李智-智能需求工程的兩個方面：AI4RE和RE4AI.pdf

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1、智能需求工程的兩個方面:AI4RE和RE4AI李 智 教育區塊鏈與智能技術教育部重點實驗室廣西師范大學演講嘉賓李 智“智能需求工程”提出者/CNCC需求工程論壇共同主席中國計算機學會(CCF)杰出會員，擔任CCF軟件工程專業委員會常務委員、服務計算、系統軟件、形式化方法專委委員，中國人工智能學會(CAAI)人工智能邏輯專業委員會會員，IEEE/ACM高級會員。復旦大學學士，英國碩士、博士、博士后(留學時間長達9年)。進入學術研究領域之前曾經有10年以上從事專業技術工作。獲得國家自然科學基金項目3項、省部級項目4項，發表學術論文50余篇(含CCF-A類期刊論文4篇，并3次獲得國際學術會議最佳論文

2、獎)，在中國計算機大會(CNCC)技術論壇、國際軟件質量工程峰會(iSQE)等學術會議上做邀請報告16次。TASE19會議大會主席、NASAC14會議程序委員會副主席、專家系統:知識工程期刊副主編。目 錄CONTENTS1.背景和問題：2.解決思路/整體方案/實踐：3.總結與展望:智能需求工程根源&基礎、變更、錯誤、跨領域建模、驗證、評價、抽象與精化因果推理、度量、NLP、LLM智能需求工程的未來-通用工智能AGI智能需求工程根源&基礎PART 01 背景和問題需求變更、錯誤、跨領域鴻溝智能需求工程根源和基礎(Intelligent RE is rooted in Engineering)工程

3、：圖片及定義來源：G F C Rogers;The Nature of Engineering:A Philosophy of Technology;Palgrave Macmillan,1983“Engineering refers to the practice of organizing the design and construction of any artificewhich transforms the physical world around us to meet some recognized need.”“工程是指安排設計和構建人工制品的實踐活動，它改造我們周圍的物理世

4、界以滿足某些確認的需求?！比魏巍肮こ獭倍季邆涞娜貓D片及定義來源：G F C Rogers;The Nature of Engineering:A Philosophy of Technology;Palgrave Macmillan,1983“工程是指安排設計和構建人工制品的實踐活動，它改造我們周圍的物理世界以滿足某些確認的需求?！比斯ぶ破罚航ㄖ?，藥品，軟件(美團)物理世界：空間，人體，環境(某城市)需求：保暖，治病，需求(點外賣)土木工程醫藥工程軟件工程軟件工程的三要素圖片來源百度圖庫軟件產品 接口 物理環境 滿足 需求(約束)軟件產品物理環境物理環境接口接口需求如何表達？本質是什么？問

5、題：軟件工程的三要素軟件產品 接口 物理環境 滿足 需求(約束)接口接口滿足滿足 需求需求包含：軟件產品的約束（軟件規格）、物理環境的約束（行為/現象）、兩者之間交互全局的約束（目標/場景/問題）判定需求工程階段性成功的標準是什么？問題：軟件工程中的三要素接口滿足 需求軟件產品物理環境(約束)*S,ER*Michael Jackson and Pamela Zave.Deriving specifications from requirements:an example.Proceedings of the 17th International Conference on Software E

6、ngineering,ICSE 95,Seattle,Washington,USA,pages1524,April 1995*Anthony Hall,E=mc2Explained,in*Software Requirements and Design:The Work of Michael Jackson,ed.Bashar Nuseibeh and Pamela Zave,Chatham,NJ Good Friends Publishing Company,2010.這是被稱為需求工程中的“E=mc2”理論*可滿足關系“”是否為真，是判定RE階段性成功與否的標準需求工程中的元理論及其實例化

7、“S,ER”是需求工程中的“Meta-Theory”(元理論)-頂層邏輯！問題框架(Problem Frames*)是該元理論的實例化(問題圖+表格，如下)！交通控制問題圖*+領域、需求及規格描述表：*Michael A.Jackson.Problem Frames:Analyzing and Structuring Software Development Problems.Boston:Addison-Wesley,2001.英杰克遜著，金芝譯.軟件開發問題框架：現實世界問題的結構化分析.機械工業出版社，2005年2月出版*Michael A.Jackson.Jackson,M.A.200

