基于RGPS的網(wǎng)絡(luò)化軟件需求內(nèi)容管理

胡建強，李涓子，謝 勇，吳克壽，朱順痣

（1.廈門理工學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院，福建 廈門361024；2.清華大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系，北京100084）

互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展和面向按需服務(wù)的架構(gòu)、群體軟件工程［1］驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)化軟件正逐步成為互聯(lián)網(wǎng)上軟件開發(fā)的主流.網(wǎng)絡(luò)化軟件的生產(chǎn)方式是實現(xiàn)個性化與多樣化的涉眾需求的軟件服務(wù)規(guī)?；ㄖ疲疵嫦蝾I(lǐng)域的群體用戶的共性需求和個性化需求，在元級上整合成服務(wù)需求的元描述，以面向按需服務(wù)的軟件規(guī)?；ㄖ菩问綄崿F(xiàn)大眾需求，具有“面向領(lǐng)域，用戶需求主導(dǎo)”特性［2］.

針對網(wǎng)絡(luò)化軟件，北京大學(xué)提出本體制導(dǎo)、面向問題框架需求建模，并應(yīng)用到商業(yè)模型、保險業(yè)和電子商務(wù)等領(lǐng)域［3］.武漢大學(xué)面向具體領(lǐng)域問題，對該問題相關(guān)的用戶角色、目標(biāo)、流程和服務(wù)建模［4］.武漢大學(xué)、清華大學(xué)等院校加入ISO／IEC JTC1SC32 WG2，制定網(wǎng)絡(luò)化軟件的互操作性元模型框架國際標(biāo)準(zhǔn)ISO／IEC19763－Metamodel Framework for Interoperability（MFI）［5］，其中需求元描述國際標(biāo)準(zhǔn) RGPS（Role－Goal－Process－Service）用來指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)化軟件的需求建模.RGPS包括角色層、目標(biāo)層、過程層和服務(wù)層4個層次，各層次關(guān)聯(lián)并整體協(xié)同：角色承擔(dān)相應(yīng)的角色目標(biāo)，參與者提出個性化目標(biāo)；過程可以完成功能目標(biāo)，并可以促進(jìn)非功能目標(biāo)的實現(xiàn)；軟件服務(wù)可以實現(xiàn)過程.基于R／G／P／S各層元模型之間的互操作和相互關(guān)聯(lián)，從分析用戶個性化需求開始，通過角色層，目標(biāo)層，過程層和服務(wù)層之間的映射和轉(zhuǎn)換，分析和誘導(dǎo)出完整的網(wǎng)絡(luò)化軟件需求［6］，從而實現(xiàn)面向按需服務(wù)的軟件規(guī)?；ㄖ?根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化需求變更和網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)化軟件規(guī)?；ㄖ浦С诌m應(yīng)性調(diào)整和演化.

需求管理是軟件需求過程的重要基礎(chǔ).傳統(tǒng)軟件需求管理系統(tǒng)［7－9］存在計算機自動化程度低，管理粒度較粗以及對需求獲取，需求分析，需求演化和需求變更等需求活動支持有限等問題.

相對地，網(wǎng)絡(luò)化軟件的需求管理面對新的挑戰(zhàn)：存在基于本體的網(wǎng)絡(luò)化軟件需求的元描述標(biāo)準(zhǔn)RGPS，要求計算機對需求文檔實現(xiàn)語義內(nèi)容管理；基于關(guān)鍵字檢索未必充分，因為需要確保需求查詢的粒度和精度；傳統(tǒng)采用信息檢索技術(shù)不適用于構(gòu)建需求跟蹤關(guān)系，需要智能發(fā)現(xiàn)需求內(nèi)在關(guān)聯(lián)，同時保證粒度和可跟蹤性；需要為需求分析，需求演化和需求驗證等活動提供支撐服務(wù).

針對上述挑戰(zhàn)，融合本體圖數(shù)據(jù)管理，語義數(shù)據(jù)索引以及語義數(shù)據(jù)可視化等語義Web前沿技術(shù)，提出一種基于RGPS的網(wǎng)絡(luò)化軟件的需求內(nèi)容管理的層次結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)化軟件需求的語義內(nèi)容存儲、語義內(nèi)容細(xì)粒度索引、語義內(nèi)容分類與組織、層次化語義檢索和結(jié)果輸出與顯示5個層次.圍繞以上5個層次，重點解決基于關(guān)鍵字的倒排索引算法，基于條件隨機場算法的需求實例分類和啟發(fā)式實例關(guān)聯(lián)查找算法等關(guān)鍵技術(shù)問題.最后，實現(xiàn)了基于RGPS的網(wǎng)絡(luò)化軟件需求內(nèi)容管理原型工具RGPS－RM，結(jié)合面向交通領(lǐng)域的按需回答案例，可視化展示功能.

