基于可拓學(xué)的自適應(yīng)軟件形式化方法

范銳，彭銀橋，陳月峰，雷桂斌，劉小輝

(1.廣東海洋大學(xué) 軟件學(xué)院，廣東 湛江 524088； 2.廣東海洋大學(xué) 財(cái)務(wù)處，廣東 湛江524088)

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基于可拓學(xué)的自適應(yīng)軟件形式化方法

范銳1，彭銀橋1，陳月峰1，雷桂斌1，劉小輝2

(1.廣東海洋大學(xué) 軟件學(xué)院，廣東 湛江 524088； 2.廣東海洋大學(xué) 財(cái)務(wù)處，廣東 湛江524088)

摘要：可拓學(xué)的核心是建立靈活變通地應(yīng)對不確定變化和靈感涌現(xiàn)的適應(yīng)性模型。討論引入可拓理論去描述、分析和評價(jià)軟件系統(tǒng)的自適應(yīng)性質(zhì)、范圍和程度的可能性。用基元描述軟件實(shí)體，將軟件系統(tǒng)構(gòu)造成基元網(wǎng)，利用拓展分析、可拓變換和優(yōu)度評價(jià)等定性與定量相結(jié)合的方法揭示了自適應(yīng)軟件系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，并形成了一種自適應(yīng)軟件形式化方法。

關(guān)鍵詞：可拓學(xué)；可拓基元；拓展分析；可拓變換；優(yōu)度評價(jià)；形式化方法；自適應(yīng)軟件

中文引用格式：范銳，彭銀橋，陳月峰，等. 基于可拓學(xué)的自適應(yīng)軟件形式化方法[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)， 2015, 10(6): 901-911.

軟件自適應(yīng)是指為了保證持續(xù)、高質(zhì)量地提供服務(wù)，軟件在運(yùn)行時(shí)檢測環(huán)境變化和自身狀態(tài)，據(jù)此對自身行為進(jìn)行主動(dòng)調(diào)整的活動(dòng)[1]。自適應(yīng)軟件能夠評估自身的行為，當(dāng)評估顯示其自身并非正接近所傾向完成的目標(biāo)，或其有可能提供更好的功能或性能時(shí)，軟件改變自身的行為[2]。文獻(xiàn)[1]對已有的研究和實(shí)踐進(jìn)行綜述給出軟件自適應(yīng)的概念內(nèi)涵，概述軟件自適應(yīng)活動(dòng)在感知、決策、執(zhí)行各環(huán)節(jié)上的特征分類，闡述面向自適應(yīng)軟件構(gòu)造、關(guān)注程度較高的一系列使能技術(shù)，進(jìn)而在分析典型研究項(xiàng)目現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，給出自適應(yīng)軟件構(gòu)造領(lǐng)域的未來主要研究趨勢。文獻(xiàn)[3]從計(jì)算機(jī)科學(xué)視角對許多自適應(yīng)軟件相關(guān)論文的研究分析，總結(jié)并指出自適應(yīng)系統(tǒng)新的觀點(diǎn)、概念、方法和新的挑戰(zhàn)，特別強(qiáng)調(diào)了計(jì)算機(jī)軟件在自適應(yīng)系統(tǒng)已成為主要元素，也強(qiáng)調(diào)了反饋控制技術(shù)和人工智能技術(shù)對自適應(yīng)軟件系統(tǒng)的重要性。文獻(xiàn)[4]從移動(dòng)計(jì)算和普適計(jì)算的角度總結(jié)、評價(jià)存在的自適應(yīng)軟件方法，重點(diǎn)在資源受限器件軟件動(dòng)態(tài)演化的解決方法的分析、評估和進(jìn)展研究，并提出其發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[5-9]從自適應(yīng)需求的原理和概念框架、自適應(yīng)系統(tǒng)建模和模型演化機(jī)制、運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制、社會(huì)的角度看軟件的自適應(yīng)等4個(gè)方面分別回答軟件系統(tǒng)為什么需要和如何擁有自適應(yīng)能力問題。文獻(xiàn)[10-14]分別從不同角度進(jìn)行了自適應(yīng)軟件系統(tǒng)模型的研究。可拓學(xué)是研究事物的可拓性以及可拓規(guī)律與方法，并用以解決矛盾問題的原創(chuàng)性學(xué)科。經(jīng)過30多年的發(fā)展，可拓學(xué)在基礎(chǔ)理論、形式化方法、行業(yè)應(yīng)用等方面都有長足進(jìn)展，并逐步發(fā)展為可拓學(xué)[15-17]。它用形式化方法描述問題的目標(biāo)和條件，建立核模型，用靈活多變的方法對問題進(jìn)行拓展分析，用定量與定性結(jié)合的可拓變換推導(dǎo)出解決矛盾問題的思路、知識和方法，最終生成創(chuàng)意或創(chuàng)新策略。它用“變不知為知”、“變錯(cuò)誤為正確”、“變不行為行”、“變不屬于為屬于”的變通思想，創(chuàng)造出了包括基本方法,創(chuàng)意生成方法,可拓?cái)?shù)據(jù)挖掘方法和可拓思維模式等可拓創(chuàng)新方法體系[17]。可拓學(xué)用數(shù)學(xué)模型來探索人類創(chuàng)新創(chuàng)意規(guī)律，并指導(dǎo)開發(fā)出能夠拓展智能、激發(fā)創(chuàng)新的可拓軟件。應(yīng)用這種靈活變通地應(yīng)對不確定變化和靈感涌現(xiàn)的適應(yīng)性模型來探索自適應(yīng)軟件形式化建模方法應(yīng)是一條新的研究路徑。

