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汽车主机厂轻量化复合材料技术PK
转自澎湃新闻
在全球对于环境保护和不可再生能源可持续利用的认识不断提升的大背景下，各国纷纷制定了史无前例严格的燃油经济性和排放法规。美国的CAFE标准（企业平均油耗标准）规定汽车企业油耗在2015年达到35.5mpg，2025年达到54.5mpg（合百公里油耗23.2升）。欧盟要求到2020年乘用车的二氧化碳排放从当前的130g/km降低到95g/km的水平。而我国的乘用车燃料消耗量第四阶段标准也在2016年开始生效。
面对这些异常严苛的政策，国内外车企纷纷从发动机、变速器、车轮/轮胎、整车等方面加力汽车节能减排技术的研发。根据美国某集团的市场调研，48%的被调研企业认为轻量化是满足标准的首要手段也是最大难点，高达88%的车企则已经开始或即将开展新材料战略。
复合材料在汽车行业的应用
在各种候选材料中，复合材料由于其质量轻、强度高、可设计性好、便于整合零部件以及其耐冲击、腐蚀、疲劳耐久性能好，获得了很多车企的青睐。目前汽车上的很多零部件，比如保险杠、仪表板、前围、挡泥板、行李架、备胎舱等等已经是复合材料了。这些结构主要是基于GMT（玻璃纤维增强塑料）、LFT（长纤维增强塑料）、NMT（天然纤维增强塑料）等非连续纤维增强热塑性基体制成的非结构件。受限于热塑性树脂自身的劣势，比如粘性小，难于铺贴模具；熔点高，熔融粘度大，加工成本高；力学性能低于类似热固性复合材料等，如果想进一步降低整车重量，满足能耗排放标准，则必须借鉴航空航天工业高性能连续纤维增强热固性复合材料的经验，将其运用到车身的主次承力构件上。
全CFRP碳纤维增强复合材料驾驶舱
常见承力复合材料的结构形式如图3。整体层合板由纤维增强的树脂铺层层叠而成，根据纤维丝/束在单个铺层中的排布主要分为单向和编织复合材料，考虑到层合板在垂直方向的力学性能，也会添加此方向的丝束形成非屈曲经编织物。可以直观的看到，相比均一各向同性的金属材料，复合材料的构造取决于其基体、纤维的材料，铺层的厚度，纤维朝向，编织方法等等，同时不同铺层的尺寸和连接方式又决定了整个构件的宏观尺寸构型和物理属性。
图3 左起分别为单向复合材料、编织复合材料和非屈曲经编织物
这种复杂的细观结构一方面带来了复合材料强大的可设计性，另一方面从仿真的角度来讲是更多材料参数，更复杂的几何和有限元模型，不同的结构行为和性能表现。为了充分理解掌握并发挥复合材料的优势，复合材料结构的研发通常遵循搭积木式流程，亦称测试金字塔（图4）。具体到汽车行业，首先要对于样件进行材料和结构测试，获取基本的材料和结构性能，由此而上，试验分析不同结构形式的子部件，各级总成，最后进行整车测试。
图4 复合材料“积木式”研发流程
考虑到物理样机的成本，每个层级都要尽量采用仿真的方法来减少测试数目，加速研发流程，降低成本。西门子根据其在欧洲三十多年的航空航天和汽车复合材料成功应用的经验上，提供了一整套复合材料整体解决方案，包括专注于复合材料设计制造的Fibersim软件和Simcenter 3D复合材料结构和成型工艺仿真软件（图5）。目前，业内领先的车企正在利用这套方案来帮助来理解和分析复合材料，解决同传统金属材料完全不同的新的挑战。
图5 复合材料整体解决方案
复合材料损伤分析
先进结构复合材料在生产和使用过程中，常会面临同金属材料完全不同的失效模式。金属的断裂通常是单个或多个裂纹在静态和交变载荷下的形核和扩展，但是复合材料的破坏取决于多种不同的机理：基体开裂、纤维断裂、基体与界面的脱粘和分层，以及它们之间的耦合作用（图6）。
图6 复合材料不同类型的损伤机理
如何有效的描述这些损伤行为对于结构强度的破坏并最终预测结构的整体性能呢? 西门子通过与欧洲领先的航空航天企业和研究所合作，成功的开发了多个针对复合材料结构仿真的材料法则与失效模型，并将其植入到了Simcenter 3D软件中。通过与大量实验的对比证明了这些模型的准确性。
目前，日本某汽车已进行相关的预研工作。项目初期的目标是调研不同候选材料的材料参数，包括传统工程力学参数和影响损伤行为的参数，然后建立材料损伤模型。在这个过程中，西门子帮助开发了材料测试方案、进行了虚拟仿真测试和搭建了最终的材料模型（图7）。
图7 基于复合材料仿真解决方案的材料参数识别流程
在第二阶段，运用已获取的材料参数和损伤模型，利用Simcenter 3D预测了部件级复合材料结构的损伤行为（图8）和低能量冲击行为（图9）。
图8 基于平台的损伤分析