1 網(wǎng)絡(luò)化軟件的需求內(nèi)容管理

圖1給出基于RGPS的網(wǎng)絡(luò)化軟件的需求內(nèi)容管理的層次結(jié)構(gòu)，各層之間的依賴關(guān)系是下層為上一層提供服務(wù)和支持.

圖1 網(wǎng)絡(luò)化軟件的需求內(nèi)容管理的層次結(jié)構(gòu)Fig.1 Ahierarchical architecture for semantic requirements management of networked software

網(wǎng)絡(luò)化軟件的需求內(nèi)容管理的各個層次功能具體如下：

1）語義內(nèi)容存儲：遵循需求元描述標(biāo)準(zhǔn)RGPS，在領(lǐng)域本體和領(lǐng)域模型的支持下，個性化需求借助誘導(dǎo)和轉(zhuǎn)換等需求分析技術(shù)生成網(wǎng)絡(luò)化軟件需求的實例.本質(zhì)上，網(wǎng)絡(luò)化軟件需求的數(shù)據(jù)模型是本體圖，其數(shù)據(jù)存儲模式直接影響到數(shù)據(jù)訪問和檢索效率.原生式存儲模式［10］符合本體圖數(shù)據(jù)模型特點，可以避免基于內(nèi)存的存儲模式、基于關(guān)系或?qū)ο髷?shù)據(jù)庫存儲模式存在的弱點.

2）語義內(nèi)容細(xì)粒度索引：細(xì)粒度索引是實現(xiàn)任意片斷、任意粒度檢索網(wǎng)絡(luò)化軟件需求的語義內(nèi)容的重要基礎(chǔ).通過細(xì)粒度索引并形成語義索引庫，為層次化語義內(nèi)容檢索支持.大多數(shù)系統(tǒng)使用大量索引，如Oracle RDF（resource description framework，資源描述框架）提取模式描述信息并建立規(guī)則索引；文獻(xiàn)［11］在關(guān)系存儲基礎(chǔ)上建立主索引和二級索引.本文采用基于關(guān)鍵字的倒排索引算法，可以克服網(wǎng)絡(luò)化需求實例的檢索性能瓶頸.

3）語義內(nèi)容分類與組織：由于網(wǎng)絡(luò)化軟件的需求文檔的復(fù)雜性和可成長性，存在查詢返回的結(jié)果日漸龐大.結(jié)合領(lǐng)域模型和領(lǐng)域本體，通過基于線型條件隨機場 CRFs（linear conditional random fields）分類算法，綜合利用需求元描述標(biāo)準(zhǔn)RGPS定義的上下文概念關(guān)系，實現(xiàn)有效組織和自動歸類，提高層次化語義檢索的效率，以及結(jié)果輸出與顯示的性能.

4）層次化語義檢索：由于需求活動要求的多樣性，以及網(wǎng)絡(luò)化軟件需求內(nèi)容共享的靈活性，需要解決傳統(tǒng)語義檢索系統(tǒng)中存在的檢索形式單一，結(jié)果返回單一以及關(guān)聯(lián)檢索關(guān)注度不夠等問題.按照涉眾關(guān)注精細(xì)度不同，可以構(gòu)造概念，屬性和實例索引并實現(xiàn)復(fù)合檢索；利用需求元描述標(biāo)準(zhǔn)RGPS中概念層次的關(guān)系指導(dǎo)節(jié)點擴展，挖掘需求實例關(guān)聯(lián)檢索.

5）結(jié)果輸出與顯示層：根據(jù)統(tǒng)一輸入應(yīng)用程序接口（application programming interface，API）接收需求活動的請求，經(jīng)層次化語義檢索層獲得需要的結(jié)果，再按照一定的過濾規(guī)則，以本體有向超圖方式展示結(jié)果或統(tǒng)一輸出API反饋文本形式結(jié)果.一方面，達(dá)到需求活動對網(wǎng)絡(luò)化軟件需求的細(xì)粒度透明訪問；另一方面，通過定制API為需求跟蹤，需求變更管理和需求版本管理等需求活動按需接收文本結(jié)果，方便調(diào)用和集成.

