航空機載軟件配置管理關鍵技術研究

張曉梅 張集成

（金航數(shù)碼科技有限責任公司 北京市 100028）

1 引言

隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，航空產品的安全性與穩(wěn)定性已經成為研制單位進行市場抗衡的重要砝碼，而軟件研制過程能力的高低往往對其起著決定性的作用。[1]隨著航空工業(yè)技術的不斷發(fā)展，飛機系統(tǒng)的集成化、模塊化、系列化、平臺化程度越來越高，越來越多的飛機系統(tǒng)功能是由標準化的組件和機載軟件實現(xiàn)的。因此，機載軟件對航空產品的作用和價值也越來越大[2][3]。

傳統(tǒng)機載軟件采用單機電腦進行軟件研發(fā)和存儲、以光盤和U 盤等存儲設備作為媒介進行機載軟件傳輸。由于機載軟件數(shù)量和復雜度不斷增加，當前機載軟件的數(shù)據(jù)管理模式，已無法滿足當前航空產品對機載軟件的管理發(fā)展要求。本文基于DO-178B、GJB5000AIII 和CMMI 對機載軟件開發(fā)和灌裝過程的配置管理進行關鍵技術研究，提出基于PDM 系統(tǒng)的機載軟件配置管理體系，為航空機載軟件配置管理相關信息系統(tǒng)建設提供技術幫助和參考。

2 機載軟件配置管理綜述

圖1為機載軟件研發(fā)全過程，包括機載軟件研發(fā)項目管理、需求定義、架構定義、設計定義、系統(tǒng)分析、實施、集成、驗證、運行和維護。軟件配置管理是軟件研發(fā)過程中最重要的一個環(huán)節(jié)，包括計劃制定、標示配置項、基線管理、變更控制、配置審計、配置記錄、歸檔。[4]GJB5000A-2008 提出配置管理的目的是利用配置標識、配置控制、配置狀態(tài)記實和配置審核建立和維護工作產品的完整性。[5]因此，我們需要從軟件研發(fā)團隊、執(zhí)行過程和質量控制等方面對軟件配置進行管控。

CCB（變更控制委員會）是軟件配置管理的組織機構，負責定義軟件配置管理工作內容，包括配置管理的軟硬件資源的配置項標識、變更控制、變更審核、變更記錄和報告等。[6]軟件配置項包括項目開發(fā)過程中產生的任務書、計劃、需求、設計、代碼、測試數(shù)據(jù)等與產品相關的各類工程文檔及數(shù)據(jù)，使用維護過程中產生的文檔、數(shù)據(jù)，以及項目所使用的工具、采用的第三方軟件等。軟件開發(fā)過程是一個不斷迭代不斷完善的過程，針對軟件開發(fā)過程中產生的數(shù)據(jù)通過軟件配置庫進行管理，軟件配置庫通常是開發(fā)庫、受控庫、產品庫的三庫管理模式，[7]開發(fā)庫負責收集所有軟件研發(fā)過程中的電子數(shù)據(jù)，受控庫保存用基線管理的受控數(shù)據(jù)，產品庫保存用基線管理發(fā)布的軟件產品數(shù)據(jù)。[8]基線是對軟件開發(fā)過程中不同階段的軟件數(shù)據(jù)版本進行管理，通常軟件配置基線可以分為功能基線、配置基線、設計基線、代碼基線、測試基線、產品基線。[9]

3 機載軟件配置管理關鍵技術

3.1 機載軟件數(shù)據(jù)結構模型

航空工業(yè)各主機廠所中各類研制數(shù)據(jù)在PDM 系統(tǒng)中一般通過BOM 進行組織和管理，包括管理設計數(shù)據(jù)的EBOM（結構視圖和系統(tǒng)視圖）、管理工藝數(shù)據(jù)的PBOM、以及管理制造數(shù)據(jù)的MBOM。機載軟件是沒有實體的，它必須依托于硬件（系統(tǒng)設備）才能在飛機上使用；機載軟件不包含工藝、制造過程，其生命周期包括需求、研發(fā)、測試、灌裝等等。機載軟件在PDM 系統(tǒng)中，其產品結構的定義需要具備以下特點：

