復雜航空軟件工程化管理研究

黃 洋

隨著航空裝備數字化程度的提高，軟件在航空裝備中的比例和規模呈大幅上升趨勢，但軟件的質量和可靠性卻差強人意，軟件故障已成為航空裝備事故發生的主要原因。根據理論研究和國內外實踐經驗，實施軟件工程可有效提升軟件質量，確保軟件可靠性。

從國內型號軟件研制現狀來看，雖然研發單位都對軟件過程進行了控制，但軟件工程化總體水平仍較落后，軟件質量難以保證，因此，制定一個適合我國國情的軟件工程化管理體系，開展必要的軟件工程化工作尤為重要。

1 軟件工程研究現狀

軟件工程（Software Engineering）是應用計算機科學理論和技術以及工程管理原則和方法，按照預算和進度，實現滿足用戶要求的軟件產品的定義開發、發布和維護的工程或以之為研究對象的學科。從1968年“軟件工程”提出至今，已總結出多種軟件工程方法和模型，包括國外的CMMI（Capability Maturity Model Integration）、ISO 9000，以及國內的軍用軟件研制能力成熟度模型、GJB 9001等。

能力成熟度集成模型（Capability Maturity Model Integration）是美國卡內基·梅隆大學軟件工程研究所（SEI）從1986年開始研究并完成的。CMMI過程模式用于提高軟件研發和管理能力，包括5 級：初始級（Initial）、可重復級（Repeatable）、已定義級（Defined）、已管理級（Managed）和優化級（Optimizing）。

ISO 9000系列標準是一組保證產品質量的標準，是歐盟認可的國際標準化組織制定的標準。其中，ISO 9001指導軟件企業建立質量體系，對企業的管理和控制提出具體的質量要求。

GJB 5000A-2008《軍用軟件研制能力成熟度模型》用于提高軍用軟件研發和管理能力。軍用軟件研制能力成熟度模型分為ML1（初始級），ML2（已管理級），ML3（已定義級）， ML4（已定量管理級）， ML5（優化級）5個級別。此外，GJB 9001B—2009《質量管理體系要求》也進一步強調對軟件工程化管理要求的細化。

2 復雜航空軟件工程化綜合管理框架

由于航空型號軟件研制具有軟件在飛機中的實現比率大幅上升、大部分軟件為嵌入式軟件、高可靠性和高安全性、參與研制的單位眾多的特點，為了保證復雜軟件系統的研發，需要按照軟件工程化的理論、技術和方法進行軟件研制工作。

軟件工程化管理主要對軟件開發過程、軟件驗證過程、軟件質量管理過程和使用與維護過程進行管理。軟件開發過程對開發各階段的開發活動進行管理；軟件驗證過程主要是對軟件測試和評審進行管理；軟件質量管理主要包括軟件分級管理、軟件需求管理、軟件文檔管理、軟件質量保證、軟件配置管理、軟件失效分析和糾正措施系統過程；軟件維護是軟件在交付使用后，因出現故障或改善原有性能等進行的修改，應加強對該階段管理的強度。

軟件工程化管理工作包括總體規劃、組織建設、體系建設、標準與規范以及工具建設，分為5個部分。總體規劃包含實施原則和實施策略；組織建設包括機構組成和人員組成；體系建設包括頂層要求、實施大綱以及工作規范；標準與規范主要是選擇合適的標準和規范進行剪裁和融合；工具建設是軟件研制單位為了提高軟件開發效率，降低軟件開發成本進行的基礎建設。軟件工程化管理的關鍵包括對軟件開發過程的全過程控制、對軟件質量的全方位管理和建立多層次的軟件開發、管理體系。

軟件工程化綜合管理框架如圖1所示。

3 軟件工程實施重點

3.1 軟件測試質量評價

軟件測試質量評價是通過軟件測試實踐，在不同測試活動中選取了一系列度量元對軟件測試工作質量進行評價，并對軟件測試質量的評價值做出A、B、C、D的“模糊”評價。

軟件測試質量評價包括合格性評價和模糊評價兩個部分。合格性評價主要是對軟件測評過程和活動是否按照相關國軍標要求進行評價。模糊評價是在合格性評價通過的基礎上，按照合理的軟件測試評價模型，度量影響軟件測試質量的相關因素，基于灰色理論給出軟件測試質量的評價。本文提出的軟件測試評價模型，分為測試需求、測試策劃、測試設計、測試執行和測試總結5個活動，每個活動有若干個度量元。單元測試、部件測試、配置項測試和系統測試將分別按照以下的評價方法進行評價后，在進行加權集成評價。

