概念格在軟件工程中的應用研究

降惠

摘要：概念格作為一個知識表示、分析與處理的工具，已廣泛應用于軟件工程、信息檢索、人工智能等。為了提高軟件的質量和開發效率，概念格可以應用于軟件理解、軟件開發與軟件測試中，可以分別在軟件理解的系統配置結構中、測試用例中、模式識別設計中，軟件開發的需求分析、軟件設計與web中，軟件測試的測試結果分析中應用概念格技術來。最后，文章提出概念格在軟件工程中的研究趨勢為面向超大規模、高復雜度的軟件、優化重用及響應速度的提高等方面。

關鍵詞：概念格;軟件開發;軟件設計;軟件測試;軟件工程

中圖分類號： TP399 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）15-0080-03

Abstract： Concept lattice， as a tool for knowledge representation， analysis and processing， has been widely used in software engineering， information retrieval， artificial intelligence and so on. To the aim of improving the quality and the efficiency of software， concept lattice can be applied to software understanding， software development and software testing in software engineering. It can be applied to configuration structure of the system， test cases， pattern recognition designing. It is also can be used to demand analysis， software designing and web designing. Meanwhile， during the analysis of test result， concept lattice can also provide more testing data. Finally， the paper proposes that the research trend of concept lattice in software engineering is oriented towards software with very large scale and high complexity， optimizing reuse and the improving of response speed.

Key words： concept lattice; software development; software design; software testing; software engineering

1 背景

隨著互聯網時代的到來，基于人工智能技術的軟件在人類社會生產生活中的作用愈發明顯。人們依托互聯網軟件逐漸改變了傳統的衣、食、住、行習慣，提高了效率，便利了生活。因而人們對軟件的需求越來越多，要求越來越高，導致軟件開發設計的難度也越來越高，軟件的規模也越來越大，對現有軟件后期維護過程中的人、財、物等投入也日益增高。當前的軟件工程研發項目已變得非常復雜和龐大，設計開發常常需要龐大的數據庫，高速的傳輸網絡、合理的技術和工具、高效合作的團隊等。如何研發更加科學高效程序開發技術、數據分析方法等已成為當前計算機領域一項重要研究課題。

2 概念格

2.1 形式背景和形式概念

形式概念理論是1982年由德國達姆科技大學的Wille教授首次提出的。在形式概念理論中，形式背景由數據集中的所有對象、對象的屬性及對象與屬性之間的關系構成。形式概念理論中，可以用一個由對象集子集和屬性集子集構成的結點來表示一個形式概念，對象集的子集稱為形式概念的外延，屬性集的子集稱為形式概念的內涵。

2.2 概念格

一般概念格是由形式背景中所有形式概念及其之間的偏序關系構成，記作，形式概念間的偏序關系可以表示為。

3 軟件工程

軟件工程是一門研究如何用工程化方法構建和維護有效的、實用的和高質量的軟件的學科。它包括標準、數據庫、程序設計語言、軟件開發工具、設計模式、系統平臺等內容[1]。一直以來，國內外學術界對軟件工程缺乏一種統一規范的定義，很多計算機組織機構、專家學者都對軟件工程做出了自己認可的定義，但目前公認的定義是：軟件工程是人們利用工程的原理、概念、技術、手段開發和維護軟件，把經過實踐論證的好的管理技術和目前最優的技術手段結合，最經濟地設計開發高水平的軟件，并低成本、高穩定性地進行后期維護的系統理論方法[2]。

4 概念格在軟件工程中的應用

概念格理論和技術經過近四十年的發展，已經具備相對完備的理論基礎和技術范疇，概念格通常根據數據對象和共同屬性之間的二元關系建立一種較好的概念層次結構，目前概念格是一種科學高效層次化對象分析方法，可以迅速地識別提取具有共同屬性一組對象的組合。由于具有形式化表達能力，運用在軟件工程領域，具有非常強的理論優勢和技術強項;目前，在軟件工程開發項目中，經常遇到形式屬性與形式對象之間二元實體關系問題，概念格技術能夠科學高效地對產生的文檔和程序代碼進行分析，并構建圖形化的概念格，提高軟件文檔、代碼、編碼、文本的抽象層次，確保能進行經濟高效軟件維護，幫助程序開發人員和軟件測試人員更好的理解和管理軟件。目前，概念格已被廣泛運用于軟件理解、軟件定義、軟件開發、軟件維護等環節。

