在這一背景下，傳統的以文檔為核心、串行開發的瀑布模型研製模式已難以適應新型號對軟件複雜度、可靠性和迭代效率的要求。面對軟件形態從獨立配置項向有機結合的複雜分佈式系統演變、多學科協同難度加劇、全數字仿真驗證需求迫切等現實挑戰，軟件工廠作為一種創新的研製模式，正成為推動航天軟件研製現代化轉型的核心驅動力。

1.現狀篇：航天軟件研製的現狀與挑戰

中國航天軟件研製經歷了從初期的“手工作坊”模式到專業化、工程化的發展歷程。在載人航天立項初期，程序規模較小，工具簡單，開發者和用户分工不明確，程序設計主要追求節省空間和編程技巧。隨着航天強國建設的推進，多型號並舉、短週期研製、高密度發射已成為常態，軟件規模和複雜度呈現指數級增長。

傳統的基於瀑布模型的軟件研製模式適用於系統需求能夠較快明確、需求極少變更的軟件開發過程，然而載人登月火箭軟件系統研製過程具有複雜度高、需求變更頻繁、集成測試難度大等特點，使得傳統模式在新一代火箭軟件開發中面臨嚴峻挑戰。

目前航天型號軟件研製過程中暴露出多個突出問題：

• 系統設計迭代需要軟件進行頻繁變更，導致軟件技術狀態管理難度加大、測試驗證不充分、質量問題頻發；
• 軟件與硬件平台之間、應用軟件各功能部件之間解耦程度不足，軟件局部更改引起的分析不充分；
• 在實物環境下開展軟件調試需要人工前往相關場地，對板卡進行程序加載，環境搭建消耗大量人力物力，整體效率低下。

這些問題嚴重製約了軟件研製的效率和質量，難以滿足載人登月任務對軟件系統的高可靠性、高安全性和快速迭代的需求。

國際層面，軟件工廠已被證明是提升軟件研製效能的有效途徑。美國國防部自2017年開始構建軟件工廠生態系統，已初步建成空、海和陸等軍種軟件工廠生態，在縮短產品交付時間、節約開發成本和提升作戰效能等方面取得了顯著成效。美國洛克希德·馬丁公司在2022年啓動的“One LM Transformation”計劃中，將軟件工廠列為全面升級的重大事項之一，通過持續集成持續交付的可靠管道系統，實現任務功能在幾天和幾周的時間週期內交付。這些成功實踐為中國航天軟件工廠建設提供了重要參考。

2.破局篇：軟件工廠研製模式

軟件工廠作為一種新型的軟件開發模式，旨在通過工業化的生產方式提高軟件生產效率和質量。其核心是通過標準化、模塊化和自動化的手段實現軟件的規模化生產。針對載人登月火箭的特殊需求，軟件工廠研製模式主要包含三個關鍵要素：開放式架構、協同研發和虛擬化驗證。這三個要素相互支撐，共同構成了一個完整的軟件研製生態系統。

1. 開放式架構

開放式架構是軟件工廠的技術基礎，其核心目標是從技術角度開展分層、隔離、抽象的虛擬化平台及系統體系架構研究，採用硬件抽象技術屏蔽不同平台的細節和差異，為應用軟件提供統一化、平台化的服務。在載人登月火箭項目中，這一理念通過“平台+服務+APP”的軟件架構得到具體實現。

▲適用於載人登月火箭項目的軟件工廠研製模式

與傳統箭載軟件架構相比，這種新型架構具有顯著優勢。在操作系統中擴充設備驅動框架，對不同外設的軟件操作接口進行標準化約束，實現設備的快速接入和軟件的高效率移植。各驅動模塊從應用層下沉至平台部分，通過可裁剪的方式使能或屏蔽。研發分佈式消息中間件作為屏蔽硬件差異的高效跨設備軟件交互總線機制，通過它將繁瑣的通信處理抽象成數據總線，應用軟件通過軟總線進行交互，無需關注硬件通信介質。

