新一代運(yùn)載火箭軟件系統(tǒng)管理方法探討

王曉玲，楊 凡，鄒 軍，安占新

（1.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854；2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

新一代運(yùn)載火箭軟件系統(tǒng)管理方法探討

王曉玲1，楊 凡2，鄒 軍1，安占新1

（1.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854；2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

針對(duì)新一代運(yùn)載火箭系統(tǒng)復(fù)雜度提升和大量新技術(shù)應(yīng)用對(duì)軟件研制管理提出的挑戰(zhàn)，總結(jié)新一代運(yùn)載火箭軟件研制經(jīng)驗(yàn)，提出了新一代運(yùn)載火箭軟件系統(tǒng)研制應(yīng)關(guān)注的管理內(nèi)容，可供其他復(fù)雜型號(hào)軟件系統(tǒng)管理借鑒。

新一代運(yùn)載火箭；軟件系統(tǒng)；管理

1 引言

近年來，新技術(shù)在新一代運(yùn)載火箭型號(hào)中的應(yīng)用，促進(jìn)了軟件技術(shù)的適應(yīng)性發(fā)展，軟件功能和芯片復(fù)雜度不斷增加，軟件與硬件設(shè)計(jì)相互滲透，軟件已不再是簡單堆疊獨(dú)立的配置項(xiàng)，而是有機(jī)結(jié)合的復(fù)雜分布式軟件系統(tǒng)。如何在此背景下完成型號(hào)軟件研制任務(wù)，是新一代運(yùn)載火箭型號(hào)研制面臨的挑戰(zhàn)。因此需要梳理以往軟件研制經(jīng)驗(yàn)，探索合適的軟件管理方法，以提升運(yùn)載火箭型號(hào)軟件系統(tǒng)的研制能力，提高型號(hào)軟件的研制質(zhì)量和可靠性。

2 新一代運(yùn)載火箭軟件系統(tǒng)功能簡介

新一代運(yùn)載火箭軟件系統(tǒng)主要由控制分系統(tǒng)軟件、測(cè)量分系統(tǒng)軟件、總控網(wǎng)分系統(tǒng)軟件、動(dòng)力測(cè)控分系統(tǒng)軟件以及地面發(fā)射支持分系統(tǒng)軟件五大部分組成［1］。

1）控制分系統(tǒng)軟件主要幫助控制系統(tǒng)完成火箭飛行過程中的制導(dǎo)、姿態(tài)控制以及時(shí)序控制等功能。

2）測(cè)量分系統(tǒng)軟件的主要功能是完成火箭的遙測(cè)參數(shù)測(cè)量、傳輸、處理與向外系統(tǒng)發(fā)布等功能。

3）總控網(wǎng)分系統(tǒng)軟件完成對(duì)火箭測(cè)試發(fā)射流程的控制和管理，對(duì)各分系統(tǒng)測(cè)試狀態(tài)和測(cè)試參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，測(cè)試數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、記錄、發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

4）動(dòng)力測(cè)控分系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)完成對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試、發(fā)射過程的控制。

5）發(fā)射支持分系統(tǒng)軟件控制發(fā)射平臺(tái)的各種工作狀態(tài)，完成對(duì)運(yùn)載火箭的支承、捆綁、垂直度調(diào)整等任務(wù)。

