核安全相關(guān)設(shè)計(jì)分析軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程質(zhì)量控制研究

張 娜，劉 東

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

核安全相關(guān)設(shè)計(jì)分析軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程質(zhì)量控制研究

張 娜，劉 東

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

在闡述核電工程設(shè)計(jì)分析專用軟件的自主化研發(fā)工作背景的基礎(chǔ)上，結(jié)合核電核安全相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，分析了軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程質(zhì)量控制的必要性。同時(shí)，通過(guò)對(duì)軟件全生命周期過(guò)程管理以及關(guān)鍵管理活動(dòng)的描述，詳細(xì)闡述了中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院在核安全相關(guān)設(shè)計(jì)分析軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程質(zhì)量控制方面的工作重點(diǎn)，即通過(guò)建立有效的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程質(zhì)量管理體系、規(guī)范和流程，確保軟件開(kāi)發(fā)質(zhì)量，提高軟件的正確有效性、可靠性、可維護(hù)性和可適應(yīng)性，從而為解決中國(guó)核電工程出口面臨的軟件自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題，增強(qiáng)研究、設(shè)計(jì)工作的自主創(chuàng)新能力，提升核安全保障能力奠定了良好的基礎(chǔ)。

核安全；設(shè)計(jì)分析軟件；開(kāi)發(fā)過(guò)程；質(zhì)量控制

“十二五”期間，是我國(guó)持續(xù)增強(qiáng)國(guó)家實(shí)力、全面建設(shè)小康社會(huì)的戰(zhàn)略機(jī)遇期。盡管有福島事件帶來(lái)的不利影響，但隨著我國(guó)能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)核電仍將有較為強(qiáng)勁的需求，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)核電將成為我國(guó)能源構(gòu)成的重要部分，在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中的比重將越來(lái)越大。與此同時(shí)，我國(guó)與巴基斯坦、阿根廷等國(guó)家在核電領(lǐng)域的合作工作正有序開(kāi)展，預(yù)計(jì)今后的3～5年我國(guó)核電機(jī)組的出口工作將進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的實(shí)施階段。

在核電工程研究、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行等過(guò)程中，核電工程的核安全相關(guān)專業(yè)軟件起著至關(guān)重要的作用。為了解決我國(guó)核電反應(yīng)堆工程設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行過(guò)程中嚴(yán)重依賴國(guó)外設(shè)計(jì)分析軟件的問(wèn)題，促進(jìn)中核集團(tuán)ACP100/600/1000系列等核電工程的出口與技術(shù)轉(zhuǎn)讓工作，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院正積極開(kāi)展核電工程設(shè)計(jì)分析專用軟件的自主化研發(fā)工作，包括堆芯設(shè)計(jì)分析、燃料管理、屏蔽與源項(xiàng)、燃料元件性能分析、熱工水力、結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析等關(guān)鍵的核電設(shè)計(jì)分析軟件的研發(fā)，其中大部分的軟件均為核安全相關(guān)軟件。

因此，在遵循軟件開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)外通用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合核安全相關(guān)設(shè)計(jì)分析軟件的特點(diǎn)，應(yīng)用軟件工程的思想、技術(shù)和方法，建立了一套獨(dú)特有效的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程質(zhì)量保證體系、規(guī)范和實(shí)施方法，確保軟件的開(kāi)發(fā)質(zhì)量，具有非常重要的意義。

1 當(dāng)前核電工程設(shè)計(jì)軟件研發(fā)過(guò)程質(zhì)量控制現(xiàn)狀

1.1國(guó)外現(xiàn)狀簡(jiǎn)介

軟件工程是美國(guó)針對(duì)20世紀(jì)60年代“軟件危機(jī)”而提出的，早期它主要圍繞軟件項(xiàng)目開(kāi)展有關(guān)開(kāi)發(fā)模型、方法以及支持工具的研究。20世紀(jì)60年代末至80年代初，前期著重研究系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，后期開(kāi)始強(qiáng)調(diào)開(kāi)發(fā)管理和軟件質(zhì)量。國(guó)外在軟件工程方面的研究成果，為其核電設(shè)計(jì)分析軟件的研發(fā)工作提供了有力保障。

美國(guó)和歐洲非常重視核電設(shè)計(jì)分析軟件的標(biāo)準(zhǔn)化工作，先后發(fā)布了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，并建立起較完備的體系，用于加強(qiáng)軟件研發(fā)過(guò)程規(guī)范管理與質(zhì)量控制工作。

1.2國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀簡(jiǎn)介

我國(guó)與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)相比，大多數(shù)核電工程設(shè)計(jì)分析軟件研發(fā)單位的軟件工程化水平較低，表現(xiàn)在：軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程沒(méi)有明確規(guī)范，開(kāi)發(fā)過(guò)程常常處于無(wú)序狀態(tài)，質(zhì)量控制的技術(shù)手段與意識(shí)薄弱，軟件質(zhì)量易于失控，軟件的有效性、可靠性與可維護(hù)性程度較低。

2 軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)

