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东北大学硕士学位论文摘要 基于c m m 的软件过程度量的研究与实践 摘要 随着经济全球化的发展，越来越多的软件组织发现竞争越柬越激烈。因此， 需要寻找到一个提高产品质量，增加竞争力的办法。于是，丌始采用了种曲 爱德华戴明提出的管理方法，这种方法在有竞争力的日本工业界已经被很成 功的使用。戴明的方法，受到休哈理论的影响很大。它是关于过程管理和过程 提高的理论，可以被捕述为“p l a n ，d o ，c h e c k ，a c t i o n ”即p d c a 过程。 本论文使用统计过程控制和控制图表的方法来度量和分析软件过程。这种 方法的重点是使用统计过程控制去度量和分析软件产品和过程的特性，获取有 价值的信息，识别过程中存在的问题。另外，通过它们可以更好的了解软件过 程中必须执行的活动，以便这些活动可以被管理、预测、控制和提高，达到商 业目的和技术要求。 本论文的核心部分为过程控制和提高一节。在论文结尾部分，列举了一个 应用的案例，可以帮助加深理解基于c m m 的软件过程度量在实际工作中的应用 意义。 关键词过程度量统计过程控制c m m 查苎垄兰塑主堂堡堕圭 垒! ! ! ! 竺! r e s e a r c ha n df u l f i l l m e n to fs o f t w a r ep r o c e s sb a s e do nc m m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw o r l d w i d ee c o n o m y ，m o r ea n dm o r eo r g a n i z a t i o n s i nt h es o f t w a r ei n d u s t r yh a v ef o u n dt h a tt h e ya r ei nt h es t r o n gc o m p e t i t i o n s o ， t h e ya r ef i n d i n gi tn e c e s s a r yt of i n da b e t t e rw a yt oc o m p e t ea n dp r o d u c e q u a l i t y p r o d u c t sd u et oc o m p e t i t i o n t h e yb e g a nt oa d o p tt h ea p p r o a c ha d v o c a t e db y w e d w a r d sd e m i n ga n ds u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e d b ym a n yc o m p e t i t i v ei n d u s t r i e s i nj a p a n d e m i n g sa p p r o a c hd e a l sw i t ht h en o t i o n so f p r o c e s sm a n a g e m e n ta n d c o n t i n u a l i m p r o v e m e n t ，w h i c hg r e a t l y i n f l u e n c e d b y t h ew o r ko fw a l t e r a s h e w h a r t ，a n di sc h a r a c t e r i z e da s “p l a n ，d o ，c h e c k ，a c t “( p d c a ) t h i sp a p e ri sa b o u tu s i n gs t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l ( s p c ) a n dc o n t r o lc h a r t st o m e a s u r ea n d a n a l y z e s o f t w a r e p r o c e s s e s t h ef o c u s ，t h e n ，i s o nh o w c h a r a c t e r i s t i c so fs o f t w a r ep r o d u c t sa n dp r o c e s s e sc a nb em e a s u r e da n da n a l y z e d u s i n gs t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o ls ot h a tt h ea c q u i s i t i o no fq u a n t i t a t i v ei n f o r m a t i o n a n dt h eu s eo fs t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o lm e t h o d st oh e l