面向軍用軟件的COCOMOII改進(jìn)模型研究*

郭 薇 李 想 曾 斌

(1.軍事經(jīng)濟(jì)學(xué)院研究生管理大隊(duì)3隊(duì) 武漢 43035)(2.海軍工程大學(xué)管理工程系 武漢 430033)

面向軍用軟件的COCOMOII改進(jìn)模型研究*

郭 薇1李 想1曾 斌2

(1.軍事經(jīng)濟(jì)學(xué)院研究生管理大隊(duì)3隊(duì) 武漢 43035)(2.海軍工程大學(xué)管理工程系 武漢 430033)

為了適應(yīng)軍用軟件研制過程中軟件需求和開發(fā)環(huán)境等因素的動(dòng)態(tài)變化,在COCOMOII模型中加入時(shí)間影響因素,并應(yīng)用專家判斷技術(shù)和Delphi法對(duì)COCOMOII模型進(jìn)行分解,對(duì)影響因子間的因果關(guān)系做定性定量分析,設(shè)計(jì)了模型校準(zhǔn)程序來反映軍用軟件需求漸變的特性。通過在某典型軟件項(xiàng)目中的應(yīng)用,證明改進(jìn)后的COCOMOII模型對(duì)軍用軟件開發(fā)成本的預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確,能夠?yàn)檐娪密浖?xiàng)目管理和計(jì)劃制定提供較為全面的決策支持。

軟件估算; 軍用軟件; 構(gòu)造性成本模型

Class Number TP311

1 引言

由于高可靠性和高安全性要求,相比一般商用軟件,軍用軟件的開發(fā)周期較長,隨著研制進(jìn)程的推進(jìn),軟件需求和開發(fā)人員等因素都會(huì)發(fā)生變化,成本的估算成為困擾軍方和供方的難題[1]。軟件項(xiàng)目工作量估算的失真,導(dǎo)致軟件開發(fā)周期延長、成本上升,使項(xiàng)目管理失效、開發(fā)者受損、部隊(duì)不能如期得到合同規(guī)定的產(chǎn)品,最終可能導(dǎo)致項(xiàng)目失敗。

軟件開發(fā)項(xiàng)目的情況各不相同,有著各自不同的管理結(jié)構(gòu)、開發(fā)人員和工作環(huán)境。因此,簡單地套用模型進(jìn)行估算所得到的成本并不可靠,在項(xiàng)目完成后實(shí)際成本與估算數(shù)值將存在較大的差異。COCOMOII作為可校準(zhǔn)估算模型,允許模型使用者用更符合本項(xiàng)目的歷史數(shù)據(jù)集,重新校準(zhǔn)模型的參數(shù)與定義,因此,本文選用COCOMOII作為估算基礎(chǔ)模型。雖然文獻(xiàn)[2]對(duì)針對(duì)軟件成本估算中影響因素較多且存在多重相關(guān)性的特點(diǎn),提出一種基于加權(quán)偏最小二乘回歸(PLSR)的軟件成本估算方法,文獻(xiàn)[3]通過對(duì)相對(duì)經(jīng)濟(jì)指數(shù)、軟件成本驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行細(xì)化和量化,提出改進(jìn)COCOMOⅡ模型的方法,文獻(xiàn)[4]以COCOMO81模型為基礎(chǔ),分別度量模型本身估算值與實(shí)際值差距的不確定性,并在此基礎(chǔ)上給出預(yù)測(cè)區(qū)間,但目前國內(nèi)還是缺少針對(duì)軍用軟件成本的估算模型。