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于關(guān)鍵字的倒排索引算法

由于需求元描述標(biāo)準(zhǔn)RGPS，因此廣泛采用的網(wǎng)絡(luò)化軟件需求的描述語言是 OWL（web ontology language）本體描述語言，其數(shù)據(jù)模型是本體圖，具體定義：

定義1（本體圖）本體圖記為G＝（V，E，lV，lE），其中V是構(gòu)成該本體的全體概念集合，稱為本體圖的結(jié)點；E是概念到概念之間的關(guān)系集合，稱為本體圖的有向邊，有向邊的起點表示關(guān)系中實施作用的概念，終點表示關(guān)系中被作用的概念；lV，lE是本體圖結(jié)點和邊上的標(biāo)記函數(shù)［10］.

根據(jù)本體圖模型，解決網(wǎng)絡(luò)化軟件需求存儲的關(guān)鍵是V中結(jié)點元素（起點vs和終點vo）和E中邊元素的表示問題.E集合中有向邊元素視為一個結(jié)點元素vp.網(wǎng)絡(luò)化軟件需求的存儲問題本質(zhì)上是三元組（vs，vp，vo）的存儲問題.采用原生方式存儲網(wǎng)絡(luò)化軟件需求文檔能適應(yīng)本體圖特點，克服基于內(nèi)存的存儲模式和基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的存儲模式（三元組表、垂直分割和屬性表）存在的不足，擺脫傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫普通存在的阻抗失配問題，減少數(shù)據(jù)加載和更新時間［11］.

完全索引是一種較有影響力的設(shè)計方法，通過建立6個索引，來包含三元組中3個元素所有可能的排序方式.例如（YARS）對三元組及其上下文信息建立了6個B＋樹索引；Kowari則利用（AVL）和B樹來代替B＋樹建立索引［12］.如果能按關(guān)鍵字建立網(wǎng)絡(luò)化軟件需求文檔的索引，就可以根據(jù)關(guān)鍵字快速地檢索網(wǎng)絡(luò)化軟件需求文檔的內(nèi)容.通常情況下，這種倒排索引結(jié)構(gòu)由詞典（lexicon）和置入表兩部分組成.詞典用于存儲關(guān)鍵字（keywords），每個關(guān)鍵字和一個置入表（postings）相關(guān)聯(lián)，該表中的每個指針指向與該關(guān)鍵字相關(guān)的某個文檔.為實現(xiàn)細(xì)粒度查詢，將置入表設(shè)計為二維指針鏈表：一維中每一指針指向該關(guān)鍵字相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)化軟件需求文檔；另一維中每一指針都指向同一需求文檔中包含該關(guān)鍵字的一個三元組，并且包括該關(guān)鍵字在三元組中的統(tǒng)計信息.下面給出基于關(guān)鍵字的倒排索引算法［10］.

利用基于關(guān)鍵字的倒排索引算法經(jīng)由置入表中第一維指針很容易得到與該關(guān)鍵字相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)化軟件需求文檔，并且通過置入表第二維指針信息可以進(jìn)一步明確該關(guān)鍵字位置.在獲得關(guān)鍵字在本體圖中位置信息的同時，索引還同時返回相關(guān)的統(tǒng)計信息，因而能確保需求檢索的細(xì)粒度和精確度.

2.2 基于線性條件隨機算法的需求實例分類

從全局管理和本體概念角度，結(jié)合領(lǐng)域模型和領(lǐng)域本體，采用分類算法（如線型條件隨機場CRF，支持向量機（support vector machine，SVM）等）實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)化軟件需求有效組織和自動歸類，及層次化語義內(nèi)容檢索結(jié)果有序緩存，同時有利于提高檢索效率.

