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1、需需 求求 工工 程程 金芝 中国科学院数学与系统科学研究院 zhijin 第七讲：问题框架方法第七讲：问题框架方法 关注和定位问题 建模元素和问题分析 基本问题框架类 问题框架关注点 总结 课程实践 关注和定位问题关注和定位问题 为什么要关注于问题？为什么要关注于问题？ 硬件和软件运行是正确的，但它们完成的 功能不是所需要的。 开发者的失败在于捕获和理解问题上，而 不是设计和实现一个解决方案上。 通过关注问题，可以识别出关键的困难， 准确理解用户的意图。 如何关注于问题如何关注于问题? ? 病人监护问题 医院的重症监护室需要一个病人监护系统。每 个病人都要有一个模拟设备来监护，这些设备 用来
2、测量诸如脉搏、体温、血压、以及皮肤阻 抗等参数。这个系统按（对每个病人特定的） 一定周期来读取这些参数，并存储到一个数据 库中。医生需指明每个病人各个参数的安全范 围。如果某参数的值超出了该病人的安全范围 ，或者模拟设备失效，则要通知护士工作站。 如何关注于问题如何关注于问题? ? 关注于问题意味着考虑如下问题？ 所有的病人都要被监护，还是其中的一部分需要被监护 ？ 是对不同的病人有不同的参数，还是所有的病人有相同 的参数？ 是医生还是其他什么人指明参数读取周期以及范围？ 模拟设备在什么情况下可能失效？这些失效能被检测到 和诊断出来吗？ 在病人被监护过程中，病人的监护需求会发生变化吗？ 如何关
3、注于问题如何关注于问题? ? 区别欲关注解决方案： 应该用什么SQL语句来写数据库？ 监护过程应该如何调度，以便每个病人都按 所需要的频度得到监护？ 系统应该有哪些对象类？ 病人列表应保留在Java向量中吗？ 如何关注于问题？如何关注于问题？ 图书馆管理问题 需要一个系统来管理一个外借图书馆。借 书的必须是会员，但在馆内阅览不需要。 图书可以预借并从有联系的图书馆那里获 得。过期要交罚款。需要各种管理报告。 如何关注于问题？如何关注于问题？ 关注于问题意味着要考虑如下问题： 是所有馆藏书都可以外借，还是有一部分只能在 馆内阅读？ 借书期限可延长吗？如果可以，延长的期限是多 少？ 会员可以预留书
4、吗？如果可以，预留多长时间？ 非会员可以预留书吗？ 会员要交费吗？会员持续多长时间？ 允许从有三卷的书中借走其中的一卷吗？ 计算机与外部世界计算机与外部世界 计算机及其 上的软件 计算机以外的 现实世界 这里是解 决方案 这里是 问题 现实世界和计 算机之间的连 接 初始问题关注点（结构化分析）初始问题关注点（结构化分析） 初始问题关注点（用例）初始问题关注点（用例） 借书 还书 续借 会员 建模元素和问题分析建模元素和问题分析 领域（标识上下文）领域（标识上下文） 机器领域：我们所要构建 的 设计领域：设计出来作为 信息的物理表示的 给定领域：物理领域，其 特性是不能改变的 现象（共享现象）
5、现象（共享现象） 两个领域之间的接口 所连接的两个领域共同参与和共 享 现象的种类： 事件：比如，机器和护士工作站共 享“监护报警通知”事件 状态：比如，机器和模拟设备共享 病人皮肤阻抗的状态 取值：比如，机器和模拟设备共享 要监测的病人的相关数据取值 上下文图：问题在何处上下文图：问题在何处 领域 机器领域 外部环境 给定领域 设计领域 接口（共享现象 ） 事件 状态 取值 领域领域 领域领域 共享共享 现象现象 上下文图（病人监护问题）上下文图（病人监护问题） 问题分析问题分析 需求（需求现象） 客户希望在问题领域 中为真的事情 问题领域中将成立的 关系 问题领域将展现的行 为 希求式的陈
