基于平臺(tái)支撐流程驅(qū)動(dòng)的軍用軟件測(cè)試過程實(shí)施

趙 嚴(yán)，宋文愛，張日飛，張紫芫，張 靜

（1.中北大學(xué)軟件學(xué)院山西省軍民融合軟件工程技術(shù)研究中心，太原 038507；2.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006；3.南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

軟件測(cè)試是軟件工程中一個(gè)必不可少的重要組成部分。在軟件工程基本原理指導(dǎo)下的軟件開發(fā)流程包括需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試、交付、驗(yàn)收和運(yùn)行維護(hù)等環(huán)節(jié)，其中軟件測(cè)試不僅能對(duì)軟件的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，而且是軟件質(zhì)量保證的重要手段之一［1］。

遵從《GJB 5000A-2008 軍用軟件研制能力成熟度模型》和《GJBZ 141-2016 軍用軟件測(cè)試指南》標(biāo)準(zhǔn)的軍用軟件測(cè)試過程，包括測(cè)試工程過程、測(cè)試項(xiàng)目管理過程、測(cè)試支持過程和測(cè)試組織過程，構(gòu)成了完整的軟件測(cè)試生命周期。對(duì)于軍用軟件來說，軟件質(zhì)量直接影響武器的質(zhì)量和軍事行動(dòng)的成敗［2］，所以軟件測(cè)試的質(zhì)量顯得尤為關(guān)鍵，而測(cè)試過程的質(zhì)量又直接決定了測(cè)試結(jié)果的質(zhì)量［3］。目前，我國軟件測(cè)評(píng)實(shí)驗(yàn)室獲取到國家和軍方認(rèn)證的已經(jīng)達(dá)到300 多家［4］，軟件測(cè)試工作實(shí)施過程中各項(xiàng)活動(dòng)的生命周期，目前主要還是由測(cè)評(píng)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)評(píng)人員進(jìn)行人工驅(qū)動(dòng)。如何對(duì)軟件測(cè)試的生命周期進(jìn)行更高效的管控，以提高測(cè)試效率和測(cè)試質(zhì)量，是目前國內(nèi)外學(xué)者研究的重要課題。為此，參考項(xiàng)目管理和控制論的相關(guān)思想、軍用軟件測(cè)試的相關(guān)技術(shù)方法，提出了一種基于平臺(tái)支撐流程驅(qū)動(dòng)的軍用軟件測(cè)試過程實(shí)施模型。

1 軍用軟件測(cè)試過程

在《GJB 5000A-2008 軍用軟件研制能力成熟度模型》和《GJBZ 141-2016 軍用軟件測(cè)試指南》指導(dǎo)下的完整的軍用軟件測(cè)試過程體系，應(yīng)當(dāng)包括測(cè)試項(xiàng)目管理過程、測(cè)試工程過程、測(cè)試支持過程和測(cè)試組織過程。

1.1 測(cè)試工程過程

在《GJBZ 141-2016 軍用軟件測(cè)試指南》指導(dǎo)下，軍用軟件測(cè)試的工程流程可分為測(cè)試需求分析、測(cè)試策劃、測(cè)試設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、測(cè)試執(zhí)行和測(cè)試總結(jié)5 個(gè)階段，每個(gè)階段又包括一系列具體的活動(dòng)和要素，構(gòu)成了一個(gè)完整的工程生命周期，參見表1。

表1 測(cè)試工程過程

1.2 測(cè)試項(xiàng)目管理過程

項(xiàng)目管理是管理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，所謂項(xiàng)目管理，就是項(xiàng)目的管理者，在資源有限的限制條件下，運(yùn)用相關(guān)的工具、方法、理論等，對(duì)項(xiàng)目中所涉及到的全部內(nèi)容進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和管控，最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的期望和需求的過程［5］。

軟件測(cè)試項(xiàng)目具有很多的不確定因素，而項(xiàng)目管理，從本質(zhì)上來講，就是一個(gè)不斷整合、不斷平衡的過程，因此，對(duì)于軟件測(cè)試項(xiàng)目非常適用［6］。軟件測(cè)試項(xiàng)目管理的內(nèi)容包括策劃管理、成本管理、進(jìn)度管理、資源管理和風(fēng)險(xiǎn)管理［7］。

1.3 測(cè)試支持過程

測(cè)試支持過程，是指測(cè)試方依據(jù)他們所支持的測(cè)試目標(biāo)，所從事的一系列相關(guān)活動(dòng)的集合，最終有利于測(cè)試結(jié)果質(zhì)量的提升。主要包括文檔編制過程、配置管理過程、過程和產(chǎn)品質(zhì)量保證過程、審核過程等。

