一種在GQM度量方法中的決策機制研究

戴炳榮 王 凌 李 超 宋俊典

1(上海計算機軟件技術開發中心 上海 201112)2(上海市計算機軟件評測重點實驗室 上海 201112)

一種在GQM度量方法中的決策機制研究

戴炳榮1,2王 凌1李 超1宋俊典1,2

1(上海計算機軟件技術開發中心 上海 201112)2(上海市計算機軟件評測重點實驗室 上海 201112)

軟件度量在軟件開發過程和軟件產品中具有重要作用。GQM(Goal-Question-Metric Approach)模型是當前使用較為廣泛的一種軟件度量手段，它通過對目標的一系列問題的回答最終實現對軟件開發過程的控制和評估。針對GQM中沒有提及如何客觀地將組織的目標歸納和分解為度量指標這一缺陷，提出一種利用德爾菲法和PUGH矩陣的決策機制，對眾多分解的度量指標進行篩選，最終形成GQM模型的問題和度量元，并結合實際實踐進行分析和驗證。實踐表明該決策機制能夠有效地形成GQM度量計劃，從而指導軟件開發過程和軟件產品質量的提升。

GQM模型 度量指標 決策機制 PUGH矩陣

0 引 言

由于軟件的規模越來越大，其復雜度也變得越來越高，軟件開發項目也變得較為復雜以及難以管控，導致軟件項目出現一系列問題如進度滯后、質量不高以及范圍失控等。有關研究表明，由于管理不善而非技術實力導致的軟件項目失敗高達總數的70%。軟件度量是解決這些問題的有效手段，在可預測、可重復、準確的控制軟件開發過程和軟件產品中顯得日益重要[1]。軟件度量實際上是一個持續性定量化的過程，通過對軟件開發項目、過程及其產品進行數據定義、收集以及分析，目的旨在對軟件開發項目加以理解、預測、評估、控制和改善。它能夠對軟件開發過程進行完善，使開發項目順利成功完成，最終在項目結束時開發出一個高質量的軟件產品[2]。

在軟件度量中已經建立了許多有效而著名的定量化度量方法，文獻[3]介紹了幾種常用的軟件度量方法如規模度量方法、成本度量方法、復雜性度量方法以及GQM模型，并針對不同的度量內容進行了分析。文獻[4]研究了基于統計過程控制的軟件質量度量模型，并通過某單元測試收集到的數據進行模型的應用說明。在眾多的軟件度量方法中，GQM模型應用最為廣泛。GQM模型將度量結構分為3個層次，從上到下依次為目標層、問題層、度量層。三個層次間具有遞進的關系，且一層比一層精細，把度量項實際收集的數據與項目目標或抽象級別較高的組織相關聯，從而根據信息的需要和優先級能夠盡快地決定度量和進行度量。但GQM中沒有提及如何客觀地將組織的目標歸納和分解為度量指標，因此面對不同的人員，使用該模型時，分解的度量指標也大不相同。如何客觀地根據組織目標和任務分析形成GQM模型的問題和度量元，是一個值得研究的課題。

目前已有一些學者提出了改進GQM模型的思路和方法，文獻[5]在GQM模型基礎上，通過在問題和度量之間引入指示器I，進而在度量過程中及時的發現問題和原因的局限性，但沒有對影響度量的因素進行分析。文獻[6]對GQM模型進行了改進，并設計了適合企業的度量方法，但其合并了目標層和問題，造成了度量指標和推理過程過于簡化，影響GQM模型的應用效果。

因此，在GQM模型基礎上，本文提出一種基于德爾菲法和PUGH矩陣的決策機制，系統地討論了決策計算方法和實現過程，并結合實際的案例進行詳細分析，驗證了該決策機制的有效性和可行性，從而協助組織控制和完善軟件開發過程，為軟件開發過程和軟件產品提供指導和有效保障。

1 GQM模型分析

GQM模型由美國馬里蘭大學的Victor Basili博士于1994年提出，它是一種由目標逐步進行細化到度量，且是面向目標、自上而下的軟件度量定義方法[7]。該模型建立在以下假設之上：對于軟件度量組織，首先要確定組織目標或項目目標，其次是跟蹤目標至問題，最后這些問題需能夠可操作化地定義目標，并且給出一個解釋目標和問題的框架。由于每個組織或項目都需要實現一連串的目標，而每個目標的實現都需要回答一系列問題，對于每個問題均能夠找到一個相應完整的、可量化的解答，通過這些問題的解答去發現目標是否得以實現。因此，可以通過GQM模型是把組織目標或項目目標進行歸納、分解，形成度量指標，再從這些指標中提煉出能夠用來測量的值，最終達到預測、過程控制和實現軟件開發的定量化管理的目的。

