统活动的逻辑关系有相似之处。但 GMF 更强调各层之间的关联和整体的系统建模，而 IDEF 系列更侧重于特定方面的详细建模。 |

通过与其他建模架构框架的比较，可以看出 GMF 具有更全面、通用的特点，能够更好地满足复杂系统建模的需求。