集成與敏捷開發(fā)在軍用光電系統(tǒng)軟件開發(fā)中的應(yīng)用

劉國棟 王 艷 龐 瀾 范鵬程 徐曉楓 賈子慶

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所 陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著GJB5000A[1]在軍事裝備軟件開發(fā)中的推廣，軍事軟件開發(fā)過程逐漸趨于正式，軟件質(zhì)量得到了提高。但是國內(nèi)軍工單位在制定本地標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，是以大多數(shù)項(xiàng)目的模式定義的標(biāo)準(zhǔn)過程，在某些類型的項(xiàng)目上應(yīng)用會出現(xiàn)開發(fā)流程繁瑣、管理成本較高、效率低下、流于形式等情況。隨著國防建設(shè)的發(fā)展和投入的增加，軍事裝備的科研任務(wù)有所增加，一些較新、較快的項(xiàng)目也有所增加，其特點(diǎn)是需求不明確、開發(fā)周期較短[2]，傳統(tǒng)的開發(fā)方法在這些項(xiàng)目中表現(xiàn)出局限性。為了保質(zhì)保量、高效及時(shí)地完成任務(wù)，必須引入新的開發(fā)方法，在保證滿足國軍標(biāo)的要求的前提下，使裝備承研單位能迅速響應(yīng)需求變化而不失大規(guī)模規(guī)范化開發(fā)。

光電系統(tǒng)在軍事應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用，廣泛應(yīng)用在偵察感知、瞄準(zhǔn)指示、預(yù)警對抗等領(lǐng)域[3]，并且隨著信息化、智能化發(fā)展的需求，其軟件規(guī)模逐步增大、可靠性要求也逐步提高，在國防領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用，因此很有必要對其研制過程進(jìn)行改進(jìn)。軍用光電系統(tǒng)軟件各配置項(xiàng)多為嵌入式軟件，軟件規(guī)模以中小型為主，目前多為以單個(gè)軟件配置項(xiàng)為主劃分生命周期模型進(jìn)行開發(fā)，各軟件配置項(xiàng)從軟件負(fù)責(zé)人、軟件主管到各級開發(fā)、測試、支撐角色一應(yīng)俱全，機(jī)構(gòu)龐雜，流程繁瑣，引入集成化的開發(fā)方法將各配置項(xiàng)統(tǒng)一管理很有必要。針對需求不固定、研制周期短的項(xiàng)目，可以引入敏捷開發(fā)的思想應(yīng)用到研制過程中。

1 相關(guān)研究

1.1 GJB5000A概述

為了提高設(shè)備軟件的質(zhì)量，提高設(shè)備軟件承包商的軟件開發(fā)能力，總裝電子信息基礎(chǔ)部提出了GJB5000A-2008《軍用軟件研制能力成熟度模型》。它由5個(gè)成熟度級別、22個(gè)過程域、48個(gè)專用目標(biāo)、165個(gè)專用實(shí)踐、2個(gè)共享目標(biāo)和12個(gè)共用實(shí)踐組成。成熟度等級向組織提供了測量其軟件過程能改進(jìn)得多好的方法，可用于基準(zhǔn)對比、供方選擇、合同項(xiàng)目監(jiān)督、評估和評價(jià)活動。軍用軟件開發(fā)單位按照GJB5000A的要求進(jìn)行落地，形成符合單位實(shí)際情況的運(yùn)行改進(jìn)系統(tǒng)，自發(fā)布以來效果顯著[4-5]。

1.2 軍用光電系統(tǒng)軟件研制過程現(xiàn)狀

在軟件管理和研發(fā)人員的努力下，軍用光電系統(tǒng)軟件的開發(fā)過程按照GJB5000A的要求有序進(jìn)行，完成了從“小作坊”到“正規(guī)軍”的轉(zhuǎn)變，提高了研發(fā)效率，管理成本降低，軟件可靠性顯著提高。但是隨著企業(yè)改制、組織機(jī)構(gòu)調(diào)整和具有新特點(diǎn)項(xiàng)目的出現(xiàn)，原有的研制過程中有些做法已不太適應(yīng)這些變化，需要做出針對性的改進(jìn)。

