郭新峰，馬世龍，呂江花，李睿

（1.山西大學(xué) 軟件學(xué)院，山西 太原 030013；2. 北京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100191）

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擴(kuò)展斷言知識(shí)檢驗(yàn)一致的需求建模方法

郭新峰1，馬世龍2，呂江花2，李睿2

（1.山西大學(xué) 軟件學(xué)院，山西 太原 030013；2. 北京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100191）

保證需求完整一致是需求建模的關(guān)鍵，文中提出一種基于知識(shí)庫(kù)推理檢驗(yàn)一致性的需求建模方法，該方法在建模中引入本體以增強(qiáng)表達(dá)能力，并結(jié)合語(yǔ)義建立約束規(guī)則構(gòu)建需求模型知識(shí)庫(kù)，基于描述邏輯描述需求和檢驗(yàn)需求一致性，將需求建模過(guò)程作為斷言知識(shí)庫(kù)的擴(kuò)展過(guò)程，把需求完整性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為需求一致性問(wèn)題，并歸結(jié)其為規(guī)則約束下的可滿足問(wèn)題。利用Tableau算法等實(shí)現(xiàn)需求一致性的檢驗(yàn)，在整個(gè)建?；顒?dòng)中保證需求一致。應(yīng)用實(shí)踐中使用自行編制的ROB半自動(dòng)建模軟件進(jìn)行需求建模與分析，驗(yàn)證了建模方法的需求一致性，并通過(guò)案例說(shuō)明了擴(kuò)展斷言知識(shí)庫(kù)檢驗(yàn)一致的需求建模過(guò)程。

需求模型；一致性；完整性；多視點(diǎn)；描述邏輯；知識(shí)庫(kù)；可滿足性；Tableau；需求工程

軟件依據(jù)需求而建模，需求建模目的是抽取和驗(yàn)證需求，以期真實(shí)可靠、穩(wěn)定。需求是人們對(duì)真實(shí)世界現(xiàn)象的期望，由于人類認(rèn)識(shí)常存在矛盾，需求不一致難以避免：1）需求沖突、語(yǔ)義矛盾；2）需求信息不完整、模糊；3）需求冗余是需求不一致的根本原因[1-2]。目前相關(guān)研究有一些成果，如Nuseibeh等提出不一致需求管理框架[3]，認(rèn)為不一致的需求是不滿足規(guī)則的命題，而任何需求建模方法隱含一組檢驗(yàn)規(guī)則；還有一些相關(guān)研究是多視點(diǎn)需求建模的不一致管理[4]，認(rèn)為需求的不一致源自不同角度的認(rèn)識(shí)和表達(dá)，從不同視點(diǎn)將系統(tǒng)分解為多個(gè)局部視圖，分別獲取需求完整建模，在集成過(guò)程中檢測(cè)不一致；而王學(xué)智等對(duì)C4ISR系統(tǒng)能力需求中存在的不一致問(wèn)題深入分析，構(gòu)建能力模糊本體，研究了能力需求模型一致性驗(yàn)證技術(shù)[5]。

需求不一致的處理方法主要有：1）邏輯推理證明方法采用帶標(biāo)記的邏輯公式作為需求表示形式，通過(guò)禁止所有平凡推理暫時(shí)容忍不一致需求，然后維護(hù)需求一致性斷言集并設(shè)置需求優(yōu)先級(jí)別，檢測(cè)、跟蹤并自動(dòng)處理不一致需求；2）模型檢驗(yàn)方法采用狀態(tài)變遷作為需求建模原則，并利用模型檢驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行需求不一致性處理；3）基于目標(biāo)的方法區(qū)分了需求不一致的4種程度，包括矛盾、分歧、競(jìng)爭(zhēng)和障礙，通過(guò)檢測(cè)和處理分歧解決不一致問(wèn)題。這些研究成果已有很多應(yīng)用，在一些特定領(lǐng)域取得很好效果，為相關(guān)研究做出很多有益指導(dǎo)，但這一過(guò)程對(duì)建模人員有較高的知識(shí)要求，缺少更接近普通認(rèn)知的過(guò)渡，進(jìn)一步的應(yīng)用受到很大限制，其根本原因是不能將易理解方便溝通與高度自動(dòng)化形式化2個(gè)要求統(tǒng)一起來(lái)，導(dǎo)致需求模型難以與實(shí)際對(duì)應(yīng)，建模理論難以轉(zhuǎn)換為實(shí)際應(yīng)用，需求分析管理自動(dòng)化程度和智能化水平不高?；谫Y源、組織與業(yè)務(wù)的需求模型（requirement model on resources, organization and business, ROB），用人們認(rèn)識(shí)世界的一般方法抽取需求，將數(shù)據(jù)、角色和功能指稱到描述真實(shí)世界的資源、組織與業(yè)務(wù)，從不同視角基于遞歸分解思想將需求抽象為需求樹(shù)，以期確定、完整一致的表達(dá)需求。文中在ROB基礎(chǔ)上提出建立ROB知識(shí)庫(kù)，通過(guò)知識(shí)推理檢驗(yàn)需求一致性，并將一致需求增加到斷言知識(shí)庫(kù)中，形成逐步擴(kuò)展斷言庫(kù)的需求建模方法，保證了需求完整性、一致性。