6、述 领域特性 每个问题领域中要关 注的特性 关于领域的客观事实 陈述式的描述 机器需求 机器与问题领域接口 上的期望行为 上下文图显示了机器将处于的外部世界（问题领 域）的各个部分，但没有显示要解决的问题 领域特性是客户需求和机器需求之间的桥梁 需求引用和需求约束需求引用和需求约束 需求引用和需求约束都是关于问题领域的 所以它们都只连接到问题领域 需求引用 该需求涉及到所连接领域的特定现象 需求约束 该需求不仅涉及到所连接领域的特定现象， 而且还规定了这些现象之间的希望满足的关系 ，和/或所连接领域的行为 问题图：问题是什么问题图：问题是什么 在上下文图的基础上，进 一步显示： 现象的进一步细
7、化 需求 需求引用和/或需求约束 需求陈述需求陈述 引用的现象引用的现象 约束的现象约束的现象 控制现象的领域！具体现象的集合控制现象的领域！具体现象的集合 问题图（病人监护问题）问题图（病人监护问题） 问题和子问题问题和子问题 分解：控制问题复杂性的关键，常用 自顶向下的功能分解 用例分解 如何判定好的分解？如何判定分解后的不 分解前的要容易解决？如何保证分解后的 部分正好可以并起来解决原有问题？ 问题结构化问题结构化 子问题是完整的，有自己的问题图，自己的机器， 自己的问题领域，自己的需求 子问题之间是并行结构，而不是层次结构 子问题之间的交互具有并发性，是带有共享变量的 多个问题领域机器
8、的并发执行引起的 识别出问题识别出问题 中的子问题中的子问题 是投影是投影? ?还是划分 还是划分? ? 家庭供暖控制家庭供暖控制 一个家庭供暖系统使用热水散热器，每个房间有一个温 度感应器，一个温度控制按钮，一个红外线房间占用感 应器，一个或多个散热器，以及一个开关计算机控制的 散热器阀门。水由一个燃油炉加热，让流过阀门的油吹 进燃烧区并点燃，燃油炉有一个火焰感应器，一个燃料 流感应器，一个喷射马达速度感应器，和一个水温感应 器。一个水泵使水在这个系统中循环。 有一个控制面板，通过它可以命令控制器打开还是关上 取暖炉； 这个面板上还提供一个显示，指明系统的状态和任何的 故障。 计算机必须控制
9、系统的行为，来使房间的温度保持在控 制按钮所设置的温度。从经济方面考虑，没有人住的房 间应该比按钮设置的温度低5度，系统可以使用来自房间 占用感应器的信息来判断房间的使用情况。 基本问题框架类基本问题框架类 基本问题类和问题框架基本问题类和问题框架 问题类： 软件开发问题可能完全不同 但可能有相同或者相似的子问题 问题框架： 可重复出现的问题模式 可根据上下文以及领域特征、接口特征和需求 特征来定义 以现象的分类为基础 划分基本问题类的意义： 不同的问题类有不同的需求分析关注点 领域特征领域特征 因果领域（causal domain）：在它与外界 共享的因果现象之间存在可预测的因果关 系。 顺
10、从的领域（可叫牌领域）（biddable domain）：通常由人组成，其重要特征是 它是物理的，但却没有明确的可预测的内 部因果性。 词法领域（lexicon domain）：是数据的 物理表示，即符号现象。 现象的表示和建模现象的表示和建模 个体：可以命名并区别于其它个体 事件。某个特定时间点上发生或出现的个体， 时间点是不可分并且瞬时的：事件没有中间结 构，它的发生也不化时间。 实体。是一直存在的个体，它可以在不同时间 点有不同的特性和状态。一些实体可以启动事 件；一些实体的状态可能会自发地变化；一些 实体可能是被动的由其它实体改变。 值。一个无形的实体，它存在于时间和空间之 外，是不会
