南京地鐵AFC系統的軟件過程管理探討

吳 娟 徐鐘全 毛 建（ 南京地鐵建設有限責任公司, 南京，007 北京全路通信信號研究設計院有限公司，00073）

1 概述

自動售檢票系統（AFC）是基于計算機、通信、網絡、自動控制等技術，實現軌道交通售票、檢票、計費、收費、統計、清分、管理等全過程的自動化系統。隨著城市地鐵網線發展和建設速度的加快，傳統的以線路為單位的AFC系統逐步融合產生一個包含大量軟硬件設備的信息系統。系統中的各種軟件也由于控制和數據信號的通信往來而演化地更加復雜。在軟件的強耦合條件下，如何保障設備和系統提供商所開發出的AFC軟件的可靠性、穩定性、安全性和高效性變得非常重要。為此，本文從AFC系統軟件過程管理的角度，分析并指出保證AFC系統軟件質量、提高軟件項目管理水平的相關措施。

1.1 AFC系統總體架構與軟件體系

南京城市軌道交通線網AFC系統由五層架構組成，包含車票層、終端設備層、車站層、線路中心層次、清算管理層，如圖1所示。

AFC系統中的軟件主要包括操作系統、數據庫軟件、網絡軟件、AFC數據傳輸軟件、AFC應用軟件和其他輔助軟件等。

操作系統是指運行在終端設備、車站計算機等微型計算機，以及運營管理和清算中心計算機上的計算機操作系統，如嵌入式操作系統、Windows系統、Linux/Unix系統和AIX 服務器操作系統。

數據庫軟件是指運行在各種操作系統中，支持地鐵運乘和票務數據的數據庫管理系統，如Oracle、DB2、SQL Server、My SQL 等。

網絡管理軟件是指符合SNMP協議，能夠統一管理各廠家的多種服務器、工作站、存儲設備、網絡設備（路由器、三層交換機、二層交換機），可以跨平臺使用，并支持以太網、WindowsNT、NetWare及FDDI等。

AFC數據傳輸軟件是支持實時和準實時AFC數據傳輸的相關軟件或中間件。

AFC應用軟件是指提供自動售檢票，且用于相關票務和運乘數據處理和分析的相關應用軟件，是AFC軟件系統中與核心業務關系最為密切的部分。

其他輔助軟件是指保障AFC系統中軟硬件設備正常工作的其他輔助性軟件，如設備驅動、監控和警戒、網絡和信息安全等相關軟件。

以上軟件體系中，操作系統、數據庫管理、網絡管理和一些輔助軟件一般直接采購相關的軟件產品或使用成熟的開源軟件以滿足相關技術要求。AFC數據傳輸軟件由于經過幾代的開發，已經形成穩定的中間件軟件，演化地相對成熟。AFC應用軟件往往需要根據新線路的具體情況進行設計，并且涉及和已有線路之間的數據交換，因此是軟件開發任務最為繁重的部分，也是容易產生軟件質量問題的薄弱環節，是本文討論的重點。

1.2 AFC應用軟件實施過程管理的必要性

軟件過程管理是提高軟件生產率和保證軟件質量的一個重要方法。軟件過程是為開發高質量軟件所需要完成的任務框架。研究軟件過程本質上是為了突出關鍵過程以改善軟件的質量[2]。

在地鐵各系統中，AFC系統往往直接面對乘客服務，是體現地鐵服務質量的重要窗口。為了保證AFC系統在地鐵線網開通時能夠為乘客提供安全、便捷和高效的服務，需要在設備樣機生產到系統開通運營的各階段對AFC系統設備的硬件功能、軟件功能、技術性能、系統穩定性等進行測試，以保證AFC系統能夠安全、穩定、高效的運行。為此，需要對AFC系統的應用軟件實施過程管理，以保障提交運行的軟件具有較高質量。

2 AFC應用軟件要求及過程管理措施

2.1 軟件成熟度模型

軟件成熟度模型是軟件過程管理的模型之一。軟件能力成熟度模型是美國大學Camegie Mellon University軟件工程研究所提出的一套系統、規范的對軟件生產過程進行管理的模型，是指一個軟件過程被明確定義、管理、度量和控制的有效程度。成熟度等級用來描述某一成熟度等級上的組織特征，每一等級都為下一等級奠定基礎，過程的潛力只有在一定的基礎之上才能充分發揮。CMM（Capability Maturity Model）將軟件過程改進的優化步驟組織成5個成熟等級：初始級、可重復級、可定義級、已管理級、優化級[3]。CMM體現出對軟件開發和維護進行過程監控，使其更加科學化、標準化。CMM日益在業界被廣泛接受，成為軟件開發管理的工業標準。企業實施CMM并評估可以指導軟件組織提高軟件開發管理能力，幫助軟件企業識別開發和維護軟件的有效過程和關鍵實踐，降低軟件承包商和采購者的風險，增加軟件企業的市場競爭能力。CMM的有效性已為大量實踐所證實，并已成為對一個軟件企業的生產能力和產品質量進行衡量的事實標準。建立這樣一個軟件過程成熟度模型來對軟件過程進行一個客觀、公正的評價，以促進軟件開發組織改進軟件過程。

