張登峰 羅旭升 徐燕華

（航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院 陜西省西安市 710089）

1 研究背景

某型飛機是我國全新自主研制的新一代運輸機，配套的機載設(shè)備技術(shù)跨代大、交聯(lián)程度高、產(chǎn)品集成復(fù)雜；全機配套機載設(shè)備達幾百余項，新研、改進產(chǎn)品比例高；技術(shù)跨度大，達到了與民機相當(dāng)?shù)陌踩运健?/p>

作為機載設(shè)備中重要的部件，此型飛機機載軟件涉及十幾個機載系統(tǒng)幾百個軟件配置項，由分布在全國的幾十家單位負責(zé)研制；研制難度大，全機軟件全部為嵌入式軟件，相互之間交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜；管控要求高，全機軟件必須按照軟件工程化思想和方法進行全生存周期軟件研制，實現(xiàn)全過程質(zhì)量控制和跟蹤；安全性要求高，在軍機研制中首次引入民機適航要求。

2 型號研制初期面臨的挑戰(zhàn)

機載軟件在型號研制初期，受內(nèi)外部環(huán)境的制約，面臨著異常嚴峻的挑戰(zhàn)，主要包括以下幾個方面：

2.1 技術(shù)要求和管理要求面臨的挑戰(zhàn)

（1）此型飛機機載軟件模塊化和集成化高，軟件配置項多，軟件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，以往的型號軟件管控模式行不通；

（2）此型飛機“高可靠、高安全、長壽命”的總體目標(biāo)，對軟件質(zhì)量特性提出了更高要求，軟件研制過程管控粒度也較以往型號更加精細。

2.2 型號管控協(xié)同面臨的挑戰(zhàn)

（1）型號軟件研發(fā)周期短、供應(yīng)商多、開發(fā)團隊龐大，管理難度大；

（2）型號軟件生命周期長，使用頻繁，保障難度大；

（3）軟件涉及機載系統(tǒng)多、外場更改頻繁，型號軟件技術(shù)狀態(tài)管控難度大。

2.3 軟件研制過程面臨的挑戰(zhàn)

（1）承研單位軟件能力參差不齊，大部分承研單位尚未通過軟件研制能力二級認證，軟件開發(fā)停留在“手工作坊式”的模式，對軟件工程化概念的意識比較弱；

（2）承研單位軟件研制的基礎(chǔ)水平較低，資源投入不足，軟件工程化管理力量不夠；

（3）承研單位軟件工程活動技術(shù)能力較低，軟件需求質(zhì)量不高，安全性可靠性分析設(shè)計工作薄弱，驗證有效性差。

3 研究總體思路

圖1：某型飛機軟件多維通用關(guān)系模型

圖2：某型飛機軟件研制業(yè)務(wù)流程分析技術(shù)示意圖

面對此型飛機對軟件研制過程和軟件產(chǎn)品質(zhì)量的高要求以及軟件研制環(huán)境的諸多不利挑戰(zhàn)，總設(shè)計師單位迎難而上，經(jīng)過分析確定了總體的研究思路：基于此型飛機機載軟件研制業(yè)務(wù)活動和飛機型號軟件特點，梳理型號軟件容易產(chǎn)生問題的薄弱環(huán)節(jié)，提取軟件管控的質(zhì)量因素，并吸收融合國際民機適航符合性DO -178 系列標(biāo)準的要求，構(gòu)建完整的飛機機載軟件全生存周期研制質(zhì)量體系體系。

具體包括如下幾個方面：

（1）業(yè)務(wù)場景模型分析：研究機載軟件在大運飛機整個生存周期內(nèi)中的業(yè)務(wù)場景，分析在業(yè)務(wù)場景中總設(shè)計師單位、總制造單位、試飛單位、外場用戶、承研單位等組織之間的業(yè)務(wù)流程、活動以及協(xié)作關(guān)系，同時分析國家法律規(guī)范及國軍標(biāo)等標(biāo)準對軟件的相關(guān)要求，確定機載軟件全生存周期過程質(zhì)量受控的研究方向和研究內(nèi)容；

（2）過程控制方法研究：分析在設(shè)備/系統(tǒng)不同研制階段過程中，隨著設(shè)備/系統(tǒng)的成熟度不斷提高，提出配套承研軟件過程控制的要求和方法，以多發(fā)現(xiàn)問題，盡量消除軟件中的安全隱患為導(dǎo)向，抓兩頭（軟件需求與軟件測試），重過程，確保軟件以過程保安全保質(zhì)量的核心。

圖3：某型飛機機載軟件研制工作流圖

圖4：某型飛機機載軟件六級驗證體系

（3）軟件適航融合技術(shù)研究：將飛機高可靠、高安全的要求作為機載軟件研制的核心，引入國際民機機載軟件適航的理念，將整個軟件研制過程的控制環(huán)節(jié)目標(biāo)化，活動要求具體化，并將其融入到軟件研制過程中，從而真正保證軟件安全、可靠；

（4）多狀態(tài)管理技術(shù)研究：特別關(guān)注裝備軟件質(zhì)量問題，解決裝備質(zhì)量整頓中軟件技術(shù)狀態(tài)管理的突出問題，吸取其他機型的經(jīng)驗教訓(xùn)，結(jié)合飛機領(lǐng)先使用、科研試飛以及科研試制并行開展的特點，提出完整有效的多狀態(tài)管理技術(shù)方案并加以應(yīng)用。

4 研究主要內(nèi)容

4.1 基于系統(tǒng)工程的理念，構(gòu)建飛機軟件多維業(yè)務(wù)場景模型

在飛機型號研制過程中，將飛機頂層需求進行細化，分解到系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備中，再由系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備細化分解到硬件和軟件，在這個過程中，實現(xiàn)型號級的需求向系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備的傳遞，進而向硬件實現(xiàn)和軟件實現(xiàn)的分解。這是系統(tǒng)工程理念在飛機型號研制過程中的實際應(yīng)用。因此，機載軟件的研制與飛機型號的研制、機載設(shè)備的研制是緊密結(jié)合、密不可分的。

通過將機載軟件全生命周期研制流程放入在飛機型號研制和系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備研制的大流程中，梳理每一層級的研制特點和對應(yīng)的流程要素，具體包括：

（1）研究飛機級、設(shè)備級、軟件級的研制流程、研制特點及相互間的對應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建軟件產(chǎn)品研制維；

（2）研究軟件在飛機整個生命周期內(nèi)的應(yīng)用場景，包括總設(shè)計師單位試驗、制造單位生產(chǎn)及試驗、試飛單位試飛、外場部隊服役，構(gòu)建軟件應(yīng)用場景維；

（3）研究總設(shè)計單位、總制造單位、試飛單位、軟件承研單位、外場用戶等利益相關(guān)方在軟件全生命周期過程中的活動，構(gòu)建軟件組織協(xié)作維；

將產(chǎn)品研制維、應(yīng)用場景維、組織協(xié)作維三維度進行綜合分析、緊密嵌套，建立適用于某型飛機型號軟件多維通用關(guān)系模型，實現(xiàn)軟件研制與飛機型號生命周期研制流程、型號研制責(zé)任主體、飛機全生命周期應(yīng)用場景的有機融合。如圖1 所示為某型飛機軟件多維通用關(guān)系模型。

4.2 基于航空軟件研制現(xiàn)狀，開展飛機軟件研制流程分析

基于不同的機載軟件研制業(yè)務(wù)場景，對軟件研制應(yīng)用需求進行分類和分級，在型號級和項目級軟件管理和技術(shù)要素的基礎(chǔ)之上，將相應(yīng)的要素歸類至對應(yīng)的應(yīng)用需求分類中；開展型號級軟件研制業(yè)務(wù)流程分析，建立型號、設(shè)備、軟件三級業(yè)務(wù)流程對應(yīng)關(guān)系；基于上述軟件研制業(yè)務(wù)流程，進行機載軟件生命周期模型定義，并將基于應(yīng)用需求分類的管理和技術(shù)要素離散到軟件生命周期模型中。如圖2 所示為某型飛機軟件研制業(yè)務(wù)流程分析技術(shù)示意圖。

4.3 以供方協(xié)議管理為抓手，強化飛機軟件研制過程控制

針對以往型號軟件過程管理比較粗狂，對于承研單位軟件管理要求不明確，無法達到精細化管理的情況，在此型飛機研制過程中，總設(shè)計師單位首先將軟件頂層技術(shù)和管理要求明確在機載設(shè)備協(xié)議書中，通過機載設(shè)備技術(shù)協(xié)議書將要求下發(fā)給承研單位。同時，在此型飛機軟件研制全線開展軟件工程組織的建立、全周期研制的過程監(jiān)控、生存周期資料的產(chǎn)品審查、軟件產(chǎn)品的交付控制、軟件過程和產(chǎn)品的質(zhì)量評估，逐步形成計劃牽引、需求驅(qū)動的型號研制管控體系，保證研制全線踏著節(jié)拍，步調(diào)一致的開展軟件研制工作。如圖3 所示為此型飛機機載軟件研制工作流圖。

4.4 面向飛機高可靠高安全長壽命目標(biāo)，構(gòu)建機載軟件多級驗證體系

圖5：某型飛機機載軟件全生命周期狀態(tài)控制示意圖

在以往型號軟件驗證通過分析、評審和測試開展軟件質(zhì)量保證活動的基礎(chǔ)上，本著此型飛機高可靠、高安全和長壽命的目標(biāo)，立足型號整體和型號研發(fā)流程，將全機機載軟件的驗證擴展為分階段的六級驗證體系：內(nèi)部測試-＞系統(tǒng)聯(lián)試-＞第三方測試-＞機上地面聯(lián)試-＞試飛驗證-＞定型/鑒定測評。通過這六級驗證之間的有效銜接，既保證了機載軟件研制過程與機載設(shè)備研制、型號研制的不脫節(jié)，又保證了機載軟件功能性能驗證的充分性、軟件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的正確性。如圖4 所示為此型飛機機載軟件六級驗證體系。

4.5 立足復(fù)雜聯(lián)調(diào)聯(lián)試場景，構(gòu)建全周期多階段一體化軟件狀態(tài)控制機制

型號機載軟件的技術(shù)狀態(tài)管理，將直接影響飛機的生產(chǎn)制造、科研試飛、外場使用、全狀態(tài)的定型/鑒定以及在部隊的服役使用。因此，立足于型號研制、生產(chǎn)、試飛、領(lǐng)先使用等研制階段交叉并行的情況，分析總設(shè)計師單位試驗、制造單位生產(chǎn)及試驗、試飛單位試飛、外場部隊服役等多個應(yīng)用場景不同的管控關(guān)注點，開展機載軟件兩級多階段狀態(tài)管理模型、交付及更改控制流程與方法、貫改流程與方法以及多構(gòu)型狀態(tài)下軟件狀態(tài)管控模式研究，構(gòu)建全周期多階段一體化軟件狀態(tài)控制機制，保證全機軟件狀態(tài)過程受控、版本可追溯、裝機軟件狀態(tài)清晰準確。如圖5 所示為某型飛機機載軟件全生命周期狀態(tài)控制示意圖。

4.6 面向軍機適航目標(biāo)，構(gòu)建滿足適航要求的飛機機載軟件審查模式

此型飛機機載軟件的研制過程中引入了民機適航理念，這在國內(nèi)軍機軟件研制過程中尚屬首次。總設(shè)計師單位基于RTCA/DO-178B 體系及現(xiàn)行有效的國軍標(biāo)，針對DO-178B 中對于軟件研制要求達到的66 個目標(biāo)，結(jié)合此型飛機研制實際情況，進行了本地化剪裁形成了飛機軟件適航目標(biāo)。在飛機機載軟件研制體系構(gòu)建過程中，將裁剪后的適航目標(biāo)分配到軟件生存周期過程中；在軟件研制過程中，各承研單位按照總設(shè)計師單位下發(fā)的軟件工程化體系開展執(zhí)行的過程，就是滿足適航目標(biāo)的過程；這樣就達到軟件研制“自覺適航”的目標(biāo)，形成了“軟件研制與適航審查一張皮”的良好模式。如圖6 所示為基于DO-178B 的此型飛機機載軟件適航審查模型圖。

5 總結(jié)

圖6：基于DO-178B 的某型飛機機載軟件適航審查模型圖

在此型飛機研制過程中，總設(shè)計師單位在充分吸收國內(nèi)外軟件工程標(biāo)準和優(yōu)秀工業(yè)實踐基礎(chǔ)上，緊緊結(jié)合國內(nèi)軍機研制的特點，走出了一條“軍機研制融合民機適航要求”的機載軟件高質(zhì)量研發(fā)的道路，創(chuàng)新開展了多級驗證模式的工程實踐，在多構(gòu)型、多場景、多版本的軟件全生命周期研制環(huán)境下實現(xiàn)了軟件狀態(tài)清晰受控和可追蹤。

某型飛機機載軟件全生命周期研制質(zhì)量體系研究成果在型號中的成功應(yīng)用，使得研制全線降低了軟件更改量、提高了軟件質(zhì)量、提高了軟件的可復(fù)制性和可維護性，為飛機大批量裝備部隊和后期部隊使用提供了堅實基礎(chǔ)；同時推動了國內(nèi)軍機軟件承研單位軟件研制能力的整體提升，并為其他軍民機型號研制提供了寶貴的軟件實踐經(jīng)驗。