8、6.What Can We Expect From Verification?IEEE Computer.39,10(Oct.2006),53-59名稱類型描述Lights Controller機器(S)Light Units領域(E)Crossing Buttons領域(E)Road Sensors領域(E)Road Layout領域(E)Pedestrians領域(E)Vehicles&Drivers領域(E)Orderly Safe Traffic需求(R)S,ER“S 代表軟件，R 代表需求，環境E 真的有必要嗎？”問題：非常有必要！因為RE中遇到的痛點問題都與之高度相關！變化的需求：

9、變化的三種來源應對變更的方法變更S 屬于設計和實現，由設計實現人員負責更新(e.g.重構、返工)；變更R 屬于需求分析，由需求工程師負責更新(e.g.除錯、重寫)；變更E屬于需求分析，由領域專家負責教、需求工程師負責學和更新。S,ERS,E RSER導致R 的原因(需求工程師/系統分析員的痛點)：錯誤表述圖片來源百度圖庫理解NLP技術等導致E 的原因(需求工程師/領域專家的痛點)：跨領域問題領域專家圖片來源百度圖庫需求工程師基于AI的問題模型精化智能需求工程：建模、驗證、評價、抽象與精化、PART 02 解決思路/方法/工具/案例/技術實踐因果推理、度量、NLP、LLM智能需求工程-AI4RE

10、和RE4AI問題如何建模？從文本-可視化模型問題：AI4RE-問題描述1型糖尿病患者的連續血糖監測目前的1型糖尿病管理方法在很大程度上僅限于非閉環系統，這些系統依賴于患者檢查血糖水平并通過泵或注射器自行注射胰島素。我們需要開發一個有軟件控制的仿生胰腺系統（一個便攜電子控制設備），旨在幫助管理1型糖尿病患者的血糖水平。這一系統的目標是提供更為精確和智能的胰島素管理，以改善患者的生活質量和健康狀況。（來源：Beta Bionics官網）AI4RE-問題描述（來源：Beta Bionics官網）待開發系統的關鍵特點:是一種自動胰島素輸送系統，可減少對糖尿病管理做出決策的需要-因為它為您做出決定：自動

11、胰島素調整胰島素和葡萄糖監測個性化治療支持多種胰島素iLet仿生胰腺:目前，已有適用于成人1型糖尿病患者的iLet和適用于6歲及以上1型糖尿病患者的iLet。AI4RE-問題可視化建模來源(有修改)：G-Y Liu，Zhi Li et al.CARE:A Computer-Aided Requirements Engineering Tool for Problem-Oriented Software Development,International Journal of Software Engineering and Knowledge Engineering,volume 25,iss

12、ues 09n10,pages 1747-1752,December 2015問題建模：文本能不能自動/半自動可視化？問題：AI4RE 問題自動建模：需求文檔自動生成問題圖(NL2PD)以無人機控制問題為例*：*Goodrum M,Cleland-Huang J,et al.What Requirements Knowledge Do Developers Need to Manage Change in Safety-Critical Systems?RE2017 conference.AI4RE 問題自動建模：需求文檔自動生成問題圖(NL2PD)問題圖是問題框架的一種可視化形式。使用NLP

13、技術提取需求文檔中的關鍵短語和關鍵關系，通過問題框架的元模型可以將短語映射到問題圖的節點。Xiao H,Li Z,Yang Y,et al.An Extended Meta-Model of Problem Frames for Enriching Environmental Descriptions,2021 IEEE 29th International Requirements Engineering Conference Workshops(REW).IEEE,2021:428-434.NL2PD技術路線AI4RE 問題自動建模：NL2PD支持工具演示*X.Chen,Y.Deng,H.