py o ut or e l i a b l yi d e n t i f y t h ep r o b l e m s p r e s e n ti nt h ep r o c e s s e sy o uo p e r a t e i na d d i t i o n ，w eh a v es t r i v e n t o p r o v i d et h ei n f o r m a t i o n ，i d e a s ，a n dm e t h o d st h a t a r es u f f i c i e n tf o ry o ut o g e t s t a r t e du s i n gs t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o lt ob e t t e ru n d e r s t a n dt h eb e h a v i o ro fy o u r s o f t w a r ep r o c e s s e s ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fa c t i v i t i e st h a tp r o d u c et h ep r o d u c t s c a nb em a n a g e d ，p r e d i c t e d ，c o n t r o l l e d ，a n di m p r o v e dt oa c h i e v eb u s i n e s sa n d t e c h n i c a lg o a l s p r o c e s sc o n t r o la n di m p r o v e m e n ti st h ec e n t e rc h a p t e ri nt h ep a p e r i nt h ee n d o ft h i sa r t i c l e ，i tg i v e sap r a c t i c a le x a m p l eo fh o wt ou s et h es t a t i s t i c a lp r o c e s s c o n t r o lm e t h o d s ，w h i c hm a k eu s d e e p l y u n d e r s t a n db e n e f i tf r o mc m m s a p p l i c a t i o ni np r o c e s sc o n t r o lm e t h o d s k e y w o r d s p r o c e s sm e a s u r e m e n t ，s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l ，c m m u i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包括其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同1 ：作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 本人签名：岳书墩 | _ _ 1 期：q 姚i ，易 东北大学硕士学位论文 第一章概述 1 1c m m 产生背景 第一章概述弟一旱僦怂 c m m j i “( c a p a b i l i t y m a t u r i t y m o d e l ，能力成熟度模型) 是由美国卡内基 一梅隆大学软件工程研究所推出的评估软件能力与成熟度的一套标准。该标准 基于众多软件专家的实践经验，侧重于软件开发过程的管理【3 1 及工程能力的提 高弓评估，是国际上流行的软件生产过程标准和软件企业成熟度等级认证标 准。 早在2 0 世纪6 0 年代中期，人们就发现软件的生产出现了“问题”，主要表 现在生产过程不规范，缺乏管理。后来，人们在软件工程方法学中引入了工程 的概念、原理、技术和方法，这种思想在一定程度上解决了软件生产过程中遇 到的问题。但是直至8 0 年代还是没有提出一套管理软件开发的通用原则，软 件管理不善的问题依旧在大范围内存在。 为了保证软件产品的质量，8 0 年代中期，美国联邦政府提出对软件承包商 的软件开发能力进行评估的要求。在m i t r e 公司的帮助下，1 9 8 7 年9 月，美国 卡内基梅隆大学软件工程研究所( c m u s e i ) 发布了软件过程成熟度框架，并 提供了软件过程评估和软件能力评价两种评估方法和软件成熟度提问单。4 年 之后，s e i 将软件过程成熟度框架进化为软件能力成熟度模型。1 9 9 1 年8 月， s e l 发布了最早的s w - c m mv 1 0 1 4 5 ( s o f t w a r e c m m ) 。经过两年的试用，1 9 9 3 年s e i 正式发布了s w c m mv 1 1 ，这是目前使用最为广泛的版本。软件能力 成熟度模型基于众多软件专家的实践经验，是组织进行软件过程改善和软件过 程评估的一个有效的指导框架。 