魏 波，張衛(wèi)祥，齊玉華，劉鳳菊

(北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

0 引言

航天測控中心是航天測控網(wǎng)的重要組成部分，是航天任務的決策和指揮中心。航天測控中心計算機軟件系統(tǒng)部署于航天測控中心，完成對遙測數(shù)據(jù)、外測數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示，對測控設備的引導控制，以及向航天器發(fā)送遙控指令等功能[1-2]?；镜暮教鞙y控中心軟件系統(tǒng)一般包括數(shù)據(jù)交換、匯集分發(fā)、遙測數(shù)據(jù)處理、外測數(shù)據(jù)處理、綜合數(shù)據(jù)處理、監(jiān)視顯示、安控輔助判決、遙控發(fā)令等軟件配置項[3-4]。航天發(fā)射任務數(shù)量日益增多，任務密度日益加大，留給軟件狀態(tài)切換和準備時間大幅減少，對測控中心軟件系統(tǒng)提出了新的要求。測控中心軟件為了達到僅通過修改任務配置參數(shù)而適應高密度型號任務的目的，大多采用領域工程分析和領域驅動設計技術，實現(xiàn)業(yè)務處理邏輯和任務配置參數(shù)的分離。

但是，軟件配置參數(shù)更動的正確性在一定程度上依賴操作人員的知識、經(jīng)驗和工作態(tài)度，參數(shù)更動需要花費大量的時間和精力[5]。研究數(shù)據(jù)證明,參數(shù)更動過程有時會引入大量的軟件問題，甚至影響到航天任務的成敗。依照載人航天工程軟件工程化要求，任務配置參數(shù)和軟件代碼均是軟件的一部分，無論是代碼更動還是參數(shù)更動均需要通過第三方的測試[6-9]，并將此作為任務前檢查的重要部分。然而,無論是軟件研制單位還是軟件用戶單位，對參數(shù)更動測試的重視程度不足[10-12]，參數(shù)更動測試的效果不佳。

參數(shù)依賴型軟件是指初始化時讀取并解析配置參數(shù)，并據(jù)此進行任務處理的軟件，航天測控中心軟件是典型的參數(shù)依賴型軟件。本文針對參數(shù)依賴型軟件，提出了一種覆蓋軟件驗收、軟件運行、任務參數(shù)更動等階段的第三方測試驗證方法。并基于該方法，對遠程數(shù)據(jù)交互軟件進行了測試實踐，結果表明，該方法具有測試覆蓋性強、測試重點突出、測試效率高等特點，滿足載人航天工程軟件工程化技術規(guī)范的要求。

第一章分析了參數(shù)依賴型軟件“代碼+參數(shù)”的可復用架構和軟件使用模式，第二章提出針對參數(shù)依賴特性的第三方測試流程，共包括參數(shù)依賴特性驗收測試、參數(shù)更動測試和測試狀態(tài)維護等3個階段，并對每個階段的測試策略、測試重點進行了分析設計。第三章給出了該方法的一個應用實例；第四章指出了該方法的應用前景，提出了可能的優(yōu)化改進方向。本文中，參數(shù)依賴特性定義為與參數(shù)初始化、參數(shù)解析、參數(shù)處理相關的功能、性能、安全性等軟件特性。參數(shù)依賴特性驗收測試是指針對參數(shù)依賴特性而進行的用戶驗收測試。參數(shù)更動測試是指因任務狀態(tài)變化而發(fā)生參數(shù)更動后，針對參數(shù)更動而進行的軟件回歸測試。

1 參數(shù)依賴型軟件架構及使用模式

參數(shù)依賴型軟件是指初始化時讀取并解析運行參數(shù)信息，并據(jù)此進行任務處理的軟件。航天測控軟件是典型的參數(shù)依賴型軟件，多采用領域工程分析和領域驅動設計技術，實現(xiàn)業(yè)務處理邏輯和型號任務配置參數(shù)的分離[13]。參數(shù)依賴型軟件的典型架構如圖1所示。

圖1 參數(shù)依賴型軟件架構

當執(zhí)行新的型號任務時，技術人員首先梳理新的任務需求，進行軟件維護可行性分析。分析從3個層次依次展開：軟件代碼和軟件配置均不改變是否可以執(zhí)行新的任務？僅修改軟件配置是否可以滿足任務要求？是否必須進行代碼的更動？并根據(jù)最終的分析結論制定軟件維護方案，給出軟件維護的詳細內(nèi)容。具體流程如圖2所示。

