CN105260192B - 基于目标的信息物理融合系统软件需求分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于目标的信息物理融合系统软件需求分析方法，其包括以下步骤：明确用户需求：分析用户需求所引用的可观测现象以及期望实现的可控现象，建立现象间的因果关系式来表达用户的需求；推理软件需求：从用户的需求出发，以目标分解为策略，推理分析构成信息物理融合系统所需的软件实体、物理实体以及软件实体和物理实体应具有的性质；验证用户需求的可满足性：验证基于所识别的软件实体和物理实体的性质用户的需求能否得到满足。本发明可以解决现有的需求分析方法在分析CPS的软件需求时所面临的挑战。

Description

基于目标的信息物理融合系统软件需求分析方法

技术领域

本发明涉及软件需求分析技术领域，特别涉及一种基于目标的信息物理融合系统软件需求分析方法。

背景技术

自上世纪以来，互联网的发展已经深刻的改变了人与人之间的交流方式。然而充实现实世界的不仅是人与计算机，更多的是各种物理实体，并且随着传感器、嵌入式等技术的发展，人们越来越希望改变人与各种物理实体之间的交互方式。在这种情况下，集计算、通信、控制于一体的信息物理融合系统(Cyber-Physical Systems，简称CPS)吸引了世界范围内研究人员和工业界越来越多的目光，并被认为是自计算机、互联网之后新的信息技术浪潮。2007年，美国总统科学技术顾问委员会在列出的8大关键的信息技术中将信息物理融合系统放置于第一位。

一般来说，不同于传统的软件系统以及简单的嵌入式系统，CPS是一个既包含物理实体又包含软件实体的复杂混合系统。在CPS的运行过程中，软件实体监控物理实体的运行过程，感知物理过程的变化，进而影响物理过程，形成一个计算过程和物理过程相互影响的反馈循环。软件实体在该过程中起着感知、分析、控制等作用，是整个系统运行的中枢。因此，分析CPS的软件需求，明确构成CPS的软件实体及其应承担的任务对于CPS的开发具有重要意义。

然而，CPS的软件需求分析却是一个具有挑战性的任务。

首先，不同于传统的软件系统(比如政务系统)，用户的需求远离软件的行为，用户所表述的内容往往不是用户期望在电脑桌面上所看到的软件现象，而是用户生活环境中的各种物理现象(比如汽车减速、火灾的发生等)。这就需要分析人员从用户的需求出发、基于对物理环境(包括物理现象、物理过程和物理实体)的认识去推理分析对软件的需求。

其次，对CPS的软件需求分析已不能像传统的需求分析方法(比如用例分析)那样将CPS中的软件看作一个整体。CPS是一个分布式的计算系统。它可能包含多个、分布于不同空间平台上的软件实体。因此，对CPS的软件需求分析也必然涉及对CPS具体结构的分析，包括构成CPS的物理实体和软件实体以及它们之间的关系。只有明确CPS的结构，才能根据用户需求和实体间的关系推理分析各个软件实体的需求。

第三，计算过程和物理过程的融合使得软件实体的任何缺陷都有可能扩散到物理过程，从而导致严重的后果。因此，在明确了CPS中的各个软件实体的需求之后，结合对物理环境的假设进行有效的需求验证以消除潜在的需求缺陷无疑具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于目标的信息物理融合系统软件需求分析方法，以解决现有需求分析方法不宜用于分析CPS软件需求的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于目标的信息物理融合系统软件需求分析方法，其包括以下步骤：明确用户需求：分析用户需求所引用的可观测现象以及期望实现的可控现象，建立现象间的因果关系式来表达用户的需求；推理软件需求：从用户的需求出发，以目标分解为策略，推理分析构成信息物理融合系统所需的软件实体、物理实体以及软件实体和物理实体应具有的性质；验证用户需求的可满足性：验证基于所识别的软件实体和物理实体的性质用户的需求能否得到满足。

优选地，在明确用户需求步骤中，建立可观测现象到可控现象之间的因果关系式进一步包括：基于用户对信息物理融合系统的需求表达的是当可观测现象发生时使得可控现象发生，将用户需求表达为现象之间的因果表达式。

