基于蚁群算法优化反向传播神经网络的软件质量预测

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2022101600

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (11): 3568-3573.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2022101600

基于蚁群算法优化反向传播神经网络的软件质量预测

朱嘉豪¹^,²(), 郑巍¹^,², 杨丰玉¹^,², 樊鑫¹^,², 肖鹏¹^,²

^1.南昌航空大学软件学院，南昌 330063
^2.南昌航空大学软件测评中心，南昌 330063

收稿日期:2022-10-25 修回日期:2022-12-17 接受日期:2022-12-26 发布日期:2023-11-14 出版日期:2023-11-10
通讯作者: 朱嘉豪
作者简介:朱嘉豪（1998—），男，江西丰城人，硕士研究生，CCF会员，主要研究方向：软件可靠性、软件质量预测 zhujiahao_nchu@126.com
郑巍（1982—），男，江西萍乡人，教授，博士，CCF会员，主要研究方向：复杂网络、软件可靠性
杨丰玉（1980—），男，江西九江人，副教授，硕士，CCF会员，主要研究方向：大数据分析
樊鑫（1981—），男，湖北荆州人，副教授，硕士，CCF会员，主要研究方向：软件测试
肖鹏（1988—），男，江西吉安人，讲师，博士，CCF会员，主要研究方向：软件测试。
基金资助:
总装预研基金项目(JZX7J202202ZL002000)

Software quality prediction based on back propagation neural network optimized by ant colony optimization algorithm

Jiahao ZHU¹^,²(), Wei ZHENG¹^,², Fengyu YANG¹^,², Xin FAN¹^,², Peng XIAO¹^,²

^1.School of Software，Nanchang Hangkong University，Jiangxi Nanchang 330063，China
^2.Software Testing and Evaluation Center，Nanchang Hangkong university，Jiangxi Nanchang 330063，China

Received:2022-10-25 Revised:2022-12-17 Accepted:2022-12-26 Online:2023-11-14 Published:2023-11-10
Contact: Jiahao ZHU
About author:ZHU Jiahao， born in 1998， M.S. candidate. His research interests include software reliability， software quality prediction.
ZHENG Wei， born in 1982， Ph.D.， professor. His research interests include complex network， software reliability.
YANG Fengyu， born in 1980， M.S.， associate professor. His research interests include big data analysis.
FAN Xin， born in 1981， M.S.， associate professor. His research interests include software testing.
XIAO Peng， born in 1988， Ph.D.， lecturer. His research interests include software testing.
Supported by:
Assemble Pre-Research Foundation of China(JZX7J202202ZL002000)

摘要/Abstract

摘要：

针对基于反向传播神经网络（BPNN）的软件质量预测模型存在收敛慢、模型精度不高的问题，提出一种基于蚁群算法优化BPNN的软件质量预测（SQP-ACO-BPNN）方法。首先，选择软件质量评价指标，确立软件质量评价体系；其次，采用BPNN构建初始软件质量预测模型，并利用蚁群优化（ACO）算法确定若干网络结构、网络初始连接权值和阈值；再次，给出网络结构评价函数，选择神经网络模型的最佳结构、网络初始连接权值和阈值；最后，通过BP算法训练该网络，得到最终的软件质量预测模型。在机载嵌入式软件质量预测数据上的实验结果表明，优化后的BPNN模型有效提高了预测的准确率、精确率、召回率和F1值，并且模型能够更快收敛，验证了SQP-ACO-BPNN方法的有效性。

关键词: 软件质量预测, 蚁群优化算法, 反向传播神经网络, 网络结构评价

Abstract:

Concerning the problems of slow convergence and low accuracy of software quality prediction model based on Back Propagation Neural Network （BPNN）， a Software Quality Prediction method based on BPNN optimized by Ant Colony Optimization algorithm （SQP-ACO-BPNN） was proposed. Firstly， the software quality evaluation factors were selected and a software quality evaluation system was determined. Secondly， BPNN was adopted to build initial software quality prediction model and ACO algorithm was used to determine network structures， initial connection weights and thresholds of network. Then， an evaluation function was given to select the best structure， initial connection weights and thresholds of the network. Finally， the network was trained by BP algorithm， and the final software quality prediction model was obtained. Experimental results of predicting the quality of airborne embedded software show that the accuracy， precision， recall and F1 value of the optimized BPNN model are all improved with faster convergence， which indicates the validity of SQP-ACO-BPNN.

