Universität Hannover Fakultät für Elektrotechnik und Informatik Institut für Praktische Informatik Fachgebiet Software Engineering

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1 Universität Hannover Fakultät für Elektrotechnik und Informatik Institut für Praktische Informatik Fachgebiet Software Engineering Requirements Engineering Seminar im WS 07/08 Metriken als Basis für das Projektmanagement Sinan Botros Betreuer: Eric Knaus Hannover, 18. November 2007 Abstract. In dieser Ausarbeitung wird einführend auf die Begriffe der Messung und der Softwaremetrik eingegangen. Des Weiteren werden die Arten vom Metriken und die möglichen Darstellungsformen kurz diskutiert. Anschließend wird die große Bedeutung der Requirements Engineering Phase in Softwareprojekten hervorgehoben und wie die Erhebung von Anforderungsmetriken den Projektmanagern unterstützt, diese Phase besser zu bewältigen. Abschließend werden nach der Goal-Question-Metrik-Methode einige konkrete Anforderungsmetriken für Konsistenz, Komplexität und Erfüllbarkeit abgeleitet 1 Einführung Messen und die daraus resultierenden Ergebnisse zu interpretieren und Handlungen abzuleiten sind Bestandteile im täglichen Leben des Menschen. Einfache Beispiele sind die Uhranzeige oder den Tachometer auszuwerten um damit die Geschwindigkeit anzupassen. Heute sind Messungen aber auch in jeder ingenieurmäßigen Disziplin, wie z.b. die Softwareentwicklung, notwendig um die Vorgänge präziser zu verstehen und zu kontrollieren. In vielen Fällen scheint die Messung der Software intuitiv und sehr leicht, doch die Bewertung oder Interpretation der Ergebnisse ist i. A. sehr aufwendig [1]. Das Entwickeln von hochqualitativen Softwareprodukten ist eine große Herausforderung für viele Organisationen. Das Projektmanagement ist für die Führung der Prozesse und die Entwicklung des Produkts verantwortlich. Eine der wichtigsten Phasen in einem Projekt ist die Anforderungserhebung und Anforderungsdokumentation, denn diese Phase ist für den Erfolg oder Misserfolg der

2 Projekte von entscheidender Bedeutung. Das Projektmanagement muss immer über aktuelle und unmissverständliche Informationen über den Projektstatus verfügen um die richtigen Entscheidungen schnell zu treffen. Durch fortlaufende Erhebung von Anforderungsmetriken wird das Projektmanagement bei der Auswertung und Einschätzung der Konsistenz und Vollständigkeit der Anforderungsspezifikation unterstützt [2]. 1.1 Softwaremetrik Um Informationen über die Eigenschaften eines Objektes zu sammeln wird eine Messung angewendet. Das Ergebnis der Messung ist eine direkte oder indirekte Charakterisierung der interessierenden Eigenschaften. Eine Softwaremetrik ist allgemein eine Funktion, die eine Softwareeinheit in einen Zahlenwert abbildet. Dieser Wert ist interpretiert als der Erfüllungsgrad eines Qualitätsziels für die Softwareeinheit (IEEE Standard 1061). Damit mit Metriken alle relevanten Aspekte einer Softwareeinheit erfassen zu können, ist eine Verallgemeinerung der obigen Definition sinnvoll. Neben Zahlenwerte wird der Bildbereich der Abbildung um Zeichen und Symbole erweitert. Die Messergebnisse können falls nötig mit einer Einheit versehen werden. Des Weiteren ist nicht nur die Software selbst, sondern auch der Softwareentwicklungsprozess von großem Interesse, für den auch Metriken definiert werden sollen. Es geht zwar letzten Endes um die Software, jedoch hat der Entwicklungsprozess erhebliche Auswirkungen auf die Qualität dieser Software. Damit ergibt sich eine Erweiterte Definition einer Softwaremetrik: Funktion, die Eine Softwareeinheit oder den Vorgang ihrer Erstellung in einen Zahlenwert oder in Zeichen (eventuell mit einer Einheit) abbildet. Dieser Wert zeigt an, wie gut ein zugehöriges Qualitätsziel erfüllt ist. Wenn eine Metrik gesucht wird, um sie in ein Qualitätsmodell einzubauen, muss man die Übersicht gewinnen und bewahren. Dabei hilft es die Metriken nach verschiedenen Kriterien zu sortieren [3]. Diese werden im Abschnitt 1.2 erläutert. 1.2 Arten von Metriken Da es sehr viele Softwaremetriken gibt, ist der Überblick schwer zu behalten. Die Metriken werden also in verschiedene Klassen eingeteilt um gezielter nach Metriken suchen zu können. Oft werden die Metriken danach Klassifiziert, was sie messen: Produktmetriken: sie beziehen sich auf Eigenschaften des Softwareprodukts. Ein Softwareprodukt der sich mit Anforderungen befasst ist beispielsweise die Anforderungsspezifikation. Software umfasst nicht nur Code. Nach IEEE Std ist Software Computer programs, procedures and possibly associated documentation and data pertaining to the operation of a computer system. Mögliche Metriken sind z. B. die Größe des Dokuments oder die Eindeutigkeit oder Lesbarkeit der formulierten Anforderungen.