當(dāng)前COCOMOII僅是一個(gè)靜態(tài)估算模型,它假設(shè)項(xiàng)目的開發(fā)環(huán)境是靜止不變的,通過固定的成本驅(qū)動(dòng)因子和項(xiàng)目規(guī)模,估算出項(xiàng)目所需成本,這就要求項(xiàng)目在需求分析階段有良好的管理和穩(wěn)定可靠的需求[5～6]。然而調(diào)查發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在許多軍用軟件的開發(fā)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,用戶對(duì)于項(xiàng)目的需求存在變化和調(diào)整,項(xiàng)目開發(fā)人員的情況也在發(fā)生變化[7]。例如,軟件項(xiàng)目管理的欠缺、開發(fā)人員的調(diào)動(dòng)、開發(fā)隊(duì)伍的積極性可能降低、分析員的能力隨著經(jīng)驗(yàn)的累積不斷提升等。尤其是大規(guī)模的軍用軟件,在漫長的開發(fā)過程中,用戶需求和項(xiàng)目人員都在不斷地發(fā)生變化,我們需要分析在動(dòng)態(tài)環(huán)境條件下成本驅(qū)動(dòng)因子對(duì)軟件成本的影響,進(jìn)行更為準(zhǔn)確的成本估算。

2 COCOMII模型的改進(jìn)思路

動(dòng)態(tài)的大規(guī)模軍用軟件項(xiàng)目開發(fā)過程意味著:隨著項(xiàng)目環(huán)境的變化,所需估算的工作量和進(jìn)度是動(dòng)態(tài)變更的。為此我們?cè)谠瑿OCOMOII模型中加入了時(shí)間變化的影響,圖1展示了引入了動(dòng)態(tài)時(shí)間變量的COCOMOII改進(jìn)模型。

圖1 加入時(shí)間變化的COCOMOII模型

如圖1所示,為了將離散過程連續(xù)化,我們將開發(fā)的時(shí)間量化為足夠小的時(shí)間段,以便能夠隨時(shí)間的變化分析項(xiàng)目工作量和進(jìn)度的變化。我們的主要思路:假設(shè)在單位時(shí)間段內(nèi),軟件開發(fā)的需求目標(biāo)和開發(fā)人員情況是固定不變的。隨著時(shí)間段的推進(jìn),當(dāng)開發(fā)環(huán)境和管理決策發(fā)生變化時(shí),每個(gè)項(xiàng)目階段的目標(biāo)函數(shù)、規(guī)模和驅(qū)動(dòng)因子也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,變化的成本因子對(duì)項(xiàng)目的成本產(chǎn)生影響,估算模型再次輸入更新的因子量進(jìn)行估算。這樣,估算結(jié)果體現(xiàn)出軍用軟件項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)過程,為項(xiàng)目管理者提供了權(quán)衡分析的框架。

COCOMOII模型估算軟件成本時(shí)由一系列輸入因子(規(guī)模、成本驅(qū)動(dòng)因子、比例因子)導(dǎo)出人力費(fèi)用,此人力費(fèi)用涵蓋整個(gè)項(xiàng)目開發(fā)生命周期的工作量(PM)和進(jìn)度(Schedule)[8],我們將項(xiàng)目開發(fā)的全部工作量和進(jìn)度分解到軟件開發(fā)周期的各階段中,對(duì)開發(fā)過程做動(dòng)態(tài)分解。圖2體現(xiàn)了COCOMOII的動(dòng)態(tài)分解過程。

圖2 COCOMOII的動(dòng)態(tài)分解過程

設(shè)定項(xiàng)目開發(fā)所需的平均人員數(shù)為N,每個(gè)階段的工作率M指單位時(shí)間(天)參與到開發(fā)過程的人數(shù);各階段的生產(chǎn)率P指項(xiàng)目總規(guī)模(Size)與所完成的有效工作量(Effort)的比值。開發(fā)率D為單位時(shí)間(天)所需完成的項(xiàng)目規(guī)模。圖中的工作率、生產(chǎn)率和開發(fā)率的關(guān)系如式(1)所示:

M=N×Effort(%)/Schedule(%)

P=Size/(PM×Effort(%))

D=M×P

(1)

舉例說明,假設(shè)開發(fā)所需的平均人員數(shù)為84,在需求分析階段,工作量占總工作量的7%,工作進(jìn)度占總進(jìn)度的24%,那么在需求分析階段參與開發(fā)的人數(shù)為84×7%/24%=24.5。

3 改進(jìn)模型的設(shè)計(jì)

