可編程控制器軟件估算方法

勾 璇，李丹丹，文 華，石曉婷，馮 楠

（邯鄲凈化設(shè)備研究所，河北邯鄲 056011）

0 引言

可編程控制器是一種在電氣控制和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的工業(yè)控制裝置，廣泛應(yīng)用于機(jī)械生產(chǎn)和自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。目前，應(yīng)用較廣的可編程控制器有西門(mén)子、施耐德、歐姆龍、臺(tái)達(dá)等品牌。可編程控制器的編程語(yǔ)言繁多，不同品牌編程語(yǔ)言的表達(dá)方式也不相同，主要包括字符表達(dá)方式和圖形符號(hào)表達(dá)方式。

GJB 5000A軟件成熟度模型的核心思想：將軟件開(kāi)發(fā)視為一個(gè)過(guò)程，并根據(jù)這一原則對(duì)軟件開(kāi)發(fā)和維護(hù)進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控和研究，以使其更加科學(xué)化和標(biāo)準(zhǔn)化。在GJB 5000A二級(jí)實(shí)施過(guò)程中，項(xiàng)目策劃過(guò)程是軟件項(xiàng)目管理的一個(gè)重要過(guò)程。軟件規(guī)模估算作為項(xiàng)目工作量、成本和進(jìn)度估算的主要依據(jù)，是整個(gè)項(xiàng)目范圍管理的關(guān)鍵。

目前，可編程控制器普遍使用梯形圖編程語(yǔ)言。梯形圖編程語(yǔ)言注重邏輯控制，因而對(duì)其進(jìn)行軟件規(guī)模估算時(shí)需要考慮的客觀影響因素較多。此外，大多數(shù)控制系統(tǒng)在完成邏輯編碼的同時(shí)還需完成對(duì)人機(jī)交互界面（Human Machine Interaction，HMI）的編碼。由于HMI采用圖形式語(yǔ)言進(jìn)行編程，其工作量和規(guī)模無(wú)法通過(guò)代碼行直接估算，這也使軟件精準(zhǔn)化估算變得更為困難。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐，本文主要對(duì)3種可編程控制器軟件估算方法（直接工作量估算法、代碼行估算法和功能點(diǎn)估算法）進(jìn)行研究，結(jié)合實(shí)例對(duì)3種方法進(jìn)行詳細(xì)的估算說(shuō)明，并對(duì)估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 直接工作量估算

可編程控制器大多采用梯形圖語(yǔ)言編程，該語(yǔ)言不僅在代碼上沿用電氣工程師熟悉的繼電器控制原理圖的方式，還提供許多簡(jiǎn)單而又實(shí)用的指令。梯形圖鎖存邏輯編程代碼示例見(jiàn)圖1。

圖1 梯形圖鎖存邏輯編程代碼示例

直接工作量估算方法是指基于工作分解結(jié)構(gòu)的工作量估算方法，主要包括4點(diǎn)實(shí)施步驟：1）進(jìn)行工作分解結(jié)構(gòu)（Work Breakdown Structure，WBS）分解，將整個(gè)項(xiàng)目的任務(wù)進(jìn)行分解，分解粒度需要能進(jìn)行獨(dú)立估算；2）參考類似歷史項(xiàng)目數(shù)據(jù)，采用類比法或?qū)＜曳ü烙?jì)每類活動(dòng)的工作量；3）匯總得到項(xiàng)目的總工作量；4）根據(jù)工作量進(jìn)行計(jì)劃安排。

某典型溫度控制系統(tǒng)見(jiàn)圖2，采用加熱器加熱容器設(shè)備，采用溫度傳感器測(cè)量設(shè)備的溫度，采用可編程控制器采集傳感器的數(shù)據(jù)，采用HMI顯示溫度值，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行人機(jī)交互。當(dāng)設(shè)備溫度到達(dá)上限值時(shí)，可編程控制器發(fā)出斷開(kāi)指令，加熱器停止加熱；當(dāng)溫度達(dá)到下限值時(shí)，可編程控制器發(fā)出閉合指令，加熱器啟動(dòng)加熱。

圖2 溫度控制系統(tǒng)示例圖

WBS分解結(jié)果見(jiàn)圖3，工作量的度量單位為人·時(shí)。根據(jù)以往相似軟件的經(jīng)驗(yàn)，在可編程控制器中1個(gè)模擬量輸入（Analog Input，AI）功能設(shè)計(jì)的工作量約為0.5人·時(shí)；2個(gè)數(shù)字量輸出（Digital Output，DO）功能設(shè)計(jì)的工作量約為1.0人·時(shí)；可編程控制器中完成1個(gè)變量在人機(jī)界面顯示的工作量約為1.0人·時(shí)；在HMI中完成1個(gè)變量的圖像設(shè)計(jì)工作量約為1.5人·時(shí)。因此，總計(jì)工作量為4.0人·時(shí)。