3 3 Prozessmetriken: diese Metriken beziehen sich auf den Erstellungsprozess der Softwareeinheit. Ein Prozess der sich auf Anforderungen bezieht ist z. B. die Erhebung von Anforderungen. Mögliche Metriken sind beispielsweise die Anzahl der Änderungen an die Anforderungsspezifikation, die Anzahl von Meetings oder Reviews oder die Anzahl von Fehlern nach Phasen. Projektmetriken: sie beschreiben die Eigenschaften für die Entwicklung eines Projektes, insbesondere den erbrachten Aufwand und die nötigen Kosten. Mögliche Metriken sind z. B. die Dauer für die Anforderungsphase im Vergleich zur gesamten Projektzeit. 1.3 Darstellung von Messwerten Nachdem Messungen durchgeführt werden, taucht die Frage auf, wie man die gesammelten Ergebnisse darstellt um möglichst einfache und verständliche Interpretation zu ermöglichen. In den meisten Fällen bieten sich Graphiken als gute Lösung an. Mögliche Darstellungsarten sind Balkendiagramme, gestapelte Balkendiagrame, Tortendiagramme oder Liniendiagramme. Eine Visualisierung einer Metrik oder eines Modells, in dem Rohdaten aggregiert werden, wird Indikator genannt [4]. Indikatoren werden verwendet, um Messdaten so darzustellen, dass nützliche Informationen abgeleitet werden können. 2 Relevanz von Metriken für das Projektmanagement Eine Vielzahl von Projekten wird zum Scheitern verurteilt. Die folgenden zwei Tabellen aus dem Chaos-Report USA 1995 und 2001zeigen die prozentuale Anzahl der abgebrochenen Projekte: 31 % der Projekte werden abgebrochen 53 % der Projekte kosten 198 % der ursprünglichen Planung 16 % der Projekte im Zeit- und Kostenplan Table 1. abgebrochene Projekte, % der Projekte werden abgebrochen 49 % der Projekte sind über dem Kosten- und/oder Zeitplan 28 % der Projekte im Zeit- und Kostenplan Table 2. abgebrochene Projekte, 2001

4 Viele Studien zeigen, dass das Anforderungsmanagement dabei eine ganz entscheidende Rolle spielt. Die folgende Tabelle aus dem Chaos-Report USA im Jahre 1995 zeigt die Misserfolgsfaktoren in Projekten in Prozent: Unvollständige/ungenaue Anforderungen 13,1 % Mangelnde Einbeziehung der Beteiligten 12,4 % Ressourcenmanagement 10,6 % Unrealistische Erwartungen 9,9 % Mangelnde Unterstützung vom Management 9,3 % Sich häufig ändernde Anforderungen/Spezifikationen 8,7 % Mangelnde Planung 8,1 % Wird nicht mehr benötigt 7,5 % Mangelndes IT-Management 6,2 % Mangelndes Technologiewissen 4,3 % Tabelle 3. Misserfolgsfaktoren in Softwareprojekten Bereits der erste Punkt mit der größten Prozentzahl, Unvollständige/ungenaue Anforderungen, ist dem Thema Anforderungsmanagement zuzuordnen. Unter die mangelnde Einbeziehung der Beteiligen wird auch die Projektkommunikation zwischen den verschiedenen Teams verstanden. Weiterhin werden die Punkte Unrealistische Erwartungen und sich häufig ändernde Anforderungen definitiv zum Bereich Anforderungsmanagement zugeordnet. Zählt man die Prozentpunkte dieser Themen zusammen, so kommt man auf 44,1 %. Ein Schlüsselelement für erfolgreiches Management im Anforderungsbereich sowie in jedem anderen Bereich ist Messen. Messen bietet ein effektives und wirksames Werkzeug zur Steuerung von Projekten. Ziel dabei ist, die Prozesse zu verstehen, zu kontrollieren, zu steuern und zu optimieren, um einerseits Aufwand und Kosten der Entwicklung zu reduzieren und anderseits die entstehenden Arbeitsprodukte zu verbessern [5]. Darüber hinaus bildet das Messen ein wichtiges Hilfsmittel um die Risiken einzuschätzen und zu managen. Mit Hilfe der Metriken können frühzeitig Trendaussagen getroffen werden und der Projektfortschritt verfolgt werden. Dadurch kann rechtzeitig erkannt werden, ob die Projektziele eventuell gefährdet sind. Das Projektmanagement hat dann ausreichend Zeit auf die Situation zu reagieren um, falls erforderlich, das Projekt in eine andere Richtung zu lenken. 3 Projekt Controlling Metriken sind notwendig um quantitative Aussagen bezüglich der Produktqualität und der Qualität des Entwicklungsprozesses zu treffen. Sie bilden die Grundlage für eine Transparente und nachvollziehbare Planung und Steuerung des Entwicklungsprozesses [6].

