從軟件重用走向產(chǎn)品化的探索

張利娜、康冰、蘇娟/北京航天發(fā)射技術(shù)研究所

隨著裝備自動化、信息化、智能化發(fā)展，軟件在裝備中起到的作用愈發(fā)明顯，軟件部署數(shù)量急劇增加，規(guī)模越來越大，復(fù)雜度也越來越高。為了實現(xiàn)專業(yè)軟件領(lǐng)域的高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展，滿足用戶多樣性定制化需求，同時實現(xiàn)項目快速研發(fā)，北京航天發(fā)射技術(shù)研究所以軟件重用為切入點，深入探索軟件產(chǎn)品化方法，建立了四層軟件重用結(jié)構(gòu)的軟件產(chǎn)品研發(fā)體系，從而初步達到提升軟件研制質(zhì)量、提高開發(fā)效率、節(jié)省人力資源、縮短交付周期、降低開發(fā)成本的目標。

一、探索歷程

研究所以軟件重用為切入點，經(jīng)歷了模塊級重用、構(gòu)件級重用、配置項級重用、平臺級重用過程，建立了多層級軟件產(chǎn)品體系。

1.模塊級到構(gòu)件級重用

為了應(yīng)對用戶需求的不斷變化及急劇增加的項目研制任務(wù)，研究所從2011 年開始建立軟件代碼重用庫，以專業(yè)領(lǐng)域為切入點，按照編程語言和使用場景搭建軟件重用庫框架，開展了函數(shù)級、模塊級可重用代碼設(shè)計及提取；后續(xù)逐步開展了基于軟件驅(qū)動層、協(xié)議層和應(yīng)用層的分層設(shè)計，開始軟件構(gòu)件級重用。編制軟件可重用設(shè)計準則并使設(shè)計準則標準化，軟件重用過程更加具有通用性；經(jīng)過幾年努力，重用建設(shè)取得初步效果，研究所項目平均軟件代碼重用率達到40%～50%，極大減少了軟件代碼的重復(fù)開發(fā)。

2.構(gòu)件級到配置項級重用

隨著項目任務(wù)增多，軟件構(gòu)件級重用已不能滿足項目快速開發(fā)交付需求。2015 年以后，結(jié)合研究所產(chǎn)品化工作，通過規(guī)劃產(chǎn)品化發(fā)展路徑，依托產(chǎn)品化通用單機的研制及使用，按照領(lǐng)域分析并規(guī)劃產(chǎn)品化單機配套軟件的使用場景，對軟件功能、性能及通信接口進行統(tǒng)一化設(shè)計，并根據(jù)使用需求規(guī)劃軟件可配置參數(shù)及范圍，開展軟件配置項級重用建設(shè)。通用配置項級重用推動了系統(tǒng)統(tǒng)型設(shè)計，控制模式由分布式向集中式轉(zhuǎn)變，以單機為單位的產(chǎn)品成熟度得到了大幅提升，極大減輕了項目軟件調(diào)試及維護的工作量。

3.配置項級到平臺級重用

2019 年，研究所通過對多年軟件重用庫的建設(shè)效果進行總結(jié)分析，將軟件重用層級劃分為平臺級、配置項級、構(gòu)件級、模塊級四個層級。將軟件重用由單一設(shè)備擴展到軟件研制平臺及產(chǎn)品領(lǐng)域平臺，通過橫向以專業(yè)為單位，規(guī)劃統(tǒng)一的軟件研制平臺，推進軟件可重用設(shè)計框架的編寫及使用；縱向以產(chǎn)品領(lǐng)域為切入點，提煉統(tǒng)一的軟件產(chǎn)品平臺，推進基于控制要求和系統(tǒng)架構(gòu)的統(tǒng)型設(shè)計。

4.建立軟件產(chǎn)品體系

通用配置項層是四層軟件產(chǎn)品體系中的第二層，對應(yīng)軟件產(chǎn)品貨架。通用配置項層通過領(lǐng)域分析，統(tǒng)一考慮硬件選型、統(tǒng)一硬件端口資源分配、統(tǒng)一控制功能劃分，統(tǒng)一對外接口，實現(xiàn)標準軟件配置項，達到軟件產(chǎn)品級重用。輸出物包括需求說明、設(shè)計說明、代碼、測試文檔等等。通用配置項軟件完成研制和第三方評測后，進行所級驗收交付，進入儲備庫；通過項目驗證考核，完成軟件產(chǎn)品定型，進入產(chǎn)品貨架；再經(jīng)過多次項目任務(wù)考核不斷提高成熟度。