Key words: software quality prediction, Ant Colony Optimization (ACO) algorithm, Back Propagation Neural Network (BPNN), network structure evaluation

中图分类号:

TP311.5

朱嘉豪, 郑巍, 杨丰玉, 樊鑫, 肖鹏. 基于蚁群算法优化反向传播神经网络的软件质量预测[J]. 计算机应用, 2023, 43(11): 3568-3573.

Jiahao ZHU, Wei ZHENG, Fengyu YANG, Xin FAN, Peng XIAO. Software quality prediction based on back propagation neural network optimized by ant colony optimization algorithm[J]. Journal of Computer Applications, 2023, 43(11): 3568-3573.

图/表 11

参考文献 19

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指标序列	指标名称	指标序列	指标名称
Index1	模块数	Index7	代码审查问题数
Index2	行数>200模块数	Index8	静态分析问题数
Index3	圈复杂度>10模块数	Index9	动态测试问题数
Index4	扇出>7模块数	Index10	首轮动态测试用例通过率
Index5	有效代码率	Index11	回归测试次数
Index6	文档审查问题数	Index12	回归测试问题总数

指标序列	指标名称	指标序列	指标名称
Index1	模块数	Index7	代码审查问题数
Index2	行数>200模块数	Index8	静态分析问题数
Index3	圈复杂度>10模块数	Index9	动态测试问题数
Index4	扇出>7模块数	Index10	首轮动态测试用例通过率
Index5	有效代码率	Index11	回归测试次数
Index6	文档审查问题数	Index12	回归测试问题总数

参数名	编码
结构参数	ST
第一隐含层神经元连接权值	h₁w₁，h₁w₂，…，h₁w₁₉₂
第一隐含层神经元阈值	h₁b₁，h₁b₂，…，h₁b₁₆
第二隐含层神经元连接权值	h₂w₁，h₂w₂，…，h₂w₅₁₂
第二隐含层神经元阈值	h₂b₁，h₂b₂，…，h₂b₃₂
第三隐含层神经元连接权值	h₃w₁，h₃w₂，…，h₂w₅₁₂
第三隐含层神经元阈值	h₃b₁，h₃b₂，…，h₃b₁₆
输出层神经元连接权值	ow₁，ow₂，…，ow₆₄
输出层神经元阈值	ob₁， ob₂，…， ob₄

参数名	编码
结构参数	ST
第一隐含层神经元连接权值	h₁w₁，h₁w₂，…，h₁w₁₉₂
第一隐含层神经元阈值	h₁b₁，h₁b₂，…，h₁b₁₆
第二隐含层神经元连接权值	h₂w₁，h₂w₂，…，h₂w₅₁₂
第二隐含层神经元阈值	h₂b₁，h₂b₂，…，h₂b₃₂
第三隐含层神经元连接权值	h₃w₁，h₃w₂，…，h₂w₅₁₂
第三隐含层神经元阈值	h₃b₁，h₃b₂，…，h₃b₁₆
输出层神经元连接权值	ow₁，ow₂，…，ow₆₄
输出层神经元阈值	ob₁， ob₂，…， ob₄

信息素挥发因子	最优路径长度	迭代次数
0.3	1.63	31
0.5	1.31	46
0.7	1.35	54
0.9	1.41	73

基于蚁群算法优化反向传播神经网络的软件质量预测

Software quality prediction based on back propagation neural network optimized by ant colony optimization algorithm

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图/表 11

参考文献 19

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Metrics

信息启发式因子	期望启发式因子	最优路径长度	迭代次数
0.1	0.1	1.72	121
0.1	0.5	1.64	73
0.5	1.0	1.62	61
1.0	2.0	1.33	40
1.5	3.0	1.36	43
1.5	5.0	1.39	51

模型编号	网络层数	网络结构	CE	F
1	4	（12，15，10，4）	1.218	2.01
2	5	（12，10，16，12，4）	1.766	1.94
3	4	（12，15，12，4）	1.377	1.91
4	5	（12，12，12，10，4）	1.322	1.88
5	5	（12，10，18，8，4）	1.832	1.86
6	3	（12，16，4）	1.331	1.84
7	4	（12，10，10，4）	1.368	1.82
8	3	（12，15，4）	1.325	1.81
9	4	（12，10，8，4）	1.384	1.78
10	3	（12，14，4）	1.329	1.77

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蚂蚁数量	最优路径长度	迭代次数
10	1.67	39
30	1.54	43
50	1.29	47
70	1.34	53
90	1.32	64

蚂蚁数量	最优路径长度	迭代次数
10	1.67	39
30	1.54	43
50	1.29	47
70	1.34	53
90	1.32	64