1.4 測(cè)試組織過程

組織過程，主要目的是為了創(chuàng)建與維護(hù)組織可用的測(cè)試過程資產(chǎn)和工作環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。通過采集各個(gè)項(xiàng)目的有用信息，不斷累積過程資產(chǎn)，從而推動(dòng)組織標(biāo)準(zhǔn)過程得到持續(xù)改進(jìn)，最終可以使組織長期受益。該過程主要包含培訓(xùn)、環(huán)境、資源、人員、工具等內(nèi)容。

1.5 工作角色

測(cè)試工作中涉及到的工作角色如表2 所示。

表2 工作角色表

2 流程驅(qū)動(dòng)與閉環(huán)控制

2.1 人工驅(qū)動(dòng)的局限性與控制反轉(zhuǎn)思想

傳統(tǒng)的軟件測(cè)試過程主要由人工進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，各項(xiàng)工作主要由人來負(fù)責(zé)，其特點(diǎn)是主觀性較強(qiáng)，同時(shí)人為控制的靈活性較強(qiáng)，在要求不太嚴(yán)格的小型測(cè)試項(xiàng)目上尚且適用。但是在過程規(guī)范、要求嚴(yán)格的大型軍用軟件測(cè)試過程項(xiàng)目中，如果依然由人工進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，容易造成進(jìn)度失調(diào)、資源浪費(fèi)、過程不受控等局面，導(dǎo)致計(jì)劃于實(shí)際偏差過大，最終導(dǎo)致項(xiàng)目失敗。

控制反轉(zhuǎn)（IOC）不是一種技術(shù)，只是一種思想，所謂控制反轉(zhuǎn)，就是控制權(quán)的轉(zhuǎn)移［8］。由于人工驅(qū)動(dòng)的局限性，我們希望將測(cè)試過程的控制權(quán)從人轉(zhuǎn)移到流程，從人工驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化為流程驅(qū)動(dòng)。

2.2 流程驅(qū)動(dòng)

通俗地講，流程是具有起點(diǎn)和終點(diǎn)的、有嚴(yán)格先后順序的一系列業(yè)務(wù)活動(dòng)的組合。它具有明確的輸入資源，通過一系列增值過程，最終轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的輸出結(jié)果［9］。它主要關(guān)注誰做了什么事，產(chǎn)生了什么結(jié)果，傳遞了什么信息給誰。

流程驅(qū)動(dòng)，就是以流程為中心，將所需要的業(yè)務(wù)活動(dòng)進(jìn)行組合，并明確輸入和輸出，從而使得這些業(yè)務(wù)活動(dòng)以流程的方式有序開展，最終達(dá)到所期望的目標(biāo)［10-11］。

2.3 多閉環(huán)PID 控制

閉環(huán)控制的概念來源于控制論，具體是指系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，將控制信息輸向受控對(duì)象，并將受控對(duì)象輸出的狀態(tài)信息反饋回輸入中，以調(diào)整修正運(yùn)行過程，使系統(tǒng)的輸出符合預(yù)期要求［12］。閉環(huán)控制與開環(huán)控制的區(qū)別在于：1）有無反饋；2）是否對(duì)當(dāng)前控制起作用。

多閉環(huán)的思想來源于工業(yè)領(lǐng)域?qū)λ欧姍C(jī)的控制，一般為兩個(gè)環(huán)控制，所謂雙環(huán)就是兩個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)。第1 環(huán)是速度環(huán)，輸入目標(biāo)速度，反饋實(shí)時(shí)速度。第2 環(huán)是位置環(huán)，輸入目標(biāo)位置，反饋實(shí)時(shí)位置。

閉環(huán)控制算法眾多，其中應(yīng)用最為廣泛、最成熟的應(yīng)當(dāng)是PID 算法［13］。PID 是比例（P），積分（I），微分（D）的縮寫，分別代表了3 種控制算法。單獨(dú)或組合使用這3 種算法，可有效地糾正被控對(duì)象的偏差，從而使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

1）比例，即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。

2）積分，即積分環(huán)節(jié)的作用，主要用于消除靜差提高系統(tǒng)的無差度。

3）微分，微分環(huán)節(jié)的作用能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

2.4 平臺(tái)支撐

完善的實(shí)施過程離不開信息平臺(tái)有力的支撐，信息平臺(tái)作為整個(gè)體系的一種工具、一種載體，將體系中涉及到的人、機(jī)、料、法、環(huán)進(jìn)行記錄、關(guān)聯(lián)、呈現(xiàn)，其重要性不言而喻。

