[论文解读] System- and Software-level Architecting Harmonization Practices for Systems-of-Systems -- An exploratory case study on a long-running large-scale scientific instrument

Héctor Cadavid, Vasilios Andrikopoulos+2 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Jan 29, 2021

Systems Engineering Methodologies and Applications参考文献 50被引用 9

一句话总结

本研究通过在 ASTRON 的 LOFAR 和 LOFAR2.0 无线电望远镜项目上的探索性案例研究，识别并描述了在长期运行的大规模科学仪器中系统级与软件级架构协调的实践。研究发现，早期参与软件架构设计、明确的需求转化、标准化接口控制文档（ICDs）以及避免过度依赖软件灵活性，是降低集成成本并提升系统-of-systems（SoS）系统质量的关键因素。

ABSTRACT

The problems caused by the gap between system- and software-level architecting practices, especially in the context of Systems of Systems where the two disciplines inexorably meet, is a well known issue with a disappointingly low amount of works in the literature dedicated to it. At the same time, organizations working on Systems of Systems have been developing solutions for closing this gap for many years now. This work aims to extract such knowledge from practitioners by studying the case of a large-scale scientific instrument, a geographically distributed radio telescope to be more specific, developed as a sequence of projects during the last two decades. As the means for collecting data for this study we combine online interviews with a virtual focus group of practitioners from the organization responsible for building the instrument. Through this process, we identify persisting problems and the best practices that have been developed to deal with them, together with the perceived benefits and drawbacks of applying the latter in practice. Some of our major findings include the need to avoid over-reliance on the flexibility of software to compensate for incomplete requirements, hidden assumptions, as well as late involvement of system architecting, and to facilitate the cooperation between the involved disciplines through dedicated architecting roles and the adoption of unifying practices and standards.

研究动机与目标

• 解决系统工程（SE）与软件工程（SWE）在系统-系统（SoS）架构实践之间长期存在的差距，特别是在大规模科学仪器领域。
• 研究在现实世界中长期运行的 SoS 项目（LOFAR 和 LOFAR2.0）中，实践者如何发展并应用协调实践以克服跨学科不匹配问题。
• 识别这些实践的最佳实践、感知到的优势与缺点，以指导未来的 SoS 架构流程。
• 为复杂、分布式 SoS 项目中改善集成、降低成本和提升系统质量提供可操作的见解。

提出的方法

• 在荷兰射电天文研究所 ASTRON 开展探索性案例研究，聚焦于 LOFAR 和 LOFAR2.0 项目，项目累计拥有超过 20 年的开发经验。
• 通过在线访谈和虚拟焦点小组收集数据，对象为参与射电望远镜架构设计与开发的实践者。
• 分析实践者经验，以提取系统级与软件级架构中的重复性问题、最佳实践及感知到的权衡。
• 通过访谈记录和焦点小组讨论的专题分析，识别关键协调实践。
• 通过迭代反馈与项目文档资料及标准的三角验证，验证研究发现。
• 采用混合方法，结合访谈与焦点小组的定性数据，以及对接口控制文档（ICDs）和系统需求的分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大规模 SoS 中，由于系统工程与软件工程实践之间存在不匹配，系统级与软件级架构中持续存在的问题是什么？
• RQ2 在长期运行的科学仪器项目中，实践者发展并应用了哪些协调实践来解决这些问题？
• RQ3 在实践中应用这些协调实践的感知优势与缺点是什么？
• RQ4 软件架构师的早期参与以及标准化接口文档（ICDs）如何影响系统集成与开发成本？
• RQ5 新兴标准与数字孪生技术在多系统架构中在多大程度上支持早期集成与接口统一？

主要发现

• 过度依赖软件灵活性来弥补需求不完整或模糊，会导致开发成本上升和集成挑战加剧。
• 系统级需求必须足够详细，但又不能过于低层级以至于限制软件设计灵活性，因此在规格说明中需要谨慎平衡。
• 软件架构师在硬件设计阶段的早期参与，能显著提升软硬件集成质量，并降低后期软件适配的成本。
• 包含控制与监控点的标准化、统一的接口控制文档（ICDs）——这些常被硬件工程师忽略——可增强跨分布式组件的集成与互操作性。
• 专职人员负责将科学需求转化为系统与软件需求，在跨学科对齐中起着关键作用。
• 新兴通信标准与基于微控制器的数字孪生技术在统一接口、实现 SoS 开发中的早期测试与集成方面展现出巨大潜力。