胡月瑩，陳立潮，潘理虎，2

(1.太原科技大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原 030024; 2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

基于統(tǒng)一表格的軟件產(chǎn)品線可變性建模

胡月瑩1，陳立潮1，潘理虎1，2

(1.太原科技大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原 030024; 2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

軟件產(chǎn)品線是在某一固定領(lǐng)域中用于軟件重用的一種方法，其最重要的步驟是可變性建模，但隨著變量的不斷增多模型中的依賴關(guān)系會變的十分復(fù)雜，因此針對模型中依賴復(fù)雜性問題提出了一個分離模型來處理這些變量的依賴關(guān)系，即統(tǒng)一表格方法，建立了采煤工作面的統(tǒng)一表格，同時使用表中的子域列描述特定產(chǎn)品變量的前置條件，可以有效的解決變量之間依賴性復(fù)雜的問題，還有利于領(lǐng)域模型中變量的追蹤。實驗結(jié)果表明，與其他模型相比較，統(tǒng)一表格方法可以有效的解決變量依賴的復(fù)雜性問題。

軟件產(chǎn)品線;統(tǒng)一表格方法;變量;特征模型

軟件產(chǎn)品線可以提高軟件的開發(fā)速度和質(zhì)量，是一種軟件復(fù)用的開發(fā)方法［1］。軟件產(chǎn)品線首先要建立變化模型來記錄軟件家族成員產(chǎn)品的共性和可變性，然后派生產(chǎn)品，根據(jù)產(chǎn)品需求從模型中選擇需要的變量和配置來派生產(chǎn)品［2］。

所有家族成員中的公共需求比較容易處理，因為家族成員的一部分，但在處理可變需求時，就會出現(xiàn)許多問題。在產(chǎn)品線模型中，一個相同的變量會出現(xiàn)在不同的領(lǐng)域模型視圖中，且不同變量之間會有依賴關(guān)系。在不同的模型視圖中需要追蹤變量并說明這些無法達到定制產(chǎn)品的目的，無法建立清晰的領(lǐng)域模型。因此需要一個分離的模型來處理這些變量之間的依賴關(guān)系。

文中基于統(tǒng)一表格方法進行可變性建模［3］，該模型包含變量所有的相關(guān)信息(如規(guī)格、變量依賴性、變量起源等)。統(tǒng)一表格由變量以及它們之間的關(guān)系組成，表格的方式可以緩解變量沖突的問題，有利于領(lǐng)域模型中變量的追蹤，使變量之間的依賴關(guān)系變得清晰。本文以采煤工作面模擬量監(jiān)控系統(tǒng)為例來分析和建立其相關(guān)模型。

1 采煤工作面模擬量監(jiān)控概況

采煤工作面必須要監(jiān)控的模擬量包括瓦斯?jié)舛取⒁谎趸紳舛?、風(fēng)壓、風(fēng)速、溫度等，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)分為井下設(shè)備、傳輸和井上管理三層［4］，系統(tǒng)設(shè)備間的連接圖如圖1所示，其中第一層包括分站、執(zhí)行器和傳感器;第二層即傳輸網(wǎng)絡(luò);第三層包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和地面中心站。

工作面模擬量監(jiān)控的基本操作過程為:

(1)采集信號:在采煤工作面中，傳感器用于采集模擬量、顯示監(jiān)測值、超限報警并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給分站。

(2)控制過程:監(jiān)控主機向井下各分站發(fā)送控制和分站巡檢信號，當各模擬量的濃度超限時，分站會控制井下不同的設(shè)備報警、斷電和復(fù)電。

(3)存儲、顯示過程:監(jiān)控主機會不間斷的接收來自分站的各模擬量信號，然后存盤，并顯示大屏幕、顯示器、模擬盤上。該過程中關(guān)鍵實體如表1所示。

圖1 設(shè)備間的連接圖Fig.1 The connection diagram among devices

表1 采煤工作面環(huán)境參數(shù)監(jiān)控領(lǐng)域的關(guān)鍵實體Tab.1 key entities of environment parameters monitoring in the field of coal mining working place