由于各種原因很難獲取能夠反映開發(fā)過程動(dòng)態(tài)變化的歷史項(xiàng)目數(shù)據(jù),為此我們主要依靠軍用軟件領(lǐng)域的專家學(xué)者和開發(fā)人員的經(jīng)驗(yàn),對(duì)軟件特征和成本驅(qū)動(dòng)因子的變化進(jìn)行分析。

1) 定性分析

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),大型軍用軟件項(xiàng)目在需求分析階段后,隨著項(xiàng)目進(jìn)程的推進(jìn),需求還會(huì)不斷增加,但變動(dòng)幅度不是很大,本文稱之為漸增需求。由于需求的漸增變化,很多大型軍用軟件開發(fā)人員的生產(chǎn)率到達(dá)一定高度后會(huì)驟然降低。其主要原因?yàn)殡S著需求的增多,開發(fā)人員的積極性會(huì)逐漸低迷,導(dǎo)致開發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)生變化,部分原有人員可能離開團(tuán)隊(duì),缺乏經(jīng)驗(yàn)的新人加入項(xiàng)目開發(fā),人員間(包括設(shè)計(jì)人員、編程人員、項(xiàng)目主管、用戶)的摩擦沖突也會(huì)變多,這些因素都會(huì)引起生產(chǎn)率降低,開發(fā)進(jìn)度緩慢[9]。開發(fā)率的降低最終導(dǎo)致了軟件開發(fā)周期延長、成本上升。這些變化的因素間是互相關(guān)聯(lián)的,圖3反映了這一連帶關(guān)系的變化過程。

圖3 漸增需求影響的因果分析

圖3中的箭頭指出引起變化的方向和性質(zhì)。比如,箭頭從漸增需求指向工作規(guī)模,性質(zhì)為“+”,表明需求的增加使工作規(guī)模加大。另一方面,箭頭從人員經(jīng)驗(yàn)指向工作量,性質(zhì)為“-”,表示人員經(jīng)驗(yàn)的增加減少工作量。

由圖3可知,技術(shù)的改變、組織的變更和對(duì)系統(tǒng)理解的逐漸深入會(huì)改變部隊(duì)用戶的需求,這些變更導(dǎo)致管理機(jī)構(gòu)的需求發(fā)生變化。從開發(fā)者的角度看,漸增需求增大了工作規(guī)模,同時(shí)引起設(shè)計(jì)者、管理者、開發(fā)者和用戶之間產(chǎn)生摩擦沖突,摩擦沖突將削弱團(tuán)隊(duì)積極性。團(tuán)隊(duì)積極性對(duì)人員持續(xù)力和人員能力水平有一定的影響,積極性高漲時(shí)人員持續(xù)力增加、能力水平增強(qiáng),持續(xù)力的增強(qiáng)使得人員經(jīng)驗(yàn)水平加大工作量減小。另一方面,漸變需求增大了工作規(guī)模,當(dāng)項(xiàng)目的開發(fā)需求不斷變更時(shí),管理者將壓力施加給開發(fā)人員,給他們更重的工作任務(wù)甚至是超負(fù)荷勞動(dòng),從而產(chǎn)生工作延期、勞動(dòng)強(qiáng)度增大、軟件質(zhì)量下降,這些因素的變化最終影響項(xiàng)目的總體進(jìn)度和工作量。

圖3所示的影響因素主要屬于人員的心理因素范圍。比如,需求的變更引發(fā)團(tuán)隊(duì)積極性降低,從而導(dǎo)致人員連續(xù)性(PCON)的下降,原有人員的離開會(huì)使沒有經(jīng)驗(yàn)的新人代替有經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)行軟件開發(fā),這樣人員因子將受到影響[10],包括:程序員能力(PCAP)、分析員能力(ACAP)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)(APEX)、語言和工具經(jīng)驗(yàn)(LTEX)、平臺(tái)經(jīng)驗(yàn)(PLEX)。

