作者：COLIN DOYLE，STEPHEN DENMAN

軍事系統(tǒng)和產(chǎn)品中的組件過(guò)時(shí)是一個(gè)眾所周知的挑戰(zhàn)，但它已經(jīng)發(fā)展出一個(gè)相對(duì)較新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)：嵌入式軟件數(shù)量的快速增長(zhǎng)。雖然軟件在某種程度上已經(jīng)嵌入軍事電子元件中數(shù)十年，但在過(guò)去十年中，這一趨勢(shì)已經(jīng)加速到白熱化的程度;我們的系統(tǒng)和產(chǎn)品中越來(lái)越多的關(guān)鍵功能依賴(lài)于軟件。在大多數(shù)其他復(fù)雜的軍事系統(tǒng)和產(chǎn)品中都可以找到類(lèi)似形狀的曲線(xiàn)，包括所有其他飛機(jī)、海軍艦艇、地面車(chē)輛、C4ISR 系統(tǒng)和場(chǎng)外支持系統(tǒng)。

事實(shí)上，航空航天和國(guó)防工業(yè)的許多人會(huì)聲稱(chēng)，軟件早已取代硬件成為創(chuàng)新的主要來(lái)源。軟件與硬件一樣，不能免受需要升級(jí)或更換這些組件的問(wèn)題的影響。但是，與硬件不同，這些問(wèn)題往往具有不同的性質(zhì)，因此需要不同的處理。

硬件就像人 – 軟件就像酒

硬件和軟件組件之間最大的區(qū)別之一是硬件往往會(huì)隨著時(shí)間的推移和使用而降級(jí)，而軟件保持不變。給定相同的輸入，軟件每次都會(huì)生成相同的結(jié)果。另一方面，硬件在達(dá)到或超過(guò)其使用壽命時(shí)，由于磨損、腐蝕和/或疲勞開(kāi)裂，最終會(huì)發(fā)生故障或停止按規(guī)格運(yùn)行。

這并不是說(shuō)軟件不包含缺陷;只是這些缺陷在軟件生產(chǎn)時(shí)就潛伏在軟件中，而不是隨著時(shí)間的推移而通過(guò)使用而引入。軟件不是在與硬件相同的意義上“制造”的。一旦開(kāi)發(fā)出軟件組件，就可以以基本上零成本和自動(dòng)復(fù)制過(guò)程引入的零缺陷進(jìn)行復(fù)制。軟件組件的可靠性往往表現(xiàn)出“浴缸”形狀，其中最初的使用揭示了許多這些潛在缺陷，然后通過(guò)軟件更新來(lái)解決這些缺陷，然后是相對(duì)較長(zhǎng)的低缺陷率，然后隨著操作環(huán)境的變化，作為軟件組件基礎(chǔ)的原始設(shè)計(jì)假設(shè)和約束失效，問(wèn)題增加。像葡萄酒一樣，軟件組件往往會(huì)隨著時(shí)間的推移而改進(jìn)，因?yàn)楦嗟臐撛谌毕荼话l(fā)現(xiàn)和解決。

鑒于軟件沒(méi)有與硬件制造相關(guān)的容差問(wèn)題，軟件也不會(huì)因使用而磨損，傳統(tǒng)的硬件報(bào)廢措施（如平均故障間隔時(shí)間 （MTBF））與軟件沒(méi)有太大相關(guān)性。因此，如果軟件隨著年齡的增長(zhǎng)而變得更好，它如何加劇軍事組件過(guò)時(shí)的挑戰(zhàn)？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要了解是什么會(huì)導(dǎo)致軟件過(guò)時(shí)。

