基于目标的信息物理融合系统软件需求分析方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及软件需求分析
，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。
技术介绍
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-PhysicalSystems，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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术提供如下技术方案：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，本专利技术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为本专利技术的流程框图；图2为本专利技术具体实施例中展现用户需求的框图(包括图标含义)；图3为本专利技术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专利技术做进一步详细说明。如图1所示，本专利技术包括以下步骤：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，建本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。
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，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘春，田军锋，左宪禹，韩道军，李征，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：河南;41