2.2 AFC應用軟件技術要求

AFC應用軟件的開發應滿足以下指標要求。

模塊化：應用軟件的設計應采用如面向對象的設計方法，各層次的軟件應按實現功能劃分子模塊，各模塊應以插/控件的形式存在，降低由于強耦合導致的升級和再開發的困難。

可擴展性：隨著地鐵運營發展的需要，當需要增加新的功能、新的設備、新的部件、新的車站時，新開發的應用模塊可方便的加入到應用軟件系統中，而不影響應用軟件的正常運行。新模塊的開發只需要知道與其相關的功能模塊的外部接口即可實現。

可維護性：包括軟件配置管理、系統安全管理、軟件開發接口、調試與測試、數據庫性能和交易處理或網絡性能監測功能。

可移植性：提供一套標準的車站系統應用軟件和車站各售檢票設備應用軟件，當系統安裝或將來增加車站計算機系統或車站售檢票設備等時，應能使用提供的同一套應用軟件進行安裝，設置相應的參數即可完成軟件的移植。當硬件或軟件平臺升級時，應保證應用軟件可快速移植。

可重用性：應用軟件應能共用相同功能的子程序，如安全管理模塊和數據傳輸模塊等。

參數化：應用軟件應盡量使用參數化設置完成功能需求及性能要求。

實時性：應用軟件應滿足本系統實時監控和在線查詢的要求。當程序因不明干擾而引起錯誤或死鎖時，可以自動恢復。

友好性：應用軟件應為多用戶系統，操作界面應采用圖形界面方式、多文檔窗口模式，具有較好的用戶體驗。

2.3 AFC應用軟件過程管理的步驟

AFC應用軟件過程管理貫徹于軟件開發和管理的整個生命周期，為保證軟件的可靠性，應在軟件生命周期的各個階段盡可能地減少缺陷[5]，具體內容如下。

1）需求分析階段：全面理解用戶要求，與用戶充分交換意見，制定詳細、完整的用戶需求書。

AFC系統的最終使用者是地鐵乘客。因此要在軟件需求分析之初，就充分考慮到乘客在系統使用上的各項需求。AFC系統的操作者是運營公司相關部門人員。他們對于系統的日常操作、維護維修，有著各方面的需求和考慮。因而，在軟件需求分析階段，必須及時溝通，充分調研，全面了解各方面的需求。這方面工作決不能等到軟件雛形出來后再去征詢各方面意見，要確保用戶需求的穩定、明確。

2）設計階段：特別要考慮，特殊情況及錯誤發生時的處理方案。要將乘客的各種使用習慣和非正常操作都納入到軟件設計者的設計考慮范圍。

3）編碼階段：要考慮到編碼對于軟件功能的覆蓋，做到各大功能范圍內的各項子功能全面覆蓋。

4）測試階段：編制科學、合理、完整的測試用例。模塊測試、系統測試，按順序進行，要確認整個系統的各個功能均能完全實現，測試階段是保障軟件可靠性的重要階段，將在本文第三部分詳細介紹。

5）維護階段：在軟件交付使用后對遺留問題或軟件缺陷進行整改糾偏，這一階段在AFC系統中非常重要。一般來說，地鐵運營部門在使用中會提出一些修改意見或新需求。由于是對已正式上線運營系統的修改，必須要嚴格進行需求評審分析，確認對原程序的影響，待軟件修改后必須反復、充分地進行系統測試，最終方能交付使用，正式上線。

6）每個階段均實行面向用戶參與的原型演化。在每個階段的后期，快速建立反映該階段成果的原型系統，通過原型系統與用戶交互，及時得到反饋信息，驗證該階段的成果并及時糾正錯誤，這一技術被稱為“原型演化”。而不是等系統全部交付時才與用戶交互。

另外，每一個階段都應嚴格提交與軟件的每一階段相匹配的全面文檔資料，從而保證軟件配置文件的完整性。

2.4 軟件過程管理工具的應用

為了提升軟件的研制能力成熟度和企業的整體競爭力，有必要在軟件過程管理上引入專業管理軟件。南京地鐵在新線AFC系統軟件項目管理中，將引入軟件過程管理工具，從項目啟動、項目計劃、項目執行與跟蹤，到項目收尾，進行項目管理全生命周期的管理。

