基于層次分析法的機載軟件質(zhì)量評價技術(shù)研究

王 寧 程新宇 鄭 軍

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

基于層次分析法的機載軟件質(zhì)量評價技術(shù)研究

王 寧 程新宇 鄭 軍

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

基于層次分析法，針對機載軟件的功能及產(chǎn)品特點，以ISO/IEC 9126和GJB 5236層次模型為支撐，形成機載軟件質(zhì)量評價工程應(yīng)用方法，為以航空軟件研制過程為基礎(chǔ)的現(xiàn)代航空軟件產(chǎn)品質(zhì)量評價提供技術(shù)支撐，從而達到提高現(xiàn)代航空軟件研制過程質(zhì)量的目的。

機載軟件；質(zhì)量評價；層次分析法

現(xiàn)代航空裝備中，軟件的規(guī)模與復(fù)雜度日益增加，軟件已占80%以上的功能，許多安全關(guān)鍵系統(tǒng)中由軟件實現(xiàn)的功能所占比例也不斷增長，從而對于軟件的依賴性越來越大，美國的殲擊機每更新一代，其由軟件實現(xiàn)的功能就增長一倍，美國F22及其之后的F35軟件所支持的功能比例高達80%以上。故軟件能否正確運行已經(jīng)成為影響航空產(chǎn)品安全、作戰(zhàn)任務(wù)能否完成的重要因素。

然而，目前針對型號軟件的驗收過程并無成體系的評價方法，只是通過傳統(tǒng)的軟件測評工作來保證。但是軟件測評僅是針對于代碼級的軟件缺陷進行挖掘和統(tǒng)計，并未立足于軟件工程化角度，從整個軟件產(chǎn)品研制過程的各個方面，如需求充分性、功能顆粒度等多方面綜合考慮，也就無法給出軟件質(zhì)量各屬性評價及綜合評價，不能為軟件產(chǎn)品的驗收工作提供全面、合理的指標(biāo)性信息支撐。本文基于多屬性決策方法，在軟件質(zhì)量評價過程中度量元選定的前提下，研究評價法則制定及評價過程。通過上述過程，可有效保證軟件質(zhì)量評價過程及結(jié)果的科學(xué)性和合理性，支撐機載軟件的質(zhì)量控制及提高。

1 機載軟件質(zhì)量評價

軟件質(zhì)量評價技術(shù)作為軟件質(zhì)量控制的核心內(nèi)容一直受到國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注。然而，軟件是智力的產(chǎn)物，具有很高的復(fù)雜性、不確定性和不可見性，因而增加了軟件質(zhì)量評價的難度，也使軟件質(zhì)量評價成為許多計算機專家和質(zhì)量評價專家新的研究課題。已有的研究表明，由于軟件自身的特點以及人們認(rèn)識水平的限制，因此對軟件質(zhì)量的評價往往是眾多因素的有機整合。

GJB 2434A-2004《軍用軟件產(chǎn)品評價》[1]定義了我國軍用軟件產(chǎn)品評價的基本過程。一般的軟件質(zhì)量評價過程包括質(zhì)量模型建立、評價方法制定及評價執(zhí)行。具體見圖1。

圖1 軍用軟件產(chǎn)品評價的基本過程

1.1 質(zhì)量模型建立

針對軟件的質(zhì)量評價工作應(yīng)首先建立質(zhì)量模型，以評價目的為出發(fā)點，以軟件的基本屬性、特性及研制過程中的相關(guān)功能特點為基礎(chǔ)，選取適合于機載軟件的質(zhì)量模型，并合理定義機載軟件質(zhì)量屬性、子屬性、度量元及關(guān)系，構(gòu)成質(zhì)量模型。

1.2 評價方法制定

在完成評價模型的選取及不同屬性的確定后，如何實現(xiàn)對于同一系統(tǒng)下不同軟件之間的合理評價是保證整個評價過程公平、可信的關(guān)鍵。因此，合理、科學(xué)的軟件質(zhì)量評價準(zhǔn)則是評價結(jié)果有效的重要保證。軟件質(zhì)量評價準(zhǔn)則包括對每個度量元的測量結(jié)果的處理、主屬性及子屬性的評價準(zhǔn)則和整體質(zhì)量模型評價準(zhǔn)則的確定。

