新一代運載火箭軟件系統管理方法探討

王曉玲，楊 凡，鄒 軍，安占新

（1.北京航天自動控制研究所，北京 100854；2.中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

新一代運載火箭軟件系統管理方法探討

王曉玲1，楊 凡2，鄒 軍1，安占新1

（1.北京航天自動控制研究所，北京 100854；2.中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

針對新一代運載火箭系統復雜度提升和大量新技術應用對軟件研制管理提出的挑戰，總結新一代運載火箭軟件研制經驗，提出了新一代運載火箭軟件系統研制應關注的管理內容，可供其他復雜型號軟件系統管理借鑒。

新一代運載火箭；軟件系統；管理

1 引言

近年來，新技術在新一代運載火箭型號中的應用，促進了軟件技術的適應性發展，軟件功能和芯片復雜度不斷增加，軟件與硬件設計相互滲透，軟件已不再是簡單堆疊獨立的配置項，而是有機結合的復雜分布式軟件系統。如何在此背景下完成型號軟件研制任務，是新一代運載火箭型號研制面臨的挑戰。因此需要梳理以往軟件研制經驗，探索合適的軟件管理方法，以提升運載火箭型號軟件系統的研制能力，提高型號軟件的研制質量和可靠性。

2 新一代運載火箭軟件系統功能簡介

新一代運載火箭軟件系統主要由控制分系統軟件、測量分系統軟件、總控網分系統軟件、動力測控分系統軟件以及地面發射支持分系統軟件五大部分組成［1］。

1）控制分系統軟件主要幫助控制系統完成火箭飛行過程中的制導、姿態控制以及時序控制等功能。

2）測量分系統軟件的主要功能是完成火箭的遙測參數測量、傳輸、處理與向外系統發布等功能。

3）總控網分系統軟件完成對火箭測試發射流程的控制和管理，對各分系統測試狀態和測試參數的實時采集，測試數據的接收、存儲、記錄、發送、轉發等功能。

4）動力測控分系統軟件負責完成對動力系統測試、發射過程的控制。

5）發射支持分系統軟件控制發射平臺的各種工作狀態，完成對運載火箭的支承、捆綁、垂直度調整等任務。

各分系統密切配合，共同完成運載火箭系統的任務。圖1為某運載火箭拓撲結構示意圖。

圖1中運載火箭系統接口設計不但要考慮與飛船系統、基地加注系統、C3I系統等的外部接口，還要考慮內部控制分系統、測量分系統、總控網分系統、動力測控分系統、發射支持分系統等各分系統之間的接口設計，接口類型包括1553B總線、RS485總線、RS422總線、以太網以及連接電纜等。接口信息包含了箭地之間、前后端之間、起飛前后等各種信息，如：控制分系統各關鍵單機的電壓信號，火箭與基地加注系統通過網絡傳輸加注液位信息和加注系統壓力、溫度等信息，發射支持分系統為控制分系統提供“擺桿好”信號等，控制分系統的轉電、點火、起飛等關鍵時統信號、飛行軟件計算結果及飛行時序等。所有這些信息在各個分系統之間以及火箭與外系統之間按照接口協議的要求進行交互，協同工作。

3 新一代運載火箭軟件系統研制的特點

新一代運載火箭研制過程中，大量新技術的應用使得型號軟件系統功能和復雜度不斷增加，根據《載人運載火箭軟件工程化二十年實踐》［2］一文中對于以往型號軟件研制特點的敘述，新一代運載火箭軟件與歷史型號相比還存在一些不同，主要體現在以下六個方面：

1）軟件規模、數量、種類、復雜程度大大增加。以往運載火箭軟件配置項數量一般有幾十個，其中A、B級軟件配置項的數量一般只有幾個，軟件的總規模多數為幾十萬行左右，軟件之間的接口關系較為簡單，接口總線形式多為串行總線或以太網；而新一代運載火箭軟件數量已經達到了幾百個，軟件規模也達到了百萬行，而接口關系也越來越復雜，接口總線涵蓋了串行總線、1553B總線、CAN總線以及以太網。

圖1 某運載火箭系統總體拓撲結構與信息流Fig.1 The topology and information flow of a rocket system

2）新一代運載火箭中智能芯片的大量應用使得現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，以下簡稱FPGA）類軟件數量逐步增多，以某型號為例，FPGA類的軟件占配套軟件數量的40%以上，其質量好壞直接決定了型號產品的質量，因此在載人航天工程新版的軟件管理要求中將此類軟件管理納入了軟件管理的范疇。

3）軟件安全性、可靠性、信息安全性以及軟件測試方面的質量要求更高。新一代運載火箭承擔著載人航天工程的重要任務，其安全性和可靠性要求相對于其它運載火箭型號更高、更細化，貫穿到軟件研制的每個細節；同時其測試要求也從源碼級覆蓋到了目標碼級。

4）研制周期大幅縮短。以往運載火箭型號的研制周期從方案到飛行試驗一般要十幾年的時間，而新形勢下的型號研制周期一般為五至七年，雖然任務周期縮短了，但是質量要求卻越來越高，這些對型號軟件的研制提出了新的挑戰。

