一種在GQM度量方法中的決策機(jī)制研究

戴炳榮 王 凌 李 超 宋俊典

1(上海計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)開發(fā)中心 上海 201112)2(上海市計(jì)算機(jī)軟件評(píng)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201112)

一種在GQM度量方法中的決策機(jī)制研究

戴炳榮1,2王 凌1李 超1宋俊典1,2

1(上海計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)開發(fā)中心 上海 201112)2(上海市計(jì)算機(jī)軟件評(píng)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201112)

軟件度量在軟件開發(fā)過程和軟件產(chǎn)品中具有重要作用。GQM(Goal-Question-Metric Approach)模型是當(dāng)前使用較為廣泛的一種軟件度量手段，它通過對(duì)目標(biāo)的一系列問題的回答最終實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件開發(fā)過程的控制和評(píng)估。針對(duì)GQM中沒有提及如何客觀地將組織的目標(biāo)歸納和分解為度量指標(biāo)這一缺陷，提出一種利用德爾菲法和PUGH矩陣的決策機(jī)制，對(duì)眾多分解的度量指標(biāo)進(jìn)行篩選，最終形成GQM模型的問題和度量元，并結(jié)合實(shí)際實(shí)踐進(jìn)行分析和驗(yàn)證。實(shí)踐表明該決策機(jī)制能夠有效地形成GQM度量計(jì)劃，從而指導(dǎo)軟件開發(fā)過程和軟件產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

GQM模型 度量指標(biāo) 決策機(jī)制 PUGH矩陣

0 引 言

由于軟件的規(guī)模越來越大，其復(fù)雜度也變得越來越高，軟件開發(fā)項(xiàng)目也變得較為復(fù)雜以及難以管控，導(dǎo)致軟件項(xiàng)目出現(xiàn)一系列問題如進(jìn)度滯后、質(zhì)量不高以及范圍失控等。有關(guān)研究表明，由于管理不善而非技術(shù)實(shí)力導(dǎo)致的軟件項(xiàng)目失敗高達(dá)總數(shù)的70%。軟件度量是解決這些問題的有效手段，在可預(yù)測(cè)、可重復(fù)、準(zhǔn)確的控制軟件開發(fā)過程和軟件產(chǎn)品中顯得日益重要[1]。軟件度量實(shí)際上是一個(gè)持續(xù)性定量化的過程，通過對(duì)軟件開發(fā)項(xiàng)目、過程及其產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)定義、收集以及分析，目的旨在對(duì)軟件開發(fā)項(xiàng)目加以理解、預(yù)測(cè)、評(píng)估、控制和改善。它能夠?qū)浖_發(fā)過程進(jìn)行完善，使開發(fā)項(xiàng)目順利成功完成，最終在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)開發(fā)出一個(gè)高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品[2]。

在軟件度量中已經(jīng)建立了許多有效而著名的定量化度量方法，文獻(xiàn)[3]介紹了幾種常用的軟件度量方法如規(guī)模度量方法、成本度量方法、復(fù)雜性度量方法以及GQM模型，并針對(duì)不同的度量?jī)?nèi)容進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[4]研究了基于統(tǒng)計(jì)過程控制的軟件質(zhì)量度量模型，并通過某單元測(cè)試收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的應(yīng)用說明。在眾多的軟件度量方法中，GQM模型應(yīng)用最為廣泛。GQM模型將度量結(jié)構(gòu)分為3個(gè)層次，從上到下依次為目標(biāo)層、問題層、度量層。三個(gè)層次間具有遞進(jìn)的關(guān)系，且一層比一層精細(xì)，把度量項(xiàng)實(shí)際收集的數(shù)據(jù)與項(xiàng)目目標(biāo)或抽象級(jí)別較高的組織相關(guān)聯(lián)，從而根據(jù)信息的需要和優(yōu)先級(jí)能夠盡快地決定度量和進(jìn)行度量。但GQM中沒有提及如何客觀地將組織的目標(biāo)歸納和分解為度量指標(biāo)，因此面對(duì)不同的人員，使用該模型時(shí)，分解的度量指標(biāo)也大不相同。如何客觀地根據(jù)組織目標(biāo)和任務(wù)分析形成GQM模型的問題和度量元，是一個(gè)值得研究的課題。

目前已有一些學(xué)者提出了改進(jìn)GQM模型的思路和方法，文獻(xiàn)[5]在GQM模型基礎(chǔ)上，通過在問題和度量之間引入指示器I，進(jìn)而在度量過程中及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題和原因的局限性，但沒有對(duì)影響度量的因素進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[6]對(duì)GQM模型進(jìn)行了改進(jìn)，并設(shè)計(jì)了適合企業(yè)的度量方法，但其合并了目標(biāo)層和問題，造成了度量指標(biāo)和推理過程過于簡(jiǎn)化，影響GQM模型的應(yīng)用效果。