傳統(tǒng)的SVM分類利用關(guān)鍵字構(gòu)造特征向量，然后利用關(guān)鍵字向量之間余弦計算相似度是否大于閾值［13］，從而實現(xiàn)簡單分類.其缺點是完全沒有考慮元描述RGPS和領(lǐng)域模型中定義各種的上下文關(guān)系.為此，采用線性條件隨機場算法CRF［14］.由于輸入線性CRF分類算法的特征向量包括邊向量和數(shù)值屬性向量.首先，利用網(wǎng)絡(luò)化軟件需求元模型RGPS定義的概念上下文關(guān)系生成線性邊向量，算法過程如下：

設(shè)對于某個屬于概念C的實例i，輸入線性CRF的數(shù)值屬性向量所對應(yīng)的屬性p和屬性p的取值v，數(shù)值屬性向量（pd1，vd1），（pd2，vd2），…，（pdn，vdn）；由網(wǎng)絡(luò)化軟件需求實例的線性邊向量生成算法得到邊屬性向量（pe1，ve1），（pe2，ve2），…，（pen，ven）作為線性條件隨機場算法CRF的輸入向量.線性條件隨機場算法CRF表示為如下形式：

其中，Z（x）對所有可能狀態(tài)的歸一化分配函數(shù)，使得所在狀態(tài)序列的概率和為1，Z（x）的計算公式如下：

其中，y｜ve和y｜vd分別對應(yīng)邊屬性向量（pe1，ve1），（pe2，ve2），…，（pen，ven）和屬性向量（pd1，vd1），（pd2，vd2），…，（pdn，vdn），參數(shù)tk和sj表示邊和數(shù)值屬性的特征函數(shù)，λk和uj分別表示邊特征和屬性特征的權(quán)重.根據(jù)最大熵原理和條件概率最大的狀態(tài)序列來確定需求實例分類.根據(jù)最大熵原理和條件概率最大的狀態(tài)序列來確定數(shù)據(jù)的類別［15］.

2.3 啟發(fā)式關(guān)聯(lián)查找算法

為解決傳統(tǒng)語義檢索系統(tǒng)中存在的檢索形式單一，結(jié)果返回單一以及關(guān)聯(lián)檢索關(guān)注度不夠等問題，需要由淺入深挖掘潛在的語義信息.由于網(wǎng)絡(luò)化軟件遵循需求元描述標(biāo)準(zhǔn)RGPS，因此利用R／G／P／S本體概念層次間的關(guān)系，挖掘?qū)嵗c實例之間的關(guān)聯(lián)，為動態(tài)需求跟蹤服務(wù)和需求變更分析創(chuàng)造條件.

定義2（關(guān)聯(lián)關(guān)系）網(wǎng)絡(luò)化軟件需求存在以下關(guān)聯(lián)關(guān)系：Rdirect（c1，c2）＝r（c1，c2）表示存在從概念c1指向概念c2的直接關(guān)系；Rdirect（i1，i2）＝r （i1，i2）表示存在實例i1指向?qū)嵗齣2的直接關(guān)系；Rindirect（c1，c2）＝r（c1，ck）r（ck，ca）…r（cb，c2）表示概念c1和概念c2存在間接關(guān)系；Rindirect（i1，i2）＝r（i1，ik）r （ik，ia）…r （ib，i2）表示實例i1指向?qū)嵗齣2存在間接關(guān)系.

根據(jù)定義2，可以以啟發(fā)式寬度優(yōu)先策略，利用需求元模型標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)節(jié)點的擴展方式查找一條實例之間的間接關(guān)聯(lián).但由于需要對元模型標(biāo)準(zhǔn)RGPS依賴性較強，同時在子類嵌套層次較多的本體中會產(chǎn)生大量需要擴展的結(jié)點，影響查找效率，具體算法如下：

3 系統(tǒng)演示

3.1 案例說明

以武漢城市旅游出行規(guī)劃為例：美籍華人王教授按照天氣條件，賓館與景點距離和出行路況選擇交通工具等約束確定游玩路線.遵循需求元描述標(biāo)準(zhǔn)RGPS，基于改進(jìn)的SORL［15］經(jīng)過角色層模型、目標(biāo)層模型和過程層模型逐層分析和誘導(dǎo)，得到服務(wù)層模型，最終基于互聯(lián)網(wǎng)動態(tài)挖掘軟件服務(wù)，并實現(xiàn)按需服務(wù)的軟件規(guī)?；ㄖ?，從而構(gòu)造面向交通領(lǐng)域的按需回答平臺，以多媒體展示出行路線規(guī)劃推薦給最終用戶.圖2展示用戶輸入“武漢大學(xué)”到“江漢路”得到最佳出行路線規(guī)劃，以及天氣、交通和信息系統(tǒng)等綜合集成效果.

由于RGPS各層次模型相對比較復(fù)雜，只給出客戶角色王教授的出行路線目標(biāo)描述、出行路線過程描述、出行路線服務(wù)的部分描述示例如圖3所示.

