從軟件重用走向產品化的探索

張利娜、康冰、蘇娟/北京航天發射技術研究所

隨著裝備自動化、信息化、智能化發展，軟件在裝備中起到的作用愈發明顯，軟件部署數量急劇增加，規模越來越大，復雜度也越來越高。為了實現專業軟件領域的高質量、可持續發展，滿足用戶多樣性定制化需求，同時實現項目快速研發，北京航天發射技術研究所以軟件重用為切入點，深入探索軟件產品化方法，建立了四層軟件重用結構的軟件產品研發體系，從而初步達到提升軟件研制質量、提高開發效率、節省人力資源、縮短交付周期、降低開發成本的目標。

一、探索歷程

研究所以軟件重用為切入點，經歷了模塊級重用、構件級重用、配置項級重用、平臺級重用過程，建立了多層級軟件產品體系。

1.模塊級到構件級重用

為了應對用戶需求的不斷變化及急劇增加的項目研制任務，研究所從2011 年開始建立軟件代碼重用庫，以專業領域為切入點，按照編程語言和使用場景搭建軟件重用庫框架，開展了函數級、模塊級可重用代碼設計及提取；后續逐步開展了基于軟件驅動層、協議層和應用層的分層設計，開始軟件構件級重用。編制軟件可重用設計準則并使設計準則標準化，軟件重用過程更加具有通用性；經過幾年努力，重用建設取得初步效果，研究所項目平均軟件代碼重用率達到40%～50%，極大減少了軟件代碼的重復開發。

2.構件級到配置項級重用

隨著項目任務增多，軟件構件級重用已不能滿足項目快速開發交付需求。2015 年以后，結合研究所產品化工作，通過規劃產品化發展路徑，依托產品化通用單機的研制及使用，按照領域分析并規劃產品化單機配套軟件的使用場景，對軟件功能、性能及通信接口進行統一化設計，并根據使用需求規劃軟件可配置參數及范圍，開展軟件配置項級重用建設。通用配置項級重用推動了系統統型設計，控制模式由分布式向集中式轉變，以單機為單位的產品成熟度得到了大幅提升，極大減輕了項目軟件調試及維護的工作量。

3.配置項級到平臺級重用

2019 年，研究所通過對多年軟件重用庫的建設效果進行總結分析，將軟件重用層級劃分為平臺級、配置項級、構件級、模塊級四個層級。將軟件重用由單一設備擴展到軟件研制平臺及產品領域平臺，通過橫向以專業為單位，規劃統一的軟件研制平臺，推進軟件可重用設計框架的編寫及使用；縱向以產品領域為切入點，提煉統一的軟件產品平臺，推進基于控制要求和系統架構的統型設計。

4.建立軟件產品體系

通用配置項層是四層軟件產品體系中的第二層，對應軟件產品貨架。通用配置項層通過領域分析，統一考慮硬件選型、統一硬件端口資源分配、統一控制功能劃分，統一對外接口，實現標準軟件配置項，達到軟件產品級重用。輸出物包括需求說明、設計說明、代碼、測試文檔等等。通用配置項軟件完成研制和第三方評測后，進行所級驗收交付，進入儲備庫；通過項目驗證考核，完成軟件產品定型，進入產品貨架；再經過多次項目任務考核不斷提高成熟度。

從2019 年開始，研究所逐步開展軟件產品型譜、軟件產品樹建設，以此為基礎進行系統性的軟件產品多級規劃，推出軟件貨架庫、儲備庫、零部組件庫，覆蓋產品生產、交付運行、維護保障多個使用場景的可重用軟件產品。同時推出軟件成熟度定級規則，逐步推向各級用戶，鼓勵用戶選取成熟度高的產品，通過用戶的反饋意見，逐步迭代優化設計，實現軟件產品體系內部各級交互采用標準化接口，從系統層面向下推廣覆蓋全層級的軟件產品重用。2020 年至今，通過逐步推進可重用模塊及構件的開發及應用、通用配置項選用、可重用框架的選用、基本型的開發和應用，實現了覆蓋項目研制全生命周期的軟件產品化研發目標落地，并在推進過程中不斷總結提煉經驗，逐步開始轉向基于軟件可重用需求、軟件集成方案及軟件仿真測試平臺的軟件系統產品化研發道路。

