航天器軟件質(zhì)量度量模型研究與應(yīng)用

賀曉洋 金晟毅 張楊 曹瑞強 蘇若曦 彭兢

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

隨著日益蓬勃的航天技術(shù)發(fā)展，基于軟件定義航天器為主體架構(gòu)下的自主能力和智能化水平也逐步提高，這使得航天器上軟件系統(tǒng)的任務(wù)量、規(guī)模、復(fù)雜度、軟硬件交互程度激增。軟件產(chǎn)品質(zhì)量對于航天器在軌穩(wěn)定運行的支持作用愈加關(guān)鍵，因此，如何對軟件產(chǎn)品研制全過程的質(zhì)量進行量化度量，并基于度量結(jié)果針對性提升軟件產(chǎn)品質(zhì)量，對航天器系統(tǒng)的研制具有重大的意義。

度量(Metrics)是一個函數(shù)，它的輸入是軟件數(shù)據(jù)，輸出是單一的數(shù)值，能用以解釋軟件所具有的一個給定屬性對軟件質(zhì)量影響的程度。軟件度量是對影響軟件質(zhì)量的屬性所進行的定量測量。軟件度量的目的是，在整個軟件生存周期中，評估軟件質(zhì)量需求是否得到了滿足[1]。

目前國內(nèi)外軟件產(chǎn)品的質(zhì)量，多是通過軟件能力成熟度模型集成(Capability maturity model integration, CMMI)和軟件代碼缺陷密度(千行缺陷率)進行評價的[2-5]，CMMI提供了一個將軟件實踐按成熟度級別分成5級的框架，并假定組織應(yīng)用更成熟的過程將生產(chǎn)出具有更高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品，但是難以量化表征軟件產(chǎn)品研制過程的質(zhì)量。IEEE標準[1]選取軟件產(chǎn)品功能性、可靠性、可維護性、易使用性等樣本要素作為軟件產(chǎn)品質(zhì)量要素，偏向于軟件產(chǎn)品完成研制后的事后評價。NASA標準[2]軟件度量指南旨在幫助機構(gòu)啟動或改善度量大綱，不為具體度量應(yīng)用提供指導(dǎo)，對于產(chǎn)品質(zhì)量要素覆蓋不夠。文獻[6]通過對軟件產(chǎn)品質(zhì)量模型、開發(fā)、趨勢和評估的研究，結(jié)果表明目前相當少的模型致力于處理軟件產(chǎn)品質(zhì)量的全部屬性，可見現(xiàn)有模型并不具有定義復(fù)雜質(zhì)量要求的屬性，且現(xiàn)有的軟件產(chǎn)品質(zhì)量模型沒有充分執(zhí)行跟蹤的質(zhì)量。文獻[7]通過北斗導(dǎo)航系統(tǒng)項目軟件質(zhì)量管理研究，使用軟件設(shè)計、過程組織、規(guī)范管理、文檔管理等要素作為質(zhì)量評價的準則，但是這些要素對于軟件研制全過程的質(zhì)量狀況覆蓋不夠全面，缺少測試驗證、第三方評測等重要的質(zhì)量要素。文獻[8]以CMMI理論為指導(dǎo)，以質(zhì)量管理為研究對象，建立了以需求工程、軟件設(shè)計、編碼、代碼審查、單元測試和系統(tǒng)測試等要素為基礎(chǔ)的高成熟度量化管理方案，能夠在項目研發(fā)過程中判斷軟件開發(fā)項目過程是否處于受控狀態(tài)，預(yù)測軟件缺陷，降低交付缺陷密度，提高產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量，但是還缺少定量化評價軟件產(chǎn)品質(zhì)量的方法。文獻[9]通過軟件度量的研究與進展分析，認為軟件度量存在以下技術(shù)難點：方法設(shè)計缺乏通用性、軟件度量未形成統(tǒng)一體系、面向動態(tài)運行環(huán)境的完整性度量缺乏高效性和靈活性，未來研究趨勢主要包括專用方法到通用方法設(shè)計的轉(zhuǎn)變、對軟件度量的方法給出信任級別的分析和評估將成為提升軟件度量水平的有效手段等。

現(xiàn)行的軟件產(chǎn)品度量方法對于航天器軟件產(chǎn)品質(zhì)量進行度量，主要存在以下3個方面的問題：①缺少一種通用的航天器軟件產(chǎn)品質(zhì)量度量方法，②現(xiàn)有的方法難以表征和量化度量軟件產(chǎn)品研制全過程的質(zhì)量結(jié)果，③難以根據(jù)質(zhì)量度量結(jié)果開展針對性的軟件產(chǎn)品質(zhì)量提升。為了解決上述問題，本文通過面向航天器軟件產(chǎn)品研制全過程的探索和研究，基于各級軟件產(chǎn)品保證要求，開發(fā)了一套通用的航天器軟件產(chǎn)品研制過程質(zhì)量度量模型，該模型能夠量化度量軟件產(chǎn)品研制全過程的質(zhì)量情況，基于度量結(jié)果可以開展針對性的軟件產(chǎn)品質(zhì)量提升。

1 航天器軟件產(chǎn)品質(zhì)量度量模型研究

根據(jù)軟件研制工程化要求和航天器軟件各級產(chǎn)品保證要求，基于軟件產(chǎn)品研制經(jīng)驗和特點，在軟件產(chǎn)品研制全壽命周期中，決定研制過程質(zhì)量的要求主要包括總體策劃與執(zhí)行、分析與設(shè)計、測試驗證、可靠性和安全性、技術(shù)狀態(tài)更改、質(zhì)量問題歸零及舉一反三、配置管理、開發(fā)環(huán)境、第三方評測等9個方面。通過分析和研究，進一步提煉出可用于度量軟件研制過程質(zhì)量的28條子要求?；谶@些要求建立了航天器軟件產(chǎn)品通用質(zhì)量度量模型，如圖1所示。

按照航天器軟件產(chǎn)品研制過程的控制重點，將質(zhì)量度量模型中9項28條質(zhì)量要求分別設(shè)置評分權(quán)重，量化度量準則。圖1中，αi為第i個質(zhì)量要求的評分權(quán)重系數(shù)，i表示第i個質(zhì)量要求(1≤i≤n)，n為軟件度量模型中的質(zhì)量要求個數(shù)；βij為第i個質(zhì)量要求中第j個子要求的評分權(quán)重系數(shù)，j表示第j個子要求(1≤j≤ωi)，ωi為第i個質(zhì)量要求中的子要求個數(shù)。例如：模型中各項質(zhì)量要求影響軟件產(chǎn)品質(zhì)量的最重要的三個因素——“軟件分析與設(shè)計”、“軟件測試驗證”、“第三方評測”，分別賦予相對較高的評分權(quán)重系數(shù)，各項質(zhì)量要求中的子要求根據(jù)不同的影響程度分別賦予不同的評分權(quán)重系數(shù)。

在圖1所示的航天器軟件產(chǎn)品通用質(zhì)量度量模型中，在28條具體子要求的基礎(chǔ)上，針對每條子要求落實結(jié)果的符合程度分別設(shè)置4個度量檔次標準A、B、C、D，其中A為最優(yōu)、D為最劣，檔次得分依次遞減。因篇幅所限，模型中28條子要求落實結(jié)果度量檔次的定義不做累述，本文表1給出了典型示例。為了確保軟件產(chǎn)品質(zhì)量度量結(jié)果滿足航天器要求，軟件承制單位應(yīng)按照模型中28條具體子要求的A檔次標準或不低于B檔次標準規(guī)范開展各項研制工作。

表1 航天器軟件產(chǎn)品質(zhì)量度量模型評分標準示例

圖1 航天器軟件產(chǎn)品通用質(zhì)量度量模型

該通用模型將航天器軟件產(chǎn)品研制全過程所涉及的全部質(zhì)量要素按照9項28條質(zhì)量要求進行了明確定義，并納入到一個整體度量的框架中，可用于指導(dǎo)深空探測、載人、通信、導(dǎo)航、遙感等各個領(lǐng)域航天器軟件產(chǎn)品的開發(fā)、測試、交付等全過程，以便評估航天器軟件產(chǎn)品研制全過程是否滿足了所規(guī)定的質(zhì)量要求。

自頂向下，該模型有利于：①在航天器軟件產(chǎn)品研制周期的早期階段，質(zhì)量管理人員根據(jù)通用模型建立質(zhì)量要求；②向軟件研制人員傳遞質(zhì)量要求并逐項實施和落實；③根據(jù)量化準則度量已建立的質(zhì)量要求。自底向上，該模型可以使軟件技術(shù)和管理人員通過下述方式獲得質(zhì)量信息：從通用模型28條子要求的落實結(jié)果量化度量軟件產(chǎn)品研制全過程的質(zhì)量；對照已建立的質(zhì)量要求和度量準則，預(yù)測和評估軟件研制過程的質(zhì)量情況，改進薄弱環(huán)節(jié)，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

2 軟件質(zhì)量度量評分

2.1 評分標準和流程

該模型中定義的9項28條質(zhì)量要求覆蓋了航天器軟件產(chǎn)品研制全過程的質(zhì)量要素，針對每條子要求落實結(jié)果分別設(shè)置了4個度量檔次標準，以“軟件測試驗證”質(zhì)量要求的“測試內(nèi)容全面性”子要求為典型示例，質(zhì)量度量評分標準見表1。

計算航天器軟件產(chǎn)品研制全過程質(zhì)量度量結(jié)果時，由專家根據(jù)該質(zhì)量度量模型的評分標準給出每個子要求的原始評分Zijk并取平均值，得到子要求評分

(1)

式中：m為專家人數(shù)，k表示第k位專家(1≤k≤m)。

將每個要求中的子要求評分Zij與權(quán)重系數(shù)βij相乘后累加，得到該要求評分

(2)

式中：βij為第i個質(zhì)量要求中第j個子要求的權(quán)重系數(shù)。

將每個要求評分Yi與權(quán)重系數(shù)αi相乘后累加，得到軟件產(chǎn)品質(zhì)量總分

(3)

式中：αi為第i個質(zhì)量要求的權(quán)重系數(shù)。

2.2 典型算例

嫦娥五號探測器某數(shù)管計算機應(yīng)用軟件負責(zé)實現(xiàn)整個探測器遙控遙測、信息網(wǎng)絡(luò)智能路由、自主熱控管理、自主能源管理、自主健康管理等關(guān)鍵功能，該軟件的質(zhì)量對于探測器飛行任務(wù)成敗至關(guān)重要。

在該軟件的研制過程中，嚴格依據(jù)軟件工程化管理要求、各級相關(guān)產(chǎn)保要求開展研制工作。應(yīng)用了本文所提的質(zhì)量度量模型，作為客觀準確度量軟件質(zhì)量的手段，完成了軟件研制質(zhì)量自確認暨分系統(tǒng)驗收后，由探測器軟件產(chǎn)品保證人員組織成立了12人專家組，由領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)軟件產(chǎn)品數(shù)據(jù)包文件對每個子要求的落實情況按A、B、C、D的檔位分級評分，對該軟件研制過程質(zhì)量進行度量，最終得分為90.9分，如表2所示。

表2 航天器軟件產(chǎn)品質(zhì)量度量結(jié)果示例

3 軟件產(chǎn)品質(zhì)量提升

設(shè)置軟件度量結(jié)果門限，根據(jù)度量結(jié)果開展針對性質(zhì)量提升工作：①航天器軟件產(chǎn)品最終通過驗收的前提是度量結(jié)果達到90分以上，對于總分Q低于90分或存在單項子要求評分Zij低于75分的軟件產(chǎn)品，由軟件承制單位負責(zé)針對薄弱環(huán)節(jié)開展專題工作，提升產(chǎn)品質(zhì)量。②對于全部軟件產(chǎn)品，根據(jù)度量結(jié)果中普遍偏低的要求和子要求(一般考慮為航天器全部軟件產(chǎn)品半數(shù)以上或者航天器某一分系統(tǒng)內(nèi)全部軟件產(chǎn)品半數(shù)以上，都針對某一具體子要求得分低于75分；或者同一要求下子要求得分均不低于75分，但該要求得分低于80分的)，由航天器軟件產(chǎn)品保證人員織開展專題工作，提升產(chǎn)品質(zhì)量。具體工作流程如圖2所示。

圖2 航天器軟件產(chǎn)品質(zhì)量提升工作流程圖

仍以嫦娥五號探測器某數(shù)管計算機應(yīng)用軟件為例，在軟件產(chǎn)品質(zhì)量度量工作過程中，專家根據(jù)得分相對較低的子要求提出了如下意見和建議：單元測試用例數(shù)不夠，建議進一步補充開展單元測試。

針對專家提出的問題和建議，軟件承制單位補充開展了專題工作：使用單元測試工具AUnit軟件，對該應(yīng)用軟件進行補充測試：當對某個源文件進行單元測試時，AUnit將里面的函數(shù)分別列出，由用戶選擇每次測一個函數(shù)。AUnit通過調(diào)用內(nèi)置的軟仿真環(huán)境運行插樁后的被測程序，并對運行結(jié)果進行分析、統(tǒng)計。補充測試過程中未發(fā)現(xiàn)程序設(shè)計錯誤，測試結(jié)果進一步確認了所有軟件模塊的語句覆蓋率和分支覆蓋率均達到100%。通過有效應(yīng)用該質(zhì)量度量模型，該軟件產(chǎn)品在“軟件測試驗證”要求中“測試內(nèi)容全面性”子要求的度量評分由74.2分提升為85.1分(表2中該項得分為質(zhì)量提升后的最終得分)，質(zhì)量得到了有效提升。

4 質(zhì)量度量模型在嫦娥五號的應(yīng)用

嫦娥五號任務(wù)的目標是實現(xiàn)月面自動采樣返回，探測器系統(tǒng)(以下簡稱探測器)經(jīng)地月和環(huán)月飛行，在月面選定區(qū)域著陸，采集約2 kg月球樣品(實際采集1731 g)，經(jīng)月面起飛、月球軌道交會對接和樣品轉(zhuǎn)移、月地轉(zhuǎn)移和再入回收等過程，將月球樣品安全送至地面[10]。

探測器在軌飛行過程復(fù)雜、高質(zhì)量高可靠實施難，飛行過程中有四器組合體、兩器組合體、交會對接組合體以及單器等多種工作模式；飛行過程中需進行6次分離、21次變軌，涉及近月制動、動力下降、月面起飛、交會對接、月地射入等多個串聯(lián)且不可逆的關(guān)鍵飛行事件，飛行程序復(fù)雜，對整個系統(tǒng)尤其是軟件產(chǎn)品的質(zhì)量提出了很高的要求。在探測器研制過程中，首次應(yīng)用了航天器軟件產(chǎn)品通用質(zhì)量度量模型進行全部69個軟件產(chǎn)品研制[11-15]。

各單位在軟件產(chǎn)品工程化要求、各級產(chǎn)保要求的基礎(chǔ)上增加了質(zhì)量度量模型這一項軟件產(chǎn)品質(zhì)量確認和提升手段，按照9項28條質(zhì)量要求規(guī)范開展軟件研制工作，保留過程證據(jù)作為開展量化度量工作的依據(jù)，并進行軟件產(chǎn)品質(zhì)量自查和自確認。直至軟件交付驗收階段，由軟件產(chǎn)品保證人員組織成立人員固定的度量專家組，按照專業(yè)分工對所有軟件產(chǎn)品研制情況進行度量評分。

軟件產(chǎn)品質(zhì)量度量過程中，個別軟件產(chǎn)品針對子要求評分低于75分的薄弱環(huán)節(jié)補充開展了專題工作，進一步提升了軟件產(chǎn)品質(zhì)量。69個軟件產(chǎn)品均通過質(zhì)量度量，平均得分為93.3分、最高98.8分、最低90.2分。航天器軟件產(chǎn)品質(zhì)量度量模型的應(yīng)用，有效確保了探測器軟件產(chǎn)品質(zhì)量提升和探測器在軌穩(wěn)定運行。

5 結(jié)束語

本文提出了航天器軟件產(chǎn)品通用質(zhì)量度量模型，通過落實模型中定義的9項28條質(zhì)量要求，該模型可用于指導(dǎo)各個領(lǐng)域航天器軟件產(chǎn)品研制全過程的規(guī)范實施。使用模型中的度量準則和評分標準，可以度量航天器軟件產(chǎn)品研制全過程的質(zhì)量情況，形成定量化的評價結(jié)果。根據(jù)航天器軟件產(chǎn)品研制過程質(zhì)量度量結(jié)果，可以有針對性地改進薄弱環(huán)節(jié)，提升軟件產(chǎn)品質(zhì)量。

后續(xù)將針對模型平臺化和信息化應(yīng)用手段開展進一步研究，以拓展該模型的使用范圍。