基于BP模型的電力信息系統(tǒng)非功能需求適用性評(píng)價(jià)

國網(wǎng)江蘇省電力公司信息通信分公司 曾 锃

安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司 杜 林

國網(wǎng)江蘇省電力公司信息通信分公司 張 利

基于BP模型的電力信息系統(tǒng)非功能需求適用性評(píng)價(jià)

國網(wǎng)江蘇省電力公司信息通信分公司 曾 锃

安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司 杜 林

國網(wǎng)江蘇省電力公司信息通信分公司 張 利

信息系統(tǒng)開發(fā)中的非功能需求比功能需求更關(guān)鍵。系統(tǒng)的一個(gè)功能需求不能實(shí)現(xiàn)，至多降低了系統(tǒng)的可用性。系統(tǒng)的一個(gè)非功能需求沒有滿足，就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法使用。本文針對電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合FURPS+模型，構(gòu)建了電力系統(tǒng)非功能需求評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算了該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的適用性,為電力信息系統(tǒng)非功能需求管理提供參考依據(jù)。

電力信息系統(tǒng)；非功能需求；指標(biāo)體系；BP模型；適用性評(píng)價(jià)

1.引言

信息系統(tǒng)需求分為功能性需求和非功能性需求。功能性需求是信息系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的基本操作能力，用戶可以向開發(fā)人員提出具體的實(shí)現(xiàn)要求，是具體而明確要求系統(tǒng)能夠完成規(guī)定的操作。非功能性需求與功能性需求相對應(yīng)，有時(shí)也稱為信息系統(tǒng)的“品質(zhì)”、“限制”或“質(zhì)量屬性”等。

非功能需求指對系統(tǒng)提供的服務(wù)或功能的開發(fā)時(shí)間、開發(fā)過程、開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)約束等，非功能需求主要體現(xiàn)在可用性、可靠性、安全性及可移植性四個(gè)方面。信息系統(tǒng)開發(fā)中的非功能需求比功能需求更關(guān)鍵。系統(tǒng)的一個(gè)功能需求不能實(shí)現(xiàn)，至多降低了系統(tǒng)的可用性。系統(tǒng)的一個(gè)非功能需求沒有滿足，就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法使用。軟件開發(fā)領(lǐng)域近年來雖然產(chǎn)生了很多非功能需求的處理方法，但由于缺乏必要的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)手段。往往因?yàn)槟：男枨蟊硎荆斐尚枨髢?yōu)化失誤。本文針對電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合FURPS+模型，構(gòu)建了電力系統(tǒng)非功能需求評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算了該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的適用性。為電力信息系統(tǒng)非功能需求管理提供參考依據(jù)。

2.電力信息系統(tǒng)非功能需求評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 非功能性需求的主要內(nèi)容

由于非功能性需求難以刻畫，目前，國內(nèi)外并沒有明確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，大都FURPS+ 模型和 ISO9126 質(zhì)量模型評(píng)價(jià)信息系統(tǒng)質(zhì)量。針對電力信息系統(tǒng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，本文采用 FURPS+ 簡單歸納非功能性需求的主要內(nèi)容。

FURPS+是IBM 公司提出的軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)模型。其中，F(xiàn)指的是軟件產(chǎn)品功能性（Functionality）；U 是指系統(tǒng)接口、界面的易用性（Usability）；R 指的是軟件包含可用性、準(zhǔn)確性與系統(tǒng)可恢復(fù)性指標(biāo)的可靠性（Reliability）；P指的是包括系統(tǒng)吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、啟動(dòng)時(shí)間的易用性（Performance）；S指的是可測試、適應(yīng)性、維護(hù)性、兼容性等支持性（Supportability）指標(biāo)。 “+”表示設(shè)計(jì)約束、實(shí)現(xiàn)需求、接口需求和物理需求。根據(jù) FURPS+ 模型，歸納出涵蓋隱含層面的電力信息系統(tǒng)的非功能性需求的主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：