1 ROB結(jié)構(gòu)

ROB從3個(gè)視點(diǎn)（資源、組織與業(yè)務(wù)）進(jìn)行需求分析，形成多視點(diǎn)結(jié)構(gòu)：1）業(yè)務(wù)視點(diǎn)通過(guò)分類、分解的方法分析業(yè)務(wù)以描述功能需求；2）組織視點(diǎn)分析角色權(quán)限和人為活動(dòng)等需求；3）資源視點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)需求。

ROB具有層次結(jié)構(gòu)：1）資源層建立數(shù)據(jù)模型形成數(shù)據(jù)需求；2）組織層將參與者抽象為角色，通過(guò)權(quán)限、關(guān)系建立需求模型；3）業(yè)務(wù)層為真實(shí)模擬業(yè)務(wù)活動(dòng)過(guò)程，從業(yè)務(wù)分解與協(xié)同（角色、資源與業(yè)務(wù)協(xié)作）建立功能需求模型。ROB層次間具有關(guān)聯(lián)。

ROB基于遞歸分解的思想：1）業(yè)務(wù)分為復(fù)合業(yè)務(wù)和活動(dòng)；復(fù)合業(yè)務(wù)由一組更基本的業(yè)務(wù)構(gòu)成，這些基本業(yè)務(wù)之間存在線性、并行等關(guān)系，即業(yè)務(wù)流；活動(dòng)是最基本的業(yè)務(wù)，包括角色、資源和API；API定義為五元組，包括前置條件、起始狀態(tài)、過(guò)程狀態(tài)、終止?fàn)顟B(tài)和目標(biāo)狀態(tài)。2）組織分為機(jī)構(gòu)組織和角色；機(jī)構(gòu)組織由更基本的機(jī)構(gòu)組織構(gòu)成，這些基本組織間存在轄制關(guān)系；角色是最基本的組織，角色在特定資源上具有一組操作能力。3）資源分為復(fù)合資源和原子資源；復(fù)合資源可由更基本的資源構(gòu)成，這些基本資源可分為主資源和非主資源，二者有確定的函數(shù)依賴關(guān)系；原子資源是最基本的資源，由一組屬性組成，包括主屬性和非主屬性，主屬性和非主屬性間存在確定的函數(shù)依賴關(guān)系。ROB將需求抽象為統(tǒng)一的樹(shù)形模型，如圖1所示。

2 ROB本體概念體系

從需求理解的角度看，需求工程依賴于人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)識(shí)程度，現(xiàn)實(shí)世界被抽象為概念與關(guān)系，因此在需求工程中引入本體增強(qiáng)了表達(dá)能力，在很大程度上滿足了需求分析的要求。本體是相關(guān)專題的基本術(shù)語(yǔ)和關(guān)系，以及利用這些術(shù)語(yǔ)和關(guān)系構(gòu)成該專題的規(guī)則的集合[6]，本體是領(lǐng)域概念模型的顯示表示[7]。陸汝鈐等將對(duì)象和本體結(jié)合，提出面向本體的需求分析OORA[8]，此后本體論應(yīng)用于需求工程的研究有了很大發(fā)展，如金芝等提出的基于問(wèn)題框架的需求建模[9]。

2.1 ROB本體概念層次

本體概念是ROB 建模全過(guò)程所有方法及對(duì)象分類的概括，主要包括需求任務(wù)（Errand）、業(yè)務(wù)功能（Business）、執(zhí)行模塊（Task）、業(yè)務(wù)狀態(tài)（State）、組織與角色 （Organization）、資源（Resource）、需求任務(wù)類型（ERdType）、資源類型（RscType）和操作類型（OptType）。ROB 本體概念層次結(jié)構(gòu)如圖2所示，T表示ROB 本體概念全域。Errand分為基本簡(jiǎn)單任務(wù)（Basic）和復(fù)合任務(wù)（Composite）；Task分為前置模塊（Pretask）和核心模塊（Stage）；State分為前置條件（Precondit）、輸入（Input）、過(guò)程（Procedure）、輸出（Output）和后置服務(wù)（Postcondi）；Organization分為部門（Department）和角色（Role），Department分為領(lǐng)導(dǎo)（Leader）和員工（Subject）；Resource分為元素（Element）和屬性（Attribute），Element分為主成員（Key）和普通成員（Member）；Attribute 有一組操作權(quán)限。