图9 基于平台的低能量冲击仿真同试验的对比
复合材料疲劳分析
同金属材料不同，复合材料的疲劳行为并不总是由一个宏观裂纹的生成和扩展导致的，由于其物理属性是非均匀和各向异性的，它通常是以整体的方式累积损伤。对于目前在汽车上应用的非连续纤维复合材料，它依然可以沿用对于金属材料分析的常用方法（例如S-N曲线法），它的计算效率比较高且可用于复杂的载荷工况，但是这种方法并不能考虑复合材料由于渐进损伤行为带来的刚度衰减和以及铺层破坏之后的应力重分布，且不能考虑疲劳损伤的相互影响和多轴问题，最后，由于S-N曲线的测量取决予铺层结构，如果我们有多种候选材料方案，则必须进行多次测量获取多条曲线，这样会大大增加试验的成本和研发的进度。
如果将来我们需要将连续纤维复合材料大量应用到车身上去，则必须提出一种新的疲劳分析方法。西门子同比利时根特大学的科研人员合作，共同在Simcenter 3D平台中开发了一套基于周期跳变法的疲劳分析算法，其结合了基于有限元的损伤分析和传统疲劳分析的优势，兼顾了效率同精度，能够真实的反应复合材料结构的刚度衰减和应力重分布（图10）。
图10 连续纤维复合材料结构的疲劳分析方案
总结与展望
相对于先进复合材料在航空行业的成功应用，汽车行业的复合材料才刚刚起步，也面临着很多困难。首先为了满足每年10万辆汽车和高达上百万件复合材料构件的产能，我们似乎还没有寻找到成熟的材料和工艺手段。其次，高性能复合材料的成本通常不菲，其原材料，包括碳纤维、芳纶和高性能树脂，价格居高不下，生产设备的投入和使用费用也很高昂，最后如何回收快速高效低成本的回收高性能复合材料也是一个悬而未决的问题。
转自澎湃新闻
在全球对于环境保护和不可再生能源可持续利用的认识不断提升的大背景下，各国纷纷制定了史无前例严格的燃油经济性和排放法规。美国的CAFE标准（企业平均油耗标准）规定汽车企业油耗在2015年达到35.5mpg，2025年达到54.5mpg（合百公里油耗23.2升）。欧盟要求到2020年乘用车的二氧化碳排放从当前的130g/km降低到95g/km的水平。而我国的乘用车燃料消耗量第四阶段标准也在2016年开始生效。
面对这些异常严苛的政策，国内外车企纷纷从发动机、变速器、车轮/轮胎、整车等方面加力汽车节能减排技术的研发。根据美国某集团的市场调研，48%的被调研企业认为轻量化是满足标准的首要手段也是最大难点，高达88%的车企则已经开始或即将开展新材料战略。
复合材料在汽车行业的应用
在各种候选材料中，复合材料由于其质量轻、强度高、可设计性好、便于整合零部件以及其耐冲击、腐蚀、疲劳耐久性能好，获得了很多车企的青睐。目前汽车上的很多零部件，比如保险杠、仪表板、前围、挡泥板、行李架、备胎舱等等已经是复合材料了。这些结构主要是基于GMT（玻璃纤维增强塑料）、LFT（长纤维增强塑料）、NMT（天然纤维增强塑料）等非连续纤维增强热塑性基体制成的非结构件。受限于热塑性树脂自身的劣势，比如粘性小，难于铺贴模具；熔点高，熔融粘度大，加工成本高；力学性能低于类似热固性复合材料等，如果想进一步降低整车重量，满足能耗排放标准，则必须借鉴航空航天工业高性能连续纤维增强热固性复合材料的经验，将其运用到车身的主次承力构件上。
全CFRP碳纤维增强复合材料驾驶舱
常见承力复合材料的结构形式如图3。整体层合板由纤维增强的树脂铺层层叠而成，根据纤维丝/束在单个铺层中的排布主要分为单向和编织复合材料，考虑到层合板在垂直方向的力学性能，也会添加此方向的丝束形成非屈曲经编织物。可以直观的看到，相比均一各向同性的金属材料，复合材料的构造取决于其基体、纤维的材料，铺层的厚度，纤维朝向，编织方法等等，同时不同铺层的尺寸和连接方式又决定了整个构件的宏观尺寸构型和物理属性。
图3 左起分别为单向复合材料、编织复合材料和非屈曲经编织物
这种复杂的细观结构一方面带来了复合材料强大的可设计性，另一方面从仿真的角度来讲是更多材料参数，更复杂的几何和有限元模型，不同的结构行为和性能表现。为了充分理解掌握并发挥复合材料的优势，复合材料结构的研发通常遵循搭积木式流程，亦称测试金字塔（图4）。具体到汽车行业，首先要对于样件进行材料和结构测试，获取基本的材料和结构性能，由此而上，试验分析不同结构形式的子部件，各级总成，最后进行整车测试。
图4 复合材料“积木式”研发流程