1 2c m m 的管理思想 s w - c m m 不仅是一个模型，一个工具，它更代表了一种管理哲学在软件 东北大学硕士学位论文第一章概述 工业中的应用。s w c m m 的管理思想来源于已有6 0 多年历史的产品质量管 理。1 9 3 0 年，w a l t e rs h e w a r d 率先提出了一整套基于统计学原理的质量控制 方法，这些方法后来经过w e w a r d sd e m i n g 和j o s e p hj u r a n 的发展和实践得到 了广泛的应用。p h i l i pc r o s b y 在质量是免费的一书中率先提出将质量管理 形成成熟度框架的概念，“质量管理成熟度坐标图表”描述了进行质管实践的 5 个阶段，表达了质量管理的全部运作。 d e m i n g 、j u r a n 以及c r o s b y 等人的做法后来被称为全面质量管理( t q m ) 理论。在i b m 公司，w a t t s h u m p h r e y 和r o n r a d i c e 将这种全面质量管理的思 想应用于软件工程过程，收到了很大的成效。s e i 的软件能力成熟度框架就是 在以h u m p h r e y 为主的软件专家实践经验的基础上发展而来的。软件能力成熟 度框架中融合了全面质量管理的思想，以初始级、可重复级、己定义级、管理 级和优化级等5 个不断进化的、逐渐成熟的层次反映了软件过程定量控制中项 目管理和项目工程的基本原则。s w - c m m 所依据的想法是不断地对软件企业 的软件工程过程的基础结构和实践进行管理和改进，即从第一阶段到第五阶段 的软件开发生产的计划精度越来越高，每单位工程的生产周期越来越短，每单 位工程的成本越来越低。 1 3s w - c m m 的应用 为适应国际化发展，东软股份把s w - c m m 作为软件过程改善的指导框架， 并把s w - c m m 主要应用在两大方面：能力评估和过程改善。 1 3 1 能力评估 s w - c m m 是基于政府评估软件承包商的软件能力发展而来的，有两种通 用的评估方法用以评估组织软件过程的成熟度：软件过程评估和软件能力评 价。 ( 1 ) 软件过程评估：用于确定个组织当前的软件工程过程状态及组织所 面i 临的软件过程的优先改善问题，为组织领导层提供报告以获得组织对软件 东北大学硕士学位论文第一章概迷 过程改善的支持。软件过程评估集中关注组织自身的软件过程，在一种合作 的、开放的环境中进行。评估的成功取决于管理者和专业人员对组织软件过程 改善的支持。c b a ，1 p i 是一种软件过程评估方法，东软股份聘请s e i 主任评估 师根据c b a i p i 方法先后两次对组织的软件过程进行了正式评估，并通过了 c m m3 评估。 ( 2 ) 软件能力评价：用于识别合格的软件承包商或者监控软件承包商开发 软件的过程状态。软件能力评价集中关注识别在预算和进度要求范围内完成制 造出高质量的软件产品的软件合同及相关风险。评价在一种审核的环境中 进行，重点在于揭示组织实际执行软件过程的文档化的审核记录。s c e 是s e i 丌发的一种基于c m m 面向软件能力评价的方法。 1 3 2 过程改善 软件过程改善是一个持续的、全员参与的过程。s w - c m m 建立了一组有 效地描述成熟软件组织特征的准则。该准则清晰地描述了软件过程的关键元 素，并包括软件工程和管理方面的优秀实践。东软股份目前有选择地引用这些 关键实践指导软件过程的开发和维护，以不断地改善组织软件过程，实现成本、 进度、功能和产品质量等目标。 1 。4 意义 软件质量，在很大程度上取决于软件开发和生产过程的质量，特别是软件 开发和生产能力的成熟度。软件过程是一个可管理、可度量并不断改进的过程， 过程能力越是成熟，企业的软件生产能力和质量控制能力就越有保证。c m m 这 套软件能力成熟度模型，自问世以来就一直备受关注，成为衡量软件公司软件 开发管理水平的重要参考。 经验表明，与国际市场接轨，制造国际化的产品是中国软件产业发展的关 键要素。中国软件企业进入国际市场的第一个必备条件就是质量，而企业的质 量水平必须通过国际独立机构根据世界标准的认证。c m m 是目前世界公认的软 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章概述 什产品进入国际市场的通行证，它不仅仅是对产品质量的认证，更是一种软件 过程改善的途径。c m m 的实施与认证，可提高中国软件行业的企业形象。同时， c m m 理论与实践充实和完善了i s 0 9 0 0 0 ”3 质量体系，对企业管理水平、人员的 素质、企业产品与服务质量及质量保证能力都得到前所未有的提高。 1 5 论文结构 本论文主要研究c m m 4 级的软件过程度量的方法和规则，主要包括如下的 几个方面的内容： 第一章概要的介绍了c m m 产生背景和应用价值。 第二章描述了软件过程度量的基本架构，包括度量计划、数据收集、过程 控制和过程提高等。 第三章详细介绍了度量计划的任务、目的及其应遵循的规则。 第四章讲述了收集数据应遵守的规范。 第五章也是本论文的核心内容。