4.1 在軟件理解的應用研究

軟件理解的主要任務是建立實現層到概念層的映射關系，建立低層次和高層次之間的映射集[3]。概念格在軟件理解中的應用體現在配置結構發現，測試用例、設計模式識別、面向方面發現等環節。概念格可以把代碼屬性特征集合成形式背景，進而基于形成的形式背景識別提取出全局和部分之間的核心概念關系，動態分析與靜態分析相結合，分析出特定特征數據集之間的關聯，這就使得軟件理解不再會對程序人員個人研發能力過高的依賴和約束，客觀因素也愈發重要，形式化屬性不斷增強，大大提高了軟件理解的效率和準確度。

4.1.1 系統配置結構中

Snelting在分析Unix C源代碼系統的配置結構優化和評測問題時，設計出了基于概念格技術分析的NORA/RECS工具[4]，實現了程序源代碼配置結構之間高內聚和低耦合的優化和評測。在系統配置結構中，以代碼為對象，以系統配置表達式為屬性，在系統配置工具中構建了概念格，進而可以發現配置之間依賴關系，表現出配置之間的獨立、互斥、沖突、共享等關系。

4.1.2 測試用例中

形式屬性可作為測試途徑，形式對象可作為程序過程，對象可以表達程序實體和程序測試之間的關聯關系、概念格的偏序性可以描述過程先后的持續關系。通常采用動態分析軟件表現了軟件用例和結構之間的聯系和關系，該技術將計算單元作形式屬性，案例作形式對象，執行特征和感興趣函數，這種技術主要考慮定位軟件中的計算單元。

4.1.3 模式識別設計中

在面向對象程序識別設計模式中也經常用到概念格。一種是利用概念格技術分析發現類的設計模式， 另一種是以形式背景的對象組為形式對象，以形式對象的關系為屬性構造概念格，并對概念格進行屬性調整和約簡，最終產生了新的概念格。

4.2 在軟件開發中的應用

隨著軟件需求的不斷提升，現代軟件開發也越來越復雜，軟件開發過程中使用更高效、科學、合理的分析技術成為當務之急，概念格作為一種新興的軟件分析方法，已廣泛運用于軟件開發過程中，如需求分析、軟件設計等。

4.2.1 需求分析中

需求分析是指通過分析研究相關軟件的各自應用環境，發現軟件相關應用信息，即軟件針對各類需求進行應用分析[5]。概念格分析方法特有的語境、共同屬性及概念集在需求分析過程中作用顯著。軟件工程的各個傳統模式對應存在相應的工作集，概念格通過分析對比工作集和共同屬性對應關系，可得到特定的項目特征屬性集合，進而確保相應軟件的需求分析更科學合理.

4.2.2 軟件設計中

軟件的設計是依據軟件需求分析進行，借助合理化的分析方法和工具進行分析設計，得到科學設計方法的過程，軟件設計是一種軟件的數據結構改革。概念格技術具有表現概念和屬性之間的相關性的特點，通過分析所有的項目特征，形成形式背景，即相關的概念集，構建出概念格。概念格技術在軟件設計中主要作用是構建軟件系統的概念格，因此也形成了很多相對完備穩定的概念格規則算法，人們利用這些算法可以快速發現所有數據集合之間的層次關系，進而有效提升軟件設計的效率和質量[6]。

4.2.3 Web中

隨著互聯網技術的發展，概念格已被廣泛運用于語義Web檢索、Web服務管理等方面。概念格不僅適用于特定語義Web領域檢索，還可以在不限定領域進行檢索，甚至可以通過概念格的層次結構特點，進一步演化檢索對象的層次結構，優化改進檢索結果;科研工作者還基于概念格理論，設計出基于語義Web服務相似度的功能匹配算法，利用這種匹配算法，可以實現一個原型系統，為語義Web服務查找匹配提供了合理解決方案。此外，概念格還被運用到Web服務管理中，通過建立描述Web服務間相互關聯的概念格，分析如何對Web服務進行科學管理，并進行概念格增量維護。