5 5 Metriken und ihrer Erhebung sind kein Selbstzweck. Sie sollen quantifizierte und objektive Grundlagen für Entscheidungen für das Projektmanagement zur Verfügung stellen. Anhand dieser Metriken wird das Verständnis der laufenden Softwareprozesse- und Produkte verbessert. Die Interpretation der Metriken erlaubt es den Projektmanagern die entsprechenden Maßnahmen zu ergreifen um die Ziele schnellre und sicherer zu erreichen. If we do not measure, there is no way of determining whether we are improving. And if we are not improving, we are lost [7]. Um fest zu stellen, dass die Qualität eines Objektes oder eines Prozesses sich verbessert hat bzw. den gewünschten Zustand erreicht hat, sind ständige Messungen durchzuführen. Das bedeutet, Messen, Vergleichen und Reagieren ein kontinuierlicher Prozess für das Projektmanagement ist. Damit wird sichergestellt ob die festgelegten Anforderungen an die Software aber auch an die Anforderungen selbst erfüllt sind. 4 Metriken für die Anforderungen Wie bereits im Abschnitt 2 diskutiert, ist das Anforderungsmanagement der größte Misserfolgsfaktor vieler Softwareprojekte. Die Erhebung von anforderungsbasierten Metriken stellt den Projektmanagern ein effizientes Hilfsmittel zur Verfügung. Anhand dieser Metriken können Probleme rechtzeitig erkannt und Risiken minimiert werden. Anforderungsbasierte Metriken die häufig in der Literatur erwähnt sind, werden hauptsächlich für die Bewertung der aktuellen Anforderungsspezifikation und für die Messung der Qualität des Anforderungserhebungsprozesses verwendet. Eine große Herausforderung bei der Erfassung von anforderungsbasierten Metriken ist das Erheben von objektiven Daten. Viele Anforderungsmetriken, insbesondere für die Vollständigkeit oder Korrektheit sind von den Anforderungsexperten sehr abhängig. Einige anforderungsbasierte Metriken, die für das Projektmanagement wichtig sind, sind beispielsweise Unbeständigkeit, Verfolgbarkeit, Konsistenz oder Vollständigkeit der Anforderungsspezifikation [8]. 4.1 Conceptual documentation model Wie bereits erwähnt, das Hauptziel bei der Ermittlung von anforderungsbasierten Metriken ist die Qualität der Anforderungsspezifikation zu bewerten. Projektmanager müssen über den aktuellen Requirements Engineering Status informiert sein, obwohl sie nur selten in der Anforderungserhebung und Anforderungsdokumentation involviert sind. Die Qualität der Anforderungen sehr früh mit wenig Aufwand während des gesamten Projekts zu bewerten unterstützt die Identifizierung von anforderungsbezogenen Problemen, die Ergreifung von Maßnahmen und die Vermeidung von Risiken. Um die Projektmanager bei diesen Aufgaben zu unterstützen, werden Anforderungsmetriken ermittelt, die sich auf die Konsistenz, Komplexität und Unbeständigkeit beziehen.

