自20世紀90年代初業務流程重組(business process reengineering，BPR)的概念提出以后，過程工程被公認為企業提高生產率、改善產品和服務質量、增強競爭能力的關鍵。軟件過程也是一種企業過程，類似于BPR的研究，軟件過程改進(software process improvement，SPI)逐漸成為軟件工程領域和軟件體系結構領域的重要研究方向之一。一方面伴隨著IS09000和CMM在軟件業的聲譽鵲起，SPI研究的深度和廣度在不斷擴展；另一方面，20世紀90年代中期以后軟件過程和業務過程的研究出現了融合的趨勢，許多業務過程的管理思想逐漸應用于軟件企業。例如，Aoyma把“敏捷制造”的概念引入到軟件工程，形成了一種全新的軟件開發模式——敏捷軟件過程(agile software process)。針對BPR理論和實施的脫節情況，提供了成熟的工作流解決方案。依據相似性，軟件過程也可以作為工作流來進行分析，這樣的工作流的成功經驗可以進一步應用于軟件工程中。
SPI的研究范圍，從深度上可分為方法學、技術和工具3個層次，從廣度上包括過程、產品、資源、組織、度量等要素，其中，度量是核心。方法學是指采用何種改進思想，如CMM和SPICE等，都是改進的指導框架。技術是指在指導框架約束下所采用的改進手段，如采用PSEE(process centered software engineering environment)環境，或者采用工作流技術。在選擇好改進手段后，需要合適的開發工具，PSEE環境就有眾多實現工具，比如OIKOS、EPOS、SPADE和北大青鳥等。方法學層還可以繼續細分，如RUP是CMM思想的具體實施辦法，它介于方法學和技術之間，可稱為技術方法層。本文的研究可歸結到技術層和工具層，即根據RUP指導，采用工作流作為支撐技術。由于軟件過程定義是SPI的一個關鍵因素，且仿真是軟件工程的使能技術，是增強過程定義能力的有效手段，所以筆者嘗試用工作流仿真的方法貫穿于SPI實施的全過程。針對SPI研究的技術層面，本文將提出一個支持SPI的工作流實施框架和軟件工作流元模型，然后進一步闡述工具層面的仿真執行機制，最后給出一個軟件過程的仿真實例。
1 支持SPI的工作流實施框架
工作流技術日益成熟，已經成為支持BPR的強大使能工具，同時隨著軟件工業和傳統工業相互借鑒的發展趨勢，工作流技術可以應用于軟件過程的研究，包括建模、仿真部分和具體執行部分。將工作流仿真技術貫穿到SPI的整個生命周期，圖1就是一個以工作流技術為支撐的SPI實施框架。面對業務目標、業務流程、競爭環境和技術機會的不斷變化，軟件項目、生產線和企業必須不斷地適應這種情況，結果就出現了大量的反饋現象。圖1包括4個反饋環節，它們使企業在定量度量的基礎上，可以確定且演化分析、管理和改進策略。這些策略有助于采用合適的目標和方法來管理、完成項目，提高企業的軟件生產率、速度和質量，并且能預測和利用變化，而不是消極地應付變化。
圖1 支持SPI的工作流實施框架
2 軟件工作流元模型
在并行工程的研究過程中，為了描述產品開發過程所涉及的各個要素之間的復雜關系，本文提出了P_PROCE(process，product，resource，or ganization，control&evaluation)參考模型。它是一個集成化的多視圖模型，以產品開發過程為核心，對產品、資源和組織進行綜合評價和控制，并以評價和控制的結果指導產品開發過程的重組，達到產品開發過程的優化運行和管理。后來隨著研究領域的擴展(如軟件工程)，該模型也根據RUP思想進行了相應的擴充，并逐步發展為圖2所示的軟件工作流元模型。其目的是為了建立一個相對通用的指導模型，以后具體的建模就在該模型的約束框架下進行，可以確保各個實際模型的同構性。控制和評價以度量的方式體現出來，度量目標的最初來源是業務目標，它具體可分解為針對過程、產品、資源和組織的度量。該模型的最大特點是把各要素以及它們的度量結合在一起，從建模時就為仿真的評價問題做好準備。
圖2 軟件工作流元模型
