氣象業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案選擇研究

梁中軍，郭 靜，何文春， 王 舒

(1.國家氣象信息中心 系統(tǒng)工程室，北京 100081; 2.中國電子科學研究院，北京 100041)

基礎理論 doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.05.011

氣象業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案選擇研究

梁中軍*1，郭 靜2，何文春1， 王 舒1

(1.國家氣象信息中心 系統(tǒng)工程室，北京 100081; 2.中國電子科學研究院，北京 100041)

合理選擇實施方案是氣象業(yè)務系統(tǒng)順利完成升級變更的前提與關鍵，但是由于選擇決策需考慮因素種類多、備選方案優(yōu)勢各異、各因素的評價方式具有差異等因素的存在，致使方案選擇困難。為解決上述問題，本文在考慮變更成本、變更對業(yè)務的影響、變更風險和變更預期效果等因素基礎上，采用費用、參與人員數(shù)、變更執(zhí)行時間、業(yè)務影響程度、業(yè)務影響時間、技術風險、實施風險、功能完善程度和性能提高程度等屬性作為選擇的評價指標對問題進行建模，并根據(jù)問題特點設計一種選擇方法。該方法首先根據(jù)備選方案的屬性取值約簡屬性；然后，通過專家評估獲得屬性權重，并對屬性進行模糊化表示和歸一化處理；最后，利用TOPSIS方法對業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案進行選擇。通過真實案例實給出了解決方法的具體步驟及選擇結果。

氣象業(yè)務系統(tǒng)；升級變更；方案選擇；約簡屬性；多屬性

0 引 言

隨著信息技術和氣象業(yè)務的不斷發(fā)展，氣象信息系統(tǒng)[1-2]在氣象業(yè)務創(chuàng)新發(fā)展中起到了重要的作用。然而由于氣象業(yè)務需求變更、基礎設施資源變化、技術更新等各種不確定因素導致氣象信息系統(tǒng)需要不斷進行升級變更，以滿足業(yè)務發(fā)展的需要。為保證升級變更能夠順利完成，技術人員需要全面考慮各種因素開展實施方案設計，并產(chǎn)生多種側重點不同的方案，項目決策者要根據(jù)業(yè)務的運行特點開展方案選擇。

合理選擇實施方案是業(yè)務系統(tǒng)順利完成升級變更的前提與關鍵。目前，已有大量學者對業(yè)務系統(tǒng)升級變更的相關問題[3-8]進行了大量研究，但是還未有效的解決業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案選擇問題。由于實施方案的選擇涉及多種因素，且各因素之間的度量方式不同，致使選擇面臨下列挑戰(zhàn)。

(1)業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案選擇涉及因素多，且各方案在不同因素上具有不同優(yōu)勢，直接選擇困難。實施方案選擇需要考慮業(yè)務系統(tǒng)升級變更的成本、系統(tǒng)升級變更對業(yè)務的影響、業(yè)務系統(tǒng)升級變更的風險和業(yè)務系統(tǒng)變更的預期效果等因素，有些方案成本高但風險低，有些方案則成本低但風險高，直接選擇最優(yōu)方案困難。

(2)選擇涉及的每個因素由若干屬性組成，不同屬性的評價方式有所差異，難以直接開展方案選擇。在上述因素中，變更成本由費用、參與人員數(shù)和變更執(zhí)行時間等屬性組成，變更對業(yè)務的影響由業(yè)務影響程度和業(yè)務影響時間等屬性組成，變更風險由技術風險和實施風險等屬性所組成，變更預期效果由功能完善程度和性能提高程度等屬性所組成。上述屬性既包含定量屬性也有定性屬性，它們具有不同的單位、量綱和數(shù)量級，難以相互比較，為此直接選擇困難。

(3)由于實施方案涉及信息復雜，致使部分屬性的取值具有不確定性，難以直接根據(jù)屬性取值對方案進行綜合評價和排序。例如：變更操作步驟之間的相互影響，致使變更執(zhí)行時間和業(yè)務影響的取值具有不確定性，難以直接根據(jù)這些信息來直接確定最優(yōu)方案。