在基本的操作層面上，所有的采煤工作面環(huán)境監(jiān)控過程是相同的，然而對于不同的采煤工作面，由于環(huán)境的不同，所需要采集的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的屬性和處理不同，因此會有許多變量。以下為數(shù)據(jù)采集過程的變量:

各模擬量設(shè)置地點，即各傳感器的設(shè)置地點。由于不同采煤工作面的地理條件不同，各傳感器的類別、設(shè)置地點、報警、斷電與復(fù)電濃度會發(fā)生變化。例如，所有的采煤工作面都需要對工作面、工作面回風(fēng)巷和上隅角設(shè)置瓦斯傳感器，但在專用排瓦斯巷要多設(shè)置高濃度的瓦斯傳感器。并非所有的采煤工作面都需要CO的監(jiān)控，只有在容易自燃的礦井中設(shè)置CO傳感器［4］。其他的環(huán)境參數(shù)也有這樣的變化特點。

報警方式:當模擬量監(jiān)測值超限時，蜂鳴器(有的是報警喇叭)會發(fā)出警報，有時也會向有關(guān)人員手機發(fā)送信號。

2 特征模型

軟件產(chǎn)品線需求建模最常用的是特征模型，特征模型首先要識別領(lǐng)域特征，因此從兩方面進行定義特征是首要問題［5］:

(1)特征的內(nèi)涵角度。特征是系統(tǒng)需求的概念化，將系統(tǒng)的需求分割為一組需求子集。

(2)特征的外延角度。特征是軟件系統(tǒng)具有的一種顯著的或具有區(qū)分作用的、且用戶可見的特點［2］。

特征模型是以樹的方式表示。特征樹的內(nèi)部結(jié)點表示特征，葉子代表特征值，根結(jié)點代表需要建模的領(lǐng)域［6］。特征與其父特征之間存在精化關(guān)系，通過精化關(guān)系使特征形成樹形結(jié)構(gòu)。引用基數(shù)的概念表示特征之間存在的約束關(guān)系［7-8］:

(1)特征基數(shù)是指當父特征被系統(tǒng)綁定后，其某個子特征被綁定的范圍。強制特征是系統(tǒng)必須要綁定的特征，可選特征是系統(tǒng)可能被綁定的特征。強制特征和可選特征是特殊的帶有基數(shù)的特征，其基數(shù)分別為［1..1］，［0..1］.

(2)組基數(shù)是指特征和它的一組子特征之間關(guān)系，即當父特征被綁定時，它的子特征組被綁定的范圍。例如＜1..3＞.對于一組特征，這里多選多和多選一是組基數(shù)的特殊情況:對于多選一約束關(guān)系的組基數(shù)是＜1..1＞;對于多選多約束關(guān)系的組基數(shù)是＜1..*＞.

特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系常被劃分為依賴和互斥。依賴關(guān)系是指只有在一個特征最后被確定后，其相關(guān)的依賴特征才能被確定;互斥關(guān)系是指兩個特征中只有一個特征處于被綁定狀態(tài)［9］。采煤工作面模擬量監(jiān)控的特征樹如圖2所示。其中強制特征有數(shù)據(jù)采集、控制等，調(diào)節(jié)為可選特征，并非所有的系統(tǒng)都需要該功能。傳感器與瓦斯傳感器是特征基數(shù)的關(guān)系，傳感器設(shè)置地點與各地點是組基數(shù)的關(guān)系。傳感器與報警時依賴關(guān)系，斷電與復(fù)電是互斥關(guān)系。

圖2 數(shù)據(jù)采集的特征樹Fig.2 The characteristics tree of data acquisition

3 統(tǒng)一表格方法

軟件產(chǎn)品線中的變量之間關(guān)系緊密。產(chǎn)品線的任意產(chǎn)品都可以從產(chǎn)品線的通用模型中定制。在定制過程中，必須先從變量列表中選擇所需的變量。在選擇變量時會需要查詢，當變量很多時，查詢會變得困難?？赡艹霈F(xiàn)的查詢有:

