眾創機制下復雜應用軟件系統的技術狀態管理

陳魯愚 韋喜忠

（中國船舶科學研究中心 無錫214082）

引 言

近年來，隨著高性能計算、大數據、人工智能等新興技術日新月異的發展，高端應用軟件系統日益發展迎來了前所未有的良機，也為基于模型的系統工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）理論、包含預報/評價/優化三大應用環節的船舶總體性能創新研究注入了嶄新活力［1］。在這樣的背景下，中國船舶科學研究中心創新提出船舶總體性能模擬仿真系統的總體框架，并集合優勢單位力量開啟了相關研發與實踐。

“眾創機制”，指的是為了充分發揮創新力量的作用，打造一個“去中心化”、共享共贏、知識產權記賬確權的開放環境，以此廣泛吸收科研院所、高校、民營公司等多種屬性的研究團隊投入與創新。之所以采用“眾創”機制，是因為研發船舶總體性能模擬仿真系統，將涉及到龐雜的總體性能、信息化技術等多個學科或領域，不可能由一家單位或企業獨立完成，需要不同領域、單位/企業的通力協作。為把握好團隊間的內在關系，在此基礎上統一協調各參研方的技術力量和資源配置，確保系統開發能夠按計劃高效地進行，亟需引入并貫徹技術狀態管理這樣一個有用的思想/工具。

在研發過程中，多單位、多學科、多部門的合作與協調，產生了大規模技術數據及時交換、改進方案同步更新等需求。更為重要的是，隨著物理/虛擬試驗體系不斷拓展、CAD/CAE軟件等技術的廣泛應用，數據、軟件、模型的技術狀態屬性越來越難以準確描述和實時管理，傳統的以技術文件/手冊/規范為載體的技術狀態管理方法，已經無法滿足實時、全面、有效了解和控制研發過程中產生各類產品的技術狀態，以及把控其技術指標的開發需求。結合船舶總體性能模擬仿真系統的內在屬性與特點，定制化開展其技術狀態管理，已成為必然選擇。

本文以研發船舶總體性能模擬仿真系統的總體需求為牽引，著眼復雜軟件系統的研發和今后的應用過程，圍繞其技術內涵與特征，提煉技術狀態管理的重點方向；開展技術狀態管理的“本地化”裁剪，建立與現有關鍵管理活動的映射關系；提出在眾創機制下實施技術狀態管理的思考建議和開展初步應用實踐，為系統研發和應用的高質量提供重要支撐與保證。

1 復雜應用軟件系統研發的技術挑戰及其技術狀態管理引入的必然要求

復雜應用軟件系統的研發過程，由于軟件模塊具有來自多方、技術狀態信息更改頻繁、研發周期跨度大等特點，很難沿用傳統的技術手段進行管理。以船舶總體性能模擬仿真系統的開發為例，其所面臨的技術挑戰主要體現在以下方面。

1.1 船舶總體性能的學科復雜性

不同于陸、空、天，船舶所在的海洋環境復雜多變，以水動力學、結構安全性、綜合隱身性能三大學科為代表的總體性能對于船舶的航行安全和經濟高效至關重要。由于隨機性問題的存在，船舶總體性能尚存在諸多未解難題，例如船舶水動力性能中對于“風浪流/自由液面”、“高雷諾數湍流”、“空化流動”等非定常和非線性問題至今難以用數值模擬仿真手段準確表達。同時，船舶總體性能亦是一門經典學科，意味著經驗性內容多、理論傳承體系脈絡紛繁多樣；同一類問題存在多種技術解決方法/途徑，即使是行業頂尖專家也難以兼顧如此種類龐雜的學科體系。因此，其開發成果的技術狀態確認、技術成熟度鑒別與審核把關的難度相當大。

1.2 開創性工作缺乏可繼承性經驗

船舶總體性能的數值模擬軟件研發一直倍受關注，迄今為止尚無一款具備應用能力的綜合軟件系統。國際上最為知名的案例是2006年歐盟發起的“虛擬水池（VIRTUE）”計劃以及2016年我國開展的“數值水池”［2］計劃。這兩個項目旨在開發一套以計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）為基礎的船舶水動力性能數值模擬軟件。從呈現的技術成果來看，僅屬于民船水動力學性能CFD應用技術攻關。其學科局限于水動力學，并沒有覆蓋船舶總體性能的主要內容，特別是軟件系統距離應用，仍有較大的距離。