各分系統(tǒng)密切配合，共同完成運(yùn)載火箭系統(tǒng)的任務(wù)。圖1為某運(yùn)載火箭拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖1中運(yùn)載火箭系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)不但要考慮與飛船系統(tǒng)、基地加注系統(tǒng)、C3I系統(tǒng)等的外部接口，還要考慮內(nèi)部控制分系統(tǒng)、測(cè)量分系統(tǒng)、總控網(wǎng)分系統(tǒng)、動(dòng)力測(cè)控分系統(tǒng)、發(fā)射支持分系統(tǒng)等各分系統(tǒng)之間的接口設(shè)計(jì)，接口類型包括1553B總線、RS485總線、RS422總線、以太網(wǎng)以及連接電纜等。接口信息包含了箭地之間、前后端之間、起飛前后等各種信息，如：控制分系統(tǒng)各關(guān)鍵單機(jī)的電壓信號(hào)，火箭與基地加注系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸加注液位信息和加注系統(tǒng)壓力、溫度等信息，發(fā)射支持分系統(tǒng)為控制分系統(tǒng)提供“擺桿好”信號(hào)等，控制分系統(tǒng)的轉(zhuǎn)電、點(diǎn)火、起飛等關(guān)鍵時(shí)統(tǒng)信號(hào)、飛行軟件計(jì)算結(jié)果及飛行時(shí)序等。所有這些信息在各個(gè)分系統(tǒng)之間以及火箭與外系統(tǒng)之間按照接口協(xié)議的要求進(jìn)行交互，協(xié)同工作。

3 新一代運(yùn)載火箭軟件系統(tǒng)研制的特點(diǎn)

新一代運(yùn)載火箭研制過程中，大量新技術(shù)的應(yīng)用使得型號(hào)軟件系統(tǒng)功能和復(fù)雜度不斷增加，根據(jù)《載人運(yùn)載火箭軟件工程化二十年實(shí)踐》［2］一文中對(duì)于以往型號(hào)軟件研制特點(diǎn)的敘述，新一代運(yùn)載火箭軟件與歷史型號(hào)相比還存在一些不同，主要體現(xiàn)在以下六個(gè)方面：

1）軟件規(guī)模、數(shù)量、種類、復(fù)雜程度大大增加。以往運(yùn)載火箭軟件配置項(xiàng)數(shù)量一般有幾十個(gè)，其中A、B級(jí)軟件配置項(xiàng)的數(shù)量一般只有幾個(gè)，軟件的總規(guī)模多數(shù)為幾十萬行左右，軟件之間的接口關(guān)系較為簡單，接口總線形式多為串行總線或以太網(wǎng)；而新一代運(yùn)載火箭軟件數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了幾百個(gè)，軟件規(guī)模也達(dá)到了百萬行，而接口關(guān)系也越來越復(fù)雜，接口總線涵蓋了串行總線、1553B總線、CAN總線以及以太網(wǎng)。

圖1 某運(yùn)載火箭系統(tǒng)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與信息流Fig.1 The topology and information flow of a rocket system

2）新一代運(yùn)載火箭中智能芯片的大量應(yīng)用使得現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，以下簡稱FPGA）類軟件數(shù)量逐步增多，以某型號(hào)為例，F(xiàn)PGA類的軟件占配套軟件數(shù)量的40%以上，其質(zhì)量好壞直接決定了型號(hào)產(chǎn)品的質(zhì)量，因此在載人航天工程新版的軟件管理要求中將此類軟件管理納入了軟件管理的范疇。

3）軟件安全性、可靠性、信息安全性以及軟件測(cè)試方面的質(zhì)量要求更高。新一代運(yùn)載火箭承擔(dān)著載人航天工程的重要任務(wù)，其安全性和可靠性要求相對(duì)于其它運(yùn)載火箭型號(hào)更高、更細(xì)化，貫穿到軟件研制的每個(gè)細(xì)節(jié)；同時(shí)其測(cè)試要求也從源碼級(jí)覆蓋到了目標(biāo)碼級(jí)。

4）研制周期大幅縮短。以往運(yùn)載火箭型號(hào)的研制周期從方案到飛行試驗(yàn)一般要十幾年的時(shí)間，而新形勢(shì)下的型號(hào)研制周期一般為五至七年，雖然任務(wù)周期縮短了，但是質(zhì)量要求卻越來越高，這些對(duì)型號(hào)軟件的研制提出了新的挑戰(zhàn)。

5）軟件承擔(dān)單位不再單純地分布在航天系統(tǒng)，軟件研制逐步向跨單位、跨專業(yè)的方向發(fā)展，涉及到航天、航空、船舶、中電以及高校等多家單位、多個(gè)領(lǐng)域，由于背景的差別，軟件的管理難度逐漸增大。

