基于问题框架的信息物理融合系统建模与验证研究

The emergence of cyber-physical systems indicates that computer software and hardware have reached a new milestone in their developments. In addition to the design of software and hardware, more importantly, the successful development of such systems depends on whether the overall integration of them can solve the user's problems by satisfying his requirements. The open and undeterministic characters of cyber-physical systems pose great risks and challenges for CPS development, particularly how to systematically model and verify the requirements for CPS remains an open problem. Problem Frames approach has become a hotspot and mainstream in requirements engineering research. In this project, we plan to provide a rigourous and scentific theoretical foundation for modelling and verifying the behaviours of CPS. We also plan to provide operational techniques and computer-aided tool support for the theory so that it can be empirically evaluated. This project will facilitate the improvement of quality, efficiency and correctness of requirements analysis for cyber-physical systems.

信息物理融合系统的出现标志着计算机软件和硬件技术发展进入了一个里程碑式的新阶段。这类系统的开发成功与否，除了依赖于软件设计和硬件设计之外，更重要的是取决于两者之间的融合是否能真正满足系统的需求和解决用户的问题。由于信息物理融合系统的开放性，其行为具有较大的不确定性，从而为这类系统的开发带来较大的风险和挑战，特别是如何系统地对信息物理融合系统需求建模和验证是一个尚待解决的核心研究问题。问题框架方法已成为需求工程研究的一个热点和主流，因此本课题将研究如何采用问题框架方法为物理信息融合系统建模和验证提供严谨而科学的理论基础，同时还将为该理论提供可操作的技术和计算机辅助支持工具，并对其进行实证评估。本课题将对提高信息物理融合系统需求分析的质量、效率和正确性具有促进作用。

信息物理融合系统的开发成功与否，除了依赖于软件设计和硬件设计之外，更重要的是取决于两者之间的融合是否能真正满足系统的需求和解决用户的问题。如何系统地对这类系统需求建模和验证是一个尚待解决的核心研究问题。本课题研究通过对问题框架方法进行扩展，为信息物理融合系统行为建模和验证提供严谨而科学的理论基础，同时还提供了可操作的技术和计算机辅助支持工具，以对其进行实证评估。本课题首先为问题框架理论给出了基于因果关系的可操作语义，并应用到基于问题框架的需求推理，从而对问题模型拆分及需求优先级排序提供可解释的依据，并为此提供了计算机辅助需求工程工具原型。鉴于需求分析中需要处理大量自然语言文本，本课题还采用了机器学习及深度学习技术对描述软件规格中的文本进行分类，从而为确定软件服务使用场景提供技术支持。总之，本课题完成了项目任务书上所有计划指标，包括发表论文 8 篇，其中SCI/EI期刊论文7篇，中国计算机学会CCF推荐B类会议论文3篇、C类会议论文4篇，CCF推荐B类中文期刊1篇，做学术会议邀请报告2次，申请发明专利2项、申请并获得软件著作权1项。本项目研究成果不仅推动了基于问题框架的信息物理融合系统需求建模及验证理论进一步向前发展，而且所研发的计算机辅助需求工程工具对促使问题框架方法从理论走向实际应用具有重要的促进作用。