核工程領(lǐng)域數(shù)值計(jì)算軟件測(cè)試策略分析

蘆韡　馮晉濤　湯琪芬　張娜

【摘 要】在核反應(yīng)堆的工程設(shè)計(jì)活動(dòng)中，用于堆芯中子學(xué)性能分析、燃料元件性能分析、熱工水力與安全分析等目的的一系列設(shè)計(jì)分析軟件均發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為確保核安全相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件的正確性與可靠性，在其投入工程應(yīng)用之前，必須開展嚴(yán)格的軟件V&V;工作。測(cè)試是軟件V&V;活動(dòng)的重要內(nèi)容之一，針對(duì)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)分析軟件包含大量數(shù)值計(jì)算、流程復(fù)雜等特點(diǎn)，結(jié)合典型軟件工程理論進(jìn)行測(cè)試需求分析并選用合理的測(cè)試策略，從而有效提升軟件質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】數(shù)值計(jì)算；軟件測(cè)試；策略

中圖分類號(hào)：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）12-0020-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.008

Analysis of Testing Strategy within Nuclear Engineering Numerical Codes

LU Wei FENG Jin-tao TANG Qi-feng ZHANG Na

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory， Nuclear Power Institute of China， Chengdu， 610213， China）

【Abstract】Nuclear Engineers use abundant calculating codes to perform own work during nuclear engineering design activities. To ensure correctness and reliability of nuclear engineering numerical codes， strict software V&V; work has to be carried out before its actual applications. Considering plentiful numerical calculations and complicated processes within nuclear codes，reasonable testing strategy should be chosen to improve the quality of nuclear codes.

【Key words】Numerical calculation； Software testing； Strategy

0 概述

在核反應(yīng)堆的工程設(shè)計(jì)活動(dòng)中，用于堆芯中子學(xué)性能分析、燃料元件性能分析、熱工水力與安全分析等目的的一系列設(shè)計(jì)分析軟件均發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為確保核安全相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件的正確性與可靠性，在其投入工程應(yīng)用之前，必須開展嚴(yán)格的“驗(yàn)證與確認(rèn)”（verification and validation，V&V;）工作。

測(cè)試是軟件V&V;工作的一部分，其目的在于盡可能發(fā)現(xiàn)軟件的缺陷。反應(yīng)堆設(shè)計(jì)分析軟件往往包含大量數(shù)值計(jì)算（或稱科學(xué)計(jì)算）以及復(fù)雜迭代流程，測(cè)試工作的主要目標(biāo)之一是證明其采用的模型方法及數(shù)值實(shí)現(xiàn)過程的正確性，包括找出問題判斷錯(cuò)誤、算法錯(cuò)誤、設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、邏輯錯(cuò)誤以及輸入輸出錯(cuò)誤等。

針對(duì)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)分析軟件的上述特點(diǎn)，結(jié)合典型軟件工程理論進(jìn)行測(cè)試需求分析并選用合理的測(cè)試策略，在此基礎(chǔ)上精心設(shè)計(jì)測(cè)試用例，才能以較為合理的時(shí)間與人力，系統(tǒng)地找出軟件中潛在的各種錯(cuò)誤和缺陷，取得良好的測(cè)試效果，有效提升核工程領(lǐng)域數(shù)值計(jì)算軟件的質(zhì)量。

1 測(cè)試流程

圖1 測(cè)試流程

隨著軟件開發(fā)過程模型和開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，軟件測(cè)試?yán)碚摵图夹g(shù)也得到相應(yīng)發(fā)展，在軟件質(zhì)量體系中，為了更好的指導(dǎo)軟件測(cè)試的全部過程、活動(dòng)和任務(wù)，提出了軟件測(cè)試模型，常用的軟件測(cè)試模型有瀑布模型、V模型和W模型[1]。

針對(duì)數(shù)值計(jì)算類軟件理論模型復(fù)雜、迭代次數(shù)多、計(jì)算精度要求高的特點(diǎn)，需要通過不同的測(cè)試階段逐級(jí)完成對(duì)代碼、程序設(shè)計(jì)直至軟件需求的驗(yàn)證，從而達(dá)到全面有效地測(cè)試。因此，選用軟件工程中最具代表性的V模型，在編碼完成后通過單元測(cè)試、集成測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試三個(gè)測(cè)試階段來實(shí)施軟件的測(cè)試工作，測(cè)試流程如圖1所示。

具體測(cè)試內(nèi)容包括：

（1）單元測(cè)試，針對(duì)的是軟件開發(fā)中的單元模塊，數(shù)值計(jì)算軟件的單元模塊包括數(shù)據(jù)存取、流程與邏輯控制以及數(shù)值計(jì)算等多種類型，通過靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試來驗(yàn)證單元是否符合軟件設(shè)計(jì)說明所規(guī)定的控制流程、輸出要求等，其中數(shù)值計(jì)算過程的正確性是單元測(cè)試的關(guān)鍵目標(biāo)之一。

