大型復(fù)雜裝備軟件需求分析研究

王文基 趙丕福 李偉 呂進(jìn)來

（空軍駐石家莊地區(qū)軍事代表，河北石家莊 050081）

大型復(fù)雜裝備軟件需求分析研究

王文基 趙丕福 李偉 呂進(jìn)來

（空軍駐石家莊地區(qū)軍事代表，河北石家莊 050081）

軟件需求分析作為軟件工程化管理的重要方面和關(guān)鍵首步，已成為大型復(fù)雜裝備研制進(jìn)程中不可或缺的節(jié)點(diǎn)工作。文章以軟件需求分析的主要框架為根本支撐，從軟件全方位質(zhì)量管理的角度強(qiáng)調(diào)了需求分析的地位作用，從軟件開發(fā)過程工程化的角度指出了需求分析的問題現(xiàn)狀，有針對(duì)性地探討了開展軟件需求分析亟待把握的3個(gè)層面。

軟件需求分析 軟件質(zhì)量 需求管理 驗(yàn)證與確認(rèn) 非功能性需求

1 引言

早在20世紀(jì)70年代中期，美國國防部統(tǒng)計(jì)并發(fā)現(xiàn)在失敗的軟件項(xiàng)目中，70%的原因是由于管理不善造成的[1]，由此引發(fā)了軟件工程化管理的熱潮。近年來的軟件質(zhì)量管理和工程實(shí)踐統(tǒng)計(jì)進(jìn)一步表明，在軟件生存周期各個(gè)階段可能引入的錯(cuò)誤或故障比例中，需求分析階段約占57%[2]，因而成為決定軟件運(yùn)行質(zhì)量和可靠性水平的重要因素。近年來，隨著大型復(fù)雜裝備立項(xiàng)研發(fā)的步伐不斷加速和綜合集成建設(shè)的程度不斷深入，各類軟件系統(tǒng)彰顯裝備效能倍增器“神經(jīng)中樞”的特殊地位。作為軟件工程化管理的重要方面和關(guān)鍵首步，軟件需求分析工作日益主導(dǎo)著大型復(fù)雜裝備研制任務(wù)的進(jìn)程乃至成敗。

2 軟件需求分析的主要框架

以螺旋開發(fā)模型為例，軟件研制周期包括8個(gè)基本階段：系統(tǒng)需求分析與設(shè)計(jì)、軟件的需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼與單元測試、集成測試、合格性測試與驗(yàn)收以及系統(tǒng)集成。其中，軟件需求分析至合格性測試階段可進(jìn)行迭代構(gòu)造或并行開發(fā)。

2.1 溯源過程

從遵循復(fù)雜裝備研制規(guī)律的角度考量，用戶提出系統(tǒng)需求，系統(tǒng)工程組整理系統(tǒng)需求后產(chǎn)生分配需求（包括分配給軟件的系統(tǒng)需求、分配給硬件的系統(tǒng)需求和分配給其他成分的系統(tǒng)需求），軟件工程組接受、細(xì)化分配需求的相關(guān)部分并以文檔化的、單獨(dú)的“用戶需求規(guī)格說明”或“軟件研制任務(wù)書”等形式提出“用戶需求”。在修改控制、評(píng)審確認(rèn)和最終狀態(tài)凍結(jié)之前，軟件工程組應(yīng)與硬件工程組、系統(tǒng)工程組（或型號(hào)總體單位）、用戶等多方建立對(duì)“用戶需求”的共同理解，爾后進(jìn)行梳理分析和詳細(xì)描述并按照文檔規(guī)范編寫出“軟件需求規(guī)格說明”。至此，“系統(tǒng)需求”演繹為“軟件需求”。

2.2 目標(biāo)任務(wù)

軟件需求分析階段的主要任務(wù)是：依據(jù)軟件研制任務(wù)書中對(duì)軟件的功能、性能、數(shù)據(jù)和接口等要求逐項(xiàng)細(xì)化，形成“軟件需求規(guī)格說明”，具體包括：①確定軟件配置項(xiàng)的功能、性能、運(yùn)行環(huán)境、接口關(guān)系、可靠性和安全性等要求，對(duì)每項(xiàng)需求進(jìn)行標(biāo)識(shí)[3]；②對(duì)A、B級(jí)軟件進(jìn)行初步SFTA（軟件故障樹分析）和SFMEA（軟件故障模式影響分析），識(shí)別可能的失效模式，完善軟件安全性需求及其分析報(bào)告；③開展項(xiàng)目策劃，編制軟件開發(fā)計(jì)劃（SDP)、產(chǎn)品與過程質(zhì)量保證計(jì)劃（SQAP)、配置管理計(jì)劃（SCMP）以及軟件測量分析計(jì)劃和配置項(xiàng)測試計(jì)劃；④編制需求跟蹤矩陣，建立每項(xiàng)需求對(duì)軟件研制任務(wù)書的追蹤關(guān)系；⑤組織軟件需求規(guī)格說明和項(xiàng)目策劃等各項(xiàng)計(jì)劃的評(píng)審，建立軟件分配基線。

