软件工程项目管理需求分析

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摘要：科研机构、高校承担的大型科研工程越来越多，软件在工程项目中扮演着重要角色。结合科研领域软件开发特点，介绍软件开发流程管理及质量保障措施等，可为科研软件的质量提高及创新提供一定借鉴。

关键词：科研软件；需求分析；开发模型；质量保障

0引言

随着科研机构、高校承担的国家大型科学工程项目越来越多，在这些大型科学工程中，软件起到不可或缺的作用。如中国科学院高能物理研究所承担的硬X射线调制望远镜项目［1］、BESIII项目［2］中的数据采集软件、探测器和数据监测软件是获得物理成果的基础，而模拟软件和分析软件则直接关系到物理成果的处理和精度。这类软件项目有较深的物理学背景，需要使用一些物理分析和设计方法，实现手段必须符合领域特点。例如，数据存储在粒子物理实验和空间天体物理实验中的要求不同，前者主要采用ROOT［3］格式，而后者则以FITS［4］格式为主，开发所用的常见库和工具也因数据存取格式不同而不同。此外，该类软件应用面较窄，仅限于某一科研领域，其开发很难由软件公司承担，因为软件公司必须投入大量的学习成本，而产品应用又受局限。因此，这类软件的开发一般由科研院所、高校自行承担。然而，目前我国软件整体实力与创新性还不强，人才结构也需要改善［5］，一些从事基础研究的机构，软件人才紧缺，且缺乏软件开发管理经验，造成软件质量不高。科研机构从事软件开发的科研人员学习能力强，热衷于追求新技术，如果在方法上给予指导，可帮助其开发出高质量的软件。依托大型工程培养所需的软件人才，不仅有利于大型工程项目的实施，而且还能为国家培养大批软件人才。本文结合该类软件项目的特点和科研机构现状，探讨其软件开发特点，并提出流程管理和质量保障措施。

1科研领域软件开发及其特点

1．1软件项目特点

（1）软件提出者。一般是项目科学家、顾问，他们具有较强的科学洞察力，也能较好地把握软件开发方向，但他们大多只关注宏观问题，而非技术细节，对软件不是很了解，不能用计算机语言和思维描述项目，也无法很好地理解和描述实现流程、细节，因此不能准确估计软件开发难度和工作量。

（2）软件开发者。一般为青年职工和学生，他们熟悉软件开发，但往往不能完全理解项目目标，也不能深刻理解其物理过程，理解过程中往往思维局限性大，缺乏方向。

（3）软件测试者。多数情况下单元测试由开发者承担，集成或系统测试由其他人员完成，部分由用户完成。与开发人员相比，测试人员往往物理基础较好，掌握基本测试方法，但是没有建立起完整的测试体系，而且将软件测试当作“副业”，测试以功能实现为主，对软件细节不了解。

（4）用户。用户一般是物理工作者，他们熟悉研究领域的物理要求，但不能用计算机语言描述需求，往往需求不实际或不够明确。他们对软件要求较高，要求通过物理测试对软件性能和输出结果精度进行测试。如通过运行大数据量检查软件内存和时间消耗，以促进开发者进行算法优化等。

1．2软件项目开发特点

（1）软件需求不够明确。科研领域软件项目一般都涉及到探测器和数据，涉及领域较广，而且需求不断变化。无论是软件提出者还是用户，往往难以用计算机思维或语言清楚描述问题；软件开发者对项目物理目标，特别是物理过程缺乏深刻理解，不能很好地理解软件功能细节及需求。比如，对于一些数据分析软件，提出者或用户难以描述出软件需要完成的功能，而开发者对数据处理流程中进行的数据转换、修正、数据结构重组也缺乏深刻理解。

（2）人员结构较为单一。软件开发中通常一人需要承担多种角色，包括软件需求分析员、设计者和开发者，甚至测试者。这样的职位设定，人员分工不明确，难以深入把握某一领域（比如测试）的特点和方法，从而影响了整个软件开发过程。

（3）软件实现细节难以把握。此类软件一般涉及复杂的物理过程，需要用一定的物理方法解决，但方法并不唯一，不同方法会对结果带来一定影响，而且不同类型数据所依赖的方法也不同。软件开发中还有些研究性课题，只能以接口形式存在于软件中，但预留接口时往往设计较为简单，考虑的情况过于理想，难以满足实际需求。然而，如果设计时考虑得比较复杂，接口较多，又往往缺乏必要的软件技术和经验，不能有效把握细节。

（4）硬件频繁改动增加软件开发风险。软件依赖于硬件，设计初期软件是在理想的硬件设计状态下运行，但如果硬件发生变更或者运行影响因素增加，软件也随之变动，从而加大开发风险。

（5）软件测试及评估缺乏专业水平。由于开发者、测试者与用户的专业测试能力都比较欠缺，难以涉及到核心质量问题，往往无法全面对软件作出专业评估。

（6）人员管理难度大。科研机构、高校一般热衷于科学研究而不是工程项目本身，因此难以兼顾两方面工作。软件提出者和管理人员往往对软件工程缺乏深入了解，难以对开发工作作出客观评价，因此对软件开发的进度和质量带来一定影响。

（7）软件不确定性因素多。随着工程实施，软件提出者、用户会不断改变、增加需求，加上开发者及测试者缺乏相关经验，代码开发不规范、开发人员流动性强等增加了软件开发的不稳定性。另外，为降低开发成本和难度，开发人员通常会引入现成的工具，这可能给软件开发带来隐患。然而，面向某一科研领域的软件开发项目也有自身的优势。如和大型专业软件相比，所需的项目功能不是特别多，部分开发平台具有可移植性，开发人员综合素质较高，学习能力强，英语基础较好。此外，很多工程与国外合作开发，可参考国外成熟软件，并方便引进一些免费的软件框架和平台，如Gaudi［6］框架、天文分析工具库Ftool［7］等。