考虑到物理样机的成本，每个层级都要尽量采用仿真的方法来减少测试数目，加速研发流程，降低成本。西门子根据其在欧洲三十多年的航空航天和汽车复合材料成功应用的经验上，提供了一整套复合材料整体解决方案，包括专注于复合材料设计制造的Fibersim软件和Simcenter 3D复合材料结构和成型工艺仿真软件（图5）。目前，业内领先的车企正在利用这套方案来帮助来理解和分析复合材料，解决同传统金属材料完全不同的新的挑战。
图5 复合材料整体解决方案
复合材料损伤分析
先进结构复合材料在生产和使用过程中，常会面临同金属材料完全不同的失效模式。金属的断裂通常是单个或多个裂纹在静态和交变载荷下的形核和扩展，但是复合材料的破坏取决于多种不同的机理：基体开裂、纤维断裂、基体与界面的脱粘和分层，以及它们之间的耦合作用（图6）。
图6 复合材料不同类型的损伤机理
如何有效的描述这些损伤行为对于结构强度的破坏并最终预测结构的整体性能呢? 西门子通过与欧洲领先的航空航天企业和研究所合作，成功的开发了多个针对复合材料结构仿真的材料法则与失效模型，并将其植入到了Simcenter 3D软件中。通过与大量实验的对比证明了这些模型的准确性。
目前，日本某汽车已进行相关的预研工作。项目初期的目标是调研不同候选材料的材料参数，包括传统工程力学参数和影响损伤行为的参数，然后建立材料损伤模型。在这个过程中，西门子帮助开发了材料测试方案、进行了虚拟仿真测试和搭建了最终的材料模型（图7）。
图7 基于复合材料仿真解决方案的材料参数识别流程
在第二阶段，运用已获取的材料参数和损伤模型，利用Simcenter 3D预测了部件级复合材料结构的损伤行为（图8）和低能量冲击行为（图9）。
图8 基于平台的损伤分析
图9 基于平台的低能量冲击仿真同试验的对比
复合材料疲劳分析
同金属材料不同，复合材料的疲劳行为并不总是由一个宏观裂纹的生成和扩展导致的，由于其物理属性是非均匀和各向异性的，它通常是以整体的方式累积损伤。对于目前在汽车上应用的非连续纤维复合材料，它依然可以沿用对于金属材料分析的常用方法（例如S-N曲线法），它的计算效率比较高且可用于复杂的载荷工况，但是这种方法并不能考虑复合材料由于渐进损伤行为带来的刚度衰减和以及铺层破坏之后的应力重分布，且不能考虑疲劳损伤的相互影响和多轴问题，最后，由于S-N曲线的测量取决予铺层结构，如果我们有多种候选材料方案，则必须进行多次测量获取多条曲线，这样会大大增加试验的成本和研发的进度。
如果将来我们需要将连续纤维复合材料大量应用到车身上去，则必须提出一种新的疲劳分析方法。西门子同比利时根特大学的科研人员合作，共同在Simcenter 3D平台中开发了一套基于周期跳变法的疲劳分析算法，其结合了基于有限元的损伤分析和传统疲劳分析的优势，兼顾了效率同精度，能够真实的反应复合材料结构的刚度衰减和应力重分布（图10）。
图10 连续纤维复合材料结构的疲劳分析方案
总结与展望
相对于先进复合材料在航空行业的成功应用，汽车行业的复合材料才刚刚起步，也面临着很多困难。首先为了满足每年10万辆汽车和高达上百万件复合材料构件的产能，我们似乎还没有寻找到成熟的材料和工艺手段。其次，高性能复合材料的成本通常不菲，其原材料，包括碳纤维、芳纶和高性能树脂，价格居高不下，生产设备的投入和使用费用也很高昂，最后如何回收快速高效低成本的回收高性能复合材料也是一个悬而未决的问题。
【航空标准化~~浅议航空武器装备软件测评质量评估方法】
航空工业综合所 今天
导语
航空武器装备软件多为嵌入式软件，具有特定运行环境，实时性强，而且多为高安全、高可靠性软件。作为武器装备的“神经中枢”，其地位和作用日益突出，软件质量已成为决定航空装备战斗力生成的关键因素。软件测评作为保证软件质量的重要手段，已成为航空武器装备软件研制和定型中的一个重要环节。
1分析影响软件测评质量的主要因素
结合航空武器装备软件（简称：航空软件）测评的特点，立足以往开展航空软件测评工作的基础，分析测试准入条件、测试技术、测试过程控制三个方面对航空软件测评质量的影响。
1.1测试准入条件对测评质量的影响
《航空军用软件定型测评进入条件评估标准》包括文档适用性、软件技术状态有效性、内部测试充分性和定型测评环境完备性四个方面的内容。文档适用性主要评估软件研制文档完整性，软件技术状态有效性主要评估软件技术状态已确定并纳入配置管理，内部测试充分性主要评估文档审查与代码审查充分性、单元测试充分性、配置项测试充分性、系统测试充分性，定型测评环境完备性主要评估配置项测试环境有效性、系统测试环境有效性、测试环境可用性。此外，测评人员是否符合要求也是测试准入条件的重要方面，测评人员的素质直接影响测评质量。
1.2测试技术对测评质量的影响