2.3 要求準(zhǔn)則

軟件需求分析應(yīng)是：①必要可行性：所述需求對(duì)完成指定的任務(wù)而言是必須的而非可有可無的，且在指定的條件下應(yīng)使后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測試和維護(hù)都是可行的；②非退化性：引入任一需求應(yīng)不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的退化；③完備性：需求定義應(yīng)覆蓋“軟件研制任務(wù)書”的全部（功能、性能、質(zhì)量）要求和設(shè)計(jì)限制（如：使用覆蓋矩陣或交叉引用表）；④一致性：各個(gè)需求之間不能存在沖突和矛盾，且不能以2種前后矛盾的、不相容的語言或方式陳述同一需求；⑤可追溯性：所有需求均源自“軟件研制任務(wù)書”且“軟件研制任務(wù)書”中的所有項(xiàng)目均落實(shí)至需求，需求定義應(yīng)便于后續(xù)開發(fā)的回溯；⑥可驗(yàn)證性：陳述需求時(shí)所用術(shù)語應(yīng)是定量的、能度量的和可測試的，且應(yīng)盡可能對(duì)每一需求都指定驗(yàn)證過程[4]。

3 軟件需求分析的地位作用

良好的軟件需求分析不僅要確定關(guān)鍵功能/性能需求，還需確定關(guān)鍵質(zhì)量特性需求。美國質(zhì)量管理協(xié)會(huì)（ASQC)將“質(zhì)量”解釋為“產(chǎn)品或服務(wù)內(nèi)在特性與外在特性的總和，以此構(gòu)成其滿足給定需求的能力”[5]。GJB5326-2004《軍用軟件質(zhì)量度量》對(duì)于質(zhì)量的定義是“實(shí)體特性的總和，表示實(shí)體滿足明確或隱含要求的能力”。據(jù)此推斷，軟件需求與軟件質(zhì)量的關(guān)系分為3個(gè)層面理解：①軟件質(zhì)量是各種特性的復(fù)雜組合，用以滿足用戶明示的、隱含的或必須履行的需求和期望，即與軟件需求相吻合；②軟件質(zhì)量可以通過測量內(nèi)部質(zhì)量特性或外部質(zhì)量特性或使用質(zhì)量特性進(jìn)行評(píng)價(jià)；③軟件需求逐層演進(jìn)、細(xì)化融合為軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，質(zhì)量需求。軟件需求、質(zhì)量需求和質(zhì)量度量三者關(guān)系如圖1所示。

圖1 軟件需求、質(zhì)量需求和質(zhì)量度量三者關(guān)系圖

在軟件需求分析中，用戶質(zhì)量要求映射為系統(tǒng)行為，并通過軟件需求規(guī)格說明描述了外部質(zhì)量需求；在軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)中，外部質(zhì)量需求映射為軟件特性，并通過軟件設(shè)計(jì)與編碼描述了內(nèi)部質(zhì)量需求。軟件內(nèi)部質(zhì)量是基于內(nèi)部視角的質(zhì)量特性總體，通過代碼實(shí)現(xiàn)、單元或集成測試和評(píng)審表示軟件質(zhì)量；軟件外部質(zhì)量是基于外部視角的質(zhì)量特性總體，通過模擬環(huán)境中的合格性測試表示軟件質(zhì)量；軟件使用質(zhì)量是基于用戶視角的、用于指定環(huán)境或使用周境的質(zhì)量特性總體，通過用戶在特定環(huán)境中使用產(chǎn)品時(shí)能感受的滿意程度表示軟件質(zhì)量。

軟件質(zhì)量特性的功能性、可靠性、易用性、效率、維護(hù)性、可移植性及其分解演化出的27個(gè)質(zhì)量子特性用于度量軟件內(nèi)部和外部質(zhì)量；軟件質(zhì)量特性的有效性、生產(chǎn)率、安全性和滿意度用于度量軟件使用質(zhì)量。

