實(shí)時(shí)測(cè)控軟件研制過程中質(zhì)量控制方法研究

朱丹，王斌，童艷

（中國(guó)人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023）

0 引言

實(shí)時(shí)測(cè)控軟件在飛行器飛行試驗(yàn)中完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理、安全判決和引導(dǎo)計(jì)算、落點(diǎn)預(yù)示以及試驗(yàn)指揮顯示等任務(wù)，是測(cè)控系統(tǒng)的靈魂和中樞，軟件質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響承擔(dān)試驗(yàn)任務(wù)的能力及完成試驗(yàn)的水平。

以往測(cè)控軟件的研制從系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試到最終定型，大多是研制者的相互檢查，經(jīng)過一定的模擬驗(yàn)證便投入使用。其中存在的隱患和故障積累到一定的程度，當(dāng)條件滿足時(shí)就會(huì)爆發(fā)而產(chǎn)生無法挽回的嚴(yán)重后果。方案修正通常也是各行其道，甚至僅憑記憶，因此，研制的軟件從使用到維護(hù)都依賴于最初的研制者。隨著飛行器試驗(yàn)任務(wù)的增多，軟件系統(tǒng)不斷龐大，研發(fā)人員的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)日益增強(qiáng)，引入軟件質(zhì)量控制體系勢(shì)在必行。

1 測(cè)控軟件質(zhì)量控制的基本內(nèi)容及過程

建立有效的軟件開發(fā)管理模式，明確軟件開發(fā)各階段的質(zhì)量要求和人員的職責(zé)，制定軟件研制和測(cè)試流程；對(duì)在研制、測(cè)試和使用過程中因軟件質(zhì)量引起的問題，嚴(yán)格按質(zhì)量問題歸零標(biāo)準(zhǔn)要求形成歸零報(bào)告；建立軟件質(zhì)量信息數(shù)據(jù)庫，詳細(xì)記載軟件開發(fā)、測(cè)試和使用過程中技術(shù)狀態(tài)變化及發(fā)生的質(zhì)量問題；在試驗(yàn)過程中確需對(duì)程序進(jìn)行更改時(shí)，必須嚴(yán)格履行更改手續(xù)，經(jīng)審批簽字后，由指定人員執(zhí)行更改，更改后進(jìn)行回歸測(cè)試，經(jīng)嚴(yán)格評(píng)審后方可使用，同時(shí)更新相應(yīng)的文件并重新歸檔。

1.1 規(guī)范軟件產(chǎn)品開發(fā)文檔編制

由于軟件開發(fā)人員撰寫文檔的習(xí)慣各不相同，因此，我們對(duì)軟件開發(fā)與維護(hù)各階段交付的文檔應(yīng)涵蓋的內(nèi)容和格式都進(jìn)行了規(guī)定，以保持統(tǒng)一的格式與風(fēng)格[1]。例如，規(guī)定各文檔在封面標(biāo)注文檔名稱、項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目主管、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和使用部門、作者、完成日期以及評(píng)審負(fù)責(zé)人、評(píng)審日期等；規(guī)定通用的圖標(biāo)、術(shù)語以及文檔各組成部分的字體、大小等。各個(gè)階段評(píng)審或評(píng)測(cè)過的文檔都是下一步工作的基礎(chǔ)和依據(jù)，同時(shí)每做一步的修改后，各種文檔都要進(jìn)行向上的追蹤設(shè)計(jì)。因此，即使有個(gè)別開發(fā)人員離開，交接工作也可以在較短的時(shí)間內(nèi)順利完成；同時(shí)，完整的文檔內(nèi)容和統(tǒng)一的編輯風(fēng)格既方便使用和維護(hù)，又方便日后的擴(kuò)充和修改。

1.2 規(guī)范軟件產(chǎn)品編碼

a）編碼必須以需求分析、概要及詳細(xì)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)

編碼不能跨越設(shè)計(jì)階段，必須以評(píng)審?fù)ㄟ^的詳細(xì)設(shè)計(jì)說明書為基礎(chǔ)進(jìn)行，然而直接編程又是很多軟件開發(fā)人員存在的通病。如果詳細(xì)設(shè)計(jì)未經(jīng)評(píng)審?fù)ㄟ^即開始編程，那么只能導(dǎo)致編碼修改量的增加，事倍功半。當(dāng)然在編碼階段回頭修改詳細(xì)設(shè)計(jì)，或者在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段回頭修改概要設(shè)計(jì)都是可能出現(xiàn)的正常現(xiàn)象。

b）針對(duì)開發(fā)工具制訂詳細(xì)的編碼規(guī)范

目前常用的可視化開發(fā)工具看起來似乎簡(jiǎn)化了編程工作，實(shí)際上為大規(guī)模軟件的開發(fā)管理和集成增加了難度。如果在使用這些開發(fā)工具進(jìn)行正式編碼前，未針對(duì)特定的環(huán)境制訂詳細(xì)的編碼規(guī)范，也未進(jìn)行界面設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)深度不夠，就會(huì)給軟件集成和使用帶來困難。

