航天企業(yè)軟件質(zhì)量綜合能力提升方法研究

劉巖、溫泉、陳溫成、穆賀強(qiáng)、丁宇 /北京無線電測(cè)量研究所

隨著航天裝備體系化、體系智能化、智能實(shí)戰(zhàn)化的發(fā)展，“軟件定義裝備”改變了軟件以往附屬于硬件的形態(tài)，可以脫離硬件而獨(dú)立演化，通過軟件和算法的快速迭代實(shí)現(xiàn)裝備能力的持續(xù)提升。軟件已逐漸成為裝備的靈魂，在信息化和智能化進(jìn)程中發(fā)揮基礎(chǔ)性、決定性作用。本文對(duì)航天裝備軟件面臨形勢(shì)、北京無線電測(cè)量研究所過往發(fā)生的軟件質(zhì)量問題進(jìn)行了深入分析，識(shí)別出當(dāng)前航天裝備軟件研制過程中亟待解決的問題，并對(duì)軟件質(zhì)量綜合能力的提升提出了較為有效的途徑和方法，對(duì)于提高航天企業(yè)軟件質(zhì)量管理水平具有一定的借鑒及指導(dǎo)作用。

一、當(dāng)前面臨形勢(shì)

近年來，航天企業(yè)型號(hào)軟件質(zhì)量問題一直困擾著裝備研制工作，涉及型號(hào)軟件研制的全壽命周期并呈多樣化。型號(hào)軟件質(zhì)量綜合能力提升成為裝備研制中亟待開展的重要工作。

1.軟件定義裝備成為必然趨勢(shì)

隨著裝備體系化、體系智能化、智能實(shí)戰(zhàn)化的發(fā)展，軟件新技術(shù)、新應(yīng)用正對(duì)軍工行業(yè)進(jìn)行全方位、多角度、全鏈條的改造，在裝備轉(zhuǎn)型的重要節(jié)點(diǎn)，應(yīng)充分發(fā)揮軟件對(duì)裝備發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，快速突破軟件行業(yè)發(fā)展瓶頸，打造軟件發(fā)展良好生態(tài)。

2.軟件呈現(xiàn)高質(zhì)量大規(guī)模快速交付特征

裝備軟件規(guī)模進(jìn)一步增加、軟件邏輯更加復(fù)雜、軟件交付周期壓縮、軟件質(zhì)量要求提升、軟件密集型特征日益凸顯、協(xié)同化特征不斷加強(qiáng)。裝備高度集成化、智能化、軟硬件相互滲透化，復(fù)雜場(chǎng)景下的要求使得軟件的算法和處理日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的單一平臺(tái)向體系化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)變，軟件規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，如單套裝備的軟件規(guī)模，20 年間增長(zhǎng)100 倍。軟件研制周期壓縮一半以上，要求立項(xiàng)后快速形成能力。裝備軟件的高質(zhì)量大規(guī)模快速交付的新需求，對(duì)加強(qiáng)型號(hào)軟件質(zhì)量可靠性工作、提升型號(hào)軟件保證能力提出了新的挑戰(zhàn)。

3.貫徹GJB 5000B 新標(biāo)準(zhǔn)要求

國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 5000B-2021《軍用軟件能力成熟度模型》，2022 年3 月起正式實(shí)施。GJB 5000B 標(biāo)準(zhǔn)的貫徹實(shí)施，是建立健全、有效運(yùn)行、持續(xù)改進(jìn)軟件質(zhì)量管理體系的有力抓手，是提升軍用軟件質(zhì)量總體水平的有效途徑，對(duì)于推動(dòng)裝備“三化”融合高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。需著力開展GJB 5000B 體系建設(shè)、運(yùn)行和評(píng)價(jià)，持續(xù)提升軟件能力成熟度。

二、軟件質(zhì)量問題分析

近年來，研究所型號(hào)軟件質(zhì)量問題一直是裝備研制工作中重點(diǎn)關(guān)注問題之一，涉及型號(hào)軟件研制的全壽命周期。針對(duì)以往發(fā)生的各層級(jí)多個(gè)軟件問題，從多維度統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行分析。