针对适航标准，结合航空软件测试流程，对航空软件单元测试、配置项测试、部件集成测试和系统测试的技术要求进行分析，从技术层面总结出影响软件测评质量的因素，主要集中在测试需求的确定、测试环境的准备、测试用例的设计三个方面。航空软件测试需求分析质量将直接影响被测软件的测试充分性。测试环境的准备是否有效，是否支持所有测试项的测试，以及与实装环境的差异，也会影响航空软件测评质量。测试用例设计是否合理，是否覆盖被测试软件需求，对软件测试有效性、充分性和测试效率均产生影响。
1.3测试过程控制对测评质量的影响
测试过程控制中的项目策划、项目监督、质量保证和配置管理，是影响航空软件测评质量的主要因素。项目策划贯穿于测评过程每个阶段，由项目负责人组织测评项目组进行阶段实施策划，拆分技术活动，编制和分配任务描述表。项目监督是在进行里程碑节点任务统计分析的同时，组织例会和内部评审，并与委托方、军代表、研制方沟通和评价项目的进展情况。质量保证是依据测评质量保证计划，评审软件测评活动，审核测评工作产品，验证其符合性，及时通报结果，跟踪不符合项的解决情况。配置管理是对整个测评项目生存周期内的被测件和测评项目的工作产品、测试工具和测试环境进行版本控制，维护其完整性。
2研究确定软件测评质量度量指标
一个良好成熟度的软件测评过程不仅是定性描述，而且是可量化的过程，选取可表针其质量状况的度量指标是关键。在分析影响航空软件测评质量主要因素的基础上，本着有效性和可实施性的原则，把测试准入条件、测试技术和测试过程控制三个方面，归纳总结为测评管理和测评技术两个维度，分析确定影响软件测评质量的可度量指标。
2.1测评管理过程
航空软件测评管理过程，主要是围绕持续改进测评项目的质量、提高生产率和降低成本三方面，开展软件测评全过程的监控和管理。管理是全过程的，度量是发生在项目实施过程中和结束后。通过加强航空软件测评过程管理和考核，一方面可作为测评项目承担单位的资产库内容，指导后续项目的执行；另一方面可以评估正在进行的测评项目的质量状况、跟踪阶段测评发现问题的解决情况、预测项目执行过程中存在的风险、调整优化工作进度和流程。把测试准入条件中规定的四个方面，以及测试过程控制中总结的四个因素，进行分析研究，归纳概括为测评实施前、实施中、实施后三个阶段的管理活动，可以分别用测评策划有效性、进度偏差、评审发现的问题跟踪这三个指标，作为测评管理过程质量度量指标。
2.2测评技术过程
航空软件测评技术过程，主要包括测试需求分析、测试策划、测试设计与实现、测试执行、测试总结等环节开展的测评技术活动。测试需求分析针对被测软件测试需求的充分性以及测试类型选取的充分性进行评估。测试策划主要对测试组织设置的合理性、测试进度估计的有效性、测试环境构建的合理性，以及对测试需求的跟踪性等方面进行评估。测试用例设计与实现是软件测评开展的关键阶段，测试用例的有效性依赖于测试环境支持情况，测试用例充分性取决于用例对软件所有功能点的覆盖情况，测试用例设计效率依赖于测试团队人员能力水平等。测试执行主要是按照测试计划进行测试，测试执行的有效性依赖于测试用例缺陷的发现率、有效性和检错率等，测试执行的充分性取决于测试用例对需求的覆盖率、用例执行率、代码走查/审查力度的检错率等，测试执行的效率依赖于代码审查的效率、测试人员的工作效率等。测试总结是对测试工作和被测软件进行分析和评价，分类和总结测试结果及软件缺陷，报告软件测评过程和结果。
测评技术过程的质量可以从测试充分性、测试有效性、测试效率三个维度进行度量考核。测试充分性的度量可以分解为测试需求充分性、测试类型充分性、代码走查审查充分性、测试用例设计充分性、动态测试充分性等五个二级指标度量；测试有效性的度量可以分解为测试环境搭建有效性、测试用例实际有效性、测试执行有效性等三个二级指标度量；测试效率可以分解为测试用例设计效率、测试执行效率、测试项目效率等三个二级指标度量。
3构建航空软件测评质量评估模型及实例验证
3.1 航空装备软件测评质量评估模型
从航空软件测评管理过程和技术过程两个维度，分析影响测评质量的主要因素，总结提炼出二级度量指标，构建航空软件测评质量评估模型如下（如图1所示）。
图1 航空软件测评质量评估模型
3.2 实例验证
以一个实际的航空软件测评项目为实例，对软件测试项目管理的质量和测试过程充分性、有效性、效率的量化评估模型及其技术实现进行验证。由于软件配置项测试过程具有典型性并且测试类型齐全，另外航空软件多为嵌入式软件，故选取某型装备嵌入式软件配置项测试进行说明。
被测软件基本情况如下：被测软件类型为嵌入式软件、规模11009行、开发语言为C、开发平台为VC33（芯片的开发平台）、测试级别为配置项测试、使用的测试工具为Klockwork9.2。
