航空發動機計算分析軟件的應用能力認證方法研究

■ 劉曉松 張振波 隋巖峰 陳鴻福 史妍妍 / 中國航發動力所

在航空發動機的研制過程中需要用到大量的計算軟件。這些軟件來源廣、用途多樣，但能力水平參差不齊，在為研制效率帶來顯著提升的同時，也存在諸多亟待解決的評估和管理問題。

作為航空發動機研發體系的重要組成部分,軟件為發動機研發活動提供所需的仿真、分析、計算功能。本文通過分析航空發動機研制軟件在管控方面存在的問題，提出了軟件應用能力的概念，同時借鑒技術成熟度評價，提出一套軟件應用能力的測評方法，為軟件應用能力的評估提供依據。

軟件管控中存在的問題

隨著航空發動機研制所用的軟件數量和軟件規模的逐漸增加，研制單位在應用軟件提升研發效率、規范研發過程的同時[1]，也暴露出軟件在管控、校核等方面存在一系列問題。具體表現在以下幾個方面。

一是軟件測評制度不完善。缺乏軟件應用能力界定方法[2]，對其是否能夠支撐技術活動的開展沒有統一的標準，同時對軟件開發中接口要求、兼容性等方面考慮不足。

二是部分軟件重復建設。由于前期研發體系建設的不規范[3]，對軟件建設缺少統籌規劃，導致類似功能的軟件存在重復建設的問題。

三是部分軟件功能不完善。很多自研或外委課題開發的軟件缺乏進一步的校核與驗證，計算精度無法滿足設計要求；計算分析結果的可靠性差；部分軟件通用性差,只能計算特定結構的對象，而對結構變化較大的結構無法計算；部分軟件沒有操作界面，人機交互性差[4]。

針對上述問題，結合當前正在開展的研發體系建設，評價軟件的工程適用性并給出量化等級，或能較好地解決上述問題。

軟件應用能力認證標準

從用戶實際應用需求角度，可將軟件的應用能力作為研發及管理人員衡量軟件計算結果可信度的重要依據。

軟件應用能力等級劃分

參考國軍標《軍用軟件成熟度模型》[5]及美國航空無線電技術委員會制定的《機載系統和設備認證中的軟件考慮》[6]，結合軟件實際管理需求，從軟件功能、軟件結果可信度、軟件結果驗證情況， 將軟件應用能力劃分為1～5級。其中，1級最低，5級最高，各級含義如下。

1級：軟件功能得到確認，軟件結果一致性滿足專業使用要求。級別評定由評估準則來表明。

2級：軟件功能得到確認，軟件結果一致性滿足專業使用要求，軟件結果經過與專業認可的數據（標準數據或文獻上公開發表的數據或專業認可的軟件計算結果）對比分析，精度滿足專業使用要求，可在型號研制中試用。級別評定由評估準則來表明。

3級：軟件功能得到確認，軟件結果一致性滿足專業使用要求，軟件結果經過至少一個型號/項目數據的對比分析，精度滿足專業使用要求，可在型號研制中應用。級別評定由評估準則來表明。

4級：軟件功能得到確認，軟件結果的一致性滿足專業使用要求，軟件至少在兩個型號/項目研制中應用，軟件結果經過型號試驗驗證, 精度滿足使用要求，推薦在型號研制中使用。級別評定由評估準則來表明。

5級：軟件功能得到確認，軟件結果的一致性上無差別，軟件至少在3個型號/項目研制中應用，結果已經過充分的試驗驗證，可不附加驗證，優先在型號研制中使用。級別評定由評估準則來表明。

軟件應用能力通用評估準則

在各級定義基礎上，綜合考慮軟件資料的完備性、軟件的可操作性、軟件結果一致性、軟件計算精度、軟件結果驗證情況、軟件試用范圍等多方面因素，制定各等級的評價準則，同時明確準則中各項條款的含義及需舉證的材料，提升準則的適用性。表1是軟件應用能力2級的部分評價準則。

軟件應用能力認證過程

對軟件應用能力的認證過程，實質上是由第三方專家依照軟件應用能力認證準則評價軟件當前狀態，給出量化的能力等級的過程，其典型過程如圖1所示。

表1 航空發動機軟件應用能力2級標準（部分）

認證過程的關鍵環節是軟件應用能力認證申請、制定軟件專用評價細則、軟件應用能力等級認證評審3個步驟，其他步驟本文不做贅述。

圖1 軟件應用能力認證工作流程

軟件應用能力認證申請

申請方依據能力認證標準預判軟件申請的認證等級，并針對申請等級對應的評價細則準備證明材料，要求預判等級對應的評估準則中各項條款均需有對應的證明材料，且證明材料應是正式文件，并填寫《計算分析軟件應用能力認證申請單》（如圖2所示）。