圖2 軟件維護流程

航天測控軟件具有較強的軟件復用能力，多數(shù)情況下可通過僅修改配置參數(shù)來適應新的試驗任務。根據(jù)載人航天工程軟件工程化技術標準的要求，配置參數(shù)更動后需要進行第三方參數(shù)更動測試。

2 參數(shù)依賴特性測試流程

軟件生命周期包括需求、設計、編碼、內(nèi)部測試、驗收、軟件維護等階段。軟件維護包括糾錯性維護、適應性維護和完善性維護等多種類型，基于任務狀態(tài)變化的配置參數(shù)更動屬于典型的適應性維護。任務執(zhí)行前，需要根據(jù)任務狀態(tài)變化情況，對任務軟件進行第三方參數(shù)更動測試。值得注意的是，參數(shù)更動是有繼承關系的，并非所有的任務更動都是基于驗收后的初始版本。在參數(shù)更動前，需要分析本次任務與歷史任務的相似程度，選擇配置參數(shù)內(nèi)容相近，更動代價最小的歷史任務作為更動基礎版本。典型的任務繼承關系如圖3所示。

圖3 軟件版本繼承關系圖

本文設計了第三方參數(shù)依賴特性測試流程，規(guī)范參數(shù)依賴軟件從軟件驗收到軟件維護階段的第三方測試工作。測試流程包括參數(shù)依賴特性驗收測試、測試狀態(tài)維護、參數(shù)更動測試3個部分。測試流程和各部分的工作對象見圖4。

圖4 參數(shù)依賴特性測試流程

軟件研制完成后，第三方評測單位應針對軟件初始版本進行參數(shù)依賴特性驗收測試。參數(shù)依賴特性驗收測試面向的是參數(shù)依賴特性的所有軟件需求，需要對參數(shù)依賴特性所涉及的全部功能、性能、容錯、人機交互等進行全方位的完整測試。提高測試充分性是參數(shù)依賴特性驗收測試的核心要求。

配置參數(shù)更動測試則是面向型號任務，基于參數(shù)更動前后的配置參數(shù)比對結果，針對更動及影響域而進行的軟件回歸測試。在完成參數(shù)依賴特性驗收測試或配置參數(shù)更動測試后，需要進行測試狀態(tài)維護，包括維護軟件版本間的繼承關系、維護配置參數(shù)狀態(tài)、記錄歷次參數(shù)更動內(nèi)容、對測試用例進行復用化處理等。

2.1 參數(shù)依賴特性驗收測試

參數(shù)依賴型軟件在軟件驗收階段，應該進行參數(shù)依賴特性專項驗收測試，需要對參數(shù)依賴特性所涉及的全部功能、性能、容錯、人機交互等進行全方位的完整測試。參數(shù)依賴特性驗收測試是整個測試流程中的基礎，其測試充分性是保證后續(xù)參數(shù)更動測試有效性的必要條件。

2.1.1 參數(shù)依賴特性驗收測試策略

本文從測試范圍、測試依據(jù)、測試思路、用例設計、參與人員和測試時機等屬性，提出了測試策略描述框架。參數(shù)依賴特性驗收測試的測試策略如表1所示。

表1 參數(shù)依賴特性驗收測試策略

2.1.2 參數(shù)依賴特性驗收測試的充分性保證措施

提高測試充分性是參數(shù)依賴特性驗收測試的核心要求。保障參數(shù)依賴特性驗收測試充分性主要通過以下3個措施：

1)提高配置參數(shù)功能設計的合理完備：測試人員應與總體設計人員、軟件操作人員充分溝通，使用領域分析的方法，從使用需求出發(fā)，分析配置參數(shù)功能設計是否合理完備。必要時應補充遺漏的配置參數(shù)功能，避免軟件因設計不充分而帶來的配置參數(shù)功能的不完善，提高軟件復用能力。

2)對參數(shù)依賴代碼進行邏輯測試：邏輯測試是對程序代碼邏輯設計的合理性、實現(xiàn)的正確性進行測試。利用程序代碼內(nèi)部的邏輯結構及相關信息設置監(jiān)測點，在測試用例執(zhí)行過程中記錄監(jiān)測點的狀態(tài)，并給出測試覆蓋率信息。邏輯測試是提高測試充分性和實現(xiàn)精準測試的有效手段。參數(shù)依賴特性驗收測試應根據(jù)軟件編程語言和運行環(huán)境，選擇適合的邏輯測試工具，通過插樁代碼、執(zhí)行測試用例、分析語句/分支覆蓋率和補充測試等流程，提高對配置參數(shù)及其取值范圍的測試覆蓋率[14-17]。測試中需重點關注以下幾點:

(1)確保軟件代碼實現(xiàn)了軟件需求和設計要求的所有配置參數(shù)功能。

(2)確保軟件代碼中的所有配置參數(shù)及其處理分支均得到測試。

(3)控制流覆蓋不僅要關注軟件初始化時配置文件讀取部分，還要關注使用配置參數(shù)進行控制處理的不同執(zhí)行路徑。

(4)在進行代碼插樁前，應通過人工代碼走查的方式，標識出參數(shù)依賴相關的代碼。插樁時僅對參數(shù)依賴代碼進行插裝，后續(xù)測試中僅關注參數(shù)依賴代碼的測試覆蓋率。

3)針對軟件高發(fā)缺陷進行重點測試：通過對歷年二十余個參數(shù)依賴型軟件測試項目分析，我們發(fā)現(xiàn)參數(shù)相關的軟件缺陷大多集中分布在軟件特定位置。因此除了依照需求進行功能、性能等常規(guī)測試外，驗收測試還需重點關注以下內(nèi)容，詳見表2。

表2 驗收測試重點及技術要求

以上為參數(shù)依賴型軟件驗收測試的通用要求，具體軟件可根據(jù)自身特點和數(shù)據(jù)依賴程度，對以上要求進行選擇和裁剪。

2.2 參數(shù)更動測試

2.2.1 參數(shù)更動測試策略

軟件在進行任務參數(shù)更動后，應進行參數(shù)更動測試。與驗收測試不同，參數(shù)更動測試屬于軟件回歸測試，更關注參數(shù)更動內(nèi)容及對軟件功能、性能等特性的影響。參數(shù)更動測試的總體策略如表3所示。

表3 參數(shù)更動測試策略

配置參數(shù)比對是配置參數(shù)更動測試的關鍵步驟。首先與軟件更動維護方案比對，確保已經(jīng)正確完成了軟件更動維護方案要求的更動項，沒有偏差和遺漏。同時與更動前的配置參數(shù)進行比對，識別出軟件更動維護方案中沒有描述，但實際實施了的更動，并將其納入到參數(shù)更動測試范圍內(nèi)。

針對識別出的配置參數(shù)更動內(nèi)容，進行影響域分析。對受影響部分逐項進行測試分析，在之前回歸測試中確實已經(jīng)覆蓋的更動內(nèi)容，可以僅通過配置文件檢查來驗證，之前沒有測試或測試不充分的更動內(nèi)容，通過選用之前的可復用測試用例，或重新設計測試用例來驗證。測試設計時應重點關注典型的更動錯誤類型。

某些情況下，配置參數(shù)的更動分析和更動實施不是由軟件研發(fā)人員完成，而是由軟件操作人員完成，此時應該將軟件操作人員納入配置參數(shù)更動測試的參與人員中，以保證配置參數(shù)比對工作的效果和效率。

2.2.2 參數(shù)更動的典型錯誤

對歷年來航天測控中心計算機系統(tǒng)配置參數(shù)更動錯誤進行了梳理和分析，典型的參數(shù)更動錯誤如表4所示。測試設計時應重點關注典型更動錯誤，提高測試的針對性和有效性。

表4 參數(shù)更動的典型錯誤

2.3 測試狀態(tài)維護

參數(shù)依賴型軟件驗收測試階段完成，或參數(shù)更動測試完成后，應轉入測試狀態(tài)維護階段。測試狀態(tài)維護階段應進行配置參數(shù)狀態(tài)維護和可復用配置參數(shù)測試用例維護。

2.3.1 配置參數(shù)狀態(tài)維護

測試結束后，測試人員應督促軟件研發(fā)人員、軟件操作人員，根據(jù)軟件最新狀態(tài)，編制或維護配置參數(shù)維護手冊，配置參數(shù)維護手冊也可以作為軟件使用手冊的單獨一章提供。配置參數(shù)維護手冊應詳細描述修改配置參數(shù)的方法、注意事項，明確各配置參數(shù)的值域范圍、參數(shù)類型約束、參數(shù)間關聯(lián)約束等。另外在軟件代碼初始化配置參數(shù)和使用配置參數(shù)處，增加明確的注釋，注釋內(nèi)容應與配置參數(shù)維護手冊保持一致。