5）軟件承擔單位不再單純地分布在航天系統，軟件研制逐步向跨單位、跨專業的方向發展，涉及到航天、航空、船舶、中電以及高校等多家單位、多個領域，由于背景的差別，軟件的管理難度逐漸增大。

以往型號軟件管理的模式越來越不適應新一代運載火箭的發展要求，主要體現在以下幾個方面：

1）軟件系統層面缺乏頂層架構設計，直接影響軟件產品的質量和研制效率；

2）對FPGA類軟件近幾年才逐步形成管理要求，部分研制單位甚至現在還未形成相關規范或要求，此類軟件的研制質量良莠不齊；

3）缺乏軟件系統層面的目前此類與分析方法。可靠性安全性設計工作多數在單個配置項層面開展，導致許多軟件系統層面可靠性安全性設計要求只有在大量測試之后，尤其是出現問題之后才會提出；

4）大多數單位軟件開發方式仍然是面向代碼、從無到有的手工作坊式，軟件重用程度不高，加上軟件又處于型號研制流程的末端，因此軟件短線問題時有發生；

5）各單位研制與管理水平參差不齊。軟件數量和種類的增多直接導致軟件承制單位越來越多，甚至有許多承制單位為非軍工企業，對于航天型號軟件的管理理念有一個逐步認識的過程，導致各單位軟件管理水平極不平衡，尤其傳統以硬件設備研制為主的單位和某些高校軟件管理問題更加凸顯。

4 新一代運載火箭軟件系統管理方法

針對新一代運載火箭軟件系統的特點，為了更好地對軟件研制工作進行有效管理，提高軟件產品的質量，火箭系統積極探索新的管理方法。具體如下：

1）建立以軟件工作組為核心的型號軟件工程化管理隊伍

設立了專職的軟件副總師，協助型號兩總，開展型號軟件的組織、管理、技術把關、技術協調等工作。為進一步強化軟件副總師組織管理執行力，成立以軟件副總師為組長，各個重要分系統軟件負責人為成員的軟件工作組，推動全型號軟件的工程化管理，從而提升型號軟件的整體質量。

2）強化軟件的頂層策劃與系統設計

隨著計算機技術的不斷發展，航天系統中軟件所占的比重越來越大，承擔的角色也越來越重要；軟件已不是幾個簡單堆疊的配置項，而是有機結合、相互協作的復雜系統，尤其是經過了反復綜合集成和系統優化后，系統的各部分之間形成了高度交互的關聯關系，某個局部的失效或部件間接口不匹配，都會對系統產生巨大的影響，進而造成嚴重的后果。因此應從系統的角度進行統一的策劃和設計。新一代運載火箭研制中的具體做法如下：

（1）頂層策劃，標準先行

在型號研制初期，軟件工作組對新一代運載火箭型號的任務需求進行總體分析的基礎上，總結梳理軍用航天領域軟件類的標準規范，建立型號遵循的標準體系（見圖2），規范各配套研制單位的軟件研制工作。

（2）軟件系統架構設計

借助軟件架構設計“五視圖”［4］的思路，進行軟件系統架構設計：

①邏輯架構設計：依據型號任務要求和型號軟件系統分析，確定各分系統軟件系統承擔的功

圖2 軟件研制標準體系Fig.2 The hierarchy of software development standards

能以及相互間的接口關系和接口協議。

②物理架構設計：依據總體任務要求以及各分系統軟件系統的功能，確定各分系統軟件系統間的連接關系和物理鏈路。

③開發架構設計：依據總體任務要求，確定關于操作系統、編譯器測試驗證、接口格式、軟件殺毒等方面的要求；同時規劃全型號的軟件系統架構，最終形成型號軟件產品樹。

④運行架構設計：依據總體任務要求，進行時序設計，并規劃軟件系統中各個配置項的運行時機；同時還要根據型號的總體性能要求，進行軟件系統的信息流規劃，確定軟件系統的性能指標，并分配到各個分系統，最終落實到各個配置項的指標要求中。

⑤數據架構設計：依據總體任務要求以及數據存儲的容量、實時性限制等，針對軟件系統輸入、輸出數據以及各分系統軟件系統之間交互的數據進行數據架構設計。

3）從軟件系統層面開展可靠性安全性分析與設計

空間站工程中，對于軟件可靠性和安全性要求高，軟件系統安全性分析與設計工作顯得尤為重要［1］，新一代火箭軟件系統可靠性和安全性分析工作主要基于時序事件鏈分析的方法，以時序分析為主線，從射前直到飛行結束，共劃分若干個工作段，對每個工作段的關鍵時序進行分析，梳理出與軟件系統相關的關鍵系統模式、關鍵任務，對每個危險事件涉及到的軟件配置項進行分析，并設計防范措施，提出驗證要求，最終形成軟件系統安全性分析報告，并落實到各個相關配置項的任務書中。