1）界面設(shè)計(jì)規(guī)范：對(duì)包括菜單、屏幕格式、輸入和消息、提示信息、表格、曲線輸出等進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范，目的是解決界面的美觀問題，人機(jī)交互直觀、方便、靈活，以及輸入、輸出的一致性，同時(shí)指導(dǎo)編程；

2）程序代碼編寫規(guī)范：包括變量或?qū)ο竺?guī)范、數(shù)據(jù)校驗(yàn)及出錯(cuò)處理、分布式數(shù)據(jù)的存取方法等，以提高軟件的易維護(hù)性等。

1.3 軟件產(chǎn)品的測(cè)試

嚴(yán)格的測(cè)試是軟件質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，是提高其可靠性的關(guān)鍵。軟件產(chǎn)品的測(cè)試流程如圖1所示。

圖1 測(cè)試階段的信息流程

1.3.1 測(cè)控軟件系統(tǒng)的測(cè)試目標(biāo)

軟件開發(fā)的各個(gè)階段并不能發(fā)現(xiàn)所有的設(shè)計(jì)和描述性錯(cuò)誤，同時(shí)在編碼階段也會(huì)產(chǎn)生大量新的錯(cuò)誤，雖然這些錯(cuò)誤在軟件調(diào)試中會(huì)得到初步的解決，但仍會(huì)有遺留。軟件測(cè)試的目的就是以最少的時(shí)間和人力找出軟件中潛在的各種錯(cuò)誤和缺陷，軟件測(cè)試的目標(biāo)可以概括為以下3點(diǎn)：

1）發(fā)現(xiàn)軟件缺陷和錯(cuò)誤程序的執(zhí)行過程；

2）改正識(shí)別出的錯(cuò)誤并重新測(cè)試之后達(dá)到要求；

3）匯總軟件出錯(cuò)記錄，用于出錯(cuò)預(yù)防。

1.3.2 軟件測(cè)試原則

1）所有的測(cè)試都應(yīng)該追溯到用戶需求；

2）制定周密的測(cè)試計(jì)劃，以計(jì)劃為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)測(cè)試用例；3）測(cè)試用例由輸入數(shù)據(jù)和預(yù)期輸出結(jié)果組成；4）設(shè)計(jì)具有通用邏輯覆蓋能力的測(cè)試用例，并突出臨界值和特殊性；

5）測(cè)試貫穿于軟件開發(fā)的各個(gè)階段，從 “小規(guī)?！敝鸩竭M(jìn)行 “大規(guī)?！睖y(cè)試，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決并進(jìn)行歸零處理，提高開發(fā)效率。

1.3.3 軟件測(cè)試過程

測(cè)控軟件的測(cè)試分為單元測(cè)試、集成測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試[2]。

a）單元測(cè)試

在軟件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，由各軟件模塊設(shè)計(jì)人員在單元編碼結(jié)束并通過編譯程序的語法檢查之后對(duì)重要的執(zhí)行路徑進(jìn)行測(cè)試，不僅要考慮軟件的某些循環(huán)邊界、非法的邏輯判定和內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的有效性，也要考慮軟件的進(jìn)程/線程優(yōu)先級(jí)、調(diào)度關(guān)系、時(shí)序關(guān)系和時(shí)間開銷等。

b）集成測(cè)試

將所有的程序模塊按照軟件需求進(jìn)行組裝，對(duì)完整的軟件系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，主要目的是發(fā)現(xiàn)與接口有關(guān)的問題。例如，數(shù)據(jù)通過接口時(shí)可能丟失；子功能組合后未達(dá)到預(yù)期的性能；個(gè)別可以接受的誤差可能積累到不能滿足需求的程度；全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可能有問題等。

c）系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境下運(yùn)行軟件產(chǎn)品，嚴(yán)格依據(jù)需求說明來設(shè)計(jì)測(cè)試用例，不僅要考慮合理正常的輸入條件，更重要的是設(shè)計(jì)出特別敏感的、臨界的和偶然發(fā)生的、能引起問題變異的輸入條件。這一階段的測(cè)試主要集中檢查系統(tǒng)能否正確地接收輸入并正確地輸出，發(fā)現(xiàn)不正確或遺漏的功能，外部數(shù)據(jù)庫訪問錯(cuò)誤等問題。