1相關(guān)工作

當(dāng)前研究自適應(yīng)軟件最活躍的自適應(yīng)實(shí)體是構(gòu)件、服務(wù)和智能體技術(shù)。構(gòu)件通過對外提供接口實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的組裝，服務(wù)通過組合構(gòu)造更大、更松散的構(gòu)件，智能體通過外界感知、智能推理和行為優(yōu)化去響應(yīng)外界的變化和用戶的需求。建立模擬靈活變通智能的軟件模型，包括獨(dú)立自治、動(dòng)態(tài)演化的軟件實(shí)體以及由它們智能聚合的軟件系統(tǒng)，從來就是軟件學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

基于構(gòu)件的軟件工程(component-based software engineering)，目的在于借鑒其他制造工業(yè)的產(chǎn)品零配件組裝生產(chǎn)方式，通過零配件的分工生產(chǎn)和組裝來大幅度提高生產(chǎn)力，提高滿足不同用戶不同需求的靈活性。軟件構(gòu)件的內(nèi)部封裝、接口交互、動(dòng)態(tài)替換等特性極大地提升了軟件系統(tǒng)適應(yīng)變化的靈活性。目前有許多的構(gòu)件模型，例如，COM+、EJB、CORBA等。支撐軟件構(gòu)件集成的軟件體系結(jié)構(gòu)研究是隨著描述大型、復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的需要和開發(fā)人員及計(jì)算機(jī)科學(xué)家在大型軟件系統(tǒng)的研制過程中對軟件系統(tǒng)理解的逐步深入而發(fā)展起來的[18]。業(yè)界提出了Darwin、Wright、ACME、A-ADL、XYZ/ADL、Tracer和ABC/ADL等軟件體系結(jié)構(gòu)描述語言，并使用CRAM[19]、Z語言[20]、Pi演算[21-22]、Bigraph[23-26]等形式化方法試圖準(zhǔn)確描述軟件體系結(jié)構(gòu)。隨著Internet的普及，網(wǎng)構(gòu)軟件、網(wǎng)絡(luò)式軟件等新的軟件構(gòu)件實(shí)體具有自治開放、動(dòng)態(tài)演化等新的特點(diǎn)[27-30]。但是，軟件構(gòu)件建模和形式化方法重點(diǎn)關(guān)注軟件實(shí)體和由它們構(gòu)造的軟件系統(tǒng)為適應(yīng)變化如何改變結(jié)構(gòu)且保證行為的一致性，沒考慮軟件與環(huán)境或需求不相適應(yīng)而持續(xù)動(dòng)態(tài)演化致使行為不一致需要解決矛盾沖突的智能化變通策略。