（1）為了便于建立機載軟件與機載設備的關系，機載軟件需要建立與BOM 類似的產品結構，通過BOM 對全機的機載軟件進行統(tǒng)一管理；

（2）由于機載軟件沒有工藝、制造過程，所以機載軟件僅包含EBOM，沒有PBOM 和MBOM；

（3）由于機載軟件與系統(tǒng)設備之間存在著緊密的關聯(lián)關系，所以機載軟件相關的數(shù)據(jù)也需要按照系統(tǒng)設備進行組織和管理，同時可以支持建立軟件BOM 與EBOM（系統(tǒng)視圖）間的關聯(lián)關系。

結合機載軟件的特點，其產品結構的數(shù)據(jù)模型如圖2所示。

圖1：機載軟件研發(fā)過程

圖2：機載軟件產品結構

機載軟件的產品結構即EBOM（軟件視圖）如圖3，包括頂層、設備層和底層三部分結構，以機型為根節(jié)點進行組織。頂層結構與EBOM 的頂層結構相同，包括系統(tǒng)、分系統(tǒng)、子系統(tǒng)（民機為ATA 章、ATA 節(jié)、ATA 段）；設備層結構包括設備和配置項，設備為需要灌裝機載軟件的具體系統(tǒng)設備，對應EBOM（系統(tǒng)視圖）中的設備/成品，配置項用于對同一設備可灌裝的不同狀態(tài)軟件進行區(qū)分，是機載軟件技術狀態(tài)控制的可配置節(jié)點，是相關基線的主要配置單元；底層結構為機載軟件的具體數(shù)據(jù)，一般包含軟件的源代碼、執(zhí)行代碼和相關的技術文件。

在EBOM（軟件視圖）的基礎上，為更好的對機載軟件與系統(tǒng)設備、機體結構之間的關系進行追蹤追溯，需要構建EBOM（軟件視圖）與EBOM（系統(tǒng)視圖）之間的關聯(lián)關系，從而構建機、電、軟一體化的構型管理體系。EBOM（軟件視圖）的技術狀態(tài)管理，以及其與EBOM（系統(tǒng)視圖）、EBOM（結構視圖）間技術狀態(tài)的一致性保障，是機載軟件數(shù)據(jù)管理的核心。

EBOM（軟件視圖）、EBOM（系統(tǒng)視圖）、EBOM（結構視圖）之間的關系模型如圖4所示。

通過在PDM 系統(tǒng)中進行EBOM（軟件視圖）的構建，以型號為單位對機載軟件統(tǒng)一管理，建立機載軟件的存儲結構，是對機載軟件進行合理有效管理的基礎。在此基礎上，還需要建立機載軟件從研發(fā)到灌裝的業(yè)務過程管理體系，從而實現(xiàn)機載軟件的一體化管控。

3.2 機載軟件技術狀態(tài)管理

機載軟件具有關系復雜、變更頻繁的特點，除了機載軟件自身的更新、升級會引起機載軟件的版本變化外，與其關聯(lián)的機載設備的變更也可能引起機載軟件的版本變化，機載軟件的版本與機載設備的版本并非一一對應的關系。機載軟件的技術狀態(tài)管理，需要按照機載軟件研發(fā)過程的生命周期，以及不同生命周期階段的交付要求，定義機載軟件配置項的版本定義，并按照業(yè)務需求定義各種基線規(guī)則。

軟件數(shù)據(jù)的版本控制能夠有效地保證配置項的正確性和一致性，PDM 系統(tǒng)通過系統(tǒng)版本和軟件配置版本來定義軟件配置項。系統(tǒng)版本是配置項創(chuàng)建時生成的，軟件配置版本是軟件入庫和變更時生成的。系統(tǒng)版本中大版本由修訂動作產生，小版本由檢出、檢入動作產生。軟件配置項初始版本由入庫時指定，軟件配置版本的升版由更改時產生。配置項創(chuàng)建時，只有軟件系統(tǒng)版本A.1，軟件配置版本為空。如果這時候軟件配置項需要變更，則系統(tǒng)版本就會升級為A.2。軟件入庫軟件配置版本為2.00A。入庫軟件進行更改，需要走更改流程，更改申請批準后，修訂軟件系統(tǒng)版本為B.1，軟件配置版本為2.01A，如圖5所示。