因此，在GQM模型基礎(chǔ)上，本文提出一種基于德爾菲法和PUGH矩陣的決策機(jī)制，系統(tǒng)地討論了決策計(jì)算方法和實(shí)現(xiàn)過程，并結(jié)合實(shí)際的案例進(jìn)行詳細(xì)分析，驗(yàn)證了該決策機(jī)制的有效性和可行性，從而協(xié)助組織控制和完善軟件開發(fā)過程，為軟件開發(fā)過程和軟件產(chǎn)品提供指導(dǎo)和有效保障。

1 GQM模型分析

GQM模型由美國(guó)馬里蘭大學(xué)的Victor Basili博士于1994年提出，它是一種由目標(biāo)逐步進(jìn)行細(xì)化到度量，且是面向目標(biāo)、自上而下的軟件度量定義方法[7]。該模型建立在以下假設(shè)之上：對(duì)于軟件度量組織，首先要確定組織目標(biāo)或項(xiàng)目目標(biāo)，其次是跟蹤目標(biāo)至問題，最后這些問題需能夠可操作化地定義目標(biāo)，并且給出一個(gè)解釋目標(biāo)和問題的框架。由于每個(gè)組織或項(xiàng)目都需要實(shí)現(xiàn)一連串的目標(biāo)，而每個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都需要回答一系列問題，對(duì)于每個(gè)問題均能夠找到一個(gè)相應(yīng)完整的、可量化的解答，通過這些問題的解答去發(fā)現(xiàn)目標(biāo)是否得以實(shí)現(xiàn)。因此，可以通過GQM模型是把組織目標(biāo)或項(xiàng)目目標(biāo)進(jìn)行歸納、分解，形成度量指標(biāo)，再?gòu)倪@些指標(biāo)中提煉出能夠用來測(cè)量的值，最終達(dá)到預(yù)測(cè)、過程控制和實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā)的定量化管理的目的。

文獻(xiàn)[8]中詳細(xì)的闡述了GQM模型的層次，包括概念層(Goals)、操作層(Questions)和數(shù)據(jù)層(Metric)。在該三層結(jié)構(gòu)中，每個(gè)下層都是用來對(duì)上一層進(jìn)行細(xì)化與求精的，這樣便可以從目標(biāo)中而獲得所需度量。層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GQM模型的三層結(jié)構(gòu)

在文獻(xiàn)[8]中，將GQM模型應(yīng)用到了實(shí)際當(dāng)中。一個(gè)項(xiàng)目在7周時(shí)的度量計(jì)劃和度量結(jié)果的分析，作者將第7周的項(xiàng)目進(jìn)度最終分解為3個(gè)問題和12個(gè)度量元。

Q1：編碼工作是否能夠如期開始；

Q2：在集成測(cè)試時(shí)，需要查看單元測(cè)試是否已經(jīng)結(jié)束；

Q3：第7周時(shí)，ABCD每個(gè)任務(wù)是否已經(jīng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)比例工作？任務(wù)E準(zhǔn)備工作是否做好？

Q1的度量元為：M1需求調(diào)研和分析的評(píng)審結(jié)果；M2系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的評(píng)審結(jié)果；M3編碼人員到位；M4編碼是否在第3周開始。

Q2的度量元為：M5每個(gè)編碼人員的單元測(cè)試工作完成與否；M6單元回歸測(cè)試的完成程度；M7在單元測(cè)試過程中，是否已經(jīng)將每種缺陷率控制在可控范圍之內(nèi)。

Q3的度量元為：M8任務(wù)A應(yīng)該完成(7/10)%；M9任務(wù)B應(yīng)該完成(7/8)%；M10任務(wù)C應(yīng)該完成(4/10)%；M11任務(wù)D應(yīng)該完成(1.5/0.5)；M12在第9周的時(shí)候系統(tǒng)是否可以按時(shí)發(fā)布。

雖然以往的研究已經(jīng)在項(xiàng)目實(shí)施過程中引入了甘特圖等技術(shù)來控制項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃，但是面對(duì)需求的不確定性，用戶隨時(shí)有可能對(duì)項(xiàng)目需求進(jìn)行調(diào)整，造成在項(xiàng)目實(shí)施時(shí)依然會(huì)出現(xiàn)許多難以預(yù)料的問題。同時(shí)，不同的項(xiàng)目管理人員、需求分析人員、研發(fā)人員等面對(duì)同一個(gè)目標(biāo)，可能會(huì)分解出不同的問題，對(duì)于每個(gè)問題也會(huì)分解出不同的度量元，而且有的度量元可能很難確定，那么如何客觀地分解度量元，對(duì)于不確定的度量元如何進(jìn)行決策就成為了一個(gè)有待研究的問題。

