美國(guó)HPCMPCREATETM軟件質(zhì)量保證分析

陳麗艷　過(guò)旭艷

摘要：本文闡述了美國(guó)國(guó)防領(lǐng)域下一代多物理航空設(shè)計(jì)工具的成功運(yùn)用，CREATE-AV配套工具確認(rèn)與驗(yàn)證方面所開(kāi)展的工作，為國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域提供借鑒和參考。

[關(guān)鍵詞]HPCMPCRBATE航空軟件開(kāi)發(fā)軟件質(zhì)量國(guó)防采辦

1HPCMPCREATE計(jì)劃

美國(guó)于2006年出臺(tái)了HPCMPCREATE計(jì)劃。該計(jì)劃下有航空飛行器、海軍艦船無(wú)線天線以及網(wǎng)格與外形四個(gè)項(xiàng)目，共有9個(gè)產(chǎn)品，其中3個(gè)產(chǎn)品用于航空飛行器，見(jiàn)表1。

CREATE每個(gè)項(xiàng)目的軟件產(chǎn)品分為兩類(lèi)，一類(lèi)是低保真度的概念研發(fā)工具，用于生成設(shè)計(jì)方案并對(duì)其可行性和性能進(jìn)行分析，例如DaVinci、RSDE/HDE以及SENTRi組件;另一類(lèi)是高保真度的系統(tǒng)性能精確預(yù)測(cè)工具，例如Kestrel、Helios、NESM、NavyFOAM以及SENTRi.

2工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)踐考慮

2.1質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前使用兩個(gè)質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是ISO9000系列標(biāo)準(zhǔn)，另一個(gè)是CarnegieMellon能力成熟度模型綜合標(biāo)準(zhǔn)（CMMI）。這兩個(gè)管理體系更多的是關(guān)注工藝流程。然而，軟件包的質(zhì)量在很大程度上取決于其開(kāi)發(fā)、測(cè)試和運(yùn)維工藝流程的品質(zhì)。在商業(yè)環(huán)境下，外部對(duì)于工藝流程質(zhì)量的鑒定具有重要意義，但是規(guī)模較小的軟件研發(fā)工作，則不允許花費(fèi)更多的成本和時(shí)間來(lái)進(jìn)行質(zhì)量鑒定。

2.2鑒定與驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)航空航天協(xié)會(huì)（AIAA）和美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）分別發(fā)布了關(guān)于軟件鑒定與驗(yàn)證的準(zhǔn)則。AIAA重點(diǎn)關(guān)注計(jì)算流體力學(xué)，1998年發(fā)布了第一個(gè)準(zhǔn)則;ASME重點(diǎn)關(guān)注計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)，2006年發(fā)布了相關(guān)準(zhǔn)則。這些準(zhǔn)則為確認(rèn)、驗(yàn)證及不確定度量化（VV&UQ）奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).隨著AIAA準(zhǔn)則越來(lái)越被認(rèn)可，其建模與模擬所要求的精準(zhǔn)度和確定性并非是一成不變的。CREATEV&V的典范實(shí)踐，進(jìn)一步完善和發(fā)展了這些標(biāo)準(zhǔn)體系，并與美國(guó)學(xué)術(shù)界近期發(fā)布的準(zhǔn)則相一致。

2.3實(shí)踐應(yīng)用中的局限性

CBE軟件用戶(hù)有以下5種期望：

（1）魯棒性;

（2）精準(zhǔn)性;

（3）效率（耗時(shí)少）;

（4）可用性（用戶(hù)界面、文件分類(lèi)、訓(xùn)練）;

（5）一致性。

其中，前三種期望對(duì)于任何質(zhì)量保證計(jì)劃都具有相當(dāng)難度，取決于經(jīng)驗(yàn)水平和用戶(hù)行為?？捎眯允请S著不同用戶(hù)而變化的，取決于個(gè)人因素。