具体介绍了过程控制和过程提高的原理、 分析方法和判断规则，并提出了应用质量管理常用的统计控制的方法，来计算 和判断软件过程。只有了解本章内容，才能真正做到过程的改善和提高。 第六章描述了系统的体系结构，并列举了过程控制的案例。 最后，是对c m m 的展望。 4 东北大学硕士学位论文第二章软件过程度量的基本架构 第二章软件过程度量的基本架构 在软件项目实施过程中，为满足客户对产品和服务的需求、保证项目计翔 的准确、解决遇到的问题，必须进行软件过程管理。 2 1 基本概念 ( 1 ) 什么是过程? “过程”是指为了实现某一目标而采取的一系列步骤，即人们按照指定 的工作程序和方法，使用一定的设施将原始材料( 输入) 转换成客户需要的 产品( 输出) 的经过。应该指出，对过程的描述( 程序) 并不是过程，只有 过程描述中指定的活动和方法被实施，才能准确地说是一个过程。 ( 2 ) 什么是软件过程? “软件过程”是指为了开发和维护软件及其相关产品所采取的一系列活 动，其中软件的相关产品包括项目计划、设计文档、源代码、测试用例和用户 手册。软件产品的质量主要取决于产品开发和维护的软件过程的质量。 ( 3 ) 什么是软件过程管理? 管理包括_ 丌发、维护和所支持的软件产品及软件系统的工作过程。 2 2 内容 软件过程管理包括四大部分：定义过程、度量过程、控制过程、提高过程。 它们之间的关系如图2 1 所示。其最终过程的提高，涉及到过程的度量和分析。 5 一 东北大学硕士学位论文 第二章软件过程度量的基本架构 图2 1 过程管理 f i g2 1 p r o c e s sm a n a g e m e n t 过程度量根据商家目的不同，可进行如表2 1 所示的调整 3 1 0 表2 1 过程凋整 t a b l e21p r o c e s s a d j u s t 商业目的项目题目过程题目可度量的产品和过程属性 增加功能产品成长产品一致需求量 产品稳定性产品尺寸 产品复杂性 变化率 降低成本预算效率产品尺寸 花销率生产率产品复杂性 重复劳动劳动 变化率 需求稳定性 缩短周期日_ j 间表提高生产速度失去的时间和产品特性标准化 提高产品质量产品性能预测性已介绍的缺点数量 产l 品校正问题确认确定监测的有效性 产品可靠性根本原因失败时间 6 一 东北大学硕士学位论文第二章软件过程度量的基本架构 2 3 软件过程度量的基本框架 2 3 1 基本原理 采用p d c a 6 t 循环的方法，它的英文是p l a n 、d o 、c h e c k 、a c t i o n 。p l a n 是计划，d o 是执行，c h e c k 是检查，a c t i o n 是处理。这是解决问题的四个步 骤，如图22 所示。p 是计划阶段，分析问题所在，找出主攻目标，订出行动 计划；d 是执行阶段，组织力量，进行工作；c 是检查阶段，分析检验执行的 结果，收集整理数据；a 是处理阶段，对试验条件和执行结果进行全面的综合 分析；最后对本计划作出有科学分析的判断，这样就完成了一个p d c a 过程。 如果还存在部分问题或问题没解决，就要计划下一个p d c a 过程。如此一个 循环的不断前进，问题也就不断地一步一步得到解决。 解决问题过程 2 3 2 基本架构 图2 2p d c a 循环 f i g2 2 p d c a c y c l e 本论文关于软件过程度量活动所采用的基本架构如图2 3 所示”。首先是 计划阶段，包括识别问题和定义度量；然后是执行阶段，根据所定的计划丌始 一7 9 一q 东北大学硕士学位论文 第= 章软件过程度量的基本架构 收集和保留数据 是提高过程。 依据此流程 些常用的方法。 p d c a 第三步是通过分析收集到的数据，识别过程是否稳定；最后 从第3 章，1 ：始，详细讲述软件过程度量中应遵守的规则和一 幽23 软件过程度量的基本架构 f i g23 t h eb a s i cf r a m e w o r ko f m e a s u r e m e n to fs o f l w a r ep r o c e s s 厂、，1e 东北大学硕士学位论文第三章度量计划 第三章度量计划 度量软件过程始于度量计划。度量计划制定的f 确与否，直接影响到软件 产品的质量。度量计划的执行一般包括三个阶段：识别过程管理问题、定义相 应产品的过程度量、把度量活动与组织的软件过程相结合起来。度量计划的执 行阶段如图31 所示。 图3 1 度量计划的二个执行阶段 f i g 3 1 t h et h r e ep r i n c i p a la c t i v i t i e so f m e a s u r e m e n tp l a n n i n g 3 1 识别过程问题 这里的问题并不一定是难题，而是对整个过程和流程来说必须引起注意的 关键域。 3 1 1 步骤 ( 1 ) 阐明商业目的 必须了解商业目的与软件过程的关系。大多数情况下，商业目的一般与软 件过程中的成本、质量和周期有关。 ( 2 ) 识别关键过程 指在过去已经出现过问题的过程。包括此过程的输入和输出。 9 一 东北大学硕士学位论文 第三章度量计划 ( 3 ) 列出每个关键过程的目标 根据过程的特性列出目标，可以帮助识别潜在的问题域。 ( 4 ) 过程的潜在的问题域 需要详细的了解过程及它们之间的关系。可以使用过程流程图表。 ( 5 ) 将已列出的潜在问题归类。 3 1 2 常见的过程问题 所有的过程问题都有如下的特点： ( 1 ) 产品质量 包括产品的规格、公差、极限、缺陷。 ( 2 ) 过程持续性 从过程丌始到产品交付用户或下一过程为止的时间。可认为是过程的属性 问题。可以通过使用好的工具、高技术、合理的使用时间、减少不必要的步骤 和良好的培训来提高它。 ( 3 ) 产品交付 是一个过程事件，包括时间基准和产品的质量。与过程持续性有关。 ( 4 ) 过程成本 指执行和支持本过程所需要的成本。 3 2 选择和定义度量 度量计划执行的第二个阶段，是选择和定义度量，它们是两个不同的但关 系密切的活动。合理的运用，可以控制和提高过程。 32 1 过程特征值 选择过程特征值度量，不但可以判断过程的现在的状态，也可以预测未来。 它们包括：过程中的实体，如表3 i 所示【3 】，和实体的属性，如表3 2 所示吐 1 0 东北大学硕士学位论文 第三章度量计划 表3 1 软件过程中的实体 t a b l e3 1m e a s u r a b l ee n t i t i e si nas o f t w a r e p r o c e s s 已获得或使用的部分 来自其他过程的思想、原理、资源的产品币f 幅u 产品 资源 人员、设备、j ：具、原材料、能量、钱、时间 指导 政策、程序、目标、约束、规则、法律、制度、培训和指令 活动 过程和控制者 需求分析、设计、编码、测试、配置控制、变化控制、问题管 理、重复、检查、集成 流程 产品流程、资源流程、数据流程、控制流程 缓冲区 队列、栈、二进制 消耗资源劳动、原材料、能量、钱、时问 储备人员、设备、工具、材料、_ l 作、数据、知识、经历 产品产品 需求、规格、设计、单位、模块、测试用例、测试结果、已测 试组件、记录文献、缺点、缺点报告、数据、形成的剌利、其 他的历史资料 副产品 知识、经历、技能、过程提高、数据、希望、用户满意度 东北大学硕士学位论文 第三章度量计蜘 表3 2 实体的属性 t a b l e3 2m e a s u r a b l ea t t r i b u t e so fs o f t w a r ep r o c e s se n t i t i e s 已获得或使用的部分 变化 类型、日期、尺寸、己获得的变化数 需求 需求稳定性、已认定需求、己跟踪的设计需 求、已跟踪的编码需求 问题报告 类型、日期、尺寸、来源、严重性、 己获得的问题报告 资金 钱、预算、状态 人员 经历、教育群度、特挺、 设备和环境 平方米侵工、噪音水平、光线、r 作人员设 备和环境立方、雇员用具投资、计算机使用 时间、设备和环境利用 活动 流程 进行时间、通过速度、转移、延迟、 长度和尺寸 队、缓冲、栈 消耗 劳动 开发时间、再工作时间、支持时间、准备时 间 时问 准备时间、开始时间、结束时间、持续时间、 等待时间 钱 日成本、变化成本、重复工作成本 产品 单元状态 已设计单元状态、己编码单元状态、已测试 单元状态 单元尺寸 需求、功能点、代码行、模块、剥象、在 数据库中的二进制字节数 输出量 活动项、批准、已发现的缺点 测试结果 己通过的测试、测试覆盖率 程序结构 f a n i n 、f a n o u t 类型、日期、尺寸、劳动消耗 1 2 东北大学硕士学位论文第三章度量计蜘 表3 1 列出了在过程中常见的实体类型。包括来自其他过程的实体、本过 程的活动、已消耗的、已保存的实体和过程产品等五类。 表3 2 列出了软件过程实体的可度量的属性。 依此为参照对过程进行度量，可以提高过程性能。 3 2 2 过程特征值选择的标准 ( 1 ) 流通性 用于定义度量和描述度量值的方法允许他人可以精确的知道度量了什么及 产生的结果。即让每个使用数据的用户知道数据是如何收集的，并如何正确的 解释产生的结果。 ( 2 ) 重复性 可重复度量并得到相同的结果。 ( 3 ) 跟踪性 根据时问、资源、活动、产品、状态、度量和收集数据的方法可以识别数 据源。 跟踪性需求对评估和提高过程特性尤其重要。可以识别引起过程不稳定的 特定因素。 3 3 集成软件过程 度量计划的第三个阶段是把度量活动与组织的软件过程相结合起来。主要 包括以下三个步骤： ( 1 ) 分析 为下步建立基准，了解本组织采用的度量和如何使用它。 ( 2 ) 判断 评估数据源及如何让它们满足你的度量需求。 ( 3 ) 执行 把经过分析和判断的计划转变为执行活动。具体的流程如下所示： 一1 3 东北大学硕士学位论文 第三章度量计蜘 定义数据元。 定义用于度量和记录数据元的参考。 定义采集频率和度量点。 定义度量通讯时间表。 建立表格、记录数据。 定义数据存储访问、设计数据库及进入访问的权限。 定义数据分析报告的方式。 准备收集数据的过程指南。 1 4 东北大学硕士学位论文第四章数据收集 4 1 任务 第四章数据收集 度量的执, 7 瑚7 7 动始于收集数据。 定义的软件过程完整的结合在一起。 ( 1 ) 设计支持数据收集和保存的方法。 ( 2 ) 培训执行数据收集任务的人员。 ( 3 ) 记录每个过程的度量数据。 