面向服務(wù)的軟件工程(service-based software engineering),以服務(wù)為軟件實(shí)體，通過服務(wù)重用和快速組合構(gòu)建隨需應(yīng)變的松耦合分布式系統(tǒng)[31]。核心是SOA(service oriented architecture),它通過服務(wù)注冊把服務(wù)提供者和服務(wù)請求者聯(lián)系起來，形成動(dòng)態(tài)松耦合的分布式系統(tǒng)。Web服務(wù)組合技術(shù)將平臺獨(dú)立、自描述、位置透明的軟件模塊進(jìn)行組合，快速靈活地滿足復(fù)雜多變的業(yè)務(wù)需求[32]。流行的服務(wù)組合語言是BPEL4WS[33]，而組合分析驗(yàn)證的工作有：文獻(xiàn)[34]借鑒顏色Petri網(wǎng)的語義和面向?qū)ο笏枷耄岢鯳S-Net模型，使驗(yàn)證更容易。文獻(xiàn)[35]引入基于BPEL4WS的BPE演算。使用PAC工具和CWB-NC工具來建模和驗(yàn)證Web服務(wù)協(xié)作。文獻(xiàn)[36]用Pi演算作為服務(wù)組合的形式化表示。基于服務(wù)的軟件系統(tǒng)構(gòu)造成為了當(dāng)前軟件開發(fā)的主流。雖然，服務(wù)技術(shù)克服了構(gòu)件實(shí)體面對多平臺，多協(xié)議、多設(shè)備的Internet復(fù)雜環(huán)境，由于緊偶合、細(xì)粒度等缺點(diǎn)不能勝任分布式、異構(gòu)性、非穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的困難。但是，服務(wù)是典型的被動(dòng)實(shí)體，沒有自治、智能特性，當(dāng)然更沒有靈活變通的解決矛盾問題的可拓智能。

軟件Agent具有的自主性、反應(yīng)性、能動(dòng)性、社會(huì)性等特點(diǎn)，是解決軟件構(gòu)件技術(shù)不足的新途徑。基于Agent的軟件工程(agent-based software engineering)取得了許多研究成果[37-39]。中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)所智能科學(xué)課題組開展包括智能主體、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)計(jì)算、認(rèn)知科學(xué)以及相關(guān)應(yīng)用研究[40]；國防科技大學(xué)開展了面向主體軟件開發(fā)研究[41]、基于智能體技術(shù)的軟件自適應(yīng)動(dòng)態(tài)演化機(jī)制研究[42]。但是，Agent并沒有成為軟件開發(fā)的主流技術(shù)，也不能夠構(gòu)建可拓創(chuàng)新軟件模型。

圍繞研制具有靈活變通的可拓軟件，提出了可拓信息-知識-智能形式化體系，提出了信息的基元表示方法、基于可拓規(guī)則的知識表示方法和策略的形式化表示方法，為用計(jì)算機(jī)進(jìn)行矛盾問題智能化處理構(gòu)建了形式化工具[43]。研究者開發(fā)了一些獲得發(fā)明專利、軟件著作權(quán)以及會(huì)議展示的可拓軟件[16]，研制了可拓策略生成系統(tǒng)，開發(fā)了一批可拓策略生成軟件[44-46]；研制了可拓?cái)?shù)據(jù)挖掘軟件，開發(fā)了可拓挖掘軟件[47]。在可拓設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用可拓理論與方法對概念設(shè)計(jì)功能、原理、布局、形狀、結(jié)構(gòu)等上游設(shè)計(jì)知識進(jìn)行形式化描述，提出一種基于多級菱形思維模型的復(fù)雜產(chǎn)品定性和定量相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，為概念設(shè)計(jì)的形式化和智能化提供了新的途徑[48-50]。研究可拓學(xué)與建筑設(shè)計(jì)的結(jié)合問題，將可拓策劃方法應(yīng)用于景觀設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)新與可拓思維模式，進(jìn)行了可拓建筑策劃與設(shè)計(jì)的系統(tǒng)研究[51-52]。研究智能知識管理,構(gòu)建了企業(yè)自主創(chuàng)新的可拓創(chuàng)新模型[53-54]。從軟件構(gòu)造角度就可拓策略生成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。結(jié)合本體和Agent建立不相容問題的策略生成、利用轉(zhuǎn)換橋建立化對立為共存的策略生成，基于可拓集的可拓?cái)?shù)據(jù)挖掘、利用傳導(dǎo)推理建立矛盾問題的轉(zhuǎn)化等一批可拓創(chuàng)新智能化方法取得了進(jìn)展[55]。研究者利用知網(wǎng)增強(qiáng)策略生成[56]、用認(rèn)知概念構(gòu)建可拓變換結(jié)構(gòu)[57]、研究過程基因基元化方法[58]、基于可拓方法構(gòu)建社會(huì)網(wǎng)絡(luò)[59]等，從不同角度為可拓軟件模型構(gòu)建提供了新的思路。