圖2 ROB本體概念層次

2.2 ROB模型本體關(guān)系

ROB 本體中概念不是孤立存在的，概念間存在關(guān)系，主要包括：1）isA，描述格式為isA （A,B），表示A是B的子類（subclass）；2）hasRsc，描述格式為 hasRsc（A,B），語(yǔ)義解釋為一個(gè)A（需求任務(wù)/角色/狀態(tài)）涉及到一個(gè)資源B；3）hasOrg，描述格式為 hasOrg（A,B），語(yǔ)義解釋為一個(gè)A（需求任務(wù)/狀態(tài)）涉及一個(gè)組織B；4）hasBusi，描述格式為 hasBusi（A,B），語(yǔ)義解釋為一個(gè)基本需求任務(wù)A由一個(gè)業(yè)務(wù)功能B實(shí)現(xiàn)；5）hasTask，描述格式為 hasTask（A,B），語(yǔ)義解釋為一個(gè)復(fù)合需求任務(wù)A需要分解為一組核心執(zhí)行模塊B；6）hasErd，描述格式為 hasErd（A,B），語(yǔ)義解釋為一個(gè)執(zhí)行模塊A必須作為一個(gè)需求任務(wù)B進(jìn)行分析；7）hasSubR，描述格式為hasSubR（A），語(yǔ)義解釋為一個(gè)資源A是一組規(guī)模更小的子資源集；8）hasSubO，描述格式為 hasSubO（A），語(yǔ)義解釋為一個(gè)組織A是一組規(guī)模更小的子組織集；9）hasLead，描述格式為 hasLead（A,B），語(yǔ)義解釋為領(lǐng)導(dǎo)可管轄普通成員；10）hasFuncdep，描述格式為 hasFuncdep（A,B），語(yǔ)義解釋為一個(gè)主資源可函數(shù)決定一組普通資源；11）hasPremise，描述格式為 hasPremise（A,B），語(yǔ)義解釋為一個(gè)核心執(zhí)行模塊存在必須先執(zhí)行的一組前置模塊；12）hasCon，描述格式為 hasCon（A,B），語(yǔ)義解釋為業(yè)務(wù)功能含一前置條件描述；13）hasInt，描述格式為 hasInt（A,B），語(yǔ)義解釋為業(yè)務(wù)功能含一個(gè)輸入描述；14）hasPro，描述格式為 hasPro（A,B），語(yǔ)義解釋為業(yè)務(wù)功能有一個(gè)過(guò)程描述；15）hasOut，描述格式為 hasOut（A,B），語(yǔ)義解釋為業(yè)務(wù)功能含一輸出描述；16）hasPost，描述格式為 hasPost（A,B），語(yǔ)義解釋為業(yè)務(wù)功能必含一后置結(jié)果描述；17）hasType，描述格式為 hasType（A,B），語(yǔ)義解釋為需求任務(wù)必有一個(gè)任務(wù)類型；18）hasErand，描述格式為 hasErand（A,B），語(yǔ)義解釋為角色可參與需求任務(wù)；19）hasOpt，描述格式為 hasOpt（A,B），語(yǔ)義解釋為角色可擁有一組操作使用權(quán)；20）hasAttr，描述格式為 hasAttr（A,B），語(yǔ)義解釋為每一具體操作是在具體Attribute上的操作；21） hasOptTp，描述格式為 hasOptTp（A,B），語(yǔ)義解釋為每一具體操作有一操作類型。ROB模型本體關(guān)系如圖3所示。

圖3 ROB本體關(guān)系

3 檢驗(yàn)一致的需求建模

3.1 描述邏輯語(yǔ)言

計(jì)算機(jī)作為智能化信息處理工具，需要將信息或程序賦予某種程度的知識(shí)語(yǔ)義，并編碼表示；需求富含語(yǔ)義知識(shí)，描述邏輯是重要的知識(shí)表示工具，用描述邏輯處理需求工程問(wèn)題是計(jì)算智能的一個(gè)具體應(yīng)用。

通過(guò)一階邏輯賦予非邏輯方法以形式語(yǔ)義是描述邏輯最初思想[10]。本體是對(duì)知識(shí)顯示的概念化描述[11]，而描述邏輯是一種本體描述語(yǔ)言[12]。描述邏輯建立在概念和關(guān)系之上，有很強(qiáng)的語(yǔ)義表達(dá)和推理能力，可用于描述需求，檢測(cè)需求一致性。

