Automatisierte Konfliktlösung bei Softwareanforderungen

In der Softwareentwicklung ist es wichtig zu verstehen, was die Software tun soll. Dieses Verständnis wird oft in Form von Systemzielen festgehalten, die das Verhalten der Software leiten. Allerdings können verschiedene Stakeholder unterschiedliche Sichtweisen auf diese Ziele haben, was zu Konflikten führt. Diese Konflikte können entstehen, wenn einige Ziele sich widersprechen oder das Erreichen eines Ziels ein anderes Ziel unmöglich macht. Dieser Artikel spricht über eine Methode zur automatischen Lösung dieser Konflikte in Softwareanforderungen.

#Das Problem der Zielkonflikte

Beim Erstellen von Software müssen Ingenieure mit Zielen umgehen, die beschreiben, wie sich die Software verhalten soll. Diese Ziele sind wichtig, weil sie darüber informieren, was die Software tun wird und wie sie auf verschiedene Situationen reagiert. Manchmal können Ziele jedoch in Konflikt geraten. Zum Beispiel könnte ein Ziel besagen, dass eine Pumpe eingeschaltet werden soll, wenn der Wasserspiegel hoch ist, während ein anderes Ziel besagt, dass die Pumpe aus sein soll, wenn ein gefährliches Gas festgestellt wird. In Situationen, in denen beide Bedingungen zutreffen, ist es unmöglich, beide Ziele gleichzeitig zu erfüllen.

Solche Konflikte können zu Problemen in der Software führen. Sie können Situationen schaffen, in denen die Software unvorhersehbar reagiert oder die Bedürfnisse der Benutzer nicht erfüllt. Um diese Probleme anzugehen, führen Ingenieure einen Prozess namens Zielkonfliktanalyse durch. Bei dieser Analyse werden die widersprüchlichen Ziele identifiziert, die Bedeutung dieser Konflikte bewertet und letztlich gelöst, damit die Software effektiv arbeiten kann.

#Zielkonfliktanalyse

Die Zielkonfliktanalyse umfasst in der Regel drei Hauptschritte:

1. Identifikation: In diesem Schritt geht es darum, Konflikte zwischen den Zielen zu erkennen. Ingenieure suchen nach Situationen, in denen es unmöglich ist, alle Ziele aufgrund widersprüchlicher Anforderungen zu erfüllen.

2. Bewertung: Nachdem die Konflikte identifiziert wurden, bewerten die Ingenieure diese hinsichtlich ihrer Wahrscheinlichkeit und Schwere. Dieser Schritt hilft dabei, zu priorisieren, welche Konflikte zuerst gelöst werden müssen.

3. Lösung: In dieser entscheidenden Phase bieten Ingenieure Lösungen für die identifizierten Konflikte an. Das kann bedeuten, die Ziele oder deren Bedingungen zu ändern, um sicherzustellen, dass die Software sie ohne Widersprüche erfüllen kann.

Obwohl es Techniken gibt, um Zielkonflikte automatisch zu identifizieren und zu bewerten, fehlt es an automatisierten Werkzeugen, die bei der effektiven Lösung dieser Konflikte helfen.

#Automatisierte Zielkonfliktlösung

Um diese Lücke zu schliessen, wurde ein neuer Ansatz entwickelt. Diese Methode nutzt Automatisierung, um nicht nur Zielkonflikte zu identifizieren und zu bewerten, sondern auch potenzielle Lösungen vorzuschlagen. Der Ansatz konzentriert sich auf Spezifikationen, die in einer formalen Logik namens Linear-Time Temporal Logic (LTL) verfasst sind. Diese Logik ermöglicht präzise Ausdrücke darüber, wie sich Ziele über die Zeit verhalten sollten.

Mithilfe fortschrittlicher Suchalgorithmen erkundet die automatisierte Methode verschiedene Änderungen an den widersprüchlichen Zielen. Ziel ist es, Lösungen zu finden, die die identifizierten Konflikte vermeiden und gleichzeitig die Konsistenz innerhalb der Spezifikationen wahren. Dafür werden Alternativen gesucht, die entweder syntaktisch (in Bezug auf Struktur und Formulierung) oder semantisch (in Bezug auf die Bedeutung) den ursprünglichen Zielen ähneln.

#Experimentelle Bewertung

Um die Effektivität dieses automatisierten Ansatzes zur Lösung von Zielkonflikten zu bewerten, wurden eine Reihe von Experimenten mit 25 verschiedenen Anforderungen aus der Literatur durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das automatisierte System erfolgreich mehrere Lösungen für Zielkonflikte generieren kann.