以往型號(hào)軟件管理的模式越來越不適應(yīng)新一代運(yùn)載火箭的發(fā)展要求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）軟件系統(tǒng)層面缺乏頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)，直接影響軟件產(chǎn)品的質(zhì)量和研制效率；

2）對(duì)FPGA類軟件近幾年才逐步形成管理要求，部分研制單位甚至現(xiàn)在還未形成相關(guān)規(guī)范或要求，此類軟件的研制質(zhì)量良莠不齊；

3）缺乏軟件系統(tǒng)層面的目前此類與分析方法。可靠性安全性設(shè)計(jì)工作多數(shù)在單個(gè)配置項(xiàng)層面開展，導(dǎo)致許多軟件系統(tǒng)層面可靠性安全性設(shè)計(jì)要求只有在大量測(cè)試之后，尤其是出現(xiàn)問題之后才會(huì)提出；

4）大多數(shù)單位軟件開發(fā)方式仍然是面向代碼、從無到有的手工作坊式，軟件重用程度不高，加上軟件又處于型號(hào)研制流程的末端，因此軟件短線問題時(shí)有發(fā)生；

5）各單位研制與管理水平參差不齊。軟件數(shù)量和種類的增多直接導(dǎo)致軟件承制單位越來越多，甚至有許多承制單位為非軍工企業(yè)，對(duì)于航天型號(hào)軟件的管理理念有一個(gè)逐步認(rèn)識(shí)的過程，導(dǎo)致各單位軟件管理水平極不平衡，尤其傳統(tǒng)以硬件設(shè)備研制為主的單位和某些高校軟件管理問題更加凸顯。

4 新一代運(yùn)載火箭軟件系統(tǒng)管理方法

針對(duì)新一代運(yùn)載火箭軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)，為了更好地對(duì)軟件研制工作進(jìn)行有效管理，提高軟件產(chǎn)品的質(zhì)量，火箭系統(tǒng)積極探索新的管理方法。具體如下：

1）建立以軟件工作組為核心的型號(hào)軟件工程化管理隊(duì)伍

設(shè)立了專職的軟件副總師，協(xié)助型號(hào)兩總，開展型號(hào)軟件的組織、管理、技術(shù)把關(guān)、技術(shù)協(xié)調(diào)等工作。為進(jìn)一步強(qiáng)化軟件副總師組織管理執(zhí)行力，成立以軟件副總師為組長，各個(gè)重要分系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)人為成員的軟件工作組，推動(dòng)全型號(hào)軟件的工程化管理，從而提升型號(hào)軟件的整體質(zhì)量。

2）強(qiáng)化軟件的頂層策劃與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，航天系統(tǒng)中軟件所占的比重越來越大，承擔(dān)的角色也越來越重要；軟件已不是幾個(gè)簡單堆疊的配置項(xiàng)，而是有機(jī)結(jié)合、相互協(xié)作的復(fù)雜系統(tǒng)，尤其是經(jīng)過了反復(fù)綜合集成和系統(tǒng)優(yōu)化后，系統(tǒng)的各部分之間形成了高度交互的關(guān)聯(lián)關(guān)系，某個(gè)局部的失效或部件間接口不匹配，都會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，進(jìn)而造成嚴(yán)重的后果。因此應(yīng)從系統(tǒng)的角度進(jìn)行統(tǒng)一的策劃和設(shè)計(jì)。新一代運(yùn)載火箭研制中的具體做法如下：

（1）頂層策劃，標(biāo)準(zhǔn)先行

在型號(hào)研制初期，軟件工作組對(duì)新一代運(yùn)載火箭型號(hào)的任務(wù)需求進(jìn)行總體分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)梳理軍用航天領(lǐng)域軟件類的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立型號(hào)遵循的標(biāo)準(zhǔn)體系（見圖2），規(guī)范各配套研制單位的軟件研制工作。

（2）軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

借助軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)“五視圖”［4］的思路，進(jìn)行軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)：

①邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)：依據(jù)型號(hào)任務(wù)要求和型號(hào)軟件系統(tǒng)分析，確定各分系統(tǒng)軟件系統(tǒng)承擔(dān)的功