在该实例测试工作完成后，采集实例测试过程基础数据。本次测试项目设计并执行测试用例数为790个，发现软件缺陷共83个（致命缺陷1个，严重缺陷4个，一般缺陷78个），动态测试发现缺陷数为64个，代码审查发现软件缺陷数为19个，测试总工时为582人时，需求涉及的测试类型为11种。
实例中的软件测评项目总体评价通过测评项目管理质量和测试充分性、测试有效性、测试效率四个方面进行评价，得到以下评价结论，见表1。测评项目管理质量等级为{差 一般 较好 好}，对应分值为[0,0.5]、[0.5,0.8]、[0.8,0.9]、[0.9,1]；测试充分性等级为{不充分、基本充分、较充分、充分},对应分值为[0,0.6]、[0.6,0.8]、[0.8,0.9]、[0.9,1]；测试有效性等级为{无效、基本有效、较好、好},对应分值为[0,0.5]、[0.5,0.7]、[0.7,0.9]、[0.9,1]；测试效率等级为{无效、低、中、高},对应分值为[0,0.3]、[0.3,0.6]、[0.6,0.8]、[0.8,1]。本测评项目质量评价最终得分为[0.35 0.35 0.2 0.1]*[0.98 0.81 0.54 0.64]=0.80。
4 总结提升航空软件测评质量的建议
4.1 建立航空软件测评项目资产库
航空武器装备软件第三方测评、鉴定测评、定型测评，积累了大量的测评项目数据和历史资料，在对这些数据进行整理、归类、分析的基础上，建立航空软件测评项目资产库。一方面可以为项目决策提供依据，对项目的规模、进度、成本的评估提供参考；也可以与类似项目进行数据比对，借鉴、引用、复用资产库中的项目资源，为项目的持续改进提供帮助。另一方面为了探查软件测评发现的深层次的设计问题，提高软件质量管理能力，将大量数据进行深度挖掘，整合历史数据，加工转化成知识库，达到软件质量管理数据资产化、知识化目的，从而进行影响域分析、编制预示性的质量规则、实现通知报警、趋势分析以及决策管理，将从一定程度上预防软件问题的发生，减少修复软件缺陷的成本，进而提高航空软件产品质量。资产库的建立可以为测评任务分包提供依据，为监督测评项目进展提供手段，为测评单位交流共享测评经验提供平台。
4.2 规范航空软件测评机构管理
当前，软件测评机构在技术能力、管理水平等方面良莠不齐，给主管部门和决策机关评价、选择测评机构带来不少困难。为了规范软件测评机构管理，提升软件测评质量，应建立完善机制，加强对软件测评机构的评价。督促测评机构建立质量管理体系，并按要求开展软件第三方测评。测评机构应依据GJB2725A《测试实验室和校准实验室通用要求》，建立并规范软件测评全过程。研究提出软件测评能力成熟度模型，对软件测评机构进行评价和审查。通过对软件测评情况进行跟踪问效，尤其是在航空装备交付部队使用后，收集因软件造成的技术质量问题，统计分析因测评质量不过关引起的比例，及时反馈软件测评机构，建立软件测评质量信息闭环沟通机制。一方面，有利于软件测评机构及时知悉测评软件的实用质量，不断迭代改进软件测评工作；另一方面，也有利于主管机关了解掌握测评机构的工作质量，为科学评价管理测评机构提供有力支撑。
4.3 加强航空软件测评质量监督
当前，软件质量监督已上升为军代表质量监督工作的重要内容，但软件测评质量监督，军代表参与不够，是个质量监督的“盲区”。作为军代表，加强航空软件测评质量监督，应在以下三方面下功夫。一是明确软件测评质量监督职责。在测评过程各阶段，明确审查文件的类别和评审内容，并提出合理建议；参与软件定型（鉴定）测评，监督研制单位的软件配置管理和缺陷修复、归零工作，把关回归测试质量；协调测评机构与研制方、总体单位等各方在测评进度、测评资源等方面的问题，保证测评项目顺利实施。二是严格把控软件测评条件准入。按照航定〔2012〕4号《航空军用软件定型测评进入条件评估标准》，开展软件测评前的审查把关，确认测评条件、测评环境建立，督促研制单位按程序开展软件自测试、内部评审和提交审查。三是加强军方监督方的内部沟通。军方决策机关、研究院，驻研制方、测评方、总体单位军代表，相互之间应建立测评信息沟通机制，可以参照GJB3889《大型复杂装备军事代表质量监督体系工作要求》，建立软件测评质量监督管理体系，加强航空装备软件测评工作的沟通和协调，合力提升软件测评质量。
4.4 构建航空软件测评管理体系