為解決上述問題，本文在考慮上述因素的基礎上對業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案選擇問題建模，并根據(jù)問題設計一種選擇方法。在問題建模上，綜合考慮了變更成本、變更對業(yè)務的影響、變更風險和變更預期效果等因素對方案選擇的影響，采用費用、參與人員數(shù)、變更執(zhí)行時間、業(yè)務影響程度、業(yè)務影響時間、技術風險、實施風險、功能完善程度和性能提高程度等屬性作為選擇評價指標對問題進行建模。在問題求解上，方法首先根據(jù)備選方案的屬性取值情況對決策屬性進行約簡，去除選擇不起作用的屬性；然后，通過專家評估剩余屬性的重要程度獲得屬性權重，并對屬性進行模糊化表示和歸一化處理；最后，利用TOPSIS方法對業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案進行選擇。通過真實案例實給出了解決方法的具體步驟及選擇結果。

1 氣象業(yè)務系統(tǒng)變更的考慮因素

為保證實施方案能夠滿足業(yè)務和決策者的需求，氣象業(yè)務系統(tǒng)在升級變更時需要考慮下列因素。

(1)氣象業(yè)務系統(tǒng)升級變更的成本

為了優(yōu)化現(xiàn)有氣象業(yè)務系統(tǒng)，系統(tǒng)在升級變更時需要花費一定代價來實現(xiàn)這一改變。氣象業(yè)務系統(tǒng)升級變更的成本是指在業(yè)務系統(tǒng)升級變更時期內(nèi)，因優(yōu)化系統(tǒng)而花費的所有代價的總和。其主要包括：費用、參與人員數(shù)和變更執(zhí)行的時間。在選擇實施方案時，業(yè)務系統(tǒng)升級變更的成本是決策的重要因素之一。

(2)系統(tǒng)升級變更對氣象業(yè)務的影響

為實現(xiàn)氣象業(yè)務系統(tǒng)的升級變更，實施方案中可能會存在一些操作(如：重啟系統(tǒng)、配置參數(shù)、安裝新軟件等)導致現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)臨時中斷服務或暫停服務。對于實時性要求強的業(yè)務應用，即使是較短的服務中斷也會產(chǎn)生很大的影響。因此，在選擇實施方案時，升級變更過程中對業(yè)務的影響也是決策的關鍵因素之一，其主要反映在業(yè)務影響程度和業(yè)務影響時間上。

(3)業(yè)務系統(tǒng)升級變更的風險

在業(yè)務系統(tǒng)升級過程中，不同的實施方案將可能面臨不同的風險挑戰(zhàn)，其主要包括：技術風險和實施過程風險。其中：技術風險主要考慮變更方案所采用的最新技術是否能與現(xiàn)有平臺各類軟件兼容，實施過程中的風險主要考慮實施過程的復雜程度、人員組織對項目實施時間的影響，導致變更不能按照計劃時間完成。為此，在選擇實施方案時需要考慮實施過程中所面臨的風險。

(4)系統(tǒng)變更的預期效果

在業(yè)務系統(tǒng)升級的實施方案中，不同的方案可能具有不同的預期優(yōu)化效果。有些方案可能只完成了部分功能的優(yōu)化，有些則全面提升了系統(tǒng)的性能。在選擇實施方案時，應該充分考慮系統(tǒng)變更的預期效果。

理想的情況下，最優(yōu)的實施方案應該是業(yè)務系統(tǒng)升級變更所花費成本最低，對業(yè)務影響最小，系統(tǒng)升級后的優(yōu)化效果最好，面臨風險最小的方案。但是由于不同實施方案在上述因素上優(yōu)勢各異，致使最優(yōu)實施方案困難。

2 氣象業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案選擇問題建模

氣象業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案選擇就是在綜合評價各類因素的基礎上，獲得最優(yōu)的實施方案。為解決變更方案選擇問題，本文在充分考慮各個因素特點的基礎上，對氣象業(yè)務升級變更方案選擇問題進行建模。在建模時，綜合考慮變更成本、變更對業(yè)務的影響、變更風險和變更的預期效果等因素對方案選擇的影響，采用下列屬性作為選擇的評價指標對問題進行建模。具體如表1所示。