中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院針對(duì)當(dāng)前核電設(shè)計(jì)分析軟件開(kāi)發(fā)存在的問(wèn)題，在充分借鑒國(guó)內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，針對(duì)核電工作的特點(diǎn)，特別是核安全相關(guān)軟件的特點(diǎn)，依據(jù)國(guó)家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定和發(fā)布了一套完整的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程質(zhì)量管理程序體系文件，并從貫穿軟件生命周期的活動(dòng)以及伴隨以上活動(dòng)的質(zhì)量管理和支持過(guò)程入手，采用有效的軟件管理方法與軟件工程技術(shù)手段，加強(qiáng)軟件開(kāi)發(fā)工作的質(zhì)量控制與保障。

2.1建立有效的程序文件和規(guī)范

中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核電軟件自主化項(xiàng)目軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程在遵循HAF·J 0047《核電廠安全有關(guān)的計(jì)算機(jī)軟件質(zhì)量保證手冊(cè)》規(guī)定的基礎(chǔ)上，參考國(guó)際上最主流的軟件工程標(biāo)準(zhǔn)CMMI/GJB5000A模型，制定并發(fā)布了符合核電設(shè)計(jì)分析軟件特點(diǎn)的程序文件和規(guī)范,包括：《配置管理規(guī)程》、《變更控制規(guī)程》、《軟件需求說(shuō)明書(shū)編制規(guī)范》、《軟件理論模型手冊(cè)規(guī)范》、《軟件測(cè)試要求》等。此外，針對(duì)每種規(guī)范具體情況，還編寫(xiě)了相應(yīng)的細(xì)則文件詳細(xì)解釋規(guī)范的內(nèi)容，提升規(guī)范的可操作性。

2.2建立需求跟蹤制度

在軟件需求分析、設(shè)計(jì)、編碼和測(cè)試階段，通過(guò)建立需求跟蹤矩陣維護(hù)各個(gè)階段需求實(shí)現(xiàn)之間的一致性和完整性，確保所有的工作成果符合用戶需求。需求跟蹤矩陣的內(nèi)容、建立時(shí)機(jī)和建立者見(jiàn)表1。

表1 軟件需求跟蹤矩陣、建立時(shí)機(jī)和建立者

2.3實(shí)施有效的配置管理

中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院在CMMI/GJB5000A標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)實(shí)施的配置管理活動(dòng)主要包括版本控制、變更管理、配置記錄和報(bào)告及配置審核。

a.版本控制。

版本控制全面記錄和跟蹤開(kāi)發(fā)歷史與狀態(tài)，是配置管理的核心功能。版本控制的實(shí)施情況如圖1所示。

圖1 版本控制實(shí)施情況

b.變更控制。

當(dāng)已經(jīng)通過(guò)評(píng)審的程序、模型、文檔或者數(shù)據(jù)等發(fā)生變更時(shí)，需要執(zhí)行變更控制程序來(lái)實(shí)施變更。變更控制流程如圖2所示。

圖2 變更控制流程

c.配置審核。

對(duì)納入受控庫(kù)和產(chǎn)品庫(kù)的軟件產(chǎn)品進(jìn)行核查，確保軟件配置項(xiàng)的完整性和一致性，配置審核的情況如圖3所示。

圖3 配置審核情況

d.配置記錄和報(bào)告。

對(duì)配置管理情況進(jìn)行記錄，定期發(fā)布并通報(bào)項(xiàng)目組成員，以反映配置管理活動(dòng)的情況。配置項(xiàng)操作記錄如圖4所示。

圖4 配置項(xiàng)操作記錄情況

2.4實(shí)施全過(guò)程驗(yàn)證與確認(rèn)

中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院開(kāi)發(fā)的核電設(shè)計(jì)和分析軟件，多與核安全的評(píng)審相關(guān)，需要根據(jù)其關(guān)鍵性和完整性等級(jí)，開(kāi)展專門(mén)、嚴(yán)格的驗(yàn)證和確認(rèn)工作，以確保規(guī)定的需求和特定預(yù)期用途的需求均得到滿足。

a.需求階段。

需求階段的驗(yàn)證和確認(rèn)是對(duì)需求的完整性和一致性進(jìn)行分析。在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中檢查系統(tǒng)的各項(xiàng)需求是否存在遺漏、需求是否有重疊和交叉內(nèi)容、需求是否有沖突或相悖的情況。

b.建模階段。

建模階段根據(jù)理論模型評(píng)價(jià)指南和軟件驗(yàn)收規(guī)范中的評(píng)價(jià)方法以及評(píng)估流程對(duì)模型的結(jié)構(gòu)、流程、計(jì)算方法等進(jìn)行驗(yàn)證，評(píng)價(jià)模型的正確性和可行性。

c.設(shè)計(jì)階段。

設(shè)計(jì)階段是把軟件需求轉(zhuǎn)化為可在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過(guò)程。這一階段的驗(yàn)證和確認(rèn)工作主要是：檢查設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；檢查逐級(jí)細(xì)化的軟件部件能否得到實(shí)現(xiàn)；驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)能否得到實(shí)現(xiàn)，如體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)交換、模型計(jì)算精度；對(duì)逐個(gè)需求、指標(biāo)進(jìn)行逐層的跟蹤分析，確保它們?cè)谠O(shè)計(jì)階段進(jìn)行了有效、正確的表示。

