Інформаційна технологія планування підвищення якості підмножини процесів еталонної моделі зрілості SPICE

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 122 – Комп’ютерні науки (12 – Інформаційні технології). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Міністерства освіти і науки України, м. Харків, 2023. У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача планування підвищення якості підмножини процесів еталонної моделі зрілості SPICE (Software Process Improvement and Capability dEtermination) шляхом розробки відповідної динамічної моделі, що дозволяє на основі цільового профайлу (Key Performance Indicator – KPI) на плановому періоді побудувати оптимальну стратегію підвищення рівня можливості окремих практик і процесів в умовах обмежених ресурсів. Об’єктом дослідження є процес планування підвищення якості підмножини процесів еталонної моделі зрілості SPICE. Предметом дослідження є моделі, метод та інформаційна технологія планування підвищення якості підмножини процесів еталонної моделі зрілості SPICE. Метою дисертаційного дослідження є підвищення рівня зрілості процесу розробки програмного забезпечення ІТ-компанії на основі розробки інформаційної технології планування підвищення якості підмножини процесів моделі SPICE. Дисертаційне дослідження базується на комплексному використанні: інженерії якості програмних систем і теорії системного аналізу; теорії корисності, на основі якої побудовано цільову функцію моделі; методу послідовного аналізу варіантів і його реалізації – алгоритму «Київський віник»; методу багатокритеріальної оптимізації в межах теорії прийняття рішень. При розробці інформаційної технології використовується стандарт IDEF, уніфікована мова моделювання UML, компоненто-орієнтовані методи програмних систем. У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовані мета задачі та методи дослідження, відображено зв'язок дослідження з науковими програмами кафедри, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, зазначено особистий внесок здобувача. У першому розділі проведено аналіз існуючих проблем підвищення якості процесу розробки програмного забезпечення (ПР ПЗ). Розглянуті моделі та технології, які спрямовані на покращення якості ПР ПЗ. Окремо визначені моделі зрілості СММІ (Capability Maturity Model Integration) та SPICE. Ретельно розглянута модель SPICE, її окремі процеси і підпроцеси, а також практики, які в них входять. Визначені існуючі проблеми забезпечення високого рівня якості об’єкта дослідження. Наведено постановку задачі дослідження та основні проблеми, які визначено при розгляді об’єкта дослідження. На основі аналізу проблем ставиться мета дисертаційного дослідження і задачі для реалізації поставленої мети. Перелік цих задач відповідає структурі дисертації. Другий розділ присвячено вербальному опису та моделі планування підвищення якості підмножини процесів еталонної моделі зрілості SPICE. Вербальний опис технології складається з окремих етапів. Перший етап присвячено формалізації структури еталонної моделі SPICE, яка на відміну від моделі СММІ має тільки безперервний варіант розвитку. Другий етап – метод оцінки рівня можливості окремого процесу еталонної моделі зрілості SPICE. Цей етап є ключовим з погляду формалізації оцінки рівня можливості окремого процесу. На третьому етапі реалізується модель планування розвитку підмножини процесів моделі SPICE. На четвертому етапі розроблено алгоритм планування розвитку підмножини процесів на основі методу послідовного аналізу варіантів, який дозволяє під час його використання відкинути ті допустимі варіанти рішень, які не містять оптимальних. П’ятий етап присвячено інформаційній технології планування підвищення якості підмножини процесів моделі SPICE. На шостому етапі завдяки інформаційній технології сформовано множину варіантів плану підвищення якості ПР ПЗ з метою підтримки прийняття рішень особою, що приймає рішення. Модель планування підвищення якості підмножини процесів еталонної моделі зрілості SPICE формується на основі моделі оцінки рівня можливості окремого процесу. Постановку задачі дослідження розглянуто з погляду теорії підтримки прийняття рішень на основі трьох груп критеріїв: рівень досягнення поставленої мети; ресурсне забезпечення; час, необхідний для вирішення поставленої задачі. Задача розглядається для перших двох груп критеріїв з виділенням першої у якості основного критерію, а критерії другої групи віднесено до обмежень. Сформована адитивна цільова функція, яка визначає показник збільшення інтегрального рівня можливості підмножини процесів на всьому плановому періоді. У третьому розділі роботи розглядається алгоритм планування розвитку процесу розробки програмного забезпечення на основі методу послідовного аналізу варіантів (ПАВ). У роботі ідея методу ПАВ реалізована у вигляді алгоритму «Київський віник», який є багатокроковим процесом. На кожному підперіоді планування вирішується задача «відмітання» множини неконкурентоспроможних варіантів. Використання алгоритму дозволяє знайти оптимальний варіант розв’язання задачі. Об'єкт дослідження – ПР ПЗ є слабко структурованою складною системою, для якої наведено основні властивості. Тому задачі, які стоять перед ним не можуть бути вирішені у повній мірі без залучення експертів з метою використання їхніх знань, досвіду, компетентності для побудови адекватних моделей об’єкта дослідження. Розглянуто основні бізнес-процеси технології планування підвищення якості підмножини процесів моделі SPICE. На основі представленої технології розроблена система підтримки прийняття рішень. Визначено чотири основні блоки технології: оцінка поточного стану ПР ПЗ; формування вхідної інформації задачі; формування математичних моделей; вирішення задачі. Технологія визначає послідовність використання окремих бізнес-процесів на основі стандарту IDEF. У четвертому розділі