为收集和保存所定义的过程数据，必须与 主要任务如下： ( 4 ) 运用己定义的形式把收集到的数据提供给分析小组。 ( 5 ) 监控执行情况。 4 2 规则 一旦定义完计划开始执行时，就应准备开始收集数据了。首先，应该文档 化你的执行程序，然后着重分析有关涉及过程稳定性方面的问题。 4 - 2 1 文档 ( 1 ) 识别个人和组织的责任。 ( 2 ) 指定何时何地如何度量。 ( 3 ) 定义记录付匣告的程序。 ( 4 ) 提供标准的记录数据的填空补缺形式。 4 2 2 分析 一般从以下四方面分析过程能力 15 。 东北大学硕士学位论文 第四章数据收集 ( 1 ) 考察时问序列 在一个过程中，观察值出现的次序，包含了评价过程变化的关键信息。 ( 2 ) 根据相关信息，分析控制图表中的数据。 ( 3 ) 确定数据值的波动范围。 ( 4 ) 度量的稳定性。 当开始新的度量或改变旧的度量时，数据收集的过程也将被相应的调整。 这可能导致不稳定的度量过程，应该重新测试和评估数据收集过程。 4 3 检查与评估 在分析度量数据之前，必须检查和评估它。应遵守以下四项基本规则：真 实性、同步性、一致性、有效性”“。 ( 1 ) 真实性 为确保收集的数据正确，要遵守以下规则： 数据元类型正确。 数据元格式正确。 数据元的有效范围。 数据完整性。 算术的正确性。 ( 2 ) 同步性 多个相关属性的值产生的时间是同步的。 ( 3 ) 一致性 相同类型的记录值，定义是一样的。 ( 4 ) 有效性 记录值真实的描述了要度量的属性。要做到，必须正确的定义度量。 4 4 保存数据 包括建立、使用一个或多个数据库去组织和存储数据。这取决于度量活动 1 6 东北大学硕士学位论文第四章数据收集 的性质，也许是一个简单的任务，也许是一个复杂的、有技巧性要求的任务。 不论那种情况，对数据存储系统都应该给以周密的考虑。 4 5 基本工具 为简单、直观的判断和分析所收集到的数据，采用质量管理常用的数据分 析的图表方法，包括：【6 j ( 1 ) 散布图( s c a t t e r - d i a g r a m sc h a r t s ) 显示两个过程特性的关系，表示两个变量之间的关系。 将两类有相关关系的数据收集排列，并在座标图上用“点子”把每组对应 的数据标出，进而可通过点子的分布特点判断每组数据所表现出的相关关系。 ( 2 ) 运行图( r u nc h a r t s ) 时间或序列的离散图，表达过程变化的趋势。 ( 3 ) 因果图( c a u s ea n d e f f e c td i a g r a m s ) 对所获得的结果，追查它的原因，然后从原因中再查找原因，依次类推， 步步深入，根据箭头表示方向指出的因果关系来判断问题。 一般在进行问题分析时，把排列图法和因果分析法结合起来，先采用排列 图，待找出影响产品质量的主要原因后，再使用因果分析法进一步具体分析， 效果更好。 ( 4 ) 直方图( h i s t o g r a m s ) 表示事件的发生频率和中心趋势。 正常形状的直方图呈左右列称，中间高、两端低的形状。在直方图上找出 标准值，然后将直方图上尺寸分布范围与其相比较，即可观察和分析出产品或 过程是否处于正常状态。分析工序能力，研究生产的技术问题和经济效益，即 可解决产品生产加工中一系列质量问题。 直方图在标准值界限范围内的位箭，大致有以下几种情况： 度量过程尺寸分布一侧超出标准界限，造成过程不稳定，应采取措施改进。 度量过程尺寸分布正好和标准界限重合，两侧均无余量。如果过程稍有变化， 就不稳定，应采取措施缩小度量过程尺寸范围。 1 7 东北大学硕士学位论文第四章数据收集 度量过程尺寸范围的宽度小于标准界限的宽度，而且尺寸的平均值正好与标 准中心重合，实际尺寸的分布的两侧还有余地。这种直方图最为理想。 度量过程尺、r 范围的宽度大大小于标准界限的范围，余量过大，造成浪费， 应改变过程，降低精度，以减少成本消耗。 度量过程尺寸范围偏向标准线一侧，如过程稍有变化，直方图就可能超出标 准界限。对这种情况需加以研究，把直方图移到中间来，消除偏离中心的原因。 过程分布太宽，在标准的两侧都出现了不稳定。需要改善过程，减少分布 的偏差范围，或者放宽标准范围。 ( 5 ) 栅栏图( b a rc h a r t s ) 同直方图，但不必是连续量。表示某一数据域的形状，可以是数和频率( 总 尺寸，成本，失去时间) 。 ( 6 ) 帕雷托图( p a r e t oc h a r t s ) 一种主次因素的排列图，作为选择关键问题的有效工具，显示为频率值。 它是全面质量管理的基本方法。排列图法是将各种各样的管理对象或管理项 目，按其在工程中或生产中的重要程度进行分组，对那些比较重要的分组内容 予以重视，并采取相应的措施，而可以忽略或简易处理那些不太重要的内容。 这样做，是要以最小的耗费取得最大的效果，从而能节约管理的劳力和经费， 提高管理的效果。 1 8 东北大学硕士学位论文第五章过程分析 第五章过程分析 过程分析包括过程控制和过程提高。采用基于统计控制的方法，来分析收集 到的数据，从而控制过程，使之得到改善和提高。这也是本论文的核心内容。 5 1 原理 基于数理统计理论的分析方法，是一一种从局部观察通过推理和引算去研究 整体的方法。