文獻[8]中詳細的闡述了GQM模型的層次，包括概念層(Goals)、操作層(Questions)和數據層(Metric)。在該三層結構中，每個下層都是用來對上一層進行細化與求精的，這樣便可以從目標中而獲得所需度量。層次結構如圖1所示。

圖1 GQM模型的三層結構

在文獻[8]中，將GQM模型應用到了實際當中。一個項目在7周時的度量計劃和度量結果的分析，作者將第7周的項目進度最終分解為3個問題和12個度量元。

Q1：編碼工作是否能夠如期開始；

Q2：在集成測試時，需要查看單元測試是否已經結束；

Q3：第7周時，ABCD每個任務是否已經實現相關比例工作？任務E準備工作是否做好？

Q1的度量元為：M1需求調研和分析的評審結果；M2系統分析與設計的評審結果；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每個編碼人員的單元測試工作完成與否；M6單元回歸測試的完成程度；M7在單元測試過程中，是否已經將每種缺陷率控制在可控范圍之內。

Q3的度量元為：M8任務A應該完成(7/10)%；M9任務B應該完成(7/8)%；M10任務C應該完成(4/10)%；M11任務D應該完成(1.5/0.5)；M12在第9周的時候系統是否可以按時發布。

雖然以往的研究已經在項目實施過程中引入了甘特圖等技術來控制項目實施計劃，但是面對需求的不確定性，用戶隨時有可能對項目需求進行調整，造成在項目實施時依然會出現許多難以預料的問題。同時，不同的項目管理人員、需求分析人員、研發人員等面對同一個目標，可能會分解出不同的問題，對于每個問題也會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，對于不確定的度量元如何進行決策就成為了一個有待研究的問題。

2 基于德爾菲法和PUGH矩陣的決策機制

本文通過引入PUSH矩陣和關鍵因素的決策機制，為目標分解為合理的問題與度量元，提供可以實際操作的方法。PUGH矩陣又稱決策矩陣，它是表示決策方案與有關因素相互關系的矩陣表示，常用來進行定量決策分析。如表1所示，PUGH矩陣通過在多個可選擇的方案中設定一個標準方案，然后按照判斷準則將其他方案與基準的方案進行比較分析，從而得出最終的結論。

表1 PUGH矩陣的模板

在實施過程中，首先需要確定選擇決策的關鍵要素，以此來設定選擇的判斷準則。這些判斷準則通常不應過多，一般來說控制在二十項以內。判斷準則的建立一般依據項目人員的經驗，為了使判斷準則更加的客觀有效，本文采用德爾菲法來確定PUGH矩陣的判斷準則。德爾菲法[9]，通常又被稱作專家規定程序調查法，它起始于調查者對調查表進行初步擬定，然后再依照既定程序通過函件形式分別實現對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，從而實現了意見反饋收集。通過這樣多次反復的專家意見征詢與反饋，專家組建議就被逐步集中到一起，形成一個可參考的綜合建議，最終以此來得到擁有很高準確率的集體判定結果[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) 根據德爾菲法得到判斷準則及其權重

使用德爾菲法確定各個度量元的判斷準則，假設可選擇方案為P，判斷準則為T，權重(即重要性)為ω，則：

可選擇方案為：P={P1,P2,…,Pm}

判斷準則：T={T1,T2,…,Tn}

權重為：ω={ω1,ω2,…,ωn}

2) 確定基準方案

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

3) 通過判斷準則，把每個方案和基準方案做對比

把每個方案都和基準方案作對比，并且每當對比一次，就需要通過一個判斷準則來評估。同時，在方案與判斷準則相呼應的位置，標注出一個對應的符號，通常使用“+”來表明該方案好于基準方案，相反地“-”則表明差于基準方案。而用“s”表示與基準方案相等。在這個過程當中，還需要將新產生的方案與判斷準則留存下來，方便將他們加入迭代步驟中，供下次的矩陣分析。

4) 統計所有評價符號的數量和加權總數

通過統計“+”和“-”的個數，便可以發現“+”最多和“-”最少的方案，但是它們不能夠用來相互抵消。根據賦予判斷準則的權重值，可以得出更好和更差加權總數。這里我們定義：Tb表示某一待選擇方案好于基準方案S的準則集合；Tw表示某一待選方案差于基準方案S的準則集合；使用Pb和Pw分別表示更好加權數和更差加權數。則：

Pb=∑iωi×Tbii∈Tb

(1)

Pw=∑iωi×Twii∈Tw

(2)

5) 確定最佳方案

在統計的過程中，也要注意將強的方案融入到弱的方案中，從而產生良好的混合方案。重復整個過程便可以獲得最佳方案，否則繼續重復工作，直到出現最佳方案為止。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 應用案例及分析