1.2.1開發(fā)過程以單配置項(xiàng)為主

光電系統(tǒng)軟件根據(jù)功能和部署位置通常劃分為多個(gè)配置項(xiàng)，配置項(xiàng)組成示意如圖1所示，基本信息示意如表1所示。

圖1 光電系統(tǒng)軟件組成

表1 各配置項(xiàng)基本信息

續(xù)表1

可以看出，各軟件配置項(xiàng)編程語言雖然以C語言為主，但涉及的專業(yè)性較強(qiáng)，且多為嵌入式軟件，硬件針對性也比較強(qiáng)?；谝陨咸攸c(diǎn)，傳統(tǒng)研制過程中主要以配置項(xiàng)為主體指定各類角色和選擇生命周期模型，如圖2所示。主要人員角色見表2。

圖2 傳統(tǒng)的光電系統(tǒng)軟件開發(fā)過程

表2 人員角色

此方法的優(yōu)點(diǎn):能完美符合GJB5000A的要求，保證評價(jià)及年審的正常通過；管理細(xì)致，細(xì)化到每個(gè)配置項(xiàng)，保證了每個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)及管理環(huán)節(jié)都有相應(yīng)角色，可靠性較高。缺點(diǎn):需要配備的人員隊(duì)伍龐大，各類角色培訓(xùn)成本及人工成本較高；不管軟件規(guī)模及重要程度的大小，所需要的角色基本一樣，靈活性較差；頂層策劃較弱，各配置項(xiàng)之間的集成較弱，各配置項(xiàng)之間獨(dú)立性較強(qiáng)，軟件負(fù)責(zé)人之間缺少策劃的充分交流，各配置項(xiàng)之間進(jìn)度策劃參差不齊，不利于系統(tǒng)集成進(jìn)度的策劃，缺少專業(yè)技能方面的交流，對設(shè)計(jì)規(guī)范、編碼規(guī)范的應(yīng)用及軟件可靠性設(shè)計(jì)方面各專業(yè)有各專業(yè)的特色，水平也不一。

1.2.2生命周期模型以瀑布模型為主

生命周期過程模型自誕生之日起發(fā)揮了重要作用，它的發(fā)展起始自1970年W.Royce發(fā)表的瀑布模型，隨著軟件開發(fā)活動的不斷變化，出現(xiàn)了各種模型，如原型模型、增量模型和螺旋模型[6]。瀑布模型的示意圖如圖3所示。

圖3 瀑布模型示意圖

瀑布模型在高透明、高可控性、高可靠性的同時(shí)也有各種局限性:

(1) 在項(xiàng)目初期就要求分析出全部需求，不能有遺漏和理解上的錯(cuò)誤，后續(xù)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行詳盡的策劃。但往往項(xiàng)目執(zhí)行時(shí)，一方面用戶由于缺乏軟件開發(fā)的知識很難準(zhǔn)確地說清楚軟件到底要干什么；一方面隨著硬件平臺和外部環(huán)境的變化，組織機(jī)構(gòu)、工作任務(wù)的變化，用戶的潛在需求是不停變化的。另外對于技術(shù)較新的項(xiàng)目，需求在前期是無法完全明確的，需要在研制過程中逐步明確。

(2) 階段之間具有順序性和依賴性。在瀑布模型下，后階段工作依賴前階段工作完成，且產(chǎn)品和活動需通過評審后才能進(jìn)入下階段，對于進(jìn)度要緊的項(xiàng)目，可能會導(dǎo)致進(jìn)度推后，因此軟件開發(fā)人員接到任務(wù)后往往急于求成而提前進(jìn)行了編碼，導(dǎo)致大量返工。