2) 定量分析

這些因子的變化對(duì)項(xiàng)目的開發(fā)有著顯著的影響,盡管上文對(duì)漸變需求的影響做了定性分析,并對(duì)重要的影響因素之間的關(guān)系做了闡述,但因子本身的變化率卻很難量化。由于缺乏歷史數(shù)據(jù)作支撐,我們首先設(shè)計(jì)了一個(gè)典型的軍用軟件開發(fā)項(xiàng)目,具體屬性見表1和表2。以該項(xiàng)目為背景,對(duì)專家學(xué)者和開發(fā)人員(從事軍用軟件開發(fā)8年以上)進(jìn)行調(diào)研,運(yùn)用Delphi法收集信息,給模型中相關(guān)因子的影響率賦值。

表1 軍用軟件開發(fā)項(xiàng)目因子等級(jí)

表1中L為低;N為標(biāo)稱;H為高;VH為非常高。

表2 軍用軟件開發(fā)項(xiàng)目

表2中的平均需求漸增量為10%,項(xiàng)目規(guī)模從0%～100%,分析階段占總規(guī)模的20%。

由圖3已知,漸增需求加大了項(xiàng)目人員間的摩擦和工作規(guī)模,而摩擦和規(guī)模的變化最終增大了開發(fā)工作量。由前文定性分析中可知,團(tuán)隊(duì)積極性影響人員連續(xù)性和個(gè)人能力以及程序員能力和分析員能力。

根據(jù)調(diào)研,本文設(shè)置人員連續(xù)性的標(biāo)稱等級(jí)為12%,此等級(jí)對(duì)應(yīng)的積極性等級(jí)為1.0(積極性高漲),此時(shí)個(gè)人能力水平(分析、設(shè)計(jì)、編程、效率、溝通、合作能力)為55%,隨著積極性的減退,個(gè)人能力逐漸下降。這樣調(diào)整后的等級(jí)等于初始等級(jí)(Intial_Level)減去影響等級(jí)(Impact_on_Level)。

舉例說明,當(dāng)積極性降至0.6時(shí),調(diào)動(dòng)率增長至14%/年,人員連續(xù)性等級(jí)調(diào)整為3.0-0.17=2.83,因此,人員連續(xù)性工作量乘數(shù)變?yōu)?.83-0.81=2.02。

工作規(guī)模的變化對(duì)開發(fā)工作量和開發(fā)進(jìn)度的影響主要從兩個(gè)項(xiàng)目因子進(jìn)行定量分析,分別為工作延期和勞動(dòng)強(qiáng)度,它們引起工作量的增加以及進(jìn)度的減緩。COCOMO模型通過確定的工作規(guī)模和需求目標(biāo)來估算完成項(xiàng)目所需的工作量和進(jìn)度。然而,在資源短缺和其他相關(guān)問題出現(xiàn)時(shí),需求逐漸增加,開發(fā)組織可能無法達(dá)到最終目標(biāo)。因此,需要一個(gè)模型校準(zhǔn)程序來反映漸增需求的特性。

調(diào)整程序的步驟概括如下:

第一步,根據(jù)專家評(píng)估的結(jié)果,研究開發(fā)者勞動(dòng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。分析發(fā)現(xiàn),工作規(guī)模的變化與開發(fā)者的勞動(dòng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)并不大,但開發(fā)人員會(huì)因工作量的增大越來越疲勞,到達(dá)一定程度時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度會(huì)驟然下降。調(diào)整后的生產(chǎn)率計(jì)算公式見式(2)和式(3),其中生產(chǎn)率調(diào)整量(PA)是指開發(fā)人員在勞動(dòng)強(qiáng)度(WorkIntensity)的壓力下增大或減小的生產(chǎn)率。調(diào)整后的生產(chǎn)率(AP)為常態(tài)生產(chǎn)率(NP)與生產(chǎn)率調(diào)整量之和。計(jì)算公式如下:

PA=NP×WorkIntensity

(2)

AP=NP+PA

(3)

第二步,根據(jù)專家估算的結(jié)果,研究工作延期的發(fā)展趨勢(shì)。表3為通過Dephi法得到的量化表。

表3 工作延期的發(fā)展趨勢(shì)

由表3可知,當(dāng)漸增需求增加10%,工作率比預(yù)期的遲緩7%;當(dāng)漸增需求增加到20%,工作率延期急劇上升三倍,到達(dá)21%。調(diào)整后的工作率(AMR)計(jì)算公式如下,式中NR為正常情況下的工作率,MD為工作延期。