6 Der Aufbau einer Anforderungsdokumentation definiert die strukturelle Hierarchie und die Abstraktionsebene der zu dokumentierenden Anforderungen. Die Dokumentationsstruktur kann somit die Bewertung der Konsistenz der aktuellen Anforderungen und des aktuellen Vollständigkeitsstatus der Requirements Engineering Phase unterstützen. Die folgende Abbildung veranschaulicht den Ansatz für die Erfassung von Metriken für das Anforderungsmanagement. Abbildung 1. Conceptual documentation model -Ansatz Der Ansatz besteht aus vier großen Blöcken. Das conceptual documentation model wird verwendet um die Struktur der Anforderungsspezifikation zu definieren und die Dokumentationseinheiten und deren Beziehungen zu definieren. Das Model wird ebenso als Werkzeug für die Sammlung von Metriken die sich auf die Konsistenz und Komplexität von Anforderungen beziehen. Ein Anforderungsmanagement-Dashboard stellt die gesammelten Metriken dar und bietet somit eine Schnittstelle für die Projektmanager an. Eine große Herausforderung bei der Implementierung des Dashboards ist, die erforderlichen Informationen so darzustellen, dass es den Projektmanagern ermöglicht wird, die kritischen Situationen schnell zu identifizieren. Die folgende Abbildung beschreibt ein kurzes Beispiel für das conceptual documentation model:

7 7 Abbildung 2. Beispiel für das Conceptual documentation model Das Modell stellt die folgenden Beziehungen und Abhängigkeiten zwischen den Anforderungseinheiten: jeder Prozess hat genau eine Aktivitätsbeschreibung eine Aktivitätsbeschreibung beinhaltet eine oder mehrere Use-Cases ein Use-Case kann sich auf mehrer Aktivitäten beziehen eine Use-Case-Beschreibung bezieht sich auf eine oder mehrer Funktionen Um die Übereinstimmung eines Dokuments zu einem existierenden Dokumentationsstandard zu bewerten, sind normalerweise Fachwissen und Erfahrungen über das Dokumentationsmodell erforderlich. Projektmanager haben üblicherweise keine Zeit um die Qualität der Anforderungsspezifikation im Detail zu überprüfen. Das conceptual documentation model ermöglicht die Definition von Konsistenzregeln für die Anforderungsspezifikation, die normalerweise implizit bereits bei Reviews durch Qualitätssicherheitsexperten überprüft werden. Zusätzlich kann ein eindeutig definiertes Model die Erhebung von vollständigen Informationen, die zueinander in Beziehung stehen, unterstützten. Zusammen mit einer vordefinierten Spezifikationsvorlage definiert das Model die gesamte Anforderungsstruktur, was dazu führt, dass fehlende Abschnitte in der Anforderungsspezifikation einfacher erkannt werden [9]. 4.2 Metriken für Konsistenz, Vollständigkeit und Unbeständigkeit Die Konsistenzmetriken werden dafür verwendet, die Konsistenzeinhaltung der Anforderungen an das conceptual dockumentation model zu prüfen. Die Komplexität wird basierend auf die bestehenden Beziehungen zwischen den Anforderungen gemessen. Letztlich bieten Unbeständigkeitsmetriken ein Hilfsmittel für die Auswertung der Unbeständigkeit der Anforderungsspezifikation an. Für die Definition von konkreten Metriken wird nach der Goal-Question-Metrik- Ansatz [10] vorgegangen. Ziel: Komplexität der aktuellen Anforderungsspezifikation verstehen. Frage: Wie viele Anforderungen in der Anforderungsspezifikation gibt es, die von anderen Anforderungen abhängen? Metrik: prozentuale Anzahl der Anforderungen, die mit anderen Anforderungen verknüpft sind. Anforderungsmetriken für Unbeständigkeit können dazu verwendet werden, den aktuellen Entwicklungsstatus der Anforderungsspezifikation anzuzeigen. Sie werden als Hilfsmittel für die Veranschaulichung der Anzahl der Änderungen an den Anforderungen über die Zeit. Eine einfache GQM-Definition ist:

8 Ziel: Ermittlung der Bereiche in der Anforderungsspezifikation, die aktuelle in Arbeit sind. Frage: Welche Bereiche in der aktuellen Spezifikation sind zurzeit in der Entwicklung? Wie oft haben sich die Anforderungen geändert? Metrik: Anzahl der Änderungen an den Anforderungen während einer Zeitspanne t [9]. 4.3 Metriken für Erfüllbarkeit Projektmanager interessieren sich weiterhin für den aktuellen Status des gesamten Projektes. Einen wichtigen Aspekt bilden die Anforderungen, die bereits umgesetzt und erfolgreich getestet worden sind. Hier wird nach dem Goal-Question-Indikator- Metrik-Ansatz [4] vorgegangen um nützliche Metriken für das Projektmanagement abzuleiten: Ziel: Erfüllbarkeitsgrad der Anforderungen kontrollieren Frage 1: Wie viele Anforderungen haben welchen Status? Indikator 1: Visualisierung durch Balkendiagramm Metrik 1: Anzahl der Anforderungen pro Status Frage 2: Für wie viel Prozent der Anforderungen wurden Testfälle erstellt? Indikator 2: Visualisierung durch Tortendiagramm Metrik 2: prozentuale Anzahl der Anforderungen, die mit einem Testfall verknüpft sind Frage 3: Wie viel Prozent der definierten Testfälle wurden tatsächlich ausgeführt? Indikator 3: Visualisierung durch Tortendiagramm Metrik 3: prozentuale Anzahl der Testfälle, die ausgeführt wurden Eine weitere sehr wichtige Aufgabe des Projektmanagement ist die Risikominimierung. Ziel: Risiko minimieren Frage 1: Wie viele Anforderungen haben welche Risikostufe? Indikator 1: Visualisierung durch Balkendiagramm Metrik 1: Anzahl der Anforderungen pro Risikostufe Frage 2: Wie viele Anforderungen der einzelnen Risikostufen haben welchen Status? Indikator 2: Visualisierung durch gestapeltes Balkendiagramm Metrik 2: Anzahl der Anforderungen gruppiert nach Risikostufe und Status

9 9 In vielen Fällen sind für die Kontrolle, ob ein Ziel erreicht ist, mehrere Metriken notwendig. Die Kombination von mehreren Metriken bietet den Projektmanagern eine aussagekräftige Übersicht über den tatsächlichen Status des Projektes. In diesem Fall muss auf die Darstellungsart besonders geachtet werden um Missverständnisse zu vermeiden. 5 Zusammenfassung In dieser Ausarbeitung wurde die Bedeutung der Requirements Engineering für den Erfolg oder Misserfolg eines Projektes besonders betont. Das Projektmanagement hat die Aufgabe, über das gesamte Projekt den aktuellen Status, insbesondre den des Anforderungen, zu kontrollieren und entsprechend zu reagieren. Das Messen und die Erhebung von Metriken ist die Voraussetzung für die Produktivitäts- und Qualitätssteigerung einer Softwareentwicklungseinheit. Sie helfen den Projektmanagern, rechzeitig Maßnahmen zu ergreifen um das Projekt in die richtige Richtung zu lenken. Sie liefern zusätzlich wichtige Informationen für Prozessverbesserungen und die Durchführung künftiger Projekte. Wichtig ist, nicht das zu messen was leicht zu messen ist, sondern das was gebraucht wird. D. h. ausgehend von den Zielen, die notwendigen Metriken abzuleiten, die die Frage beantworten, ob das Ziel bereits erreicht ist. Literaturverzeichnis [1] Robillard, Profiling Software through the use of Metrics, CRIM, Canada (1991) [2] Baxter, P. Tavassoli, D., Management Dashboards and Requirements Measurement, (2006) [3] Kurt Schneider, Abenteuer Software Qualität, dpunkt.verlag (2007) [4] Assmann, Kalmar, Dr. Teade, GQM-Handbuch, Fraunhofer IESE (2002) [5] Bernd Hindel, Basiswissen Software-Projektmanagement, dpunkt.verlag (2006) [6] Andreas Spillner, Praxiswissen Softwaretest, dpunkt.verlag (2006) [7] Pressman, Software Engineering a practitioner's approach, The McGraw-Hill Companies (1992) [8] Costello, Metrics for Requirements Engineering", Elsevier Science Inc. (1995) [9] Michael Eisenbarth, Jörg Dörr, "Facilitating Project Management by capturing Requirements Quality and Volatility Information", MeReP07 (2007) [10] Van Solingen, Berghout, The Goal/Question/Metric Method, McGraw-Hill International (UK) Limited (1999)