此外，要建立任務參數(shù)更動圖譜，維護參數(shù)版本間的繼承關系、更動內(nèi)容，并納入配置管理。

2.3.2 可復用配置參數(shù)測試用例維護

參數(shù)更動測試本質上是軟件回歸測試。對于新的配置參數(shù)更動測試，應通過將更動需求與復用庫中類似軟件需求進行匹配篩選，檢索并形成可復用測試用例集，經(jīng)適當修改完善后快速生成參數(shù)更動測試的測試用例集，從而大幅提高參數(shù)更動測試用例設計效率[18-20]。

因此，測試狀態(tài)維護階段需要整理本輪測試中與配置參數(shù)相關的測試用例，對測試用例進行可復用化處理，建立可復用配置參數(shù)測試用例庫。測試用例復用化處理的關鍵是建立測試用例與所測試配置參數(shù)的索引，下輪配置參數(shù)更動測試可根據(jù)配置參數(shù)索引，復用相關測試用例。

3 實驗結果分析

使用本文提出的參數(shù)依賴特性測試策略和方法，對某航天測控中心計算機系統(tǒng)遠程數(shù)據(jù)交互軟件進行了第三方測試。該軟件主要完成測控中心內(nèi)外數(shù)據(jù)的接收、格式轉換和分發(fā)。數(shù)據(jù)收發(fā)規(guī)則保存在配置文件中，軟件完成數(shù)據(jù)收發(fā)規(guī)則的解析，實現(xiàn)內(nèi)外數(shù)據(jù)正確轉發(fā)。

軟件驗收測試階段，采用領域分析、邏輯測試和重點測試等技術，設計并執(zhí)行了配置參數(shù)相關測試用例72個，對參數(shù)相關源代碼的語句和分支覆蓋率均達到100%。發(fā)現(xiàn)與配置參數(shù)相關軟件問題5處，問題包括不能轉發(fā)某雷達測角數(shù)據(jù)、接收緩沖區(qū)數(shù)量配置錯誤導致軟件異常、存在冗余配置參數(shù)信息、配置文件格式異常沒有進行容錯處理、模式控制參數(shù)配置異常給出的提示不正確等，詳見表5。

表5 驗收測試用例設計與缺陷分布表

從表5可以看出，驗收測試共設計通用參數(shù)功能用例47個，發(fā)現(xiàn)軟件缺陷1處，缺陷發(fā)現(xiàn)率(發(fā)現(xiàn)缺陷數(shù)/總缺陷數(shù))為25%。設計重點測試用例25個，發(fā)現(xiàn)軟件缺陷5處(1處在通用測試中同時發(fā)現(xiàn))，缺陷發(fā)現(xiàn)率為100%。數(shù)據(jù)表明，針對驗收測試重點進行用例設計，可以有效提高測試的有效性和針對性。

在后續(xù)某型號任務的配置參數(shù)更動測試中，依照配置參數(shù)文件更動前后的比對結果和該中心提交的軟件維護方案，進行了更動影響域分析和回歸用例設計。設計并執(zhí)行回歸測試用例12個，測試中發(fā)現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)轉發(fā)方向配置錯誤、某門限參數(shù)類型錯誤等2處缺陷，參數(shù)更動測試缺陷分布詳見表6。軟件修正錯誤后成功執(zhí)行多次型號任務，沒有出現(xiàn)軟件問題。與以往同類軟件配置參數(shù)更動回歸測試相比，本次參數(shù)更動測試用例數(shù)減少60%，測試時間縮短40%，測試用例在覆蓋全部更動影響影響域的基礎上，具有更強的測試針對性。

表6 參數(shù)更動測試缺陷分布表

實踐證明，本文提出的參數(shù)依賴特性測試策略和方法具有測試覆蓋性強、測試重點突出、測試效率高等特點，并滿足載人航天工程軟件工程化技術規(guī)范的要求。

4 結束語

本文分析了參數(shù)依賴型軟件“代碼+參數(shù)”的可復用架構和使用模式，制定了針對參數(shù)依賴特性的第三方測試規(guī)范和流程，提出了參數(shù)依賴特性驗收、參數(shù)更動等測試階段的測試策略、測試重點等技術要求，對參數(shù)更動測試中應重點關注的錯誤類型進行了歸納，分析了錯誤原因。本文提出的參數(shù)依賴特性測試方法，已經(jīng)在多個航天測控軟件第三方測試中得到應用和驗證，該方法具有測試覆蓋性強、測試重點突出、測試效率高、可操作性好等特點。后續(xù)，作者將對基于配置文件的測試用例輔助生成、參數(shù)相關代碼的自動識別做進一步的研究，提高本方法的自動化水平。