可拓學(xué)的目標(biāo)是探索人類創(chuàng)新創(chuàng)意規(guī)律，并構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來指導(dǎo)開發(fā)拓展智能、激發(fā)創(chuàng)新的可拓軟件。該文嘗試把可拓學(xué)理論應(yīng)用于自適應(yīng)軟件形式化建模中，從把自適應(yīng)軟件構(gòu)造成基元網(wǎng)出發(fā)，利用可拓基元的拓展分析方法和共軛分析方法，分析自適應(yīng)軟件實(shí)體及他們之間關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化，利用可拓變換去探討他們的動(dòng)態(tài)演化性質(zhì)、趨勢和程度，并利用優(yōu)度評價(jià)方法評價(jià)軟件的自適應(yīng)能力。通過這種新的理論與方法，可以用定性與定量相結(jié)合的方法描述、分析、演化和評估自適應(yīng)軟件，為形式化建模提供一種新的方法。

2自適應(yīng)軟件的可拓形式化方法

自適應(yīng)軟件系統(tǒng)可以看作一組已經(jīng)或有可能(直接或間接)連接的“點(diǎn)”(軟件實(shí)體)，以及“點(diǎn)”之間的關(guān)系構(gòu)成的集合。將自適應(yīng)系統(tǒng)中各部分(“點(diǎn)”)的特征與相互之間的關(guān)系(“連接”)用網(wǎng)絡(luò)的形式表示出來，然后分析其特征和關(guān)系以及按需演化的理論方法就是自適應(yīng)軟件形式化方法。引入可拓理論來研究和構(gòu)建自適應(yīng)軟件形式化模型，首先用基元表示自適應(yīng)軟件系統(tǒng)的各層次軟件實(shí)體，建立基元網(wǎng)描述各層次軟件實(shí)體間的關(guān)系；再用可拓拓展推理去擴(kuò)展、挖掘和推導(dǎo)出各層次軟件實(shí)體以及它們之間關(guān)系的豐富語義；用可拓變換去分析、演算和評估軟件實(shí)體演化對自身、對相關(guān)軟件實(shí)體、對構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的變化、趨勢和程度；用關(guān)聯(lián)函數(shù)定量計(jì)算軟件實(shí)體演化的趨勢和程度以及對環(huán)境的影響趨勢和程度；最后，結(jié)合豐富多樣的創(chuàng)新創(chuàng)意方法去解決環(huán)境變化或用戶需求變化導(dǎo)致軟件系統(tǒng)不相適應(yīng)的矛盾，生成應(yīng)對變化的策略，通過最優(yōu)評估，選出最佳策略執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演化。

2.1智能服務(wù)構(gòu)件要素基元化

用智能服務(wù)構(gòu)件作為自適應(yīng)軟件實(shí)例來說明可拓形式化方法[60]。

把智能服務(wù)構(gòu)件內(nèi)部各層次軟件實(shí)體以及它們的關(guān)系用圖1表示。然后用可拓基元B表示智能服務(wù)構(gòu)件內(nèi)部是由ID、接口I、控制C、事件E、目標(biāo)G、規(guī)劃P、知識庫K、服務(wù)S等軟件實(shí)體組成。基于對其組成元素自適應(yīng)性質(zhì)進(jìn)行分析、變換和評價(jià)的需要，進(jìn)一步細(xì)化了接口基元I、控制基元C、事件基元E、目標(biāo)基元G、規(guī)劃基元P、知識庫基元K和服務(wù)基元S等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

用可拓基元(事物，屬性，屬性值)三元組可以把事物的質(zhì)和量有機(jī)地結(jié)合起來去豐富其語義。通過對基元反復(fù)細(xì)化，能夠?qū)崿F(xiàn)從分析到設(shè)計(jì)全過程形式化表示、分析、變換和控制。

