基于可拓學的自適應軟件形式化方法

范銳，彭銀橋，陳月峰，雷桂斌，劉小輝

(1.廣東海洋大學 軟件學院，廣東 湛江 524088； 2.廣東海洋大學 財務處，廣東 湛江524088)

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基于可拓學的自適應軟件形式化方法

范銳1，彭銀橋1，陳月峰1，雷桂斌1，劉小輝2

(1.廣東海洋大學 軟件學院，廣東 湛江 524088； 2.廣東海洋大學 財務處，廣東 湛江524088)

摘要：可拓學的核心是建立靈活變通地應對不確定變化和靈感涌現的適應性模型。討論引入可拓理論去描述、分析和評價軟件系統的自適應性質、范圍和程度的可能性。用基元描述軟件實體，將軟件系統構造成基元網，利用拓展分析、可拓變換和優度評價等定性與定量相結合的方法揭示了自適應軟件系統的動態性質，并形成了一種自適應軟件形式化方法。

關鍵詞：可拓學；可拓基元；拓展分析；可拓變換；優度評價；形式化方法；自適應軟件

中文引用格式：范銳，彭銀橋，陳月峰，等. 基于可拓學的自適應軟件形式化方法[J]. 智能系統學報， 2015, 10(6): 901-911.

軟件自適應是指為了保證持續、高質量地提供服務，軟件在運行時檢測環境變化和自身狀態，據此對自身行為進行主動調整的活動[1]。自適應軟件能夠評估自身的行為，當評估顯示其自身并非正接近所傾向完成的目標，或其有可能提供更好的功能或性能時，軟件改變自身的行為[2]。文獻[1]對已有的研究和實踐進行綜述給出軟件自適應的概念內涵，概述軟件自適應活動在感知、決策、執行各環節上的特征分類，闡述面向自適應軟件構造、關注程度較高的一系列使能技術，進而在分析典型研究項目現狀的基礎上，給出自適應軟件構造領域的未來主要研究趨勢。文獻[3]從計算機科學視角對許多自適應軟件相關論文的研究分析，總結并指出自適應系統新的觀點、概念、方法和新的挑戰，特別強調了計算機軟件在自適應系統已成為主要元素，也強調了反饋控制技術和人工智能技術對自適應軟件系統的重要性。文獻[4]從移動計算和普適計算的角度總結、評價存在的自適應軟件方法，重點在資源受限器件軟件動態演化的解決方法的分析、評估和進展研究，并提出其發展趨勢和挑戰。文獻[5-9]從自適應需求的原理和概念框架、自適應系統建模和模型演化機制、運行時系統自適應調節機制、社會的角度看軟件的自適應等4個方面分別回答軟件系統為什么需要和如何擁有自適應能力問題。文獻[10-14]分別從不同角度進行了自適應軟件系統模型的研究。可拓學是研究事物的可拓性以及可拓規律與方法，并用以解決矛盾問題的原創性學科。經過30多年的發展，可拓學在基礎理論、形式化方法、行業應用等方面都有長足進展，并逐步發展為可拓學[15-17]。它用形式化方法描述問題的目標和條件，建立核模型，用靈活多變的方法對問題進行拓展分析，用定量與定性結合的可拓變換推導出解決矛盾問題的思路、知識和方法，最終生成創意或創新策略。它用“變不知為知”、“變錯誤為正確”、“變不行為行”、“變不屬于為屬于”的變通思想，創造出了包括基本方法,創意生成方法,可拓數據挖掘方法和可拓思維模式等可拓創新方法體系[17]。可拓學用數學模型來探索人類創新創意規律，并指導開發出能夠拓展智能、激發創新的可拓軟件。應用這種靈活變通地應對不確定變化和靈感涌現的適應性模型來探索自適應軟件形式化建模方法應是一條新的研究路徑。

1相關工作

當前研究自適應軟件最活躍的自適應實體是構件、服務和智能體技術。構件通過對外提供接口實現軟件系統的組裝，服務通過組合構造更大、更松散的構件，智能體通過外界感知、智能推理和行為優化去響應外界的變化和用戶的需求。建立模擬靈活變通智能的軟件模型，包括獨立自治、動態演化的軟件實體以及由它們智能聚合的軟件系統，從來就是軟件學術界和工業界的研究熱點。