在具體實施中，載人登月火箭控制系統採用分佈式控制方案，各個箭載軟件分別部署在飛控組合、各級控制組合、各級推力調節控制器中，基於時間觸發以太網（Time-Triggered Ethernet，TTE）總線實現數字控制。基於“平台+服務+APP”的分層架構，通過對飛控組合內各箭載軟件進行綜合需求分析，將飛控組合軟件系統功能劃分為8個APP，各APP通過框架層API使用分佈式軟總線的“發佈-訂閲”機制進行核內、核間、板間及跨設備通信。

▲“平台+服務+APP”的軟件架構

在該機制下，APP與軟總線消息有各自的優先級，APP優先級在初始化時被定義，軟總線消息優先級在發佈時被動態指定。當軟總線消息被髮布後，操作系統使訂閲該消息的APP進入就緒態，基於靜態優先級進行搶佔式調度，並將各APP訂閲的軟總線消息按優先級排序，進入待處理隊列，以此提升關鍵消息傳遞效率，並確保軟件運行結果的確定性。在分佈式環境下，通過消息傳遞後的確認機制來確保數據的同步性；基於操作系統微秒級的上下文切換能力，可以確保軟件運行的實時性。基於實時分區的進程模型設計，可以確保系統的可靠性。

2. 協同研發模式

協同研發要素是通過集成化管理工具和協同環境，實現從需求分析、設計、開發、測試到發佈的全程協同和流程優化，從而提高研發效率，降低溝通成本，確保需求傳遞的一致性。這一模式的運行離不開支持自動化CI/CD流水線的現代化工具鏈支撐。

基於功能點的CI/CD開發方法是協同研發的核心創新。功能點是指能夠單獨完成的某個具體業務流程。這種方法能夠有效降低軟件任務書的提出難度，提出方可以關注具體功能點的需求，軟件設計人員對已明確要求的功能點在軟件設計與實現、調試驗證環節實現敏捷開發，多個功能點經集成測試與驗證後可生成交付的軟件產品。

▲基於功能點的CI/CD開發方法

在載人登月火箭控制系統軟件研製過程中，這一方法得到深入應用。通過CI/CD協同研發平台進行軟件任務書分解，將複雜軟件需求拆分為多個獨立功能點，如TTE總線消息處理、緊急關機處理、自檢要求處理等。每個功能點都有明確的開發優先級標識，使得軟件開發過程更加精細化和可控。

工具鏈與重用資產庫的打通是協同研發的另一個重要特徵。隨着這一機制的建立，軟件開發人員可以在統一的集成開發環境中檢索並獲取軟件重用資產，並將開發完畢的軟件功能推送至集成測試環境開展虛擬化調試驗證。這種模式支持以功能點為單元逐個開展需求分析、設計、調試驗證，最終再將整個軟件系統集成，為項目研發和管理提供更精細化的手段。

在模型驅動開發方面，針對時序控制輸出等功能點採用先進的軟件設計方法，搭建軟件詳細設計模型並開展調試驗證，能夠提前發現設計缺陷。基於MBSE的設計方法使設計人員能夠重點關注業務需求建模，該方法能夠自動生成符合標準的源代碼，降低由於設計人員個體差異而帶來的風險，提高研製質量。

3. 虛擬化驗證

虛擬化驗證旨在為箭載嵌入式軟件系統建設虛擬化運行環境，解決硬件實物到位晚、在實物場景下調試成本過高等問題。全數字仿真測試環境需要集成多源模型、虛擬目標環境，滿足軟件不同階段的開發調試與測試驗證需求。

通過操作系統抽象實現面向操作系統層面的虛擬化技術，通過虛擬資源管理實現硬件資源的統一管理和虛擬資源統一抽象，使應用軟件不再區分所運行的環境是實裝計算機還是虛擬平台，確保系統中所有軟件協同運行結果與實裝系統保持一致。這一技術支撐應用軟件的開發、調試、驗證擺脱硬件環境的束縛。

