核電軟件過程質量管理實施

張曌寰 盧宗健 宮兆虎

【摘 要】核電軟件的研發(fā)具有可靠性要求高、研發(fā)周期長、流程復雜、開發(fā)人員多等特點，對質量的要求非常高。另外核電軟件的質量與核電工程設計以及核電的運維等相關活動關系密切。故而，針對核電軟件實施過程質量管理對于監(jiān)控軟件產品的質量，確認軟件產品是否符合使用需求以及開發(fā)標準起到了至關重要的作用。

【關鍵詞】核電軟件;NESTOR;質量管理;質量控制

中圖分類號： TP311.53 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）08-0213-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.094

0 引言

核電軟件技術的研發(fā)，具有可靠性要求高、研發(fā)周期長、流程復雜、開發(fā)人員多等特點，質量隱患潛在風險較大。在核電工程設計軟件研發(fā)歷史上，曾經存在軟件研發(fā)不成體系、流程不規(guī)范、研發(fā)團隊零散缺乏有效管理機制、開發(fā)人員、V&V人員以及質量管理人員相互不獨立等問題，導致軟件研發(fā)質量難以得到保證。同時，由于缺乏研發(fā)流程規(guī)范及工程應用與運行管理手段，對核電工程設計等相關科研工作的質量也造成一定的風險。因此，在軟件項目開發(fā)起始階段，建立有效的軟件過程質量管理體系，制定一套完整的軟件開發(fā)質量保證計劃，對保證核電工程設計軟件的研發(fā)的質量具有重要意義。

在中核集團龍騰自主創(chuàng)新科研項目的支持下，由中國核動力研究設計院牽頭，中國核電工程有限公司、中核武漢核電運行技術股份有限公司參與共同研發(fā)出了體系的核電工程設計分析軟件包，打包命名為NESTOR（Nuclear Power Plant Engineering Software Technology Research Project））。NESTOR軟件包包含了核電設計與分析所需要的相關專業(yè)軟件技術，涉及核反應堆物理設計、屏蔽與源項設計、熱工水力與安全分析、燃料元件相關設計、系統與設備設計、儀控設計、軟件共性技術等相關領域。NESTOR軟件項目以核安全導則中關于軟件研發(fā)過程的質量保證及規(guī)范要求為遵旨，結合GJB5000A、CMMI等軟件工程化的指導方針，建立了適合核電工程設計及軟件研發(fā)的創(chuàng)新性的過程質量管理體系，并在該項目中實施并推廣。本文針對NESTOR軟件包的軟件過程質量管理實施流程進行了概要論述。

1 NESTOR項目質量管理的相關要求

項目的質量管理工作包括把質量管理體系及相關規(guī)范標準應用于項目策劃、過程管理、質量控制等相關活動，以保證項目實現最終目標的各個過程滿足相關要求。同時，項目的質量管理活動也是一種支持過程的持續(xù)改進活動。過程和質量保證的目的是客觀評價軟件項目的軟件過程和工作產品，為項目管理人員和項目組成員對項目過程及構造的產品提供客觀、深入的了解，以支持交付高質量的產品。[1]

NESTOR項目的質量管理過程主要包括質量管理策劃、過程質量管理以及質量控制等活動。質量管理相關活動應覆蓋相關軟件研發(fā)全生命周期，覆蓋需求管理、模型研究、軟件設計、V&V流程等各個環(huán)節(jié)，通過監(jiān)督項目研發(fā)團隊是否遵循設定的過程路線實施過程活動并且客觀驗證工作產品與標準、規(guī)程、要求間的符合情況，使得項目產品的生產過程受控以提高產品交付的用戶滿意度，也為管理者對軟件項目的過程和產品提供適當的可視性。