4.3 在軟件測試中的應用

軟件測試是為了提前發現軟件潛在錯誤，而專門執行程序代碼的過程。主要目的是努力在軟件正式生產型運行之前，盡最大可能地發現并改正潛在的錯誤和漏洞，確保軟件的可靠性和穩定性。概念格在軟件測試中的運用常見于通過概念格工具，根據正確直觀的形式背景對多個軟件的測試結果構建概念格，最終提供軟件質量評價的科學方法[7]。人們可以通過對概念格產生的大量測試結果進行分析，為以后同類軟件的設計開發提供經驗和參考。

軟件通常分為代碼和文檔，軟件測試就是對現有的軟件代碼和文檔的準確性和科學性進行測試。一般要經過文檔審核，代碼審核、靜態分析、單元檢測、部件測試、配置項檢測和系統檢測等環節。程序人員通常通過千行缺陷率來評價某軟件的質量高低。人們通常會預先確定聚準缺陷率。然后把所有需要評價的軟件列入待選對象集，設置共同屬性為個測試階段千行代碼缺陷率，若軟件缺陷率大于基準缺陷率，則該軟件具備共同屬性，若小于基準缺陷率，則該軟件不具備該屬性.

人們可以根據該屬性構建形式背景，進而生成對應的Hasse圖，Hasse圖越往上層表明軟件的質量越高，Hasse圖越往底層說明該軟件在測試過程中存在的問題越多，根據Hasse圖再進行知識發現和概念提取，最終構建出概念格。我們會發現，同一概念集中的對象（軟件）缺陷率是相互接近的。在軟件測試環節中，當人們特別關注某一階段的缺陷率時，可以直接根據概念格中實體和屬性的關系發現和提取對應的某一概念，概念格的這種技術優勢非常適合于當前大規模的軟件質量對比和評價，可以有效降低成本，提高效益。

5 概念格在軟件工程中的研究趨勢

5.1 超大規模、高復雜度軟件應用

概念格應發揮好計算機和代數理論優勢，更好地運用于超大規模、高復雜度軟件。當前概念格在軟件理解領域發揮了一定作用，但是開發的軟件規模還較小，復雜度相對較低，并且人們對概念格運用仍局限在淺層次、簡單化階段，并沒有真正發揮出概念格深層次計算機和代數理論優勢。

5.2 軟件設計研發、維護、優化重用

充分發揮概念格在類層次再造、組建重構、代碼特征定位、模塊結構調整、影響分析等方面的技術優勢，努力提高軟件設計研發、運行維護、優化重用等方面的水平[8]。

5.3 數據分析和響應速度

提高軟件系統的數據分析速度和響應速度。目前，概念格常常用于分析處理大規模、復雜度很好的數據庫，而現有的概念格構造算法在分析處理“海量”復雜數據時，效率還不高，充分發揮概念格技術優勢。設計開發更科學高效概念格構造算法意義重大。

6 結束語

概念格是一種基于某一概念的所有對象、屬性及其二元關系構成的一種概念層次結構，是一種有效的知識表示、分析與處理的工具。在軟件開發、設計與測試中，使用概念格可以更好表達了軟件和概念之間的關系，有效提升軟件設計開發的效率和質量。隨著互聯網發展，軟件工程開發必然需要使用新理論、新技術和新方法。如何設計更科學高效的概念格構造算法，更好地適應軟件技術發展，將是一個重要而有價值的課題。

參考文獻：

[1] 蔣平， 任勝兵， 林娟. 形式概念分析在軟件工程中的運用[J]. 計算機技術與發展， 2008（4）： 127.

[2] 張海藩. 軟件工程[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2005： 6-7.

[3] 李晟. 形式概念分析在軟件理解中的研究綜述[J]. 研究與開發， 2012（5）： 14.

[4] Snelting G. Concept Lattices in Software Analysis[M]//Formal

Concept Analysis. Berlin： SpringER， 2005.

[5] 烏弘毅， 黃映輝. 模糊概念格構建的Bordat方法[J]. 計算機技術與發展， 2010（10）： 15-21.

[6] 何丹丹. 概念格在軟件工程中的應用[J]. 兩化融合， 2018（7）： 186.

[7] 劉樹鵬， 李冠宇. 基于形式概念分析的本體合并方法[J]. 計算機工程與設計， 2011（4）： 9-12.

[8] 畢強， 騰廣青. 國外形式概念分析與概念格理論應用研究的前沿進展及熱點分析[J]. 現代圖書情報技術， 2010（11）： 21.

【通聯編輯：謝媛媛】