基于構件的軟件工程(component-based software engineering)，目的在于借鑒其他制造工業的產品零配件組裝生產方式，通過零配件的分工生產和組裝來大幅度提高生產力，提高滿足不同用戶不同需求的靈活性。軟件構件的內部封裝、接口交互、動態替換等特性極大地提升了軟件系統適應變化的靈活性。目前有許多的構件模型，例如，COM+、EJB、CORBA等。支撐軟件構件集成的軟件體系結構研究是隨著描述大型、復雜系統結構的需要和開發人員及計算機科學家在大型軟件系統的研制過程中對軟件系統理解的逐步深入而發展起來的[18]。業界提出了Darwin、Wright、ACME、A-ADL、XYZ/ADL、Tracer和ABC/ADL等軟件體系結構描述語言，并使用CRAM[19]、Z語言[20]、Pi演算[21-22]、Bigraph[23-26]等形式化方法試圖準確描述軟件體系結構。隨著Internet的普及，網構軟件、網絡式軟件等新的軟件構件實體具有自治開放、動態演化等新的特點[27-30]。但是，軟件構件建模和形式化方法重點關注軟件實體和由它們構造的軟件系統為適應變化如何改變結構且保證行為的一致性，沒考慮軟件與環境或需求不相適應而持續動態演化致使行為不一致需要解決矛盾沖突的智能化變通策略。

面向服務的軟件工程(service-based software engineering),以服務為軟件實體，通過服務重用和快速組合構建隨需應變的松耦合分布式系統[31]。核心是SOA(service oriented architecture),它通過服務注冊把服務提供者和服務請求者聯系起來，形成動態松耦合的分布式系統。Web服務組合技術將平臺獨立、自描述、位置透明的軟件模塊進行組合，快速靈活地滿足復雜多變的業務需求[32]。流行的服務組合語言是BPEL4WS[33]，而組合分析驗證的工作有：文獻[34]借鑒顏色Petri網的語義和面向對象思想，提出WS-Net模型，使驗證更容易。文獻[35]引入基于BPEL4WS的BPE演算。使用PAC工具和CWB-NC工具來建模和驗證Web服務協作。文獻[36]用Pi演算作為服務組合的形式化表示。基于服務的軟件系統構造成為了當前軟件開發的主流。雖然，服務技術克服了構件實體面對多平臺，多協議、多設備的Internet復雜環境，由于緊偶合、細粒度等缺點不能勝任分布式、異構性、非穩定的網絡計算的困難。但是，服務是典型的被動實體，沒有自治、智能特性，當然更沒有靈活變通的解決矛盾問題的可拓智能。

軟件Agent具有的自主性、反應性、能動性、社會性等特點，是解決軟件構件技術不足的新途徑。基于Agent的軟件工程(agent-based software engineering)取得了許多研究成果[37-39]。中國科學院計算技術所智能科學課題組開展包括智能主體、機器學習、神經計算、認知科學以及相關應用研究[40]；國防科技大學開展了面向主體軟件開發研究[41]、基于智能體技術的軟件自適應動態演化機制研究[42]。但是，Agent并沒有成為軟件開發的主流技術，也不能夠構建可拓創新軟件模型。

圍繞研制具有靈活變通的可拓軟件，提出了可拓信息-知識-智能形式化體系，提出了信息的基元表示方法、基于可拓規則的知識表示方法和策略的形式化表示方法，為用計算機進行矛盾問題智能化處理構建了形式化工具[43]。研究者開發了一些獲得發明專利、軟件著作權以及會議展示的可拓軟件[16]，研制了可拓策略生成系統，開發了一批可拓策略生成軟件[44-46]；研制了可拓數據挖掘軟件，開發了可拓挖掘軟件[47]。在可拓設計應用領域，應用可拓理論與方法對概念設計功能、原理、布局、形狀、結構等上游設計知識進行形式化描述，提出一種基于多級菱形思維模型的復雜產品定性和定量相結合的設計方法，為概念設計的形式化和智能化提供了新的途徑[48-50]。研究可拓學與建筑設計的結合問題，將可拓策劃方法應用于景觀設計和建筑設計創新與可拓思維模式，進行了可拓建筑策劃與設計的系統研究[51-52]。研究智能知識管理,構建了企業自主創新的可拓創新模型[53-54]。從軟件構造角度就可拓策略生成系統的實現進行了研究。結合本體和Agent建立不相容問題的策略生成、利用轉換橋建立化對立為共存的策略生成，基于可拓集的可拓數據挖掘、利用傳導推理建立矛盾問題的轉化等一批可拓創新智能化方法取得了進展[55]。研究者利用知網增強策略生成[56]、用認知概念構建可拓變換結構[57]、研究過程基因基元化方法[58]、基于可拓方法構建社會網絡[59]等，從不同角度為可拓軟件模型構建提供了新的思路。