軟件內(nèi)部質(zhì)量驗(yàn)證內(nèi)部質(zhì)量需求，并指示了軟件外部質(zhì)量；軟件外部質(zhì)量確認(rèn)外部質(zhì)量需求，并指示了軟件使用質(zhì)量；軟件使用質(zhì)量證實(shí)/反饋用戶質(zhì)量要求，并指示了用戶對(duì)使用軟件的感受，即用戶對(duì)軟件需求的滿意程度。

軟件需求分析是實(shí)施軟件全方位質(zhì)量管理的重要方面。在軟件需求、質(zhì)量需求（要求）、質(zhì)量度量和用戶滿意度之間形成控制閉環(huán)態(tài)勢下，軟件需求分析在軟件質(zhì)量逐層累積、修正改進(jìn)和聚合優(yōu)化的進(jìn)程中占據(jù)主導(dǎo)地位并與軟件質(zhì)量形成內(nèi)在統(tǒng)一體。

4 軟件需求分析的問題現(xiàn)狀

影響軟件需求的主要因素是用戶擔(dān)負(fù)的使命任務(wù)對(duì)裝備系統(tǒng)需求及其變化。當(dāng)前的軟件需求分析工作中普遍存在的傾向是，軟件工程組缺乏對(duì)用戶需求準(zhǔn)確和透徹的理解，甚至對(duì)于基本的系統(tǒng)構(gòu)成原理和性能指標(biāo)概念只停留于模糊的認(rèn)知，致使“系統(tǒng)需求”難以被完全量化和合理分配至“軟件需求”之中，從而出現(xiàn)了“系統(tǒng)需求”與“軟件需求”之間的正逆向追蹤脫節(jié)甚至錯(cuò)位。主要原因有3個(gè)：

①用戶的主導(dǎo)地位未充分體現(xiàn)：造成開發(fā)人員與用戶之間難以達(dá)成對(duì)需求的共同研究與理解，開發(fā)人員偏重于從技術(shù)層面考慮問題，缺乏對(duì)用戶及其工作的實(shí)地感知與全面分析，導(dǎo)致對(duì)復(fù)雜裝備系統(tǒng)的任務(wù)流程、所屬軟件系統(tǒng)必備的功能/性能缺乏深刻的掌控，無法進(jìn)行清晰而細(xì)致的需求分解與實(shí)時(shí)而縝密的需求跟蹤；

②需求的層次性未精確定位：軟件工程過程的特質(zhì)決定了對(duì)系統(tǒng)需求是分層提取融合的（從用戶需求、軟件需求、設(shè)計(jì)需求和代碼需求逐層細(xì)化分解），即必須在建立軟件需求“原型”的基礎(chǔ)上經(jīng)過“多次迭代開發(fā)”才能滲透用戶需求，系統(tǒng)工程組寄希望于在軟件立項(xiàng)、總體方案階段把用戶的需求搞清楚和吃透徹的做法往往事與愿違，導(dǎo)致整理提供的需求報(bào)告顯得宏觀有余且微觀不足；

③“輕需求、重設(shè)計(jì)”的意識(shí)未徹底糾正：即使是在具有較高承研資質(zhì)和深厚底蘊(yùn)的科研院所，仍然有部分設(shè)計(jì)人員為壓縮軟件開發(fā)周期和降低軟件研制成本，以面向程序代替面向用戶的做法忽視和弱化了需求分析[6]，導(dǎo)致用戶與設(shè)計(jì)人員之間形成了需求紊亂和構(gòu)想偏差，無法為后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測試以及軟件定型工作提供經(jīng)過驗(yàn)證與確認(rèn)程序的輸入依據(jù)。

圖2 基于軟件需求開發(fā)的閉環(huán)管理模型

著名航天軟件專家Nancy Leveson總結(jié)軟件在航天任務(wù)事故中的作用時(shí)曾言:“幾乎與軟件相關(guān)的航空航天事故都與軟件需求缺陷以及對(duì)軟件需求的錯(cuò)誤理解有關(guān)[7]?！避浖枨蠓治鍪菍?shí)施軟件開發(fā)過程工程化的關(guān)鍵首步，任何需求增量的出現(xiàn)和變化必然引起軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的頻繁更改、軟件技術(shù)狀態(tài)的不斷演進(jìn)和反復(fù)迭代，亟需軟件工程組、軟件承研單位和用戶予以高度重視。動(dòng)”，必須制定清晰的規(guī)則用以指明接收需求的合適渠道或正式來源，并密切會(huì)同用戶及其代表、行業(yè)專家進(jìn)行任務(wù)開發(fā)、分析、捕獲和修訂，確保對(duì)需求的含義達(dá)成共識(shí)；“需求承諾”在獲取了一致性的需求后由軟件項(xiàng)目組內(nèi)部達(dá)成，確保項(xiàng)目參與者對(duì)經(jīng)批準(zhǔn)的需求完成兌現(xiàn)，以及在需求計(jì)劃、活動(dòng)和更改過程中做出承諾；“需求更改”是基于已有的需求、設(shè)計(jì)或?qū)崿F(xiàn)的更改進(jìn)行的，并用于有效地分析更改的影響、清晰地記錄更改的來源和理由；需求跟蹤和“標(biāo)識(shí)不一致性”是建立、維護(hù)和糾正從源需求至低層需求的雙向可追溯性過程，用以確定所有處理過的源需求和保證所有的底層需求（產(chǎn)品和產(chǎn)品部件需求）能夠被追溯至有效的來源。