通過不同的基線和架次有效性對軟件技術狀態(tài)進行控制。機載軟件管理的生命周期主要包括：需求、設計、研發(fā)、測試、裝機規(guī)劃和灌裝六個階段。其中需求、設計、研發(fā)、測試階段是在機載軟件正式數(shù)據(jù)發(fā)放前，在相關專用工具的支持下完成的。在一般情況下，PDM 系統(tǒng)不需要管理上述四個階段中產生的過程數(shù)據(jù)，僅需要對完成軟件測試后的結果數(shù)據(jù)以及后續(xù)的裝機規(guī)劃和灌裝過程進行管理。

為滿足機載軟件的管理要求，在機載軟件產品結構的基礎上，定義“開發(fā)基線”、“規(guī)劃基線”和“裝機基線”。通過不同的基線對機載軟件的各生命周期階段的數(shù)據(jù)狀態(tài)進行標識和管理，三大基線的關系和定義規(guī)則如圖6所示。

如圖6，“開發(fā)基線”、“規(guī)劃基線”和“裝機基線”分別對具備如下特點：

圖3：軟件產品結構的定義

圖4：EBOM 軟件視圖、系統(tǒng)視圖、結構視圖的關系模型

圖5：軟件版本管理

圖6：機載軟件基線定義規(guī)則

（1）開發(fā)基線：機載軟件承辦單位完成軟件開發(fā)、測試后，開發(fā)人員通過入庫申請將機載軟件相關數(shù)據(jù)提交機載軟件配置和管理單位。機載軟件配置和管理單位各專業(yè)管理人員接收數(shù)據(jù)并完成入庫，入庫的同時創(chuàng)建開發(fā)基線。開發(fā)基線基于系統(tǒng)/分系統(tǒng)固化軟件配置項版本。開發(fā)基線沒有版本控制，可通過創(chuàng)建新的開發(fā)基線替代原有的開發(fā)基線。開發(fā)基線作為規(guī)劃基線創(chuàng)建和升版的基礎。

（2）規(guī)劃基線：規(guī)劃基線由機載軟件配置和管理單位軟件配置管理人員創(chuàng)建，基于科研計劃建立的規(guī)劃全機軟件版本或用于成品設備和全機鑒定版本合集。規(guī)劃基線具備批架次有效性，不同規(guī)劃基線的架次允許重疊。規(guī)劃基線將作為裝機基線新建或升版的依據(jù)。

（3）裝機基線：裝機基線由機載軟件配置和管理單位軟件配置管理人員創(chuàng)建，是用于建立需要裝機的所有軟件版本的合集。裝機基線單架次有效，每一架飛機的裝機基線只能有一個。裝機基線的創(chuàng)建或升版時必須以某一條規(guī)劃基線為基準，并允許修改。裝機基線審批發(fā)布后，可以根據(jù)裝機基線對規(guī)劃基線進行“反哺”，用裝機基線的內容和架次更新規(guī)劃基線。機載軟件的裝機基線（以及裝機基線相關的機載軟件數(shù)據(jù)）審批發(fā)布后，將由機載軟件配置和管理單位發(fā)往負責軟件灌裝的制造廠、試飛單位、用戶等單位，并作為軟件灌裝的依據(jù)。

在規(guī)劃基線和裝機基線中，其架次有效性的定義規(guī)則必須與EBOM（系統(tǒng)視圖）中有效性的定義規(guī)則相同。通過架次有效性過濾，以及EBOM（軟件視圖）中的設備與EBOM（系統(tǒng)視圖）中機載設備的對應關系，實現(xiàn)EBOM（系統(tǒng)視圖）中軟件版本與EBOM（系統(tǒng)視圖）機載設備版本的對應，從而實現(xiàn)機、電、軟相關數(shù)據(jù)技術狀態(tài)的一體化管理。

