復(fù)雜航空軟件工程化管理研究

黃 洋

隨著航空裝備數(shù)字化程度的提高，軟件在航空裝備中的比例和規(guī)模呈大幅上升趨勢，但軟件的質(zhì)量和可靠性卻差強(qiáng)人意，軟件故障已成為航空裝備事故發(fā)生的主要原因。根據(jù)理論研究和國內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施軟件工程可有效提升軟件質(zhì)量，確保軟件可靠性。

從國內(nèi)型號軟件研制現(xiàn)狀來看，雖然研發(fā)單位都對軟件過程進(jìn)行了控制，但軟件工程化總體水平仍較落后，軟件質(zhì)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(xiàn)狀

軟件工程（Software Engineering）是應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)理論和技術(shù)以及工程管理原則和方法，按照預(yù)算和進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)滿足用戶要求的軟件產(chǎn)品的定義開發(fā)、發(fā)布和維護(hù)的工程或以之為研究對象的學(xué)科。從1968年“軟件工程”提出至今，已總結(jié)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(nèi)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(nèi)基·梅隆大學(xué)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(fā)和管理能力，包括5 級：初始級（Initial）、可重復(fù)級（Repeatable）、已定義級（Defined）、已管理級（Managed）和優(yōu)化級（Optimizing）。

ISO 9000系列標(biāo)準(zhǔn)是一組保證產(chǎn)品質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，是歐盟認(rèn)可的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的標(biāo)準(zhǔn)。其中，ISO 9001指導(dǎo)軟件企業(yè)建立質(zhì)量體系，對企業(yè)的管理和控制提出具體的質(zhì)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(fā)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(yōu)化級）5個級別。此外，GJB 9001B—2009《質(zhì)量管理體系要求》也進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)對軟件工程化管理要求的細(xì)化。

2 復(fù)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(jī)中的實(shí)現(xiàn)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(diǎn)，為了保證復(fù)雜軟件系統(tǒng)的研發(fā)，需要按照軟件工程化的理論、技術(shù)和方法進(jìn)行軟件研制工作。

軟件工程化管理主要對軟件開發(fā)過程、軟件驗(yàn)證過程、軟件質(zhì)量管理過程和使用與維護(hù)過程進(jìn)行管理。軟件開發(fā)過程對開發(fā)各階段的開發(fā)活動進(jìn)行管理；軟件驗(yàn)證過程主要是對軟件測試和評審進(jìn)行管理；軟件質(zhì)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(zhì)量保證、軟件配置管理、軟件失效分析和糾正措施系統(tǒng)過程；軟件維護(hù)是軟件在交付使用后，因出現(xiàn)故障或改善原有性能等進(jìn)行的修改，應(yīng)加強(qiáng)對該階段管理的強(qiáng)度。

軟件工程化管理工作包括總體規(guī)劃、組織建設(shè)、體系建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范以及工具建設(shè)，分為5個部分。總體規(guī)劃包含實(shí)施原則和實(shí)施策略；組織建設(shè)包括機(jī)構(gòu)組成和人員組成；體系建設(shè)包括頂層要求、實(shí)施大綱以及工作規(guī)范；標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范主要是選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行剪裁和融合；工具建設(shè)是軟件研制單位為了提高軟件開發(fā)效率，降低軟件開發(fā)成本進(jìn)行的基礎(chǔ)建設(shè)。軟件工程化管理的關(guān)鍵包括對軟件開發(fā)過程的全過程控制、對軟件質(zhì)量的全方位管理和建立多層次的軟件開發(fā)、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(shí)施重點(diǎn)

3.1 軟件測試質(zhì)量評價

軟件測試質(zhì)量評價是通過軟件測試實(shí)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(zhì)量進(jìn)行評價，并對軟件測試質(zhì)量的評價值做出A、B、C、D的“模糊”評價。

軟件測試質(zhì)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(guān)國軍標(biāo)要求進(jìn)行評價。模糊評價是在合格性評價通過的基礎(chǔ)上，按照合理的軟件測試評價模型，度量影響軟件測試質(zhì)量的相關(guān)因素，基于灰色理論給出軟件測試質(zhì)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(shè)計(jì)、測試執(zhí)行和測試總結(jié)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(xiàng)測試和系統(tǒng)測試將分別按照以下的評價方法進(jìn)行評價后，在進(jìn)行加權(quán)集成評價。