軟件測試工作質量評價框架如圖2所示。

軟件測試工作質量評價實施步驟如下：

● 對被測軟件進行測評歷史評價及文檔質量評價。

● 進行合格性評價。評審組按照相關標準要求的目標進行審查，確定軟件測試項目合格性。

● 進行“模糊評價”。確定各測試級別、測試活動的關聯系數權重；確定每個度量元最優指標及權重；收集各度量元相關數據，計算實際值與最優指標的關聯系數、單項活動綜合關聯系數、待評價對象測試活動綜合關聯系數及綜合關聯系數。

● 進行綜合評價，確定綜合評判定量要求，計算綜合評價值，根據綜合評價值判定測評項目所處的檔位并排序。

3.2 軟件研制工具管理

目前，軟件研制工具管理在型號管理中是一個盲區，將軟件研制工具納入統一管理可降低使用多種工具帶來的多種風險、減少工具使用沖突，提高型號軟件研制質量，便于工程管理和評價。

國內外對于軟件研制工具管理較為系統和完整的標準是RTCA DO-330《軟件工具資格鑒定考慮》，但其以目標為基礎的鑒定方法并不適合我國遵循過程導向標準的現行軟件研制體制。

因此，借鑒RTCA DO-330的工具鑒定思想，結合目前我國型號管理現狀，制定了軟件研制工具管理實施方法。軟件研制工具管理實施框圖如圖3所示。具體實施步驟如下：

● 確定軟件研制工具管理范圍，包括型號軟件開發工具和驗證工具；

● 調研擬承擔型號項目單位預計使用的開發工具和測試工具，了解目前主流工具的使用情況；

● 按照軟件級別和工具類型對工具進行分級，自研的開發工具、驗證工具與商用工具具有不同的級別；

● 在承研單位計劃使用該工具前完成工具鑒定；

● 工具鑒定時承研單位根據工具等級提交審查資料；評審組根據審查單對工具資料進行會議審查（必要時可進行現場抽測），并給出審查結論。

4 復雜軟件工程化管理實踐和應用

軟件工程化的實施重點是軟件開發過程。軟件工程化管理的實踐和應用主要從軟件生存期各階段過程控制、軟件全方位質量管理、軟件組織過程3個方面開展。

4.1 軟件生存期各階段過程控制

在航空型號軟件實施軟件生存期各階段過程控制中，按照GJB 2786A-2009《軍用軟件開發通用要求》的要求，將軟件開發過程分為系統分析與軟件定義、軟件需求分析、軟件設計、軟件實現、軟件測試、軟件驗收與交付和軟件使用與維護7個階段。在軟件工程化實施過程中對每個階段的進入條件、主要工作、階段產品和完成標志進行規定。

以軟件需求分析階段為例，規定進入軟件需求分析階段的條件是軟件開發任務書已完成并通過評審、軟件開發項目組成立并且軟件配置管理功能基線已建立。規定該階段主要進行軟件需求分析和制定軟件開發計劃，工作產品是軟件開發計劃、軟件需求規格說明、軟件接口說明和數據要求說明。并規定需求階段的完成標志是所有階段產品均完成、軟件開發計劃經批準后生效、軟件需求規格說明通過評審并且完成分配基線的建立。

4.2 軟件全方位質量管理

通過分級管理、軟件評審管理、軟件配置管理、軟件測試管理和建立軟件失效報告、分析和糾正措施系統等5個方面，對型號軟件實施軟件全方位質量管理。

4.2.1 建立軟件分級管理

根據軟件失效后的危害，將軟件劃分為關鍵、重要和一般3個等級。由于飛機上軟件多，管理成本較大，對不同級別的軟件在文檔管理、評審管理和測試管理上進行分級管理。

對于關鍵軟件，要求完成GJB 2786A要求的全部軟件文檔，并且對每個開發階段都要進行外部評審，軟件測試要求完成單元測試、部件測試、配置項/系統測試。對于重要和一般軟件，可按照規定進行適當裁剪。