為了對模型進行形式化的描述，采用對象約束語言OCL(object constraint language)。它是UML的有機組成部分，一方面可以形式化描述UML類模型，另一方面可以定義完整性約束。即在集合論的基礎上，描述類中的變量和類之間的關系。OCL是種類型語言，基本要素是類型和表達式，表達式的基本成分是對象和特性。
OCL不僅可以用模型結構描述軟件工作流元模型實體，而且可以用表達式描述實體間的完整性約束關系。表達式中self表示一個類的實例，通過由“·”操作符以及類圖中的角色關聯組成的導航路徑，可以很方便地從一個對象引用到另一個對象本身或其屬性。除去常見的簡單數據類型的操作外，OCL還提供了眾多的集合操作，如select、reject、collect、forAll、exists和iterate操作等。約束關系可作為元模型的性質，其中既包括對基本的結構需求的約束，也包括對屬性的約束。
3 仿真實例與結果分析
下面將以一個工作流軟件開發過程為例進行仿真實驗。為敘述方便，圖3僅列出了一小部分活動，但它包括了基本的工作流環節，足以說明問題。圖3是依據模型所描述的各要素間的關系，建立起的一個支持ECA規則的具體的模型。其中包括兩類結點和兩類關系。兩類結點是活動(矩形表示)和邏輯(圓形表示)，活動包括一般活動和開始/結束活動，均標注有id號；邏輯包括各種常見的工作流控制環節(串行、分支、子流程、反饋等)，也編上了相應的序號。兩類關系是控制流(實線箭頭表示)和數據流(虛線箭頭表示)。有陰影的活動是父活動的，表示它還有下層子活動，如活動2“系統分析”。元模型中的產品、資源、組織和度量信息均以屬性的形式構造于各個活動當中，例如活動5“評審”。邏輯結點表示活動的執行關系，邏輯結點1的內容“EndOf(1)ORRule(4，2)”可以解析為“活動1結束或者滿足邏輯結點4中的規則2”，在這種條件下活動2才有可能執行。就軟件開發過程而言，數據流里主要包括文檔和代碼對象，把其狀態(分為active和inactive)也作為一種控制條件，結合常規的活動狀態(waiting、ready、running和end)一起控制流程的運行。
圖3 工作流軟件開發過程
對仿真結果進行度量需要一系列指標，從圖2的元模型可知，整個指標體系是從過程、資源、組織、產品的角度進行分類的，對于軟件過程改進而言，過程指標是最重要的一組指標，其他指標僅起輔助作用。
對圖3過程進行30次仿真，然后按照計劃評審技術中的簡便方法計算期望值E＝(4m+a+b)/6，其中，m表示最可能的值，a表示最樂觀的估計，b表示最悲觀估計。如果想改進軟件過程，有2種方式，一種是流程結構上的調整，如增刪活動；另一種是參數上的調整，如調整“評審”的通過率。由軟件開發的特點很容易想到“評審”活動是一個關鍵活動，如果將其進行調整，必將引起指標值的較大變化。如果提高通過率，顯然會減少時間、降低成本，但錯誤數就有可能上升；如果在子流程中增加一個“分析評審”活動，如圖4所示，顯然會減少錯誤數，但時間、成本有可能上升。
圖4 改進的系統分析子流程
4 結語
SPI研究的內容非常豐富，研究方法也很多。本文從SPI的技術層面和工具層面進行了探討，借鑒并行工程領域的成功經驗，采用相對成熟的工作流技術，尤其是仿真來涉足軟件工程領域的熱點問題，在本文的基礎上還需要做進一步的工作。根據CMM各級特點，對仿真的要求是有差異的，仿真度量也存在一個逐漸提高的能力成熟度問題，度量指標在各個級別應該是可以適當裁減的。軟件過程仿真是最近幾年的研究熱點，其手段以系統動力學為主，系統動力學對影響因子間關系的研究比較充分，應該可以結合到離散事件仿真的整體框架之中。此外仿真還需要解決歷史數據的挖掘問題，從中得到仿真環境的參考設置，增加仿真實驗的可信度。仿真指標可以用AHP或其他多目標分析方法進行綜合處理，定量地得到各組仿真結果的優劣，而不是僅僅通過主觀判斷，這樣便于將來對輸入參數進行自動優化，例如采取遺傳算法或模擬退火算法等優化方法。
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