它通过一定的设计来收集数据和进行整理分析，使得归纳推断所 产生的不确定性得到度量和控制。例如反映随机变量集中趋势的数学期望；反 映随机变量的离散程度的标准差和方差。它们的值的性质在一定程度上客观的 反映了母体的情况，从而可以对整体进行推断。应用到软件过程度量中，可以 提高产品的质量及过程的控制能力。 5 2 过程数据 过程数据是进行定量分析的基础。通过对数据的收集、整理、分析和利用 可以发现和解决过程中存在的、影响过程稳定性的问题。 5 2 1 组成 变化存在于所有所收集的数据中，因此，我们把所收集的数据又称为随机 变量，它是由随机误差和信号量组成的。其中，随机误差又分为一般变化引起 的误差和特殊变化引起的误差。 ( 1 ) 一般变化 指过程组件，包括人、机器、材料、环境、方法间的正常的相互作用的变 化，是一个稳定的持续的度量值。i u 预测的，几乎不能控制，也是不可避免的。 但它影响小，所以当仅有一般变化时认为过程处于被控制状态。 1 9 一 东北大学硕士学位论文第五章过程分析 ( 2 ) 特殊变化 又称系统变化，代表一个或多个组件的突然的、持续的非正常的变化。 它对过程的改变是巨大的，但容易识别，只要查明原因即可消除。当所有 的特定变化在未来的过程中被排除掉，这个过程便是一个稳定的、可预测的过 程。 52 2 数据分析 所收集的数据通常作为活动的基础。无论此数据是什么、值怎样，必须使 用分析的方法去抽象和解释数据代表的信息。如图5 1 所示。 输入转变 输出 图5 1数据分析过程 f i g 5 1 t h e p r o c e s so f d a t aa n a l y s i s 分析过程数据是为了得出指导决定和行动的结论。 获得统计性结论的方法有两个：枚举研究和分析研究。为了预测、提高未 来的过程行为，本论文采用分析性研究。 5 2 3 性质 数据通常可以分为变化数据和属性数据。 8 1 1 9 1 ( 1 ) 变化数据通常称为度量数据或连续数据，是连续现象的度量。包括流失时 间、经历年限、内存利用、c p u 利用、再劳动的成本。 ( 2 ) 属性数据又称为离散数据，产生于一项记录是否符合标准时，通常为数量。 例：缺陷发现的数量、缺陷项发现的数量、某个给定类型的源声明的数量、某 个n 行模块的说明行的数量、人数、使用正式代码检测的百分比。 2 0 东北大学硕士学位论文 第五章过程分析 ( 3 ) 区分二者，对数据是离散的还是连续的，依赖的不太多，而是取决他们是 怎样收集和使用的。变化数据通常出对连续现象的观察及描述尺寸状态的值 构成的。属性数据是与事件的产生和特性有关的值。例：已发现错误的总量， 虽然是属性数据，但经常用于重复工作量的度量，人们认为是一个尺寸的度量， 是连续的；一个月内的工作日的数量，被认为是属性数据，但对于发生的频率 和活动的度量即是连续的。 5 3 过程分析方法 为了测试过程稳定性， 1 0 1 川 ( 1 ) 必须知道每个采样值附近的变化趋势，即集中趋势。 ( 2 ) 与其他采样对比，即离中趋势。 采用的方法：建立统计过程控制认定的变化操作极限，检测度量值与中 心的偏离趋势。 5 3 1 集中趋势的特征数 集中趋势的特征值反映了总体的集中趋势，常用的有以下几种： ( 1 ) 算术平均数 抽象掉个体特征值之间的差异，反映整体特征的典型水平。占重要地位。 ( 2 ) 中位数 位霞平均数。特征值从小到大，中间的即是。敏感性差。 ( 3 ) 众数 数列中次数出现最多的那项特征值。 ( 4 ) 几何平均数 n 个数值连乘积的n 次方根。 最常用的是算术平均数它具有易于计算，计算时考虑到了全部观测值，并 且在不同的抽样中，其值也较稳定。 2 1 东北大学硕士学位论文第五章过程分析 5 3 2 离中趋势特征数 离中趋势的特征值反映了总体有向外分散的趋势，常用的有以下几种： 1 2 1 ( 1 ) 全距( 极差) 次数分配中最大值与最小值的差。越小，特征值越集中。 ( 2 ) 四分位差 把按数值大小顺序排列的整个数列，分割为四等份，从而有第一个、第二 个、第三个四分位点。相应的数值分别是第一个、第二个、第三个四分位数。 ( 3 ) 平均差 所有数值与数列的平均数之差的绝对值的算术平均数。越小，各值越密。 ( 4 ) 标准差和方差( 常用) 方差是各项离差的平方的平均数。将方差开方的结果称标准差。 在数理统计中广泛应用标准差和方差来衡量观测值对其平均数的离散程 度。越大，数据越分散。无论总体如何分布，样本平均数的均值等于总体均值； 其方差等于总体方差除以样本大小n 值。目前常用的过程分析的方法是休哈控 制图法。 5 4 休哈控制图 美困贝尔电话实验室的w a s h e w h a r t 将数理统计应用于质量管理，首创了 质量控制图。它以随机原因的质量特性拨动为基准来检验引起质量特性异常拨 动的系统原因，从而判明生产过程是否处于统计控制状态，以起到预防为主、稳 定生产、保证质量的作用。稍后，道奇和罗明提出了用抽样检验代替全面检验 的方法，这是应用统计管理方法的开始，在第二次世界大战期间得到迅猛的发 展。战后，质量管理方法引入日本，结合日本的管理方法形成了全面的质量管 理( t o t a lq u a l i t y c o n t r o l 简称t o c ) ，并且取得显著成效。 