3.3 機載軟件業(yè)務過程控制

機載軟件的生命周期管理過程中，包括需求、開發(fā)、入庫、更改、配置、出庫、灌裝等多個業(yè)務場景。PDM 系統(tǒng)除了要對機載軟件相關數(shù)據(jù)進行管理外，還需要通過流程任務，對各個業(yè)務場景的開展進行支持，從而在數(shù)據(jù)流和業(yè)務流兩個維度對機載軟件的整個研制體系進行支撐。

機載軟件管理的總體業(yè)務流程如圖7所示（流程圖中白色的流程節(jié)點是不納入PDM 系統(tǒng)中管理的節(jié)點）。

如圖7所述，機載軟件管理業(yè)務流程中，主要的業(yè)務場景如下：

（1）機載軟件產品結構規(guī)劃：機載軟件產品結構規(guī)劃即EBOM（軟件視圖）的頂層結構、設備層結構規(guī)劃。EBOM（軟件視圖）的頂層結構是基本不變的，通過同步EBOM（系統(tǒng)視圖）的頂層結構完成搭建（或手工搭建、導入）。設備層結構由機載軟件配置和管理單位的機載軟件管理人員參照EBOM（系統(tǒng)視圖）進行手工搭建，同時建立EBOM（軟件視圖）中設備與EBOM（系統(tǒng)視圖）中機載設備的關聯(lián)關系。機載軟件產品結構規(guī)劃以“機載軟件產品結構規(guī)劃單”為載體，由機載軟件管理人員創(chuàng)建并提交審批，經審批發(fā)布后，PDM 系統(tǒng)將自動創(chuàng)建EBOM（軟件視圖）的頂層結構、設備層結構。

（2）機載軟件入庫：機載軟件入庫流程是當機載軟件完成開發(fā)與測試后，由設計機載軟件承辦單位的機載設備主管人員將機載軟件相關的數(shù)據(jù)（含代碼包、測試報告、驗收文檔等）以“機載軟件入庫申請”為載體上傳至PDM 系統(tǒng)。每一份“機載軟件入庫申請”對應EBOM（軟件視圖）中設備的一個“配置項”，代表該設備中的一個可用的機載軟件狀態(tài)?！皺C載軟件入庫申請”經審批后發(fā)布，PDM 系統(tǒng)將自動在EBOM（軟件視圖）中創(chuàng)建 “配置項”及其對應的底層結構。在完成“機載軟件產品結構規(guī)劃流程”和所有設備的“機載軟件入庫流程”后，PDM 系統(tǒng)中將完成整個EBOM（軟件視圖）的結構搭建。

（3）基線創(chuàng)建及審簽：基線創(chuàng)建及審簽流程包括開發(fā)基線、規(guī)劃基線、裝機基線的創(chuàng)建及審簽三個子流程。三大基線的流程中均包含基線創(chuàng)建、基線審批和基線發(fā)布三個子流程。其中規(guī)劃基線創(chuàng)建時，需要以裝機基線作為基礎；裝機基線創(chuàng)建時，需要以規(guī)劃基線作為基礎。

（4）機載軟件更改：機載軟件更改流程是基于配置項（或新增配置項）對機載軟件版本進行更改及審簽的流程。機載軟件的更改流程包括更改申請和更改執(zhí)行兩個子流程，均由機載軟件承制單位軟件設計人員發(fā)起。更改申請流程以“更改申請單”為載體，描述需更改軟件的更改依據(jù)（協(xié)調單、試飛問題、需求、升級反饋等），以及軟件名稱、所屬系統(tǒng)/分系統(tǒng)、更改前后的軟件版本等?！案纳暾垎巍眲?chuàng)建完成后，由創(chuàng)建者提交審簽，審簽通過后啟動更改執(zhí)行流程。更改執(zhí)行流程以“更改單”為載體，描述具體的更改內容，并上傳改后數(shù)據(jù)。“更改單”創(chuàng)建完成后，由創(chuàng)建者提交審簽，審簽通過后重新執(zhí)行機載軟件入庫流程，更新機載軟件狀態(tài)。