3 基于GQM 模型的度量體系設(shè)計(jì)

在上節(jié)中提到，閉環(huán)控制的核心在于收集反饋然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，那么，如何獲得反饋，則需要通過度量來實(shí)現(xiàn)。

3.1 模型概述

GQM（Goal-Question-Measurement）即“目標(biāo)-提問-測(cè)量”方法，是一種面向目標(biāo)的、自上而下的由目標(biāo)逐步細(xì)化到度量的度量定義方法［14］。GQM的實(shí)施過程是自上而下的分析過程和自下而上的執(zhí)行過程，首先確定需要度量的目標(biāo)，然后通過回答問題的方式來衡量這些目標(biāo)是否可以實(shí)現(xiàn)，最終將抽象模糊的目標(biāo)，分解成具體的、可量化測(cè)量的問題。GQM 模型具有3 層架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 GQM 模型

3.2 度量體系設(shè)計(jì)

基于GQM 模型的思想，將軍用軟件測(cè)試的4個(gè)過程作為度量的目標(biāo)，然后對(duì)每個(gè)過程的度量要素進(jìn)行抽取，范圍包含測(cè)試設(shè)計(jì)、需求、成本、進(jìn)度、質(zhì)量、規(guī)模等，得到對(duì)應(yīng)的度量指標(biāo)和度量項(xiàng)，最終提出由10 個(gè)度量組成的度量體系，如表3 所示。實(shí)際上，軍用軟件測(cè)試過程涵蓋的度量指標(biāo)遠(yuǎn)不止10個(gè)，此處僅僅列出其中有代表性的指標(biāo)作為參考，在實(shí)際項(xiàng)目中可以根據(jù)項(xiàng)目情況進(jìn)行增減以適應(yīng)項(xiàng)目需要。

表3 度量體系表

4 基于平臺(tái)支撐流程驅(qū)動(dòng)的軍用軟件測(cè)試過程構(gòu)建

4.1 體系結(jié)構(gòu)

整個(gè)體系分為兩層，上層為流程管控層，下層為平臺(tái)支撐層，如圖2 所示。上層為流程的具體情況，下層為平臺(tái)的功能細(xì)節(jié)，下層為上層提供平臺(tái)支撐，使上層的思想得以實(shí)現(xiàn)，上層則為下層提供實(shí)現(xiàn)邏輯上的支持。

圖2 體系結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量管理過程

軍用軟件測(cè)試過程具有投資大、周期長、風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)，在測(cè)試過程存在很多的不確定因素，導(dǎo)致了測(cè)試結(jié)果的不確定性和不可預(yù)見性，我們希望可以對(duì)測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行全過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，然后對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)，以確保項(xiàng)目順利實(shí)施。

PDCA 循環(huán)是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)模型［15］，主要包括4 個(gè)階段，即計(jì)劃（P）- 執(zhí)行（D）- 檢查（C）- 處理（A）。

對(duì)于任何一件事情，通常會(huì)先制定計(jì)劃（P），計(jì)劃完成以后去實(shí)施（D），在實(shí)施的過程中進(jìn)行檢查（C），通過檢查來判斷執(zhí)行結(jié)果是否達(dá)到了預(yù)期，進(jìn)而分析影響的因素、出現(xiàn)問題的原因，并提出解決的措施，最后根據(jù)檢查的結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)（A）。PDCA不是一個(gè)水平單次執(zhí)行的過程，而是一個(gè)循環(huán)執(zhí)行、螺旋上升的過程。

可以看出，PDCA 的核心在于C 和A，也就是檢查和改進(jìn)的過程。結(jié)合上文的論述，檢查過程即可對(duì)應(yīng)度量過程，改進(jìn)過程對(duì)應(yīng)閉環(huán)控制過程，基于此，設(shè)計(jì)出持續(xù)改進(jìn)的管理過程模型，如圖3 所示。

圖3 持續(xù)改進(jìn)的管理過程模型

4.3 前饋、反饋結(jié)合的改進(jìn)過程

檢查階段的分析對(duì)處理階段起著決定性作用，而檢查的主要方式就是度量，通過度量將我們需要評(píng)估的指標(biāo)進(jìn)行量化評(píng)估，為下一階段的改進(jìn)提供依據(jù)。通過度量階段收集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析和處理建立組織性能基線，確定基準(zhǔn)值和上下控制區(qū)間。

處理階段主要是根據(jù)檢查結(jié)果，采取相應(yīng)的措施。例如在檢查過程中，發(fā)現(xiàn)某一個(gè)度量項(xiàng)的度量結(jié)果偏離基準(zhǔn)值或者超出控制區(qū)間，則會(huì)將其判定為不合格狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)不合格狀態(tài)后，則需要通過采取相應(yīng)的措施來改進(jìn)。