（2）集成測(cè)試，在單元測(cè)試的基礎(chǔ)上，將所有模塊按照設(shè)計(jì)要求組裝成子系統(tǒng)或系統(tǒng)，驗(yàn)證軟件模塊集成后的計(jì)算正確性、軟件之間接口、各模塊之間接口及內(nèi)部單元之間的調(diào)用關(guān)系的正確性，驗(yàn)證軟件子系統(tǒng)或系統(tǒng)是否達(dá)到軟件總體設(shè)計(jì)要求。由于數(shù)值計(jì)算軟件是通過不同功能模塊的組合實(shí)現(xiàn)完整的計(jì)算功能，在集成測(cè)試階段需重點(diǎn)關(guān)注軟件采用的模型方法及數(shù)值實(shí)現(xiàn)過程的正確性。

（3）系統(tǒng)測(cè)試，通過在實(shí)際實(shí)用環(huán)境下運(yùn)行軟件，并與軟件的需求定義做比較。核工程領(lǐng)域中部分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件具有豐富的圖形化界面，并支持較為復(fù)雜的用戶交互過程，系統(tǒng)測(cè)試對(duì)于驗(yàn)證軟件系統(tǒng)是否滿足各項(xiàng)需求非常重要。

2 測(cè)試策略分析

核工程領(lǐng)域設(shè)計(jì)分析軟件涉及核工程，數(shù)學(xué)，計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，其中，核工程又包括堆芯中子學(xué)、熱工水力、燃料元件等多個(gè)專業(yè)，各專業(yè)軟件通過計(jì)算堆內(nèi)材料的核特性、堆芯內(nèi)的中子通量和功率分布，堆芯功率分布影響燃料溫度分布以及冷卻劑（慢化劑）的溫度、密度分布等物理數(shù)據(jù)，盡量真實(shí)地模擬堆芯的運(yùn)行過程，反映反應(yīng)堆在運(yùn)行和事故工況下的實(shí)際情況，提高對(duì)復(fù)雜事故工況的認(rèn)識(shí)，更加精確地估計(jì)安全裕量，為核反應(yīng)堆系統(tǒng)安全分析提供技術(shù)手段。

同時(shí)，隨著物理理論模型以及高性能計(jì)算等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，核工程領(lǐng)域設(shè)計(jì)分析軟件的功能需求更復(fù)雜，計(jì)算準(zhǔn)確性及效率要求更高，相應(yīng)的，軟件設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算流程越來越復(fù)雜，計(jì)算精度要求更高。在該類軟件測(cè)試中，需要更重視物理理論模型實(shí)現(xiàn)和計(jì)算的準(zhǔn)確性問題。針對(duì)上述軟件特點(diǎn)，結(jié)合已開展的軟件研發(fā)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，本文提出如下適用于核工程領(lǐng)域設(shè)計(jì)分析軟件的測(cè)試策略：

2.1 單元測(cè)試策略

單元測(cè)試是針對(duì)軟件最小單位—函數(shù)模塊，進(jìn)行正確性檢驗(yàn)的測(cè)試工作。

單元測(cè)試一般是自動(dòng)測(cè)試與人工走查相結(jié)合，測(cè)試者需要依據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)說明書和源程序代碼，了解各個(gè)單元模塊的I/O數(shù)據(jù)和邏輯結(jié)構(gòu)，主要采用白盒測(cè)試的測(cè)試用例，輔之以黑盒測(cè)試的測(cè)試用例，同時(shí)用一些輔助模塊（驅(qū)動(dòng)模塊driver、樁模塊stub）去模擬與被測(cè)模塊相聯(lián)系的其它模塊，使之對(duì)合理的輸入和不合理的輸入，都能鑒別和響應(yīng)。另外，對(duì)有時(shí)間效率要的程序還要做性能測(cè)試。

結(jié)合核工程領(lǐng)域數(shù)值計(jì)算軟件中公式較多與數(shù)據(jù)處理量大的特點(diǎn)，單元測(cè)試策略重點(diǎn)關(guān)注如下幾點(diǎn)：

（1）單元模塊與詳細(xì)設(shè)計(jì)中理論模型或數(shù)值方法的一致性；

（2）單元模塊中全局變量與局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)測(cè)試，包括初始化、數(shù)組越界等問題；

（3）使用具有類似功能但實(shí)現(xiàn)方式不同的單元模塊進(jìn)行對(duì)照測(cè)試；

（4）單元模塊內(nèi)部誤差傳遞的測(cè)試。

2.2 集成測(cè)試策略

集成測(cè)試通常，在單元測(cè)試的基礎(chǔ)上，需要將所有模塊按照設(shè)計(jì)要求組裝成為系統(tǒng)。通常，把模塊集成成為系統(tǒng)的方式有兩種：一次性集成方式、增量集成方式。增量集成相比傳統(tǒng)的階段式集成有著更多優(yōu)勢(shì)，易于定位錯(cuò)誤并降低風(fēng)險(xiǎn)?；谠隽考傻臏y(cè)試策略主要包括以下內(nèi)容：

（1）所有單元模塊組合后能否達(dá)到預(yù)期要求的總體功能，其邏輯關(guān)系與詳細(xì)設(shè)計(jì)中理論模型或數(shù)值方法的一致性；