表1 變更決策考慮的主要因素及其屬性

變更成本：主要由費用、參與人員數(shù)和變更執(zhí)行時間所決定。其中，費用是指業(yè)務系統(tǒng)升級變更的花費總和，參與人員數(shù)是指完成變更方案所需的人員數(shù)量；變更執(zhí)行時間是執(zhí)行變更實施方案所需花費的總時長，其取值通常為時間區(qū)間。

變更對業(yè)務的影響：主要由業(yè)務影響程度和業(yè)務影響時間所決定。其中，業(yè)務影響程度是領域?qū)＜腋鶕?jù)經(jīng)驗評估獲得，其取值可分為五個等級(即：高、較高、中、較低、低)，業(yè)務影響時間是執(zhí)行變更方案可能會影響業(yè)務的總時長，其取值通常為時間區(qū)間。

變更風險：主要由技術風險和實施風險所決定。其中，技術風險是指變更方案所采用的最新技術與現(xiàn)有平臺各類軟件兼容的風險，實施風險是指方案的復雜程度、人員組織對項目實施時間的影響風險。其取值由領域?qū)＜腋鶕?jù)經(jīng)驗評估獲得，其取值可分為五個等級(即：高、較高、中、較低、低)。

變更預期效果：主要由功能完善程度和性能提高程度所決定。其中，功能完善程度是指方案對系統(tǒng)功能缺陷修復的程度；性能提高程度是指方案對系統(tǒng)的非功能屬性(如：可靠性、安全性、吞吐率、響應時間等方面)的優(yōu)化程度。其取值由領域?qū)＜腋鶕?jù)經(jīng)驗評估獲得，其取值可分為九個等級(即：極好、很好、好、較好、一般、較差、差、很差、極差)。

在上述屬性中，既包含定量屬性，也包含定性屬性。其中，費用、人員數(shù)等屬性可以采用具體數(shù)字進行表達，變更執(zhí)行時間和業(yè)務影響時間可以由區(qū)間數(shù)來表達，而業(yè)務影響程度、技術風險、實施風險、功能完善程度、性能提高程度等定性屬性難以給出具體的數(shù)值，采用相應的語言進行描述。

基于以上屬性描述，氣象業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案選擇問題描述如下：

氣象業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案選擇問題：已知技術人員根據(jù)氣象業(yè)務系統(tǒng)的升級變更需求，設計了n個備選實施方案{1,2,…,i,…,n}，每個實施方案i在費用、參與人員數(shù)、變更執(zhí)行時間、業(yè)務影響程度、業(yè)務影響時間、技術風險、實施風險、功能完善程度和性能提高程度等屬性的取值為{ci,pi,ETi,idi,ITi,tri,eri,dfi,pdi}，氣象業(yè)務系統(tǒng)升級變更選擇問題就是綜合上述信息的取值，從備選方案中選擇一個最優(yōu)方案，使得決策者最滿意。

3 問題求解

3.1 屬性約簡

在方案選擇的過程中，屬性的數(shù)量影響著問題求解的難度。在實踐過程中發(fā)現(xiàn)備選實施方案可能會在某個屬性值上取值均相同。由于這些屬性的取值相同，所以這些屬性信息在選擇決策過程中并不起決定作用，而且還會增加相應計算量。為快速求解本問題，本文對原始決策方案的屬性進行約簡，按照約簡規(guī)則1去除備選方案中取值相同屬性，其具體描述如下。

約簡規(guī)則1：假設有n個備選方案，如果任意備選方案在某屬性的取值相同，則在本次決策選擇中，該屬性可以被約簡。

3.2 確定屬性權重

不同屬性在方案選擇中起著不同作用，為支持項目決策者選擇滿意的升級變更方案，需要評價屬性的重要程度，計算每個屬性權重的大小。由于不同業(yè)務系統(tǒng)在實時性要求、業(yè)務重要程度等因素上存在差異，不同業(yè)務系統(tǒng)在升級變更時的屬性權重會有個性化差異。為更好的反映決策者的主觀意愿，本文采用專家評估的方法[9]來獲取其權重。各屬性的相對重要程度越高，其權重應該越大，反之則越小。