5 4 1 目的 在生产过程中，产品质量受到以下五大因素的影响：原材料、机器设备、 一2 2 东北大学硕士学位论文 第五章过程分析 操作人员、操作方法、环境。这些因素经常变动，因此产品质量有波动。休哈 控制图的目的就是区分一般变化和系统变化这两类不同性质的变化，反映和控 制系统变化造成的质量波动，以便查明和消除这类异常原因，不断提高产品质 量。 54 2 原理 要检查是只有一般因素在生产中起作用，还是有系统性的幽素在起作用， 其方法是通过各种控制图表来实现。设在生产过程中得到产品的质量观察值为 x ，从理论上讲如果只有一一般性因素起作用，x 为一随机变量，它必然围绕在正 常情况下的平均值上下波动，即x = 叶6 ，其中6 为随机误差。只要掌握6 的典型 分布，通过检验，就可以判断生产过程是否处于控制状态。根据数理统计原理， 在很多情况下，随机误差是大量微小的原因共同作用的结果，其中无一个起决 定作用，那麽随机误差就遵从正态分布8 一n ( 0 ，a 2 ) ，根据正态分布原理，1 6 i 3 0 的概率为9 9 7 。如超出这一界限，那么很可能是系统的原因在起作用。 休哈控制图实际上是参数假设检验的一种应用( 小概率原理：发生概率很 小的随机事件在一次实验中是几乎不可能发生的) 。原假设h 0 是生产在控制 之内；备择假设h 1 是超出了控制。控制上下限是检验的临界点，不超出临界 点时，接受原假设h 0 ；超出临界点，就拒绝原假设，接受备择假设h 1 。 5 4 3 基本结构 它由中心线c e n t r a ll i n e 。上控制限u p p e rc o n t r o ll i m i t 和下控制限l o w e r c o n t r o ll i m i t 组成。然后在过程进行中，定期抽取子样，测量子样平均值，并 将“点子”标注在图上。根据这些点子是否落在控制界限内，可判断过程是否 正常，进而可从人、材料、原料、设备、方法和环境等方面采取措施。控制图 表的结构如图5 2 所示。其中， 中心线一一通常为已观察的过程平均值。 控制极限通常c l _ + 3 c y 。 一2 3 东北大学硕士学位论文 第五章过程分析 c l c l 一3 a n 一十a ；r ：6 女* e _ 、一 5 ，4 4 分类 图5 2 控制图结构 f i g 5 2 c o n t r o lc h a rs t r u c t u r e ( u c l ) f cl 1 ( l c l ) 按统计控制量分可分为计量值控制图和计数值控制图两类。 5 441 计量值控制图 适用于咀长度、重量、时间、强度、纯度等计量数据控制对象的场合。主 要包括：x r 、x ，s 、x m r 、x m 豆等。 ( 1 ) 平均值一范围控制图( x r 图) 定义 在较短时间内、基本相同的条件下，选择收集到的众多度量，绘制可能的 行为。 功能 统计失去控制的点、判断过程是否稳定。 图表含义 x b a r ：可能的中心趋势、各组的变化。 r f 全距极差控制图) ：小组内的变化。 训算公式 一2 4 东北大学硕士学位论文 第五章过程分析 假设小组尺寸为1 3 ，共k 个小组。 分别计算各个小组的平均值和范围值。 豆：型堡坐 n r t = i x 。一x 。 计算x 的祖平均 豆：墨圣生生 k 计算k 个小组的平均范围值 百：墨! 垒生鱼 k ( 5 1 ) ( 5 2 ) ( 5 3 ) ( 5 4 ) 公式的理论基础 控制上下限是根据正态原理确定的。 样本平均数落在3 个标准差以内的概率为9 9 7 ，所以控制上下限用中心 线3 0 叉求得。同样，全距的上下限也用全距的中心值+ 3 0 ri 。计算公式如表 51 所示。 表51x - r 图的计算公式 t a b l e5 1 e q u a t i o n sf o rc a l c u l a t i n gc o n t r o 1 i m i t sf o rx - b a r a n drc h a r t s 平均( x b a r ) 图的控制极限公式为 c l i = x + 3 d i c lr = j 孓 l c l i = x 3 d i j 范罔( r ) 图的控制极限公式为 2 5 ( 5 5 ) ( 5 6 ) l ， d 6 3 3一r r r = | = 一r r r 帆 吼 帆 东北大学硕士学位论文 第五章过程分析 其中，6i 是每个子样平均数的标准差，未知。 从平均数的抽样分布可知，当总体标准差为a 时，ax = 旱，平均数的上下 n 限可改为豆3 牟，。但总体的标准差也是未知的，在参数估计中常用s 代替 n 6 ，然而，样本容量通常较小，可能有较大误差。随着n 的增大，s 的计算也 较麻烦。为避免上述困难，统计学家研究了全距的分布及总体标准差的关系， 证明e ( r ) = d 2 0 - ，其巾，d 2 是随着样本大小而变动的一个常数。公式较复杂，查 表。把r 带入可得：舅3 上，实际中，为方便令a 2 = ，即牙 d 2 4 n d 2 4 n a 2 良。数理统计已经证明，全距分布的标准差6r ：d 3 0 ，由e ( r ) 2 d 2 a 带入得到仃i ：生夏。r 控制