2 基于德爾菲法和PUGH矩陣的決策機(jī)制

本文通過引入PUSH矩陣和關(guān)鍵因素的決策機(jī)制，為目標(biāo)分解為合理的問題與度量元，提供可以實(shí)際操作的方法。PUGH矩陣又稱決策矩陣，它是表示決策方案與有關(guān)因素相互關(guān)系的矩陣表示，常用來進(jìn)行定量決策分析。如表1所示，PUGH矩陣通過在多個(gè)可選擇的方案中設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方案，然后按照判斷準(zhǔn)則將其他方案與基準(zhǔn)的方案進(jìn)行比較分析，從而得出最終的結(jié)論。

表1 PUGH矩陣的模板

在實(shí)施過程中，首先需要確定選擇決策的關(guān)鍵要素，以此來設(shè)定選擇的判斷準(zhǔn)則。這些判斷準(zhǔn)則通常不應(yīng)過多，一般來說控制在二十項(xiàng)以內(nèi)。判斷準(zhǔn)則的建立一般依據(jù)項(xiàng)目人員的經(jīng)驗(yàn)，為了使判斷準(zhǔn)則更加的客觀有效，本文采用德爾菲法來確定PUGH矩陣的判斷準(zhǔn)則。德爾菲法[9]，通常又被稱作專家規(guī)定程序調(diào)查法，它起始于調(diào)查者對(duì)調(diào)查表進(jìn)行初步擬定，然后再依照既定程序通過函件形式分別實(shí)現(xiàn)對(duì)專家組成員建議的征詢，最后，專家組成員將各自的函件以匿名形式提交，從而實(shí)現(xiàn)了意見反饋收集。通過這樣多次反復(fù)的專家意見征詢與反饋，專家組建議就被逐步集中到一起，形成一個(gè)可參考的綜合建議，最終以此來得到擁有很高準(zhǔn)確率的集體判定結(jié)果[9]。

本文基于德爾菲法和PUGH矩陣的決策過程如圖2所示。

圖2 基于德爾菲法和PUGH矩陣的決策過程

1) 根據(jù)德爾菲法得到判斷準(zhǔn)則及其權(quán)重

使用德爾菲法確定各個(gè)度量元的判斷準(zhǔn)則，假設(shè)可選擇方案為P，判斷準(zhǔn)則為T，權(quán)重(即重要性)為ω，則：

可選擇方案為：P={P1,P2,…,Pm}

判斷準(zhǔn)則：T={T1,T2,…,Tn}

權(quán)重為：ω={ω1,ω2,…,ωn}

2) 確定基準(zhǔn)方案

在建立判斷準(zhǔn)則和權(quán)重后，為了保證參加分析的所有成員對(duì)可選方案和判斷準(zhǔn)則都能有很好的理解，以便做出準(zhǔn)確的判斷。首先需要選擇一個(gè)方案作為基準(zhǔn)方案，且基準(zhǔn)方案一般是大家公認(rèn)的良好方案，假設(shè)基準(zhǔn)方案為S，則S={S1,S2,…,Sn}。

3) 通過判斷準(zhǔn)則，把每個(gè)方案和基準(zhǔn)方案做對(duì)比

把每個(gè)方案都和基準(zhǔn)方案作對(duì)比，并且每當(dāng)對(duì)比一次，就需要通過一個(gè)判斷準(zhǔn)則來評(píng)估。同時(shí)，在方案與判斷準(zhǔn)則相呼應(yīng)的位置，標(biāo)注出一個(gè)對(duì)應(yīng)的符號(hào)，通常使用“+”來表明該方案好于基準(zhǔn)方案，相反地“-”則表明差于基準(zhǔn)方案。而用“s”表示與基準(zhǔn)方案相等。在這個(gè)過程當(dāng)中，還需要將新產(chǎn)生的方案與判斷準(zhǔn)則留存下來，方便將他們加入迭代步驟中，供下次的矩陣分析。

4) 統(tǒng)計(jì)所有評(píng)價(jià)符號(hào)的數(shù)量和加權(quán)總數(shù)