圖2 軟件研制標(biāo)準(zhǔn)體系Fig.2 The hierarchy of software development standards

能以及相互間的接口關(guān)系和接口協(xié)議。

②物理架構(gòu)設(shè)計(jì)：依據(jù)總體任務(wù)要求以及各分系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的功能，確定各分系統(tǒng)軟件系統(tǒng)間的連接關(guān)系和物理鏈路。

③開發(fā)架構(gòu)設(shè)計(jì)：依據(jù)總體任務(wù)要求，確定關(guān)于操作系統(tǒng)、編譯器測(cè)試驗(yàn)證、接口格式、軟件殺毒等方面的要求；同時(shí)規(guī)劃全型號(hào)的軟件系統(tǒng)架構(gòu)，最終形成型號(hào)軟件產(chǎn)品樹。

④運(yùn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)：依據(jù)總體任務(wù)要求，進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)，并規(guī)劃軟件系統(tǒng)中各個(gè)配置項(xiàng)的運(yùn)行時(shí)機(jī)；同時(shí)還要根據(jù)型號(hào)的總體性能要求，進(jìn)行軟件系統(tǒng)的信息流規(guī)劃，確定軟件系統(tǒng)的性能指標(biāo)，并分配到各個(gè)分系統(tǒng)，最終落實(shí)到各個(gè)配置項(xiàng)的指標(biāo)要求中。

⑤數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)：依據(jù)總體任務(wù)要求以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的容量、實(shí)時(shí)性限制等，針對(duì)軟件系統(tǒng)輸入、輸出數(shù)據(jù)以及各分系統(tǒng)軟件系統(tǒng)之間交互的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)。

3）從軟件系統(tǒng)層面開展可靠性安全性分析與設(shè)計(jì)

空間站工程中，對(duì)于軟件可靠性和安全性要求高，軟件系統(tǒng)安全性分析與設(shè)計(jì)工作顯得尤為重要［1］，新一代火箭軟件系統(tǒng)可靠性和安全性分析工作主要基于時(shí)序事件鏈分析的方法，以時(shí)序分析為主線，從射前直到飛行結(jié)束，共劃分若干個(gè)工作段，對(duì)每個(gè)工作段的關(guān)鍵時(shí)序進(jìn)行分析，梳理出與軟件系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵系統(tǒng)模式、關(guān)鍵任務(wù)，對(duì)每個(gè)危險(xiǎn)事件涉及到的軟件配置項(xiàng)進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)防范措施，提出驗(yàn)證要求，最終形成軟件系統(tǒng)安全性分析報(bào)告，并落實(shí)到各個(gè)相關(guān)配置項(xiàng)的任務(wù)書中。

4）以“軟件重用”為手段，提升軟件開發(fā)效率

新一代運(yùn)載火箭型號(hào)軟件數(shù)量、規(guī)模、復(fù)雜程度提高的同時(shí)，型號(hào)研制周期大幅度縮短，在這種背景下，軟件重用為短時(shí)間內(nèi)研制出高可靠、高安全的軟件產(chǎn)品提供了很好的思路。借鑒楊芙清教授在《面向復(fù)用的軟件資產(chǎn)與過程管理》［3］一書中關(guān)于軟件重用的理念，從重用構(gòu)件、重用框架和重用產(chǎn)品三個(gè)層面開展軟件重用工作，隨著重用產(chǎn)品在型號(hào)研制中的逐步應(yīng)用，軟件產(chǎn)品的質(zhì)量和開發(fā)效率不斷提高。目前，某型控制系統(tǒng)軟件研制過程中，飛行控制軟件中使用了4類83個(gè)重用構(gòu)件，地面測(cè)發(fā)控軟件使用了重用框架，重用率高達(dá)72.1%，這些都大大提高了軟件產(chǎn)品研制的效率。