（2）增量集成包括自底向上、自頂向下、三明治、風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)向、功能導(dǎo)向、T-型等多種方法，在不同類型的數(shù)值計(jì)算軟件測(cè)試活動(dòng)中根據(jù)需要進(jìn)行組合使用；

（3）各個(gè)模塊進(jìn)行連接、組合的過程中，全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及模塊之間的數(shù)據(jù)的測(cè)試；

（4）多個(gè)模塊之間誤差傳遞的測(cè)試；

（5）開發(fā)專用的自動(dòng)化集成測(cè)試工具，在每次版本升級(jí)或代碼更新等情況時(shí)進(jìn)行回歸。

2.3 系統(tǒng)測(cè)試策略

系統(tǒng)測(cè)試，是將通過確認(rèn)測(cè)試的軟件，作為整個(gè)基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)元素，與計(jì)算機(jī)硬件、外設(shè)、某些支持軟件、數(shù)據(jù)和人員等其它系統(tǒng)元素結(jié)合在一起，在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行一系列的組裝測(cè)試和確認(rèn)測(cè)試。

系統(tǒng)測(cè)試主要包括功能測(cè)試、界面測(cè)試、可靠性測(cè)試、易用性測(cè)試、性能測(cè)試等，對(duì)于具有GUI界面的數(shù)值計(jì)算軟件而言，大量測(cè)試工作體現(xiàn)在功能測(cè)試與界面測(cè)試方面，主要考慮以下幾點(diǎn)：

（1）采用黑盒法，在GUI界面上輸入集成測(cè)試用例，驗(yàn)證結(jié)果正確性；

（2）GUI輸入輸出界面的圖形化交互功能以及輸入合法性檢查；

（3）GUI輸入輸出界面與數(shù)值計(jì)算部分的接口檢查；

（4）針對(duì)系統(tǒng)有可能存在的異常操作、軟硬件引起的故障等設(shè)計(jì)測(cè)試用例，驗(yàn)證系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

2.4 自動(dòng)化測(cè)試策略

自動(dòng)化測(cè)試貫穿于軟件開發(fā)測(cè)試各個(gè)階段中，可以使用較為成熟的工具或是結(jié)合核工程領(lǐng)域數(shù)值計(jì)算軟件特點(diǎn)開發(fā)專用的測(cè)試工具，從而提高軟件開發(fā)測(cè)試效率。

針對(duì)數(shù)值計(jì)算軟件結(jié)果數(shù)據(jù)量大的情況，開發(fā)專用的自動(dòng)化測(cè)試工具進(jìn)行輸出結(jié)果提取于自動(dòng)比對(duì)，可顯著提高測(cè)試效率。此外，利用開發(fā)工具也可進(jìn)行部分測(cè)試工作，如VS2010開始直接提供的測(cè)試框架等。

3 核工程領(lǐng)域數(shù)值計(jì)算軟件測(cè)試實(shí)踐

在具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電軟件包NESTOR[2]的研發(fā)過程中，對(duì)于反應(yīng)堆物理、屏蔽與源項(xiàng)、熱工水力與安全分析、燃料元件、系統(tǒng)與設(shè)備等各個(gè)專業(yè)方向的數(shù)值計(jì)算軟件，一般可歸類為中型或大型軟件，其復(fù)雜性既來自它所反映的反應(yīng)堆實(shí)際問題，也來自于軟件本身計(jì)算公式多、求解過程繁雜、迭代循環(huán)多等復(fù)雜的邏輯結(jié)構(gòu)。

將NESTOR軟件包各專業(yè)領(lǐng)域軟件的測(cè)試階段劃分為單元測(cè)試、集成測(cè)試與系統(tǒng)測(cè)試，然后通過軟件特點(diǎn)分析，在不同測(cè)試階段均需選取適用性強(qiáng)的測(cè)試策略，如代碼人工走查、增量測(cè)試以及自動(dòng)化測(cè)試等，檢驗(yàn)軟件代碼是否符合規(guī)范，計(jì)算結(jié)果的期望值、路徑覆蓋率、越界處理方法、人機(jī)界面等關(guān)鍵環(huán)節(jié)是否與相關(guān)設(shè)計(jì)說明書相符合，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)與編碼缺陷并及時(shí)處理，直至所有發(fā)現(xiàn)的缺陷得以修復(fù)并通過回歸測(cè)試。

本文所提出的適用于數(shù)值計(jì)算軟件的測(cè)試策略，在NESTOR軟件包的測(cè)試工作中得到了廣泛且深入的應(yīng)用，效果良好，為確保軟件質(zhì)量及其計(jì)算結(jié)果的可信度提供支撐。

【參考文獻(xiàn)】

[1]覃征，何堅(jiān)，高洪江，等.軟件工程與管理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]劉東，李慶，盧宗健，等.“華龍一號(hào)”設(shè)計(jì)分析軟件包NESTOR的研發(fā)與應(yīng)用[J].中國核電，2017，10（04）：532-536.