軟件測試工作質(zhì)量評價框架如圖2所示。

軟件測試工作質(zhì)量評價實(shí)施步驟如下：

● 對被測軟件進(jìn)行測評歷史評價及文檔質(zhì)量評價。

● 進(jìn)行合格性評價。評審組按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的目標(biāo)進(jìn)行審查，確定軟件測試項(xiàng)目合格性。

● 進(jìn)行“模糊評價”。確定各測試級別、測試活動的關(guān)聯(lián)系數(shù)權(quán)重；確定每個度量元最優(yōu)指標(biāo)及權(quán)重；收集各度量元相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)際值與最優(yōu)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)、單項(xiàng)活動綜合關(guān)聯(lián)系數(shù)、待評價對象測試活動綜合關(guān)聯(lián)系數(shù)及綜合關(guān)聯(lián)系數(shù)。

● 進(jìn)行綜合評價，確定綜合評判定量要求，計(jì)算綜合評價值，根據(jù)綜合評價值判定測評項(xiàng)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(qū)，將軟件研制工具納入統(tǒng)一管理可降低使用多種工具帶來的多種風(fēng)險、減少工具使用沖突，提高型號軟件研制質(zhì)量，便于工程管理和評價。

國內(nèi)外對于軟件研制工具管理較為系統(tǒng)和完整的標(biāo)準(zhǔn)是RTCA DO-330《軟件工具資格鑒定考慮》，但其以目標(biāo)為基礎(chǔ)的鑒定方法并不適合我國遵循過程導(dǎo)向標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)行軟件研制體制。

因此，借鑒RTCA DO-330的工具鑒定思想，結(jié)合目前我國型號管理現(xiàn)狀，制定了軟件研制工具管理實(shí)施方法。軟件研制工具管理實(shí)施框圖如圖3所示。具體實(shí)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(fā)工具和驗(yàn)證工具；

● 調(diào)研擬承擔(dān)型號項(xiàng)目單位預(yù)計(jì)使用的開發(fā)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(jìn)行分級，自研的開發(fā)工具、驗(yàn)證工具與商用工具具有不同的級別；

● 在承研單位計(jì)劃使用該工具前完成工具鑒定；

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

4 復(fù)雜軟件工程化管理實(shí)踐和應(yīng)用

軟件工程化的實(shí)施重點(diǎn)是軟件開發(fā)過程。軟件工程化管理的實(shí)踐和應(yīng)用主要從軟件生存期各階段過程控制、軟件全方位質(zhì)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(shí)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(fā)通用要求》的要求，將軟件開發(fā)過程分為系統(tǒng)分析與軟件定義、軟件需求分析、軟件設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)、軟件測試、軟件驗(yàn)收與交付和軟件使用與維護(hù)7個階段。在軟件工程化實(shí)施過程中對每個階段的進(jìn)入條件、主要工作、階段產(chǎn)品和完成標(biāo)志進(jìn)行規(guī)定。

以軟件需求分析階段為例，規(guī)定進(jìn)入軟件需求分析階段的條件是軟件開發(fā)任務(wù)書已完成并通過評審、軟件開發(fā)項(xiàng)目組成立并且軟件配置管理功能基線已建立。規(guī)定該階段主要進(jìn)行軟件需求分析和制定軟件開發(fā)計(jì)劃，工作產(chǎn)品是軟件開發(fā)計(jì)劃、軟件需求規(guī)格說明、軟件接口說明和數(shù)據(jù)要求說明。并規(guī)定需求階段的完成標(biāo)志是所有階段產(chǎn)品均完成、軟件開發(fā)計(jì)劃經(jīng)批準(zhǔn)后生效、軟件需求規(guī)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(zhì)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(bào)告、分析和糾正措施系統(tǒng)等5個方面，對型號軟件實(shí)施軟件全方位質(zhì)量管理。

4.2.1 建立軟件分級管理

根據(jù)軟件失效后的危害，將軟件劃分為關(guān)鍵、重要和一般3個等級。由于飛機(jī)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(jìn)行分級管理。

對于關(guān)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(fā)階段都要進(jìn)行外部評審，軟件測試要求完成單元測試、部件測試、配置項(xiàng)/系統(tǒng)測試。對于重要和一般軟件，可按照規(guī)定進(jìn)行適當(dāng)裁剪。

4.2.2 進(jìn)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(chǎn)品評審進(jìn)行區(qū)別管理。評審方式分為正式評審和內(nèi)部評審。正式評審在質(zhì)量管理部門組織下進(jìn)行。內(nèi)部評審是在軟件項(xiàng)目組內(nèi)完成的評審，評審過程、內(nèi)容和要求，以及評審組的成員和負(fù)責(zé)人均由該項(xiàng)目組長確定。