二、軟件產品研發體系

1.建設專業領域產品型譜和平臺

研究所涉及的專業領域為信息與控制領域、電源及電機驅動領域、定位定向與瞄準領域。按照各專業領域特點，建立軟件產品樹。信息與控制領域分解為底盤控制、上裝控制、信息處理、維護保障、仿真測試等五類系統平臺；電源及電機驅動領域分解為供電配電、電源變換、電力驅動三大類單機平臺；定位定向與瞄準領域分解為瞄準系統、定位系統、輔助駕駛系統等三類系統平臺。每類平臺下細分通用配置項，形成系列化產品樹。

在各專業領域產品樹基礎上，建立四層重用產品結構，具體如下：

通用平臺層是四層軟件產品體系中的最上層，是系統級規劃。某一類產品軟件的通用開發平臺，是與各專業負責系統（單機）產品化的設計協同規劃，目標是系統級重用，帶動配置項級、構件級重用。包括統一的系統設計架構、設計規范、設計標準、接口協議、通用配置項、軟件通用架構、通用模塊等。輸出物是標準、文檔、代碼。

通用配置項層是四層軟件產品體系中的第二層，對應軟件產品貨架。通用配置項層通過領域分析，統一考慮硬件選型、統一硬件端口資源分配、統一控制功能劃分，統一對外接口，實現標準軟件配置項，達到軟件產品級重用。輸出物包括需求說明、設計說明、代碼、測試文檔等等。通用配置項軟件完成研制和第三方評測后，進行所級驗收交付，進入儲備庫；通過項目驗證考核，完成軟件產品定型，進入產品貨架；再經過多次項目任務考核不斷提高成熟度。

研究所每年發布軟件產品貨架目錄，并制作軟件貨架產品樣本，供各項目直接沿用或通過修改配置參數的方式使用。研究所制定并發布了所標 準《 軟 件成熟度定級細則》，每年據此開展軟件產品成熟度定級及提升工作。

通用構件層是四層軟件產品體系中的第三層，對應通用部件貨架。該層實現特定功能的軟件模塊集或函數集，實現標準架構統一，達到部件級重用。通用構件包含軟件框架、驅動層構件（與硬件相關、基本數據結構相關等）、領域共性構件（領域需要的基本構件，如CAN 網絡）、應用專用構件（應用系統中特有的構件）。輸出物包括使用說明、設計說明、代碼、測試文檔等。通用構件庫首推軟件通用框架的應用，框架提供軟件重用基礎的設計平臺，在同類產品中，統一設計思路、統一內部接口、統一設計實現，達到對設計框架一致的理解。

通用模塊層是四層軟件產品體系中的第四層，對應部門級可重用模塊管理庫。通用模塊即通用地實現特定功能的可執行語句集合的統稱，如典型控制模塊、數據處理模塊、人機交互功能模塊等，內部接口固定，可被同類開發平臺調用，可用于跨產品跨系列的重用。輸出物包含模塊代碼、模塊說明、模塊設計、模塊測試文檔。通用模塊級特點是通用性好，重用靈活，可跨領域、跨系列重用。

圖1 為控制軟件框架，屬于面向對象的框架，通用構件級產品。框架要點是將系統按照不同的功能需求分類組織成有序的層次，層級間保持松耦合。其中用戶層由開發人員根據實際需求自定義設計，其余三層由框架提供，由可重用構件組成。

圖1 控制軟件框架

通用模塊層是四層軟件產品體系中的第四層，對應部門級可重用模塊管理庫。通用模塊即通用地實現特定功能的可執行語句集合的統稱，如典型控制模塊、數據處理模塊、人機交互功能模塊等，內部接口固定，可被同類開發平臺調用，可用于跨產品跨系列的重用。輸出物包含模塊代碼、模塊說明、模塊設計、模塊測試文檔。通用模塊級特點是通用性好，重用靈活，可跨領域、跨系列重用。