可拓學的目標是探索人類創新創意規律，并構建數學模型來指導開發拓展智能、激發創新的可拓軟件。該文嘗試把可拓學理論應用于自適應軟件形式化建模中，從把自適應軟件構造成基元網出發，利用可拓基元的拓展分析方法和共軛分析方法，分析自適應軟件實體及他們之間關系的動態變化，利用可拓變換去探討他們的動態演化性質、趨勢和程度，并利用優度評價方法評價軟件的自適應能力。通過這種新的理論與方法，可以用定性與定量相結合的方法描述、分析、演化和評估自適應軟件，為形式化建模提供一種新的方法。

2自適應軟件的可拓形式化方法

自適應軟件系統可以看作一組已經或有可能(直接或間接)連接的“點”(軟件實體)，以及“點”之間的關系構成的集合。將自適應系統中各部分(“點”)的特征與相互之間的關系(“連接”)用網絡的形式表示出來，然后分析其特征和關系以及按需演化的理論方法就是自適應軟件形式化方法。引入可拓理論來研究和構建自適應軟件形式化模型，首先用基元表示自適應軟件系統的各層次軟件實體，建立基元網描述各層次軟件實體間的關系；再用可拓拓展推理去擴展、挖掘和推導出各層次軟件實體以及它們之間關系的豐富語義；用可拓變換去分析、演算和評估軟件實體演化對自身、對相關軟件實體、對構成網絡的變化、趨勢和程度；用關聯函數定量計算軟件實體演化的趨勢和程度以及對環境的影響趨勢和程度；最后，結合豐富多樣的創新創意方法去解決環境變化或用戶需求變化導致軟件系統不相適應的矛盾，生成應對變化的策略，通過最優評估，選出最佳策略執行，實現軟件系統的動態演化。

2.1智能服務構件要素基元化

用智能服務構件作為自適應軟件實例來說明可拓形式化方法[60]。

把智能服務構件內部各層次軟件實體以及它們的關系用圖1表示。然后用可拓基元B表示智能服務構件內部是由ID、接口I、控制C、事件E、目標G、規劃P、知識庫K、服務S等軟件實體組成。基于對其組成元素自適應性質進行分析、變換和評價的需要，進一步細化了接口基元I、控制基元C、事件基元E、目標基元G、規劃基元P、知識庫基元K和服務基元S等的內部結構。

用可拓基元(事物，屬性，屬性值)三元組可以把事物的質和量有機地結合起來去豐富其語義。通過對基元反復細化，能夠實現從分析到設計全過程形式化表示、分析、變換和控制。

圖1　智能服務構件(ISC)內部元素關系圖Fig.1　Intelligent service component relation

2.2智能服務構件基元網及語義分析

2.2.1靜態語義分析

圖2　智能服務構件基元網Fig.2　Intelligent service component basic-elements network

2.2.2動態語義分析

為了描述動態關系，引入事元Ax，下標x來表示動作名或功能名，其他屬性有方法、工具、時間、地點、程度等根據需要進行取舍。用BiAxBj表示基元Bi施加動作或功能x給基元Bj。B1A1B2A2B3…Bi-1Ai-1Bn表示一系列基元Bi依次施加一系列動作或功能給Bi+1。另外，引入算子·、|、+等分別表示后續、并行和選擇等語義。

動態語義說明如下：

1)解釋器C3控制知識庫管理器C1初始化知識庫K，C1讀取領域本體K3、領域規則K1和領域應用K4的相關知識并寫入到信念庫K2，完成初始化任務。其可拓語義是：

2)環境Env產生變化事件E通過接口I3輸入到事件隊列E。其可拓語義是：

3)解釋器C3控制事件管理器C2按優先級讀取事件隊列E的首個事件e，按照構件的當前認知K2，采用菱形思維推理，轉化為響應該事件的目標G。其可拓語義是：

4)解釋器C3控制目標管理C4讀取目標庫G，按照構件的當前認知，采用菱形思維推理，分解目標為子目標SGi構成的目標樹。目標分解與分派也可能產生內部消息E。其可拓語義是：

5)解釋器C3控制服務管理器C5讀取目標樹，按照構件的當前認知，發現、聚集服務Si去實現目標樹的每一個葉子目標。服務動態聚集也可能產生內部消息E。其可拓語義是：

6)解釋器C3控制規劃管理器C6讀取聚集的服務集合Si，按照每一個葉子目標實現的先后順序組成規劃序列Pi，封裝到規劃庫P中。規劃動態排序也可能產生內部消息E。其可拓描述語義是：

