張 妍 楊遠成 李 萌 李萬利

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

由于軟件的復(fù)雜性，導(dǎo)致影響軟件質(zhì)量的因素多種多樣，因此提升和改善軟件質(zhì)量的途徑也不盡相同，其中最重要的途徑是對軟件進行大量的測試，通過全面、充分地對各種情況進行測試、排查與修正來發(fā)現(xiàn)軟件中可能存在的潛在問題，從而提升航天軟件的質(zhì)量[1]。因此，研究基于軟件測試的航天軟件質(zhì)量提升具有非常重要的研究價值與意義。

1 航天軟件測試的管理及方法

1.1 航天軟件測試的層次管理原則

根據(jù)航天軟件固有的特點及其任務(wù)需求，大體上可以將航天軟件的測試分為如下幾個部分。第一，模塊級測試。該部分的工作通常由軟件開發(fā)組的相關(guān)人員來統(tǒng)籌規(guī)劃，并組織聯(lián)合諸如各個子系統(tǒng)負責(zé)人、核驗人、模塊編碼工程師等人員來對各個部分進行核驗[2]。第二，分系統(tǒng)級測試。該部分的工作通常由各個子系統(tǒng)負責(zé)人聯(lián)合軟件開發(fā)與質(zhì)量保證等相關(guān)人員進行進一步的查驗。第三，系統(tǒng)級測試。相較于前兩部分，系統(tǒng)級的測試較為復(fù)雜，通?？梢詫⑵浞譃閮刹絹硗瓿桑阂皇怯煽傮w單位、參與軟件開發(fā)的負責(zé)人及工程師共同參與的配置項測試；二是由相關(guān)專家、用戶、軟件開發(fā)工程師等成員共同參與完成的綜合測試部分[3]。另外，為了保證測試工作嚴格有效完成，盡量避免人為因素的干擾，應(yīng)明確劃分參與軟件的開發(fā)人員及測試人員。

1.2 航天軟件測試方法與工具的選擇

對航天軟件進行有效測試的根本目的是發(fā)現(xiàn)由于某些不可預(yù)知的原因而導(dǎo)致的軟件漏洞或錯誤，并在該軟件正式應(yīng)用到實際場景之前進行修正，從而減少不必要的損失。對航天軟件進行有效測試最直接的方法是通過各種測試工具對其進行檢查，并對結(jié)果進行分析。在整個軟件測試過程中，最重要的兩個方面為程序的優(yōu)化和功能與強度測驗[4]。其中：程序優(yōu)化可通過某些測試軟件對比與分析系統(tǒng)運行過程中消耗的時間、內(nèi)存等可量化的結(jié)果數(shù)據(jù)；功能和強度檢測主要是根據(jù)實際應(yīng)用的需求一一核對軟件的功能，確保滿足用戶的每一項需求，并保證軟件在不同的場景下具有一定的自適應(yīng)能力及故障排查能力[5]。由于不同軟件、不同場景下用戶的需求及所要解決的問題不盡相同，因此無法用統(tǒng)一的測試工具進行統(tǒng)一處理。針對上述問題，除了常用的黑盒測試以及白盒測試方法外，還可以采用如下測試方法。

1.2.1 特性分析法

該方法主要包括控制選擇法、設(shè)備失效法、故障設(shè)置法等。其中：控制選擇法是指人為地對軟件系統(tǒng)進行修改或參數(shù)設(shè)置，通過分析結(jié)果來評估軟件的綜合性能；設(shè)備失效法是指人為地使軟件系統(tǒng)的某一模塊停止工作，從而判斷系統(tǒng)的魯棒性及適應(yīng)性；故障設(shè)置法是指根據(jù)在實際場景中可能面臨的特殊問題人為設(shè)置相應(yīng)的故障，從而判斷所開發(fā)軟件系統(tǒng)的故障恢復(fù)能力及異常情況下的容錯能力。

1.2.2 實戰(zhàn)數(shù)據(jù)模擬法

隨著我國航天技術(shù)的飛躍式發(fā)展，目前已經(jīng)積累了大量的實測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)能夠更加真實地反映相應(yīng)的航天應(yīng)用場景的實際情況，從而更加全面、真實地反映所開發(fā)軟件必須面臨的各種實際問題，因此可通過分析結(jié)果來判斷軟件的適應(yīng)性。

2 軟件測試用例的設(shè)計方法

在對所開發(fā)的航天軟件進行測試的過程中，無論采用上述哪種測試方法，測試用例都是其最核心的部分。對于一個完整的測試用例，通常主要包括名稱、目標、測試方法、輸入數(shù)據(jù)、期望輸出和實際輸出等內(nèi)容。需要注意的是，測試用例不僅指測試數(shù)據(jù)，而且包含測試的結(jié)果，其目的就是通過將其與期望結(jié)果進行對比來分析所開發(fā)的航天軟件能否正常工作以及是否符合用戶或?qū)嶋H場景的需求。為了對結(jié)果進行有效評估，測試用例的質(zhì)量通?？梢酝ㄟ^有效性、仿效性、經(jīng)濟性和修改性等幾個方面進行評估。其中：有效性主要是用來判斷所用的測試用例是否能夠發(fā)現(xiàn)或者可能發(fā)現(xiàn)軟件的缺陷；仿效性是指該測試用例能否實現(xiàn)同時測試多項內(nèi)容，從而保證數(shù)據(jù)的高效可利用性；經(jīng)濟性是指所用的測試用例在軟件的實際測試中是否經(jīng)濟、可行；修改性是指對所開發(fā)的軟件進行修改或調(diào)整后，該測試用例的維護成本。由于測試方法不同，其構(gòu)造測試用例的方法也不相同，可以簡單地將其分為基于代碼的測試用例設(shè)計方法和基于規(guī)格說明的測試用例設(shè)計方法。