圖1　智能服務(wù)構(gòu)件(ISC)內(nèi)部元素關(guān)系圖Fig.1　Intelligent service component relation

2.2智能服務(wù)構(gòu)件基元網(wǎng)及語義分析

2.2.1靜態(tài)語義分析

圖2　智能服務(wù)構(gòu)件基元網(wǎng)Fig.2　Intelligent service component basic-elements network

2.2.2動(dòng)態(tài)語義分析

為了描述動(dòng)態(tài)關(guān)系，引入事元Ax，下標(biāo)x來表示動(dòng)作名或功能名，其他屬性有方法、工具、時(shí)間、地點(diǎn)、程度等根據(jù)需要進(jìn)行取舍。用BiAxBj表示基元Bi施加動(dòng)作或功能x給基元Bj。B1A1B2A2B3…Bi-1Ai-1Bn表示一系列基元Bi依次施加一系列動(dòng)作或功能給Bi+1。另外，引入算子·、|、+等分別表示后續(xù)、并行和選擇等語義。

動(dòng)態(tài)語義說明如下：

1)解釋器C3控制知識庫管理器C1初始化知識庫K，C1讀取領(lǐng)域本體K3、領(lǐng)域規(guī)則K1和領(lǐng)域應(yīng)用K4的相關(guān)知識并寫入到信念庫K2，完成初始化任務(wù)。其可拓語義是：

2)環(huán)境Env產(chǎn)生變化事件E通過接口I3輸入到事件隊(duì)列E。其可拓語義是：

3)解釋器C3控制事件管理器C2按優(yōu)先級讀取事件隊(duì)列E的首個(gè)事件e，按照構(gòu)件的當(dāng)前認(rèn)知K2，采用菱形思維推理，轉(zhuǎn)化為響應(yīng)該事件的目標(biāo)G。其可拓語義是：

4)解釋器C3控制目標(biāo)管理C4讀取目標(biāo)庫G，按照構(gòu)件的當(dāng)前認(rèn)知，采用菱形思維推理，分解目標(biāo)為子目標(biāo)SGi構(gòu)成的目標(biāo)樹。目標(biāo)分解與分派也可能產(chǎn)生內(nèi)部消息E。其可拓語義是：

5)解釋器C3控制服務(wù)管理器C5讀取目標(biāo)樹，按照構(gòu)件的當(dāng)前認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)、聚集服務(wù)Si去實(shí)現(xiàn)目標(biāo)樹的每一個(gè)葉子目標(biāo)。服務(wù)動(dòng)態(tài)聚集也可能產(chǎn)生內(nèi)部消息E。其可拓語義是：

6)解釋器C3控制規(guī)劃管理器C6讀取聚集的服務(wù)集合Si，按照每一個(gè)葉子目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的先后順序組成規(guī)劃序列Pi，封裝到規(guī)劃庫P中。規(guī)劃動(dòng)態(tài)排序也可能產(chǎn)生內(nèi)部消息E。其可拓描述語義是：

7)解釋器C3控制執(zhí)行器C7讀取規(guī)劃庫P，按照規(guī)劃序列執(zhí)行Pi。其可拓語義是：

8)執(zhí)行規(guī)劃P通過輸出接口I4去影響環(huán)境Env，環(huán)境Env將產(chǎn)生新的變化事件E通過輸入接口I3進(jìn)入消息隊(duì)列E。其可拓語義是：

9)解釋器C3重新執(zhí)行3。

如此反復(fù)，形成感知監(jiān)控-目標(biāo)分解-服務(wù)聚集-規(guī)劃封裝-規(guī)劃執(zhí)行自適應(yīng)循環(huán)鏈。

2.3利用拓展分析研究自適應(yīng)目標(biāo)分解與服務(wù)聚集機(jī)制

由于自適應(yīng)軟件是由自適應(yīng)軟件實(shí)體構(gòu)成的，可以利用對自適應(yīng)軟件實(shí)體的拓展分析研究自適應(yīng)軟件的演化。以上述基元網(wǎng)表示的自適應(yīng)軟件實(shí)體為例，利用相關(guān)分析構(gòu)成基元相關(guān)網(wǎng)，利用發(fā)散分析構(gòu)成基元發(fā)散網(wǎng)，利用蘊(yùn)含分析構(gòu)成基元的蘊(yùn)含網(wǎng)，利用可擴(kuò)分析構(gòu)成基元可擴(kuò)網(wǎng)。