船舶總體性能模擬仿真系統，不應是一個“拼盤”式的數值模擬軟件集合。復雜軟件系統的研制攻關、總體集成是一項艱巨的工程；邊開發邊應用、以應用促進系統的持續生長優化，更是一項長期性的工作。以更拓展的視角看，如何在系統的初創研發、應用驗證、服務維護、生長優化的全階段始終貫徹一致性、可傳承的頂層設計思想、總體技術路線、分學科技術方案，是技術管理的一大難題。

1.3 眾創機制帶來的技術狀態統一難題

系統研發采用眾創機制，匯集總體性能、信息化技術等多領域的優勢力量參與，僅軟件模塊數量便會達到數百上千項，來源數十個研究單位或部門，技術狀態統一和準入驗證標準建立的難度相當大。開展軟件模塊研發與自測試時，多采用小團隊/小組的模式進行“邊研制、邊應用、邊改進”的技術開發與管理，存在個體化特征較強、技術開發經驗不一、測試驗證準備不充分等現象，帶來技術與管理信息偏移的糾正、“分片段”管理的統一、需求到執行的過程管控等問題亟待解決。

1.4 軟件系統傳統管理方法的不足

提供船舶總體性能預報、評價、優化流程的技術支持服務，是開發模擬仿真系統的重要成果形式之一。為確保在整個壽命周期之內，與開發、使用、維護相關的人員可以獲取準確的技術狀態信息，需要正確地形成文件并通過文件全面反映出當前階段的技術狀態以及達到功能要求的程度。眾多軟件研發單位采用的傳統管理方法，提供了非常全面的軟件研制過程精細化管控手段；但是有必要針對船舶總體性能模擬仿真系統的特殊性進行針對性優化，以確保系統不斷持續改進。

在眾多問題中，核心問題是對眾創各方的技術狀態準確控制、記錄、審核，同時需求得到識別、標識與追蹤，確保在研制、生產及運行維護的全壽命周期內船舶總體性能模擬仿真系統的功能特性和物理特性保持一致性。因此，引入并實施技術狀態管理［3］（Configuration Management，CM，在軟件相關國軍標中通常稱之為“配置管理”）方法，將顯著增強系統的研制效率和質量。

2 技術狀態管理關鍵活動的“本地化”

為理清船舶總體性能模擬仿真系統與技術狀態管理方法的關系，必須注意到，是先有模擬仿真系統的研制開發需求，再有技術狀態管理方法的“輔助加成”。技術狀態管理應是“千人千面”，不能一味地將現有的技術與行政體系改造，而是運用技術狀態管理的思想和理念，將關鍵活動/要素與既有體系建立對應關系，以利于技術狀態管理的“本地化”。

2.1 系統的技術狀態管理基線建立

在技術狀態管理活動中，核心任務是建立基線，作為管理的主要依據。基線是在一個技術開發層次完成以后，對技術狀態描述的一系列經過正式確認的技術狀態文件［4］；基線的建立、穩定和受控，才能開展后一個開發層次的研制活動。

船舶總體性能模擬仿真系統的總體架構、功能在形成過程中，需要建立若干個階段控制點，以利于各階段的動態管理。根據通用的基線劃分準則，設置功能基線、分配基線和產品基線三個基線，以一系列的技術文件通過批準為標志（相關文件名稱在此不再贅述）。在功能基線階段，以質量計劃書的編制、評審、反饋為抓手，確立初始技術狀態；在分配基線階段，通過技術開發/研究報告的策劃、編寫、線上審簽，實現該階段主要技術狀態的記錄控制；在產品基線階段，以對照系統特性是否滿足原定計劃要求和鞏固相應技術狀態為主要目標，反映技術狀態變更，為系統投入使用后的可持續運行提供保障。