（1）可靠性。可靠性是指在規(guī)定的時(shí)間和條件下，與軟件維持其性能水平的能力有關(guān)的一組屬性，它是系統(tǒng)非功能性的一項(xiàng)重要質(zhì)量指標(biāo)。通過可靠度、失效率、平均無故障間隔來評(píng)價(jià)。

（2）易用性。指的是信息系統(tǒng)對用戶來說易于學(xué)習(xí)和使用、便于記憶、增加使用的滿意程度等，是與用戶為使用系統(tǒng)所需付出的代價(jià)有關(guān)的一組屬性，易用性具體包括：易理解性、易學(xué)習(xí)性、易操作性等。

（3）效率。效率即性能，是指在規(guī)定的條件和環(huán)境下，與系統(tǒng)的性能水平和所需的資源量有關(guān)的一組屬性，具體包括時(shí)間特性、資源特性等。

（4）可維護(hù)性。是指在給定條件下，系統(tǒng)保持在或恢復(fù)到能執(zhí)行要求功能狀態(tài)的能力，是與指定修改的難易程度相關(guān)的一組屬性。軟件的可維護(hù)性分為更改性維護(hù)、適應(yīng)性維護(hù)、完善性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)，包括：易分析性、易改變性、穩(wěn)定性、易測試性等。

2.2 非功能需求評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)電力信息系統(tǒng)的特點(diǎn)和開發(fā)流程。本文從信息系統(tǒng)的可靠性、易用性性、效率、可維護(hù)性及可移植性5個(gè)方面，建立了電力信息系統(tǒng)的非功能需求評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系涵蓋5個(gè)一級(jí)指標(biāo)和21個(gè)二級(jí)指標(biāo)。如表1所示。

表1

3.基于BP模型的電力信息系統(tǒng)非功能需求適用性評(píng)價(jià)

3.1 BP模型基本原理和計(jì)算步驟

3．1．1 BP模型基本原理

BP網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation）又稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，它是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)。該模型可表達(dá)各處理單元交互關(guān)系，并可以用非線性轉(zhuǎn)換函數(shù)輸出，除了提高網(wǎng)絡(luò)模式準(zhǔn)確度，也可以處理多維模式問題。BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練速度快，建構(gòu)模式強(qiáng)，可隨不同案例問題的需要對網(wǎng)絡(luò)適當(dāng)?shù)男薷摹P網(wǎng)絡(luò)算法的學(xué)習(xí)過程，是由正向傳播和反向傳播組成。在正向傳播的過程中，輸入訊息從輸入層經(jīng)隱藏層單元層逐層處理，并傳向輸出層，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元的狀態(tài)。如果在輸出層不能得到期望的輸出，則反向傳播，將誤差訊號(hào)沿原來的連接通路返回，修改各神經(jīng)元權(quán)值，使誤差訊號(hào)最小。這樣的過稱為“學(xué)習(xí)”。而這學(xué)習(xí)過程通常以一次一個(gè)訓(xùn)練范例的方式來進(jìn)行，直到學(xué)習(xí)完成所有的訓(xùn)練范例，稱為一個(gè)學(xué)習(xí)循環(huán)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成功通常需要上百個(gè)或數(shù)千個(gè)訓(xùn)練范例，將訓(xùn)練范例反復(fù)學(xué)習(xí)不斷修正直到收斂為止。BP網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 BP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

電力信息管理非功能需求分析往往涉及多層因素，這就可以根據(jù)前饋式網(wǎng)絡(luò)，按照問題不同，轉(zhuǎn)換不同的函數(shù)來評(píng)估指標(biāo)的適用性。如常用的轉(zhuǎn)換函數(shù)有輸出值介于 0 和 1 之間的對數(shù)雙彎曲函數(shù)，以及產(chǎn)生-1 到1 以外數(shù)值的線性轉(zhuǎn)移函數(shù)，如圖 2所示，n 為神經(jīng)元作用函數(shù)，a為經(jīng)轉(zhuǎn)換函數(shù)轉(zhuǎn)換輸出值。