7)解釋器C3控制執行器C7讀取規劃庫P，按照規劃序列執行Pi。其可拓語義是：

8)執行規劃P通過輸出接口I4去影響環境Env，環境Env將產生新的變化事件E通過輸入接口I3進入消息隊列E。其可拓語義是：

9)解釋器C3重新執行3。

如此反復，形成感知監控-目標分解-服務聚集-規劃封裝-規劃執行自適應循環鏈。

2.3利用拓展分析研究自適應目標分解與服務聚集機制

由于自適應軟件是由自適應軟件實體構成的，可以利用對自適應軟件實體的拓展分析研究自適應軟件的演化。以上述基元網表示的自適應軟件實體為例，利用相關分析構成基元相關網，利用發散分析構成基元發散網，利用蘊含分析構成基元的蘊含網，利用可擴分析構成基元可擴網。

例如，服務實體都具有同一個特征元(服務提供接口，Si)，根據“一征多物”的發散分析，由基元Si=(Services,Pro-Service,PS)可以得到一個表達“提供相同服務”的發散網：

S=(Service,Pro-Service,S2)-|

Si=(Servicei,Pro-Service,S2),i=1,2,…,n

再如，服務實體與服務接口之間存在聯接相關性，構成基元相關網：Si~Ij,i,j=1,2,…,n。

自適應智能服務構件的目標分解可以構成基元蘊含網，葉目標與實現葉目標的服務之間也可以構成基元蘊含網。蘊含樹表達了目標和服務之間的蘊含關系,實現目標有3種服務類型：組合服務(Com-Service)、提供服務(Pro-Service)和請求服務(Req-Service)。圖3表示目標分解及服務實現的蘊含網。

圖3的目標Goal分解成若干子目標SGi，用菱形推理優化子目標SGi，然后發布到目標庫G。服務容器S中的可提供服務PS主動聚集實現子目標SGi，不能實現的某些子目標SGi，向外發布請求服務RS，發現并調用其他智能服務構件ISC提供的相關服務Si。其可拓語義是：

由于自適應軟件實體基元的可拓展性，導致由自適應軟件實體構成的自適應軟件基元網也具有可拓展性。將拓展分析得到的各個基元的發散網、相關網和蘊涵網替換圖2的智能服務構件基元網中的基元節點，就得到了自適應軟件網絡的可拓展性以及更豐富的可替換、可分解、可精化的更豐富知識。

2.4 可拓變換對智能構件動態適應的作用制

任何一個自適應軟件網絡都會隨時間的變化而變化，因而，自適應軟件是一個動態網絡。利用動態基元網表示自適應軟件，更便于通過可拓變換對動態自適應軟件進行分析和研究。

變換對自適應軟件的影響也不容小視，也必須研究實施變換后自適應軟件會如何變化。不同的變換，會導致自適應軟件發生不同的傳導變換，其連接方式、網絡密度、網絡集中度、甚至相互性和傳遞性都會發生改變。因此，必須研究變換對自適應軟件的作用規律，才能更好地研究自適應軟件結構。可拓變換理論與方法為研究變換對自適應軟件的作用提供了工具。可拓變換包括基本變換、變換的運算、傳導變換、共軛變換、復合變換等等，詳情可以參閱文獻[18]。

例如，對圖3所示的基元網，如果有新的用戶需求，智能服務構件感知新的事件，然后產生新的目標，經分解會產生新的子目標和葉子目標，為實現新的葉子目標，必須重新查找新的服務。例如，要增加一個新的子目標(new sub-goal)和新的服務(new service)。圖3的結構變化如圖4。即，對Goal實施某變換T, 得到新的目標Goal’。

圖4表達的是子目標(SubGoaln)增加了一個新的子目標(New SubGoal)，要實現新目標，必須查找一個新的請求服務(New Req-Service)。其可拓語義是：

TGoal=Goal'=

可以看到，用戶需求或環境的變化(TEvn)，導致新的事件產生(TEvent)，推導出新的目標(TGoal)，分解出新的子目標(TSG)，查找并聚集新的服務(TService)，實現新的規劃(TPlan)，觸發新的執行(TAtion)，最后，進一步影響環境(TEvn)。智能服務構件的動態演化可以用可拓傳遞變換來表示：