(3) 軟件實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)延遲，在需求分析和設(shè)計(jì)階段的工作完成并通過評審后才能進(jìn)入實(shí)現(xiàn)階段。由于其特殊用途，軍用軟件對軟件可靠性有很高的要求。就軍用光電系統(tǒng)軟件研制而言，其主要是嵌入式軟件，以往的開發(fā)具有需求相對簡明、軟件規(guī)模小、開發(fā)周期長等特征，結(jié)合可靠性、安全性的高要求，因此主要采用的是瀑布型模型。雖然根據(jù)不同項(xiàng)目類型增加了增量、原型、迭代等要素，甚至精簡合并了研制階段，但本質(zhì)還是瀑布模型的理論。

2 改進(jìn)思路

2.1 集成化管理

為了解決研制過程以配置項(xiàng)為主體帶來的問題，擬采用集成管理的方法。中心思想是將光電系統(tǒng)軟件當(dāng)成一個(gè)配置項(xiàng)，各軟件配置項(xiàng)作為一個(gè)模塊來管理。具體做法如下：

軟件配置項(xiàng)的軟件負(fù)責(zé)人被撤銷，并且只為整個(gè)項(xiàng)目設(shè)置一個(gè)軟件負(fù)責(zé)人。擔(dān)任項(xiàng)目軟件負(fù)責(zé)人角色的人員應(yīng)具有豐富的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對各個(gè)專業(yè)的技術(shù)特點(diǎn)及研制過程都有一定的了解，掌握其技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)，包括所使用的工具、開發(fā)語言、測試方法、所適用的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等。此方法對項(xiàng)目軟件負(fù)責(zé)人的要求較高，需具備從頂層把握各軟件配置項(xiàng)的研制進(jìn)度，具有掌握各配置項(xiàng)研制過程的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)的能力。

整個(gè)項(xiàng)目的所有軟件統(tǒng)一項(xiàng)目的定義過程，選擇統(tǒng)一的生命周期模型，并選擇定制過程和活動。

項(xiàng)目軟件負(fù)責(zé)人統(tǒng)一做整個(gè)項(xiàng)目軟件的策劃、監(jiān)督、風(fēng)險(xiǎn)分析、測量分析，在重大事項(xiàng)出現(xiàn)時(shí)負(fù)責(zé)決策。

單元測試人員可以由其他軟件配置項(xiàng)的開發(fā)人員承擔(dān)，各配置項(xiàng)之間進(jìn)行角色交叉。這使得測試人員數(shù)量得到了減少，各配置項(xiàng)之間的技術(shù)交流有所增加。

改進(jìn)后的研制過程如圖4所示。各角色之間職責(zé)及數(shù)量的變化見表3。

圖4 集成后的光電系統(tǒng)軟件研制過程

表3 改進(jìn)后項(xiàng)目人員角色的職責(zé)及數(shù)量

續(xù)表3

2.2 敏捷開發(fā)方法

2.2.1敏捷方法簡介

采用了集成化的方法后，生命周期模型得到了改進(jìn)，研制過程中的管理流程和角色數(shù)量得到了精簡，角色職能得到了優(yōu)化，可以在大部分項(xiàng)目的研制過程中進(jìn)行推廣，在保證質(zhì)量的前提下提升管理及研發(fā)效率。但其還是以瀑布模型為主，對需求變動頻繁、開發(fā)周期短的項(xiàng)目缺乏適應(yīng)性。針對此類項(xiàng)目可以在集成化改進(jìn)的基礎(chǔ)上引入敏捷開發(fā)方法。

敏捷開發(fā)就是針對軟件研制過程中遇到的需求頻繁變動、任務(wù)節(jié)點(diǎn)較緊的問題。2001年一批軟件專家成立了敏捷聯(lián)盟，總結(jié)出了能快速高效研發(fā)并能輕松應(yīng)對需求變更頻繁的價(jià)值觀和原則。敏捷開發(fā)宣言的內(nèi)容：個(gè)人與溝通勝過過程和工具；可工作的軟件勝過面面俱到的文檔；客戶協(xié)作勝過合同談判；相應(yīng)變化勝過遵循計(jì)劃。