例如，服務(wù)實(shí)體都具有同一個(gè)特征元(服務(wù)提供接口，Si)，根據(jù)“一征多物”的發(fā)散分析，由基元Si=(Services,Pro-Service,PS)可以得到一個(gè)表達(dá)“提供相同服務(wù)”的發(fā)散網(wǎng)：

S=(Service,Pro-Service,S2)-|

Si=(Servicei,Pro-Service,S2),i=1,2,…,n

再如，服務(wù)實(shí)體與服務(wù)接口之間存在聯(lián)接相關(guān)性，構(gòu)成基元相關(guān)網(wǎng)：Si~Ij,i,j=1,2,…,n。

自適應(yīng)智能服務(wù)構(gòu)件的目標(biāo)分解可以構(gòu)成基元蘊(yùn)含網(wǎng)，葉目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)葉目標(biāo)的服務(wù)之間也可以構(gòu)成基元蘊(yùn)含網(wǎng)。蘊(yùn)含樹表達(dá)了目標(biāo)和服務(wù)之間的蘊(yùn)含關(guān)系,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)有3種服務(wù)類型：組合服務(wù)(Com-Service)、提供服務(wù)(Pro-Service)和請求服務(wù)(Req-Service)。圖3表示目標(biāo)分解及服務(wù)實(shí)現(xiàn)的蘊(yùn)含網(wǎng)。

圖3的目標(biāo)Goal分解成若干子目標(biāo)SGi，用菱形推理優(yōu)化子目標(biāo)SGi，然后發(fā)布到目標(biāo)庫G。服務(wù)容器S中的可提供服務(wù)PS主動(dòng)聚集實(shí)現(xiàn)子目標(biāo)SGi，不能實(shí)現(xiàn)的某些子目標(biāo)SGi，向外發(fā)布請求服務(wù)RS，發(fā)現(xiàn)并調(diào)用其他智能服務(wù)構(gòu)件ISC提供的相關(guān)服務(wù)Si。其可拓語義是：

由于自適應(yīng)軟件實(shí)體基元的可拓展性，導(dǎo)致由自適應(yīng)軟件實(shí)體構(gòu)成的自適應(yīng)軟件基元網(wǎng)也具有可拓展性。將拓展分析得到的各個(gè)基元的發(fā)散網(wǎng)、相關(guān)網(wǎng)和蘊(yùn)涵網(wǎng)替換圖2的智能服務(wù)構(gòu)件基元網(wǎng)中的基元節(jié)點(diǎn)，就得到了自適應(yīng)軟件網(wǎng)絡(luò)的可拓展性以及更豐富的可替換、可分解、可精化的更豐富知識。

2.4 可拓變換對智能構(gòu)件動(dòng)態(tài)適應(yīng)的作用制

任何一個(gè)自適應(yīng)軟件網(wǎng)絡(luò)都會(huì)隨時(shí)間的變化而變化，因而，自適應(yīng)軟件是一個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。利用動(dòng)態(tài)基元網(wǎng)表示自適應(yīng)軟件，更便于通過可拓變換對動(dòng)態(tài)自適應(yīng)軟件進(jìn)行分析和研究。

變換對自適應(yīng)軟件的影響也不容小視，也必須研究實(shí)施變換后自適應(yīng)軟件會(huì)如何變化。不同的變換，會(huì)導(dǎo)致自適應(yīng)軟件發(fā)生不同的傳導(dǎo)變換，其連接方式、網(wǎng)絡(luò)密度、網(wǎng)絡(luò)集中度、甚至相互性和傳遞性都會(huì)發(fā)生改變。因此，必須研究變換對自適應(yīng)軟件的作用規(guī)律，才能更好地研究自適應(yīng)軟件結(jié)構(gòu)。可拓變換理論與方法為研究變換對自適應(yīng)軟件的作用提供了工具。可拓變換包括基本變換、變換的運(yùn)算、傳導(dǎo)變換、共軛變換、復(fù)合變換等等，詳情可以參閱文獻(xiàn)[18]。