#Erfolg bei der Generierung von Lösungen

Die Experimente zeigten, dass das automatisierte System konstant verschiedene, konfliktfreie Lösungen produzierte. In vielen Fällen generierte es mehr Lösungen im Vergleich zu anderen traditionellen Methoden. Die Ergebnisse heben die Effektivität des neuen Ansatzes bei der Bewältigung realer Probleme in der Softwareentwicklung hervor.

#Qualität der Lösungen

Neben der Generierung von Lösungen wurde das automatisierte System auch hinsichtlich der Qualität dieser Lösungen bewertet. Eine Teilmenge der Lösungen wurde mit manuell entwickelten Lösungen aus früheren Analysen verglichen. Der automatisierte Ansatz konnte bestimmte hochwertige Lösungen replizieren und zeigte damit sein Potenzial, wertvolle Ausgaben zu liefern.

#Leistung verschiedener Algorithmen

Die Bewertung berücksichtigte auch verschiedene Suchalgorithmen, die innerhalb des Ansatzes verwendet wurden. Algorithmen wie der Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm III (NSGA-III) und ein Weight-Based Genetic Algorithm (WBGA) schnitten besser ab als andere bei der Generierung hochwertiger Lösungen. Das automatisierte System produzierte eine Liste akzeptabler Lösungen, aus der Ingenieure wählen konnten und damit Optionen bereitstellte, die den ursprünglichen Intentionen der Spezifikationen nahe kamen.

#Zielorientierte Anforderungsentwicklung

Die Arbeit basiert auf dem Gebiet der zielorientierten Anforderungsentwicklung (GORE). Dieser Ansatz organisiert und analysiert Softwareanforderungen systematisch basierend auf den definierten Zielen. Durch den Fokus auf Ziele können Ingenieure einen strukturierten Rahmen schaffen, um Software zu entwickeln, die den Benutzerbedürfnissen entspricht.

#Ziele verstehen

In GORE sind Ziele klare Aussagen darüber, was die Software erreichen soll. Sie leiten den Entwicklungsprozess und dienen als Grundlage zur Beurteilung des Verhaltens der Software. Allerdings steigen mit der Anzahl der Ziele die Chancen auf Konflikte. GORE-Methoden zielen darauf ab, eine Hierarchie von Zielen zu schaffen, in der übergeordnete Ziele zu spezifischeren Unterzielen führen, was die Verwaltung potenzieller Konflikte erleichtert.

#Formale Spezifikationen

Die Charakterisierung von Anforderungen als formal definierte Ziele ist entscheidend. Formale Spezifikationen ermöglichen eine systematische Analyse, sodass Ingenieure Inkonsistenzen und Konflikte innerhalb der Ziele erkennen können. Dieser rigorose Ansatz ist entscheidend dafür, dass die Software wie beabsichtigt funktioniert.

#Die Rolle der Linear-Time Temporal Logic

Die Linear-Time Temporal Logic (LTL) ist ein Schlüsselbestandteil der vorgeschlagenen Lösung. Mit LTL können Ingenieure das erwartete Verhalten der Software in Bezug auf die Zeit spezifizieren. Diese formale Sprache ermöglicht es ihnen, komplexe Anforderungen präzise auszudrücken.

#Grundlagen der LTL

LTL erlaubt die Verwendung von Operatoren, die definieren, wie Aussagen im Zeitverlauf gültig sind. Zum Beispiel können Aussagen formuliert werden, um zu äussern, dass bestimmte Bedingungen immer gelten müssen oder dass sie irgendwann wahr sein sollten. Diese Fähigkeit ist wichtig für Anforderungen, die von Ereignisfolgen abhängen.

#Modellzählung

Ein wichtiger Aspekt der LTL ist die Modellzählung, die sich auf die Berechnung bezieht, wie viele Modelle eine gegebene Formel erfüllen. Diese Analyse konzentriert sich häufig auf endliche Darstellungen unendlicher Verhaltensweisen und hilft dabei, die Komplexität zu managen, während sie Einblicke in mögliche Verhaltensweisen der Software bietet.

#Prozess der Zielkonfliktlösung

Der Prozess der Lösung von Zielkonflikten umfasst mehrere Phasen, einschliesslich der Identifizierung von Grenzbedingungen, die die Konflikte charakterisieren. Diese Grenzbedingungen spezifizieren die Situationen, unter denen Konflikte auftreten, und leiten Ingenieure zu effektiven Lösungen.