2 NESTOR軟件質量管理活動具體實施

2.1 質量管理體系建設及策劃

開展質量管理的策劃工作，主要目的是識別NESTOR項目及其最終交付成果的質量要求及規(guī)范標準，并且通過書面的形式描述如何證明NESTOR項目符合質量要求及規(guī)范標準的過程管理情況。為了有效地實施質量管理，NESTOR項目制定并實施一整套質量管理性程序作為規(guī)劃的支持性文件。這些程序對各項質量活動的方法、步驟、組織形式、責任和管理制度等作明文規(guī)定。同時，為更好的實施管理程序，監(jiān)督工作計劃和進度，針對每項具體工作制定了工作程序、細則，以及適當的定性或定量的驗收準則。據此，NESTOR項目專門編制了《項目質保大綱》、《NESTOR項目過程質量計劃》以及各軟件產品《軟件質量保證計劃》等相關質量策劃文檔，相關文檔對軟件研發(fā)有關部門和設計人員、管理人員的職責、權限及具體的任務分工，以及各種旨在保證設計與服務質量的控制、驗證要求進行了明確的闡述。核電工程設計軟件開發(fā)過程遵循HAF003以及開發(fā)團隊所在院所質量保證體系，同時依據國家核安全局《核動力廠安全分析用計算機軟件開發(fā)與應用（試行）》中關于質量保證的要求對軟件開發(fā)過程中的質量控制情況進行規(guī)范、約束和監(jiān)督。

2.1.1 組織機構及人員職責分工

NESTOR項目的質量管理組織機構圖如下圖1所示，不同的角色按照對應的職責分工承擔/負責相應的質量活動。其中，質量活動的策劃、管理以及監(jiān)督控制主要由組織級質量保證工程師（組織級QA）以及軟件質量保證工程師（PPQA）組織。PPQA負責編制軟件質量保證計劃并對策劃過程和策劃輸出的工作產品進行審核，而組織級QA則負責組織級質量保證活動方案編寫與實施，并監(jiān)督和檢查PPQA的質量活動，包括對策劃過程和策劃輸出的工作產品的審核記錄進行監(jiān)督。

2.1.2 制定專用規(guī)范及細則

除質量策劃文件以外，NESTOR項目還依據核電工程設計軟件研發(fā)的各個環(huán)節(jié)，建立了一系列的研發(fā)過程規(guī)范，規(guī)范由項目部批準后應用于本項目所承擔的所有核電軟件研發(fā)中，制定的核電軟件研發(fā)過程規(guī)范見表1。

為了避免軟件研發(fā)及理解人員對規(guī)范理解的不一致或疏漏造成的質量風險，NESTOR項目還組織了多次關于軟件研發(fā)規(guī)范的培訓與經驗反饋。隨著軟件研發(fā)規(guī)范化的持續(xù)推進，研發(fā)人員設計開發(fā)的風格逐漸統一，研發(fā)不符合項日益減少，軟件質量得到顯著提高，同時研發(fā)流程也逐漸趨于穩(wěn)定。此外，隨著研發(fā)工作推進，相關規(guī)范也在結合實際工作情況而進行持續(xù)完善優(yōu)化，更好的促進研發(fā)能力的提升。

2.1.3 人員資格管理及培訓

所有從事本項目設計的技術人員和管理人員均根據從事特定設計工作所要求的學歷、經驗和業(yè)務熟練程度通過了不同級別的資格鑒定，根據已取得的相應的資格開展相應的工作，同時軟件驗證與確認工作需由取得相應資格且獨立于開發(fā)團隊的人員進行，人員資格鑒定工作實行動態(tài)管理。從事本項目的人員按相應程序的規(guī)定考核合格并取得相應資質且保持足夠的業(yè)務熟練程度，有能力從事所承擔的工作并理解其活動所產生的安全后果，根據相關程序的要求履行其質量職責。

結合軟件研發(fā)項目安排，相關職能部門組織對從事開發(fā)及管理活動的各類人員均進行了相應的專業(yè)技術培訓、質保培訓，以確保各類各級人員保持足夠的業(yè)務熟練程度和質量意識。

2.2 過程質量管理活動

項目的過程質量管理活動是關注整個項目全生命周期的質量過程，在管理質量的過程期間則重點關注識別質量策劃中所規(guī)定的質量要求，將質量要求設定為測試與評估的目標并貫穿整個項目研發(fā)的生命周期過程，以確認是否能夠達到質量要求。

NESTOR軟件的研發(fā)模型采用瀑布式模型，過程劃主要分為需求分析、模型研究、設計、編碼、測試、驗證、研制總結，共7個階段進行。其中，需求分析、模型研究、驗證等工作由核電工程設計專業(yè)團隊來開展，而設計、編碼、測試等工作由軟件專業(yè)開發(fā)、測試團隊來開展，各團隊間互有接口，協調開展工作。V&V工作以及QA相關工作貫穿了軟件研發(fā)的全過程。