优选地，推理软件需求的步骤具体为：从用户对信息物理融合系统的需求出发，采取面向目标的策略，对用户需求进行推理分析，并在此过程中分析构成信息物理融合系统的物理实体和软件实体，建立信息物理融合系统的结构模型以及反映物理实体性质、软件实体需求以及它们与用户需求之间关系的目标模型

优选地，推理软件需求的步骤进一步包括：首先，采用目标模型的相关概念和符号，利用模型中的目标概念来表达用户需求，利用任务概念来表达软件实体的需求，利用领域假设概念来表达物理实体的性质；其次，利用现象因果关系式这一方式来表达目标、任务以及领域假设；第三，从用户需求的每个因果关系式出发，采用问题转换和问题分解、由可观测现象和可控现象向中间逼近的策略来对用户需求进行目标分解。

优选地，问题转换是指通过引入部分解决方案来将一个问题转换为另外一个问题，使得原始问题更小、更容易解决；问题分解是指将一个问题分解为一组子问题。

优选地，在验证用户需求的可满足性步骤中，利用Alloy来描述所识别的物理实体的性质和软件实体的需求，进而验证基于所描述的软件实体和物理实体的性质，用户需求是否能够得到满足。

分析可知，本发明提供一种分析信息物理融合系统中的软件需求的方法。该方法利用现象间的因果关系式这一形式来表达用户需求、物理实体的性质和软件实体的需求，进而将信息物理融合系统中软件需求的分析转化为可观测现象与可控现象之间现象因果关系链的分析。从而解决现有的需求分析方法在分析CPS的软件需求时所面临的挑战。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为本发明具体实施例中展现用户需求的框图(包括图标含义)；

图3为本发明具体实施例的分析过程示意图(包括字母含义)；

图4为以问题框架方法的问题图所表示的结构模型(包括图标含义)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

步骤S1：明确用户需求，分析用户需求所引用的可观测现象以及期望实现的可控现象，建立现象间的因果关系式来表达用户的需求。

步骤S2：推理软件需求，从用户的需求出发，以目标分解为策略，推理分析构成CPS所需的软件实体和物理实体以及它们应具有的性质(其中，软件实体应具有的性质即为软件的需求)。

步骤S3：验证用户需求的可满足性，验证基于所识别的软件实体和物理实体的性质用户的需求能否得到满足。

优选地，在步骤S1中，基于用户对CPS的需求表达的是当某些现象发生(可观测现象)时使得另一些现象(可控现象)发生，将用户需求表达为现象之间的因果表达式，即可观测现象到可控现象之间的因果关系式(例如下述实施例中，p₁∧p₂→p₃，其中p₁和p₂为可观测现象，p₃为可控现象)。

进一步地，将信息物理融合系统中的软件需求分析转化为分析和建立用户需求所引用的可观测现象到可控现象的现象因果关系链。

优选地，在步骤S2中，从用户对CPS的需求出发，采取面向目标的策略，对用户需求进行推理分析，并在此过程中分析构成CPS的物理实体和软件实体，建立CPS的结构模型以及反映物理实体性质、软件实体需求以及它们与用户需求之间关系的目标模型。

优选地，在步骤S3中，利用Alloy来描述所识别的物理实体的性质和软件实体的需求，进而验证基于所描述的软件实体和物理实体的性质，用户需求是否能够得到满足。

为了更清楚的描述本发明，如图2-图4所示，以一个自适应巡航控制系统(CCS)为例来对本发明的技术方案做进一步详细说明。

明确用户需求。用户对CPS的需求表达的是希望当某些现象发生时使得另外一些现象的发生，即CPS要实现的是一种现象之间的因果关系。因此，最好采用现象间的因果关系表达式来明确地描述用户的需求。如前所述，以自适应巡航控制系统为例，其用户需求可以表达为如下的一组现象间的因果关系式：