1.3 評價執(zhí)行

在完成軟件質(zhì)量模型及與之相匹配的評價準(zhǔn)則制定后，即可進行相關(guān)的評價工作。此階段主要包括數(shù)據(jù)資料采集、數(shù)據(jù)處理及評價結(jié)果分析。其中數(shù)據(jù)資料采集即對評價過程中所需的各項度量元數(shù)據(jù)進行收集；數(shù)據(jù)處理即對收集的數(shù)據(jù)進行必要的歸一化運算，使相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)符合；軟件質(zhì)量評價結(jié)果分析即對軟件各質(zhì)量屬性及度量元證據(jù)的分析與解釋說明，該過程結(jié)合根據(jù)評價準(zhǔn)則所得出的評價數(shù)值，可對軟件質(zhì)量的各個方面進行評價及比較，為后期軟件質(zhì)量的提供依據(jù)。這是整個軟件質(zhì)量評價工作的最終環(huán)節(jié)，實現(xiàn)整個質(zhì)量評價工作的閉環(huán)。

2 層次分析法

層次分析法[2][3]是目前應(yīng)用較為廣泛的定性與定量相結(jié)合的決策比較方法，它主要通過將復(fù)雜問題分解為若干個遞進層次，之后對兩兩元素進行對比并確定目標(biāo)的相對重要性，從而確定所有屬性之間的相關(guān)關(guān)系。

該方法通過分析復(fù)雜問題所包含的因素及其相互關(guān)系，將問題分解為不同的要素，并將這些要素歸為不同的層次，在每一層次按某一規(guī)定準(zhǔn)則，對該層要素進行逐對比較，采用量化的形式表現(xiàn)兩兩元素間的相對重要度，并以此建立判決矩陣。之后，通過計算判決矩陣的最大特征值以及對應(yīng)的正交化特征向量，即可得出該層要素基于既定準(zhǔn)則的權(quán)重向量。在此基礎(chǔ)上可計算出各層次要素對于總體目標(biāo)的組合權(quán)重，從而獲得不同設(shè)想方案的權(quán)值，為選擇最優(yōu)方案提供依據(jù)。具體步驟為:

● 明確問題。先要明確問題的范圍、提出的具體要求、包含的因素、以及各因素之間的關(guān)系，需要的資料是否己經(jīng)滿足需要;

● 建立問題的遞階層次結(jié)構(gòu)模型；

● 構(gòu)造各層的判斷矩陣并進行一致性檢驗與修正；

● 確定各層元素的優(yōu)先次序。在通過一致性檢驗的判斷矩陣的基礎(chǔ)上，就可以求得表征各元素優(yōu)先次序的權(quán)系數(shù)；

● 進行層次間的排序及一致性檢驗。利用層次間排序的計算結(jié)果，綜合出上一層次的優(yōu)劣順序，然后依據(jù)最后一層各方案的組合權(quán)數(shù)進行排序，最后進行一致性檢驗并作必要的修正。

3 基于層次分析法的軟件質(zhì)量評價

3.1 軟件質(zhì)量模型構(gòu)建

軟件質(zhì)量模型是軟件質(zhì)量評價過程的基礎(chǔ)。本文基于通用軟件質(zhì)量模型，結(jié)合機載嵌入式軟件特點、行業(yè)軟件研制過程數(shù)據(jù)、軟件類型和軟件重要度等級的質(zhì)量屬性，采用了如圖2的機載軟件質(zhì)量模型。

圖2 軟件質(zhì)量模型示意圖

該機載軟件質(zhì)量模型包含軟件功能性、可靠性、效率、可維護性等屬性，其定義如下：

功能性：當(dāng)軟件在指定條件下使用時，軟件產(chǎn)品提供滿足明確和隱含要求的功能的能力。其包含適合性、準(zhǔn)確性、互操作性3個子屬性。

可靠性：當(dāng)軟件在指定條件下使用時，軟件產(chǎn)品維持規(guī)定的性能級別的能力。由于軟件本身不會損耗或老化，則主要由軟件需求、設(shè)計和代碼中的缺陷影響軟件可靠性。其包含成熟性、容錯性兩個子屬性。

