軟件工程項目管理需求分析
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摘要：科研機構(gòu)、高校承擔的大型科研工程越來越多，軟件在工程項目中扮演著重要角色。結(jié)合科研領(lǐng)域軟件開發(fā)特點，介紹軟件開發(fā)流程管理及質(zhì)量保障措施等，可為科研軟件的質(zhì)量提高及創(chuàng)新提供一定借鑒。
關(guān)鍵詞：科研軟件；需求分析；開發(fā)模型；質(zhì)量保障
0引言
隨著科研機構(gòu)、高校承擔的國家大型科學工程項目越來越多，在這些大型科學工程中，軟件起到不可或缺的作用。如中國科學院高能物理研究所承擔的硬X射線調(diào)制望遠鏡項目［1］、BESIII項目［2］中的數(shù)據(jù)采集軟件、探測器和數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件是獲得物理成果的基礎，而模擬軟件和分析軟件則直接關(guān)系到物理成果的處理和精度。這類軟件項目有較深的物理學背景，需要使用一些物理分析和設計方法，實現(xiàn)手段必須符合領(lǐng)域特點。例如，數(shù)據(jù)存儲在粒子物理實驗和空間天體物理實驗中的要求不同，前者主要采用ROOT［3］格式，而后者則以FITS［4］格式為主，開發(fā)所用的常見庫和工具也因數(shù)據(jù)存取格式不同而不同。此外，該類軟件應用面較窄，僅限于某一科研領(lǐng)域，其開發(fā)很難由軟件公司承擔，因為軟件公司必須投入大量的學習成本，而產(chǎn)品應用又受局限。因此，這類軟件的開發(fā)一般由科研院所、高校自行承擔。然而，目前我國軟件整體實力與創(chuàng)新性還不強，人才結(jié)構(gòu)也需要改善［5］，一些從事基礎研究的機構(gòu)，軟件人才緊缺，且缺乏軟件開發(fā)管理經(jīng)驗，造成軟件質(zhì)量不高?？蒲袡C構(gòu)從事軟件開發(fā)的科研人員學習能力強，熱衷于追求新技術(shù)，如果在方法上給予指導，可幫助其開發(fā)出高質(zhì)量的軟件。依托大型工程培養(yǎng)所需的軟件人才，不僅有利于大型工程項目的實施，而且還能為國家培養(yǎng)大批軟件人才。本文結(jié)合該類軟件項目的特點和科研機構(gòu)現(xiàn)狀，探討其軟件開發(fā)特點，并提出流程管理和質(zhì)量保障措施。
1科研領(lǐng)域軟件開發(fā)及其特點
1．1軟件項目特點
（1）軟件提出者。一般是項目科學家、顧問，他們具有較強的科學洞察力，也能較好地把握軟件開發(fā)方向，但他們大多只關(guān)注宏觀問題，而非技術(shù)細節(jié)，對軟件不是很了解，不能用計算機語言和思維描述項目，也無法很好地理解和描述實現(xiàn)流程、細節(jié)，因此不能準確估計軟件開發(fā)難度和工作量。
（2）軟件開發(fā)者。一般為青年職工和學生，他們熟悉軟件開發(fā)，但往往不能完全理解項目目標，也不能深刻理解其物理過程，理解過程中往往思維局限性大，缺乏方向。
（3）軟件測試者。多數(shù)情況下單元測試由開發(fā)者承擔，集成或系統(tǒng)測試由其他人員完成，部分由用戶完成。與開發(fā)人員相比，測試人員往往物理基礎較好，掌握基本測試方法，但是沒有建立起完整的測試體系，而且將軟件測試當作“副業(yè)”，測試以功能實現(xiàn)為主，對軟件細節(jié)不了解。
（4）用戶。用戶一般是物理工作者，他們熟悉研究領(lǐng)域的物理要求，但不能用計算機語言描述需求，往往需求不實際或不夠明確。他們對軟件要求較高，要求通過物理測試對軟件性能和輸出結(jié)果精度進行測試。如通過運行大數(shù)據(jù)量檢查軟件內(nèi)存和時間消耗，以促進開發(fā)者進行算法優(yōu)化等。
1．2軟件項目開發(fā)特點