ALC是最小的命題封閉的描述邏輯[13]語(yǔ)言，在保證推理能力基礎(chǔ)上有很強(qiáng)表達(dá)能力，近年來(lái)有關(guān)描述邏輯語(yǔ)言擴(kuò)展方面的研究也已有很多，如引入構(gòu)造子、引入具體域[14-15]。文中采用擴(kuò)展描述邏輯SHOIN（D），是通用本體語(yǔ)言O(shè)WL-DL的邏輯基礎(chǔ)。

描述邏輯基本符號(hào)包括：1）原子概念：A；2）概念：C, D；3）全概念T，空概念⊥；4）原子關(guān)系：P；5）關(guān)系：R；6）概念構(gòu)造子：,∩,∪；7）量詞：? R., ? R.；8）包含符號(hào)：?,?；9）括號(hào)：（,）；10）個(gè)體：a。根據(jù)ROB 描述需求，文中采用描述邏輯SHIQ，SHIQ有如下語(yǔ)法[16]：①C::= A|（T|（⊥|C|C∩D）|C∪D）|?R.C|?R.C| θ_n R|θnR.C|θnR；②R::=P|R|R∩S|R∪S|R°S|R^+ |R^-。

描述邏輯知識(shí)庫(kù)包括術(shù)語(yǔ)公理庫(kù)TBox和斷言事實(shí)庫(kù)ABox。TBox公理公式形如A?C和A?C。ABox包括個(gè)體斷言和關(guān)系斷言。描述邏輯推理問(wèn)題包括面向概念的推理和面向個(gè)體的推理2類。描述邏輯推理的核心問(wèn)題是可滿足性問(wèn)題，所有推理問(wèn)題可化為可滿足性問(wèn)題。Tableau算法是判定可滿足性問(wèn)題有效算法，已得到廣泛應(yīng)用。目前Tableau算法擴(kuò)展、復(fù)雜性及優(yōu)化策略等研究已較為深入且有具體應(yīng)用。

3.2 ROB本體知識(shí)庫(kù)

ROB本體知識(shí)庫(kù)包括概念集合（Concept）、關(guān)系集合（Association）和規(guī)則集合（Constraint）。

1）概念

ROB本體概念表示類，如基本概念ERdType和RscType定義為集合：ERdType::={basic,composite},RscType::={int,float,char,string,struct,enum,*},OptType::={create,insert,delete,update,select}

類含有屬性，這些屬性與相關(guān)類關(guān)聯(lián)，相應(yīng)概念定義等知識(shí)加入到TBox。如，Errand具有屬性hasType關(guān)聯(lián)ERdType類，而其子類Basic的屬性hasBusi關(guān)聯(lián)Business，屬性hasRsc關(guān)聯(lián)Resource，屬性hasOrg關(guān)聯(lián)Organization。ROB 模型核心概念相應(yīng)的公式如表1所示。

表1 ROB概念集合Table 1 Concept definition in ROB

2）關(guān)系

ROB知識(shí)庫(kù)中還以描述邏輯刻畫了關(guān)系，如關(guān)系hasBusi描述為：（? has Busi.Business）?Basic,Basic?（?hasBusi.Business）。表示hasBusi定義域?yàn)锽asic，而值域?yàn)锽usiness。表2列出主要關(guān)系。

表2 ROB關(guān)系集合Table 2 Associations in ROB

ROB知識(shí)庫(kù)還包括概念間的子類關(guān)系和關(guān)系之間的子類關(guān)系，描述為公理加入到TBox中，描述邏輯中將子類描述為公式，形如：Composite?Errand，hasPost?hasStat等，表3列出主要子類關(guān)系。

表3 ROB子類關(guān)系集合Table 3 Included associations in ROB

3）約束

ROB 模型概念和關(guān)系必須滿足一組約束，這些約束用于保證需求完整性和一致性。按約束來(lái)源可分為概念約束、關(guān)系約束和實(shí)例約束。

（1）概念約束，限定實(shí)例必須的數(shù)量，保證概念完整，如：每個(gè)需求任務(wù)必有一個(gè)資源、一個(gè)組織和一個(gè)功能實(shí)現(xiàn)等，表4列出主要的概念約束。

表4 ROB 概念約束Table 4 Numbers constraint on ROB concept

（2）關(guān)系約束，限定概念必要的屬性，表示概念必須存在一些關(guān)系，如：每個(gè)需求任務(wù)必對(duì)應(yīng)一組執(zhí)行模塊，對(duì)應(yīng)一個(gè)表示功能過(guò)程的狀態(tài)等；表5列出了主要關(guān)系約束。

