NASA航天軟件產品保證方法研究

隗合建、陳嘉凱 /中國運載火箭技術研究院

軟件產品是航天工程任務的重要組成部分。自20 世紀80 年代以來，NASA 發布了一系列關于軟件產品保證方面的文件要求。該要求緊密圍繞航天工程任務保成功需要，將技術與管理進行有機結合，突出了航天軟件產品安全性、系統性、規范化、專業性和獨立性等特點，是對不斷發展、探索的工程實踐經驗的系統總結與提煉，對我國航天軟件產品保證具有極大的參考意義。

NASA 航天軟件產品保證通過建立分級分類的軟件標準體系，配合軟件安全性、全生命周期過程管理與改進等具體指導性文件，構建出了全系統、全要素、全過程的可操作執行的軟件產品保證框架。同時，NASA 建立了專業的軟件產品保證支撐機構和獨立的驗證確認中心，以確保整個框架的有效執行，并在工程實踐中指導軟件產品保證框架不斷自我完善、持續改進。

從NASA 軟件工程和產品保證的實踐來看，軟件工程作為航天系統工程的重要組成部分，需要進行頂層規劃，緊密圍繞航天軟件“安全關鍵”的本質特性，將技術與管理相結合，準確把握任務風險識別與控制，加強產品保證與過程改進的融合，以實現航天任務圓滿成功的目標。同時，要加強產品保證專業支撐機構的建設和作用發揮，支撐機構要注重信息化建設，以提高產品保證工作的執行效率和質量。

一、NASA軟件工程和產品保證

1.NASA 的軟件標準體系

NASA 軟件標準體系文件共包括程序文件、標準、手冊和指南4 個部分。其中，程序文件《軟件工程要求》是頂層文件，定義了軟件分類，對軟件產品研制、維護、退役、操作和管理提出了最低保證要求；《軟件安全標準》規定了安全關鍵軟件的研制流程和技術要求；《軟件安全指南》描述了工程實踐中具體流程和技術的實施方法；《軟件保證和軟件安全標準》闡述了軟件產品保證計劃的制定要求；《軟件形式檢查標準》建立了軟件形式檢查過程的框架模型，以便盡早檢測和消除軟件產品缺陷；《軟件工程和保證手冊》用于指導持續的軟件工程實施和過程改進；《可編程邏輯器件手冊》對可編程邏輯器件的產品設計、驗證和維護提供了實施指南；《復雜電子保證專業人員手冊》包含可編程設計的復雜集成電路相關的設計過程、保證活動及應用實例。

2.NASA 軟件工程和保證手冊

2020 年，NASA 發布了《軟件工程和保證手冊》。該手冊為《軟件工程要求》《軟件保證和軟件安全標準》的使用提供了實施指南，是NASA 軟件工程和產品保證實施的關鍵組成部分，為有效開展可持續的軟件工程和產品保證及過程改進提供支撐。

《NASA 軟件工程和保證手冊》共包括6 部分內容，其中最關鍵的B、C、D 3 個部分描述了軟件工程和產品保證需要開展的具體活動。B 部分針對每個機構提出要求，提供有關頂層要求實施的獨立說明和解釋性信息；C 部分針對每個軟件項目提出要求，從軟件管理、軟件生命周期過程和軟件生命周期支持3 方面，為軟件項目提供適宜的軟件產品保證步驟以及軟件安全性要求；D 部分則對軟件工程實施提出了更高標準要求，具體包括編程清單、保證和安全、軟件設計原理等。該手冊以“操作方法”“指導材料”的形式提供給用戶，為用戶在軟件工程、軟件保證和軟件安全方面提供具體可行的指導，以幫助用戶實現不斷超越。

3.發射場軟件產品保證

戈達德空間飛行中心（GSFC）作為NASA 航天任務飛行中心，其軟件產品保證實質是一種型號研制管理模式，通過將運載火箭、航天飛機等各類飛行任務管理要求進行集成，成體系地細化了各項軟件產品保證要求，并將這些要求融入到研制單位的質量管理體系，系統安全性、可靠性、維修性設計要求和風險管理程序中，以實現軟件產品的安全可靠。

該系列軟件產品保證要求主要包括4 個部分內容：一是軟件保證。包括軟件質量、安全性、可靠性、鑒定和批準、獨立驗證和確認。二是評審，包括軟件需求評審、初步設計評審、關鍵設計評審、測試就緒評審、驗收評審。三是軟件配置管理。承研單位需開發、使用配置管理系統，對軟件需求、源代碼、數據和文檔提供管理和控制。四是軟件問題報告和糾正措施，包括不合格品檢測和報告、追溯和管理、影響評估和糾正。

4.安全與任務保證辦公室

為保證各項任務、計劃的順利完成，NASA 專門設立了安全與任務保證辦公室（OSMA），將管理與工程有機結合起來。作為NASA 統管質量、可靠性和安全性的重要職能部門，下設獨立驗證和確認中心、任務保障部門、安全與保證要求部門、工程與安全中心和資源管理辦公室5 個部門。主要負責NASA 的安全性與任務保證戰略、政策和標準的制定與實施，對NASA 所屬機構的安全性、可靠性及維修性設計貫徹落實起到重要作用。主要職責包括：保證NASA 安全性與任務保證的各項方針在全生命周期內得到有效落實；分析并獨立評估各項目以保證各任務能夠安全完成；為安全性、可靠性設計等領域部門提供資助，確保該類技術、過程、方法得到創新及快速轉化；制定并實施安全與任務保證一系列指導文件、標準、手冊等。