R＝{r₁，r₂，r₃，r₄}

r₁＝p₁：前方没有车∧p₂：被控车辆速度不大于巡航速度→p₃：被控车辆加速到巡航速度。

r₂＝p₁：前方没有车∧p₄：被控车辆速度大于巡航速度→p₅：被控车辆减速到巡航速度。

r₃＝p₆：前方有车∧p₇：两车间距不大于安全距离→p₈：增大间距使得两车间距等于安全距离。

r₄＝p₆：前方有车∧p₉：两车间距大于安全距离→p₁₀：减少间距使得两车间距等于安全距离。

用户需求所引用的实体现象分为两类：可观测现象和可控现象。可观测现象是将要建立的CPS需要感知的现象，CPS可以通过一些方法直接或间接地感知，是需求因果关系式中箭头前端的现象。可控制现象是将要建立的CPS需要控制或者实现的现象，或者称为目标现象，是需求因果关系式中箭头后端的现象。

为了进一步帮助分析人和用户进行有效的沟通，选取了问题框架方法问题图的一些元素来展现用户的需求以及其所引用的现象。对于前述自适应巡航控制系统而言，图2即为本发明根据用户需求建立的用户需求框架图。

推理软件需求。该步骤采取面向目标的方式，以目标分解为具体策略来从用户需求出发推理分析CPS的软件需求。首先，采用Jureta等所提出的目标模型的相关概念和符号，利用模型中的目标这一概念来表达用户需求，利用任务这一概念来表达软件实体的需求，利用领域假设这一概念来表达物理实体的性质。其次，利用现象因果关系式这一方式来表达目标、任务以及领域假设，即也将物理实体的性质和软件实体的需求表达为现象间的因果关系式。第三，从用户需求的每个因果关系式出发，采用问题转换和问题分解、由两头(可观测现象和可控现象)向中间逼近的策略来对用户需求进行目标分解。

问题转换是通过引入部分解决方案来将一个问题转换为另外一个问题，使得原始问题更小、更容易解决。它对应的是通过引入物理实体，将用户需求分解为一个或多个表达物理实体性质的领域假设和一个更小或者更容易解决的用户目标。

问题分解是将一个问题分解为一组子问题，这些子问题解决方案的组合就是原始问题的解决方案，降低原始问题的复杂性。它对应的是将一个用户目标分解为一个或多个其它更小的用户目标或者软件实体应承担的任务。在分解的过程中，如果某个更小的用户目标可以作为一个任务并通过开发实现一个软件实体来承担时，定义一个新的软件实体、并将该用户目标作为任务赋给该软件实体。

如图3所示，当目标模型的所有叶节点都为反映物理实体性质的领域假设和软件实体应承担的任务时，针对一个用户目标的分解过程终止。此外，在基于目标的推理分析过程中，在每个表达目标、领域假设或者任务的因果关系式前面增加了实现该因果关系式的实体，例如，K(R：p₁→p′₁)中R表明实现因果关系p₁→p′₁的实体是雷达R，如果实现该因果关系式的实体还未明确，则显示为“？”。

此步骤以用户需求中的第一组因果关系式r₁(p₁∧p₂→p₃)为例说明推理CCS的软件需求的过程。

首先，从p₁∧p₂→p₃的可观测现象p₁和p₂出发，如果要实现当前方没有车(p₁)和被控车辆的速度不大于巡航速度(p₂)时控制被控车辆的速度达到巡航速度(p₃)，必须首先感知到p₁和p₂的发生，然后才能做出响应来控制被控车辆的速度。此时感知到p₁和p₂的发生即是已知的实现该因果关系的部分过程，而感知p₁可以通过设计开发一个雷达来实现，雷达将该现象转换为由雷达测量值所表达的现象p′₁(前车.exist＝null)，感知p₂则可以通过设计开发一个测速传感器来实现，测速传感器将该现象转换为由具体的车速测量值所表达的事件p′₂(被控车辆.v＜＝巡航速度)。这里雷达和测速传感器是通过分析所识别的两个软件实体(虽然实际中雷达和测速传感器可直接购买而不需要设计开发，但从设计的角度出发，本发明把二者作为需要设计开发的软件实体)。从现象p₁到p′₁和从现象p₂到p′₂的因果关系分别体现了雷达和测速传感器的需求。由于实现这两个因果关系的实体已知(雷达和测速传感器)，该因果关系也因此可以表达为目标模型中关于软件实体雷达和测速传感器的任务：T(R：p₁→p′₁)和T(SS：p₂→p′₂)。如图2所示，基于这两个任务，目标G(？：p₁∧p₂→p₃)通过问题分解可以转化为目标G(？：p′₁∧p′₂→p₃)。

