基于案例推理的軟件需求分析研究

王 麗，杜曉明

(江蘇科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

需求分析是軟件定義時(shí)期的最后一個(gè)階段，它所要做的工作是深入描述軟件的功能和性能，確定軟件設(shè)計(jì)的限制，以及軟件同其他系統(tǒng)元素的接口細(xì)節(jié)，定義軟件的其他有效性需求，因此，對(duì)需求階段進(jìn)行深入研究具有重要的意義。參考文獻(xiàn)[1]對(duì)軟件需求分析的含義、任務(wù)和過(guò)程進(jìn)行討論，突出了有效溝通、需求管理、團(tuán)隊(duì)協(xié)作在需求分析過(guò)程中的重要作用，同時(shí)探討了若干需求分析方法；參考文獻(xiàn)[2]重點(diǎn)描述按照RUP的要求進(jìn)行軟件需求分析的方法，給出了建立業(yè)務(wù)模型、需求模型的具體目的、內(nèi)容和步驟；參考文獻(xiàn)[3]闡述了UML的特點(diǎn)、UML架構(gòu)、軟件需求分析原則及UML對(duì)軟件建模的意義，并給出了UML技術(shù)在軟件需求分析和設(shè)計(jì)階段的成功應(yīng)用；參考文獻(xiàn)[4]利用形式化規(guī)格說(shuō)明語(yǔ)言——B語(yǔ)言對(duì)軟件需求進(jìn)行了嚴(yán)格定義，在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，以獲得更好的軟件性能；參考文獻(xiàn)[5]討論和分析了軟件需求分析的概念、任務(wù)、過(guò)程、種類(lèi)、原則、用戶和系統(tǒng)分析員的關(guān)系以及需求文檔的書(shū)寫(xiě)。這些研究都具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值，并且各具特點(diǎn)，但極少有從知識(shí)管理的角度進(jìn)行需求分析，缺少對(duì)軟件企業(yè)所擁有案例的深入挖掘和充分利用。

本文從知識(shí)管理的角度運(yùn)用基于案例推理的方法提出了軟件需求分析的框架模型，并對(duì)該模型的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。本文的研究成果為軟件企業(yè)實(shí)現(xiàn)有效的案例管理提供了理論和技術(shù)上的保障，拓展了CBR的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 軟件需求分析過(guò)程中的知識(shí)流動(dòng)分析

需求分析本質(zhì)上是一個(gè)知識(shí)管理的過(guò)程，這一過(guò)程出現(xiàn)的主要問(wèn)題可歸結(jié)為隱形知識(shí)顯性化的管理過(guò)程。多數(shù)從事軟件研究和軟件開(kāi)發(fā)的專(zhuān)家認(rèn)為，需求獲取只有通過(guò)客戶和開(kāi)發(fā)者有效的合作、減少合作中的障礙才能成功，客戶的參與直接影響到需求獲取的結(jié)果，沒(méi)有參與就沒(méi)有結(jié)果，而被動(dòng)參與會(huì)產(chǎn)生不良結(jié)果。事實(shí)上，需求分析是分析專(zhuān)家通過(guò)挖掘客戶潛在需求相關(guān)知識(shí)，再將各類(lèi)軟件開(kāi)發(fā)人員的經(jīng)驗(yàn)、專(zhuān)業(yè)知識(shí)相融合，從而產(chǎn)生出客戶真正期望的需求的過(guò)程；需求分析的過(guò)程就是知識(shí)傳遞、創(chuàng)新、顯化的過(guò)程[6]。

圖1表明了知識(shí)流在需求過(guò)程中的流動(dòng)，主要包括3個(gè)階段：與需求相關(guān)的知識(shí)傳遞；相關(guān)需求知識(shí)創(chuàng)新；需求顯化。需求知識(shí)的最初來(lái)源有客戶、領(lǐng)域知識(shí)與軟件團(tuán)隊(duì)內(nèi)部已有的軟件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)、開(kāi)發(fā)技術(shù)、開(kāi)發(fā)模式等相關(guān)知識(shí);在相關(guān)需求知識(shí)的創(chuàng)新階段，主要完成知識(shí)形態(tài)的轉(zhuǎn)化，將供需雙方的知識(shí)加以積聚融合;最后將用戶隱含的需求知識(shí)顯性化以形成客戶真正的需求，這是需求分析過(guò)程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)反饋，最終流向用戶手中，在用戶需求得到確認(rèn)的同時(shí)，軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的需求獲取過(guò)程完成，但并不意味著需求過(guò)程的結(jié)束，需求過(guò)程將隨著軟件項(xiàng)目的每一個(gè)不同的開(kāi)發(fā)階段不斷地信息反饋而逐漸得到更新。

圖1 知識(shí)在需求獲取過(guò)程中的流動(dòng)