AMR=NR(1-MD)

(4)

4 改進(jìn)模型的驗(yàn)證

首先,驗(yàn)證改進(jìn)的模型是否能對(duì)軍用軟件開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行估算。基于前面設(shè)定的軍用軟件開發(fā)項(xiàng)目(見表1和表2),假設(shè)工作量增長7%,進(jìn)度增長24%,使用COCOMOII和本文改進(jìn)的模型對(duì)項(xiàng)目規(guī)模和工作量進(jìn)行估算比較,結(jié)果如表4所示。

改進(jìn)的模型在不考慮漸增需求的情況下,估算的開發(fā)工作量為4995.2;COCOMOII使用REVL因子,估算由需求演進(jìn)和易變性而引起的產(chǎn)品有效規(guī)模為4994.8;開發(fā)進(jìn)度比較亦是如此。結(jié)果表明,改進(jìn)模型估算靜態(tài)環(huán)境下的工作量和開發(fā)進(jìn)度與COCOMOII基本一致,改進(jìn)的模型確定可用。

圖4 改進(jìn)模型下工作量和 進(jìn)度隨需求變化的增長情況

然后驗(yàn)證改進(jìn)的模型用于動(dòng)態(tài)環(huán)境下開發(fā)項(xiàng)目的估算,結(jié)果是否合理。根據(jù)軍用軟件開發(fā)領(lǐng)域的專家對(duì)漸增需求帶來的因子變化率的賦值,使用改進(jìn)模型估算項(xiàng)目工作量和進(jìn)度。隨需求的逐漸增加,工作量和規(guī)模與靜態(tài)環(huán)境下所估算的數(shù)值相比,呈倍數(shù)逐漸增多。工作量和規(guī)模隨漸增需求的增長趨勢(shì)如圖4所示。

5 結(jié)語

COCOMOII模型基本參數(shù)的校準(zhǔn),有利于提高COCOMOII模型的使用精度。校準(zhǔn)的基本參數(shù)能為軍用軟件成本估算提供重要的參考依據(jù),為采購方采購或外包軟件的決策提供重要的參考依據(jù)。同時(shí),應(yīng)用專家判斷技術(shù)和Delphi法改進(jìn)模型,將靜態(tài)的估算進(jìn)行動(dòng)態(tài)分解,對(duì)影響因子間的因果關(guān)系做定性定量分析,使改進(jìn)的模型能更準(zhǔn)確地估算動(dòng)態(tài)環(huán)境下的項(xiàng)目開發(fā)過程。

對(duì)于軍用軟件開發(fā)組織而言,在缺少模型校準(zhǔn)數(shù)據(jù)時(shí),本估算模型可提供參考的模型參數(shù),而且能幫助組織識(shí)別自身的成本優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì),從而發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的機(jī)會(huì)。通過本模型的應(yīng)用和推廣,可以在實(shí)踐中逐步研究并建立一套與本模型一致的軟件項(xiàng)目數(shù)據(jù)收集規(guī)范,方便日后項(xiàng)目數(shù)據(jù)的收集和評(píng)價(jià)。

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Improved COCOMOII Model for Military Software

GUO Wei1LI Xiang1ZENG Bin2

(1. School of Graduate, College of Military Economics, Wuhan 430035) (2. Department of Management Engineer, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

In order to adapt to the dynamic changes of military software requirement and development environment, firstly the impact of period is added into the COCOMOII model. Secondly the relationship of driver factors is analyzed by expert judgment and Delphi method, which results in the refinement of COCOMOII model. Furthermore a calibration procedure is designed to reflect the evolution of software requirement. By applying the improved model to a military project, we can show that it can provide more accurate cost estimation and more comprehensive decision support to project management and plans.

software estimation, military software, COCOMOII

2013年7月2日,

2013年8月10日

郭薇,女,碩士研究生,研究方向:軍用軟件成本估算。李想,女,碩士研究生,研究方向:裝備采購。曾斌,男,副教授,研究方向:裝備保障及信息管理。

TP311

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.030