例如，對圖3所示的基元網(wǎng)，如果有新的用戶需求，智能服務(wù)構(gòu)件感知新的事件，然后產(chǎn)生新的目標(biāo)，經(jīng)分解會(huì)產(chǎn)生新的子目標(biāo)和葉子目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)新的葉子目標(biāo)，必須重新查找新的服務(wù)。例如，要增加一個(gè)新的子目標(biāo)(new sub-goal)和新的服務(wù)(new service)。圖3的結(jié)構(gòu)變化如圖4。即，對Goal實(shí)施某變換T, 得到新的目標(biāo)Goal’。

圖4表達(dá)的是子目標(biāo)(SubGoaln)增加了一個(gè)新的子目標(biāo)(New SubGoal)，要實(shí)現(xiàn)新目標(biāo)，必須查找一個(gè)新的請求服務(wù)(New Req-Service)。其可拓語義是：

TGoal=Goal'=

可以看到，用戶需求或環(huán)境的變化(TEvn)，導(dǎo)致新的事件產(chǎn)生(TEvent)，推導(dǎo)出新的目標(biāo)(TGoal)，分解出新的子目標(biāo)(TSG)，查找并聚集新的服務(wù)(TService)，實(shí)現(xiàn)新的規(guī)劃(TPlan)，觸發(fā)新的執(zhí)行(TAtion)，最后，進(jìn)一步影響環(huán)境(TEvn)。智能服務(wù)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)演化可以用可拓傳遞變換來表示：

TEnv→TEvent→TGoal→TSG→TService→TPlan→TAction→TEnv

這個(gè)傳遞變換刻畫了自適應(yīng)軟件監(jiān)控-分析-規(guī)劃-執(zhí)行(MAPE)循環(huán)。

圖4　變換后的目標(biāo)分解及服務(wù)實(shí)現(xiàn)Fig.4　Change of goal tree & services implement

2.5 對自適應(yīng)軟件的評價(jià)

在可拓學(xué)中，可以用關(guān)聯(lián)度表示研究對象具有某種性質(zhì)的程度，包括初等關(guān)聯(lián)函數(shù)、簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)、離散關(guān)聯(lián)函數(shù)等形式。

例如，離散關(guān)聯(lián)函數(shù)根據(jù)等級分類等應(yīng)用，可以設(shè)定一些離散值a1,a2…,ak,0,b1,b2,…bl來計(jì)算。

要評價(jià)智能服務(wù)構(gòu)件或智能服務(wù)系統(tǒng)響應(yīng)環(huán)境變化的自適應(yīng)能力，核心是要判斷能提供實(shí)現(xiàn)n個(gè)葉子目標(biāo)的服務(wù)個(gè)數(shù)m=l+r，l為智能服務(wù)構(gòu)件服務(wù)容器能提供的本地服務(wù)，r為其他智能服務(wù)構(gòu)件能提供的遠(yuǎn)程服務(wù)，有離散關(guān)聯(lián)函數(shù)公式：

其可拓語義是：當(dāng)能夠提供實(shí)現(xiàn)葉子目標(biāo)的本地服務(wù)非常多時(shí)，關(guān)聯(lián)函數(shù)值為1；當(dāng)能夠提供實(shí)現(xiàn)葉子目標(biāo)的本地服務(wù)較多時(shí)，關(guān)聯(lián)函數(shù)值為0.75；當(dāng)能夠提供實(shí)現(xiàn)葉子目標(biāo)的本地服務(wù)相等時(shí)，關(guān)聯(lián)函數(shù)值為0.5；當(dāng)能夠提供實(shí)現(xiàn)葉子目標(biāo)的本地服務(wù)少于葉子目標(biāo)數(shù)n，但發(fā)現(xiàn)的遠(yuǎn)程服務(wù)r與本地服務(wù)l之和大于n時(shí)，關(guān)聯(lián)函數(shù)值為2.5；當(dāng)能夠提供實(shí)現(xiàn)葉子目標(biāo)的本地服務(wù)為0，且遠(yuǎn)程服務(wù)r等于n時(shí)，關(guān)聯(lián)函數(shù)值為0；當(dāng)能夠提供實(shí)現(xiàn)葉子目標(biāo)的本地服務(wù)為0，且遠(yuǎn)程服務(wù)r小于等于n時(shí)，關(guān)聯(lián)函數(shù)值為-0.5；當(dāng)能夠提供實(shí)現(xiàn)葉子目標(biāo)的本地服務(wù)為0，且遠(yuǎn)程服務(wù)r非常少時(shí)，關(guān)聯(lián)函數(shù)值為-1。