d.實(shí)現(xiàn)階段。

在實(shí)現(xiàn)階段，驗(yàn)證和確認(rèn)的任務(wù)集中在編制的代碼是否符合設(shè)計(jì)規(guī)格和編碼標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是確定代碼的質(zhì)量。代碼驗(yàn)證包括代碼編寫(xiě)規(guī)范審查、代碼審查和代碼靜態(tài)分析3個(gè)部分。其中，代碼編寫(xiě)規(guī)范審查主要是審核代碼排版的格式以及注解的格式是否符合編程規(guī)范；代碼審查的任務(wù)主要是驗(yàn)證詳細(xì)設(shè)計(jì)中的軟件單元是否都已被代碼覆蓋并正確實(shí)現(xiàn)，并且代碼中不含冗余物；代碼靜態(tài)分析主要是檢查變量或標(biāo)號(hào)的定義與使用、表達(dá)式運(yùn)算以及程序的流程設(shè)計(jì)是否存在缺陷或錯(cuò)誤。

e.測(cè)試階段。

核電工程設(shè)計(jì)分析軟件驗(yàn)證數(shù)據(jù)涉及范圍廣泛，從數(shù)據(jù)來(lái)源上來(lái)說(shuō)包括基準(zhǔn)例題、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、核電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)等。目前，國(guó)際上發(fā)布的基準(zhǔn)例題、國(guó)內(nèi)做的單項(xiàng)試驗(yàn)和從國(guó)外得到的數(shù)據(jù)可以作為程序驗(yàn)證的驗(yàn)證手段。更重要的是我國(guó)目前已有包括秦山一期300MW、秦山二期600MW、大亞灣和嶺噢M310等核電站反應(yīng)堆多年的運(yùn)行測(cè)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都可以用來(lái)進(jìn)行核電設(shè)計(jì)分析軟件的驗(yàn)證。此外，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院在40余年的反應(yīng)堆工程研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中也取得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)是開(kāi)展核電工程軟件驗(yàn)證的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過(guò)這些嚴(yán)格的軟件測(cè)試與驗(yàn)證工作，保證軟件的正確性與可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院在進(jìn)行的軟件自主化工作中，針對(duì)核安全相關(guān)設(shè)計(jì)分析軟件的特點(diǎn)，建立了有效的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程質(zhì)量管理體系、規(guī)范和流程，覆蓋了核安全相關(guān)軟件需求分析、理論模型研究、軟件設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試與驗(yàn)證等全部開(kāi)發(fā)過(guò)程。在全面遵循軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程規(guī)范的同時(shí)，重點(diǎn)針對(duì)核安全相關(guān)設(shè)計(jì)分析軟件在需求分析、軟件測(cè)試、軟件確認(rèn)與驗(yàn)證環(huán)節(jié)的特殊要求，加強(qiáng)了軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程質(zhì)量控制。

當(dāng)前，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院進(jìn)行的軟件自主化工作正在緊張進(jìn)行，從當(dāng)前完成的多個(gè)軟件的開(kāi)發(fā)效果來(lái)看，這些措施有效地提高了軟件有效性、可靠性和可維護(hù)性，為形成高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品提供了質(zhì)保程序與技術(shù)手段,從而為促進(jìn)ACP100/600/1000系列等核電工程的出口與形成軟件技術(shù)轉(zhuǎn)讓能力奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1] SAFETY GUIDE No.NS-G-1.1-2000 Software for Computer Based Systems Important to Safety in Nuclear Power Plants[S].

[2] No.282-1988 Manual on Quality Assurance for Computer Software Related to the Safety of Nuclear Power Plants[S].

[3] R.G 1.168-2004 Verification,Validation,Reviews,and Audits for Didital Computer Software Used in Safety Systems of Nuclear Power Plants[S].

[4] No.282-1988 Manual on Quality Assurance for Computer Software Related to the Safety of Nuclear Power Plants[S].

Researchonthequalitycontrolindevelopmentprocessofnuclearsafetysoftwarefordesignandanalysis

ZHANG Na, LIU Dong

(Nuclear Power Institute of China, Sichuan Chengdu, 610041, China)

Based on the description of background and software development actuality in the nuclear power engineering software technology research project, it analyzes the need of quality control in development process, describes the main work on quality control of nuclear safety design and analysis software of Nuclear Power Institution of China in detail, introduces the management of software life cycle and key activities. Based on building the standard, criterion, implement method and process on quality control in development process, this program can not only insure the quality and promote the validity, reliability, maintainability and adaptability of the software, but also enhance the ability of independence innovation and improve software level of nuclear engineering.

nuclear safety software for design and analysis; development process; quality control

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.11.014

2014-09-09

張娜(1981—)，女，山東淄博人，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院工程師，碩士，主要從事核動(dòng)力裝置軟件研發(fā)、高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究及軟件工程研究工作。

TP311.5

A

2095-509X(2014)11-0063-04