4.2.2 進行軟件評審管理

在型號軟件的評審管理中，對軟件不同階段的產品評審進行區別管理。評審方式分為正式評審和內部評審。正式評審在質量管理部門組織下進行。內部評審是在軟件項目組內完成的評審，評審過程、內容和要求，以及評審組的成員和負責人均由該項目組長確定。

在型號軟件研制的系統分析/軟件定義階段、軟件需求分析、配置項/系統測試、軟件驗收階段進行外部評審，在軟件設計、軟件實現和單元測試階段進行內部評審。

4.2.3 進行軟件配置管理

對型號軟件進行軟件配置管理，將軟件開發的階段產品納入配置管理基線中，源程序、文檔或數據任何一個變更均要通過配置管理相關程序的審查批準。

在型號級和承研單位級均建立開發庫、受控庫和產品庫，裝機軟件統一從型號級配置庫中進行提取。在軟件配置管理過程中要建立配置管理組織機構、制定軟件配置管理計劃、進行軟件配置管理活動、記錄并報告軟件配置管理狀態、進行軟件配置管理審核。

4.2.4 進行軟件測試管理

對型號軟件進行軟件內部測試管理和獨立測試管理。

對承研單位內部測試工作進行內部測試管理，評估承研單位內部驗證能力，評審研制主管部門參加內部測試重要節點，抽查內部測試質量。

對第三方測試、鑒定測評以及定型測評進行獨立管理，要求各階段測評工作邀請同行專家進行內部評審，研制主管部門參與大綱評審、總結評審等重要節點的評審，并對定型測評的測試結果進行抽查。

4.2.5 建立軟件失效報告、分析和糾正措施系統

在型號軟件完成系統測試后，建立軟件的失效報告、分析和糾正措施系統（SFRACAS），將軟件的失效加以記錄、報告，找出失效原因，并采取糾正措施。

SFRACAS的工作要完成軟件問題報告、軟件問題影響分析、軟件糾正措施和軟件失效報告、分析和糾正措施系統報告。

軟件問題報告是糾正措施的過程輸入，對軟件問題進行分類和分級，將軟件問題分為文檔問題、程序問題、設計問題及其他問題4類，并根據問題嚴重程度分為關鍵、重要、一般和建議改進4個等級。

對軟件問題進行影響分析主要體現在費用、進度、風險以及對合同的影響等方面。對軟件問題進行影響分析后，按照問題的類型和等級進行優先次序的分類，采取有效的糾正措施，完成軟件SFRACAS報告。

4.3 軟件組織過程

型號軟件組織過程主要進行培訓、過程監督及工具建設。培訓主要由總師單位和技術支撐單位負責研制體系專項培訓和專項技術培訓。過程監督依據型號相關要求標準及相關法規，編寫監督檢查實施方案，確定檢查目標，對參研單位的研制情況和各項能力進行檢查，以督促軟件研制，及早發現問題，及早采取糾正措施。工具建設是構建軟件工程環境，包括軟件開發過程支撐工具、質量保證工具、項目管理工具和團隊協作工作環境4類。目前型號軟件研制單位都具備一定的開發基礎和工具積累，新項目開始前選用工具應充分考慮本單位工具使用歷史，適當選用和增加開發和管理工具，從而提高軟件產品質量和開發效率。

5 結束語

本文在對軟件工程方法、過程及航空型號軟件工程化現狀充分調研的基礎上，提出了航空型號軟件工程化的總體構架以及軟件工程化實施重點，并對軟件測試質量及軟件研制工具管理進行了著重探討；對灰色理論和軟件測試工作的度量元進行了研究，提出了合格性評價結合模糊評價的測試質量評價方法；參照RTCA DO-330標準，結合國內航空型號軟件研制現狀，提出了軟件研制工具管理方法。該方法可在航空型號軟件工程中應用，以解決復雜軟件研制管理的問題。

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