通過統(tǒng)計(jì)“+”和“-”的個(gè)數(shù)，便可以發(fā)現(xiàn)“+”最多和“-”最少的方案，但是它們不能夠用來相互抵消。根據(jù)賦予判斷準(zhǔn)則的權(quán)重值，可以得出更好和更差加權(quán)總數(shù)。這里我們定義：Tb表示某一待選擇方案好于基準(zhǔn)方案S的準(zhǔn)則集合；Tw表示某一待選方案差于基準(zhǔn)方案S的準(zhǔn)則集合；使用Pb和Pw分別表示更好加權(quán)數(shù)和更差加權(quán)數(shù)。則：

Pb=∑iωi×Tbii∈Tb

(1)

Pw=∑iωi×Twii∈Tw

(2)

5) 確定最佳方案

在統(tǒng)計(jì)的過程中，也要注意將強(qiáng)的方案融入到弱的方案中，從而產(chǎn)生良好的混合方案。重復(fù)整個(gè)過程便可以獲得最佳方案，否則繼續(xù)重復(fù)工作，直到出現(xiàn)最佳方案為止。通過PUGH矩陣最終可以有效地確定GQM模型中的問題以及度量元。

3 應(yīng)用案例及分析

上海軟件中心與中海集團(tuán)在2013年簽訂了戰(zhàn)略合作伙伴協(xié)議，中海集團(tuán)在信息管理系統(tǒng)方面擁有很多的項(xiàng)目需求，IT資產(chǎn)管理系統(tǒng)作為中海集團(tuán)航運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目中的一部分有著十分重要的意義。IT資產(chǎn)管理系統(tǒng)擁有“工作臺(tái)管理”、“采購(gòu)管理”、“軟件管理”、“硬件管理”、“低值耗材管理”、“統(tǒng)計(jì)分析”、“信息中心”、“系統(tǒng)管理”共計(jì)八個(gè)一級(jí)模塊。

本文在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，將項(xiàng)目目標(biāo)梳理分解成了6個(gè)問題，如表2所示。增加了Q1需求工作是否已經(jīng)完成，以及Q4通過單元測(cè)試的模塊上線后，再增加模塊上線時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)問題？Q6：第7周時(shí)用戶的滿意程度和健壯性如何？因?yàn)椴煌捻?xiàng)目和不同的客戶，所造成的項(xiàng)目實(shí)施時(shí)的實(shí)際情況是不同的，每個(gè)資深項(xiàng)目管理人員和高級(jí)工程師的經(jīng)驗(yàn)也有所不同，因此提出的問題以及度量元是不同的。并且在確認(rèn)度量元是否完成方面，不同的項(xiàng)目人員也會(huì)存在不一致的意見。比如，“M3——需求變更次數(shù)”，這個(gè)度量元是否應(yīng)該作為“Q1——需求工作是否已經(jīng)完成”問題的度量？“Q4——通過單元測(cè)試的模塊上線后，再增加模塊上線時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)問題這個(gè)問題”對(duì)于完成目標(biāo)是否存在意義？在回答“Q6——第7周時(shí)用戶的滿意程度和健壯性如何問題時(shí)”，“M19——用戶沒有提出異議”是否表示用戶已經(jīng)對(duì)當(dāng)前項(xiàng)目的進(jìn)展給予滿意？即使用戶已經(jīng)明確表示了滿意，則滿意程度又會(huì)是多少呢？系統(tǒng)是否能夠具備良好的健壯性呢？這些問題都需要給予客觀性決策，GQM模型能夠幫助將目標(biāo)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的分解，從而形成所謂合理的度量元。

表2 GQM模型度量計(jì)劃

在IT資產(chǎn)管理系統(tǒng)項(xiàng)目中，在表2形成的基礎(chǔ)度量計(jì)劃的基礎(chǔ)上，采用GQM模型對(duì)項(xiàng)目的整體進(jìn)度進(jìn)行了度量與監(jiān)控。項(xiàng)目計(jì)劃在8周的時(shí)間內(nèi)完成需求分析、架構(gòu)搭建和系統(tǒng)管理模塊的開發(fā)。在第8周時(shí)，需要確定“該項(xiàng)目進(jìn)度是不是正?！薄Ｓ?位項(xiàng)目經(jīng)理和1位資深的項(xiàng)目人員對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行分解最終形成5個(gè)問題：“要求的工作是否已經(jīng)完成”、“編碼工作能不能如期正常進(jìn)行”、“單元測(cè)試是否完成”、“階段性開發(fā)任務(wù)是否能夠準(zhǔn)時(shí)結(jié)束”、“用戶的滿意程度”。在分解成5個(gè)問題后，開始對(duì)每個(gè)問題確定相應(yīng)的度量元。