5）關(guān)注FPGA類軟件研制，規(guī)范研制流程

目前，新一代運(yùn)載火箭系統(tǒng)FPGA等硬件描述語言類的軟件占配套軟件數(shù)量最高已超過40%，其質(zhì)量好壞直接決定了型號(hào)產(chǎn)品的質(zhì)量。由于此類軟件的研制流程和管理方法與應(yīng)用軟件不同，因此，運(yùn)載火箭系統(tǒng)在對(duì)重點(diǎn)研制單位進(jìn)行實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，深入了解各單位的研制現(xiàn)狀，提出了可編程邏輯器件研制流程，并從此類軟件的研制流程、研制規(guī)范、測(cè)試技術(shù)等方面開展了全型號(hào)范圍的培訓(xùn)，以保證其研制質(zhì)量。

6）嚴(yán)格外協(xié)外包質(zhì)量控制，加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵供方的管控

規(guī)范的過程管理是提高軟件產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一，運(yùn)載火箭系統(tǒng)在進(jìn)行軟件過程管理中，在總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)和充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)的管理模式，突出管理的重點(diǎn)，提出了以下幾個(gè)方面措施：

（1）軟件重要節(jié)點(diǎn)納入型號(hào)研制計(jì)劃考核。

（2）堅(jiān)持軟件工作組例會(huì)制度，定期對(duì)各配套單位的軟件研制情況進(jìn)行跟蹤管理；并制定計(jì)劃，參與關(guān)鍵軟件重要節(jié)點(diǎn)的評(píng)審和驗(yàn)收，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵軟件進(jìn)行獨(dú)立檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)糾正。

（3）充分調(diào)研型號(hào)隊(duì)伍的需求，及時(shí)組織開展全型號(hào)層面的技術(shù)培訓(xùn)，統(tǒng)一設(shè)計(jì)師隊(duì)伍的思路和方法，提高設(shè)計(jì)師隊(duì)伍的技術(shù)水平。

（4）加強(qiáng)軟件研制過程中的自查工作。針對(duì)軟件分系統(tǒng)、軟件配置項(xiàng)、FPGA類軟件研制等制定專門的檢查單，由型號(hào)隊(duì)伍進(jìn)行軟件研制情況自查，盡早發(fā)現(xiàn)不足，改正缺陷。

（5）規(guī)范軟件復(fù)核復(fù)算工作。以往型號(hào)多數(shù)以軟件代碼審查作為軟件復(fù)核復(fù)算方法，這種方法雖然很有效但是不夠全面，為此，某型號(hào)專門下達(dá)了試樣階段軟件研制要求，從軟件的功能、性能、接口（含通信協(xié)議）、時(shí)序、中斷設(shè)計(jì)、安全性可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則符合性、異常處理、測(cè)試驗(yàn)證覆蓋性、堆棧使用等多個(gè)方面提出了詳細(xì)的復(fù)核復(fù)算實(shí)施方法，以便于設(shè)計(jì)人員開展工作。

5 結(jié)語

航天型號(hào)研制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，軟件系統(tǒng)作為核心控制部分，其研制對(duì)任務(wù)成敗具有至關(guān)重要的影響。本文總結(jié)了新一代運(yùn)載火箭軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)，以及以往型號(hào)軟件管理方法的不足，從管理策略、技術(shù)方法等不同角度探討了新一代運(yùn)載火箭軟件系統(tǒng)管理方法，可為其他軟件系統(tǒng)的研制和管理提供參考。

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Discussion on Management of Software System Development in New-generation Rockets

WANG Xiaoling1，YANG Fan2，ZOU Jun1，AN Zhanxin1
（1.Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854，China；2.China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China）

The complexity of the software in new-generation rocket has increased dramatically due to the burst-out and application of new technologies，which brings challenges to software development management.Some experiences and approaches summarized from a rocket's developing process were exhibited in this paper，so as to benefit the management of subsequent rockets'software developments.

new-generation rocket；software system；management

V4

A

1674-5825（2015）06-0618-05

2015-05-05；

2015-10-17

王曉玲（1970-），女，碩士，研究員，研究方向?yàn)檐浖_發(fā)與軟件測(cè)試。E-mail：wxl.amy@sohu.com