從2019 年開始，研究所逐步開展軟件產(chǎn)品型譜、軟件產(chǎn)品樹建設(shè)，以此為基礎(chǔ)進行系統(tǒng)性的軟件產(chǎn)品多級規(guī)劃，推出軟件貨架庫、儲備庫、零部組件庫，覆蓋產(chǎn)品生產(chǎn)、交付運行、維護保障多個使用場景的可重用軟件產(chǎn)品。同時推出軟件成熟度定級規(guī)則，逐步推向各級用戶，鼓勵用戶選取成熟度高的產(chǎn)品，通過用戶的反饋意見，逐步迭代優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)軟件產(chǎn)品體系內(nèi)部各級交互采用標準化接口，從系統(tǒng)層面向下推廣覆蓋全層級的軟件產(chǎn)品重用。2020 年至今，通過逐步推進可重用模塊及構(gòu)件的開發(fā)及應(yīng)用、通用配置項選用、可重用框架的選用、基本型的開發(fā)和應(yīng)用，實現(xiàn)了覆蓋項目研制全生命周期的軟件產(chǎn)品化研發(fā)目標落地，并在推進過程中不斷總結(jié)提煉經(jīng)驗，逐步開始轉(zhuǎn)向基于軟件可重用需求、軟件集成方案及軟件仿真測試平臺的軟件系統(tǒng)產(chǎn)品化研發(fā)道路。

二、軟件產(chǎn)品研發(fā)體系

1.建設(shè)專業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品型譜和平臺

研究所涉及的專業(yè)領(lǐng)域為信息與控制領(lǐng)域、電源及電機驅(qū)動領(lǐng)域、定位定向與瞄準領(lǐng)域。按照各專業(yè)領(lǐng)域特點，建立軟件產(chǎn)品樹。信息與控制領(lǐng)域分解為底盤控制、上裝控制、信息處理、維護保障、仿真測試等五類系統(tǒng)平臺；電源及電機驅(qū)動領(lǐng)域分解為供電配電、電源變換、電力驅(qū)動三大類單機平臺；定位定向與瞄準領(lǐng)域分解為瞄準系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、輔助駕駛系統(tǒng)等三類系統(tǒng)平臺。每類平臺下細分通用配置項，形成系列化產(chǎn)品樹。

在各專業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品樹基礎(chǔ)上，建立四層重用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，具體如下：

通用平臺層是四層軟件產(chǎn)品體系中的最上層，是系統(tǒng)級規(guī)劃。某一類產(chǎn)品軟件的通用開發(fā)平臺，是與各專業(yè)負責系統(tǒng)（單機）產(chǎn)品化的設(shè)計協(xié)同規(guī)劃，目標是系統(tǒng)級重用，帶動配置項級、構(gòu)件級重用。包括統(tǒng)一的系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)、設(shè)計規(guī)范、設(shè)計標準、接口協(xié)議、通用配置項、軟件通用架構(gòu)、通用模塊等。輸出物是標準、文檔、代碼。

通用配置項層是四層軟件產(chǎn)品體系中的第二層，對應(yīng)軟件產(chǎn)品貨架。通用配置項層通過領(lǐng)域分析，統(tǒng)一考慮硬件選型、統(tǒng)一硬件端口資源分配、統(tǒng)一控制功能劃分，統(tǒng)一對外接口，實現(xiàn)標準軟件配置項，達到軟件產(chǎn)品級重用。輸出物包括需求說明、設(shè)計說明、代碼、測試文檔等等。通用配置項軟件完成研制和第三方評測后，進行所級驗收交付，進入儲備庫；通過項目驗證考核，完成軟件產(chǎn)品定型，進入產(chǎn)品貨架；再經(jīng)過多次項目任務(wù)考核不斷提高成熟度。

研究所每年發(fā)布軟件產(chǎn)品貨架目錄，并制作軟件貨架產(chǎn)品樣本，供各項目直接沿用或通過修改配置參數(shù)的方式使用。研究所制定并發(fā)布了所標 準《 軟 件成熟度定級細則》，每年據(jù)此開展軟件產(chǎn)品成熟度定級及提升工作。