4）以“軟件重用”為手段，提升軟件開發效率

新一代運載火箭型號軟件數量、規模、復雜程度提高的同時，型號研制周期大幅度縮短，在這種背景下，軟件重用為短時間內研制出高可靠、高安全的軟件產品提供了很好的思路。借鑒楊芙清教授在《面向復用的軟件資產與過程管理》［3］一書中關于軟件重用的理念，從重用構件、重用框架和重用產品三個層面開展軟件重用工作，隨著重用產品在型號研制中的逐步應用，軟件產品的質量和開發效率不斷提高。目前，某型控制系統軟件研制過程中，飛行控制軟件中使用了4類83個重用構件，地面測發控軟件使用了重用框架，重用率高達72.1%，這些都大大提高了軟件產品研制的效率。

5）關注FPGA類軟件研制，規范研制流程

目前，新一代運載火箭系統FPGA等硬件描述語言類的軟件占配套軟件數量最高已超過40%，其質量好壞直接決定了型號產品的質量。由于此類軟件的研制流程和管理方法與應用軟件不同，因此，運載火箭系統在對重點研制單位進行實地調研的基礎上，深入了解各單位的研制現狀，提出了可編程邏輯器件研制流程，并從此類軟件的研制流程、研制規范、測試技術等方面開展了全型號范圍的培訓，以保證其研制質量。

6）嚴格外協外包質量控制，加強對關鍵供方的管控

規范的過程管理是提高軟件產品質量的重要手段之一，運載火箭系統在進行軟件過程管理中，在總結以往經驗和充分調研的基礎上，結合傳統的管理模式，突出管理的重點，提出了以下幾個方面措施：

（1）軟件重要節點納入型號研制計劃考核。

（2）堅持軟件工作組例會制度，定期對各配套單位的軟件研制情況進行跟蹤管理；并制定計劃，參與關鍵軟件重要節點的評審和驗收，同時對關鍵軟件進行獨立檢查，及時發現問題，及時糾正。

（3）充分調研型號隊伍的需求，及時組織開展全型號層面的技術培訓，統一設計師隊伍的思路和方法，提高設計師隊伍的技術水平。

（4）加強軟件研制過程中的自查工作。針對軟件分系統、軟件配置項、FPGA類軟件研制等制定專門的檢查單，由型號隊伍進行軟件研制情況自查，盡早發現不足，改正缺陷。

（5）規范軟件復核復算工作。以往型號多數以軟件代碼審查作為軟件復核復算方法，這種方法雖然很有效但是不夠全面，為此，某型號專門下達了試樣階段軟件研制要求，從軟件的功能、性能、接口（含通信協議）、時序、中斷設計、安全性可靠性設計準則符合性、異常處理、測試驗證覆蓋性、堆棧使用等多個方面提出了詳細的復核復算實施方法，以便于設計人員開展工作。

5 結語

航天型號研制是一項復雜的系統工程，軟件系統作為核心控制部分，其研制對任務成敗具有至關重要的影響。本文總結了新一代運載火箭軟件系統的特點，以及以往型號軟件管理方法的不足，從管理策略、技術方法等不同角度探討了新一代運載火箭軟件系統管理方法，可為其他軟件系統的研制和管理提供參考。

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［1］ 黃春平.載人航天工程運載火箭系統管理實踐［M］.北京：中國宇航出版社，2005.

Huang Chunping.The Practice Management of Launch Vehicle for the Manned Space Flight Project［M］.Beijing：，China Astronautic Publishing House（CAPH），2005.（in Chinese）

［2］ 宋征宇.載人運載火箭軟件工程化二十年實踐［C］//.載人航天工程軟件工程化論文集，北京：中國宇航出版社，2013.

Song Zhengyu.20-year Experiences of software engineering in manned space launch vehicle［C］//Conference Proceedings of Software Engineering in the Manned Space Flight Project，Beijing：China Astronautic Publishing House（CAPH），2013.（in Chinese）

［3］ 楊芙清，梅宏，謝冰，等.面向復用的軟件資產與過程管理［M］.北京：清華大學出版社，2008.

Yang Fuqing，Mei Hong，Xie Bing，et al.Reuse-Oriented Software Assets and Process Management［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2008.（in Chinese）

［4］ 李偉，吳慶海.軟件架構的藝術［M］.北京：電子工業出版社，2009.

Li Wei，Wu Qinghai.The Art of Software Architecture［M］. Beijing：Electronic Industry Press，2009.（in Chinese）

［5］ NASA.Study of Flight Software Complexity，2009.

Discussion on Management of Software System Development in New-generation Rockets

WANG Xiaoling1，YANG Fan2，ZOU Jun1，AN Zhanxin1
（1.Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854，China；2.China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China）

The complexity of the software in new-generation rocket has increased dramatically due to the burst-out and application of new technologies，which brings challenges to software development management.Some experiences and approaches summarized from a rocket's developing process were exhibited in this paper，so as to benefit the management of subsequent rockets'software developments.

new-generation rocket；software system；management

V4

A

1674-5825（2015）06-0618-05

2015-05-05；

2015-10-17

王曉玲（1970-），女，碩士，研究員，研究方向為軟件開發與軟件測試。E-mail：wxl.amy@sohu.com