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今年3月,美军F-35战斗机计划主管在美国国会听证会上表示,尽管1月美空军完成了F-35首架按“技术翻新-3”(Technology Refresh-3)硬件升级飞机的试飞,但F-35的软件升级仍面临挑战,整体计算机软硬件升级工作预计比原计划延迟一年,到2024年4月才能首次交付配备“技术翻新-3”升级的F-35。F-35是一型软件密集型装备,其机上软件代码超过800万行,80%的作战功能涉及软件。

F-35软件升级遇到的问题

F-35战斗机计划是美国防部历史上金额最大的装备采办计划,研发、采购、使用和维护成本估计超过1.7万亿美元。该计划从2018年起进入“持续能力开发与交付阶段”(C2D2,相当于并行的产品交付和持续升级),当前的主要工作是推进第4批次能力升级,该升级首先要开展名为“技术翻新-3”的软硬件升级,之后开展重要软件能力升级,以集成新的机载设备和武器。在第4批次升级中,主要升级的软件包括任务系统软件、运行保障系统软件和联合仿真环境软件等。综合已公布的情况,目前F-35软件升级中主要问题有三个:任务系统软件存在大量缺陷导致进度延迟;运行保障软件问题导致飞机可靠性可维护性不足;联合仿真环境软件延缓飞机试验鉴定。

1.任务系统软件存在大量缺陷导致进度延迟

F-35任务系统软件升级一方面是为了实现新的能力,另一方面则是修复系统开发与演示验证阶段发现的软件缺陷。但软件缺陷不断出现,而且很多缺陷是在软件交付到测试飞机后才发现的,因此任务系统软件的缺陷总量并未明显减少。例如,根据美国防部报告,在任务系统版本30R06和本30R07软件中又发现了与通信系统、雷达、驾驶员操作界面、数据融合相关的缺陷。从2019年启动的第4批次能力升级研发工作,每年都面临项目的成本增加和计划延期问题,直到2021年后,该升级工作仍然受到软件研发进度的影响,这导致F-35项目办公室已将第4批次能力升级的交付周期延长到2029财年,比初始计划滞后了3年。

2.运行保障软件问题导致飞机可靠性可维护性不足

F-35 最早的运行保障平台“自主保障信息系统”从2002年就开始研发,第一个具备初步功能的系统到2018年9月才完成测试,比原计划晚了近8年。因为该项目启动过早,到投入使用时,其软硬件架构都存在过时问题,而且系统的可用性很差。导致飞机的可靠性和可维护性不足,根据美国政府问责局的报告,该系统的问题严重到“电子记录经常不正确、损坏或丢失,导致错误发出飞机应该停飞的信号”,其他软件问题还包括数据不正确或者丢失、系统部署困难、用户体验差等。

3.联合仿真环境软件延缓飞机试验鉴定

虽然到2023年3月美军已经部署564架F-35,洛马公司也已制造完成900余架飞机,但该项目仍然没有完成初始作战试验与鉴定工作。这是因为F-35采办计划的另一个软件——联合仿真环境项目的模拟器软件进度滞后,进而导致该型机初始作战试验鉴定工作一再推迟。具体来说,联合仿真环境中能够运行F-35高保真仿真模型、任务系统软件以及其他武器系统、威胁系统、环境效应的软件模型,提供模拟复杂场景的虚拟环境,因为只有在仿真环境中才能够测试飞机应对密集、现代地面和空中威胁的能力,F-35的初始作战试验与鉴定工作中,有64项测试工作必须在联合仿真环境建设完成后开展。但因联合仿真环境项目在模拟器软件开发方面的技术挑战,导致该环境建设进度一再延迟,进而导致F-35初始作战试验与鉴定工作一再推迟。虽然最新的初始作战试验鉴定完成时间又一次推迟,但美国防部认为因为联合仿真环境软件相关问题,仍然存在继续延迟风险。

美军针对F-35软件升级问题采取的解决举措

针对F-35采办计划实施过程中出现的软件问题,美军方和工业界从转变开发模式、重构技术架构、持续优化应用等方面入手着力解决。

1.采用开发安全和运维一体化等现代化方法改善任务系统研发状态

为解决F-35任务系统软件持续发现缺陷/疲于修正的问题,F-35计划办公室与洛马公司组织了专家团队进行评估,专家团队针对敏捷软件开发和软件成熟度问题进行调查后,提出遵循商业软件最佳实践、完善开发安全和运维一体化的应用流程和工具、应用敏捷开发方法、定义软件最小可行产品需求、提升集成测试能力、缩短软件迭代周期等“软件研发生态”改进的建议。

针对这些建议,F-35计划办公室利用来自美军和洛马公司的投资,对F-35软件研发环境进行持续改善,执行了评估团队提出的16项建议,为非适航飞机构建了舱内电子环境支持软件测试,优化了软件研发流程、工具和环境,推进了开发安全运维一体化和敏捷开发方法的应用。未来还计划针对性升级软硬件在环实验室,以软件在环、硬件在环、人员在环等技术解决复杂硬件装备软件自动化集成测试的障碍,以在集成和测试时间线中尽早发现软件缺陷,从而降低缺陷修复成本。利用现代化软件研发方法,该计划已经实现了50%以上的核心回归测试自动化,覆盖超过2.6万个测试点。

