航天器軟件質量度量模型研究與應用

賀曉洋 金晟毅 張楊 曹瑞強 蘇若曦 彭兢

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

隨著日益蓬勃的航天技術發展，基于軟件定義航天器為主體架構下的自主能力和智能化水平也逐步提高，這使得航天器上軟件系統的任務量、規模、復雜度、軟硬件交互程度激增。軟件產品質量對于航天器在軌穩定運行的支持作用愈加關鍵，因此，如何對軟件產品研制全過程的質量進行量化度量，并基于度量結果針對性提升軟件產品質量，對航天器系統的研制具有重大的意義。

度量(Metrics)是一個函數，它的輸入是軟件數據，輸出是單一的數值，能用以解釋軟件所具有的一個給定屬性對軟件質量影響的程度。軟件度量是對影響軟件質量的屬性所進行的定量測量。軟件度量的目的是，在整個軟件生存周期中，評估軟件質量需求是否得到了滿足[1]。

目前國內外軟件產品的質量，多是通過軟件能力成熟度模型集成(Capability maturity model integration, CMMI)和軟件代碼缺陷密度(千行缺陷率)進行評價的[2-5]，CMMI提供了一個將軟件實踐按成熟度級別分成5級的框架，并假定組織應用更成熟的過程將生產出具有更高質量的軟件產品，但是難以量化表征軟件產品研制過程的質量。IEEE標準[1]選取軟件產品功能性、可靠性、可維護性、易使用性等樣本要素作為軟件產品質量要素，偏向于軟件產品完成研制后的事后評價。NASA標準[2]軟件度量指南旨在幫助機構啟動或改善度量大綱，不為具體度量應用提供指導，對于產品質量要素覆蓋不夠。文獻[6]通過對軟件產品質量模型、開發、趨勢和評估的研究，結果表明目前相當少的模型致力于處理軟件產品質量的全部屬性，可見現有模型并不具有定義復雜質量要求的屬性，且現有的軟件產品質量模型沒有充分執行跟蹤的質量。文獻[7]通過北斗導航系統項目軟件質量管理研究，使用軟件設計、過程組織、規范管理、文檔管理等要素作為質量評價的準則，但是這些要素對于軟件研制全過程的質量狀況覆蓋不夠全面，缺少測試驗證、第三方評測等重要的質量要素。文獻[8]以CMMI理論為指導，以質量管理為研究對象，建立了以需求工程、軟件設計、編碼、代碼審查、單元測試和系統測試等要素為基礎的高成熟度量化管理方案，能夠在項目研發過程中判斷軟件開發項目過程是否處于受控狀態，預測軟件缺陷，降低交付缺陷密度，提高產品研發質量，但是還缺少定量化評價軟件產品質量的方法。文獻[9]通過軟件度量的研究與進展分析，認為軟件度量存在以下技術難點：方法設計缺乏通用性、軟件度量未形成統一體系、面向動態運行環境的完整性度量缺乏高效性和靈活性，未來研究趨勢主要包括專用方法到通用方法設計的轉變、對軟件度量的方法給出信任級別的分析和評估將成為提升軟件度量水平的有效手段等。

現行的軟件產品度量方法對于航天器軟件產品質量進行度量，主要存在以下3個方面的問題：①缺少一種通用的航天器軟件產品質量度量方法，②現有的方法難以表征和量化度量軟件產品研制全過程的質量結果，③難以根據質量度量結果開展針對性的軟件產品質量提升。為了解決上述問題，本文通過面向航天器軟件產品研制全過程的探索和研究，基于各級軟件產品保證要求，開發了一套通用的航天器軟件產品研制過程質量度量模型，該模型能夠量化度量軟件產品研制全過程的質量情況，基于度量結果可以開展針對性的軟件產品質量提升。

1 航天器軟件產品質量度量模型研究

根據軟件研制工程化要求和航天器軟件各級產品保證要求，基于軟件產品研制經驗和特點，在軟件產品研制全壽命周期中，決定研制過程質量的要求主要包括總體策劃與執行、分析與設計、測試驗證、可靠性和安全性、技術狀態更改、質量問題歸零及舉一反三、配置管理、開發環境、第三方評測等9個方面。通過分析和研究，進一步提煉出可用于度量軟件研制過程質量的28條子要求。基于這些要求建立了航天器軟件產品通用質量度量模型，如圖1所示。