首先使用第2節(jié)中的德爾菲法確定各個(gè)度量元方案的判斷準(zhǔn)則，共計(jì)10個(gè)：完成的里程碑、關(guān)鍵路徑、工作單元進(jìn)展、功能規(guī)模穩(wěn)定性、功能正確性、可靠性、可維護(hù)性、過程符合性、技術(shù)適合性、客戶反饋。隨后利用PUGH矩陣明確方案中的可選擇度量元。如表3、表4、表5所示，從中可以統(tǒng)計(jì)出各個(gè)度量元的更好總數(shù)以及更差總數(shù)，并通過權(quán)值的運(yùn)算得出加權(quán)更好和更差總數(shù)。這樣反復(fù)迭代分析，最終形成10個(gè)有效的度量元應(yīng)用于GQM模型中，如表6所示。

可選擇度量元15個(gè)：

表3 待選擇方案

通過判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析：

表4 待選擇方案

表4說明如下：

判斷準(zhǔn)則：1)完成的里程碑；2)關(guān)鍵路徑性能；3)工作單元進(jìn)展；4)功能規(guī)模穩(wěn)定性；5)功能正確性；6)可靠性；7)可維護(hù)性；8)過程符合性；9)技術(shù)適合性；10)客戶反饋。

標(biāo)準(zhǔn)方案：1)符合預(yù)定的里程碑；2)按時(shí)完成關(guān)鍵任務(wù)或交付日期沒有延遲；3)單元進(jìn)展順利；4)需求和功能沒有變更；5)系統(tǒng)功能達(dá)到交付水平；6)用戶接口便于操作；7)標(biāo)識(shí)的問題順利解決；8)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)與定義過程一致；9)技術(shù)滿足需求；10)客戶理解項(xiàng)目性能，請(qǐng)求能得到快速處理。

表5 度量單元統(tǒng)計(jì)分析

最終形成10個(gè)度量元：

表6 基于決策機(jī)制最終形成的GQM度量計(jì)劃

在上面這個(gè)項(xiàng)目實(shí)例中，采用了基于德爾菲法和PUGH矩陣的決策機(jī)制形成GQM度量計(jì)劃，綜合考慮了度量元方案的判斷準(zhǔn)則，最終形成了有效的度量元應(yīng)用于GQM模型中。相比較與文獻(xiàn)[8]中沒有明確描述度量元的形成過程，本文則由項(xiàng)目管理者根據(jù)本企業(yè)的實(shí)際情況和工作中數(shù)據(jù)的收集方式和程度，真實(shí)和逐漸地按照德爾菲法和PUGH矩陣反復(fù)迭代最終形成具有實(shí)際意義和價(jià)值的度量元，真正對(duì)軟件項(xiàng)目度量起到了預(yù)測(cè)和控制的作用。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)軟件度量方法GQM模型的特點(diǎn)，提出了一種在GQM度量方法中的決策機(jī)制，系統(tǒng)地討論了該機(jī)制的實(shí)現(xiàn)過程和方法。并通過軟件開發(fā)實(shí)際案例的詳細(xì)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該機(jī)制實(shí)施的可行性。該GQM度量方法中的決策機(jī)制能夠有效地改進(jìn)GQM模型應(yīng)用效果，更好地進(jìn)行軟件度量活動(dòng)。

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A STUDY OF DECISION MECHANISM IN GQM METRICS

Dai Bingrong1, 2Wang Ling1Li Chao1Song Jundian1, 2

1(ShanghaiDevelopmentCenterofComputerSoftwareTechnology,Shanghai201112,China)2(ShanghaiKeyLaboratoryofComputerSoftwareTestingandEvaluating,Shanghai201112,China)

Software metrics play an important role in software development processes and software products. GQM model is a kind of software measure which is widely used. It can control and evaluate the software development process by answering a series of questions. Aiming at the shortcomings of GQM not to mention how to objectively summarize and decompose the goals of the organization into metrics, this paper proposes a decision making mechanism using Delphi method and PUGH matrix to select the measures of many decompositions. Finally, the problems and metrics of the GQM model are formed, and the analysis and verification are carried out. Practice shows that the decision-making mechanism can effectively form a GQM measurement plan to guide the software development process and software product quality improvement.

GQM model Measure index Decision-making mechanism PUGH matrix

2016-04-20。上海市科研計(jì)劃項(xiàng)目(15511101503)；上海張江高新區(qū)專項(xiàng)(201501-PD-LJZ-C104-004,201505-ZB-C104-013)。戴炳榮，博士生，主研領(lǐng)域：大數(shù)據(jù)，云計(jì)算，軟件項(xiàng)目管理。王凌，工程師。李超，助理工程師。宋俊典，副研究員。

TP301

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10.3969/j.issn.1000-386x.2017.05.003