3.2 管理工具RGPS－GM

遵循網(wǎng)絡(luò)化軟件需求RGPS元描述，采用基于RGPS的需求語義內(nèi)容管理的層次結(jié)構(gòu)初步實現(xiàn)原型工具RGPS－GM.其中，數(shù)據(jù)庫采用開源軟件Berkeley DB v4.7.25保證可靠和高性能；界面采用SUN公司的圖形類庫Java Swing和Sourceforge JUNG v2.0.1圖形化框架.

圖4給出RGPS－GM工具的總體視圖，包括工具欄，需求快速導(dǎo)航，網(wǎng)絡(luò)化軟件需求屬性（優(yōu)先級，穩(wěn)定性，版本號等），需求有向視圖窗口和查詢窗口等.用戶能對結(jié)果中的某個實例進(jìn)行觀察和導(dǎo)航.需求有向視圖窗口展示面向交通領(lǐng)域的按需回答平臺的完整需求描述，并以不同顏色（紅／黃／淺藍(lán)／綠）的圓點分別表示R／G／P／S的概念層次關(guān)系.查詢窗口支持簡單查詢（simple query），關(guān)聯(lián)查詢（relation query），層次查詢 （hierarchy query）和 高級查詢 （advanced query），實現(xiàn)任意粒度的查詢，具有很高的靈活性.

圖2 面向交通領(lǐng)域的按需回答平臺Fig.2 An on－demand Q／A Case in transport domain

圖3 部分基于RGPS的網(wǎng)絡(luò)化軟件需求Fig.3 Apart of RGPS－based requirement for networked software

RGPS－GM工具支持網(wǎng)絡(luò)化軟件需求任意實例的關(guān)聯(lián)查詢.根據(jù)用戶輸入的需求文檔中資源的URI，運用啟發(fā)式實例關(guān)聯(lián)查找算法能動態(tài)挖掘數(shù)據(jù)庫中相關(guān)聯(lián)的其它資源，圖5展示直接或間接關(guān)聯(lián)的R／G／P／S各層次資源關(guān)聯(lián)關(guān)系.

圖4 RGPS－GM界面Fig.4 An overview of RGPS－GM

圖5 RGPS－GM中關(guān)聯(lián)挖掘結(jié)果Fig.5 Association mining of RGPS－GM

4 結(jié) 論

語義Web與需求工程領(lǐng)域的結(jié)合尚屬較新探索領(lǐng)域.目前僅限于兩類情況：一是建立特定領(lǐng)域的本體為多個目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)的需求提供共享知識庫，如基于本體的軟件需求恢復(fù)［16］；二是基于本體的領(lǐng)域模型為相應(yīng)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)的需求規(guī)范提供基礎(chǔ)，實現(xiàn)知識重用，如基于本體的需求演化管理框架［17］等.

網(wǎng)絡(luò)化軟件的需求元描述RGPS決定網(wǎng)絡(luò)化軟件需求的數(shù)據(jù)模型是本體圖，其特殊性對傳統(tǒng)的需求管理技術(shù)提出很大挑戰(zhàn).本文提出了基于RGPS的網(wǎng)絡(luò)化軟件需求內(nèi)容管理的層次化結(jié)構(gòu)，重點突破以下關(guān)鍵技術(shù)：采用關(guān)鍵字的倒排索引算法保證支持對網(wǎng)絡(luò)化軟件需求的任意粒度檢索，以方便需求活動能共享需求內(nèi)容；采用基于線性條件隨機算法的需求實例分類算法實現(xiàn)自動組織和分類，提高管理系統(tǒng)的總體性能；提出基于啟發(fā)式實例關(guān)聯(lián)查找算法挖掘?qū)嵗兓蛢?nèi)在關(guān)聯(lián)，為需求跟蹤和變更數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ).

下一步將重點圍繞進(jìn)一步研究需求跟蹤和需求變更，解決動態(tài)RGPS數(shù)據(jù)集的查詢優(yōu)化等問題；對需求分析，需求演化和需求驗證等活動的支撐服務(wù)；完善原型系統(tǒng)RGPS－RM的功能，增強交互式瀏覽查詢，并在云計算和大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域展開應(yīng)用研究.

致謝 感謝清華大學(xué)周立柱教授和唐杰副教授，武漢大學(xué)何克清教授，李兵教授和彭蓉教授，北京航空航天大學(xué)張莉教授，東北大學(xué)吳剛副教授的指導(dǎo)和幫助！

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