按照航天器軟件產品研制過程的控制重點，將質量度量模型中9項28條質量要求分別設置評分權重，量化度量準則。圖1中，αi為第i個質量要求的評分權重系數，i表示第i個質量要求(1≤i≤n)，n為軟件度量模型中的質量要求個數；βij為第i個質量要求中第j個子要求的評分權重系數，j表示第j個子要求(1≤j≤ωi)，ωi為第i個質量要求中的子要求個數。例如：模型中各項質量要求影響軟件產品質量的最重要的三個因素——“軟件分析與設計”、“軟件測試驗證”、“第三方評測”，分別賦予相對較高的評分權重系數，各項質量要求中的子要求根據不同的影響程度分別賦予不同的評分權重系數。

在圖1所示的航天器軟件產品通用質量度量模型中，在28條具體子要求的基礎上，針對每條子要求落實結果的符合程度分別設置4個度量檔次標準A、B、C、D，其中A為最優、D為最劣，檔次得分依次遞減。因篇幅所限，模型中28條子要求落實結果度量檔次的定義不做累述，本文表1給出了典型示例。為了確保軟件產品質量度量結果滿足航天器要求，軟件承制單位應按照模型中28條具體子要求的A檔次標準或不低于B檔次標準規范開展各項研制工作。

表1 航天器軟件產品質量度量模型評分標準示例

圖1 航天器軟件產品通用質量度量模型

該通用模型將航天器軟件產品研制全過程所涉及的全部質量要素按照9項28條質量要求進行了明確定義，并納入到一個整體度量的框架中，可用于指導深空探測、載人、通信、導航、遙感等各個領域航天器軟件產品的開發、測試、交付等全過程，以便評估航天器軟件產品研制全過程是否滿足了所規定的質量要求。

自頂向下，該模型有利于：①在航天器軟件產品研制周期的早期階段，質量管理人員根據通用模型建立質量要求；②向軟件研制人員傳遞質量要求并逐項實施和落實；③根據量化準則度量已建立的質量要求。自底向上，該模型可以使軟件技術和管理人員通過下述方式獲得質量信息：從通用模型28條子要求的落實結果量化度量軟件產品研制全過程的質量；對照已建立的質量要求和度量準則，預測和評估軟件研制過程的質量情況，改進薄弱環節，提升產品質量。

2 軟件質量度量評分

2.1 評分標準和流程

該模型中定義的9項28條質量要求覆蓋了航天器軟件產品研制全過程的質量要素，針對每條子要求落實結果分別設置了4個度量檔次標準，以“軟件測試驗證”質量要求的“測試內容全面性”子要求為典型示例，質量度量評分標準見表1。

計算航天器軟件產品研制全過程質量度量結果時，由專家根據該質量度量模型的評分標準給出每個子要求的原始評分Zijk并取平均值，得到子要求評分

(1)

式中：m為專家人數，k表示第k位專家(1≤k≤m)。

將每個要求中的子要求評分Zij與權重系數βij相乘后累加，得到該要求評分

(2)

式中：βij為第i個質量要求中第j個子要求的權重系數。

將每個要求評分Yi與權重系數αi相乘后累加，得到軟件產品質量總分

(3)

式中：αi為第i個質量要求的權重系數。

2.2 典型算例

嫦娥五號探測器某數管計算機應用軟件負責實現整個探測器遙控遙測、信息網絡智能路由、自主熱控管理、自主能源管理、自主健康管理等關鍵功能，該軟件的質量對于探測器飛行任務成敗至關重要。

在該軟件的研制過程中，嚴格依據軟件工程化管理要求、各級相關產保要求開展研制工作。應用了本文所提的質量度量模型，作為客觀準確度量軟件質量的手段，完成了軟件研制質量自確認暨分系統驗收后，由探測器軟件產品保證人員組織成立了12人專家組，由領域專家根據軟件產品數據包文件對每個子要求的落實情況按A、B、C、D的檔位分級評分，對該軟件研制過程質量進行度量，最終得分為90.9分，如表2所示。