研究所每年更新并發布軟件產品樹，依據四層產品結構建立重用資產庫，更新并發布軟件重用資產目錄，供型號設計人員出庫選用。

2.建立軟件專業標準體系

研究所軟件專業標準體系納入GJB5000B 軟件過程管理體系建設，提出了工程技術、組織管理、項目管理、配置管理、測量與績效管理、質量保證等工作要求，同時細化了包括工程類、管理類和支持類三大類標準，覆蓋軟件生存周期模型各階段。工程類包括工程設計類標準、配置項級應用類標準、構件級設計標準、模塊級設計標準等。管理類包括航天型號地面設備軟件產品成熟度定級細則、重用資產管理指南等。支持類包括通用軟件產品代號編制規則、各配置庫管理指南、各專業領域重用庫管理要求等。

研究所在GJB5000B 軟件過程管理體系的測量與績效管理實踐域文件中，提出“型號軟件產品化率”“型號代碼重用率”測量項，作為考察產品重用情況的重要數據。這兩個測量項可基本覆蓋通用配置項、通用構件、通用模塊各層級的應用效果分析情況。“型號軟件產品化率”用來衡量型號配套中軟件通用配置項的應用效果，計算公式是：型號軟件產品化率=∑通用配置項使用 次 數/∑型號配套配置項個數。“型號代碼重用率”用來衡量型號配套中新研軟件配置項使用通用構件和通用模塊的應用效果，計算公式是：型號代碼重用率=∑重用代碼規模/∑型號配套交付代碼規模。

研究所在軟件重用建設中經過不斷磨練、摸索，建設形成了產品規劃、平臺開發、應用優化、產品保證四個小組組成的通用平臺產品化軟件項目團隊。在運行過程中，從規劃平臺、規劃產品樹、規劃配置項、規劃構件產品開始，各組成員通過持續迭代的方式推進平臺化工作。通過產品在多個型號中應用，項目逐漸進入運行維護階段，直至本平臺產品體系被新技術替代。實際產品由型號研制團隊維護，并向平臺團隊反饋應用效果，定制問題由平臺團隊協助型號研制團隊解決，平臺問題由平臺團隊分析升級后向各型號通報。

3.提煉通用產品化研制流程

軟件產品化研制流程按照規劃產品體系、研制軟件通用產品、型號選用三個階段來執行，后續的迭代更新隨著產品反饋給平臺研制團隊。其中，平臺軟件產品應按照瀑布開發模型設計，型號軟件產品應用按照完全沿用、僅修改裝訂參數或適應性更改模型設計。

4.組建專業軟件產品化團隊

研究所在軟件重用建設中經過不斷磨練、摸索，建設形成了產品規劃、平臺開發、應用優化、產品保證四個小組組成的通用平臺產品化軟件項目團隊。在運行過程中，從規劃平臺、規劃產品樹、規劃配置項、規劃構件產品開始，各組成員通過持續迭代的方式推進平臺化工作。通過產品在多個型號中應用，項目逐漸進入運行維護階段，直至本平臺產品體系被新技術替代。實際產品由型號研制團隊維護，并向平臺團隊反饋應用效果，定制問題由平臺團隊協助型號研制團隊解決，平臺問題由平臺團隊分析升級后向各型號通報。

三、探索效果

重用資源在型號研制應用中，通過通用平臺推廣，提高了系統可靠性、軟件成熟度；通用配置項級軟件產品的直接沿用，減少了軟件重復開發；軟件框架的使用，達到接口標準化、設計統一化；軟件的設計文檔、代碼、測試等多方面重用，減少了軟件開發活動中的重復性工作，提升了軟件開發效率及產品質量。

從重用資源推廣角度考察重用資源庫使用情況，以某型通用控制軟件為例，控制軟件已經應用在多個型號的多個通用單機上，將通用控制軟件配置項的個數減少到個位數，軟件研制周期大幅縮短，降低了研制成本。通用配置項級產品軟件經過多個型號的驗證，提高了軟件成熟度和產品質量，進而提高了系統的可靠性。

四、后續展望

研究所通過持續建設四層軟件重用結構的產品化體系，形成了豐富的軟件貨架產品和重用資源，減少了代碼重復開發，降低人力成本的同時提高了產品成熟度，能夠平穩應對急劇增加的型號研制需求。在未來，研究所將重點關注軟件需求與驗證，基于通用配置項和通用構件開展共性需求和通用測試用例的關聯開發。