2 基于案例推理進(jìn)行軟件需求知識(shí)模型

基于案例推理的思想最早是由R Shanker在1982在《Dynamic Memory》書(shū)中提出的，以后由他的學(xué)生經(jīng)過(guò)多年的工作逐漸發(fā)展起來(lái)。它的核心思想為：在問(wèn)題求解時(shí)，人們可以使用以前對(duì)該類(lèi)問(wèn)題的求解經(jīng)驗(yàn)，即案例，來(lái)進(jìn)行推理。在這種求解問(wèn)題的方法中，人們將過(guò)去對(duì)問(wèn)題的求解案例按一定的組織方式存儲(chǔ)在案例庫(kù)中，當(dāng)用戶輸入待求解的新問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)首先從案例庫(kù)中尋找這種案例或與其近似案例。如果找到的案例與待求解案例的描述完全一致，則將找到的案例中的結(jié)論輸出。否則，根據(jù)對(duì)待求解問(wèn)題的描述，對(duì)檢索出來(lái)的案例進(jìn)行修改，以產(chǎn)生一個(gè)符合問(wèn)題求解要求的解并將其輸出；同時(shí)將這個(gè)問(wèn)題案例作為一個(gè)新的案例再存儲(chǔ)到案例庫(kù)中。因此，在以后求解時(shí)，便可利用案例庫(kù)中已知的案例，而不必每次都從頭開(kāi)始。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生可以從他過(guò)去的治病生涯中總結(jié)大量經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于新遇到的病癥，有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生可以從過(guò)去醫(yī)治過(guò)的相同病癥或類(lèi)似病癥中很快找到新的治療方法。而每次成功的治療又都為將來(lái)積累新的經(jīng)驗(yàn)。

依據(jù)上述對(duì)軟件需求分析過(guò)程中的知識(shí)流動(dòng)分析，這里將基于案例推理(CBR)技術(shù)引入到了需求分析過(guò)程中來(lái)，提出了一個(gè)如圖2所示的基于案例推理進(jìn)行軟件需求知識(shí)模型(CBRDA)。

2.1 CBRDA的定義

定義1針對(duì)圖2模型，本文將基于案例推理進(jìn)行軟件需求分析CBRDA，定義如下：

圖2 基于案例推理進(jìn)行軟件需求知識(shí)模型(CBRDA)

其中，Sset={Ea，Eb}，表示需求分析專(zhuān)家及其擁有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，Ea表示進(jìn)行需求分析的專(zhuān)家，Eb表示其擁有的知識(shí)；Cset={Ci，qi|i=1，2，3，…n}表示客戶 Ci及其知識(shí)需求qi，包括功能需求非功能需求以及領(lǐng)域需求；CASEset表示聯(lián)系Sset和Cset的基于案例推理的系統(tǒng)，它是由案例庫(kù)、基于案例推理活動(dòng)及其對(duì)應(yīng)的規(guī)則組成。CASEset＝{I，F(xiàn)，W，C，T，S}，其中，I＝{I1，I2，…Im}是 1 個(gè)有限集合，表示案例的說(shuō)明信息；F＝{F1，F(xiàn)2，…Fn}是 1 個(gè)有限非空集合，表示案例所具有的各種特征，即特征集；W＝{W1，W2，…Wn}是1個(gè)有限非空集合，表示案例所具有的各種特征的權(quán)值，即權(quán)值集；C＝{C1，C2，…CX}是 1 個(gè)有限非空集合，表示由特征集引起的結(jié)論集；T＝{T1，T2，…Ty}是1個(gè)有限非空集合，表示驗(yàn)證結(jié)論成立與否的檢測(cè)，即測(cè)試集；S＝{S1，S2，…Sz}是 1 個(gè)有限集合，表示結(jié)論集的解決方案。上述多元式提供了求解案例的表達(dá)模型，其中特征集和結(jié)論集可作為求解案例的索引[7]。

2.2 CBRDA中的CASEset工作過(guò)程

在圖2所示的架構(gòu)中，CASEset作為需求分析最關(guān)鍵的部分以及聯(lián)系分析專(zhuān)家和客戶之間關(guān)系紐帶，其工作過(guò)程遵循如下步驟：

(1)根據(jù)客戶知識(shí)需求，以規(guī)范的形式描述出新問(wèn)題案例；

(2)檢索與新問(wèn)題案例類(lèi)似的案例，通過(guò)案例推理和相似度分析，確定最類(lèi)似的案例；

(3)修訂解決方案以使其更加適應(yīng)新問(wèn)題案例；

(4)客戶對(duì)得到的新方案進(jìn)行評(píng)估，判斷是否滿足客戶的需求；

(5)再次審查和評(píng)估修訂后的解決方案，判斷是否有必要保留新問(wèn)題案例；

(6)修改案例庫(kù)中的案例索引和特征權(quán)重。

3 CBRDA中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 案例知識(shí)的表示

在CBRDA中，存在大量支持已有的解決方案的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，這些解決方案對(duì)應(yīng)著諸多源案例，其中就包括求解案例;而在需求分析過(guò)程中，客戶的知識(shí)需求又會(huì)產(chǎn)生諸多問(wèn)題案例。案例表示是CBRDA的基礎(chǔ)，其表示方法直接關(guān)系到推理的效率和準(zhǔn)確度。案例表示涉及求解案例和問(wèn)題案例2個(gè)方面，而準(zhǔn)確和完整地表達(dá)求解案例是CASEset的重要步驟。求解案例和問(wèn)題案例定義如下。