前饋控制，可以對(duì)應(yīng)PID 算法中的微分（D）算法，即根據(jù)當(dāng)前的變化趨勢(shì)，在測(cè)量值發(fā)生變化但還沒有超出預(yù)期值時(shí)，提前實(shí)施相應(yīng)的調(diào)控措施進(jìn)行干預(yù)。反饋控制，可以對(duì)應(yīng)PID 算法中的比例算法（P）算法，即在測(cè)量值出現(xiàn)偏差而且超過預(yù)期值后，再采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整。

將其應(yīng)用在工程領(lǐng)域，前饋控制在持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量管理過程模型中對(duì)應(yīng)速度環(huán)，主要進(jìn)行初期的、小范圍的調(diào)節(jié)。反饋控制對(duì)應(yīng)模型中的位置環(huán)，主要負(fù)責(zé)后期的、里程碑式的調(diào)整。例如假設(shè)當(dāng)前項(xiàng)目的進(jìn)度偏離了基準(zhǔn)值，有延期的趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)先進(jìn)行速度環(huán)的調(diào)節(jié)，可以通過增加人員、延長每日工作時(shí)長等方式來加快進(jìn)度；如果速度環(huán)的調(diào)節(jié)沒有達(dá)到預(yù)期效果，進(jìn)度依然滯后，且超出了控制區(qū)間，超出可接受的范圍，則應(yīng)當(dāng)進(jìn)行位置環(huán)的調(diào)節(jié)，比如修改測(cè)試計(jì)劃等。這樣通過先速度環(huán)后位置環(huán)，前饋加反饋的調(diào)節(jié)方式，可以結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，有效地對(duì)問題進(jìn)行改進(jìn)。

4.4 軍用軟件測(cè)試過程實(shí)施實(shí)例

希望將流程驅(qū)動(dòng)和閉環(huán)控制的相關(guān)思想運(yùn)用到工程領(lǐng)域，結(jié)合軍用軟件測(cè)試過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過對(duì)軍用軟件測(cè)試過程的研究，可以發(fā)現(xiàn)軍用軟件測(cè)試工程過程具有流程的典型特征，其中，每個(gè)階段都有對(duì)應(yīng)的輸入、輸出和處理過程，將其業(yè)務(wù)活動(dòng)組合，然后以流程的方式有序開展，也恰好符合流程驅(qū)動(dòng)的核心思想。流程驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，需要結(jié)合閉環(huán)控制的思想，將軍用軟件測(cè)試流程進(jìn)行閉環(huán)控制管理，核心在于收集反饋然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。進(jìn)一步結(jié)合PDCA 模型，以及具體的度量方式，控制調(diào)節(jié)方法，設(shè)計(jì)出軍用軟件測(cè)試過程實(shí)施模型，如圖4 所示。

圖4 軍用軟件測(cè)試過程實(shí)施

宏觀上整個(gè)體系在平臺(tái)的支撐上運(yùn)行，包含了工程、管理、支持和組織過程，其中我們對(duì)整個(gè)工程體系進(jìn)行了分層，包含流程層、輸入層、輸出層和評(píng)審層共4 層架構(gòu)，其中流程層作為整個(gè)體系的核心，控制整個(gè)流程體系的運(yùn)轉(zhuǎn)。微觀上每一層都包含若干組成部分，包括流程、文檔、組件和行為等。下面通過具體的運(yùn)作步驟，來了解整個(gè)工作體系的運(yùn)行原理。

步驟1：整個(gè)體系的主體是流程層，整個(gè)測(cè)試項(xiàng)目流程從開始啟動(dòng)，在相關(guān)測(cè)試文檔的指導(dǎo)下（P 過程），按照測(cè)試順序依次進(jìn)行（D 過程），首先進(jìn)行測(cè)試需求分析業(yè)務(wù)的處理，進(jìn)行相應(yīng)的活動(dòng)，輸入層有對(duì)應(yīng)的輸入（文檔），評(píng)審層在業(yè)務(wù)完成后會(huì)進(jìn)行測(cè)試需求評(píng)審，評(píng)審結(jié)束后輸出層會(huì)有對(duì)應(yīng)輸出（文檔），業(yè)務(wù)處理結(jié)束后到達(dá)反饋點(diǎn)1（反饋點(diǎn)的位置和數(shù)量可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需要來制定）將本流程產(chǎn)生的文檔等資料提交到流程控制中心。