▲時序控制輸出功能點調試驗證示例

在載人登月火箭控制系統的具體應用中，飛控組合中的箭機模塊採用國產四核ARM芯片，其中飛行控制軟件的綜合部分運行於核0，制導姿控算法部分運行於核1，組合導航軟件運行於核2，每個核均運行操作系統。面向指令集的虛擬化處理器仿真將ARM多核處理器虛擬化，通過基於動態二進制的翻譯技術用於CPU仿真並提升運行效率，實現TTE總線的高實時、可擴展模擬，具備與其他設備進行互聯、擴展的能力。

虛擬化環境還需具備圖形化的自定義外設建模工具，用於實現建模外設的框架搭建。以底層的虛擬實時操作系統為基礎，建立由飛行環境、外部交聯環境和箭體模型運行環境組成的系統多配置項間通信虛擬環境，保證多配置項軟件間通信策略的正確性。針對實物環境難以模擬的一些複雜工況，可以設計專門的輸入條件作為測試用例，有效解決當前普遍存在的系統驗證不充分、軟件問題暴露晚、缺陷修復週期長等問題。

3.實踐篇：軟件工廠的工業軟件工具鏈

軟件工廠模式的落地實施離不開先進的工業軟件工具鏈支持。

天目全數字實時仿真軟件SkyEye通過硬件行為級仿真與虛擬化整合，能夠為載人登月火箭軟件全生命週期提供了高可靠的驗證環境。該平台基於可視化建模技術，支持對飛控計算機、多核處理器及複雜外設的精確仿真，使開發團隊在硬件投產前即可開展軟件集成測試。通過動態二進制翻譯技術，SkyEye得以實現對ARM等多種架構的處理器及各類總線的虛擬化，有效支撐箭載軟件在虛擬環境中的閉環調試與持續驗證，大幅降低了物理調試成本與週期，成為軟件工廠理念實現的關鍵技術基礎。

在面對分佈式系統集成挑戰時，多領域分佈式協同仿真平台DigiThread提供了有效的解決方案。該平台通過FMI標準化接口，能夠將控制系統、動力學模型等異構模塊進行聯調，實現全系統數字孿生驗證。其分佈式的特性能夠充分調度網絡中各個計算節點的計算資源，提升仿真效率，支持跨學科、分佈式項目組的協同工作。

特別值得關注的是，這些工具鏈與CI/CD平台的深度集成，形成了完整的嵌入式軟件自動化研製流水線。從代碼提交、靜態檢查、單元測試到系統集成測試，整個流程實現了高度自動化。這種集成使得軟件質量管控更加精細化和系統化，為載人登月火箭軟件的高可靠性要求提供了技術保障。

4.結語

軟件工廠研製模式通過技術架構革新、流程重構與驗證前移，為載人登月火箭等重大工程提供了高質量、快迭代的軟件研製能力。其核心價值體現在三個方面：通過開放式架構實現軟硬件深度解耦，通過協同研發實現全流程優化，通過虛擬化驗證大幅提升效率。這一模式不僅解決了當前型號研製中遇到的實際問題，更為航天軟件現代化指明瞭發展方向。

隨着航天軟件向系統化、智能化不斷演進，軟件工廠將成為支撐航天強國建設的重要技術路徑。未來，隨着數字孿生、人工智能等新技術的深度融合，軟件工廠將進一步向智能化、自主化方向發展，為高端裝備的數字化轉型提供更加強大的技術支撐。在這一過程中，國產工業軟件工具鏈的持續創新和完善，將為中國航天事業的發展注入新的動能。

參考文獻

[1]劉學士,霍宏,楊揚,等.載人登月火箭軟件工廠研製模式研究[J].宇航學報,2025,46(09):1827-1839.