1.問題原因分析

軟件設(shè)計(jì)缺陷是導(dǎo)致故障發(fā)生的主要因素，需求缺陷、編碼缺陷是次要因素，如圖1 所示。這反映出在軟件設(shè)計(jì)評(píng)審、軟件成熟構(gòu)件的使用比率等方面仍存在不足。同時(shí)應(yīng)提升需求條目化的粒度，在進(jìn)場(chǎng)前充分開展需求一致性檢查等工作。

圖1 軟件質(zhì)量問題原因示意圖

2.問題研制階段分析

軟件質(zhì)量問題大多發(fā)生在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)階段，暴露出軟件在參加正式系統(tǒng)聯(lián)調(diào)前的需求理解不一致、內(nèi)部自測(cè)試不充分，導(dǎo)致軟件問題在后期集中發(fā)生的情況，如圖2 所示。

3.問題研制類型分析

在傳統(tǒng)中央處理器（CPU）軟件問題相對(duì)較多的基礎(chǔ)上，F(xiàn)PGA 軟件問題占有比較高的比重，如圖3 所示。這反映出裝備所屬FPGA 軟件的軟件工程化管理應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖3 軟件質(zhì)量問題按軟件類型示意圖

三、軟件綜合能力提升實(shí)施方案

基于對(duì)當(dāng)前形勢(shì)及質(zhì)量問題的深入分析，航天企業(yè)應(yīng)繼續(xù)堅(jiān)持問題導(dǎo)向和目標(biāo)導(dǎo)向，以GJB 5000B 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證和軟件工程化能力提升為抓手，重塑型號(hào)軟件產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程，找準(zhǔn)關(guān)鍵點(diǎn)和薄弱點(diǎn)，精準(zhǔn)發(fā)力、標(biāo)本兼治，提高軟件重用率，降低軟件缺陷率，從根本上解決影響型號(hào)軟件產(chǎn)品質(zhì)量的瓶頸問題，提升軟件過程管控能力和系統(tǒng)預(yù)防能力。

1.GJB 5000B 新標(biāo)準(zhǔn)貫徹實(shí)施

結(jié)合GJB 5000B 新標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布，重新進(jìn)行體系文件梳理，強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)中成果形式、實(shí)施要點(diǎn)、裁剪指南的指導(dǎo)作用。深入理解GJB 5000B 標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用，組織協(xié)調(diào)、資源保障，全方位落實(shí)GJB 5000B 標(biāo)準(zhǔn)要求。依據(jù)GJB 5000B 標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合業(yè)務(wù)特點(diǎn)、工作目標(biāo)、內(nèi)外審過程中發(fā)現(xiàn)的問題，修改完善相關(guān)體系文件，做好體系的本地化，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化工程、優(yōu)化管理的總目標(biāo)。落實(shí)推廣實(shí)施項(xiàng)目，做到領(lǐng)域、部門覆蓋，結(jié)合工程實(shí)際，按GJB 5000B 標(biāo)準(zhǔn)要求開展實(shí)施，并持續(xù)過程改進(jìn)。

深入學(xué)習(xí)理解GJB 5000B 新標(biāo)準(zhǔn)中的基于模型的軟件開發(fā)GJB 5000 實(shí)施指南、基于敏捷方法的GJB 5000 實(shí)施指南、基于軟件產(chǎn)品線方法的GJB 5000 實(shí)施指南、FPGA 軟件GJB 5000 實(shí)施指南等優(yōu)秀實(shí)踐方法，結(jié)合新技術(shù)、新方法，形成符合軟件研制的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、作業(yè)指南，并在試點(diǎn)項(xiàng)目中開展應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)成果的固化。如強(qiáng)化軟件配套表管理，型號(hào)軟件的技術(shù)狀態(tài)控制；加強(qiáng)軟件靜態(tài)分析測(cè)試管理，規(guī)范軟件代碼入受控庫要求,明確相關(guān)人員職責(zé)和審批流程；制定并發(fā)布軟件三單編制指南，逐條細(xì)化三單編寫模板，強(qiáng)化影響域分析等要求，規(guī)范三單的編寫要求。