3.3 屬性的模糊化表示與歸一化處理

氣象業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案選擇問題求解困難主要體現(xiàn)在備選方案屬性信息的復雜性。一方面，由于備選方案的屬性類型不同，它們具有不同的單位、量綱和數(shù)量級，難以相互比較；另一方面，由于實施方案涉及信息復雜，致使部分屬性的取值具有不確定性，所以難以直接根據(jù)屬性取值進行綜合評價和排序。為有效選擇最優(yōu)方案，本文采用模糊化方法來對定性屬性的取值進行數(shù)字化表示，并對其取值進行歸一化處理。

根據(jù)第二節(jié)的描述可知，方案的定性屬性主要采用五級語言和九級語言來進行描述。為支持決策選擇，本文將采用文獻[10]中的模糊化方法利用三角模糊數(shù)來對定性屬性進行數(shù)字化表示，將語言描述轉化為三角模糊數(shù)，其具體表示方法如下：

利用上述轉化方法，業(yè)務影響程度、技術風險、實施風險等屬性取值的三角模糊數(shù)表示如表2所示。

表2 業(yè)務影響程度、技術風險、實施風險等屬性取值的三角模糊數(shù)表示

功能完善程度、性能提高程度等屬性取值的三角模糊數(shù)表示如表3所示。

表3 功能完善程度、性能提高程度等屬性取值的三角模糊數(shù)表示

為消除量綱和數(shù)量級對選擇的影響，本文根據(jù)屬性的意義和其表示方式，利用向量規(guī)范化法[11]分別對其進行歸一化處理。其計算方法如下。

假設有n個備選方案，則任意備選方案i在不同屬性下的歸一化取值分別可采用下列方法計算獲得。

(1)費用與參與人數(shù)的歸一化方法

(1)

(2)

(2)變更執(zhí)行時間和業(yè)務影響時間的歸一化方法

(3)

(4)

(5)

(6)

(3)業(yè)務影響程度、技術風險和實施風險的歸一化方法

(7)

(8)

(9)

(4)功能完善程度和性能提高程度的歸一化方法

(10)

(11)

(12)

3.4 基于TOPSIS方法的業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案選擇

有效選擇實施方案需要綜合考慮各個方案的屬性信息。由于本問題多個屬性取值的數(shù)字化表達方式具有差異，所以難以直接開展選擇計算?？紤]到TOPSIS方法[12]具有同時分析多類屬性，并且充分考慮備選方案到理想最優(yōu)方案和最差方案的優(yōu)勢的特點，本節(jié)在上述步驟的基礎，借鑒文獻[13]的方法，給出方案選擇的具體步驟，其具體描述如下。

(1)根據(jù)屬性約簡后的結果，利用3.3節(jié)中的算法對剩余屬性進行歸一化處理獲得規(guī)范化矩陣。

假設經(jīng)過屬性約簡，n個備選方案共有m個屬性參與選擇計算，屬性經(jīng)過規(guī)范化處理獲得規(guī)范化矩陣W：

其中，1≤m≤9，wiv是備選方案u在第v個屬性上的歸一化取值，其計算方法如3.3節(jié)所述，wuv的取值可為實數(shù)、區(qū)間數(shù)或三角模糊數(shù)。

(2)根據(jù)專家對屬性重要程度的評價獲得屬性權重，并計算形成加權規(guī)范矩陣。

(13)

(3)根據(jù)加權規(guī)范矩陣確定理想最優(yōu)方案和理想最差方案的加權規(guī)范向量A+和A-。

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

4 實例分析

本文以某氣象業(yè)務系統(tǒng)的升級變更為例來分析方法的執(zhí)行步驟。其中，該業(yè)務系統(tǒng)的升級變更內(nèi)容為操作系統(tǒng)與高可用軟件的更換，以及存儲擴容。根據(jù)業(yè)務系統(tǒng)升級變更要求，技術人員分別給出了4組具體實施方案，經(jīng)過評估每組實施方案在變更成本、變更對業(yè)務的影響、變更風險和變更預期效果的具體情況如表4所示。

表4 某氣象業(yè)務系統(tǒng)升級變更的備選方案及屬性取值

針對上述方案信息，首先利用屬性約簡規(guī)則刪除此次決策無關屬性(即：費用、功能完善程度和性能完善程度)，對業(yè)務影響程度、技術風險和實施風險等屬性的取值進行模糊化表示，并由專家評估給出決策屬性的權重，具體如表5所示。