軟件過(guò)時(shí)的根本原因

軟件組件過(guò)時(shí)的主要原因有三個(gè)：

軟件必須運(yùn)行的環(huán)境更改（兼容性）

潛在缺陷的暴露

軟件必須執(zhí)行的角色和功能的更改

軟件只是一系列編碼指令，用于控制其執(zhí)行的硬件平臺(tái)的行為。軟件組件依賴(lài)于底層電子組件來(lái)提供正確的接口并按指定運(yùn)行。因此，軟件過(guò)時(shí)的一個(gè)主要因素是由于電子元件過(guò)時(shí)而導(dǎo)致底層硬件平臺(tái)的變化。電子元件過(guò)時(shí)是一個(gè)眾所周知的問(wèn)題，因?yàn)榛A(chǔ)技術(shù)變化迅速，而且與商業(yè)應(yīng)用相比，軍事采購(gòu)量相對(duì)較低。每當(dāng)軟件與之交互或運(yùn)行時(shí)的底層電子元件發(fā)生變化時(shí)，還必須重新評(píng)估軟件，并可能升級(jí)或更換軟件。

一個(gè)典型的例子是 5 年的阿麗亞娜 501 航班 1996，它在發(fā)射 40 秒后以火箭被摧毀而告終。故障的根本原因是重復(fù)使用阿麗亞娜4號(hào)的慣性參考系統(tǒng)，而沒(méi)有在阿麗亞娜5號(hào)設(shè)計(jì)的背景下對(duì)該子系統(tǒng)背后的約束和假設(shè)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u(píng)估。慣性參考系統(tǒng)被重復(fù)使用，因?yàn)樗徽J(rèn)為是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和驗(yàn)證的設(shè)計(jì)。然而，該系統(tǒng)是為火箭設(shè)計(jì)的，其發(fā)射剖面的功率更小，水平加速度明顯低于阿麗亞娜5。將浮點(diǎn)值轉(zhuǎn)換為 16 位整數(shù)觸發(fā)溢出錯(cuò)誤，導(dǎo)致飛行控制系統(tǒng)崩潰。

顯然，當(dāng)在軟件組件中發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，必須解決它們。根據(jù)軟件組件及其相關(guān)硬件環(huán)境的性質(zhì)，在現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行此類(lèi)更新可能與通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接下載更新一樣簡(jiǎn)單，或者與更換整個(gè)電子組件一樣昂貴。軟件組件的較大成本是分析缺陷、更新設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)以及在發(fā)布組件之前重新驗(yàn)證組件所需的開(kāi)發(fā)工作。此成本通常較大，因?yàn)楦碌臋C(jī)會(huì)通常會(huì)導(dǎo)致第三個(gè)原因：軟件組件的角色和功能更改。

如前所述，軟件越來(lái)越成為產(chǎn)品創(chuàng)新的源泉。它是一種關(guān)鍵的系統(tǒng)集成技術(shù)，許多系統(tǒng)的壽命通過(guò)軟件升級(jí)得到延長(zhǎng)。在當(dāng)前的軍事采購(gòu)環(huán)境中，“及時(shí)”的備件采購(gòu)方法變得越來(lái)越普遍，任何軟件更新機(jī)會(huì)通常都涉及增強(qiáng)功能，以延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命或擴(kuò)展功能，以及解決缺陷。隨著硬件平臺(tái)變得越來(lái)越強(qiáng)大，系統(tǒng)工程師將越來(lái)越多的功能分配給軟件，以減輕重量、降低成本并提高靈活性。正是這些特性導(dǎo)致了軍事系統(tǒng)中軟件的數(shù)量和復(fù)雜性的急劇增長(zhǎng)。

軟件工程：不僅僅是即插即用

對(duì)于電子和軟件以外的組件，處理過(guò)時(shí)主要是為組件尋找替代制造來(lái)源的問(wèn)題。如前所述，對(duì)于軟件，制造不是問(wèn)題;組件過(guò)時(shí)需要重新設(shè)計(jì)軟件，無(wú)論是解決缺陷還是擴(kuò)展和增強(qiáng)其功能。

如前所述，導(dǎo)致軟件過(guò)時(shí)的因素之一是軟件必須運(yùn)行的環(huán)境的變化——包括平臺(tái)和與之交互的信號(hào)，以及軟件啟用的系統(tǒng)的目標(biāo)和角色。在重新設(shè)計(jì)軟件組件時(shí)，需要考慮這種情況，而且往往沒(méi)有得到適當(dāng)?shù)慕鉀Q。