（5）機載軟件出庫流程：機載軟件出庫流程是在執(zhí)行軟件灌裝前，由機載軟件灌裝執(zhí)行單位（生產、試飛、特設、用戶等）相關技術人員發(fā)起，用于在申請機載軟件灌裝所需的軟件代碼及相關文檔。機載軟件出庫流程以“機載軟件出庫單”為載體，填寫架次有效性、所需設備等信息，并根據(jù)架次有效性在裝機基線中篩選出符合要求的數(shù)據(jù)。機載軟件出庫單創(chuàng)建完成后，由其編制者提交審簽，審簽完成后發(fā)布。

（6）機載軟件灌裝狀態(tài)反饋：生產、試飛或外廠的軟件灌裝人員在執(zhí)行軟件灌裝時，通過機載軟件灌裝狀態(tài)反饋流程，將機載軟件的灌裝情況向機載軟件承制單位進行反饋。機載軟件升級反饋流程以“機載軟件升級反饋單”為載體，描述機載軟件灌裝情況信息，并在生產、總裝、試飛或外廠單位內完成審簽后，發(fā)往機載軟件承制單位。機載軟件承制單位相關人員接收“機載軟件升級反饋單”并根據(jù)其內容進行答復和相關的處理。生產、總裝、試飛或外廠的軟件灌裝人員接收答復和處理結果，對軟件灌裝進行相應的處理。

4 機載軟件配置管理應用案例分享

圖8是某航空主機所和主機廠軟件協(xié)同研制的案例介紹。主機所負責軟件的開發(fā)，在軟件三庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)軟件的三庫管理，將產品庫數(shù)據(jù)發(fā)布到PDM 系統(tǒng)，在PDM 系統(tǒng)實現(xiàn)軟件出入庫和更改管理，軟件數(shù)據(jù)基于軟件產品結構進行管理，每架次軟件是通過基線發(fā)布給主機廠。主機廠接收來自主機所某一架次的軟件數(shù)據(jù)基線，在自己的PDM 系統(tǒng)建立軟件產品結構，并基于軟件產品結構管理軟件數(shù)據(jù)，按某一架次基線的軟件數(shù)據(jù)實現(xiàn)軟件灌裝，并將軟件灌裝信息反饋給主機所，形成軟件研制的閉環(huán)。

4.1 XXX主機所軟件配置管理

主機所在軟件三庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)軟件的三庫管理，產品庫數(shù)據(jù)通過在PDM 系統(tǒng)提交入庫申請單，走審簽流程才可以入PDM 系統(tǒng)。PDM 系統(tǒng)參照飛機的EBOM 結構過濾出帶有軟件的設備形成整機的軟件產品結構，基于軟件產品結構管理軟件數(shù)據(jù)。軟件產品結構是由飛機->系統(tǒng)->分系統(tǒng)->設備->軟件配置項自頂向下的軟件產品結構關系,產品結構樹記錄型號所有可用軟件配置項的集合。

PDM 系統(tǒng)以配置項為管理單元管理軟件數(shù)據(jù)，軟件基本信息（名稱、編號、軟件版本、研制單位等）作為屬性進行管理。同時，通過數(shù)據(jù)的關聯(lián)信息，將入庫單、出庫單、配置項更改申請（更改單）與配置項進行關聯(lián)；目標代碼包作為入庫單的主要內容，源代碼包、測試文檔、驗證報告等作為入庫單的附件進行管理。

軟件數(shù)據(jù)的版本控制能夠有效地保證配置項的正確性和一致性，PDM 系統(tǒng)通過系統(tǒng)版本和軟件配置版本來定義軟件配置項。系統(tǒng)版本是配置項創(chuàng)建時生成的，軟件配置版本是軟件入庫和變更時生成的。系統(tǒng)版本中大版本由修訂動作產生，小版本由檢出、檢入動作產生。軟件配置項初始版本由入庫時指定，軟件配置版本的升版由更改時產生。

軟件產品結構通過配置項管理軟件產品的所有版本數(shù)據(jù)，XXX主機所需要發(fā)放數(shù)據(jù)給YYY 主機廠時，針對某一具體架次飛機創(chuàng)建該架次飛機的基線，基線里包括有該架次飛機所有軟件對應版本的軟件配置項，及該對應版本的軟件配置項下的軟件數(shù)據(jù)。XXX主機所通過出庫單將該架次飛機對應的軟件數(shù)據(jù)基線發(fā)放給YYY主機廠。