（1）軟件需求不夠明確?？蒲蓄I(lǐng)域軟件項目一般都涉及到探測器和數(shù)據(jù)，涉及領(lǐng)域較廣，而且需求不斷變化。無論是軟件提出者還是用戶，往往難以用計算機思維或語言清楚描述問題；軟件開發(fā)者對項目物理目標，特別是物理過程缺乏深刻理解，不能很好地理解軟件功能細節(jié)及需求。比如，對于一些數(shù)據(jù)分析軟件，提出者或用戶難以描述出軟件需要完成的功能，而開發(fā)者對數(shù)據(jù)處理流程中進行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、修正、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重組也缺乏深刻理解。
（2）人員結(jié)構(gòu)較為單一。軟件開發(fā)中通常一人需要承擔多種角色，包括軟件需求分析員、設計者和開發(fā)者，甚至測試者。這樣的職位設定，人員分工不明確，難以深入把握某一領(lǐng)域（比如測試）的特點和方法，從而影響了整個軟件開發(fā)過程。
（3）軟件實現(xiàn)細節(jié)難以把握。此類軟件一般涉及復雜的物理過程，需要用一定的物理方法解決，但方法并不唯一，不同方法會對結(jié)果帶來一定影響，而且不同類型數(shù)據(jù)所依賴的方法也不同。軟件開發(fā)中還有些研究性課題，只能以接口形式存在于軟件中，但預留接口時往往設計較為簡單，考慮的情況過于理想，難以滿足實際需求。然而，如果設計時考慮得比較復雜，接口較多，又往往缺乏必要的軟件技術(shù)和經(jīng)驗，不能有效把握細節(jié)。
（4）硬件頻繁改動增加軟件開發(fā)風險。軟件依賴于硬件，設計初期軟件是在理想的硬件設計狀態(tài)下運行，但如果硬件發(fā)生變更或者運行影響因素增加，軟件也隨之變動，從而加大開發(fā)風險。
（5）軟件測試及評估缺乏專業(yè)水平。由于開發(fā)者、測試者與用戶的專業(yè)測試能力都比較欠缺，難以涉及到核心質(zhì)量問題，往往無法全面對軟件作出專業(yè)評估。
（6）人員管理難度大?？蒲袡C構(gòu)、高校一般熱衷于科學研究而不是工程項目本身，因此難以兼顧兩方面工作。軟件提出者和管理人員往往對軟件工程缺乏深入了解，難以對開發(fā)工作作出客觀評價，因此對軟件開發(fā)的進度和質(zhì)量帶來一定影響。
（7）軟件不確定性因素多。隨著工程實施，軟件提出者、用戶會不斷改變、增加需求，加上開發(fā)者及測試者缺乏相關(guān)經(jīng)驗，代碼開發(fā)不規(guī)范、開發(fā)人員流動性強等增加了軟件開發(fā)的不穩(wěn)定性。另外，為降低開發(fā)成本和難度，開發(fā)人員通常會引入現(xiàn)成的工具，這可能給軟件開發(fā)帶來隱患。然而，面向某一科研領(lǐng)域的軟件開發(fā)項目也有自身的優(yōu)勢。如和大型專業(yè)軟件相比，所需的項目功能不是特別多，部分開發(fā)平臺具有可移植性，開發(fā)人員綜合素質(zhì)較高，學習能力強，英語基礎較好。此外，很多工程與國外合作開發(fā)，可參考國外成熟軟件，并方便引進一些免費的軟件框架和平臺，如Gaudi［6］框架、天文分析工具庫Ftool［7］等。
2軟件開發(fā)流程管理
2．1確定軟件開發(fā)模型
科研機構(gòu)，尤其是一些缺少經(jīng)驗的團隊，習慣采用瀑布模型進行開發(fā)，主要由于該模型分階段，且各階段間存在因果關(guān)系，比較符合思維模式。但它會產(chǎn)生大量文檔，到開發(fā)后期會凸顯軟件開發(fā)缺陷。適合科研領(lǐng)域的開發(fā)模型有迭代式模型［8－9］（需求變更驅(qū)動型）、增量模型（功能驅(qū)動型）及快速原型開發(fā)［10］等。對于科研軟件而言，模型選擇需綜合考慮軟件框架穩(wěn)定性和開放性、構(gòu)件獨立性以及項目組開發(fā)經(jīng)驗等。比如對于需求不明確、流程不清晰、算法不確定的項目（如數(shù)據(jù)處理軟件、分析軟件和標定軟件等）采用迭代模型或者快速原型開發(fā)較好。此外，采用一種模型為主，其它模型為輔，也會得到很好的效果。