軟件復(fù)雜性的快速增長(zhǎng)、在系統(tǒng)工程環(huán)境中更新軟件組件的需求以及軟件的無(wú)形性質(zhì)都帶來(lái)了更新和維護(hù)軟件組件的挑戰(zhàn)。支持開(kāi)發(fā)更復(fù)雜軟件的相同高級(jí)語(yǔ)言抽象也增加了隔離缺陷和確定提議更改的影響的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)上，用于軟件組件維護(hù)的技術(shù)數(shù)據(jù)包側(cè)重于源代碼，將其作為與最終軟件組件最密切相關(guān)的工件，而不太強(qiáng)調(diào)其余的軟件工件，并且工件之間的凝聚力很小。如果需求、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證工件之間沒(méi)有完全的可追溯性，就很容易錯(cuò)過(guò)需要考慮的細(xì)微依賴(lài)關(guān)系。軟件組件源代碼的戰(zhàn)術(shù)“修補(bǔ)”可能導(dǎo)致軟件的單一、難以維護(hù)。需要對(duì)軟件組件采取更具凝聚力、更全面的方法來(lái)正確管理其復(fù)雜性。這種方法稱(chēng)為應(yīng)用程序生命周期管理 （ALM）。ALM 管理定義、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證軟件組件（以及這些工件和活動(dòng)之間的關(guān)系）所需的所有工件和活動(dòng)。

征服史詩(shī)般的挑戰(zhàn)

雖然嵌入式軟件的增長(zhǎng)是一個(gè)挑戰(zhàn)，但它也是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)，特別是在當(dāng)前的軍事采購(gòu)環(huán)境中，需要成本控制和戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)。軟件開(kāi)發(fā)原則、實(shí)踐和工具正在成熟并不斷改進(jìn)。以下建議可以大大有助于應(yīng)對(duì)組件過(guò)時(shí)帶來(lái)的軟件挑戰(zhàn)：

采用系統(tǒng)工程方法進(jìn)行電子和軟件組件開(kāi)發(fā)，對(duì)模塊化組件進(jìn)行深思熟慮的規(guī)劃和架構(gòu)，以支持跨不同系統(tǒng)的重用，并在組件之間定義明確的接口來(lái)管理復(fù)雜性。確保在使用這些組件的系統(tǒng)使用壽命內(nèi)捕獲和管理驅(qū)動(dòng)組件定義的需求和關(guān)鍵設(shè)計(jì)決策。

實(shí)施全面的 ALM 方法來(lái)開(kāi)發(fā)軟件組件，對(duì)所有工件和活動(dòng)具有完全可追溯性，并具有管理開(kāi)發(fā)各個(gè)方面的一致流程。投資工具以自動(dòng)化和實(shí)施 ALM 實(shí)踐;尋找提供單一流程引擎來(lái)管理所有工件的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)與系統(tǒng)工程和硬件工程（如 PLM 系統(tǒng)）有著密切的聯(lián)系。管理整個(gè)工具鏈，包括構(gòu)建和發(fā)布管理系統(tǒng)，以確保在維護(hù)或更新軟件組件時(shí)獲得可預(yù)測(cè)的結(jié)果。

使用迭代和增量開(kāi)發(fā)實(shí)踐來(lái)縮短反饋周期，并提高組件發(fā)布的可預(yù)測(cè)性和質(zhì)量。在組件更新中涉及所有學(xué)科（硬件和軟件），以確保理解并完全解決組件之間的任何依賴(lài)關(guān)系。實(shí)施主動(dòng)變體管理，以最大限度地重用組件并控制變體來(lái)源，例如更改角色或技術(shù)。

有了這些建議，軍事系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以使用軟件來(lái)區(qū)分變體而不是硬件，從而可能降低成本，減輕重量和功耗。制造商發(fā)現(xiàn)，基于通用硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，該平臺(tái)能夠支持所有產(chǎn)品線(xiàn)變體功能，同時(shí)使用軟件創(chuàng)建單個(gè)變體，具有許多優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：郭婷