有些變量會被產(chǎn)品線中所有的產(chǎn)品使用，而有些變量和值只適用于某些特定產(chǎn)品。

變量可能會有先決條件和后置條件，隨著變量的增加，變量之間的依賴性會變的太過于復(fù)雜，而無法表示。

新信息增加、刪除或修改時，會影響其他變量，所以需要一個簡單的方法來處理這個問題。

這些情況可以使用特征模型表示，但需要額外的注釋，而這些注釋會變得復(fù)雜、難以處理。使用統(tǒng)一表格方法可以描述特征模型的所有信息，有助于在應(yīng)用工程階段篩選變量。采煤工作面模擬量數(shù)據(jù)采集的表格如表2所示(傳感器是指所有的模擬量相關(guān)的傳感器)。給出了數(shù)據(jù)采集過程中主要變量(類型)、值(類型)、子域、值關(guān)系以及依賴關(guān)系。

表2 數(shù)據(jù)采集的統(tǒng)一表格Tab.2 The unity of data acquisition

3.1 表結(jié)構(gòu)

統(tǒng)一表格包含特征模型中的所有可用信息，主要有:

(1)“變量(類型)”，變量名稱。變量編號顯示了它所在的層次和位置。例如，本表格描述的案例將數(shù)據(jù)采集作為根，“模擬量采集”是一個變量，它位于變量列表，用v.2表示，“(類型)”表示變量的類型，一個變量要么是強制的，要么是可選的。v.2是一個強制變量。

(2)“變量值”，變量的值或選擇。其編號也是顯示了它所在的層次和位置，變量編號與變量值編號保持一致以便跟蹤其依賴性。如“傳感器”使用v.2.2編號。

(3)“子域”列表示變量特定值適用的產(chǎn)品區(qū)域。如果變量存在于所有產(chǎn)品中，那么“所有”將顯。

(4)在列表中，否則將顯示適用區(qū)域的名稱。由于某些變量和它們的值只適用于某些產(chǎn)品，所以該列能夠更快捷的指導(dǎo)篩選過程。如v.2.1.2只有在工作面里存在瓦斯積聚時選用。

(5)“值間關(guān)系”，變量各值間的關(guān)系。存在兩種關(guān)系:

①基于特征基數(shù)的關(guān)系，用［m..n］表示，如傳感器與瓦斯傳感器之間是［1*］關(guān)系。

②基于組基數(shù)的關(guān)系，用＜ab＞表示，如傳感器設(shè)置點與地點組之間是＜4—*＞關(guān)系，表明至少有四個地點需要設(shè)置傳感器。其中“多選一”是特殊的“基于組基數(shù)的關(guān)系”，對應(yīng)于組基數(shù)用＜1—1＞，例如“報警喇叭”和“蜂鳴器”就是多選一關(guān)系。

(6)“依賴關(guān)系”列表示變量之間是否有依賴或互斥關(guān)系?！耙蕾嚒崩鐅.3只有在v.2.1存在情況下才會被選擇?！盎コ狻北碇胁]有表示出來，但在特征模型中經(jīng)常存在這樣的依賴關(guān)系，用!v.n表示。依賴關(guān)系的擴展類型如表3.

表3 變量依賴的擴展類型Tab.3 the extension of the type

3.2 與特征模型相比

統(tǒng)一方法也像其他方法那樣可以顯示所有變量信息及其性質(zhì)。它克服了在特征圖中變量建模的依賴復(fù)雜性問題，本文利用采煤工作面模擬量監(jiān)控系統(tǒng)的特征圖(圖2)和其對應(yīng)的統(tǒng)一表格(表2)的對比來說明這一點。當某些變量依賴于其他變量時，它的信息修改或可視化呈現(xiàn)將影響所有依賴變量和它們的值。由于特征圖以圖表形式表示變量，有時它便于一目了然地檢查總體功能。但在一個領(lǐng)域中，存在許多變量并且每個變量都有值以及依賴關(guān)系，把所有的變量及其信息都集中在一個特征圖中只能使其變得難以處理。例如兩個強制變量“傳感器設(shè)置地點”和“傳感器”之間的依賴關(guān)系。

表4 采煤工作面瓦斯傳感器報警、斷電和復(fù)電濃度Tab.4 The concentration of alarm，power outage and reply about gas sensor in coal mining working place