（3）實(shí)例約束，通過(guò)限定實(shí)例間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，保證語(yǔ)義完整和一致性，如：若任務(wù)a對(duì)應(yīng)組織b和資源c，而b對(duì)應(yīng)資源d，則d與c是相同實(shí)例。表6列出主要的實(shí)例約束規(guī)則。

表6 ROB 實(shí)例約束Table 6 Individual constraints in ROB

4）性質(zhì)

通過(guò)限定實(shí)例間關(guān)系和性質(zhì)，建立可推導(dǎo)的公式，約束對(duì)應(yīng)的需求語(yǔ)義沖突，如：hasSub與isA存在互逆性質(zhì)；ROB 概念、實(shí)例間所有性質(zhì)包括傳遞性（Transitive）、對(duì)稱性（Symmetry）、函數(shù)關(guān)系（Function）和逆關(guān)系（inverse）、屬性繼承（Property Inherit）和特性繼承 （Characteristics inherit）。表7列出ROB性質(zhì)。

表7 ROB性質(zhì)Table 7 Universal inference-rule in ROB

根據(jù)關(guān)系性質(zhì)可構(gòu)造出更多推導(dǎo)公式，用于推理驗(yàn)證，以檢查和判定實(shí)例斷言可滿足性。

3.3 檢驗(yàn)一致的需求建模過(guò)程

ROB本體知識(shí)庫(kù)包括概念集合（Concept）、關(guān)系集合（Association）和規(guī)則集合（Constraint）。

定義1ROB知識(shí)庫(kù)。ROB知識(shí)庫(kù)KB={TBox,ABox}，其中TBox術(shù)語(yǔ)公理集合包含了ROB概念（表1）、關(guān)系（表2、3）、約束（表4～6）公式；ABox是ROB斷言模塊的有限集合。

定義2ROB斷言模塊。ROB斷言模塊是ROB斷言的有限集合，包括概念斷言和角色斷言。如：一個(gè)ROB斷言模塊（AssertionBlock）ablock含一組斷言：概念斷言Errand（?e）， 表示e是一個(gè)需求任務(wù)；Business（?b）， 表示b是一個(gè)業(yè)務(wù)功能； Organization（?o）， 表示o是一個(gè)組織； 關(guān)系斷言hasSubO（?o,?o1）， 表示組織o中包含規(guī)模更小的組織o1。

通過(guò)定義ROB本體概念體系以及約束、性質(zhì)，在描述邏輯中建立知識(shí)庫(kù)，并將需求建模過(guò)程描述為創(chuàng)建ROB斷言模塊的過(guò)程，利用描述邏輯推理能力進(jìn)行一致性檢查和驗(yàn)證，目的是發(fā)現(xiàn)不完整、不一致問(wèn)題。

性質(zhì)1完整性。一個(gè)ROB斷言模塊若滿足所有概念約束則稱為具有概念完整性；滿足所有關(guān)系約束稱具有關(guān)系完整性；滿足所有實(shí)例約束稱具有實(shí)例完整性。一個(gè)ROB斷言模塊具有完整性當(dāng)且僅當(dāng)同時(shí)具有概念完整性、關(guān)系完整性和實(shí)例完整性。

定義3沖突。對(duì)一個(gè)ROB知識(shí)庫(kù)KB K，ROB斷言模塊中任意斷言按ROB性質(zhì)推導(dǎo)公式，若出現(xiàn)形如R（a,b）∧R（a,b）的推論，即ROB斷言模塊沖突。

性質(zhì)2一致性。若一個(gè)ROB斷言模塊具有完整性，且對(duì)知識(shí)庫(kù)KB K不存在沖突，則稱具有一致性。

ROB需求一致的建模過(guò)程是在本體知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ)上不斷擴(kuò)展斷言知識(shí)的過(guò)程，下面進(jìn)行說(shuō)明：

第一，擴(kuò)展斷言知識(shí)過(guò)程描述：1）創(chuàng)建ROB斷言模塊，捕獲需求，根據(jù)語(yǔ)義抽取ROB需求對(duì)象及聯(lián)系，將這些對(duì)象、聯(lián)系表示為ROB斷言，形成ROB斷言模塊；2）完整性檢查，若具有完整性則進(jìn)行第3步，否則根據(jù)檢查結(jié)果增加斷言以擴(kuò)展ROB斷言模塊，擴(kuò)展后重新執(zhí)行第2步完整性檢查；3）一致性檢查，若具有一致性則進(jìn)行第4步，否則根據(jù)檢查結(jié)果修改斷言后執(zhí)行第2步完整性檢查；4）擴(kuò)展斷言知識(shí)。