国内目前还没有建立基于DO-178B系列标准的航空软件测评实施规范，因此在分析借鉴适航标准中对软件验证要求的基础上，建立适合我国航空武器装备现状的软件管理体系，将有利于航空软件测评质量的提升。从软件测评技术的角度，重点关注软件的功能验证，主要包括基于需求的功能测试和分析，性能和可靠性测试，代码的结构覆盖率分析。与之相对应的是审查、分析和测试三种技术，以及静态审查和分析、单元测试、集成测试、系统测试、确认测试等五个测试级别。参考DO-178B中测试目标要求与软件测试的对应关系，可以建立符合DO-178B的软件开发与软件验证关系，规范指导软件测试工作。从软件测评过程的角度，重点关注测试需求分析、测试策划、测试设计与实现、测试执行和测试总结等五个阶段。结合适航标准，可以建立五个测评阶段与测评文档之间的映射关系，细化明确测评过程，规范指导测评工作。从以上两个角度，制定软件测评技术和过程实施方案，规范构建软件测评管理体系，全面提升航空软件测评质量。
5结束语
依托国内软件测评中心积累的大量软件测评项目历史数据和测评项目实施案例，在研究软件测评通用过程模型和测试技术基础上，结合航空软件嵌入式、实时性、高安全性等特点，研究了影响软件测评质量的因素，建立了航空武器装备软件测评质量的度量指标体系和量化评估模型，评价了软件测试的充分性、有效性、效率和测评项目管理质量，提出了提升软件测评质量的途径和方法，最终达到提高航空武器装备软件测评质量的目标。对规范提升软件测评单位的测评工作质量、加强军方对软件测评质量的监督管理，都具有很好的理论引导和应用价值。
稿件来源：《航空标准化与质量》期刊
namo-amitabhaya！ https://t.cn/RyhTm9c
航空工业综合所 今天
导语
航空武器装备软件多为嵌入式软件，具有特定运行环境，实时性强，而且多为高安全、高可靠性软件。作为武器装备的“神经中枢”，其地位和作用日益突出，软件质量已成为决定航空装备战斗力生成的关键因素。软件测评作为保证软件质量的重要手段，已成为航空武器装备软件研制和定型中的一个重要环节。
1分析影响软件测评质量的主要因素
结合航空武器装备软件（简称：航空软件）测评的特点，立足以往开展航空软件测评工作的基础，分析测试准入条件、测试技术、测试过程控制三个方面对航空软件测评质量的影响。
1.1测试准入条件对测评质量的影响
《航空军用软件定型测评进入条件评估标准》包括文档适用性、软件技术状态有效性、内部测试充分性和定型测评环境完备性四个方面的内容。文档适用性主要评估软件研制文档完整性，软件技术状态有效性主要评估软件技术状态已确定并纳入配置管理，内部测试充分性主要评估文档审查与代码审查充分性、单元测试充分性、配置项测试充分性、系统测试充分性，定型测评环境完备性主要评估配置项测试环境有效性、系统测试环境有效性、测试环境可用性。此外，测评人员是否符合要求也是测试准入条件的重要方面，测评人员的素质直接影响测评质量。
1.2测试技术对测评质量的影响
针对适航标准，结合航空软件测试流程，对航空软件单元测试、配置项测试、部件集成测试和系统测试的技术要求进行分析，从技术层面总结出影响软件测评质量的因素，主要集中在测试需求的确定、测试环境的准备、测试用例的设计三个方面。航空软件测试需求分析质量将直接影响被测软件的测试充分性。测试环境的准备是否有效，是否支持所有测试项的测试，以及与实装环境的差异，也会影响航空软件测评质量。测试用例设计是否合理，是否覆盖被测试软件需求，对软件测试有效性、充分性和测试效率均产生影响。
1.3测试过程控制对测评质量的影响
测试过程控制中的项目策划、项目监督、质量保证和配置管理，是影响航空软件测评质量的主要因素。项目策划贯穿于测评过程每个阶段，由项目负责人组织测评项目组进行阶段实施策划，拆分技术活动，编制和分配任务描述表。项目监督是在进行里程碑节点任务统计分析的同时，组织例会和内部评审，并与委托方、军代表、研制方沟通和评价项目的进展情况。质量保证是依据测评质量保证计划，评审软件测评活动，审核测评工作产品，验证其符合性，及时通报结果，跟踪不符合项的解决情况。配置管理是对整个测评项目生存周期内的被测件和测评项目的工作产品、测试工具和测试环境进行版本控制，维护其完整性。
2研究确定软件测评质量度量指标
一个良好成熟度的软件测评过程不仅是定性描述，而且是可量化的过程，选取可表针其质量状况的度量指标是关键。在分析影响航空软件测评质量主要因素的基础上，本着有效性和可实施性的原则，把测试准入条件、测试技术和测试过程控制三个方面，归纳总结为测评管理和测评技术两个维度，分析确定影响软件测评质量的可度量指标。
2.1测评管理过程