（2）需求管理的分類實(shí)施

對(duì)于探索性預(yù)研類裝備，初始階段缺乏完整意義上的軟件需求，其需求理解的過程即是需求不斷完善的過程，所以管理的重點(diǎn)是需求的全面理解及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，不強(qiáng)調(diào)對(duì)需求更改進(jìn)行嚴(yán)格控制；對(duì)于型號(hào)研制類（包括初樣研制和正樣研制）裝備，初樣研制類裝備以需求理解和需求承諾為主，并在需求逐級(jí)細(xì)化時(shí)嚴(yán)格控制過程更改，正樣研制類裝備則以控制需求更改為主；對(duì)于定型類（主要面向設(shè)計(jì)定型）裝備，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)軟件的穩(wěn)定性和一致性，必須嚴(yán)格需求更改和配置庫控制。

5 軟件需求分析的關(guān)注層面

5.2 不斷完善軟件的驗(yàn)證與確認(rèn)

大型復(fù)雜裝備軟件需求分析交叉并約束于軟件工程化管理多個(gè)工作剖面，著力完善并加強(qiáng)與之相關(guān)鏈接的過程控制和質(zhì)量管理尤為必要。

5.1 全面落實(shí)軟件需求管理

用戶的高滿意度以及與系統(tǒng)需求較好的吻合程度，是開展軟件需求管理的最高宗旨。在GJB5000A-2008《軍用軟件研制能力成熟度模型》中，以“需求開發(fā)”為作用對(duì)象的“需求管理”過程域由5個(gè)專用實(shí)踐進(jìn)行描述[8]。據(jù)此可建立基于軟件需求開發(fā)的閉環(huán)管理模型，如圖2所示。

（1）需求管理的專用實(shí)踐

“需求理解”是需求開發(fā)的初始來源，為了避免需求“蠕

大型復(fù)雜裝備研制的技術(shù)特點(diǎn)和管理經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表明：在研制周期的每個(gè)階段必須對(duì)相應(yīng)的軟件產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)審確認(rèn)，在軟件研制周期的測試階段必須對(duì)各個(gè)階段的產(chǎn)品進(jìn)行測試驗(yàn)證[9]。據(jù)此在需求分析階段軟件的驗(yàn)證與確認(rèn)工作有：加強(qiáng)測試需求分析、加強(qiáng)評(píng)審確認(rèn)和測試驗(yàn)證。

（1）加強(qiáng)測試需求分析

分解測試類型（軟件測試類型包括：文檔審查、代碼審查、靜態(tài)分析、功能測試、性能測試、接口測試，以及強(qiáng)度、壓力、余量、邊界和可靠性測試等），結(jié)合被測軟件需求規(guī)格說明，對(duì)每個(gè)測試類型的狀態(tài)、接口、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)約束等提出測試要求；確定測試項(xiàng)，將每個(gè)測試類型中包含的測試項(xiàng)以及測試項(xiàng)的充分性要求，作為測試用例設(shè)計(jì)的依據(jù)并同時(shí)明確測試項(xiàng)的測試終止條件；測試項(xiàng)追蹤，建立測試需求規(guī)格說明與被測軟件需求規(guī)格說明之間的追溯關(guān)系，確保前者包含的測試項(xiàng)覆蓋后者的所有規(guī)定；輸出軟件測試需求規(guī)格說明、軟件測評(píng)大綱和軟件合格性測試計(jì)劃。