制定軟件專用評價細則

由軟件管理方成立軟件應用能力評審組，并召開評審會，制定軟件專用評價細則。

專用評價細則的制定須對照通用評估準則，按預判等級對應的標準逐條細化，原則上通用評估準則中的條款不能任意裁剪；如標準中確有某項條款確實不適合被認證軟件，可由申請方提出，專家一致同意后可以刪去（并在最終的軟件認證報告中注明原因）。此外，專用評價細則在制定時須注意：由于不同專業對軟件應用能力的“一致性”要求和“精度”要求是不同的，因此在通用評估準則相應條款中對軟件應用能力的“一致性”和“精度”未給出統一要求，這需要評審組在制定專用評價細則中，明確專業對軟件的一致性和精度的指標要求，并納入專用評價細則中，并在此基礎上制定軟件認證專家評審單（如圖3所示）。

軟件應用能力等級評審

評審組組長主持評審會，各評審專家參與，由能力認證申請方介紹軟件的基本信息、相關證明材料與認證標準的對應情況。評審專家依據申請方的介紹情況及提供的證明材料，對照《軟件認證專家評審單》中軟件應用能力專用評價細則，逐條判斷認證標準中各條款的滿足情況，每位專家完成一份《軟件應用能力認證專家評審單》。

需注意的是，專用評價細則中的軟件的一致性和精度的指標要求是軟件應用能力的最低要求，軟件實測的一致性和精度指標要等于或高于專用評價細則的一致性和精度指標，才可判定為通過。

由軟件管理方接收全部評審組成員的《軟件應用能力認證專家評審單》，進行匯總分析，測算軟件專用評價細則中各項條款的通過率，填入《軟件應用能力認證審批單》（如圖4所示），并給出軟件應用能力等級認證結果意見，報與決策層審定。

建議《軟件應用能力認證審批單》中“軟件應用能力評價細則”的每項條款通過率90%以上，則判定該項條款通過；所有條款均通過，則判定軟件達到相應的能力等級。

軟件應用能力認證工具

為提升軟件應用能力認證工作效率，提升軟件管控能力，借助信息化手段將軟件應用能力認證標準、軟件應用能力認證程序進行集成，開發研發體系要素（軟件屬研發體系要素范疇）管理系統（如圖5、圖6所示），使之具備軟件應用能力認證申請、評審組建立、專家在線評價、結果發布、軟件瀏覽查詢及軟件統計分析等功能。

圖2 軟件應用能力認證申請單

圖3 軟件應用能力認證專家評審單

圖4 軟件應用能力認證審批單

圖5 軟件瀏覽界面

圖6 軟件評價界面

應用情況及注意的問題

為驗證方法的可行性，從航空發動機設計涉及的各專業團隊中選取發動機研制中常用的30個軟件開展了認證。認證結果表明該方法能夠有效評價軟件針對具體流程活動的工程適用性，為計算結果可信度的判定提供依據；能夠牽引軟件應用能力的提升，為后續軟件的進一步完善指明方向。

方法在實施過程中還應注意以下問題。

一是軟件應用能力表征采用軟件開展具體設計活動時軟件的工程適用性。因此，當一個軟件支撐多個技術活動時，須針對不同的技術活動分別開展認證與準入。

二是被評價軟件原則上要求軟件精度須可測量，即計算結果能夠與可信數據對比，測算出精度。而業內還存在的一些普遍應用的軟件由于條件所限存在無法測算精度的情況，如該軟件的計算分析結果在多個型號中應用，且型號后續試驗驗證中沒有由于計算結果不準確引起的故障，該軟件也可開展軟件應用能力的認證與準入。

三是軟件應用能力認證可越級申請，如1級軟件可越級申請3級的能力認證。

四是軟件應用能力等級以最近一次認證通過的認證等級為準。

結束語

軟件應用能力認證方法能夠實現對軟件應用能力的量化評估，為開展技術活動中軟件的選用以及計算分析結果的可信度的判別提供依據，同時能有效避免軟件的重復建設；結合流程建設，能夠明確企業當前的軟件缺失、軟件應用能力不足、軟件重復建設等問題，為后續建設指明方向；結合信息化系統的應用，支撐軟件應用能力認證全過程,實現對軟件應用能力提升的追溯、軟件的統計分析，有效提升企業軟件的管控能力。