其次，由于汽车的速度等于车轮的转速，可以通过触发现象p′₃来实现目标现象p₃的触发，即通过将车轮的转速加速到巡航速度来实现被控车辆的速度达到巡航速度。因此，基于问题转换，可以将从p′₃到p₃的因果关系表达为领域假设K(W∧V：p′₃→p₃)来体现汽车和车轮之间关系所具有的性质，并且基于该领域假设目标G(？：p′₁∧p′₂→p₃)可以转化为目标G(？：p′₁∧p′₂→p′₃)。

更进一步，由于控制车轮的转速加速到巡航速度可以通过给车轮施加相应的动力来实现，现象p′₃的触发可以通过触发p″₃来实现。从p″₃到p′₃之间的因果关系体现了车轮这一物理实体的性质。因此，基于问题转换，将从p″₃到p′₃之间的因果关系表达为目标模型中关于车轮这一物理实体的领域假设K(W：p″₃→p′₃)，并基于该假设，目标G(？：p′₁∧p′₂→p′₃)可以继续转化为目标G(？：p′₁∧p′₂→p″₃)。

最后，由于已知可以设计开发一个ECS(引擎控制系统)来对车轮施加动力，ECS可以根据设定的加速幅度指令(p″′₃)来给车轮输出相应的动力(p″₃)，从p″′₃到p″₃的因果关系体现了对ECS这一软件实体的需求。因此，基于问题分解，将p″′₃到p″₃的因果关系表达为关于ECS的任务：T(ECS：p″′₃→p″₃)，G(？：p′₁∧p′₂→p″₃)可以转化为目标G(？：p′₁∧p′₂→p″′₃)。而由于G(？：p′₁∧p′₂→p″′₃)这一目标可以完全赋给一个新的软件实体“巡航控制器(CC)”来实现，因此该目标可以转化为任务T(CC：p′₁∧p′₂→p″′₃)。

至此，如图4所示，上述过程分析了实现p₁∧p₂→p₃这一因果关系所需要物理实体、软件实体以及它们之间的共享现象(图3以问题框架方法的问题图来表示所识别的物理实体、软件实体及其共享现象)。图3中所形成的领域假设体现了物理实体的性质、任务体现了软件实体应满足的需求。

验证用户需求的可满足性。本发明基于Alloy来实现这一目的。Alloy是一种轻量级的面向对象的描述语言，使用signature来表示一个类型，代表具有某类特征的对象集合。在定义一个signature时不仅可以通过定义field来描述与当前数据类型存在关系的其它类型，还可以定义该类型对象所遵循的约束。而需要验证的事实或者结论则可以通过定义断言assert来描述。最后，分析人员可以利用Alloy分析器来验证断言的真假。

本发明将所识别的构成CPS的每个实体定义为一个signature，将实体所具有的一些现象定义为signature的field，并将实体具有的性质或者应满足的需求(即现象间的因果关系)定义为signature的约束(即通过imply关系来描述现象间的因果关系式)，然后通过定义不同的assert来描述用户需求中的不同因果关系式。

又上分析可知，本发明具有以下特点：

一，使用现象间的因果关系式来表示用户对CPS的需求，将用户需求表达为一组可观测现象与可控现象之间的因果关系式。

用户对于CPS这类系统的需求往往表达的是当某些其熟悉的现象发生时，使得另外一些现象发生。其中用户所熟悉的现象称为可观测现象，而用户期望发生的现象称为可控现象。因此，可以将用户需求表达为诸如p₁∧p₂→p₃的现象因果关系式，其中p₁和p₂为可观测现象，p₃为可控现象。

在该关系式中，利用现象间的与/或关系(∧表示与，∨表示或)来表达当某几个现象同时发生时或者任一个现象发生时，其它几个现象同时发生或者某个现象发生这一逻辑关系，比如p₁∧p₂→p₃表示期望在p₁和p₂同时发生时p₃发生，p₁∨p₂→p₃表示期望在p₁或者p₂发生时p₃发生。