представлено розроблену інформаційну технологію планування підвищення якості підмножини процесів еталонної моделі зрілості SPICE та результати досліджень. Послідовність розробки інформаційної технології наступна: формування вимог до програмного забезпечення і діаграми варіантів використання; розробка моделей даних; обґрунтування вибору інструментарію для розробки ПЗ; вибір еталонної системної архітектури. На основі перевірки працездатності інформаційної технології проведені дослідження та їхній аналіз. У висновках коротко наведено основні результати, які отримано при вирішенні задач, поставлених у дисертаційному дослідженні для досягнення мети роботи. Наукова новизна проведеного дослідження полягає у наступному. Вперше: 1) розроблено метод вирішення задачі планування підвищення якості підмножини процесів еталонної моделі зрілості SPICE, що дозволяє покращити якість розробки ПЗ; 2) розроблено модель оцінки рівня можливості окремого процесу еталонної моделі зрілості SPICE, що дозволяє її використання при формуванні моделі планування підвищення якості підмножини процесів моделі SPICE. Отримали подальший розвиток: 1) модель та алгоритм підвищення рівня зрілості ПР ПЗ за рахунок планування підвищення якості підмножини процесів еталонної моделі зрілості SPICE, що у подальшому дозволяє отримати можливість враховувати особливості функціонування конкретної ІТ-компанії; 2) інформаційна технологія системи підтримки прийняття рішень при вирішенні задачі покращення якості ПР ПЗ за рахунок формалізації окремих процесів еталонної моделі зрілості SPICE і розробки моделі та алгоритму планування підвищення якості підмножини її процесів, що дозволяє у подальшому розробити технологію підвищення якості всього ПР ПЗ з урахуванням особливостей функціонування конкретної ІТ-компанії. Результати дисертаційного дослідження впроваджено у навчальному процесі кафедри програмної інженерії та інтелектуальних технологій управління, використано у ініціативних роботах науково-дослідної частини НТУ «ХПІ»: «Розробка моделей та інформаційно-аналітичних технологій планування покращення якості процесу розробки програмного забезпечення» (№ ДР 0119U002555) та «Моделі, алгоритми та інформаційна технологія планування розвитку процесу розробки програмного забезпечення на основі моделі SPICE INT» (№ ДР 0121U108305), у яких здобувач брав участь як виконавець окремих етапів. The dissertation on gaining the scientific degree of Philosophy Doctor, specialty 122 – Computer Science (12 - Information Technologies). – National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute» of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2023. The scientific and practical task of quality improvement planning of a processes subset of the SPICE (Software Process Improvement and Capability dEtermination) maturity reference model is solved in the dissertation by developing a corresponding dynamic model, which allows building an optimal strategy based on the target profile (Key Performance Indicator - KPI) within a planning period to increase the level of possibility of individual practices and processes under conditions of limited resources. The object of the study is the process of quality improvement planning of a processes subset of the SPICE maturity reference model. The subject of the study is the models, method and information technology of quality improvement planning of a processes subset of the SPICE maturity reference model. The aim of the dissertation research is to increase the level of maturity of the software development process of an IT company based on the development of information technology for quality improvement planning of a processes subset of the SPICE. The dissertation research is based on the complex use of: quality engineering of software systems and the theory of system analysis; utility theory, on the base of which the target function of the model is built; the method of sequential analysis of options and its implementation - the "Kyiv broom" algorithm; the method of multi-criteria optimization within the framework of decision-making theory. In the development of information technology, the IDEF standard, the unified modeling language UML, and component-oriented methods of software systems are used. The relevance of the research topic is substantiated, the goal of the task and research methods are formulated, the connection of the research with the scientific programs of the department is reflected, the scientific novelty and practical significance of the obtained results are given, and the personal contribution of the winner is indicated in the introduction. In the first chapter, an analysis of the existing problems of improving the quality of the software development process (SDP) was carried out. The considered models and technologies aimed at improving the quality of SDP. CMMI (Capability Maturity Model Integration) and SPICE maturity models are defined separately. The SPICE model, its separate processes and sub-processes, as well as the practices included in them, are carefully considered. The existing problems of ensuring a high level of quality of the research object are identified. The problem statement of the research and the main problems are presented when considering the research object. Based on the analysis of the problems, the goal of the dissertation research and the tasks for the realization of this goal are set. The list of these tasks corresponds to the structure of the dissertation. The second section is devoted to the verbal description and quality improvement planning of a processes subset of the SPICE maturity reference model. The verbal description of the technology consists of separate stages. The first stage is devoted to the formalization of the structure of the SPICE reference model, which, unlike the SMMI model, has