2.1 基于代碼的測試用例設(shè)計方法

該方法的抽象描述如圖1所示，其測試需求的主要依據(jù)來自于所開發(fā)的航天軟件代碼，如采用分支測試的方法時，所選用的測試用例集應(yīng)涵蓋程序代碼中的各個分支。

圖1中，規(guī)格說明是所開發(fā)的航天軟件編寫代碼的基礎(chǔ)，同時還是生成期望輸出的主要依據(jù)。在該方法中，應(yīng)先根據(jù)諸如數(shù)據(jù)流覆蓋、分支覆蓋等準則，結(jié)合所開發(fā)的代碼來生成所需的測試用例集，并通過計算機上的程序生成測試用例的實際輸出，然后將其與期望的輸出進行對比分析，從而判斷程序是否正確可行。

2.2 基于規(guī)格說明的測試用例設(shè)計方法

該方法的抽象描述如圖2所示，與前文所述方法的不同之處在于其設(shè)計方法主要是按照船艦需求生成的。該方法的優(yōu)點在于：在航天軟件的開發(fā)初期就能夠創(chuàng)建測試用例，無需待所有的功能全部實現(xiàn)后再開始創(chuàng)建，從而更加高效地實現(xiàn)了資源的利用。除此之外，該方法的另一個顯著特點是能夠邊開發(fā)邊創(chuàng)建測試用例，有助于相關(guān)測試人員及時發(fā)現(xiàn)需求說明中可能存在的問題，從而縮短整個軟件開發(fā)的周期。

與前一種測試用例設(shè)計方法相比，該設(shè)計方法并不要求相關(guān)的測試人員充分了解所開發(fā)的航天軟件內(nèi)部代碼，只需根據(jù)實際輸入與期望輸出之間的關(guān)系或?qū)嶋H的需求來對測試用例進行設(shè)計與確定，因此其操作性相對簡單。此外，該測試用例的設(shè)計方法還可以對除基本功能以外的諸如兼容性、邊界和極端情況以及用戶界面友好性等做進一步全方位的測試。

3 航天軟件測試用例設(shè)計質(zhì)量的提升

針對不同的航天應(yīng)用場景，雖然其對測試用例質(zhì)量的評估方法以及維度大體相似，但是為了切實提升測試用例設(shè)計的質(zhì)量，還需進一步對當(dāng)前的測試類型及其特有的性能進行更加全面的考慮與分析。本文結(jié)合航天軟件測試的實際經(jīng)驗，提出了一套較為完善的用于航天軟件測試用例設(shè)計質(zhì)量提升的框架，如圖3所示。由圖3可知，本文充分考慮了測試用例設(shè)計的用戶界面友好性、功能完整性、完備性以及連續(xù)性等內(nèi)容。該框架可為當(dāng)前大部分的航天軟件測試用例提供參考。

提升測試用例設(shè)計質(zhì)量的過程中，對于非嵌入式軟件的測試，應(yīng)當(dāng)從以下幾個方面進行考慮。第一，關(guān)注人機交互體驗。方便操作、易于理解的用戶界面能夠降低測試人員的學(xué)習(xí)成本，可將測試軟件按功能整理成《用戶操作手冊》，使相關(guān)人員根據(jù)手冊說明完成相關(guān)測試，從而提升人機交互體驗。第二，關(guān)注功能和性能覆蓋的完整性。此項要求測試人員根據(jù)用戶或系統(tǒng)需求，確保所涉及的測試用例能夠涵蓋全部的流程圖路徑。第三，關(guān)注連續(xù)性操作。關(guān)注連續(xù)性操作部分是為了保證測試過程中不同功能之間的數(shù)據(jù)交互能夠正常、有序、連貫地進行。第四，關(guān)注軟件是否具備可恢復(fù)性。對于軟件的可恢復(fù)性，是為了確保當(dāng)由于各種可能出現(xiàn)的原因而導(dǎo)致系統(tǒng)運行異常時，軟件能夠進行重啟等可恢復(fù)性操作，并且能夠延續(xù)之前的工作狀態(tài)。第五，關(guān)注容錯機制考慮是否完備。對于容錯機制，主要是為了驗證當(dāng)遇到無效輸入的數(shù)據(jù)以及非法操作時，所開發(fā)的軟件是否能夠進行有效屏蔽，從而確保工作的正常進行。第六，關(guān)注是否考慮工作強度。對于航天類的軟件測試，由于數(shù)據(jù)異?；騼?nèi)存泄漏等問題往往在長時間運行后才會暴露出來，通常要求至少能夠進行不低于8 h的連續(xù)強度測試，以保證系統(tǒng)在運行的過程中不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常或內(nèi)存泄漏等問題。通過以上6個方面的質(zhì)量提升過程，最終能夠形成高質(zhì)量測試說明文檔，從而為航天軟件質(zhì)量提升方案的制訂提供依據(jù)。

4 結(jié)語

本文針對航天軟件質(zhì)量提升的問題，研究了基于軟件測試的完整的航天軟件質(zhì)量提升架構(gòu)，分析了航天軟件測試的管理方法、軟件測試用例的設(shè)計方法以及航天軟件測試用例設(shè)計質(zhì)量的提升方法，并提出了用于測試用例設(shè)計質(zhì)量提升的整體架構(gòu)，為航天軟件的設(shè)計、質(zhì)量提升、測試用例設(shè)計提供了一定的參考方案。