二，本发明将CPS软件需求的分析转化为用户需求所引用的可观测现象到可控现象的现象因果关系链的分析，即假设用户需求为p₁∧p₂→p₃，该方法的分析过程主要是分析p₁和p₂发生到p₃发生中间所需要发生的其他中间现象，建立p₁和p₂到p₃的因果关系链条。

三，本发明采取基于目标的策略来从用户需求出发，分析满足用户需求的因果关系链。

利用目标这一概念来表达用户需求，利用任务这一概念来表达软件实体的需求，利用领域假设这一概念来表达物理实体的性质。

在基于目标的分析过程中，利用因果关系式来表达目标、任务和领域假设，即将软件实体的需求和物理实体的性质也表达为现象间的因果关系式。

以目标分解为具体策略，从用户需求出发(即将用户需求作为最高层的目标)，来推理软件实体的需求，即逐步将用户需求这一高层目标分解为表达物理实体性质的领域假设和表达软件实体需求的任务。

四，本发明具体过程包括三步：明确用户需求、推理软件需求、验证用户需求的可满足性。

明确用户需求即与用户进行沟通，获取用户对将要建立的CPS的需求陈述，分析用户需求陈述中所表达的可观测现象和可控现象、以及可观测现象可观测性和可控现象的可控性，建立可观测现象到可控现象的因果关系式。

推理软件需求即由用户需求出发，采取面向目标的方式来推理分析构成CPS所需要的物理实体和软件实体以及它们所应具有的性质；软件实体应具有的性质即为所要识别的软件需求。

验证用户需求的可满足性即在软件需求推理之后，基于Alloy这一形式化描述语言和相应的检测工具来验证基于所识别的物理实体和软件实体的性质，用户需求是否能够得到满足。

综上所述，本发明提出了一种分析CPS中软件需求的方法，有助于分析人员从用户对信息物理融合系统的需求出发，分析满足用户需求所需要的物理实体和软件实体以及物理实体的性质和软件实体的需求，并验证这些实体所构成的信息物理融合系统能否满足用户的需求。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (4)

1.一种基于目标的信息物理融合系统软件需求分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

明确用户需求：分析用户需求所引用的可观测现象以及期望实现的可控现象，建立现象间的因果关系式来表达用户的需求；

推理软件需求：从用户的需求出发，以目标分解为策略，推理分析构成信息物理融合系统所需的软件实体、物理实体以及软件实体和物理实体应具有的性质；

验证用户需求的可满足性：验证基于所识别的软件实体和物理实体的性质用户的需求能否得到满足；

推理软件需求的步骤具体为：从用户对信息物理融合系统的需求出发，采取面向目标的策略，对用户需求进行推理分析，并在此过程中分析构成信息物理融合系统的物理实体和软件实体，建立信息物理融合系统的结构模型以及反映物理实体性质、软件实体需求以及它们与用户需求之间关系的目标模型；

推理软件需求的步骤进一步包括：

首先，采用目标模型的相关概念和符号，利用模型中的目标概念来表达用户需求，利用任务概念来表达软件实体的需求，利用领域假设概念来表达物理实体的性质；

其次，利用现象因果关系式这一方式来表达目标、任务以及领域假设；

第三，从用户需求的每个因果关系式出发，采用问题转换和问题分解、由可观测现象和可控现象向中间逼近的策略来对用户需求进行目标分解。

2.根据权利要求1所述的基于目标的信息物理融合系统软件需求分析方法，其特征在于，在明确用户需求步骤中，建立可观测现象到可控现象之间的因果关系式进一步包括：基于用户对信息物理融合系统的需求表达的是当可观测现象发生时使得可控现象发生，将用户需求表达为现象之间的因果表达式。

3.根据权利要求1所述的基于目标的信息物理融合系统软件需求分析方法，其特征在于，问题转换是指通过引入部分解决方案来将一个问题转换为另外一个问题，使得原始问题更小、更容易解决；

问题分解是指将一个问题分解为一组子问题。

4.根据权利要求1所述的基于目标的信息物理融合系统软件需求分析方法，其特征在于，在验证用户需求的可满足性步骤中，利用Alloy来描述所识别的物理实体的性质和软件实体的需求，进而验证基于所描述的软件实体和物理实体的性质，用户需求是否能够得到满足。