通用構(gòu)件層是四層軟件產(chǎn)品體系中的第三層，對應(yīng)通用部件貨架。該層實現(xiàn)特定功能的軟件模塊集或函數(shù)集，實現(xiàn)標準架構(gòu)統(tǒng)一，達到部件級重用。通用構(gòu)件包含軟件框架、驅(qū)動層構(gòu)件（與硬件相關(guān)、基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)等）、領(lǐng)域共性構(gòu)件（領(lǐng)域需要的基本構(gòu)件，如CAN 網(wǎng)絡(luò)）、應(yīng)用專用構(gòu)件（應(yīng)用系統(tǒng)中特有的構(gòu)件）。輸出物包括使用說明、設(shè)計說明、代碼、測試文檔等。通用構(gòu)件庫首推軟件通用框架的應(yīng)用，框架提供軟件重用基礎(chǔ)的設(shè)計平臺，在同類產(chǎn)品中，統(tǒng)一設(shè)計思路、統(tǒng)一內(nèi)部接口、統(tǒng)一設(shè)計實現(xiàn)，達到對設(shè)計框架一致的理解。

通用模塊層是四層軟件產(chǎn)品體系中的第四層，對應(yīng)部門級可重用模塊管理庫。通用模塊即通用地實現(xiàn)特定功能的可執(zhí)行語句集合的統(tǒng)稱，如典型控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機交互功能模塊等，內(nèi)部接口固定，可被同類開發(fā)平臺調(diào)用，可用于跨產(chǎn)品跨系列的重用。輸出物包含模塊代碼、模塊說明、模塊設(shè)計、模塊測試文檔。通用模塊級特點是通用性好，重用靈活，可跨領(lǐng)域、跨系列重用。

圖1 為控制軟件框架，屬于面向?qū)ο蟮目蚣埽ㄓ脴?gòu)件級產(chǎn)品。框架要點是將系統(tǒng)按照不同的功能需求分類組織成有序的層次，層級間保持松耦合。其中用戶層由開發(fā)人員根據(jù)實際需求自定義設(shè)計，其余三層由框架提供，由可重用構(gòu)件組成。

圖1 控制軟件框架

通用模塊層是四層軟件產(chǎn)品體系中的第四層，對應(yīng)部門級可重用模塊管理庫。通用模塊即通用地實現(xiàn)特定功能的可執(zhí)行語句集合的統(tǒng)稱，如典型控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機交互功能模塊等，內(nèi)部接口固定，可被同類開發(fā)平臺調(diào)用，可用于跨產(chǎn)品跨系列的重用。輸出物包含模塊代碼、模塊說明、模塊設(shè)計、模塊測試文檔。通用模塊級特點是通用性好，重用靈活，可跨領(lǐng)域、跨系列重用。

研究所每年更新并發(fā)布軟件產(chǎn)品樹，依據(jù)四層產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建立重用資產(chǎn)庫，更新并發(fā)布軟件重用資產(chǎn)目錄，供型號設(shè)計人員出庫選用。

2.建立軟件專業(yè)標準體系

研究所軟件專業(yè)標準體系納入GJB5000B 軟件過程管理體系建設(shè)，提出了工程技術(shù)、組織管理、項目管理、配置管理、測量與績效管理、質(zhì)量保證等工作要求，同時細化了包括工程類、管理類和支持類三大類標準，覆蓋軟件生存周期模型各階段。工程類包括工程設(shè)計類標準、配置項級應(yīng)用類標準、構(gòu)件級設(shè)計標準、模塊級設(shè)計標準等。管理類包括航天型號地面設(shè)備軟件產(chǎn)品成熟度定級細則、重用資產(chǎn)管理指南等。支持類包括通用軟件產(chǎn)品代號編制規(guī)則、各配置庫管理指南、各專業(yè)領(lǐng)域重用庫管理要求等。

研究所在GJB5000B 軟件過程管理體系的測量與績效管理實踐域文件中，提出“型號軟件產(chǎn)品化率”“型號代碼重用率”測量項，作為考察產(chǎn)品重用情況的重要數(shù)據(jù)。這兩個測量項可基本覆蓋通用配置項、通用構(gòu)件、通用模塊各層級的應(yīng)用效果分析情況。“型號軟件產(chǎn)品化率”用來衡量型號配套中軟件通用配置項的應(yīng)用效果，計算公式是：型號軟件產(chǎn)品化率=∑通用配置項使用 次 數(shù)/∑型號配套配置項個數(shù)。“型號代碼重用率”用來衡量型號配套中新研軟件配置項使用通用構(gòu)件和通用模塊的應(yīng)用效果，計算公式是：型號代碼重用率=∑重用代碼規(guī)模/∑型號配套交付代碼規(guī)模。