可用性測(cè)評(píng)要有一定的方法，其中一種開(kāi)源式方法就是USE問(wèn)卷調(diào)查，USE分別指“可用性”（Usefulness）、“滿(mǎn)意度”（Satisfaction）及使用/學(xué)習(xí)的“便利性”（EaseofUse/Learning）。USE結(jié)果的管理、收集和分析很可能對(duì)“可用性”提出科學(xué)問(wèn)題。

“一致性”對(duì)于軟件研制至關(guān)重要。由于軟件開(kāi)發(fā)者人員眾多且地點(diǎn)分散，容易造成代碼交叉混雜進(jìn)而導(dǎo)致出錯(cuò)。另外，對(duì)于不同版本之間的升級(jí)過(guò)渡，用戶(hù)期望按類(lèi)別（1）-（4）進(jìn)行區(qū)分，例如N+1版本比N版本魯棒性更強(qiáng)，精準(zhǔn)性更高，效率更快，可用性更好。因此，QA必須進(jìn)行一整套的衰減測(cè)試（在可能的情況下可自動(dòng)進(jìn)行）。

3案例—CREATE-AV質(zhì)量保證因素分析

3.1用戶(hù)群與QA團(tuán)隊(duì)

為了更好地服務(wù)客戶(hù)，QA需要不斷創(chuàng)建客戶(hù)群。截止2015年2月，CREATE-AV參與項(xiàng)目的注冊(cè)軟件用戶(hù)350個(gè)，CREATE-AV用戶(hù)分別來(lái)自美國(guó)陸?？杖?、NASA、工業(yè)界與學(xué)術(shù)界。QA團(tuán)隊(duì)總部設(shè)在美國(guó)馬里蘭州（MD）帕圖森河流域海軍的一個(gè)航空站，成員主要包括NASA阿姆斯研究中心、懷特帕特森空軍基地和艾格林空軍基地，并與美國(guó)其他AV研制團(tuán)隊(duì)保持密切合作。

3.2確認(rèn)、驗(yàn)證與不確定度量化（VV&UQ）

CREATE-AV項(xiàng)目曾在2014財(cái)年向美國(guó)航空航天工業(yè)部門(mén)發(fā)起了一個(gè)通告，鼓勵(lì)在生產(chǎn)環(huán)境下對(duì)CREATE工具的安全缺陷、固有流程以及不同計(jì)算環(huán)境進(jìn)行評(píng)估。

CREATE-AV質(zhì)量保證測(cè)試宗旨與美國(guó)科學(xué)院《確認(rèn)、驗(yàn)證與不確定度量化》報(bào)告中的提議是一致的。為確保模擬的基本物理現(xiàn)象充分可信，CREATE質(zhì)量保證團(tuán)隊(duì)選定了一組感興趣的現(xiàn)象（PoI）（紅色框）及驗(yàn)證算例，對(duì)一些現(xiàn)象（灰色框）進(jìn)行了研究，如表2所示。從Boeing、Lockheed以及Sikorsky公司的評(píng)估結(jié)果，獲得了重要的工作流反饋信息，隨后將這些反饋信息嵌入了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)路線圖中。近期對(duì)2D和3D氣動(dòng)外形、非定常武器艙氣動(dòng)聲學(xué)、海軍和空軍特種應(yīng)用、低速旋翼飛行器機(jī)身氣動(dòng)特性以及旋翼飛行器懸停計(jì)算等項(xiàng)目進(jìn)行了研究。

3.3質(zhì)量保證測(cè)試

3.3.1通過(guò)檢測(cè)進(jìn)行事項(xiàng)確認(rèn)

無(wú)論過(guò)渡產(chǎn)品還是正式產(chǎn)品，其發(fā)布都要經(jīng)過(guò)QA的最終檢測(cè)，確認(rèn)以下事項(xiàng)：