（2）加強(qiáng)評(píng)審確認(rèn)和測試驗(yàn)證

評(píng)審確認(rèn)的重點(diǎn)工作是，對(duì)于一般等級(jí)的軟件，由項(xiàng)目管理者、系統(tǒng)分析師和軟件測試管理者以同行評(píng)審的方式，確認(rèn)構(gòu)造的軟件需求是否正確地滿足預(yù)期的使用環(huán)境；對(duì)于關(guān)鍵和重要等級(jí)的軟件，還需要以外部評(píng)審的方式，由型號(hào)總體、軟件工程組、軟件專家和用戶及其代表等人員聯(lián)合對(duì)軟件測試需求、軟件測評(píng)大綱（含合格性初步測試計(jì)劃、測試用例）的完整性、準(zhǔn)確性、一致性、符合性、規(guī)范性、可驗(yàn)證性和可追蹤性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)配置管理和質(zhì)量保證工作執(zhí)行情況進(jìn)行審查。測試驗(yàn)證的主要工作是，針對(duì)需求分層細(xì)化的特性，將目標(biāo)性需求、要素分解性需求、業(yè)務(wù)流程性需求和操作性需求的所屬過程階段精確定標(biāo)，在反復(fù)進(jìn)行軟件測試需求收集、定義、記錄和演進(jìn)的同時(shí)，運(yùn)用人工、結(jié)構(gòu)化、形式化以及仿真模型等方法和工具實(shí)施綜合檢測，驗(yàn)證是否正確地構(gòu)造了滿足預(yù)期使用環(huán)境的軟件需求。

5.3 高度重視軟件的非功能性需求

軟件的非功能性需求包括性能需求（如軟件的執(zhí)行速度、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間等）、接口需求和屬性需求（如可靠性、安全性、可維護(hù)性和可移植性等）。在描述軟件性能需求時(shí)，確保需求量化的同時(shí)要避免將系統(tǒng)的性能指標(biāo)等同并嫁接于軟件本身。在確定軟件可靠性需求時(shí)，應(yīng)依托軟件錯(cuò)誤報(bào)告、分析與糾正措施系統(tǒng)（SFRACAS)制定和實(shí)施可靠性數(shù)據(jù)收集、儲(chǔ)存、分析和處理規(guī)程，結(jié)合項(xiàng)目開發(fā)計(jì)劃階段作出的可靠性預(yù)計(jì)進(jìn)一步細(xì)化形成可靠性需求，建立具體的可靠性指標(biāo)并制定操作性較強(qiáng)的可靠性測試計(jì)劃。在分析軟件安全性需求時(shí)，應(yīng)審查系統(tǒng)級(jí)的軟件需求、接口文檔和正在進(jìn)行的軟件需求規(guī)格說明編制工作，便于：①標(biāo)識(shí)安全性關(guān)鍵的軟件需求；②確保高級(jí)安全性需求分解的正確性和完備性；③靈活運(yùn)用安全需求流向分析、時(shí)間與吞吐量及空間分析、基于功能的SFTA、SFMEA等方法開展軟件需求安全分析[10]；④為設(shè)計(jì)和測試過程提供與安全性有關(guān)的建議。

6 結(jié)束語

大型復(fù)雜裝備軟件需求分析工作是用戶完善裝備科研生產(chǎn)監(jiān)督控制鏈中的特別關(guān)注科目，是開展承研資質(zhì)評(píng)定與產(chǎn)品質(zhì)量審核的必然聯(lián)結(jié)點(diǎn)。隨著GJB9001B全面推廣與GJB5000A-2008實(shí)踐績效的趨同融合,基于軟件需求分析面向破解軟件增量式開發(fā)的綜合保障瓶頸、拓展裝備定型測評(píng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化覆蓋和支撐裝備常態(tài)化運(yùn)用的可靠性評(píng)估等方面細(xì)化推進(jìn)，為深入實(shí)施信息系統(tǒng)的可恢復(fù)性經(jīng)濟(jì)分析和有效履行裝備審價(jià)提供了項(xiàng)目級(jí)的控制策略。近年來的工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、風(fēng)險(xiǎn)特性管理以及用戶態(tài)勢反饋表明：軟件需求即工程質(zhì)量需求，質(zhì)量需求即戰(zhàn)斗力需求。

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Analysis and Research on software Requirements of Large-scale and Complex Equipment

WANG Wen-ji,ZHAO Pi-fu,LI Wei,LV Jin-lai
(Military Representative Office of PLA Air Force Stationed in Shijiazhuang Region,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

The software requirement analysis is the important direction and critical step in software engineering management,and so it is an indispensable work in the development of large-scale and complex equipment.Based on main framework of software requirement analysis,this paper introduces the significance of requirement analysis from overall quality management of software,and analyzes the present status of requirement analysis from engineering implement of software development process.The three aspects to be mastered in performing software requirement analysis are discussed.

software requirement analysis;software quality;requirement management;verification&validation;non-functional requirement

TP311

A

1008-1739（2015）23-72-4

定稿日期：2015-11-12