如表4所示，甲烷斷電濃度、報警濃度和復(fù)電濃度由于其設(shè)置的采煤工作面的地理環(huán)境的不同而不同，也就是圖2中每個瓦斯傳感器的報警點、斷電點和復(fù)電點都依賴于傳感器的安裝點。像這樣所有變量及其依賴關(guān)系在一個特征圖表示，它將變得非常復(fù)雜和難以處理。因為在特征圖中修改任意一個變量的值將影響所有依賴變量的值。在表格中只需更新或添加相應(yīng)變量的特定行，使用表格方式可以便捷的修改或添加任意變量。在表格中，所有的變量相對應(yīng)的信息都用不同列清楚地分割開來，檢索任意特定行都能方便地找到變量的相關(guān)屬性。

在特征圖中，可注釋指示變量的適用領(lǐng)域，但對所有變量都作這種注釋只會使功能圖變得復(fù)雜。統(tǒng)一表格的“子域”列詳細的對適用領(lǐng)域進行了描述，從而使這一問題得到解決。事實上，特征圖由于沒有合理的尺寸而逐漸變得更復(fù)雜和難以管理。因此使用文本語言定義特征模型和特征圖共同顯示一組選擇特征間的關(guān)系比單獨使用特征圖更有效果。

因此統(tǒng)一表格方法與特征模型相比的優(yōu)勢在于:①易用性。當所有可能的家族變量可用時，變量模型很容易掌握變量相關(guān)信息。而當任何新的變量出現(xiàn)時，它不需要干預(yù)其他變量就可以出現(xiàn)在模型中。同樣的，不需要的變量可用從模型中刪除。②可追溯性。開發(fā)變量模型后，定位任意變量及其依賴信息就變得簡單了，無需搜索模型中每個可能的條目，只需查找相關(guān)表條目即可。③可伸縮性。在應(yīng)用工程中，為了所需產(chǎn)品，很可能從整個變量模型中提取更小的模型。④支持分離問題。本文提出的變量模型支持領(lǐng)域模型在定制過程中實現(xiàn)問題分離。

4 結(jié)束語

軟件產(chǎn)品線的成功發(fā)展需要適當?shù)慕M織和管理產(chǎn)品需求，管理變量是產(chǎn)品線的關(guān)鍵成功因素。本文提出了建模產(chǎn)品線變量的統(tǒng)一表格方法，為生產(chǎn)任意領(lǐng)域模型的定制產(chǎn)品提供了所有變量的相關(guān)信息。本文分析了領(lǐng)域模型中建模變量的現(xiàn)有方法，發(fā)現(xiàn)其中一些有用變量相關(guān)信息的表示存在不足之處，然后提出在建模變量時使用統(tǒng)一表格方法。它還包括領(lǐng)域模型中產(chǎn)品定制需要的信息，而這些信息很難通過其他方法呈現(xiàn)。表格模型的優(yōu)點是它的表達能力和易用性，對建模變量工程中提高變量處理效率很有益處，它是定制過程簡便，同時也降低了因變量增加而產(chǎn)生的復(fù)雜性。但是該方法的相關(guān)管理工具還有待進一步的研究。

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Variability Modelling Based on Software Product Line of the United Form Method

HU Yue-ying1，CHEN Li-chao1，PAN Li-hu1，2
(1.Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China;2.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Science，Beijing 100101，China)

It is a systematic way to realize the reuse of software for specific areas to set up software product lines.The variability modeling is the key technology in software product line，but the dependence among variables in the model become complicated with the increase of information.Therefore，a separate model is needed to deal with these variables.In this paper，the unified form is presented to manage variables in the product line，and the child domain column in the table is used to describe the precondition of specific product variables，which not only can effectively solve the problem，but also track variables in the model.

software product line，unified tabular method，modeling variants，feature model

TP311.5

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.02.004

1673-2057(2015)02-0097-06

2014-11-06

“十二五”山西科技重大專項項目(20121101001)

胡月瑩(1987-)，女，碩士研究生，主要研究方向為軟件體系結(jié)構(gòu);通訊作者:陳立潮，教授，E-mail:Chen_lc@ 263.net