圖3 控制系統(tǒng)WBS分解結(jié)果

2 代碼行估算

代碼行估算法是最早用于規(guī)模測(cè)量的方法，其核心是從開(kāi)發(fā)者的技術(shù)角度對(duì)軟件進(jìn)行估算。在估算時(shí)，該方法對(duì)功能分解的詳細(xì)程序要求較高。由于代碼行數(shù)在很大程度上依賴于所用的編程語(yǔ)言和個(gè)人的編程風(fēng)格，故在項(xiàng)目需求不穩(wěn)定、設(shè)計(jì)不成熟時(shí)，代碼行估算法很難準(zhǔn)確地估算代碼量，且其對(duì)代碼行也沒(méi)有公認(rèn)的定義和標(biāo)準(zhǔn)。

在使用代碼行估算法進(jìn)行估算時(shí)，首先要把項(xiàng)目劃分為若干個(gè)功能模塊，再分別計(jì)算每個(gè)功能模塊的代碼長(zhǎng)度，最后計(jì)算項(xiàng)目的總代碼長(zhǎng)度。此外，基于生產(chǎn)率參數(shù)可將代碼規(guī)模轉(zhuǎn)換為工作量。目前，在估算時(shí)默認(rèn)以C語(yǔ)言的實(shí)際代碼行數(shù)為準(zhǔn)則進(jìn)行規(guī)模統(tǒng)計(jì)。由于大多數(shù)可編程控制器不支持直接C語(yǔ)言編程，故需要根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)按比例進(jìn)行換算。

根據(jù)歷史項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，梯形圖-C語(yǔ)言轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.125，即1條梯形圖指令程序?qū)?yīng)8行C語(yǔ)言代碼，直接工作量估計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 直接工作量估計(jì)結(jié)果

3 功能點(diǎn)估算

基于功能點(diǎn)的工作量估算法從用戶的角度來(lái)度量軟件，該方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)和語(yǔ)言無(wú)關(guān)，在項(xiàng)目需求明確時(shí)估算的準(zhǔn)確性較高。功能點(diǎn)估算的主要方法有3種：IFPUG法、MarkⅡ法和COSMIC法。其中，IFPUG估算法應(yīng)用范圍最廣，且適用于所有類型的軟件。

功能點(diǎn)估算的主要步驟包括：確定項(xiàng)目類型、識(shí)別項(xiàng)目范圍、分析未調(diào)整的功能點(diǎn)、計(jì)算交付功能點(diǎn)數(shù)。估算的內(nèi)容包括外部接口數(shù)（External Interface File，EIF）、內(nèi)部邏輯數(shù)（Internal Logical File，ILF）、外部輸出數(shù)（External Output，EO）、外部輸入數(shù)（External Input，EI），以及外部查詢數(shù)（External Query，EQ）。其中，事務(wù)類包括EI、EO、EQ，數(shù)據(jù)類包括ILF和EIF。

依據(jù)某一功能單元涉及的數(shù)據(jù)元素類型數(shù)（Data Element Types，DETs）、記錄元素類型數(shù)（Record Element Types，RETs）、引用文件類型數(shù)（File Type Referenced，F(xiàn)TRs），對(duì)照復(fù)雜度矩陣確定該功能單元的功能復(fù)雜度所屬類型。其中，DETs是指在一個(gè)ILF或EIF內(nèi)用戶可認(rèn)知的、唯一的、非重復(fù)的字段。RETs是指在一個(gè)ILF或EIF內(nèi)用戶可認(rèn)知的數(shù)據(jù)元素子集。

為更加詳細(xì)地了解功能點(diǎn)方法的估算內(nèi)容，在某典型溫度控制系統(tǒng)實(shí)例的原有基礎(chǔ)上，增加用戶對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢功能。溫度控制系統(tǒng)的功能點(diǎn)估算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 溫度控制系統(tǒng)的功能點(diǎn)估算結(jié)果

調(diào)整后的功能點(diǎn)數(shù)（Adjusted Function Points，AFP）的計(jì)算公式為

式中：AF為影響因子，可根據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行適當(dāng)取值。本例中，AF為0.89，調(diào)整后的功能點(diǎn)數(shù)為45。

4 結(jié)論

以提高軟件的質(zhì)量和可靠性為出發(fā)點(diǎn)，本文分別介紹了直接工作量估算法、代碼行估算法和功能點(diǎn)估算法的實(shí)施步驟和估算特點(diǎn)，并依據(jù)實(shí)例進(jìn)行了對(duì)比分析。直接工作量估算法依賴歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在評(píng)估量化時(shí)無(wú)法提供科學(xué)支撐證據(jù)。代碼行估算方法簡(jiǎn)單直觀，但目前沒(méi)有度量標(biāo)準(zhǔn)，不同人員的估算結(jié)果差異較大，不利于項(xiàng)目管理。功能點(diǎn)估算法基于用戶需求建立量化指標(biāo)，對(duì)于項(xiàng)目估算相對(duì)客觀，但需設(shè)置較多的影響因子數(shù)值。

總的來(lái)說(shuō)，為提高軟件估算的準(zhǔn)確率，軟件項(xiàng)目管理人員應(yīng)從軟件本身的特性出發(fā)，兼顧項(xiàng)目的復(fù)雜度、重要度和進(jìn)度要求等指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮。