孫寶亮，王 毅，薛 凱，紀(jì)祖赑

(空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100071)

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，航天器作為我國航天技術(shù)的集中體現(xiàn)，有著系統(tǒng)復(fù)雜、研制難度高、測(cè)試檢驗(yàn)流程多、質(zhì)量要求高的特點(diǎn)[1-2]。當(dāng)前形勢(shì)下，對(duì)航天器軟件系統(tǒng)的研制提出了更高的要求，如何實(shí)現(xiàn)航天器的快速裝備已成為當(dāng)前工作的重點(diǎn)。面向裝備使用的航天器軟件系統(tǒng)的研制、生產(chǎn)相較傳統(tǒng)航天型號(hào)的研制，除具有更高質(zhì)量要求外，還有面向使用、兼顧平時(shí)訓(xùn)練、國產(chǎn)化的使用需求。航天軟件系統(tǒng)的研制側(cè)重測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性、完整性，用戶多為工程研究人員；而面向裝備的航天器軟件系統(tǒng)研制則更側(cè)重可靠性、易用性以及使用的長期性，用戶多為一線操作人員。在當(dāng)前形勢(shì)下，航天軟件研制模式已不能適應(yīng)裝備自動(dòng)化程度高、使用狀態(tài)多、長期值守的要求。如何實(shí)現(xiàn)航天研究研制向裝備型號(hào)研制的快速轉(zhuǎn)變，成為當(dāng)下亟待解決的問題。

針對(duì)國產(chǎn)操作系統(tǒng)下，軟件產(chǎn)品化研制要求，本文提出一種面向測(cè)試流程自動(dòng)化的軟件系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了在中標(biāo)麒麟環(huán)境下基于QT的測(cè)發(fā)控流程自動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。方法以兼顧頂層設(shè)計(jì)與底層實(shí)現(xiàn)、提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度為原則，開展軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，通過系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)、信息流設(shè)計(jì)，逐層下沉到軟件配置項(xiàng)設(shè)計(jì)，識(shí)別配置項(xiàng)級(jí)功能點(diǎn),確保軟件更改影響域最小化；通過軟件接口模塊化、通用化設(shè)計(jì)，降低軟件測(cè)試、維護(hù)成本，有效縮短軟件研制周期、提高軟件質(zhì)量。此外，通過信息流設(shè)計(jì)識(shí)別關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)、提取流程控制判據(jù)，實(shí)現(xiàn)了基于信息流的測(cè)發(fā)控系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)，有效提高了測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，降低了人員操作與判讀的介入程度，保障了系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性、可靠性。本文以航天器某監(jiān)控類軟件研制過程為例詳細(xì)說明本文所提出方法的實(shí)施過程。

1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 軟件系統(tǒng)功能劃分

傳統(tǒng)航天器軟件設(shè)計(jì)方法往往在電氣系統(tǒng)方案確定后，以電氣系統(tǒng)功能需求為輸入，反復(fù)迭代軟件配置項(xiàng)功能，該方法的缺點(diǎn)在于系統(tǒng)接口不明確、軟件功能不明晰，軟件功能設(shè)計(jì)強(qiáng)烈依賴系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，導(dǎo)致軟件設(shè)計(jì)滯后、設(shè)計(jì)反復(fù)。本文所提出方法，通過從系統(tǒng)級(jí)到配置項(xiàng)級(jí)、再到功能模塊級(jí)逐級(jí)多維統(tǒng)一化設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)了軟件系統(tǒng)各功能點(diǎn)的解耦，降低了由于系統(tǒng)變更引起的軟件維護(hù)成本。同時(shí)，由于采用統(tǒng)一化設(shè)計(jì)，保證了軟件系統(tǒng)研制質(zhì)量，降低了軟件系統(tǒng)研制成本。本文以系統(tǒng)頂層需求為輸入、兼顧電氣系統(tǒng)方案，通過軟件系統(tǒng)功能需求開發(fā)、配置項(xiàng)功能劃分、靜態(tài)信息流設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)信息流設(shè)計(jì)，明確了軟件系統(tǒng)中各軟件配置項(xiàng)的功能要求，同時(shí)，依據(jù)變更影響最小化原則，指導(dǎo)軟件配置項(xiàng)設(shè)計(jì)，以某監(jiān)控軟件為例，說明設(shè)計(jì)過程。

某監(jiān)控軟件主要實(shí)現(xiàn)多個(gè)下位目標(biāo)設(shè)備的監(jiān)控，同時(shí)與多個(gè)外系統(tǒng)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信。軟件通過接收外部設(shè)備指令并按指令要求自動(dòng)控制下位目標(biāo)設(shè)備完成指令動(dòng)作，同時(shí)周期性將監(jiān)測(cè)信息反饋給外部監(jiān)控設(shè)備以圖表化方式實(shí)時(shí)輸出。軟件功能分解如圖1所示。

圖1 某監(jiān)控軟件功能框圖

本文所設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)為“平臺(tái)+數(shù)據(jù)總線+組件”架構(gòu)。其中，平臺(tái)完成軟件初始化、總線初始化、組件初始化、數(shù)據(jù)記錄、日志記錄以及其它公共基礎(chǔ)功能初始工作；數(shù)據(jù)總線為全軟件共享數(shù)據(jù)接口，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交互接口；組件為具體業(yè)務(wù)模塊。軟件中，各功能模塊以標(biāo)準(zhǔn)接口接入總線，完成模塊間的數(shù)據(jù)交互的同時(shí)避免了模塊間資源的競爭與調(diào)用，避免了軟件跨線程調(diào)用和線程競爭的風(fēng)險(xiǎn)。軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)框圖

1.2 軟件系統(tǒng)功能劃分

軟件系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)工作依據(jù)軟件配置項(xiàng)功能分解和控測(cè)一體化系統(tǒng)的要求，對(duì)軟件系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)配置項(xiàng)之間的通信接口進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

依據(jù)軟件系統(tǒng)功能劃分，基于接口統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)間、子系統(tǒng)內(nèi)接口關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了軟件配置項(xiàng)級(jí)的接口與實(shí)現(xiàn)分離，確保了軟件配置項(xiàng)的松耦合，同時(shí)針對(duì)各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)了配置項(xiàng)級(jí)的邏輯架構(gòu)圖。某監(jiān)控軟件靜態(tài)信息流如圖3所示。

圖3 監(jiān)控軟件靜態(tài)信息流設(shè)計(jì)

其中，靜態(tài)信息流說明如表1所示。

表1 某監(jiān)控軟件靜態(tài)信息流說明

1.3 自動(dòng)化流程控制設(shè)計(jì)

針對(duì)測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試及控制需求，進(jìn)一步的，梳理系統(tǒng)關(guān)鍵動(dòng)作時(shí)序關(guān)系，開展軟件系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信息流設(shè)計(jì)，進(jìn)一步細(xì)化軟件功能點(diǎn)與系統(tǒng)時(shí)序關(guān)系，本文針對(duì)系統(tǒng)間的邏輯關(guān)系、時(shí)序動(dòng)態(tài)、數(shù)據(jù)判讀設(shè)計(jì)了子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信息流如圖4所示。

圖4 某子系統(tǒng)自動(dòng)化控制信息流

依據(jù)系統(tǒng)信息流設(shè)計(jì)流程判據(jù)文件，判據(jù)文件為系統(tǒng)自動(dòng)化執(zhí)行的依據(jù)，考慮到系統(tǒng)通用性和使用需求，本文設(shè)計(jì)了適用于測(cè)發(fā)控系統(tǒng)自動(dòng)控制流程的判據(jù)管理模塊、流程配置模塊、分支執(zhí)行模塊、消息通知模塊，軟件能夠根據(jù)測(cè)發(fā)控需求靈活配置，實(shí)現(xiàn)跨型號(hào)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)流程自動(dòng)控制技術(shù)，提升測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。其中，流程配置模塊針對(duì)測(cè)控系統(tǒng)常用判讀邏輯—與、或、非、大于、等于、小于等基礎(chǔ)邏輯及其組合形成通用化流程控制邏輯配置文件，能夠適應(yīng)大部分測(cè)控系統(tǒng)流程控制需求。

經(jīng)過以上軟件系統(tǒng)功能分解、時(shí)序設(shè)計(jì)、功能點(diǎn)拆解，明確了軟件系統(tǒng)的工作模式和運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)流控制流動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，確保了接口設(shè)計(jì)匹配性，保證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)無死角、無歧義，進(jìn)而為系統(tǒng)的自動(dòng)化控制技術(shù)提供了技術(shù)和方案支撐。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展測(cè)發(fā)控自動(dòng)控制技術(shù)研究。本項(xiàng)目通過梳理系統(tǒng)信息流間的關(guān)系結(jié)合電氣系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了基于信息流的自動(dòng)化控制方案，軟件自動(dòng)控制流程如圖5所示。

圖5 某監(jiān)控子系統(tǒng)自動(dòng)化控制流程

其中，流程中主要包含外部指令、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)判讀等關(guān)鍵動(dòng)作外部指令為系統(tǒng)輸入，結(jié)合外系統(tǒng)使用及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案完成關(guān)鍵檢查點(diǎn)控制；執(zhí)行機(jī)構(gòu)為系統(tǒng)內(nèi)部控制單元，根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作；數(shù)據(jù)判讀為流程關(guān)鍵數(shù)據(jù)、指標(biāo)的判讀，只有符合預(yù)置數(shù)據(jù)包絡(luò)范圍內(nèi)，方可自動(dòng)執(zhí)行控制流程。測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)控制需求源自系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，其中數(shù)據(jù)判讀結(jié)合系統(tǒng)信息流開展設(shè)計(jì)，綜合系統(tǒng)時(shí)許設(shè)置合理的判據(jù)包絡(luò)支撐后續(xù)控制流程的自動(dòng)化。

2 研制流程

軟件研制過程中，打破了系統(tǒng)、配置項(xiàng)的界限，建立以系統(tǒng)信息流、控制流為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)模式。然而，方法的效率提升離不開軟件產(chǎn)品化設(shè)計(jì)，反過來細(xì)粒度軟件產(chǎn)品化設(shè)計(jì)能夠拓展方法的靈活性和標(biāo)的性。以可重用構(gòu)件為原材料，以自主研發(fā)的通用化平臺(tái)框架為基輔，實(shí)現(xiàn)型號(hào)軟件的快速研發(fā)和生產(chǎn)范式。在軟件項(xiàng)目管理方面，軟件采用集成項(xiàng)目管理模式開展統(tǒng)一管理，充分優(yōu)化管理成本。

2.1 軟件平臺(tái)

在軟件研制階段，軟件以功能組件為基本單位，進(jìn)行“積木式”開發(fā)。軟件通過平臺(tái)功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)軟件應(yīng)用層功能。平臺(tái)提供標(biāo)準(zhǔn)公共接口，可靈活加載/卸載功能組件，且不影響軟件主體功能實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)能極大程度地提高軟件產(chǎn)品黑盒復(fù)用率，提高代碼質(zhì)量，同時(shí)能夠有效配合本文所提出方法的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)對(duì)成熟構(gòu)件的可靠性和安全性的繼承。

2.2 數(shù)據(jù)總線

數(shù)據(jù)總線為軟件內(nèi)部各功能組件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的共用數(shù)據(jù)訪問模塊。該模塊設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)訪問接口，各功能組件按需訪問總線數(shù)據(jù)，同時(shí)與其它組件實(shí)現(xiàn)隔離，避免數(shù)據(jù)讀寫操作造成的錯(cuò)誤。同時(shí)，數(shù)據(jù)總線維護(hù)總線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，各組件可根據(jù)實(shí)際需要完成對(duì)數(shù)據(jù)的新建、刪除、修改等操作，總線維護(hù)數(shù)據(jù)的介入保護(hù)，避免不同線程訪問數(shù)據(jù)時(shí)造成的不穩(wěn)定問題。

2.3 功能組件劃分

功能組件在軟件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)階段完成后，各軟件配置項(xiàng)功能既定的情況下，開展各軟件配置項(xiàng)需求分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功能劃分，識(shí)別其中可重用功能，通過組件標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)并擴(kuò)充至組織資產(chǎn)?？芍赜脴?gòu)件應(yīng)盡可能地只規(guī)定所需的功能和性能指標(biāo)，詳細(xì)描述構(gòu)建的接口、配置參數(shù)、功能范圍等，允許開發(fā)者決定操作上和實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)，提高構(gòu)件的可重用性。

2.4 功能組件實(shí)現(xiàn)

構(gòu)件實(shí)現(xiàn)需以設(shè)計(jì)階段輸出為標(biāo)的，對(duì)標(biāo)功能、性能指標(biāo)開展實(shí)現(xiàn)，并考慮提高每個(gè)構(gòu)件的可復(fù)用性。重用構(gòu)件的質(zhì)量是開展過程中的重要一環(huán)，每個(gè)構(gòu)件作為獨(dú)立的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。對(duì)構(gòu)件的測(cè)試也作為構(gòu)件的一部分來管理?？芍赜脴?gòu)件實(shí)現(xiàn)完成后必須進(jìn)行較通常軟件開發(fā)更加嚴(yán)格的代碼審查、單元測(cè)試、組裝測(cè)試和確認(rèn)測(cè)試，必要時(shí)開展第三方測(cè)試。

其中，新研構(gòu)件開發(fā)流程，如圖6所示。

圖6 新研構(gòu)件開發(fā)流程

重用構(gòu)件研制流程，如圖7所示。

圖7 重用構(gòu)件研制流程

2.5 功能組件集成

在軟件各功能組件研制完成后，軟件進(jìn)入集成封裝階段。組件完成所有研制流程后進(jìn)行入庫，入庫前需準(zhǔn)備詳細(xì)的構(gòu)件配套文檔。如果構(gòu)建研制隨項(xiàng)目進(jìn)行，那么在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)從項(xiàng)目工程文檔中提取構(gòu)件相關(guān)內(nèi)容，完成構(gòu)件配套文檔編寫，構(gòu)件需根據(jù)接口規(guī)范，生成標(biāo)準(zhǔn)文件。其中構(gòu)件需維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)接口如圖8所示。

圖8 構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)接口

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 開發(fā)環(huán)境

當(dāng)前，主流國產(chǎn)操作系統(tǒng)以中標(biāo)麒麟[3-5]、銀河麒麟為代表。其中，中標(biāo)麒麟是國內(nèi)首款支持龍芯64位平臺(tái)的高安全等級(jí)可信的、自主可控的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)，兼容主流的軟硬件和自主CPU平臺(tái)，如飛騰、龍芯、申威[6-7]。與Vxworks[8-9]等操作系統(tǒng)不同，中標(biāo)麒麟兼容主流的軟硬件和自主CPU平臺(tái)，如飛騰、龍芯、申威[10]。

目前中標(biāo)麒麟可安裝的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境有Qt、Eclipse、GCC和腳本語言[11-13]。其中，Qt是由TrollTech公司出品的可跨平臺(tái)圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架[13]。其基于C++語言的面向?qū)ο蟮目蚣?，既可以開發(fā)GUI程序，也可用于開發(fā)非GUI程序，目前被廣泛應(yīng)用于桌面應(yīng)用、嵌入式、軍工系統(tǒng)等有跨平臺(tái)需求的、要與硬件交互的軟件系統(tǒng)中[14]。

本文采用中標(biāo)麒麟5.0版、Qt5.6.2版完成案例開發(fā)。

3.2 軟件編譯

軟件開發(fā)過程中，應(yīng)完成需求分析，設(shè)計(jì)功能組件組成，區(qū)分可重用組件、新研組件；可重用組件移植，再識(shí)別軟件可重用功能組件后，需要將基于windows平臺(tái)下編寫的功能組件，編寫適用于QT環(huán)境的.pro文件，在目標(biāo)平臺(tái)上重新編譯，實(shí)現(xiàn)組件的移植。總結(jié)如下：

1)需求分析，完成軟件功能劃分，如有需要開發(fā)驅(qū)動(dòng)加載至系統(tǒng)內(nèi)核；

2)使用Qt Creator等開發(fā)環(huán)境開發(fā)軟件界面及邏輯代碼實(shí)現(xiàn)，由于中標(biāo)麒麟目前支持集成開發(fā)環(huán)境較少，當(dāng)前主流集成開發(fā)環(huán)境為Qt Creator；

3)可執(zhí)行文件或動(dòng)態(tài)鏈接庫(.so)文件，軟件完成開發(fā)后，需將各功能組件編譯生成可調(diào)用執(zhí)行的文件，同時(shí)生成軟件的可執(zhí)行文件，打包發(fā)布軟件。

3.4 軟件發(fā)布

軟件發(fā)布階段，需將用戶程序編譯后與所依賴的動(dòng)態(tài)鏈接庫、配置文件等文件一起打包生成可安裝程序，由于中標(biāo)麒麟在X86平臺(tái)、龍芯平臺(tái)下編譯生成的程序具備廣泛通用性，因此，需分別在不同目標(biāo)平臺(tái)重新編譯并分別發(fā)布軟件安裝包，其主要工作內(nèi)容y有：

1)release文件文件生成，復(fù)制release文件內(nèi)所有文件至新建文件夾，重命名，并建立pack.sh腳本文件和.h文件。

2)編寫pack.sh文件，主要為需要發(fā)布的程序名稱和創(chuàng)建文件夾位置等信息，例如:

!/bin/sh

Exe=“mynewName”

Des=/mypath/mynewName

Deplist=(lddexe|awk’{if(match(3,”/”)){printf(“%s”),3}}’)

cp deplist des

3)在終端中運(yùn)行pack.sh指令，執(zhí)行文件所依賴的鏈接庫會(huì)自動(dòng)復(fù)制到項(xiàng)目文件夾中。在其他龍芯平臺(tái)上運(yùn)行項(xiàng)目.h腳本文件即可啟動(dòng)軟件。

3.3 效果分析

本文所述一體化軟件設(shè)計(jì)方法，能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初考慮軟件配置項(xiàng)功能分配、接口定義，在縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)反復(fù)、避免冗余迭代的同時(shí)，縮短系統(tǒng)軟件研制周期降低軟件成本，本方法在某項(xiàng)目中已成功應(yīng)用，相比WPS軟件設(shè)計(jì)方法，在相同功能點(diǎn)的情況下，本項(xiàng)目中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。數(shù)據(jù)來源于其它型號(hào)類似軟件研制過程數(shù)據(jù)，其中，代碼缺陷率以第三方測(cè)試檢出問題數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

表2 本項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況

4 結(jié)束語

本文所提出方法以系統(tǒng)需求為輸入依據(jù)，開展頂層需求分解，實(shí)現(xiàn)了軟件系統(tǒng)的功能劃分，通過接口設(shè)計(jì)、信息流設(shè)計(jì)進(jìn)一步細(xì)化了軟件功能點(diǎn)與系統(tǒng)的關(guān)系，解耦各功能點(diǎn)的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了變更影響最小化設(shè)計(jì)，提高了軟件系統(tǒng)質(zhì)量。從頂層設(shè)計(jì)到底層實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)思路，解決了由于系統(tǒng)需求傳遞不準(zhǔn)確導(dǎo)致的設(shè)計(jì)反復(fù)問題，有效提升了型號(hào)軟件研制效率。此外，采用多維逐級(jí)分解的設(shè)計(jì)思路，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，形成了軟件系統(tǒng)自動(dòng)化控制依據(jù)，通過軟件接口模塊化、通用化設(shè)計(jì)解耦了不同流程判據(jù)不同的問題，實(shí)現(xiàn)了測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的自動(dòng)化控制技術(shù)，同時(shí)為豐富自主可控軟件生態(tài)環(huán)境提供技術(shù)儲(chǔ)備，為未來基于國產(chǎn)軟硬件平臺(tái)的軟件研制提供可借鑒案例。