2.2.1 需求分析

核電工程設計人員經過深入細致的地調研和分析，準確理解用戶和項目的功能、性能、可靠性等具體要求，將用戶非形式的需求表述轉化為完整的需求定義，從而確定軟件需要做什么。在需求分析階段即需要建立需求追溯矩陣，并在后續(xù)的開發(fā)過程中動態(tài)維護管理，確保軟件的最終功能滿足相關用戶需求，保證軟件產品質量。

2.2.2 理論模型研究

核電工程設計人員通過對核電軟件理論模型及計算方法進行分析、評價，明確模型及算法的出處，以從軟件理論模型及計算方法層面來保證核電軟件質量，理論手冊的編寫需要滿足相關規(guī)范要求。

2.2.3 軟件設計

軟件專業(yè)開發(fā)人員根據核電軟件需求的出發(fā)，根據需求分析階段確定的功能設計軟件系統的整體結構、劃分功能模塊、確定每個模塊的實現算法以及編寫具體的代碼，形成軟件的具體設計方案，設計說明書的編寫也需要滿足規(guī)范要求。

2.2.4 軟件編碼

開發(fā)人員將核電軟件詳細設計得到的處理過程的描述按照制定的C/C++、JAVA等計算機語言編碼規(guī)范形成穩(wěn)定、易編輯的源程序代碼。所編程序做到結構清晰、簡單易懂，具有良好的可測試性，盡量使用標準庫函數和公共函數，注釋清晰明了。

2.2.5 軟件測試

為了進一步提高所開發(fā)核電軟件測試環(huán)節(jié)的全面性和客觀性，由未參與軟件開發(fā)的第三方進行專業(yè)的測試，測試團隊包括開發(fā)團隊內部測試V&V團隊、高校測試組以及專業(yè)測試公司，針對開發(fā)的核電軟件根據測試規(guī)范開展了獨立的測試和驗證，及時修復發(fā)現的BUG，通過清晰和責任明確的缺陷處理流程，確保軟件的高質量開發(fā)。

2.2.6 軟件驗證

軟件研制完成后，為了證明所研發(fā)的軟件是否實現了預期的目標，軟件開發(fā)團隊采用第三方驗證的方式對所開發(fā)軟件的正確性進行確認，即讓未參與軟件開發(fā)工作的未來可能的用戶方通過確認用例對軟件進行驗證，確認用例包括基準題、實測數據（試驗數據或電廠運行數據）等。通過專業(yè)的第三方驗證，可以有效的提高軟件計算的精度以及保證軟件的正確性。

2.2.7 研制總結

對軟件研制過程的需求分析、理論模型研究、設計、編碼、測試、驗證等各環(huán)節(jié)的開發(fā)過程進行總結，確保各環(huán)節(jié)均滿足相應開發(fā)過程規(guī)范和質量保證的要求。

3 質量控制活動實施

質量控制的目的是為了評估績效，確保項目輸出完整、正確且滿足項目任務預期而監(jiān)督和記錄質量管理活動執(zhí)行結果的過程。NESTOR的實施過程質量控制以確定項目的各階段輸出是否達到預期目的，以及這些輸出是否滿足預期的標準、技術指標以及相關規(guī)范，質量的控制活動也是貫穿整個項目周期的。[2]

3.1 研發(fā)過程控制

軟件研發(fā)過程控制主要覆蓋確定設計要求、基線控制、設計接口控制、設計驗證、設計變更、設計輸出、測試等環(huán)節(jié)。

確定設計要求確定設計要求的設計輸入是開展軟件研發(fā)的基礎和依據，包括軟件研發(fā)所依據的合同、任務書、法規(guī)、標準、功能要求和性能要求。開發(fā)過程中，建立軟件基線分別對代碼設計過程和技術文檔管理過程進行控制。各開發(fā)團隊之間互相索取或提供設計接口資料時也應按照相關質量規(guī)定進行。