圖2 BP網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移函數(shù)分類

3．1．2 BP模型計(jì)算步驟

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)步驟和流程如下：

（2）由網(wǎng)絡(luò)計(jì)算隱含層各單元的輸入、輸出結(jié)果，比較輸出層、中間層各單元的一般化誤差，并修正中間層至輸出層，輸入層至中間層連接權(quán)值和輸出層各單元閾值。如式（2）、式（3）：

然后隨機(jī)選取下一個(gè)學(xué)習(xí)模式對提供給網(wǎng)絡(luò)，依次類推，直至完成網(wǎng)絡(luò)收斂。即：直至網(wǎng)絡(luò)全局誤差函數(shù)E小于預(yù)先設(shè)定的一個(gè)極小值，如當(dāng)訓(xùn)練次數(shù)大于預(yù)先設(shè)定值，無法完成網(wǎng)絡(luò)收斂，即強(qiáng)制網(wǎng)絡(luò)停止學(xué)習(xí)。如式（4）所示：

3.2 模型仿真

3．2．1 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值

首先將構(gòu)建的電力管理信息系統(tǒng)非功能需求評(píng)價(jià)指標(biāo)體系經(jīng)由專家給出評(píng)價(jià)指標(biāo)體系個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值。每個(gè)指標(biāo)給出6個(gè)等級(jí)：很好，好，較好，一般，較差，差，并予以量化處理為[0，1]之間的數(shù)值，見下表2：

表2 定性指標(biāo)的量化

其次，根據(jù)專家體系網(wǎng)絡(luò)輸出的結(jié)果與評(píng)語集中的評(píng)語進(jìn)行匹配，從而給出該體系的運(yùn)行效果。如假設(shè)專家個(gè)數(shù)為n，專家體系將計(jì)算各輸入變量Ii對評(píng)價(jià)結(jié)果的影響能力Ri，并予以解釋，Ri的計(jì)算公式如式（5）：

應(yīng)用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管理信息系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)。將專家評(píng)價(jià)得到的數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，模擬待評(píng)估的對象。見表3所示：網(wǎng)絡(luò)隱含層神經(jīng)元選為可用性、可靠性、安全性、可移植性四個(gè)，給定精度為0，訓(xùn)練次數(shù)N=100次，權(quán)值調(diào)整參數(shù)，偏置值調(diào)整參數(shù)，學(xué)習(xí)結(jié)果如表4所示，它們與期望的輸出非常接近，仿真評(píng)價(jià)結(jié)果與專家對管理信息系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果完全一致。

表3 各評(píng)價(jià)指標(biāo)在系統(tǒng)中相應(yīng)的專家評(píng)價(jià)值

表4 仿真評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

軟件開發(fā)中要獲取的非功能需求，進(jìn)行面向目標(biāo)分析，得到一棵關(guān)于非功能需求的目標(biāo)優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的父子結(jié)點(diǎn)間是“與”關(guān)聯(lián)。分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的非功能需求是獲取相關(guān)的領(lǐng)域信息的一個(gè)途徑，它便于將非功能需求和與其相關(guān)的所有領(lǐng)域關(guān)聯(lián)建立設(shè)計(jì)分析圖，有利于根據(jù)特定的領(lǐng)域信息進(jìn)行量化獲取合理的設(shè)計(jì)決策。本文針對電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合FURPS+模型，構(gòu)建了電力系統(tǒng)非功能需求評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算了該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的適用性,為電力信息系統(tǒng)非功能需求管理提供參考依據(jù)。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型仿真結(jié)果表明該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系較為精確可行，實(shí)際應(yīng)用意義明顯，特別適合于對定性指標(biāo)的評(píng)價(jià)。

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