ROB斷言模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)在知識(shí)庫(kù)KB上的解釋（即ROB斷言模塊的一個(gè)模型）M1，M1作為新的斷言知識(shí)擴(kuò)展為特定斷言庫(kù)ABox A1；ROB斷言模塊具有原子性，一個(gè)ROB斷言模塊要么被取消，要么作為斷言知識(shí)增加到ABox。

第二，擴(kuò)展斷言庫(kù)過(guò)程描述：ROB基于遞歸分解思想反復(fù)獲取需求，每次增加新的ROB斷言模塊都對(duì)應(yīng)一模型M，整個(gè)建模過(guò)程就是一個(gè)有限集合：{Mi|i=1,2,…,n}，其中每個(gè)元素Mi是一個(gè)模型；模型Mi對(duì)應(yīng)特定的斷言庫(kù)ABox Ai，可作為模型Mi+1的ABox，與公理知識(shí)庫(kù)TBox T一起構(gòu)成Mi+1的完整知識(shí)庫(kù)。

ROB建模過(guò)程不斷創(chuàng)建ROB斷言模塊，經(jīng)過(guò)完整性、一致性檢驗(yàn)后轉(zhuǎn)化為斷言知識(shí)增加到斷言知識(shí)庫(kù)，核心工作就是完整性、一致性檢驗(yàn)。由性質(zhì)2可知，一致性問(wèn)題包含完整性問(wèn)題；一致性檢驗(yàn)是在ROB知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ)上的推理問(wèn)題，可轉(zhuǎn)化為可滿足問(wèn)題；可滿足問(wèn)題推理驗(yàn)證Tableau算法等可參閱文獻(xiàn)[17-20]，文中主要提出ROB需求一致的建模方法，Tableau算法的擴(kuò)展、復(fù)雜性和優(yōu)化策略等。

4 案例分析

需求建模是一項(xiàng)浩大工程，常需反復(fù)迭代。文中在論述理論的基礎(chǔ)上編制了相應(yīng)的建模分析軟件，提高了ROB建模自動(dòng)化與智能化水平，本節(jié)以一個(gè)案例展示ROB需求建模過(guò)程。案例：某學(xué)校研發(fā)智能化綜合實(shí)訓(xùn)管理平臺(tái)的需求。

4.1 擴(kuò)展斷言知識(shí)

ROB知識(shí)庫(kù)中初始ABox A為空，即ABox A0=?。

1）創(chuàng)建ROB斷言模塊

（1）捕獲需求：①項(xiàng)目名稱：智能化綜合實(shí)訓(xùn)管理平臺(tái)；②需求單位：某學(xué)校；③目標(biāo)任務(wù)：實(shí)訓(xùn)教學(xué)教務(wù)綜合管理；④項(xiàng)目目的：提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量，提高實(shí)訓(xùn)室管理水平。（2）抽取ROB需求對(duì)象個(gè)體：t0：實(shí)訓(xùn)室、實(shí)訓(xùn)教學(xué)綜合管理；b0：智能化綜合實(shí)訓(xùn)管理平臺(tái)；o0：某學(xué)校；r0：整體資源；（3）創(chuàng)建ROB斷言模塊：ablock0={Task（t0）,Basic（e0）,Business（b0）,Organization（o0）,Resource（r0）,hasErand（t0,e0）,hasBusi（e0,b0）,hasOrg（e0,o0）,hasRsc（e0,r0）}

2）完整性檢查

遍歷ROB斷言模塊中斷言，應(yīng)用Tableau算法依次進(jìn)行完整性檢查，完整性可滿足性問(wèn)題約束包括：（1）概念完整性約束；（2）關(guān)系完整性約束；（3）實(shí)例完整性約束。

例如：遍歷ROB斷言模塊ablock0中個(gè)體斷言，檢驗(yàn)對(duì)概念約束的可滿足性，由于不滿足Business?≥1hasPro∩≤1hasPro（表4公式⑥），ablock0不具有完整性,添加個(gè)體斷言Procedure（p0）以擴(kuò)展ablock0，即：ablock0=ablock0∪{Procedure（p0）}，然后重新執(zhí)行完整性檢查。

3）一致性檢查

遍歷ROB斷言模塊中斷言，應(yīng)用Tableau算法依次判定可滿足性：（1）把TBox帶入到ABox中消除TBox；（2）ABox中斷言轉(zhuǎn)化為否定正則形；（3）ABox上應(yīng)用擴(kuò)展規(guī)則直到無(wú)可用規(guī)則； （4）只要存在解釋， 也就是說(shuō)只要有一個(gè)ABox一致， 則原始ABox一致。

4）擴(kuò)展斷言知識(shí)

將ROB斷言模塊中的所有斷言公式添加到ABox A0中，如：A0=A0∪ablock0；ablock0={Task（t0）,Basic（e0）,Business（b0）,Organization（o0）,Resource（r0）,Procedure（p0）,hasErand（t0,e0）,hasBusi（e0,b0） ,hasOrg（e0,o0）,hasRsc（e0,r0）,hasOrg（p0,o0）,hasRsc（p0,r0）}.