2.2 系統的技術狀態項設立

在復雜應用軟件系統的研發過程中，需要進行獨立結構單元的分解，其中需要單獨管理且有助于達到最終使用要求的結構單元被稱為技術狀態項（Configuration Item，CI）。對船舶總體性能模擬仿真系統而言，其分解結構單元見下頁表1。

從管理的可見性和效率提升的角度出發，應在CI中區分重點項和一般項進行管理。在研發階段，我們認為應用客戶端、軟件模塊、試驗數據、標準規范和系統測試這五項結構單元，因技術開發難度高、技術狀態把控要求嚴，應納入重點CI進行管理，設置功能基線、分配基線和產品基線。系統的維護、運營等服務和系統支撐硬件等，由于技術手段較為成熟，因此可根據階段或系統的需求，作為一般CI項設置功能基線與產品基線。

3 實施技術狀態管理的新思路

針對技術狀態管理方法中的動態數據和過程的管理、開放式可拓展體系結構、面向研制過程的動態圖檔管理等關鍵技術，已有成熟工具和應用實踐，在此不再贅述。高質量地開展船舶總體性能模擬仿真系統的技術管理工作，需要針對該系統的技術特征和需求，從技術思想統一、信息化技術手段的運用兩個方面重點關注，形成具體的工作方案，確保技術狀態管理與大型軟件系統研發、運維的深度融合。

3.1 統一技術思想

作為一項“走新路”的復雜應用軟件系統，結合船舶總體性能研發的內在需求和存在的主要問題，我們提出以下4方面的技術創新思路：

（1）匯聚、融合物理試驗數據和虛擬試驗數據，統一數據標簽，為數據的深度挖掘和知識化、推動數據庫成為知識寶庫奠定堅實基礎；

（2）建立嚴格準入的統一標準，通過“自開發與他驗證”機制，嚴控不同單位/部門開發的軟件模塊質量，確保魯棒性；

（3）“采購”最成熟可靠的應用創新資源，通過確權/記賬，構建系統、開發者、用戶之間的技術互信；

（4）基于“屬性細分、知識封裝”的開發理念，推動軟件模塊“APP化”，使之形成一個個“消除因人因事差異”的APP，從而達到“即插即用”的應用效果。

隨著船舶總體性能模擬仿真系統的技術狀態管理方法的推行，需要通過文件、講座、合同要求等形式，不斷深化技術思想的宣貫和執行，以技術思想落地為目標提出相應的技術管理和管控要求，將其作為基線確立的前提之一。

3.2 有效運用信息化技術手段

有別于以紙質為主要載體的傳統技術管理方法，在信息化技術飛速發展的今天，技術狀態管理實際上可稱為“面向系統生命周期的數據管理技術”。船舶總體性能模擬仿真系統在協同開發過程中必須通過信息化手段，構建工作流和過程管理體系。

以系統測試這項CI的技術狀態控制為例，由于手工測試過程存在人為主觀因素，造成測試工作量巨大、公平性無法保證等，可以引入自動化測試技術（分析系統業務流程，梳理自動化測試用例），針對典型性能預報流程，通過異構APP測試腳本組件化定制，實現APP測試流程模塊化；應用測試管理平臺，實現對測試需求、測試計劃、測試用例、測試數據、測試腳本、測試缺陷、測試日志和測試報告等資產庫管理和合理有效的復用，從而快速應用于回歸測試。

此外，在APP的開發、應用、維護流程中，可采用特定算法對軟件源碼生成唯一的校驗碼，而不是以人工驗證方法確定其軟件狀態是否變更；通過信息化平臺記錄用戶對APP的操作、流程的設置、信息數據的流向，推動技術狀態優化；建立、跟蹤某一典型APP從產生、完善、發布、使用、維護、下線等全生命周期中的演變過程文檔，通過研究其更改變遷，形成APP類的技術狀態管理模板等。

4 技術狀態管理在系統開發過程中的應用實踐

船舶總體性能模擬仿真系統開發的創新特色顯著、多方共創參與、測試驗證的工作量巨大，是一項典型的復雜系統工程。針對系統推進過程中的難點，結合船舶總體性能特點和管理組織現狀，從策劃保持系統及成果的完整性和一致性、提高系統開發效率等方面，開展探索實踐。