2.強(qiáng)化型號(hào)軟件配套表及產(chǎn)品基線控制

強(qiáng)化研究所各領(lǐng)域、各型號(hào)軟件產(chǎn)品配套表管理，將其符合性作為系統(tǒng)/分系統(tǒng)方案報(bào)告通過準(zhǔn)則之一。同時(shí)依據(jù)軟件產(chǎn)品配套表，縱向型號(hào)應(yīng)在試驗(yàn)進(jìn)場(chǎng)、型號(hào)轉(zhuǎn)階段、產(chǎn)品鑒定等重要節(jié)點(diǎn)開展型號(hào)軟件產(chǎn)品基線的配置管理審核，其他型號(hào)應(yīng)在型號(hào)所檢、靶場(chǎng)交付等重要節(jié)點(diǎn)開展配置管理審核。進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)軟件接口文件、系統(tǒng)工作過程、算法模型等設(shè)計(jì)輸入文件的控制，將其納入型號(hào)產(chǎn)品基線進(jìn)行有效管控。

3.深化專業(yè)評(píng)審策劃及監(jiān)控

各專業(yè)研究室需加強(qiáng)軟件評(píng)審專家?guī)旖ㄔO(shè)，系統(tǒng)開展年度軟件專業(yè)評(píng)審策劃。同時(shí)應(yīng)高度重視對(duì)專業(yè)評(píng)審問題的分類歸納、評(píng)審問題組織資產(chǎn)庫建立。進(jìn)一步改進(jìn)同行評(píng)審檢查單，分型號(hào)領(lǐng)域、分專業(yè)開展檢查單定制，使檢查項(xiàng)更具有針對(duì)性。各型號(hào)應(yīng)識(shí)別其負(fù)責(zé)軟件中的核心關(guān)鍵模塊，組織軟件項(xiàng)目組，會(huì)同同行專家開展代碼審查，形成代碼審查記錄，對(duì)檢查發(fā)現(xiàn)的問題實(shí)施閉環(huán)處理，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段把問題提前定位及解決，減少缺陷修復(fù)代價(jià)。

4.推進(jìn)軟件測(cè)試驗(yàn)證能力建設(shè)

基于專業(yè)領(lǐng)域特點(diǎn)開展CPU、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）、FPGA 等各專業(yè)軟件測(cè)試人員隊(duì)伍建設(shè)，扎實(shí)推進(jìn)系統(tǒng)級(jí)、配置項(xiàng)級(jí)軟件測(cè)試工作，總結(jié)歸納典型軟件測(cè)試用例，逐步建立健全軟件測(cè)試用例庫，提升測(cè)試效率效果。為規(guī)避代碼早期缺陷，強(qiáng)化采用自動(dòng)化測(cè)試工具開展代碼規(guī)則檢查、缺陷檢查等靜態(tài)測(cè)試要求，將靜態(tài)測(cè)試問題報(bào)告單作為提交軟件入庫的前提條件。識(shí)別型號(hào)研制中的通用軟件及應(yīng)用軟件，加強(qiáng)對(duì)通用軟件的工程化管理，通用軟件必須經(jīng)過充分測(cè)試，尤其是覆蓋性、適用性、邊界、異常處理等測(cè)試。建設(shè)各專業(yè)領(lǐng)域軟件的仿真測(cè)試平臺(tái)，建立高逼真度系統(tǒng)模型、構(gòu)建軟件真實(shí)運(yùn)行的多種場(chǎng)景，使軟件驗(yàn)證擺脫對(duì)裝備的依賴，提升軟件調(diào)試驗(yàn)證能力，縮短軟件研制周期。型號(hào)總體人員應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)方案報(bào)告或軟件系統(tǒng)規(guī)格說明等相關(guān)等效文件，針對(duì)典型工作場(chǎng)景、異常應(yīng)急場(chǎng)景等設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試用例，開展基于場(chǎng)景的系統(tǒng)測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果納入到系統(tǒng)測(cè)試報(bào)告中。建立各級(jí)測(cè)試中的測(cè)試不到位以及測(cè)試條件不具備的測(cè)試項(xiàng)目清單，并在下一級(jí)測(cè)試中予以重點(diǎn)關(guān)注并閉環(huán)處理。