2软件开发流程管理

2．1确定软件开发模型

科研机构，尤其是一些缺少经验的团队，习惯采用瀑布模型进行开发，主要由于该模型分阶段，且各阶段间存在因果关系，比较符合思维模式。但它会产生大量文档，到开发后期会凸显软件开发缺陷。适合科研领域的开发模型有迭代式模型［8－9］（需求变更驱动型）、增量模型（功能驱动型）及快速原型开发［10］等。对于科研软件而言，模型选择需综合考虑软件框架稳定性和开放性、构件独立性以及项目组开发经验等。比如对于需求不明确、流程不清晰、算法不确定的项目（如数据处理软件、分析软件和标定软件等）采用迭代模型或者快速原型开发较好。此外，采用一种模型为主，其它模型为辅，也会得到很好的效果。

2．2加强开发流程控制

无论采用何种开发模型，开发人员必须在每一次开发或迭代中完整实现需求分析、设计、编码和测试等步骤。各阶段的评审或项目报告尤为重要，项目前期要确保软件开发人员准确理解项目需求以及软硬件环境；中期阶段要确保开发流程和方法可靠；后期要通过测试确保软件运行符合要求。

2．3需求分析中注重物理分析

科研软件中一般涉及大量数据操作，而且过程比较复杂，一些原始数据要经过转换、重建、标定及修正等步骤，而且处理不一定是线性的，即相邻数据之间可能有关联。这些功能和性能需求不容易明确，需要着重把握。软件中还可能涉及一些物理算法（比如图像修正、频率分解等），因此在需求分析中需要着重进行物理分析，包括流程梳理、特殊方法和条件选择等。

2．4采用串行开发方式

科研机构人员结构比较单一，往往多项工作并行执行，给软件开发质量提升及人才培养带来不利影响，可将相关性比较强的软件以串行方式开发，数据产品生成软件和数据分析软件可以依次开发。

2．5提高开发人员的主观能动性

软件开发过程中，保障软件项目负责人在经费使用及绩效考核中的话语权，组建凝聚力强的研发团队，对软件开发的进度、质量进行考核。

3软件质量保障措施

（1）加强开发过程中的沟通。科研项目的不确定性带来软件开发需求的变动，用户往往只注重项目需求功能满足，而不关心软件的实现细节，所提出的功能或接口可能不切实际，因此需要加强与用户的沟通，明确软件开发目标。

（2）充分调动开发人员积极性。科研机构软件开发人员往往是科研项目的幕后工作者，其工作成果容易被科研项目成果所掩盖，所以充分调动软件开发人员的工作积极性尤为必要。一方面，为其提供成果展示平台，尤其是展示创新性成果，如将开发中的文档整理成册等；另一方面，在基金申请、职称评定等方面提供支持。科研机构职称评定主要依据取得的科研成果，由于工作内容不同，如采取同样的评审条件，软件开发人员与其他研究人员在同一层次上竞争将缺乏竞争力。可能导致部分人员不愿意从事软件开发工作，或者开发软件的同时还从事其它研究，从而影响软件开发进度和质量。因此，需要根据软件开发人员工作的特殊性，通过有效的激励措施调动其积极性。

（3）培养既懂管理又懂技术的项目负责人。优秀的软件工程项目负责人不仅是一个好的软件设计师，对软件实现细节能够很好的掌控，还是一名优秀的管理者，能科学配置资源。

4结语

面向科研领域的软件具有较深的行业背景，其设计方法、实现手段有很强的领域依赖性。本文从科研领域特点及软件提出者、开发者、测试者、用户的角度出发，探讨了其需求难以明确、人员结构较单一且管理难度大的特点。在软件开发管理过程中，需要采用合适的软件开发模型，注重流程管理，充分调动开发人员的工作积极性。

参考文献：

［1］LITIPEI，WUMEI．ThehardX－raymodulationtelescopemission［J］．Physics，2008，37（9）：648－651．

［2］LITIPEI．HXMT：achinesehigh－energyastrophysicsmission［J］．NuclearPhysicsB，2007（166）：131－139．

［3］BESCOLLABORATION．PreliminarydesignreportoftheBESIIIDetector［Z］．2003．

［4］TheROOTTeam．ROOTuser＇sguide［EB／OL］．https：／／root．cern．ch／drupal／content／users－guide．

［5］WELLSDC，GREISENEW，HARTENRH．FITS：aflexibleim－agetransportsystem［J］．A＆AS，1981，（44）：363－370．

［6］APrimerontheFITSDataFormat［EB／OL］．http：／／fits．gsfc．nasa．gov／fits＿primer．html．

［7］刘丽梅．中国软件产业市场竞争力分析［M］．北京：对外经济贸易大学，2007．

［8］BARRANDG．Gaudi－asoftwareconfigurationmanagementtool［C］．ProceedingofCHEP2000，2000．

［9］FTOOLS．Ageneralpackageofsoftwaretomanipulatefitsfiles［EB／OL］．http：／／heasarc．gsfc．nasa．gov／docs／software／ftools／ftools＿menu．html．

［10］张海籓．软件工程导论［M］．北京：清华大学出版社，2005．

［11］师迎海，何雪慧．迭代式软件开发模型研究及应用［J］．微处理机，2015（1）：55－57．

［12］刘玉仁，董震曜．快速原型法在软件设计中的应用［J］．光电对抗与无线干扰，2002（4）：6－9．

作者：赵海升 李兵 聂建胤 宋黎明 单位：中国科学院高能物理研究所