11、改变的。 现象的表示现象的表示 关系：一组个体间的关联 状态。实体和值之间的一个关系；它可以随时 间而变化。 真值。不能随时间发生变化的个体间的关系。 角色。一个事件和用一种特殊的方式参与这个 事件的个体之间的关系。 现象的类型现象的类型 因果现象： 包括事件、或是角色、或是状态关系实体。 它们是直接由一些领域引起的或控制的，并且 它们能够反过来引发其它现象。 符号现象： 包括值、真值以及只与值相关的状态。 它们被用来符号化其它现象及其它们之间的关 系。 需求式行为框架需求式行为框架 存在物理世界的某个部分，它的行为要 被控制，以使得它满足确定的条件。 问题是要构建一个机器，这个机器将施 加所
12、需要的控制。 需求式行为框架例需求式行为框架例 命令式行为框架命令式行为框架 存在物理世界的某个部分，其行为要 按照一个操作者发出的命令来控制。 问题是构建一个机器，它将接受操作 者的命令并相应地施加控制。 命令式行为框架例命令式行为框架例 水闸门控制 一个小水库有一个升降水闸，需要一个计算机系统来控制这个水闸。每三个 小时有十分钟这个水闸要处于全开的位置，其余时间让它处于全关的位置。 这个水闸用一个垂直转轮来打开和关上，这个转轮由一个小马达来驱动，它 可以用顺时针、逆时针、开、关四种脉冲来控制，水闸的顶端和底端各有一 个感应器；水闸处于顶端为全开，处于底端为全关。与计算机的连接由四根 用于控
13、制马达的脉冲线和两根连接感应器的状态线组成。 信息显示框架信息显示框架 存在物理世界的某个部分，连续地需要关 于它的状态和行为的确定信息。 问题是构建一个机器，这个机器将从物理 世界中获得这些信息，并按所要求的格式 呈现在所要求的地方。 信息显示框架例信息显示框架例 里程表显示 需要一个芯片计算机来控制汽车中的速度计和里程计。它们的 显示形式如下图所示： 36.5km/h 50436.9km 车的后轮在旋转时产生脉冲，计算机能够检测到这些脉冲，并用它们来 确定在仪表盘计数器上显示出来的当前速度和总行驶公里数。这个计数 器的基本寄存器由计算机和显示器共享。 简单工件框架简单工件框架 需要一个工具
14、，让用户创建并编辑确定种 类的计算机可处理的正文或图形对象或简 单结构，以便它们以后能被拷贝、打印、 分析或按其它方式使用。 问题是构建一个机器来充当这个工具。 简单工件框架例简单工件框架例 晚会计划编辑器 Lucy和John需要一个系统来保存他们组织的许多次晚会以及他们邀请来 参加晚会的许多客人的情况，他们想要一个简单编辑器来维护这些 称之为晚会计划的信息。本质上说，这个晚会计划只是一个晚会列表，一 个客人的表，以及一个关于每场晚会都邀请了哪些客人的注释。这个编辑 器将用非常古老的DOS或Unix风格来接收命令行文本输入。 变换框架变换框架 存在一些计算机可读的输入文件，必须按 照确定的规则
15、将它转换成确定格式的输出 文件。 问题是构建一个机器，它将接收输入并产 生所需要的输出。 变换框架例变换框架例 邮件文件分析 Fred决定要写一个分析邮件某些模式的程序。他感兴趣的是每个星期收到 和发送的邮件的平均数量，平均和最大的邮件的长度，等之类的事情。他 想要如下样子的报表： NameDays#in Max.LthAvg.Lth #OutMax.Lth Avg.Lth Albert12419 52136602717219412123 Anna9231 13249173637347632918 . 基本问题框架变体基本问题框架变体 描述变体： 引入描述领域来描述某部分需求或某方面需求，或者描述可能出 现在问题上下文中的某个其它领域。 在任何基本框架问题中都可以引入描述领域。 比如，在需求式行为框架中引入的描述领域，可以用于显式地表 示出受控制的领域的需求式行为，如果需求式行为发生变化，可 以更换这个描述领域，控制领域则每词根据描述领域中给出的行 为描述来施加控制。 比如，在变换问题