4.2 擴(kuò)展斷言庫(kù)

1）ROB需求分解

ROB建?；痉椒ㄊ欠纸?，每一次分解都對(duì)應(yīng)一組ROB斷言模塊：（1）分解得新需求轉(zhuǎn)化為ROB需求斷言模塊；（2）分解本身需轉(zhuǎn)化為ROB斷言模塊。對(duì)每一個(gè)ROB斷言模塊，都需要經(jīng)過(guò)完整擴(kuò)展斷言知識(shí)（4.1）的過(guò)程。

例如，按ROB結(jié)構(gòu)對(duì)需求任務(wù)e0分解為：t1（實(shí)訓(xùn)教學(xué)核心任務(wù)）；t2（實(shí)訓(xùn)教學(xué)基礎(chǔ)任務(wù)）；t3（實(shí)訓(xùn)教學(xué)日常任務(wù)）。（1）分解得新的需求：①Task（t1）；②Task（t2）；③Task（t3）。分別執(zhí)行完整的擴(kuò)展斷言知識(shí)的過(guò)程；分別對(duì)應(yīng)為有序的斷言知識(shí)庫(kù)：①ABox A1；②ABox A2；③ABox A3。（2）分解本身是斷言知識(shí)：①對(duì)應(yīng)的ROB斷言模塊ablock（decomposed）=（KB-{Basic（e0）}）∪{Composite（e0）}；②完整性檢查，得：ablock（decomposed）= ablock（decomposed）∪{hasTask（e0,t1）,hasTask（e0,t2）,hasTask（e0,t3）}∪{hasPremise（t1,t2）}；③ablock（decomposed）經(jīng)過(guò)一致性檢查和擴(kuò)展斷言知識(shí)后，對(duì)應(yīng)新的斷言知識(shí)庫(kù)ABox Ade1。

分解說(shuō)明：①需求分解逐步進(jìn)行，細(xì)化的程度由分析人員確定；②分解的結(jié)果作為新需求，擴(kuò)展為斷言知識(shí)的過(guò)程是相同的；③重點(diǎn)討論保證一致地建模過(guò)程和方法，為論述方便，這里不對(duì)詳細(xì)分解過(guò)程描述。

2）擴(kuò)展斷言庫(kù)

ROB建模過(guò)程逐步分解細(xì)化需求，不斷產(chǎn)生ROB斷言模塊，每一個(gè)ROB斷言模塊經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)和擴(kuò)展，作為斷言知識(shí)增加到知識(shí)庫(kù)中，在初始知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ)上形成一個(gè)新的ABox。從最初對(duì)應(yīng)原始知識(shí)庫(kù)ABox=?，到分析結(jié)束整個(gè)過(guò)程，形成一個(gè)有序的ABox有限集合：ABox Aset={ABox Ai|i=1,2，…,n}，其中每個(gè)元素是一個(gè)特定的斷言知識(shí)庫(kù)，Aset記錄了斷言知識(shí)庫(kù)的擴(kuò)展過(guò)程，表示了需求分析的整個(gè)過(guò)程，為基于推理的需求管理提供了方便。例如，案例需求分解過(guò)程對(duì)應(yīng)一個(gè)有序ABox的集合，斷言庫(kù)擴(kuò)展過(guò)程如圖4所示。

圖4 需求任務(wù)分解案例斷言庫(kù)擴(kuò)展過(guò)程

斷言知識(shí)庫(kù)擴(kuò)展過(guò)程每一步通過(guò)斷言知識(shí)擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，斷言知識(shí)擴(kuò)展需經(jīng)過(guò)完整性檢查、一致性檢查，保證了完整一致地進(jìn)行需求分析。

5 結(jié)束語(yǔ)