（1）不存在明顯的未求解“區(qū)塊”問(wèn)題，過(guò)于嚴(yán)謹(jǐn)將延緩產(chǎn)品發(fā)布。當(dāng)然，也存在一定的功能欠缺，有待完善;

（2）所有軟件都配有最新的記錄文件;

（3）版本發(fā)布都配有最新的注釋文件;

（4）CREATE-AV項(xiàng)目負(fù)責(zé)人與QA聯(lián)合制定軟件發(fā)布時(shí)間表;

（5）通常，軟件發(fā)布要求其培訓(xùn)資料也必須更新，且與軟件同步發(fā)行。

3.3.2測(cè)試程序

在CREATE-AV計(jì)劃中，在計(jì)算工具發(fā)布前通常要經(jīng)過(guò)6級(jí)測(cè)試，測(cè)試的時(shí)間順序、測(cè)試之間的關(guān)系以及負(fù)責(zé)人由左至右見(jiàn)圖1。

第①、③級(jí)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]，也常見(jiàn)于軟件開(kāi)發(fā)教材中。前兩級(jí)（單項(xiàng)測(cè)試與綜合測(cè)試）開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)將其設(shè)置成夜間自動(dòng)運(yùn)行。第③級(jí)（a測(cè)試）包含對(duì)任意新增功能的衰退測(cè)試和V&V檢測(cè)，第④級(jí)和第⑤級(jí)由質(zhì)量保證團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)，第⑥級(jí)（或β測(cè)試）是軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的常規(guī)測(cè)試程序。

3.3.3軟件培訓(xùn)

DoD各機(jī)構(gòu)要求在全國(guó)各地舉辦現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)會(huì)，每次培訓(xùn)會(huì)的規(guī)模在3-30人。在培訓(xùn)過(guò)程中，學(xué)生可以親自接觸軟件，導(dǎo)師給出指導(dǎo)意見(jiàn)，導(dǎo)師一學(xué)生最合適的比例為1：5。截止目前，93%以上的參與者向朋友推薦了這種培訓(xùn)，這也是對(duì)培訓(xùn)質(zhì)量的一種評(píng)測(cè)手段。

培訓(xùn)資料非常豐富，也可作為自學(xué)課件。此外，用戶(hù)論壇（每個(gè)CREATE-AV都有一個(gè)論壇）提供了一一個(gè)熱烈的學(xué)習(xí)環(huán)境。另外，還準(zhǔn)備了短視頻輔助材料。

3.4用戶(hù)問(wèn)題優(yōu)先解決

在提交問(wèn)題時(shí)，QA將區(qū)分紕漏（低效）或技術(shù)請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)，以幫助研發(fā)團(tuán)隊(duì)確定下一步工作的優(yōu)先順序。近期開(kāi)發(fā)了一個(gè)程序，將這些問(wèn)題分為5類(lèi)，每一類(lèi)跨0-2兩個(gè)級(jí)別。這五類(lèi)問(wèn)題的級(jí)別被稱(chēng)為NAVIS級(jí)別（即Number，Alternatives，Value，ImpactandSubjectiveAnalysis）一其級(jí)別為0-10（優(yōu)先性從最低到最高），NAVIS級(jí)別劃分見(jiàn)表3。

4結(jié)論

根據(jù)Rechard等人關(guān)于質(zhì)量保證（QA）的定義，描述了美國(guó)HPCM PCREATE-AV努力追求的產(chǎn)品，“計(jì)算軟件的QA，是要保證軟件一以貫之地滿(mǎn)足接收方、購(gòu)買(mǎi)方或者受益方等不同客戶(hù)預(yù)期”。作者從VV&UQ、質(zhì)量保證測(cè)試、軟件使用、用戶(hù)培訓(xùn)以及用戶(hù)支持等方面，詳細(xì)分析了CREATE-AV計(jì)劃為滿(mǎn)足客戶(hù)預(yù)期采取的一些做法，供同行參考。

參考文獻(xiàn)

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