敏捷開發(fā)方法注重人與人之間的交流，強(qiáng)調(diào)以人為核心，與以往傳統(tǒng)的講究編制詳細(xì)的計(jì)劃和技術(shù)資料的文檔驅(qū)動方法不同[7]。目前使用的基本敏捷方法有很多，例如極限編程(XP)、Scrum、特征驅(qū)動開發(fā)(FDD)等[8]，每種方法都有不同的實(shí)踐，但基礎(chǔ)都是基于增量和迭代的過程[9]。

敏捷開發(fā)在國外已經(jīng)流行多年，像微軟、IBM、谷歌、雅虎等知名公司應(yīng)用此方法取得了相當(dāng)不錯(cuò)的效率，同時(shí)開發(fā)了大量的項(xiàng)目管理軟件如ScrumWorks、VersionOne、Rally等來支撐敏捷開發(fā)，開源工具有XPlanner、XPWeb、Trac等。國內(nèi)目前仍然停留在技術(shù)采納生命周期的初期試用階段，在國內(nèi)流行較慢的原因?yàn)閲鴥?nèi)習(xí)慣于制定詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)劃，所有項(xiàng)目都要按照標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)劃執(zhí)行。敏捷開發(fā)方法與國內(nèi)特別是軍用軟件開發(fā)主要特點(diǎn)比較見表4。

表4 敏捷方法與國內(nèi)軍用軟件傳統(tǒng)方法主要特點(diǎn)比較

2.2.2敏捷方法應(yīng)用

眾多文獻(xiàn)資料分析了敏捷開發(fā)與GJB5000A或CMMI結(jié)合的方法和思想[10-12]，本文主要介紹了在項(xiàng)目管理和工程技術(shù)活動兩個(gè)過程領(lǐng)域的敏捷開發(fā)。其思想如下：

(1) 快速交付中間版本，供競標(biāo)、試驗(yàn)、大系統(tǒng)聯(lián)調(diào)使用。將軟件需求分析、軟件設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)、單元和集成測試迭代為一個(gè)階段。迭代周期中，只需要有相應(yīng)文檔的相應(yīng)內(nèi)容，例如需求規(guī)格說明、設(shè)計(jì)描述、測試文檔等。交付代碼后再按照模板和標(biāo)準(zhǔn)編寫文檔和實(shí)行評審。這樣做的優(yōu)勢一是能快速交付軟件產(chǎn)品，解決了前面提到的按照階段一步步執(zhí)行影響進(jìn)度的問題，保證了產(chǎn)品按時(shí)交付；二是以用戶為核心，根據(jù)用戶的要求及時(shí)更改軟件產(chǎn)品，轉(zhuǎn)變觀念不怕變更，解決以往不敢變更和變更難的現(xiàn)象。缺點(diǎn)是對軟件開發(fā)人員要求較高，如果在編碼完成階段才暴露問題，返工的成本會比較大。

(2) 項(xiàng)目總師/系統(tǒng)總體組成員作為軟件項(xiàng)目組的用戶，參與每次迭代過程的討論溝通。一是光電系統(tǒng)軟件均為嵌入式軟件，與硬件系統(tǒng)結(jié)合緊密，二是嵌入式軟件很難直接面對顧客或使用者，因此由熟悉軟件需求和開發(fā)管理的系統(tǒng)總體組成員擔(dān)任此角色，參與每次迭代前需求的選擇和迭代后的確認(rèn)，以及迭代過程中的管理過程。這樣能降低上面提到的問題暴露過晚造成的風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 單元測試和實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行。往常按照瀑布模型開發(fā)時(shí)要先設(shè)計(jì)編碼再進(jìn)行測試，敏捷開發(fā)講求用測試來驅(qū)動設(shè)計(jì)編碼，根據(jù)用戶需求先進(jìn)行測試的策劃、需求分析和實(shí)現(xiàn)，再寫代碼，這樣能確保測試的覆蓋率，也能避免冗余的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。這種方法需要測試工具和經(jīng)驗(yàn)豐富的測試角色的支撐，前期可采取測試和實(shí)現(xiàn)同步進(jìn)行的方法進(jìn)行過度，待工具配套和開發(fā)人員的水平提升后再改為測試驅(qū)動實(shí)現(xiàn)的方法。

3 改進(jìn)后的開發(fā)過程模型

結(jié)合上述想法，我們提出了生命周期過程的主要過程，如圖5所示。

圖5 生命周期主要流程圖

本生命周期模型有以下特點(diǎn)：

(1) 系統(tǒng)需求分析和設(shè)計(jì)階段確定整個(gè)光電系統(tǒng)軟件的要求，編制、評審系統(tǒng)需求規(guī)格說明和系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明。各軟件配置項(xiàng)的軟件研制任務(wù)書都放在后面進(jìn)行編制和評審。原因是光電系統(tǒng)的主要軟件是嵌入式軟件，它與硬件緊密集成，一些功能和性能的界限不太清楚，如坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化功能可由光電管理計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，也可由光電伺服控制軟件實(shí)現(xiàn)，光電軸位存儲功能可由光電管理計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)也可由視頻跟蹤器實(shí)現(xiàn)，最終可在多次迭代后選擇最優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方式。用戶關(guān)注的是光電系統(tǒng)整體呈現(xiàn)的功能，各配置項(xiàng)之間的功能分配要靈活得多，這樣做可以減少以往項(xiàng)目在研制階段無謂的需求變更和配置管理手續(xù)，提高效率。

(2) 每次迭代以提供可運(yùn)行的代碼為主，將設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和單元測試同步進(jìn)行，保存中間數(shù)據(jù)，保證聯(lián)試試驗(yàn)后再進(jìn)行數(shù)據(jù)整理形成最終文檔。這樣會存在風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)樾枨蠓治鋈藛T和開發(fā)人員的能力導(dǎo)致問題發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，從而增加返工的難度和成本。因此需要系統(tǒng)組成員參與每次迭代的需求分析、需求選擇和管理過程的全程參與。

(3) 以系統(tǒng)軟件為主線進(jìn)行策劃，各配置項(xiàng)不再單獨(dú)管理，改為統(tǒng)一策劃、研制和管理。前面已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

4 結(jié) 語

本文緊密結(jié)合GJB5000A的要求和敏捷開發(fā)方法以及集成管理的思路，提出了適用于中小型軟件規(guī)模、開發(fā)周期較短的軍用光電系統(tǒng)軟件研制的生命周期模型主要流程。采取集成管理的方法，將光電系統(tǒng)軟件當(dāng)成一個(gè)配置項(xiàng)，各軟件配置項(xiàng)作為一個(gè)模塊來管理，整個(gè)項(xiàng)目的所有軟件制定一個(gè)項(xiàng)目定義過程和生命周期模型，精簡了管理流程和人員角色。吸取敏捷管理的思想，先交付產(chǎn)品再統(tǒng)一整理文檔，保證系統(tǒng)試驗(yàn)、聯(lián)試的順利進(jìn)行。為了保證需求不出現(xiàn)偏差，選擇項(xiàng)目總師/系統(tǒng)總體組成員作為軟件項(xiàng)目組的用戶，參與每次迭代過程的討論溝通。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，采取了單元測試和實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行。在軟件質(zhì)量、可靠性不降低的前提下快速交付軟件產(chǎn)品不拖延進(jìn)度。后續(xù)隨著開發(fā)、管理人員水平提高以及配套工具逐漸到位，可以進(jìn)一步優(yōu)化此過程，進(jìn)一步提高開發(fā)效率。