5.提升外協(xié)軟件質(zhì)量管控

按照GJB 8000《軍用軟件研制能力等級(jí)要求》，嚴(yán)格對(duì)外協(xié)軟件承研單位的資質(zhì)審查。強(qiáng)化外協(xié)軟件產(chǎn)品需求和設(shè)計(jì)過程的監(jiān)控，對(duì)識(shí)別出的重要軟件應(yīng)提供測(cè)試報(bào)告等測(cè)試記錄文件、軟件配置管理情況記錄文件。在需求和設(shè)計(jì)評(píng)審中，重點(diǎn)關(guān)注外協(xié)軟件功能性能，以及與其他軟件間接口設(shè)計(jì)的正確性。強(qiáng)化外協(xié)軟件產(chǎn)品測(cè)試驗(yàn)證過程的監(jiān)控。在測(cè)試評(píng)審中，重點(diǎn)關(guān)注外協(xié)軟件功能性能，以及與其他軟件間接口測(cè)試的充分性。加強(qiáng)外協(xié)軟件與相關(guān)系統(tǒng)其他軟件的集成測(cè)試，重點(diǎn)關(guān)注軟件間接口測(cè)試驗(yàn)證的充分性、正確性、調(diào)用關(guān)系等；關(guān)注外協(xié)軟件在所屬系統(tǒng)中功能性能的正確性、安全性設(shè)計(jì)的正確性、異常處理的正確性、邊界處理的正確性等。

6.強(qiáng)化組織資產(chǎn)庫及重用建設(shè)

強(qiáng)化所級(jí)、部門級(jí)兩級(jí)軟件組織資產(chǎn)建設(shè)，提升各級(jí)軟件產(chǎn)品成熟度。不斷完善組織資產(chǎn)庫的管理及激勵(lì)制度，構(gòu)建完整的組織資產(chǎn)庫的建立、管理、維護(hù)以及使用制度。通過激勵(lì)制度充分調(diào)動(dòng)廣大設(shè)計(jì)師的積極性，促進(jìn)組織資產(chǎn)的有效積累及使用。逐步構(gòu)建統(tǒng)一的組織資產(chǎn)管理平臺(tái)，通過平臺(tái)構(gòu)建資產(chǎn)與使用方的追溯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)工具化的組織資產(chǎn)的發(fā)布、升級(jí)及維護(hù)，按年度對(duì)組織資產(chǎn)庫的增長(zhǎng)率及使用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

建立標(biāo)準(zhǔn)的軟件開發(fā)環(huán)境、集成環(huán)境、測(cè)試環(huán)境、部署環(huán)境等，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工作環(huán)境進(jìn)行有效控制。構(gòu)建各專業(yè)組織級(jí)設(shè)計(jì)規(guī)范、流程、指南，提供專業(yè)領(lǐng)域軟件設(shè)計(jì)文檔模板、測(cè)試文檔模板等。推動(dòng)各專業(yè)軟件型譜建設(shè)，開展軟件需求庫、軟件架構(gòu)庫、軟件通用構(gòu)件等不同層級(jí)基礎(chǔ)能力構(gòu)建，完善通用構(gòu)件進(jìn)入及退出機(jī)制，提升軟件復(fù)用率。建立過往軟件質(zhì)量問題案例庫，開展問題統(tǒng)計(jì)分析，形成典型故障模式，推動(dòng)共性問題培訓(xùn)、舉一反三，完善軟件設(shè)計(jì)規(guī)范。

7.持續(xù)推進(jìn)軟件新方法應(yīng)用

持續(xù)推進(jìn)敏捷開發(fā)方法在各單位本地化的落地實(shí)施，制定基于敏捷開發(fā)模式要求并形成相應(yīng)的軟件生存周期模型，在確保軟件產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，優(yōu)化管理流程，提高研制效率。

不斷強(qiáng)化模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)方法在各部門本地化的落地實(shí)施。應(yīng)用基于模型的軟件開發(fā)工具，開展系統(tǒng)建模、軟件需求建模、軟件設(shè)計(jì)建模、模型仿真、代碼自動(dòng)生成、測(cè)試驗(yàn)證、文檔自動(dòng)生成等工作。加強(qiáng)前期需求分析過程，開展需求驗(yàn)證與設(shè)計(jì)驗(yàn)證；注重基于模型重用的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)；建立基于模型的重用資產(chǎn)庫，加強(qiáng)模型重用管理；加強(qiáng)基于模型的測(cè)試方法研究，提升驗(yàn)證與測(cè)試的自動(dòng)化水平。