only a continuous version of development. The second stage is a method of assessing the level of possibility of a separate process of the SPICE reference maturity model. This stage is key one from the point of view of formalizing the assessment of the level of possibility of a separate process. At the third stage, the model for planning the development of a subset of SPICE model processes is implemented. At the fourth stage, an algorithm for planning the development of a subset of processes was developed based on the method of sequential analysis of options, which allows, during its use, to reject those permissible options for solutions that do not contain optimal ones. The fifth stage is dedicated to information technology planning for improving the quality of a subset of SPICE model processes. At the sixth stage, thanks to information technology, a set of variants of the plan for improving the quality of PR software was formed in order to support decision-making by the decision-maker. The model of quality improvement planning of a processes subset of the SPICE maturity reference model is formed on the basis of a model for assessing the level of capability of an individual process. The formulation of the research task was considered from the point of view of the theory of decision-making support based on three groups of criteria: the level of achievement of the set goal; resource provision; the time required to solve the task. The problem is considered for the first two groups of criteria, with the first being selected as the main criterion, and the criteria of the second group are classified as limitations. An additive objective function is formed, which determines the indicator of the increase in the integral level of the possibility of a subset of processes over the entire planning period. In the third section of the work, the algorithm for planning the development of the software development process based on the method of sequential analysis of options (SAO) is analysed. In the work, the idea of the SAO method is implemented in the form of the "Kyiv Broom" algorithm, which is a multi-step process. At each planning sub-period, the task of "sweeping out" a set of non-competitive options is solved. Using the algorithm allows finding the optimal solution to the problem. The object of the research is the software DP that is a weakly structured complex system, for which the main properties are given. Therefore, the tasks facing it cannot be fully solved without the involvement of experts in order to use their knowledge, experience, and competence to build adequate models of the research object. The main business processes of the quality improvement planning technology of a subset of SPICE model processes are considered. Based on the presented technology, a decision support system was developed. Four main blocks of technology have been identified: assessment of the current state of software DP; formation of input information of the task; formation of mathematical models; solving the problem. The technology defines the sequence of use of individual business processes based on the IDEF standard. The fourth chapter presents the developed information technology for quality improvement planning of a subset of SPICE maturity reference model processes and research results. The sequence of development of information technology is as follows: formation of requirements for software and diagram of use cases; development of data models; justification of the choice of tools for software development; choice of reference system architecture. The research and its analysis were conducted on the basis of information technology performance testing. The main results that were obtained when solving the problems set in the dissertation research to achieve the goal of the work are briefly presented in the conclusions. The scientific novelty of the conducted research is as follows. For the first time: 1) a method for solving the problem of quality improvement planning of a processes subset of the SPICE maturity reference model was developed, which allows improving the quality of software development; 2) a model for assessing the level of possibility of a separate process of the reference maturity model SPICE was developed, which allows its use while forming a planning model for improving the quality of a subset of SPICE model processes. The following were further developed: 1) a model and algorithm for increasing the level of maturity of PR software due to the quality improvement planning of a processes subset of the SPICE maturity reference model , which in the future makes it possible to take into account the peculiarities of the functioning of a specific IT company; 2) information technology of the decision-making support system when solving the problem of improving the quality of the PR software due to the formalization of individual processes of the reference maturity model SPICE and the development of a model and planning algorithm for improving the quality of a subset of its processes, which allows to further develop a technology for improving the quality of the entire software DP, taking into account the peculiarities of functioning of a specific IT company. The results of the dissertation research were implemented in the training process of the Department of Software Engineering and Intelligent Management Technologies, used in research works "Development of models and information-analytical planning technologies for improving the quality of the software development process" (RW No. 0119U002555) and "Models, algorithms and information technology for planning the development of the software development process based on the SPICE INT model" (RW No. 0121U108305), in which the applicant participated as an executor of separate stages.