14、Xiao,Z.Li.NL2PD:A Tool for Problem Diagram Generation from Requirements in Natural Language,31stIEEE International Requirements Engineering Conference(RE23),Hannover,Germany,September 2023.什么是問題模型的精化？問題：問題模型的精化/細化AI4RE 問題模型的環境E 細化：糖尿病人胰島素控制：問題圖（第一次迭代）AI4RE 問題模型的環境E 細化：AI4RE 問題模型的環境E 細化：糖尿病人胰島素控制：問題圖

15、（第二次迭代）AI4RE 問題模型環境E 細化的工具支持演示：AI4RE LLM可幫助獲取環境E 因果知識跟ChatGPT交互詢問血糖異常的原因之后，得到以下表信息：進一步跟ChatGPT交互詢問，得到以下表概率統計數據：Ling Xie et al,Augmenting the Problem Frames Approach with Explicit Data Descriptions Using ChatGPT,IEEE 31st International Requirements Engineering Conference Workshops(REW)AI4RE 問題模型需求R 的

16、細化：非功能的安全需求轉換以下干功能需求(優先級排序)：1.當電池不足20%時，設備屏幕顯示更換電池信息給患者；2.當電池不足5%時，設備發出噪音或震動警告，提示患者和護士更換電池；3.當胰島素泵發生故障時，系統停止運行并發出警報給患者和護士；4.精化之后能做什么？分而治之 模型拆分問題：AI4RE 問題模型的拆分：基于線性因果關系鏈的問題拆分方法和技術：Ziyan Zhao,Zhi Li,Changlan Fu,and Xiao Zhang.A Computer-aided Modeling and Verification Approach for Problem-oriented Sof

17、tware Development.5th Asia-Pacific Conference on Computer Aided System Engineering(APCASE2017),pages 21-28,Guilin,2017.Best Paper Award WinnerAI4RE 問題模型自動拆分的工具支持演示：Ziyan Zhao,Zhi Li,Changlan Fu,and Xiao Zhang.A Computer-aided Modeling and Verification Approach for Problem-oriented Software Developme

18、nt.5th Asia-Pacific Conference on Computer Aided System Engineering(APCASE2017),pages 21-28,Guilin,2017.Best Paper Award WinnerAI4RE 問題模型自動拆分的工具支持演示：YajunYajun Deng,Deng,Zhi Li,Hongbin Xiao.Trace4PF:A tool for Automated Decomposition of Problem Diagrams with Traceability,34th Zhi Li,Hongbin Xiao.Tra

19、ce4PF:A tool for Automated Decomposition of Problem Diagrams with Traceability,34th International Conference on Software Engineering and Knowledge Engineering(SEKE22),July 1International Conference on Software Engineering and Knowledge Engineering(SEKE22),July 1-10,2022,10,2022,Pittsburgh,Pittsburgh

20、,USA.USA.拆分之后能做什么？復雜度評估問題：AI4RE 問題復雜度評估(基于統計計算)：方法流程：第1、2步：構建問題圖第5、6、7步：結構復雜性分析第3、4步：問題復雜性分析第8、9、10：得到微服務拆分方案AI4RE 問題復雜度評估：從需求文本構建問題圖：依據需求文檔中的業務描述，構建問題圖AI4RE 問題復雜度評估：結果呈現：P6P5P2P1P3P4P7問題圖歸類結果微服務架構微服務拆分方案將問題圖歸類結果、問題領域代入微服務架構中，得到微服務拆分方案。AI4RE 問題復雜度評估：微服務拆分方案：依據問題圖歸類結果，得到微服務拆分方案AI4RE 問題復雜度評估工具支持演示*Y.L

21、i,Z.Li,Y.Bu,H.Xiao,Y.Deng.PF4MD:A Microservice Decomposition Tool Combining Problem Frames,31st IEEE International Requirements Engineering Conference(RE23),Hannover,Germany,September 2023.怎么解決需求變更？設計規格的自動生成問題：應對需求變更的方法：快速原型確認法-RM2PT破題思路：把需求模型(上下文+需求)自動/半自動轉換為軟件原型！Yilong Yang,Xiaoshan Li,Zhi Li.“Rap

22、id Prototyping for Requirements Validation:A Best-Practice with RM2PT”,28th IEEE International Requirements Engineering Conference(RE20).Zurich,Switzerland,August 2020應對需求變更的方法：復雜上下文(PF)-(UML)破題思路：把需求模型(上下文+需求)自動/半自動轉換為軟件原型！Hongbin Xiao,Zhi Li,Yilong Yang,Shangfeng Wei.An Extended Meta-Model of Prob

23、lem Frames for Enriching Environmental Descriptions.In Proceedings 2021 IEEE 29th IEEE International Requirements Engineering Conference Workshops(REW21),pages 428-434,September 20-24,2021,Notre Dame,IN,United States.含AI模塊的軟件應滿足那些需求？RE4AI問題：RE強調業務流程，即因果性，可增強當前AI軟件的可解釋性、可信性、公平性等RE4AI 把AI模塊的可解釋性需求細化為若

