基于目標的信息物理融合系統(tǒng)軟件需求分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及軟件需求分析技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于目標的信息物理融合系統(tǒng)軟件需求分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自上世紀以來，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)深刻的改變了人與人之間的交流方式。然而充實現(xiàn)實世界的不僅是人與計算機，更多的是各種物理實體，并且隨著傳感器、嵌入式等技術(shù)的發(fā)展，人們越來越希望改變?nèi)伺c各種物理實體之間的交互方式。在這種情況下，集計算、通信、控制于一體的信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems，簡稱CPS)吸引了世界范圍內(nèi)研究人員和工業(yè)界越來越多的目光，并被認為是自計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后新的信息技術(shù)浪潮。2007年，美國總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問委員會在列出的8大關(guān)鍵的信息技術(shù)中將信息物理融合系統(tǒng)放置于第一位。
[0003]一般來說，不同于傳統(tǒng)的軟件系統(tǒng)以及簡單的嵌入式系統(tǒng)，CPS是一個既包含物理實體又包含軟件實體的復(fù)雜混合系統(tǒng)。在CPS的運行過程中，軟件實體監(jiān)控物理實體的運行過程，感知物理過程的變化，進而影響物理過程，形成一個計算過程和物理過程相互影響的反饋循環(huán)。軟件實體在該過程中起著感知、分析、控制等作用，是整個系統(tǒng)運行的中樞。因此，分析CPS的軟件需求，明確構(gòu)成CPS的軟件實體及其應(yīng)承擔的任務(wù)對于CPS的開發(fā)具有重要意義。
[0004]然而，CPS的軟件需求分析卻是一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
[0005]首先，不同于傳統(tǒng)的軟件系統(tǒng)(比如政務(wù)系統(tǒng))，用戶的需求遠離軟件的行為，用戶所表述的內(nèi)容往往不是用戶期望在電腦桌面上所看到的軟件現(xiàn)象，而是用戶生活環(huán)境中的各種物理現(xiàn)象(比如汽車減速、火災(zāi)的發(fā)生等)。這就需要分析人員從用戶的需求出發(fā)、基于對物理環(huán)境(包括物理現(xiàn)象、物理過程和物理實體)的認識去推理分析對軟件的需求。
[0006]其次，對CPS的軟件需求分析已不能像傳統(tǒng)的需求分析方法(比如用例分析)那樣將CPS中的軟件看作一個整體。CPS是一個分布式的計算系統(tǒng)。它可能包含多個、分布于不同空間平臺上的軟件實體。因此，對CPS的軟件需求分析也必然涉及對CPS具體結(jié)構(gòu)的分析，包括構(gòu)成CPS的物理實體和軟件實體以及它們之間的關(guān)系。只有明確CPS的結(jié)構(gòu)，才能根據(jù)用戶需求和實體間的關(guān)系推理分析各個軟件實體的需求。
[0007]第三，計算過程和物理過程的融合使得軟件實體的任何缺陷都有可能擴散到物理過程，從而導(dǎo)致嚴重的后果。因此，在明確了 CPS中的各個軟件實體的需求之后，結(jié)合對物理環(huán)境的假設(shè)進行有效的需求驗證以消除潛在的需求缺陷無疑具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種基于目標的信息物理融合系統(tǒng)軟件需求分析方法，以解決現(xiàn)有需求分析方法不宜用于分析CPS軟件需求的問題。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0010]—種基于目標的信息物理融合系統(tǒng)軟件需求分析方法，其包括以下步驟:明確用戶需求:分析用戶需求所引用的可觀測現(xiàn)象以及期望實現(xiàn)的可控現(xiàn)象，建立現(xiàn)象間的因果關(guān)系式來表達用戶的需求；推理軟件需求:從用戶的需求出發(fā)，以目標分解為策略，推理分析構(gòu)成信息物理融合系統(tǒng)所需的軟件實體、物理實體以及軟件實體和物理實體應(yīng)具有的性質(zhì)；驗證用戶需求的可滿足性:驗證基于所識別的軟件實體和物理實體的性質(zhì)用戶的需求能否得到滿足。