定義2 CBRDA中的問(wèn)題案例是一組反映了客戶知識(shí)需求的約束的集合，表示為 P={Ak，Pk}，k=1，2，…，m，其中，Ak＝{aki|i=1，2，…n}表示第 l個(gè)問(wèn)題案例所包含的特征集，n表示 Al所包含特征的個(gè)數(shù)；Pk={wki，fki}表示與對(duì)應(yīng)特征的結(jié)論。wxi表示特征權(quán)值，其值越大，該特征越重要。

定義3 CBRDA中的求解案例是在滿足問(wèn)題案例需求條件的下通過(guò)知識(shí)檢索所得到的結(jié)果案例，表示為T(mén)={Ak，Pk}，k=1， 2，…，m，其中 ，m 為當(dāng)前案例庫(kù)中的源案例數(shù)；Ak={aki|i=1，2，…n}表示第k個(gè)案例所包含的特征集，n 表示 Ak所包含特征的個(gè)數(shù)；Pk={fki，ski|i=1，2，…n}表示與對(duì)應(yīng)特征的結(jié)論以及解決方案。

求解案例是已經(jīng)存在案例，擁有特定知識(shí)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容描述，每一個(gè)求解案例對(duì)應(yīng)一個(gè)解決方案，而客戶的知識(shí)需求是一些零散的知識(shí)，為了在案例檢索中獲得類(lèi)似案例(求解案例)，則需要在由知識(shí)需求產(chǎn)生的問(wèn)題案例時(shí)，使問(wèn)題案例以一種與求解案例相近的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織。

3.2 案例知識(shí)的檢索

案例檢索的本質(zhì)是問(wèn)題案例與求解案例之間的相似匹配，目前，適用于 CBRs的檢索方法主要有:最近相鄰法、歸納索引法和知識(shí)導(dǎo)引法等。考慮到軟件需求分析的特點(diǎn)，這里將采用最近相鄰法(Nearest neighbor approach)，它是指從案例庫(kù)中找出與當(dāng)前情況距離最近的案例的方法。把問(wèn)題案例與案例庫(kù)中的求解案例進(jìn)行逐索引域的比較，求出案例之間的每個(gè)域的相似度，再根據(jù)以前定義的加權(quán)向量，最終確定求解案例與問(wèn)題案例的相似度，將相似度超過(guò)閾值的案例輸出。該策略既是案例的檢索策略，也是案例的組織策略。案例的相似度是抽取案例各方面的特征值，并確定各特征的權(quán)，通過(guò)計(jì)算問(wèn)題案例和求解案例的加權(quán)距離，來(lái)確定案例相似程度的大小。

設(shè)案例集合(案例庫(kù))C＝{C1，C2，…，Cn}，第 i個(gè)案例的屬性集，，…，，則案例間的相似度為：

其中kj表示第j個(gè)特征的取值范圍。

3.3 案例的改寫(xiě)與案例的存儲(chǔ)

案例的改寫(xiě)表現(xiàn)為案例庫(kù)的學(xué)習(xí)功能，它的主要目的是：通過(guò)適當(dāng)調(diào)整在檢索操作中獲得的求解案例中的解決方案，使之適合于待求解的當(dāng)前問(wèn)題。案例的改寫(xiě)往往與特定的領(lǐng)域密切相關(guān)。改寫(xiě)過(guò)程中所用到的知識(shí)可以包括領(lǐng)域知識(shí)和啟發(fā)式改寫(xiě)規(guī)則。由于系統(tǒng)完全自動(dòng)修訂技術(shù)非常困難，所以在CBRDA中，案例的修訂也采用專(zhuān)家干預(yù)的形式，由系統(tǒng)分析專(zhuān)家根據(jù)用戶知識(shí)需求的具體情況，參照案例的建議，修訂整個(gè)解決方案，改寫(xiě)后的案例是原案例庫(kù)中不存在的案例，當(dāng)將其加入到案例庫(kù)中后，就在原領(lǐng)域中形成了對(duì)問(wèn)題求解能力的擴(kuò)充[8]。

軟件需求分析是軟件生命周期中重要的一步，也是關(guān)鍵的一步。只有通過(guò)軟件需求分析，才能從總體上把軟件功能和性能描述為具體的軟件需求規(guī)格說(shuō)明。基于案例推理的軟件需求分析方法有助于軟件企業(yè)更加深入的挖掘已有的知識(shí)案例，快速、準(zhǔn)確地獲取客戶的需求，從而提高本身的競(jìng)爭(zhēng)力。

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