在型號軟件研制的系統(tǒng)分析/軟件定義階段、軟件需求分析、配置項(xiàng)/系統(tǒng)測試、軟件驗(yàn)收階段進(jìn)行外部評審，在軟件設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)和單元測試階段進(jìn)行內(nèi)部評審。

4.2.3 進(jìn)行軟件配置管理

對型號軟件進(jìn)行軟件配置管理，將軟件開發(fā)的階段產(chǎn)品納入配置管理基線中，源程序、文檔或數(shù)據(jù)任何一個變更均要通過配置管理相關(guān)程序的審查批準(zhǔn)。

在型號級和承研單位級均建立開發(fā)庫、受控庫和產(chǎn)品庫，裝機(jī)軟件統(tǒng)一從型號級配置庫中進(jìn)行提取。在軟件配置管理過程中要建立配置管理組織機(jī)構(gòu)、制定軟件配置管理計(jì)劃、進(jìn)行軟件配置管理活動、記錄并報(bào)告軟件配置管理狀態(tài)、進(jìn)行軟件配置管理審核。

4.2.4 進(jìn)行軟件測試管理

對型號軟件進(jìn)行軟件內(nèi)部測試管理和獨(dú)立測試管理。

對承研單位內(nèi)部測試工作進(jìn)行內(nèi)部測試管理，評估承研單位內(nèi)部驗(yàn)證能力，評審研制主管部門參加內(nèi)部測試重要節(jié)點(diǎn)，抽查內(nèi)部測試質(zhì)量。

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

4.2.5 建立軟件失效報(bào)告、分析和糾正措施系統(tǒng)

在型號軟件完成系統(tǒng)測試后，建立軟件的失效報(bào)告、分析和糾正措施系統(tǒng)（SFRACAS），將軟件的失效加以記錄、報(bào)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(bào)告、軟件問題影響分析、軟件糾正措施和軟件失效報(bào)告、分析和糾正措施系統(tǒng)報(bào)告。

軟件問題報(bào)告是糾正措施的過程輸入，對軟件問題進(jìn)行分類和分級，將軟件問題分為文檔問題、程序問題、設(shè)計(jì)問題及其他問題4類，并根據(jù)問題嚴(yán)重程度分為關(guān)鍵、重要、一般和建議改進(jìn)4個等級。

對軟件問題進(jìn)行影響分析主要體現(xiàn)在費(fèi)用、進(jìn)度、風(fēng)險以及對合同的影響等方面。對軟件問題進(jìn)行影響分析后，按照問題的類型和等級進(jìn)行優(yōu)先次序的分類，采取有效的糾正措施，完成軟件SFRACAS報(bào)告。

4.3 軟件組織過程

型號軟件組織過程主要進(jìn)行培訓(xùn)、過程監(jiān)督及工具建設(shè)。培訓(xùn)主要由總師單位和技術(shù)支撐單位負(fù)責(zé)研制體系專項(xiàng)培訓(xùn)和專項(xiàng)技術(shù)培訓(xùn)。過程監(jiān)督依據(jù)型號相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)法規(guī)，編寫監(jiān)督檢查實(shí)施方案，確定檢查目標(biāo)，對參研單位的研制情況和各項(xiàng)能力進(jìn)行檢查，以督促軟件研制，及早發(fā)現(xiàn)問題，及早采取糾正措施。工具建設(shè)是構(gòu)建軟件工程環(huán)境，包括軟件開發(fā)過程支撐工具、質(zhì)量保證工具、項(xiàng)目管理工具和團(tuán)隊(duì)協(xié)作工作環(huán)境4類。目前型號軟件研制單位都具備一定的開發(fā)基礎(chǔ)和工具積累，新項(xiàng)目開始前選用工具應(yīng)充分考慮本單位工具使用歷史，適當(dāng)選用和增加開發(fā)和管理工具，從而提高軟件產(chǎn)品質(zhì)量和開發(fā)效率。

5 結(jié)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(xiàn)狀充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了航空型號軟件工程化的總體構(gòu)架以及軟件工程化實(shí)施重點(diǎn)，并對軟件測試質(zhì)量及軟件研制工具管理進(jìn)行了著重探討；對灰色理論和軟件測試工作的度量元進(jìn)行了研究，提出了合格性評價結(jié)合模糊評價的測試質(zhì)量評價方法；參照RTCA DO-330標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合國內(nèi)航空型號軟件研制現(xiàn)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(yīng)用，以解決復(fù)雜軟件研制管理的問題。

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