顯然,關(guān)聯(lián)函數(shù)值越高,其自適應(yīng)能力越高。只有通過發(fā)現(xiàn)服務(wù)變換r，下載服務(wù)變換r→l等等來提高關(guān)聯(lián)函數(shù)值。即通過可拓變換TfindS、TdownloadS來提高軟件的自適應(yīng)能力。

針對不同的評價(jià)特征，可以選擇不同的關(guān)聯(lián)函數(shù)。對于多評價(jià)特征的情況，還可建立綜合關(guān)聯(lián)度，用于綜合評價(jià)研究對象的優(yōu)劣。將其應(yīng)用于自適應(yīng)軟件研究，可以作為自適應(yīng)軟件中的成員“聚類”或“分類”的衡量指標(biāo)之一，對自適應(yīng)軟件進(jìn)行綜合評價(jià)。詳細(xì)方法請參考文獻(xiàn)[16]。

5結(jié)束語

引入可拓學(xué)理論，本文研究了自適應(yīng)軟件的基元網(wǎng)方法，利用拓展分析豐富自適應(yīng)軟件系統(tǒng)的演化知識，探討了可拓變換對軟件實(shí)體、軟件系統(tǒng)以及環(huán)境自適應(yīng)機(jī)制的描述、分析和影響程度、趨勢等等，用關(guān)聯(lián)函數(shù)給出了自適應(yīng)軟件的定量評價(jià)方法。基于可拓學(xué)的自適應(yīng)軟件形式化方法，充分考慮自適應(yīng)軟件中各級個(gè)體成員的演化對軟件系統(tǒng)演化的影響，為研究動(dòng)態(tài)自適應(yīng)軟件系統(tǒng)提供定性與定量相結(jié)合的方法。

進(jìn)一步的工作是通過可拓形式化方法與其他形式化方法的兼容性研究，拓寬可拓形式化方法的應(yīng)用范圍并研制出驗(yàn)證支撐工具。

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彭銀橋，男，1969年生，副教授，博士。主要研究方向?yàn)檐浖こ獭⒖赏毓こ獭⑿畔踩㈦娮有畔⒉牧吓c器件，傳感技術(shù)等。主持廣東海洋大學(xué)啟動(dòng)基金項(xiàng)目1項(xiàng)，廣東海洋大學(xué)自然基金項(xiàng)目2項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，其中被SCI檢索2篇，被EI、ISTP檢索6篇。

陳月峰，女，1971年生，副教授。主要研究方向?yàn)檐浖こ蹋斯ぶ悄埽赏毓こ獭⒓邮〖墶⑿＜壙蒲泻徒谈捻?xiàng)目3項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文10篇，其中被SCI、EI、ISTP檢索4篇。

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.tp.20151110.1354.022.html

英文引用格式：FAN Rui， PENG Yinqiao， CHEN Yuefeng， et al. A method for self-adaptive software formal modeling by Extenics[J]. CAAI Transactions on Intelligent Systems, 2015, 10(6): 901-911.

A method for self-adaptive software formal modeling by Extenics

FAN Rui1， PENG Yinqiao1， CHEN Yuefeng1， LEI Guibin1， LIU Xiaohui2

(1. Software School, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China;2. Finance Department, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)

Abstract：The core of extenics is to set up adaptability mathematic model which can flexibly cope with uncertain change and inspiration springing up. The feasibility of introducing the theory of Extenics to describe, analyze and evaluate the self-adaptive nature, scope and extent about the software system was discussed. First, the basic-element description software entities were used to construct the software system into basic-element net, then the dynamic nature of self-adaptive software system was revealed by combining the qualitative and quantitative methods of extension analysis, extension transformation, and superiority evaluation, etc., initially establishing a formal method of self-adaptive software.

Keywords：Extenics; basic-element; extension analysis; extension transformation; superiority evaluation; formal method; self-adaptive software

作者簡介：

通信作者：范銳. E-mail：fanrui@gdou.edu.cn.

基金項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014A040402010).

收稿日期：2015-07-28. 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2015-11-10.

中圖分類號：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-4785(2015)06-0901-11

DOI:10.11992/tis.201507043