表5 備選方案約簡屬性后的數(shù)字化表示及其權重信息

根據(jù)上述屬性信息利用3.3節(jié)的歸一化方法處理后所得歸一化矩陣為：

(0.424264, 0.632456, 0.894427)[0.537528, 0.640899]

(0.141421, 0.316228, 0.503115)[0.19604, 0.228265]

(0.424264, 0.632456, 0.894427)[0.59512, 0.694307]

(0.141421, 0.316228, 0.503115)[0.203212, 0.234695]

根據(jù)權重信息，計算形成加權規(guī)范矩陣:

(0.127279, 0.189737, 0.268328)[0.161258, 0.19227]

(0.042426, 0.094868, 0.150935)[0.058812, 0.06848]

(0.127279, 0.189737, 0.268328)[0.178536, 0.208292]

(0.042426, 0.094868, 0.150935)[0.060964, 0.070409]

根據(jù)加權規(guī)范矩陣確定理想最優(yōu)方案和理想最差方案的加權規(guī)范向量A+和A-。

A+=[0.063246, [0.052739, 0.070476] (0.127279, 0.189737, 0.268328)[0.178536, 0.208292]

(0.084853, 0.139262, 0.206559)]

A-=[0.031623 [0.032034, 0.042768] (0.042426, 0.094868, 0.150935)[0.058812, 0.06848](0.028284, 0.069631, 0.154919)]

降序排列各個方案的相對貼近度，經(jīng)過排列后選擇實施方案1作為該業(yè)務系統(tǒng)的升級變更的實施方案。

5 結 語

本文針對氣象業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案選擇問題，在問題建模的基礎上，提出一種選擇方法。該方法首先根據(jù)備選方案的屬性取值約簡屬性；然后，通過專家評估獲得屬性權重，并對屬性進行模糊化表示和歸一化處理；最后，利用TOPSIS方法對業(yè)務系統(tǒng)升級變更方案進行選擇。通過真實案例實給出了解決方法的具體步驟及選擇結果。

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梁中軍(1983—)，男，新疆人，博士，主要研究方向云計算與大數(shù)據(jù)；

E-mail：liangzj@cma.gov.cn

郭 靜(1982—)，女，安徽人，博士，主要研究方向云計算與大數(shù)據(jù)；

何文春(1982—)，男，湖北人，高級工程師，主要研究方向云計算和氣象數(shù)據(jù)存儲；

王 舒(1987—)，女，山西人，博士，主要研究方云計算和被動微波遙感土壤水分反演。

Research on Selecting the Scheme for Upgrading and Changing the Meteorological Business System

LIANG Zhong-jun*1, GUO Jing2, HE Wen-chun1, Wang Shu1

(1.Engineering system Division, National Meteorological Information Center, Beijing 100081, China;2.China Academy of Electric and Information Technology, Beijing 100041，China)

Selecting an appropriate scheme is crucial for upgrading and changing the meteorological business system.However，it is difficult to select the scheme, due to many factors affects the decision-making and each scheme have different advantage on different factors, which evaluated by different methods.In this paper, a model was built to this selection problem by considering the cost of change, the business influence of change, the risk of change, and expected effect of change.To evaluate the scheme, the cost, the number of participants, the execution time of change, the business influence degree of change, the business influence time of change, the technical risk, the implement risk, the degree of functional improvements, and the degree of performance optimization are chosen as the decision-making attributes.To solve this problem, a method is proposed base on analyzing the trait of this problem.It first reduce the attributes according to the value of different schemes.Then, obtain the weight of attributes according the estimation of expert, express some attributes with fuzzy value, and normalize all the value of attributes.At last, employ TOPSIS to select the scheme.The experiment result show that this algorithm can estimate the computing resource scale effectively.

Meteorological Business Systems; upgrade and change ; selecting the scheme; reduce the attributes; multi-attributes

2016-09-01

2016-10-10

國家氣象信息中心青年科技基金課題(NMICQJ201610)

：A

1673-5692(2016)05-514-08