4.1 保持系統的完整性和一致性

系統所涉及的學科體系龐雜、專業程度很強，尤其是軟件模塊這一CI，在實施過程中往往還牽涉到多家單位，較易缺項或者與技術規格要求不一致，造成系統或其他工作產品的完整性和一致性受損。為此，通過形成CI的結構性表征“樹”和按期召開技術狀態審核及通報會兩個手段，推動技術狀態的過程可控。

首先，根據建立的基線文件，明確各項CI的責任人、計劃完成時間點、物理組成（采用物理審核確認）與技術規格（采用功能審核確認），形成200余項CI的結構性表征樹狀圖。通過技術狀態規劃，避免了不同團隊可能從事重復的技術研發工作，保證技術狀態清晰明確、可跟蹤、可追溯，必要時還可直接壓實到責任人。

其次，每月定期召開狀態審核、通報會，以基線及相應的CI的結構性表征“樹”為基準，對各項資源進行物理審核與功能審核；同時通報CI進度和審核質量，協調解決實施過程重點問題、對后續節點工作進行部署。通過技術狀態通報會的籌備、召開與后續跟蹤，有效實現重點問題的解決與閉環，降低了信息在過程中的損耗，顯著提高系統的開發效率。

4.2 提高軟件模塊開發質量與效率

以軟件模塊這一典型CI的開發過程為例，將“軟件APP化”的思想貫穿于需求整理與策劃、需求分析、設計與實現、合格性測試、驗證與驗收交付等全壽命周期的多個階段，實現技術狀態管理的可用和規范。

在中國船舶科學研究中心開展的先期開發實踐過程中，選擇了10個在專業屬性、開發語言、技術難度和規模等方面比較接近的APP研制單元，將其分為2組，作為技術狀態管理對照驗證對象。第1組試點5個APP未采用技術狀態管理，經第三方測試組開展的獨立測試工作，發現文檔與代碼問題共53項，其中嚴重問題1項、一般問題32項、輕微問題20項，在對問題進行修改與技術項變更時，分析技術項的影響很難到位，導致后續變更過程效率低下；第2組采用基于GJB5000A的精細化管控思想的技術狀態管理模式，經第三方測試組開展的獨立測試工作，發現文檔與代碼問題共15項，其中嚴重問題0項、一般問題2項、輕微問題13項，通過技術審核形成的基線控制，在后期驗收測試時沒有再發現任何問題。

可見，采用技術狀態管理進行研制過程管控的CI，消除了重要問題的出現，一般問題與輕微問題數量顯著減少；對技術狀態變更流程實行嚴格的技術審核和基線控制，能夠及時發現和有效解決問題，推動后期0問題通過驗收測試。

4.3 提升開發團隊整體軟實力

通過發布階段性應用客戶端，通過開發者和服務對象共同參與改進的方式，收集技術狀態意見100余項。以技術狀態意見的確認、反饋與閉環為主線，開展系統后續的技術狀態分析與變更。通過統計變更情況、開展各項審核活動，促進團隊成員及時掌握技術狀態信息，有利于分享經驗、縮短開發周期；不斷擴大的組織資產庫，為后續項目直接選用成熟模塊和文檔資料提供支撐。

5 結 語

船舶總體性能模擬仿真系統的研發，是一項開創性的重大工程。作為一個復雜應用軟件系統的典型，該系統內外部的設計、更改、協調的工作繁復艱巨，應用技術狀態管理的方法對其研制開發和實施應用過程進行科學管理已成必然。如何有效運用技術狀態管理方法，促進船舶總體性能模擬仿真系統的管理提升和性能提升，是一個極具研究價值的課題。

本文在分析船舶總體性能模擬仿真系統技術管理特點的基礎上，嘗試用技術狀態管理的理念與方法，確立技術狀態管理基線、重點技術狀態項（CI），提出兩方面實施技術狀態管理的新思路，通過中國船舶科學研究中心開展的先期應用實踐驗證了技術狀態管理的有效性，為進一步加強復雜軟件系統開發過程的可控性和未來發揮更大效能，進行了有益探索。