針對軟件產品保證，其下設的獨立驗證與確認中心、工程與安全中心發揮了重大作用。

（1）獨立驗證與確認中心

1993 年，“挑戰者”航天飛機事故后NASA 成立了常設性支撐機構獨立驗證與確認中心（IV&V）。該機構行政上隸屬于戈達德空間飛行中心，在安全與任務保證辦公室的指導下運作，主要承擔NASA的軟件產品保證、關鍵飛行軟件獨立驗證與確認的管理工作。該中心采用系統工程方法，匯集領域專業人才、軟件工程最佳實踐案例和綜合各類驗證與確認工具等，對關鍵軟件開展獨立驗證與確認，給出飛行任務軟件產品專家意見。同時，該機構致力于不斷改進獨立驗證和確認的方法、工具和實踐。

（2）工程與安全中心

工程與安全中心（NESC）核心是一個成熟的知識庫，由來自NASA 各個飛行中心以及業界、學術界和其他政府機構的技術專家組成。通過匯集業內最優秀工程師的思想，不斷優化研制流程，深化知識基礎，增強技術能力，以履行對卓越工程的承諾。NESC 以書面形式出具技術評估和咨詢報告，對咨詢內容提供預防性和糾正性建議。該機構通過經驗教訓系統對經驗教訓開展數據挖掘、趨勢分析等工作，將分析結果傳達給領導層和一線工程師，以求在潛在問題成為重大問題之前解決。

二、NASA軟件產品保證方法的借鑒意義

1.技術和管理密不可分

軟件產品保證不僅僅是質量管理、標準化等管理工作，而是在軟件生命周期中開展的各項管理和技術工作的綜合，具有明顯的技術特征。產品保證隊伍應獨立于產品設計、生產、試驗、質量管理隊伍，同時強化產品保證工程師識別技術狀態變化、把握產品關鍵特性的職責，實現對軟件產品全生命周期質量和技術監督把關。

軟件產品保證工作的機制是全過程管控，從設計到試驗、從自研至外協外購都應實現全覆蓋。在軟件產品研制不同階段，要針對不同類別產品采取差異化管控方法，將傳統的粗放式質量管理轉向精細化、集成化、一體化管控模式，確保軟件產品質量的一致性和穩定性。

軟件產品保證工作的配套建設主要是通過人員的專業化、文件體系的規范化、制度標準的齊備化，將工程經驗式研制轉變為知識型研制。以風險型、精細化、技術性優化管理過程，兼顧多接口、全過程、全要素的管理。

2.關注風險識別與控制

要實現軟件產品保證過程中技術和管理的有效結合，最重要的方法是采用風險管理，對型號研制過程中的技術風險進行充分的鑒別、評價、預防和控制，保證航天軟件產品安全、可靠、可用，能夠完成規定的任務目標。

軟件產品保證的工作基礎是科學配套的產品保證標準、制度體系，細致嚴謹的產品保證文件體系（策劃、實施、總結），技術和管理融合的專業技術人員隊伍。在專業技術人員準確識別技術風險的基礎上，提出有針對性、差異化的管理控制措施，并通過技術和管理的雙重手段，確保產品風險得到有效控制。

3.持續開展過程改進

軟件產品保證和過程改進，是出于“高質量的過程產生高質量的產品”這一理念，加以有效的方法使安全關鍵軟件零缺陷。前者評判一個產品是否合格，后者評判一個組織的能力，兩者是密不可分的。對于一個組織而言，更關注組織本身能力的提升；對于一項航天重大工程而言，更關注各研制單位提供的產品是否滿足質量要求。因此，軟件過程改進適合各研制單位開展，軟件產品保證適合型號工程研制推進。

雖然實施軟件產品保證和過程改進會犧牲一些“發揮”的空間，要嚴格按照標準規范、流程文件、質量要求等實施，但是更強的可依據性、易判定性將避免產品研制過程中不少疑問和爭議，有效識別、防止、去除錯誤，切實提高軟件產品的質量。

4.專業機構獨立支撐

NASA 工程實踐表明，為充分發揮軟件產品質量與可靠性保障作用，需要建立集技術和管理于一體的技術支撐機構工作體系，完整體現各級組織、型號及技術支撐機構相互結合的關系，并能發揮技術支撐機構的獨立監督、服務作用。

技術支撐機構需統一部署，形成專業、技術上的優勢，全面參與型號研制的策劃與過程的管理和監督，制定覆蓋型號研制各階段的軟件產品保證工作策劃，發揮好獨立把關作用，將控制點前移，把“預防為主”方針落到實處，推動型號軟件產品保證工作切實有效實施。

同時，技術支撐機構作為前沿性和基礎性專業技術研究機構，應該總體掌控型號中的軟件質量與可靠性技術基礎研究需求，制定專業技術發展路徑，提前籌劃基礎研究與能力建設工作，以滿足型號軟件研制需要。

技術支撐機構應對積累的故障數據進行深入分析，建立軟件質量問題舉一反三基線，將新技術、新方法、新工具融入管理過程，融入型號研制過程，為型號研制流程優化、研制能力提升提供決策支撐。

5.依托信息化實現高效、高質量

軟件產品保證工作應依托信息化手段，構建軟件研制、管理人員便于使用的信息化管理平臺。該平臺要與各類知識管理系統相結合，統計分析研制過程數據、質量數據，獲取軟件設計準則、測試規范等知識，從設計源頭提升軟件產品質量。

軟件產品保證從基礎建設到融合發展，是一個不斷深化的過程，提升信息化平臺技術水平、擴大應用規模、納入業務流程是發展重點。將數據采集、信息傳遞、知識使用等環節有效嵌入科研生產流程，實現軟件產品保證要素的閉環管理。通過經驗知識的傳遞、使用、沉淀和持續積累，打造組織知識管理、項目協同推進、員工能力提升的一體化平臺，實現知識型研制。