航空软件测评管理过程，主要是围绕持续改进测评项目的质量、提高生产率和降低成本三方面，开展软件测评全过程的监控和管理。管理是全过程的，度量是发生在项目实施过程中和结束后。通过加强航空软件测评过程管理和考核，一方面可作为测评项目承担单位的资产库内容，指导后续项目的执行；另一方面可以评估正在进行的测评项目的质量状况、跟踪阶段测评发现问题的解决情况、预测项目执行过程中存在的风险、调整优化工作进度和流程。把测试准入条件中规定的四个方面，以及测试过程控制中总结的四个因素，进行分析研究，归纳概括为测评实施前、实施中、实施后三个阶段的管理活动，可以分别用测评策划有效性、进度偏差、评审发现的问题跟踪这三个指标，作为测评管理过程质量度量指标。
2.2测评技术过程
航空软件测评技术过程，主要包括测试需求分析、测试策划、测试设计与实现、测试执行、测试总结等环节开展的测评技术活动。测试需求分析针对被测软件测试需求的充分性以及测试类型选取的充分性进行评估。测试策划主要对测试组织设置的合理性、测试进度估计的有效性、测试环境构建的合理性，以及对测试需求的跟踪性等方面进行评估。测试用例设计与实现是软件测评开展的关键阶段，测试用例的有效性依赖于测试环境支持情况，测试用例充分性取决于用例对软件所有功能点的覆盖情况，测试用例设计效率依赖于测试团队人员能力水平等。测试执行主要是按照测试计划进行测试，测试执行的有效性依赖于测试用例缺陷的发现率、有效性和检错率等，测试执行的充分性取决于测试用例对需求的覆盖率、用例执行率、代码走查/审查力度的检错率等，测试执行的效率依赖于代码审查的效率、测试人员的工作效率等。测试总结是对测试工作和被测软件进行分析和评价，分类和总结测试结果及软件缺陷，报告软件测评过程和结果。
测评技术过程的质量可以从测试充分性、测试有效性、测试效率三个维度进行度量考核。测试充分性的度量可以分解为测试需求充分性、测试类型充分性、代码走查审查充分性、测试用例设计充分性、动态测试充分性等五个二级指标度量；测试有效性的度量可以分解为测试环境搭建有效性、测试用例实际有效性、测试执行有效性等三个二级指标度量；测试效率可以分解为测试用例设计效率、测试执行效率、测试项目效率等三个二级指标度量。
3构建航空软件测评质量评估模型及实例验证
3.1 航空装备软件测评质量评估模型
从航空软件测评管理过程和技术过程两个维度，分析影响测评质量的主要因素，总结提炼出二级度量指标，构建航空软件测评质量评估模型如下（如图1所示）。
图1 航空软件测评质量评估模型
3.2 实例验证
以一个实际的航空软件测评项目为实例，对软件测试项目管理的质量和测试过程充分性、有效性、效率的量化评估模型及其技术实现进行验证。由于软件配置项测试过程具有典型性并且测试类型齐全，另外航空软件多为嵌入式软件，故选取某型装备嵌入式软件配置项测试进行说明。
被测软件基本情况如下：被测软件类型为嵌入式软件、规模11009行、开发语言为C、开发平台为VC33（芯片的开发平台）、测试级别为配置项测试、使用的测试工具为Klockwork9.2。
在该实例测试工作完成后，采集实例测试过程基础数据。本次测试项目设计并执行测试用例数为790个，发现软件缺陷共83个（致命缺陷1个，严重缺陷4个，一般缺陷78个），动态测试发现缺陷数为64个，代码审查发现软件缺陷数为19个，测试总工时为582人时，需求涉及的测试类型为11种。
实例中的软件测评项目总体评价通过测评项目管理质量和测试充分性、测试有效性、测试效率四个方面进行评价，得到以下评价结论，见表1。测评项目管理质量等级为{差 一般 较好 好}，对应分值为[0,0.5]、[0.5,0.8]、[0.8,0.9]、[0.9,1]；测试充分性等级为{不充分、基本充分、较充分、充分},对应分值为[0,0.6]、[0.6,0.8]、[0.8,0.9]、[0.9,1]；测试有效性等级为{无效、基本有效、较好、好},对应分值为[0,0.5]、[0.5,0.7]、[0.7,0.9]、[0.9,1]；测试效率等级为{无效、低、中、高},对应分值为[0,0.3]、[0.3,0.6]、[0.6,0.8]、[0.8,1]。本测评项目质量评价最终得分为[0.35 0.35 0.2 0.1]*[0.98 0.81 0.54 0.64]=0.80。
4 总结提升航空软件测评质量的建议
4.1 建立航空软件测评项目资产库