24、干功能需求iLet系統如何體現AI的可解釋性？智能決策支持 iLet系統能基于AI監測的患者血糖水平來做出決策，系統能解釋為何需要進行某種調整。數據分析和趨勢識別 iLet系統的AI分析患者的血糖數據，并在必要時提供可解釋的建議，例如調整胰島素水平。反饋和透明性 iLet系統提供有關糖尿病管理的解釋性反饋，確?；颊吆歪t生了解決策背后的邏輯。個性化治療 iLet系統使用AI來為患者提供可解釋的治療建議以滿足每位患者的獨特需求。警報和異常檢測 iLet系統使用AI來在患者血糖異常時發出可解釋的警報，以幫助患者和醫生理解異常原因。RE4AI 將PF、RE與AI納入到同一個過程模型左圖來源：Zheng

25、,Y(2016).“Urban Computing:Tackling Urban Challenges Using Big Data,”(keynote)IEEE 24th International Requirements Engineering Conference(RE),Beijing,2016,pp.3-3.1.Problem Problem OrientationOrientation2 2.Requirements Requirements EngineeringEngineering3 3.Urban Urban ComputingComputingModels+tool v

26、alidation+updatesStakeholder intentions,values,CPS behavioursML/DM,software,computation,decisionsService,intervention based on big data analytics+updates Values,behaviours+updatesModels,+updates智能需求工程未來：基于因果的AGIPART 03 總結與展望Causal AI vs LLM,誰將是實現AGI的功臣？問題：Causal AICausal AI是最新的一個熱點:-Judea Pearl(圖靈獎獲

27、得者)-Joe Halpern(康奈爾大學教授)-Causal AI promise-Explainable AI(可解釋性)-Fairness(公平性)-Trustworthiness(可信性)-Evolving SoS(可演化性)-How about AI for RE-對人的認知進行推理-需求預測-需求優先級排序-組織機構分析-Causal Model(因果模型)*來源：朱迪珀爾等著，汪生 于華譯，為什么：關于因果關系的新科學中信出版集團，2018年用因果圖作為問題圖添加因果語義LLM是否有因果推理能力？問題：Judea Pearl曾在為什么：關于因果關系的新科學闡述過不同層次的可解釋性

28、，并強調生成反事實的解釋是最高層次的。Pearl的可解釋性層次大概可以分為如下三層：統計相關的解釋：這一層次旨在利用相關性來解釋我們是如何進行判斷的，可以被視為是一種經驗上的推斷。因果干預的解釋：這一層次旨在利用干預手段得到一些結果，并基于這些結果進行解釋?；诜词聦嵉慕忉專哼@一層次旨在利用一些反事實來進行想象，并基于因果機制的建模對這些想象進行解釋。J.Pearl(Interviewed by D.Mackenzie),Judea Pearl,AI,and Causality:What Role do Statisticians Play?,UCLA Cognitive Systems La

29、boratory,Technical Report(R-531),September 2023.Amstat News,AI Special Issue,555:6-9,September 2023.LLM是否有因果推理能力？問題：結論 人機物融合系統的開放性和多樣性決定了其建模的復雜性-必須用精化技術來描述 在新一輪AI興起之后，基于描述細節的精化技術將得到發展，特別是上下文環境精化后的描述為AI提供數據和因果結構模型 目前的問題框架建模是一種折中式的抽象和精化 對問題框架建模進行擴展，特別是根據不同類型涉眾采取相應的抽象和精化技術支持，特別是計算機輔助需求工程CARE工具上支持zoom-in精化技術將會提高需求工程建模質量和效率 大語言模型為需求工程早期階段建模者實現跨領域知識學習提供支持，但其可靠性有待觀察 大語言模型在以下幾個方面可輔助人機物融合系統的軟件開發 精化軟件（如軟件架構、代碼、測試用例的自動推薦等），精化環境E(如展開組織機構分成架構、分工職責和工作機制及流程、機電設備詳細工作機理及示意圖、關于人和物的因果律等)、精化R(如人的意圖、認知、情感及行為規律等)THANKS