3 AFC系統的軟件測試

軟件測試是減少軟件錯誤、提高軟件可靠性的有效方法和重要保證，在軟件生命周期中有相當重要的地位。

3.1 軟件測試主要方法

軟件測試從測試方法上可分為手動測試和自動測試。從源代碼的角度可分為單元測試和功能測試。這里主要側重于軟件性能質量的測試方法[4]。

功能測試：驗證測試軟件功能能否正常按照它的設計工作，驗證軟件的期望行為是否符合原設計。

可接受性測試：是在把測試的版本交付測試部門大范圍測試以前進行的對最基本功能的簡單測試。

用戶界面測試：分析軟件用戶界面的設計是否合乎用戶期望或要求。

“探索或開放”型的測試：這種測試是測試人員在理解該軟件功能的基礎上運用靈活多樣的想象力和創造力去模擬用戶的需求來使用該軟件的多種功能。

邊界條件測試：是環繞邊界值的測試，通常意味著測試軟件各功能是否能正確處理最大值，最小值或所設計軟件能夠處理最長的字符串等。

性能測試：驗證軟件的性能在正常環境和系統條件下重復使用是否還能滿足性能指標。

回歸測試：根據修復好的缺陷再重新進行的測試。目的在于驗證以前出現過但已經修復好的缺陷不再重新出現。

強力測試：它通常驗證軟件的性能在各種極端的環境和系統條件下是否還能正常工作。

其他還包括集成與兼容性測試及裝配安裝配置測試等。

3.2 AFC系統軟件測試的步驟

隨著軟件功能的強大，軟件的復雜度也越來越高，這就對軟件的可靠性提出更高要求，同時也對軟件測試增加了難度。

AFC軟件需經歷幾大階段的測試步驟才能最終通過軟件驗收。

1）單元測試：對源程序中每一個程序單元進行測試，檢查各個模塊是否正確實現規定的功能，從而發現模塊在編碼中或算法中的錯誤。

2）集成測試：各模塊經過單元測試后，將各模塊組裝起來進行集成測試，以檢查與設計相關軟件體系結構的有關問題。

3）系統測試：將已確定的軟件與其他系統元素結合在一起進行測試，以驗證系統軟件、硬件功能完全達到功能要求。其中還分為：單系統集成測試和聯合系統集成測試。

4）聯調實驗：除驗證本系統內所有設備均能滿足合同要求并協調運轉，同時還驗證與其他相關系統的接口功能。

相對于地鐵其他系統而言，考慮到AFC系統的特殊性，AFC軟件測試要重點考慮以下問題。

1）系統使用者的特殊性。AFC系統的使用者是年齡、習慣都不確定的地鐵乘客。因而，軟件測試時應充分考慮到使用者使用習慣的不確定性，甚至考慮個別乘客的違規操作等對系統的影響。

2）大規模壓力測試。AFC系統軟件的穩定性如何，其最終檢驗方式是地鐵開通后乘客的大客流使用。因此，在開通運營之前，要對AFC系統進行大規模的壓力模擬測試，以檢驗壓力測試下系統的各方面性能是否達到要求。只有經過反復多次的壓力測試，系統軟件的某些問題才會暴露出來，然后進行有針對性糾正，以使系統軟件更加穩固。

3.3 AFC系統軟件項目管理中引入第三方檢測的必要性

目前，軟件第三方測試在國內剛剛起步，但隨著信息化程度的不斷提高，以及人們對軟件測試重視程度增強，軟件第三方測試正逐步被軟件企業和軟件最終用戶所認可。第三方檢測是促進軟件發展、保證軟件質量的重要技術支持。其優點主要表現在4個方面：客觀性、專業性、權威性、獨立性。

正是意識到第三方測試在軟件質量保證方面的重要性和體現出的優勢，目前南京地鐵已將第三方測試列入新線的合同范圍，強制要求承包商開展第三方測試。這也是對AFC系統軟件質量的一個保障措施，通過第三方的審查和監督來確保項目質量。值得一提的是，建議第三方測試介入到軟件開發階段，而不僅僅是軟件交付前的測試。我們期待在這一期的項目建設中，看到第三方測試在軟件質量保證上的成效。

4 實施AFC軟件過程管理主要工作措施

綜上所述，AFC系統的軟件過程管理應著重做好以下幾點。

1）實施基于CMM的軟件企業過程管理制度。將CMM認證的級別作為對承包商在軟件能力上的要求之一，列入招投標的資質要求。

2）開發針對AFC系統應用軟件的標準化測試平臺，標準化和豐富測試用例，制定規范全面的測試流程。

3）開展基于第三方檢測的過程管理，通過合同規定作為項目驗收的必要滿足條件，以保證軟件交付質量。

4）加強地鐵監理單位對AFC系統軟件的監理職能。以往的地鐵監理側重于對土建或設備硬件的監理，隨著網絡化運營后，AFC系統軟件重要性日益突出，應健全監理單位在軟件方面的組織結構，建立軟件項目監理相關工作制度，發揮地鐵監理在軟件過程管理方面的監督管理職能。

只有做到上述幾點，才能有效地抓好軟件開發的過程管理，最大限度地降低甚至消除AFC系統的潛在缺陷，從而提升軟件產品質量。

5 結論

鑒于當前AFC應用軟件項目管理存在的不足，探討了AFC系統軟件技術要求和過程管理步驟，介紹了實施軟件測試的相關方法和步驟，明確了引入第三方測試的必要性，給出了AFC軟件過程管理的主要工作措施，為AFC系統軟件項目的管理提供了參考。在未來工作中，將進一步對本文提出的建立標準化測試平臺，以及開展面向提高軟件交付質量的相關管理制度和措施開展研究。

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