效率：在規(guī)定條件下，軟件產(chǎn)品提供適當(dāng)性能的能力。其包含時間屬性、資源利用性兩個子屬性。

可維護性：考察軟件產(chǎn)品可被修改的能力，以及自我檢測能力。其包含軟件復(fù)雜性、穩(wěn)定性、易測試性三個子屬性。

后續(xù)的評價過程研究即以上述模型為基礎(chǔ)進行。

3.2 基于層次分析法的質(zhì)量評價過程

從上節(jié)的質(zhì)量模型可知，對軟件質(zhì)量的評價過程涉及到不同階段、不同維度的多重數(shù)據(jù)屬性。在當(dāng)前的工程實施過程中，包括權(quán)重值確定、綜合評價方法等評價的主要過程一般都利用專家經(jīng)驗直接給出。然而，專家決策法雖然能將專家的寶貴工程經(jīng)驗應(yīng)用于工程中，但是由于人自身的局限，其給出的評價關(guān)鍵數(shù)據(jù)往往帶有極大的主觀性，影響了權(quán)重值確定的穩(wěn)定性。而層次分析法可以更好地對專家經(jīng)驗進行處理，使得權(quán)重值的確定結(jié)果更加合理。有研究表明，采用層次分析法確定的權(quán)重系數(shù)比直接采用專家經(jīng)驗法確定的權(quán)重系數(shù)更加精確可信。

同時，由于當(dāng)前采用的質(zhì)量模型為層次結(jié)構(gòu)，在確定各屬性的基礎(chǔ)上，又包含其下一層的各度量元，即形成了一種多層次、多元素的屬性模型特點。而此種情況恰恰符合層次分析法的應(yīng)用范疇。同時，層次分析法作為一種較為成熟的多屬性決策方法，具有較好的方法成熟度。因此，本文采用該方法作為機載軟件質(zhì)量評價的工程應(yīng)用。

基于層次分析法的機載軟件質(zhì)量方法如下。

3.2.1 建立判斷矩陣

記軟件質(zhì)量E所支配的子特性集合為E。針對E=（U1，U2，…Un），決策者逐個比較子特性Ui和Uj相對而言誰更重要，重要程度如何，由此可以得到一個重要性比例標(biāo)度。

標(biāo)度是量化定性判斷的一種尺度，其內(nèi)涵不僅僅是賦予每個重要程度定性表示的定量數(shù)值，更重要的是其定量值應(yīng)符合各定性重要程度之間的相互關(guān)系。目前存在著許多種標(biāo)度，較典型的有：1～9標(biāo)度；0～2標(biāo)度等等。其中1～9標(biāo)度具有較強的心理學(xué)基礎(chǔ)，應(yīng)用最為廣泛。1～9標(biāo)度形式的重要性判別比例標(biāo)度的內(nèi)容及解釋見表2。

比例標(biāo)度含義1 3兩個元素相比，具有相同的重要性兩個元素相比，前者比后者稍重要5兩個元素相比，前者比后者明顯重要7兩個元素相比，前者比后者強烈重要9兩個元素相比，前者比后者極端重要2，4，6，8表示上述相鄰判斷的中間值

3.2.2 求解權(quán)重向量

進行歸一化求解即可得每個子特性Ui的權(quán)重值為Wi：

進而可求得子特性的權(quán)重向量W={w1，…，

3.2.3 一致性校驗

利用一致性比例CR來檢驗判斷矩陣是否具有一致性，即若CR≤0.1，則判斷矩陣A=(ai j)n× n具有滿意的一致性，則由其導(dǎo)出的特征向量即可作為子特性的權(quán)重向量。

對于判斷矩陣A=(ai j)n× n，其具有正互反性是顯而易見的，由上式求得權(quán)重向量W={w1，…，wn}，首先計算：

則對照可得判斷矩陣A的最大特征值為：

TP31

C

1003–6660（2014）06–0011–04

10.13237/j.cnki.asq.2014.06.003

2014-09-09