ROB需求建模提取需求分析要素：資源、組織和業(yè)務(wù)，從這3個(gè)視點(diǎn)抽取需求信息，通過(guò)演繹分解建立需求樹(shù)，分析約束規(guī)則消除冗余，將不同視點(diǎn)下的需求樹(shù)裝配為完整需求樹(shù)。ROB模型引入本體理論，建立概念層次體系，形成概念及關(guān)系，進(jìn)一步結(jié)合語(yǔ)義建立了約束與規(guī)則，基于描述邏輯構(gòu)建了需求模型公理知識(shí)庫(kù)，根據(jù)推理規(guī)則及公式性質(zhì)建立了基本的斷言知識(shí)庫(kù)，ROB需求建模過(guò)程不斷建立新的實(shí)例斷言，將需求建模過(guò)程轉(zhuǎn)化為斷言知識(shí)庫(kù)的逐步擴(kuò)展過(guò)程。由于將需求完整問(wèn)題轉(zhuǎn)化為需求一致問(wèn)題，需求一致檢驗(yàn)歸結(jié)為規(guī)則約束下的可滿足問(wèn)題，利用現(xiàn)有研究成果Tableau算法等檢驗(yàn)，保證了ROB建模的需求一致性。

檢驗(yàn)一致的ROB需求建模方法借鑒了現(xiàn)有的需求建模技術(shù)和觀點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一組規(guī)則用于推理、驗(yàn)證和約束，并基于邏輯知識(shí)庫(kù)的推理能力實(shí)現(xiàn)需求模型的一致性檢驗(yàn)。目前研究存在一些不足：1）主要關(guān)注功能需求而對(duì)非功能需求等其他需求問(wèn)題考慮不足；2）著重于特定需求建模實(shí)例和復(fù)雜問(wèn)題的解決，沒(méi)有從軟件工程全局設(shè)計(jì)模型；3）專注于描述邏輯知識(shí)庫(kù)中邏輯推理問(wèn)題而對(duì)ROB需求分解方法缺乏規(guī)范指導(dǎo)，依然依賴于專家經(jīng)驗(yàn)；4）由于將需求一致性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為可滿足問(wèn)題，而Tableau算法復(fù)雜難解。

進(jìn)一步工作主要有：1）設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)據(jù)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際可行的有效算法；2）通過(guò)專家審議和驗(yàn)證分析，規(guī)范ROB需求分解過(guò)程和評(píng)估度量體系，以進(jìn)一步提高建模的自動(dòng)化程度；3）分析運(yùn)用非功能需求等其他需求的建模研究成果，從功能需求、非功能需求等擴(kuò)展ROB模型，形成全面、統(tǒng)一的建模方法；4）分析軟件全生命周期的工作，基于ROB在軟件工程各階段設(shè)計(jì)相應(yīng)的工作，以形成完整的需求建模體系，進(jìn)一步提高軟件工程的自動(dòng)化智能化水平。

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郭新峰，男，1974年生，碩士，主要研究方向軟件工程、智能計(jì)算及應(yīng)用。

馬世龍，男，1953年生，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件與理論。

呂江花，女，1975年生，副教授，博士后，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件與理論。

Extension abox requirements modeling method

GUO Xinfeng1, MA Shilong2, LYU Jianghua2, LI Rui2

（1.College of Software, Shanxi University, Taiyuan 030013, China；2. Computer College, Beihang University, Beijing 100191, China）

Assuring a complete and consistent requirement is the key to requirement modeling. This paper proposes a requirement modeling method for inspecting consistency on the basis of knowledge base reasoning. An ontology is added into the modeling process to improve the expression ability. In addition, the semantic establishment constraint rule is used to build the knowledge base of requirement modeling. The requirement modeling process is taken as an expansion process of the assertion knowledge base based on the consistency among the descriptive logic, descriptive requirement and inspection requirement. The matter of requirement completeness is converted into requirement consistency and attributed to the satisfiability under the constraint by rules. Tableau algorithm is utilized to realize the inspection on requirement consistency, assuring the requirement to be consistent in the entire modeling process. In the application practice, the self-programmed ROB semiautomatic modeling software was applied to requirement modeling and analysis to verify the requirement consistency of the modeling method. In addition, the requirement modeling process on detecting the consistency of an expanded asserted knowledge base was shown by cases.

model; consistency; completeness; multi-view; description logic; knowledge base; satisfiability; Tableau; requirement engineering

2014-09-09.

日期：2015-01-13.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61300007, 61003016）; 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（SKLSDE-2012ZX-28,SKLSDE-2013ZX-11）.

郭新峰. E-mail：rjxy_gxf@sxu.edu.cn.

DOI:10.3969/j.issn.1673-4785.201409015

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-4785.html

TP311

A

1673-4785（2015）01-0081-10

郭新峰，馬世龍，呂江花，等.擴(kuò)展斷言知識(shí)檢驗(yàn)一致的需求建模方法[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)， 2015, 10（1）: 81-89.

英文引用格式：GUO Xinfeng, MA Shilong, LYU Jianghua, et al. Requirement modeling method for inspecting the consistency of the expanded asserted knowledge [J]. CAAI Transactions on Intelligent Systems, 2015, 10（1）: 81-89.