軟件測(cè)試過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是定義一批能夠全面檢查被測(cè)系統(tǒng)功能與性能的測(cè)試數(shù)據(jù)，建立合理的測(cè)試支持系統(tǒng)和嚴(yán)格、科學(xué)的測(cè)試方法。通過執(zhí)行測(cè)試用例，分析測(cè)試結(jié)果，不斷修改系統(tǒng)原型，最終構(gòu)造出理想的軟件系統(tǒng)原型。

1.4 實(shí)時(shí)測(cè)控軟件可靠性評(píng)估

軟件可靠性是指在規(guī)定的環(huán)境、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，軟件系統(tǒng)完成規(guī)定功能的能力[2]。

1.4.1 軟件可靠性測(cè)試

軟件可靠性測(cè)試更強(qiáng)調(diào)測(cè)試輸入與典型使用環(huán)境輸入統(tǒng)計(jì)特性的一致，強(qiáng)調(diào)對(duì)功能、輸入、數(shù)據(jù)域及相關(guān)概率的先期識(shí)別[3]，必須按照實(shí)際使用的概率分布來隨機(jī)地選擇輸入，并強(qiáng)調(diào)測(cè)試需求的覆蓋面，在測(cè)試過程中收集測(cè)試數(shù)據(jù)并使用可靠性模型來計(jì)算可靠性指標(biāo)。這樣才能得到比較準(zhǔn)確的可靠性估計(jì)，找出對(duì)軟件可靠性影響較大的故障。軟件可靠性測(cè)試流程如圖2所示。

1.4.2 軟件可靠性指標(biāo)

在此僅對(duì)實(shí)際工程中使用的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行解釋。

a）平均失效間隔時(shí)間（MTBF）

兩次相鄰失效時(shí)間間隔的平均值=產(chǎn)品總運(yùn)行時(shí)間/總故障次數(shù)。

b）平均失效修復(fù)時(shí)間（MTTR）

一次故障產(chǎn)生到恢復(fù)的時(shí)間間隔平均值=總故障時(shí)間/總故障次數(shù)。

c）可用度（A）

在外部資源得到保證的前提下，軟件產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間區(qū)段內(nèi)可執(zhí)行規(guī)定功能的能力。

可用度排除了失效產(chǎn)生后可能花費(fèi)的行政時(shí)間和后勤時(shí)間，即失效一旦產(chǎn)生，維修人員就在現(xiàn)場(chǎng)。

d）失效率（λ）

產(chǎn)品失效的概率。

e）圖3為實(shí)際工程中一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算軟件可靠性指標(biāo)的例子。

產(chǎn)品總運(yùn)行時(shí)間=20+25+50+65+20=180 d=4320 h；

產(chǎn)品發(fā)生故障次數(shù)=4次；

總的故障恢復(fù)時(shí)間=2+1+2+2.5=7.5 h；

MTBF=產(chǎn)品總運(yùn)行時(shí)間/總故障次數(shù)=4320/4=1080 h；

MTTR=產(chǎn)品總故障時(shí)間/總故障次數(shù)=7.5/4=1.875 h；

產(chǎn)品可用度A=MTBF/(MTBF+MTTR)=1080/（1080+1.875）=99.827%；

產(chǎn)品失效率λ=1/MTBF=1/1080=0.000925926（1/h）。

對(duì)于投入穩(wěn)定使用并且具有失效后自動(dòng)恢復(fù)能力的實(shí)時(shí)測(cè)控軟件系統(tǒng)，我們通常選用可用度或失效率作為衡量軟件系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)。在測(cè)試過程中，通過執(zhí)行一系列的軟件可靠性估計(jì)測(cè)試來獲取一組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算可用度及失效率指標(biāo)，看是否滿足該指標(biāo)的目標(biāo)值[3]。

2 結(jié)束語

軟件質(zhì)量控制是一門涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的新興學(xué)科，是保證軟件質(zhì)量、提高其可靠性的重要環(huán)節(jié)。隨著軍隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，新型裝備設(shè)備的試驗(yàn)鑒定任務(wù)日益增多，承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)越來越大，同時(shí)軟件研制領(lǐng)域越來越廣，有必要投入更多的人力、物力，針對(duì)實(shí)際的需求，有目的地對(duì)測(cè)控軟件的研制過程進(jìn)行質(zhì)量控制研究，開發(fā)相關(guān)的支持工具，促進(jìn)靶場(chǎng)測(cè)控軟件質(zhì)量控制及可靠性水平的提高。

[1]張海藩.軟件工程導(dǎo)論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2]古樂，史九林.軟件測(cè)試技術(shù)概論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3]GALIN D.軟件質(zhì)量保證[M].王振宇，陳利，王志海，等，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.