2．2加強開發(fā)流程控制
無論采用何種開發(fā)模型，開發(fā)人員必須在每一次開發(fā)或迭代中完整實現(xiàn)需求分析、設計、編碼和測試等步驟。各階段的評審或項目報告尤為重要，項目前期要確保軟件開發(fā)人員準確理解項目需求以及軟硬件環(huán)境；中期階段要確保開發(fā)流程和方法可靠；后期要通過測試確保軟件運行符合要求。
2．3需求分析中注重物理分析
科研軟件中一般涉及大量數(shù)據(jù)操作，而且過程比較復雜，一些原始數(shù)據(jù)要經(jīng)過轉(zhuǎn)換、重建、標定及修正等步驟，而且處理不一定是線性的，即相鄰數(shù)據(jù)之間可能有關(guān)聯(lián)。這些功能和性能需求不容易明確，需要著重把握。軟件中還可能涉及一些物理算法（比如圖像修正、頻率分解等），因此在需求分析中需要著重進行物理分析，包括流程梳理、特殊方法和條件選擇等。
2．4采用串行開發(fā)方式
科研機構(gòu)人員結(jié)構(gòu)比較單一，往往多項工作并行執(zhí)行，給軟件開發(fā)質(zhì)量提升及人才培養(yǎng)帶來不利影響，可將相關(guān)性比較強的軟件以串行方式開發(fā)，數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成軟件和數(shù)據(jù)分析軟件可以依次開發(fā)。
2．5提高開發(fā)人員的主觀能動性
軟件開發(fā)過程中，保障軟件項目負責人在經(jīng)費使用及績效考核中的話語權(quán)，組建凝聚力強的研發(fā)團隊，對軟件開發(fā)的進度、質(zhì)量進行考核。
3軟件質(zhì)量保障措施
（1）加強開發(fā)過程中的溝通?？蒲许椖康牟淮_定性帶來軟件開發(fā)需求的變動，用戶往往只注重項目需求功能滿足，而不關(guān)心軟件的實現(xiàn)細節(jié)，所提出的功能或接口可能不切實際，因此需要加強與用戶的溝通，明確軟件開發(fā)目標。
（2）充分調(diào)動開發(fā)人員積極性。科研機構(gòu)軟件開發(fā)人員往往是科研項目的幕后工作者，其工作成果容易被科研項目成果所掩蓋，所以充分調(diào)動軟件開發(fā)人員的工作積極性尤為必要。一方面，為其提供成果展示平臺，尤其是展示創(chuàng)新性成果，如將開發(fā)中的文檔整理成冊等；另一方面，在基金申請、職稱評定等方面提供支持。科研機構(gòu)職稱評定主要依據(jù)取得的科研成果，由于工作內(nèi)容不同，如采取同樣的評審條件，軟件開發(fā)人員與其他研究人員在同一層次上競爭將缺乏競爭力。可能導致部分人員不愿意從事軟件開發(fā)工作，或者開發(fā)軟件的同時還從事其它研究，從而影響軟件開發(fā)進度和質(zhì)量。因此，需要根據(jù)軟件開發(fā)人員工作的特殊性，通過有效的激勵措施調(diào)動其積極性。
（3）培養(yǎng)既懂管理又懂技術(shù)的項目負責人。優(yōu)秀的軟件工程項目負責人不僅是一個好的軟件設計師，對軟件實現(xiàn)細節(jié)能夠很好的掌控，還是一名優(yōu)秀的管理者，能科學配置資源。
4結(jié)語
面向科研領(lǐng)域的軟件具有較深的行業(yè)背景，其設計方法、實現(xiàn)手段有很強的領(lǐng)域依賴性。本文從科研領(lǐng)域特點及軟件提出者、開發(fā)者、測試者、用戶的角度出發(fā)，探討了其需求難以明確、人員結(jié)構(gòu)較單一且管理難度大的特點。在軟件開發(fā)管理過程中，需要采用合適的軟件開發(fā)模型，注重流程管理，充分調(diào)動開發(fā)人員的工作積極性。
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作者：趙海升 李兵 聶建胤 宋黎明 單位：中國科學院高能物理研究所