4.2 YYY主機廠軟件配置管理

YYY 主機廠接收到XXX 主機所的出庫單及打包的軟件基線數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)還原到PDM 系統(tǒng)，形成YYY 主機廠的軟件配置管理結構樹，并基于軟件配置管理結構樹對軟件數(shù)據(jù)進行管理。YYY主機廠通過出庫單將需要灌裝的軟件基線數(shù)據(jù)包分發(fā)給相關單位，如：庫房、質檢處、特設處、總裝廠、試飛站等，相關人員在自己的系統(tǒng)里完成軟件數(shù)據(jù)和版本核查及相關的軟件灌裝工作。

庫房管理：PDM 系統(tǒng)向庫房管理系統(tǒng)發(fā)放軟件清單、更改數(shù)據(jù)和軟件灌裝任務，庫房管理人員對成品信息進行核查、接受軟件灌裝任務。庫房管理員可以在PDM 系統(tǒng)中直接登陸庫存管理系統(tǒng)，查看成品件在庫房中的存貨數(shù)量，以及成品出庫記錄，獲得成品出庫狀態(tài)信息，以便追蹤到成品所在單位，進行軟件升級灌裝。庫房管理系統(tǒng)向PDM系統(tǒng)傳輸成品首次入廠首檢信息和灌裝反饋信息，在PDM 系統(tǒng)保存成品完整信息。

質量管理：PDM 系統(tǒng)向質量管理系統(tǒng)發(fā)放軟件清單、更改數(shù)據(jù)和軟件灌裝任務，檢驗和特設人員在質量管理系統(tǒng)完成成品信息核查工作、接受軟件灌裝任務。檢驗和特設人員在PDM 系統(tǒng)中可以直接登陸質量管理系統(tǒng)，查看現(xiàn)場成品信息，獲得成品軟件版本信息，以便進行軟件升級。質量管理系統(tǒng)向PDM 系統(tǒng)反饋灌裝反饋信息。

MES 系統(tǒng)：PDM 系統(tǒng)向MES 系統(tǒng)發(fā)放軟件清單、更改數(shù)據(jù)和灌裝任務，總裝廠和試飛站在MES 系統(tǒng)完成成品信息核查工作和接受軟件灌裝任務。總裝和試飛人員在PDM 系統(tǒng)中可以直接登陸總裝廠和試飛站的MES 系統(tǒng)，查看現(xiàn)場成品信息，獲得成品庫存信息和裝機信息，以便進行軟件升級。MES 系統(tǒng)向PDM 系統(tǒng)反饋灌裝反饋信息。

各個制造部門若有問題就在出庫單審簽過程中，將問題反饋給特設處，由特設處落實問題處理意見，若問題需要XXX 主機所解答，特設處會將問題基于流程自動反饋給XXX 主機所，XXX 主機所接收到相關問題后落實問題處理方法，將相關信息基于流程自動反饋給YYY 主機廠特設處，由特設處將問題的處理意見傳遞給相關部門的相關人員，形成軟件灌裝現(xiàn)場問題處理閉環(huán)。

圖7：機載軟件管理總體業(yè)務流程

圖8：XXX 主機所和YYY 主機廠軟件研制過程配置管理

圖9：YYY 主機廠軟件配置管理

5 結束語

軟件配置管理是保證軟件質量的關鍵，也是保證軟件產品交付的重要手段。本文以DO-178B 和GJB5000A 三級為指導，結合CMMI 三級關鍵過程域實踐，利用配置標識、配置控制、配置狀態(tài)記錄和配置審計，從軟件數(shù)據(jù)管理、構型管理、業(yè)務過程管理的角度出發(fā)，提出基于PDM 系統(tǒng)的機載軟件配置管理解決方案，為機、電、液、軟等各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一的技術狀態(tài)管理和多學科協(xié)同產品研制提供了軟件配置管理的技術保障。未來航空產品研制將向模型化、組件化、集成化、智能化、網絡化方向發(fā)展，會對軟件研發(fā)提出越來越高的要求，軟件配置管理的研究工作也將任重而道遠。