航空武器装备软件第三方测评、鉴定测评、定型测评，积累了大量的测评项目数据和历史资料，在对这些数据进行整理、归类、分析的基础上，建立航空软件测评项目资产库。一方面可以为项目决策提供依据，对项目的规模、进度、成本的评估提供参考；也可以与类似项目进行数据比对，借鉴、引用、复用资产库中的项目资源，为项目的持续改进提供帮助。另一方面为了探查软件测评发现的深层次的设计问题，提高软件质量管理能力，将大量数据进行深度挖掘，整合历史数据，加工转化成知识库，达到软件质量管理数据资产化、知识化目的，从而进行影响域分析、编制预示性的质量规则、实现通知报警、趋势分析以及决策管理，将从一定程度上预防软件问题的发生，减少修复软件缺陷的成本，进而提高航空软件产品质量。资产库的建立可以为测评任务分包提供依据，为监督测评项目进展提供手段，为测评单位交流共享测评经验提供平台。
4.2 规范航空软件测评机构管理
当前，软件测评机构在技术能力、管理水平等方面良莠不齐，给主管部门和决策机关评价、选择测评机构带来不少困难。为了规范软件测评机构管理，提升软件测评质量，应建立完善机制，加强对软件测评机构的评价。督促测评机构建立质量管理体系，并按要求开展软件第三方测评。测评机构应依据GJB2725A《测试实验室和校准实验室通用要求》，建立并规范软件测评全过程。研究提出软件测评能力成熟度模型，对软件测评机构进行评价和审查。通过对软件测评情况进行跟踪问效，尤其是在航空装备交付部队使用后，收集因软件造成的技术质量问题，统计分析因测评质量不过关引起的比例，及时反馈软件测评机构，建立软件测评质量信息闭环沟通机制。一方面，有利于软件测评机构及时知悉测评软件的实用质量，不断迭代改进软件测评工作；另一方面，也有利于主管机关了解掌握测评机构的工作质量，为科学评价管理测评机构提供有力支撑。
4.3 加强航空软件测评质量监督
当前，软件质量监督已上升为军代表质量监督工作的重要内容，但软件测评质量监督，军代表参与不够，是个质量监督的“盲区”。作为军代表，加强航空软件测评质量监督，应在以下三方面下功夫。一是明确软件测评质量监督职责。在测评过程各阶段，明确审查文件的类别和评审内容，并提出合理建议；参与软件定型（鉴定）测评，监督研制单位的软件配置管理和缺陷修复、归零工作，把关回归测试质量；协调测评机构与研制方、总体单位等各方在测评进度、测评资源等方面的问题，保证测评项目顺利实施。二是严格把控软件测评条件准入。按照航定〔2012〕4号《航空军用软件定型测评进入条件评估标准》，开展软件测评前的审查把关，确认测评条件、测评环境建立，督促研制单位按程序开展软件自测试、内部评审和提交审查。三是加强军方监督方的内部沟通。军方决策机关、研究院，驻研制方、测评方、总体单位军代表，相互之间应建立测评信息沟通机制，可以参照GJB3889《大型复杂装备军事代表质量监督体系工作要求》，建立软件测评质量监督管理体系，加强航空装备软件测评工作的沟通和协调，合力提升软件测评质量。
4.4 构建航空软件测评管理体系
国内目前还没有建立基于DO-178B系列标准的航空软件测评实施规范，因此在分析借鉴适航标准中对软件验证要求的基础上，建立适合我国航空武器装备现状的软件管理体系，将有利于航空软件测评质量的提升。从软件测评技术的角度，重点关注软件的功能验证，主要包括基于需求的功能测试和分析，性能和可靠性测试，代码的结构覆盖率分析。与之相对应的是审查、分析和测试三种技术，以及静态审查和分析、单元测试、集成测试、系统测试、确认测试等五个测试级别。参考DO-178B中测试目标要求与软件测试的对应关系，可以建立符合DO-178B的软件开发与软件验证关系，规范指导软件测试工作。从软件测评过程的角度，重点关注测试需求分析、测试策划、测试设计与实现、测试执行和测试总结等五个阶段。结合适航标准，可以建立五个测评阶段与测评文档之间的映射关系，细化明确测评过程，规范指导测评工作。从以上两个角度，制定软件测评技术和过程实施方案，规范构建软件测评管理体系，全面提升航空软件测评质量。
5结束语
依托国内软件测评中心积累的大量软件测评项目历史数据和测评项目实施案例，在研究软件测评通用过程模型和测试技术基础上，结合航空软件嵌入式、实时性、高安全性等特点，研究了影响软件测评质量的因素，建立了航空武器装备软件测评质量的度量指标体系和量化评估模型，评价了软件测试的充分性、有效性、效率和测评项目管理质量，提出了提升软件测评质量的途径和方法，最终达到提高航空武器装备软件测评质量的目标。对规范提升软件测评单位的测评工作质量、加强军方对软件测评质量的监督管理，都具有很好的理论引导和应用价值。
稿件来源：《航空标准化与质量》期刊
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