TEnv→TEvent→TGoal→TSG→TService→TPlan→TAction→TEnv

這個傳遞變換刻畫了自適應軟件監控-分析-規劃-執行(MAPE)循環。

圖4　變換后的目標分解及服務實現Fig.4　Change of goal tree & services implement

2.5 對自適應軟件的評價

在可拓學中，可以用關聯度表示研究對象具有某種性質的程度，包括初等關聯函數、簡單關聯函數、離散關聯函數等形式。

例如，離散關聯函數根據等級分類等應用，可以設定一些離散值a1,a2…,ak,0,b1,b2,…bl來計算。

要評價智能服務構件或智能服務系統響應環境變化的自適應能力，核心是要判斷能提供實現n個葉子目標的服務個數m=l+r，l為智能服務構件服務容器能提供的本地服務，r為其他智能服務構件能提供的遠程服務，有離散關聯函數公式：

其可拓語義是：當能夠提供實現葉子目標的本地服務非常多時，關聯函數值為1；當能夠提供實現葉子目標的本地服務較多時，關聯函數值為0.75；當能夠提供實現葉子目標的本地服務相等時，關聯函數值為0.5；當能夠提供實現葉子目標的本地服務少于葉子目標數n，但發現的遠程服務r與本地服務l之和大于n時，關聯函數值為2.5；當能夠提供實現葉子目標的本地服務為0，且遠程服務r等于n時，關聯函數值為0；當能夠提供實現葉子目標的本地服務為0，且遠程服務r小于等于n時，關聯函數值為-0.5；當能夠提供實現葉子目標的本地服務為0，且遠程服務r非常少時，關聯函數值為-1。

顯然,關聯函數值越高,其自適應能力越高。只有通過發現服務變換r，下載服務變換r→l等等來提高關聯函數值。即通過可拓變換TfindS、TdownloadS來提高軟件的自適應能力。

針對不同的評價特征，可以選擇不同的關聯函數。對于多評價特征的情況，還可建立綜合關聯度，用于綜合評價研究對象的優劣。將其應用于自適應軟件研究，可以作為自適應軟件中的成員“聚類”或“分類”的衡量指標之一，對自適應軟件進行綜合評價。詳細方法請參考文獻[16]。

5結束語

引入可拓學理論，本文研究了自適應軟件的基元網方法，利用拓展分析豐富自適應軟件系統的演化知識，探討了可拓變換對軟件實體、軟件系統以及環境自適應機制的描述、分析和影響程度、趨勢等等，用關聯函數給出了自適應軟件的定量評價方法。基于可拓學的自適應軟件形式化方法，充分考慮自適應軟件中各級個體成員的演化對軟件系統演化的影響，為研究動態自適應軟件系統提供定性與定量相結合的方法。

進一步的工作是通過可拓形式化方法與其他形式化方法的兼容性研究，拓寬可拓形式化方法的應用范圍并研制出驗證支撐工具。

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彭銀橋，男，1969年生，副教授，博士。主要研究方向為軟件工程、可拓工程、信息安全、電子信息材料與器件，傳感技術等。主持廣東海洋大學啟動基金項目1項，廣東海洋大學自然基金項目2項。發表學術論文20余篇，其中被SCI檢索2篇，被EI、ISTP檢索6篇。

陳月峰，女，1971年生，副教授。主要研究方向為軟件工程，人工智能，可拓工程。參加省級、校級科研和教改項目3項，發表學術論文10篇，其中被SCI、EI、ISTP檢索4篇。

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.tp.20151110.1354.022.html

英文引用格式：FAN Rui， PENG Yinqiao， CHEN Yuefeng， et al. A method for self-adaptive software formal modeling by Extenics[J]. CAAI Transactions on Intelligent Systems, 2015, 10(6): 901-911.

A method for self-adaptive software formal modeling by Extenics

FAN Rui1， PENG Yinqiao1， CHEN Yuefeng1， LEI Guibin1， LIU Xiaohui2

(1. Software School, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China;2. Finance Department, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)

Abstract：The core of extenics is to set up adaptability mathematic model which can flexibly cope with uncertain change and inspiration springing up. The feasibility of introducing the theory of Extenics to describe, analyze and evaluate the self-adaptive nature, scope and extent about the software system was discussed. First, the basic-element description software entities were used to construct the software system into basic-element net, then the dynamic nature of self-adaptive software system was revealed by combining the qualitative and quantitative methods of extension analysis, extension transformation, and superiority evaluation, etc., initially establishing a formal method of self-adaptive software.

Keywords：Extenics; basic-element; extension analysis; extension transformation; superiority evaluation; formal method; self-adaptive software

作者簡介：

通信作者：范銳. E-mail：fanrui@gdou.edu.cn.

基金項目：廣東省科技計劃資助項目(2014A040402010).

收稿日期：2015-07-28. 網絡出版日期：2015-11-10.

中圖分類號：TP311

文獻標志碼：A

文章編號：1673-4785(2015)06-0901-11

DOI:10.11992/tis.201507043