步驟2：流程控制中心在收到反饋點(diǎn)1 提交的資料后，會(huì)根據(jù)度量表的內(nèi)容對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行逐一度量（C 過程），參見表3，如果度量情況沒有偏離基準(zhǔn)值或超出控制區(qū)間，則返回到反饋點(diǎn)1 繼續(xù)進(jìn)行下一業(yè)務(wù)活動(dòng)。

步驟3：如果流程控制中心在度量過程中，發(fā)現(xiàn)偏離基準(zhǔn)值或超出控制區(qū)間，則需要在表中找到對(duì)應(yīng)的測(cè)試工作人員，按照先速度環(huán)后位置環(huán)的原則進(jìn)行調(diào)整（A 過程）。

步驟4：流程控制中心根據(jù)異常狀態(tài)反饋?zhàn)鞒鱿鄳?yīng)調(diào)整后，流程控制中心繼續(xù)審查剩余資料，如果依然有異常狀態(tài)反饋的話，則繼續(xù)提交給對(duì)應(yīng)的角色進(jìn)行處理，如果沒有異常則繼續(xù)逐項(xiàng)度量，直到度量結(jié)束，流程返回反饋點(diǎn)位置，流程繼續(xù)向后進(jìn)行。

步驟5：正常情況下流程重復(fù)執(zhí)行步驟1、步驟2，出現(xiàn)異常則執(zhí)行步驟3、步驟4（PDCA 循環(huán)），直到執(zhí)行完最后一個(gè)業(yè)務(wù)活動(dòng)，后續(xù)無未處理業(yè)務(wù)，流程結(jié)束。

5 過程成功實(shí)施的4 個(gè)要素

綜上所述，可以得出基于平臺(tái)支撐流程驅(qū)動(dòng)的軍用軟件測(cè)試過程成功實(shí)施需要具備4 個(gè)要素：①全程策劃，②嚴(yán)格執(zhí)行，③精準(zhǔn)監(jiān)督，④及時(shí)整改回歸。全程策劃的基礎(chǔ)在于嚴(yán)格遵守各類國/軍標(biāo)體系文件來進(jìn)行策劃和設(shè)計(jì)；嚴(yán)格執(zhí)行的核心在于嚴(yán)格的過程管理；精準(zhǔn)監(jiān)督的實(shí)施取決于精準(zhǔn)的度量；及時(shí)整改回歸則依賴于科學(xué)有效的整改方式。

6 基于平臺(tái)支撐流程驅(qū)動(dòng)的軍用軟件測(cè)試過程實(shí)施的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的軟件測(cè)試實(shí)施過程相比，基于平臺(tái)支撐流程驅(qū)動(dòng)的軍用軟件測(cè)試過程具有如下優(yōu)勢(shì)：

第一，相比于傳統(tǒng)的人工業(yè)務(wù)推進(jìn)模式，基于流程驅(qū)動(dòng)的軍用軟件測(cè)試過程，通過建立流程驅(qū)動(dòng)機(jī)制，在平臺(tái)的支撐下，整個(gè)體系在流程的推進(jìn)下自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，有效減少了人工的干預(yù)。

第二，區(qū)別于傳統(tǒng)獨(dú)立的、松散的管理模式，整個(gè)項(xiàng)目從業(yè)務(wù)到人員都通過流程有機(jī)地結(jié)合起來，無論是組織還是管理都與流程緊密結(jié)合，有利于整個(gè)項(xiàng)目的良好運(yùn)轉(zhuǎn)。

第三，將關(guān)注點(diǎn)更多的放在項(xiàng)目實(shí)施過程上，而不是實(shí)施結(jié)果，以往通過結(jié)果發(fā)現(xiàn)問題時(shí)再進(jìn)行糾正，往往需要付出較大的代價(jià)來彌補(bǔ)，強(qiáng)化過程管理，有利于項(xiàng)目實(shí)施質(zhì)量的保證。

7 結(jié)論

本文基于軍用軟件測(cè)試過程要求和特點(diǎn)，提出一種基于平臺(tái)支撐流程驅(qū)動(dòng)的軍用軟件測(cè)試過程實(shí)施模型，該模型旨在推動(dòng)測(cè)試過程的自動(dòng)化實(shí)施，在減少人工驅(qū)動(dòng)干預(yù)的同時(shí)，將過程所涉及到的人、機(jī)、料、法、環(huán)等有機(jī)地結(jié)合起來，有助于提升軍用軟件測(cè)評(píng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)測(cè)試項(xiàng)目的管理能力，提高測(cè)試效率，降低測(cè)試成本，可為今后軍用軟件測(cè)試過程的研究提供一定的參考。