2.重构运行保障软件的软硬件技术架构并推进边运行边过渡

针对已在运行的“自主保障信息系统”存在的问题,2020年美国防部提出从“自主保障信息系统”过渡到“运行数据集成网络”的方案,旨在解决原自主保障信息系统的软硬件架构过时问题,同时提高数据集成交互能力。在此过程中,美军一方面针对旧系统执行“风险燃尽”计划,形成最终版本。另一方面,新系统设计了支持基础架构即代码(IaC)的硬件无关架构,确保软件在开发和生产环境无缝过渡,并采用更小的模块化硬件和微服务软件架构,具有硬件更易部署、软件模块更小、松耦合等特点,能够支持更快、更频繁的软件更新。由于采用边运行边过渡的渐进方式,整个过渡工作预计要数年完成。

目前该工作团队仍在开发“自主保障信息系统”的最终版本,但已在2022年发布了2个更新版本,解决了美军的最优先需求,并增强了网络安全。尤其是针对电子记录不正常经常导致无法安装备件、严重影响机队完好率的问题,通过改进旧系统的软件和数据集成等措施,使备件可用率从2020年的43%提高到2022年的80%左右,基本解决了相关问题。针对新系统“运行数据集成网络”,2022年以来已经开发了基础软件架构和模块,重构了与新架构不兼容的部分应用程序,开发了数据集中归档和检索功能,以提高单元硬件性能,提升数据访问的便捷性,增强机队分析功能。同时,团队于2022年在16个场地部署并启动了新系统中新的非密硬件,并计划在2023年启动涉密硬件的部署。

3.采用持续优化并拓展应用的方式加速推进联合仿真环境软件研发

为加速开发联合仿真环境软件,研发团队采用了拓展软件应用方式、结合应用持续优化等措施,持续提升软件成熟度。到2023年4月,虽然联合仿真环境软件还有5个优先缺陷没有修复,3个缺陷修复没有验证,但总体来说已经进入系统开发和集成工作的最后阶段。若联合仿真环境后续研发工作顺利,初始作战试验与鉴定也能如期完成,那么美军很有可能在2023年年底批准F-35投入全速生产。在拓展应用方面,美军组织多所装备学校和作战中队使用该软件接受培训。根据反馈,该软件被认为是F-35训练最真实的威胁仿真环境,对训练有很大帮助。例如,在美海军攻击机战术指导项目的5天工作中,教员和学生完成了118个不间断模拟器周期,模拟出动飞机334架次、发射空空导弹近1000次,这5天内完成的训练内容比之前1年完成的常规中队训练内容更多。美军认为,当前联合仿真环境在高端作战和武器训练方面,已能提供前所未有的保真度和效率。

几个要点

1.安全和测试是制约现代化软件方法应用的重要因素

美军应用开发安全运维一体化、敏捷开发等现代化软件方法的目的是将硅谷企业的现代化成熟商业实践引入装备研发和升级中,2022年美国防部发布《软件现代化战略》进一步加速了该过程。商业实践的现代化开发方法中,除了容器、管道等自动化技术外,还包括安全设计前置(即所谓的安全左移)和自动化测试等设计与流程上的变化。在美军一般软件为主的项目中,现代化软件方法已经达到较好的应用效果,80%的项目都实现了1年内交付升级1次的目的。但硬件为主的装备平台复杂度远大于软件为主项目,在安全和测试方面面临的问题非常复杂,如果不妥善解决,必将成为现代化软件方法应用的重要制约点,因此必须针对性地研究以软件在环、硬件在环、人员在环等技术思路为主的软件自动化集成测试技术,开展安全设计前置和测试能力优化等工作。

2.软硬件架构设计会形成制约装备能力和软件升级的技术债务

美军F-35飞机运行保障软件问题很多,之前的“自主后勤信息系统”就存在数据集成错误影响飞机运行、硬件过大不利于在中队部署等问题。在过渡到“运行数据集成网络”的过程中,因为前系统已经在部署运行、新系统采用了新的硬件设计和云架构、新开发模式导致软件架构调整等原因,必须采用逐步替换的方式,将过渡工作延长到几年。在第4批次的升级中必然存在的“技术翻新-3”机载计算机硬件升级也代表着类似问题,按以前的经验像F-35这样的装备平台往往十几年、甚或几十年都不会有大的调整,计算机硬件平台就会限制软件能力。优秀的软硬件架构设计能够更好地快速升级计算机硬件和算力、支持软件弹性扩展和快速迭代。反之,架构上的问题设计则会成为技术债务,在必要时不得不采用重构或替换等方式,付出更高成本才能实现能力提升。

3.基于软件高保真度的仿真作战试验系统效果凸显

首先,F-35项目中高保真的联合仿真环境作用显著,项目要求初始作战试验鉴定中的64项内容在联合仿真环境中完成,就是因为真实环境中“无法测试F-35面对的密集、现代的地面和空中威胁的能力”。其次,美国国防部认为联合仿真环境“将成为高端训练和装备研发的宝贵资源”,目前已经有3个联合仿真环境在建,应用范围也不局限于F-35项目工作。第三,与常规中队训练相比,使用联合仿真环境开展训练的效率出现了指数级提升,其效果已经通过实践检验。