研究所在軟件重用建設(shè)中經(jīng)過不斷磨練、摸索，建設(shè)形成了產(chǎn)品規(guī)劃、平臺開發(fā)、應(yīng)用優(yōu)化、產(chǎn)品保證四個小組組成的通用平臺產(chǎn)品化軟件項目團隊。在運行過程中，從規(guī)劃平臺、規(guī)劃產(chǎn)品樹、規(guī)劃配置項、規(guī)劃構(gòu)件產(chǎn)品開始，各組成員通過持續(xù)迭代的方式推進平臺化工作。通過產(chǎn)品在多個型號中應(yīng)用，項目逐漸進入運行維護階段，直至本平臺產(chǎn)品體系被新技術(shù)替代。實際產(chǎn)品由型號研制團隊維護，并向平臺團隊反饋應(yīng)用效果，定制問題由平臺團隊協(xié)助型號研制團隊解決，平臺問題由平臺團隊分析升級后向各型號通報。

3.提煉通用產(chǎn)品化研制流程

軟件產(chǎn)品化研制流程按照規(guī)劃產(chǎn)品體系、研制軟件通用產(chǎn)品、型號選用三個階段來執(zhí)行，后續(xù)的迭代更新隨著產(chǎn)品反饋給平臺研制團隊。其中，平臺軟件產(chǎn)品應(yīng)按照瀑布開發(fā)模型設(shè)計，型號軟件產(chǎn)品應(yīng)用按照完全沿用、僅修改裝訂參數(shù)或適應(yīng)性更改模型設(shè)計。

4.組建專業(yè)軟件產(chǎn)品化團隊

研究所在軟件重用建設(shè)中經(jīng)過不斷磨練、摸索，建設(shè)形成了產(chǎn)品規(guī)劃、平臺開發(fā)、應(yīng)用優(yōu)化、產(chǎn)品保證四個小組組成的通用平臺產(chǎn)品化軟件項目團隊。在運行過程中，從規(guī)劃平臺、規(guī)劃產(chǎn)品樹、規(guī)劃配置項、規(guī)劃構(gòu)件產(chǎn)品開始，各組成員通過持續(xù)迭代的方式推進平臺化工作。通過產(chǎn)品在多個型號中應(yīng)用，項目逐漸進入運行維護階段，直至本平臺產(chǎn)品體系被新技術(shù)替代。實際產(chǎn)品由型號研制團隊維護，并向平臺團隊反饋應(yīng)用效果，定制問題由平臺團隊協(xié)助型號研制團隊解決，平臺問題由平臺團隊分析升級后向各型號通報。

三、探索效果

重用資源在型號研制應(yīng)用中，通過通用平臺推廣，提高了系統(tǒng)可靠性、軟件成熟度；通用配置項級軟件產(chǎn)品的直接沿用，減少了軟件重復(fù)開發(fā)；軟件框架的使用，達到接口標準化、設(shè)計統(tǒng)一化；軟件的設(shè)計文檔、代碼、測試等多方面重用，減少了軟件開發(fā)活動中的重復(fù)性工作，提升了軟件開發(fā)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

從重用資源推廣角度考察重用資源庫使用情況，以某型通用控制軟件為例，控制軟件已經(jīng)應(yīng)用在多個型號的多個通用單機上，將通用控制軟件配置項的個數(shù)減少到個位數(shù)，軟件研制周期大幅縮短，降低了研制成本。通用配置項級產(chǎn)品軟件經(jīng)過多個型號的驗證，提高了軟件成熟度和產(chǎn)品質(zhì)量，進而提高了系統(tǒng)的可靠性。

四、后續(xù)展望

研究所通過持續(xù)建設(shè)四層軟件重用結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品化體系，形成了豐富的軟件貨架產(chǎn)品和重用資源，減少了代碼重復(fù)開發(fā)，降低人力成本的同時提高了產(chǎn)品成熟度，能夠平穩(wěn)應(yīng)對急劇增加的型號研制需求。在未來，研究所將重點關(guān)注軟件需求與驗證，基于通用配置項和通用構(gòu)件開展共性需求和通用測試用例的關(guān)聯(lián)開發(fā)。