[0011]優(yōu)選地，在明確用戶需求步驟中，建立可觀測現(xiàn)象到可控現(xiàn)象之間的因果關(guān)系式進一步包括:基于用戶對信息物理融合系統(tǒng)的需求表達的是當可觀測現(xiàn)象發(fā)生時使得可控現(xiàn)象發(fā)生，將用戶需求表達為現(xiàn)象之間的因果表達式。
[0012]優(yōu)選地，推理軟件需求的步驟具體為:從用戶對信息物理融合系統(tǒng)的需求出發(fā)，采取面向目標的策略，對用戶需求進行推理分析，并在此過程中分析構(gòu)成信息物理融合系統(tǒng)的物理實體和軟件實體，建立信息物理融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型以及反映物理實體性質(zhì)、軟件實體需求以及它們與用戶需求之間關(guān)系的目標模型
[0013]優(yōu)選地，推理軟件需求的步驟進一步包括:首先，采用目標模型的相關(guān)概念和符號，利用模型中的目標概念來表達用戶需求，利用任務(wù)概念來表達軟件實體的需求，利用領(lǐng)域假設(shè)概念來表達物理實體的性質(zhì)；其次，利用現(xiàn)象因果關(guān)系式這一方式來表達目標、任務(wù)以及領(lǐng)域假設(shè)；第三，從用戶需求的每個因果關(guān)系式出發(fā)，采用問題轉(zhuǎn)換和問題分解、由可觀測現(xiàn)象和可控現(xiàn)象向中間逼近的策略來對用戶需求進行目標分解。
[0014]優(yōu)選地，問題轉(zhuǎn)換是指通過引入部分解決方案來將一個問題轉(zhuǎn)換為另外一個問題，使得原始問題更小、更容易解決；問題分解是指將一個問題分解為一組子問題。
[0015]優(yōu)選地，在驗證用戶需求的可滿足性步驟中，利用Alloy來描述所識別的物理實體的性質(zhì)和軟件實體的需求，進而驗證基于所描述的軟件實體和物理實體的性質(zhì)，用戶需求是否能夠得到滿足。
[0016]分析可知，本發(fā)明提供一種分析信息物理融合系統(tǒng)中的軟件需求的方法。該方法利用現(xiàn)象間的因果關(guān)系式這一形式來表達用戶需求、物理實體的性質(zhì)和軟件實體的需求，進而將信息物理融合系統(tǒng)中軟件需求的分析轉(zhuǎn)化為可觀測現(xiàn)象與可控現(xiàn)象之間現(xiàn)象因果關(guān)系鏈的分析。從而解決現(xiàn)有的需求分析方法在分析CPS的軟件需求時所面臨的挑戰(zhàn)。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的流程框圖；
[0018]圖2為本發(fā)明具體實施例中展現(xiàn)用戶需求的框圖(包括圖標含義)；
[0019]圖3為本發(fā)明具體實施例的分析過程示意圖(包括字母含義);
[0020]圖4為以問題框架方法的問題圖所表示的結(jié)構(gòu)模型(包括圖標含義)。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明包括以下步驟:
[0023]步驟S1:明確用戶需求，分析用戶需求所引用的可觀測現(xiàn)象以及期望實現(xiàn)的可控現(xiàn)象，建立現(xiàn)象間的因果關(guān)系式來表達用戶的需求。
[0024]步驟S2:推理軟件需求，從用戶的需求出發(fā)，以目標分解為策略，推理分析構(gòu)成CPS所需的軟件實體和物理實體以及它們應(yīng)具有的性質(zhì)(其中，軟件實體應(yīng)具有的性質(zhì)即為軟件的需求)。
[0025]步驟S3:驗證用戶需求的可滿足性，驗證基于所識別的軟件實體和物理實體的性質(zhì)用戶的需求能否得到滿足。
[0026]優(yōu)選地，在步驟S1中，基于用戶對CPS的需求表達的是當某些現(xiàn)象發(fā)生(可觀測現(xiàn)象)時使得另一些現(xiàn)象(可控現(xiàn)象)發(fā)生，將用戶需求表達為現(xiàn)象之間的因果表達式，即可觀測現(xiàn)象到可控現(xiàn)象之間的因果關(guān)系式(例如下述實施例中，ΡιΛ ρ 2— ρ 3，其中pjP p 2為可觀測現(xiàn)象，p3為可控現(xiàn)象)。
[0027]進一步地，將信息物理融合系統(tǒng)中的軟件需求分析轉(zhuǎn)化為分析和建立用戶需求所引用的可觀測現(xiàn)象到可控現(xiàn)象的現(xiàn)象因果關(guān)系鏈。
[0028]優(yōu)選地，在步驟S2中，從用戶對CPS的需求出發(fā)，采取面向目標的策略，對用戶需求進行推理分析，并在此過程中分析構(gòu)成CPS的物理實體和軟件實體，建立CPS的結(jié)構(gòu)模型以及反映物理實體性質(zhì)、軟件實體需求以及它們與用戶需求之間關(guān)系的目標模型。
[0029]優(yōu)選地，在步驟S3中，利用Alloy來描述所識別的物理實體的性質(zhì)和軟件實體的需求，進而驗證基于所描述的軟件實體和物理實體的性質(zhì)，用戶需求是否能夠得到滿足。