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(jī)載軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)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(duì)機(jī)載軟件的功能及產(chǎn)品特點(diǎn)，以ISO/IEC 9126和GJB 5236層次模型為支撐，形成機(jī)載軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐，從而達(dá)到提高現(xiàn)代航空軟件研制過程質(zhì)量的目的。

機(jī)載軟件；質(zhì)量評(píng)價(jià)；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(shí)現(xiàn)的功能所占比例也不斷增長(zhǎng)，從而對(duì)于軟件的依賴性越來越大，美國的殲擊機(jī)每更新一代，其由軟件實(shí)現(xiàn)的功能就增長(zhǎng)一倍，美國F22及其之后的F35軟件所支持的功能比例高達(dá)80%以上。故軟件能否正確運(yùn)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(duì)型號(hào)軟件的驗(yàn)收過程并無成體系的評(píng)價(jià)方法，只是通過傳統(tǒng)的軟件測(cè)評(píng)工作來保證。但是軟件測(cè)評(píng)僅是針對(duì)于代碼級(jí)的軟件缺陷進(jìn)行挖掘和統(tǒng)計(jì)，并未立足于軟件工程化角度，從整個(gè)軟件產(chǎn)品研制過程的各個(gè)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(píng)價(jià)及綜合評(píng)價(jià)，不能為軟件產(chǎn)品的驗(yàn)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(píng)價(jià)過程中度量元選定的前提下，研究評(píng)價(jià)法則制定及評(píng)價(jià)過程。通過上述過程，可有效保證軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)過程及結(jié)果的科學(xué)性和合理性，支撐機(jī)載軟件的質(zhì)量控制及提高。

1 機(jī)載軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)

軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的難度，也使軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)成為許多計(jì)算機(jī)專家和質(zhì)量評(píng)價(jià)專家新的研究課題。已有的研究表明，由于軟件自身的特點(diǎn)以及人們認(rèn)識(shí)水平的限制，因此對(duì)軟件質(zhì)量的評(píng)價(jià)往往是眾多因素的有機(jī)整合。

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

圖1 軍用軟件產(chǎn)品評(píng)價(jià)的基本過程

1.1 質(zhì)量模型建立

針對(duì)軟件的質(zhì)量評(píng)價(jià)工作應(yīng)首先建立質(zhì)量模型，以評(píng)價(jià)目的為出發(fā)點(diǎn)，以軟件的基本屬性、特性及研制過程中的相關(guān)功能特點(diǎn)為基礎(chǔ)，選取適合于機(jī)載軟件的質(zhì)量模型，并合理定義機(jī)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(píng)價(jià)方法制定

在完成評(píng)價(jià)模型的選取及不同屬性的確定后，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)于同一系統(tǒng)下不同軟件之間的合理評(píng)價(jià)是保證整個(gè)評(píng)價(jià)過程公平、可信的關(guān)鍵。因此，合理、科學(xué)的軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是評(píng)價(jià)結(jié)果有效的重要保證。軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則包括對(duì)每個(gè)度量元的測(cè)量結(jié)果的處理、主屬性及子屬性的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和整體質(zhì)量模型評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的確定。

1.3 評(píng)價(jià)執(zhí)行

在完成軟件質(zhì)量模型及與之相匹配的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則制定后，即可進(jìn)行相關(guān)的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)結(jié)果分析。其中數(shù)據(jù)資料采集即對(duì)評(píng)價(jià)過程中所需的各項(xiàng)度量元數(shù)據(jù)進(jìn)行收集；數(shù)據(jù)處理即對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的歸一化運(yùn)算，使相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)符合；軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果分析即對(duì)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(píng)價(jià)準(zhǔn)則所得出的評(píng)價(jià)數(shù)值，可對(duì)軟件質(zhì)量的各個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)及比較，為后期軟件質(zhì)量的提供依據(jù)。這是整個(gè)軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)工作的最終環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)質(zhì)量評(píng)價(jià)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(gè)遞進(jìn)層次，之后對(duì)兩兩元素進(jìn)行對(duì)比并確定目標(biāo)的相對(duì)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(duì)該層要素進(jìn)行逐對(duì)比較，采用量化的形式表現(xiàn)兩兩元素間的相對(duì)重要度，并以此建立判決矩陣。之后，通過計(jì)算判決矩陣的最大特征值以及對(duì)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(jì)算出各層次要素對(duì)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(jìn)行一致性檢驗(yàn)與修正；

● 確定各層元素的優(yōu)先次序。在通過一致性檢驗(yàn)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(jìn)行層次間的排序及一致性檢驗(yàn)。利用層次間排序的計(jì)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(jìn)行排序，最后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)并作必要的修正。

3 基于層次分析法的軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)

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(píng)價(jià)過程的基礎(chǔ)。本文基于通用軟件質(zhì)量模型，結(jié)合機(jī)載嵌入式軟件特點(diǎn)、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(jí)的質(zhì)量屬性，采用了如圖2的機(jī)載軟件質(zhì)量模型。

圖2 軟件質(zhì)量模型示意圖

該機(jī)載軟件質(zhì)量模型包含軟件功能性、可靠性、效率、可維護(hù)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(shí)，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(gè)子屬性。

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

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

后續(xù)的評(píng)價(jià)過程研究即以上述模型為基礎(chǔ)進(jìn)行。

3.2 基于層次分析法的質(zhì)量評(píng)價(jià)過程

從上節(jié)的質(zhì)量模型可知，對(duì)軟件質(zhì)量的評(píng)價(jià)過程涉及到不同階段、不同維度的多重?cái)?shù)據(jù)屬性。在當(dāng)前的工程實(shí)施過程中，包括權(quán)重值確定、綜合評(píng)價(jià)方法等評(píng)價(jià)的主要過程一般都利用專家經(jīng)驗(yàn)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(yàn)應(yīng)用于工程中，但是由于人自身的局限，其給出的評(píng)價(jià)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(duì)專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(yàn)法確定的權(quán)重系數(shù)更加精確可信。

同時(shí)，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(diǎn)。而此種情況恰恰符合層次分析法的應(yīng)用范疇。同時(shí)，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(jī)載軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)的工程應(yīng)用。

基于層次分析法的機(jī)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(duì)E=（U1，U2，…Un），決策者逐個(gè)比較子特性Ui和Uj相對(duì)而言誰更重要，重要程度如何，由此可以得到一個(gè)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(gè)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(qiáng)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(gè)元素相比，具有相同的重要性兩個(gè)元素相比，前者比后者稍重要5兩個(gè)元素相比，前者比后者明顯重要7兩個(gè)元素相比，前者比后者強(qiáng)烈重要9兩個(gè)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(jìn)行歸一化求解即可得每個(gè)子特性Ui的權(quán)重值為Wi：

進(jìn)而可求得子特性的權(quán)重向量W={w1，…，

3.2.3 一致性校驗(yàn)

利用一致性比例CR來檢驗(yàn)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(duì)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(jì)算：

則對(duì)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