表2 航天器軟件產品質量度量結果示例

3 軟件產品質量提升

設置軟件度量結果門限，根據度量結果開展針對性質量提升工作：①航天器軟件產品最終通過驗收的前提是度量結果達到90分以上，對于總分Q低于90分或存在單項子要求評分Zij低于75分的軟件產品，由軟件承制單位負責針對薄弱環節開展專題工作，提升產品質量。②對于全部軟件產品，根據度量結果中普遍偏低的要求和子要求(一般考慮為航天器全部軟件產品半數以上或者航天器某一分系統內全部軟件產品半數以上，都針對某一具體子要求得分低于75分；或者同一要求下子要求得分均不低于75分，但該要求得分低于80分的)，由航天器軟件產品保證人員織開展專題工作，提升產品質量。具體工作流程如圖2所示。

圖2 航天器軟件產品質量提升工作流程圖

仍以嫦娥五號探測器某數管計算機應用軟件為例，在軟件產品質量度量工作過程中，專家根據得分相對較低的子要求提出了如下意見和建議：單元測試用例數不夠，建議進一步補充開展單元測試。

針對專家提出的問題和建議，軟件承制單位補充開展了專題工作：使用單元測試工具AUnit軟件，對該應用軟件進行補充測試：當對某個源文件進行單元測試時，AUnit將里面的函數分別列出，由用戶選擇每次測一個函數。AUnit通過調用內置的軟仿真環境運行插樁后的被測程序，并對運行結果進行分析、統計。補充測試過程中未發現程序設計錯誤，測試結果進一步確認了所有軟件模塊的語句覆蓋率和分支覆蓋率均達到100%。通過有效應用該質量度量模型，該軟件產品在“軟件測試驗證”要求中“測試內容全面性”子要求的度量評分由74.2分提升為85.1分(表2中該項得分為質量提升后的最終得分)，質量得到了有效提升。

4 質量度量模型在嫦娥五號的應用

嫦娥五號任務的目標是實現月面自動采樣返回，探測器系統(以下簡稱探測器)經地月和環月飛行，在月面選定區域著陸，采集約2 kg月球樣品(實際采集1731 g)，經月面起飛、月球軌道交會對接和樣品轉移、月地轉移和再入回收等過程，將月球樣品安全送至地面[10]。

探測器在軌飛行過程復雜、高質量高可靠實施難，飛行過程中有四器組合體、兩器組合體、交會對接組合體以及單器等多種工作模式；飛行過程中需進行6次分離、21次變軌，涉及近月制動、動力下降、月面起飛、交會對接、月地射入等多個串聯且不可逆的關鍵飛行事件，飛行程序復雜，對整個系統尤其是軟件產品的質量提出了很高的要求。在探測器研制過程中，首次應用了航天器軟件產品通用質量度量模型進行全部69個軟件產品研制[11-15]。

各單位在軟件產品工程化要求、各級產保要求的基礎上增加了質量度量模型這一項軟件產品質量確認和提升手段，按照9項28條質量要求規范開展軟件研制工作，保留過程證據作為開展量化度量工作的依據，并進行軟件產品質量自查和自確認。直至軟件交付驗收階段，由軟件產品保證人員組織成立人員固定的度量專家組，按照專業分工對所有軟件產品研制情況進行度量評分。

軟件產品質量度量過程中，個別軟件產品針對子要求評分低于75分的薄弱環節補充開展了專題工作，進一步提升了軟件產品質量。69個軟件產品均通過質量度量，平均得分為93.3分、最高98.8分、最低90.2分。航天器軟件產品質量度量模型的應用，有效確保了探測器軟件產品質量提升和探測器在軌穩定運行。

5 結束語

本文提出了航天器軟件產品通用質量度量模型，通過落實模型中定義的9項28條質量要求，該模型可用于指導各個領域航天器軟件產品研制全過程的規范實施。使用模型中的度量準則和評分標準，可以度量航天器軟件產品研制全過程的質量情況，形成定量化的評價結果。根據航天器軟件產品研制過程質量度量結果，可以有針對性地改進薄弱環節，提升軟件產品質量。

后續將針對模型平臺化和信息化應用手段開展進一步研究，以拓展該模型的使用范圍。