#Konflikte identifizieren

Während der Identifikationsphase erzeugen Ingenieure Bedingungen, die die Divergenz in den Zielen verdeutlichen. Beispielsweise kann eine Situation identifiziert werden, in der ein Ziel zu einem Widerspruch mit einem anderen führt. Das Verständnis dieser Grenzbedingungen ist entscheidend, um im Konfliktlösungsprozess voranzukommen.

#Konflikte bewerten

Sobald die Konflikte identifiziert sind, beinhaltet die Bewertungsphase die Einschätzung ihrer Wahrscheinlichkeit und Auswirkungen. Dieser Schritt hilft, zu priorisieren, welche Konflikte zuerst angegangen werden müssen, damit die Ingenieure ihre Bemühungen auf die kritischsten Probleme konzentrieren können.

#Konflikte lösen

In der Lösungsphase werden Änderungen an den Zielen oder deren Bedingungen vorgenommen. Ingenieure können entscheiden, bestimmte Ziele abzuschwächen oder sie ganz zu streichen, um sicherzustellen, dass die verbleibenden Ziele ohne Widerspruch koexistieren können. Der automatisierte Ansatz zielt darauf ab, diesen Prozess zu unterstützen, indem verschiedene Modifikationen systematisch erkundet werden.

#Praktische Beispiele

Um die Effektivität des automatisierten Prozesses zur Lösung von Zielkonflikten zu veranschaulichen, betrachten wir das Beispiel eines Pumpensteuerungssystems. In diesem System können Ziele vorschreiben, dass die Pumpe unter bestimmten Bedingungen arbeiten soll, während sie unter anderen ausgeschaltet sein soll. Wenn beide Bedingungen gleichzeitig zutreffen, treten Konflikte auf.

#Beispielszenario

Stellen wir uns ein Szenario vor, in dem der Wasserspiegel hoch ist, was die Aktivierung der Pumpe erforderlich macht, aber gleichzeitig Methangas festgestellt wird. Diese Situation stellt einen klaren Konflikt dar: Das Einschalten der Pumpe könnte aufgrund des Gases zu einer Explosion führen. In solchen Fällen arbeitet die automatisierte Methode daran, Lösungen vorzuschlagen, die Sicherheit garantieren und gleichzeitig die beabsichtigte Funktionalität der Pumpe aufrechterhalten.

#Lösungsstrategien

Das automatisierte System kann Vorschläge zur Modifizierung der widersprüchlichen Ziele machen. Eine Lösung könnte beispielsweise darin bestehen, das Ziel bezüglich des Betriebs der Pumpe zu verfeinern, um Bedingungen zu enthalten, die sicherstellen, dass die Pumpe immer abgeschaltet wird, wenn Methan erkannt wird. So bleibt die Sicherheit gewährleistet, während gleichzeitig die Notwendigkeit, den Wasserspiegel zu steuern, berücksichtigt wird.

#Fazit

Der vorgestellte automatisierte Ansatz zur Lösung von Zielkonflikten bietet einen bedeutenden Fortschritt für Softwareingenieure. Durch die systematische Identifizierung, Bewertung und Lösung von Konflikten in Softwareanforderungen kann diese Methode den Entwicklungsprozess optimieren und zuverlässigere Software schaffen.

#Zukünftige Arbeiten

Durch die Weiterentwicklung der Techniken zur automatisierten Analyse und Lösung besteht das Potenzial für noch effektivere Softwareentwicklungsprozesse. Fortgesetzte Forschung in diesem Bereich wird wahrscheinlich zu Werkzeugen führen, die die Zusammenarbeit zwischen den Stakeholdern verbessern und die Qualität der Softwaresysteme insgesamt steigern.

#Abschliessend

Die Softwareentwicklung ist von Natur aus komplex, und das Management von Zielkonflikten ist ein entscheidender Aspekt bei der Erstellung effektiver Systeme. Der Einsatz automatisierter Methoden zur Lösung dieser Konflikte kann die Belastung für Ingenieure erheblich verringern und zu besseren Ergebnissen in Softwareprojekten führen. Mit der Weiterentwicklung des Feldes werden laufende Verbesserungen sicherstellen, dass Software weiterhin den Benutzerbedürfnissen in einem zunehmend dynamischen Umfeld gerecht wird.