上海軟件中心與中海集團在2013年簽訂了戰略合作伙伴協議，中海集團在信息管理系統方面擁有很多的項目需求，IT資產管理系統作為中海集團航運標準化項目中的一部分有著十分重要的意義。IT資產管理系統擁有“工作臺管理”、“采購管理”、“軟件管理”、“硬件管理”、“低值耗材管理”、“統計分析”、“信息中心”、“系統管理”共計八個一級模塊。

本文在文獻[5]的基礎上，將項目目標梳理分解成了6個問題，如表2所示。增加了Q1需求工作是否已經完成，以及Q4通過單元測試的模塊上線后，再增加模塊上線時是否會出現問題？Q6：第7周時用戶的滿意程度和健壯性如何？因為不同的項目和不同的客戶，所造成的項目實施時的實際情況是不同的，每個資深項目管理人員和高級工程師的經驗也有所不同，因此提出的問題以及度量元是不同的。并且在確認度量元是否完成方面，不同的項目人員也會存在不一致的意見。比如，“M3——需求變更次數”，這個度量元是否應該作為“Q1——需求工作是否已經完成”問題的度量？“Q4——通過單元測試的模塊上線后，再增加模塊上線時是否會出現問題這個問題”對于完成目標是否存在意義？在回答“Q6——第7周時用戶的滿意程度和健壯性如何問題時”，“M19——用戶沒有提出異議”是否表示用戶已經對當前項目的進展給予滿意？即使用戶已經明確表示了滿意，則滿意程度又會是多少呢？系統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實現準確的分解，從而形成所謂合理的度量元。

表2 GQM模型度量計劃

在IT資產管理系統項目中，在表2形成的基礎度量計劃的基礎上，采用GQM模型對項目的整體進度進行了度量與監控。項目計劃在8周的時間內完成需求分析、架構搭建和系統管理模塊的開發。在第8周時，需要確定“該項目進度是不是正常”。由1位項目經理和1位資深的項目人員對該目標進行分解最終形成5個問題：“要求的工作是否已經完成”、“編碼工作能不能如期正常進行”、“單元測試是否完成”、“階段性開發任務是否能夠準時結束”、“用戶的滿意程度”。在分解成5個問題后，開始對每個問題確定相應的度量元。

首先使用第2節中的德爾菲法確定各個度量元方案的判斷準則，共計10個：完成的里程碑、關鍵路徑、工作單元進展、功能規模穩定性、功能正確性、可靠性、可維護性、過程符合性、技術適合性、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，從中可以統計出各個度量元的更好總數以及更差總數，并通過權值的運算得出加權更好和更差總數。這樣反復迭代分析，最終形成10個有效的度量元應用于GQM模型中，如表6所示。

可選擇度量元15個：

表3 待選擇方案

通過判斷標準進行分析：

表4 待選擇方案

表4說明如下：

判斷準則：1)完成的里程碑；2)關鍵路徑性能；3)工作單元進展；4)功能規模穩定性；5)功能正確性；6)可靠性；7)可維護性；8)過程符合性；9)技術適合性；10)客戶反饋。

標準方案：1)符合預定的里程碑；2)按時完成關鍵任務或交付日期沒有延遲；3)單元進展順利；4)需求和功能沒有變更；5)系統功能達到交付水平；6)用戶接口便于操作；7)標識的問題順利解決；8)項目實現與定義過程一致；9)技術滿足需求；10)客戶理解項目性能，請求能得到快速處理。

表5 度量單元統計分析

最終形成10個度量元：

表6 基于決策機制最終形成的GQM度量計劃

在上面這個項目實例中，采用了基于德爾菲法和PUGH矩陣的決策機制形成GQM度量計劃，綜合考慮了度量元方案的判斷準則，最終形成了有效的度量元應用于GQM模型中。相比較與文獻[8]中沒有明確描述度量元的形成過程，本文則由項目管理者根據本企業的實際情況和工作中數據的收集方式和程度，真實和逐漸地按照德爾菲法和PUGH矩陣反復迭代最終形成具有實際意義和價值的度量元，真正對軟件項目度量起到了預測和控制的作用。

4 結 語

本文針對軟件度量方法GQM模型的特點，提出了一種在GQM度量方法中的決策機制，系統地討論了該機制的實現過程和方法。并通過軟件開發實際案例的詳細分析，實驗結果表明了該機制實施的可行性。該GQM度量方法中的決策機制能夠有效地改進GQM模型應用效果，更好地進行軟件度量活動。

[1] 年國棟.軟件度量決策系統的研究與實現[D].武漢：華中科技大學，2013.

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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。上海市科研計劃項目(15511101503)；上海張江高新區專項(201501-PD-LJZ-C104-004,201505-ZB-C104-013)。戴炳榮，博士生，主研領域：大數據，云計算，軟件項目管理。王凌，工程師。李超，助理工程師。宋俊典，副研究員。

TP301

A

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