設計驗證是審查、確認或證實設計的過程，以保證設計滿足所有的設計要求，包括設計輸入要求、設計過程的計劃和實施情況等。設計驗證由未直接參與相關開發(fā)工作且熟悉軟件需求、能覆蓋軟件包開發(fā)各項技術的各有關方面的專家組成的審查組進行了認真地審查，以確保設計輸出的完整性、正確性、統一性。

設計變更指與需求分析、設計、編碼等活動相關的設計輸出發(fā)布后對上述活動進行的變更。

軟件的設計輸出為軟件檔案資料，包括軟件可執(zhí)行程序代碼、程序源代碼、設計文檔。對軟件源程序代碼進行的設計管理重點側重于代碼測試、驗證、歸檔過程中的配置管理。將代碼、文檔、測試、驗證、歸檔過程中產生的各種軟件設計輸出納入配置管理系統進行管理，需要時僅能從配置管理系統中索取所需資源。軟件開發(fā)過程中產生的設計輸出滿足需求，校審、設計驗證、QA核查、歸檔過程中發(fā)現的問題已進行了糾正。

軟件包相關的測試工作由具有相關資質的第三方專業(yè)團隊進行，測試團隊根據軟件測試的規(guī)范要求，按照測試計劃對軟件進行了測試，確保軟件研發(fā)過程中的所有缺陷均按上述流程進行了有效控制，并得以關閉。第三方測試應對軟件源代碼結構、可讀性、格式與規(guī)范符合程度、計算結果符合全情況、輸出內容與設計要求符合情況、軟件功能項符合情況等做出評定。

3.2 文件控制

實施文件控制的目的是使文件的使用者始終能使用到適用的正確文件。文件的編制、審查和批準按文件控制規(guī)定的要求進行。

為保證在設計過程中使用適當的文件，在每一設計階段的設計活動完成后，及時發(fā)布和分發(fā)有關的設計文件。發(fā)布的文件具有文件名稱、編號、發(fā)文單位、發(fā)布日期和版本等統一標識。各設計階段的文件應按照相關規(guī)范編制，確保結構清晰、內容全面、過程可控、結論嚴謹。

3.3 配置管理

軟件在開發(fā)過程中按照配置管理的要求進行了管理和控制，在開發(fā)過程中產生的工作產品均存放在配置庫中。開發(fā)人員通過使用配置管理工具將工作產品提交到配置庫，配置庫全面記錄了開發(fā)過程的歷史和狀態(tài)。

3.4 糾正措施

在糾正措施方面也需要依據管理要求，對開發(fā)過程中、設計文檔、設計驗證等審查過程中發(fā)現的問題等導致質量下降的情況采取措施進行糾正，相關措施包括組織專題研討、專家咨詢、問題總結以及針對性培訓等。

3.5 軟件質量保證審核及不符合項處理

PPQA根據NESTOR軟件研制所具備的軟件開發(fā)和管理能力、所處的軟件階段定制出項目的過程活動QA檢查單、填寫檢查結果，并通報給項目組各成員;同時識別出不符合項，并依據要求對不符合項進行處理。識別出不符合項后，首先與相關責任人進行溝通、確認，并填寫軟件不符合項記錄表;相關責任人對不符合項進行分析和糾正;質量保證工程師對不符合項進行跟蹤、驗證直至關閉。組織級QA對以上相關活動進行監(jiān)督檢查。

4 結語

軟件過程質量管理工作是貫穿核電工程設計軟件開發(fā)的全過程，對監(jiān)控軟件產品的質量，確認軟件產品是否符合使用需求以及開發(fā)標準起到了至關重要的作用。NESTOR項目針對核電工程軟件特點創(chuàng)建了完整的過程質量管理體系，建立了覆蓋軟件研發(fā)全生命周期流程的一系列開發(fā)規(guī)范，使得NESTOR軟件項目的研發(fā)過程可視、可控、可管理，研發(fā)的軟件成果可信、可靠和高質量。隨著NESTOR項目的實施以及工程化應用，該過程質量管理體系也在持續(xù)優(yōu)化中。

【參考文獻】

[1]姜霄雪，嚴建平，蔣劍偉.基于CMMI的過程和產品質量保證過程研究與應用[J].廣東通信技術，2017，37（04）：77-79.

[2]現代軟件工程[M].清華大學出版社，張曉龍，2011.