驗(yàn)證與確認(rèn)技術(shù)在智能油田信息化建設(shè)中的應(yīng)用

林楊 單延武 安創(chuàng)鋒 詹燕民 鄧欣 楊波 趙越 高小永

1. 中國(guó)海油(中國(guó))有限公司秦皇島32-6/渤中作業(yè)公司；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司；3. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)信息科學(xué)與工程學(xué)院

數(shù)字油田是油田企業(yè)生產(chǎn)、科研、管理和決策的綜合基礎(chǔ)信息平臺(tái)，對(duì)油田的信息化建設(shè)起著統(tǒng)領(lǐng)和導(dǎo)向的作用，能大幅降低石油生產(chǎn)成本和提高油田平均采油率。智能油田是在數(shù)字油田基礎(chǔ)上提出并發(fā)展出的高級(jí)階段概念，其信息化建設(shè)將為油田基層建設(shè)帶來(lái)革命性的變化。智能油田是將油田資產(chǎn)、資源、互動(dòng)與信息技術(shù)深度融合，建立全面感知、預(yù)警預(yù)測(cè)、集成協(xié)同、整體優(yōu)化的油田，推動(dòng)高效運(yùn)營(yíng)、綠色安全、精細(xì)管理，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)價(jià)值最大化。智能油田信息化建設(shè)以提高油田各環(huán)節(jié)工作效率為目標(biāo)，以運(yùn)用信息化、智能化技術(shù)為導(dǎo)向，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化決策和動(dòng)態(tài)診斷為手段，大大降低石油開(kāi)采中的不確定因素和風(fēng)險(xiǎn)。智能油田信息化建設(shè)可以提高油田管理水平和技術(shù)水平，借助信息化技術(shù)可快速提高企業(yè)管理水平和技術(shù)水平。目前，國(guó)內(nèi)各大油田借助統(tǒng)一化數(shù)據(jù)平臺(tái)完成了大量信息的匯總，有助于智能決策。信息化建設(shè)是石油企業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

在智能油田技術(shù)的發(fā)展中，保障油田生產(chǎn)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)工作的安全性和可靠性至關(guān)重要。為保障系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的可靠性，驗(yàn)證與確認(rèn)技術(shù)(V&V)從系統(tǒng)的觀(guān)念出發(fā)，運(yùn)用科學(xué)分析方法識(shí)別、評(píng)價(jià)、控制危險(xiǎn)，使系統(tǒng)達(dá)到最佳安全［1］。V&V的概念最早出現(xiàn)在軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中［2］，之后在PLC的核電廠(chǎng)RIC系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制電路中［3］也有所涉及。軟件V&V活動(dòng)通過(guò)辨識(shí)異常，對(duì)軟件開(kāi)發(fā)中出現(xiàn)的偏離進(jìn)行控制［4］。V&V在實(shí)際的軟件開(kāi)發(fā)中，有著廣泛的應(yīng)用。董雅欣等［5］提出一套應(yīng)用軟件的V&V工作流程，并在具體核安全級(jí)數(shù)字化儀控系統(tǒng)改造項(xiàng)目中加以應(yīng)用檢驗(yàn)。張敏等［6］針對(duì)核電廠(chǎng)安全相關(guān)級(jí)系統(tǒng)的軟件，結(jié)合IEEE Std 1012標(biāo)準(zhǔn)，建立了一種適用于軟件開(kāi)發(fā)各個(gè)階段的關(guān)鍵性分析的具體執(zhí)行方法，最大限度地對(duì)核電廠(chǎng)安全相關(guān)級(jí)軟件關(guān)鍵性分析工作進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。郭佳［7］針對(duì)人機(jī)界面的軟件V&V和人因V&V活動(dòng)在人機(jī)界面的整個(gè)生命周期中耦合交互的特點(diǎn)提出了雙 V&V 框架。張磊等［8］針對(duì)核電站安全級(jí)DCS 應(yīng)用軟件提出了一套V&V體系。葉王平等［9］從核電站安全級(jí)數(shù)字化儀控系統(tǒng)的功能出發(fā)，針對(duì)已有堆型和新研制堆型兩種不同對(duì)象的特點(diǎn)，分析相關(guān)的方法和工具，總結(jié)了軟件V&V活動(dòng)的關(guān)鍵因素。張建波等［10］從驗(yàn)證評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的制定、驗(yàn)證計(jì)劃、驗(yàn)證分類(lèi)、驗(yàn)證方法的選擇和實(shí)施步驟、評(píng)價(jià)方法以及驗(yàn)證結(jié)果的處理多個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，形成了功能可用性驗(yàn)證與確認(rèn)、任務(wù)支持驗(yàn)證與確認(rèn)和人因工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證與確認(rèn)3個(gè)類(lèi)型驗(yàn)證的不同方法體系。安全級(jí)軟件的V&V就是依靠一系列的方法技術(shù)(審查、分析和測(cè)試技術(shù))［11］，來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)完整的軟件系統(tǒng)以及開(kāi)發(fā)過(guò)程中的中間產(chǎn)品是否滿(mǎn)足預(yù)期的功能要求與質(zhì)量要求。驗(yàn)證過(guò)程是處理理論模型和計(jì)算模型之間的關(guān)系［12］，確認(rèn)過(guò)程是處理計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)(真實(shí)世界物理系統(tǒng))之間的關(guān)系。盡管V&V技術(shù)已非常成熟，卻未被引入智能油田信息化建設(shè)中。為從根本上解決智能油田信息化建設(shè)中系統(tǒng)軟件的質(zhì)量問(wèn)題，本文首次將V&V技術(shù)引入到智能油田信息化建設(shè)中以確保軟件開(kāi)發(fā)的安全性、可靠性、可用性以及經(jīng)濟(jì)性。目的從需求階段進(jìn)行糾錯(cuò)，使得軟件維護(hù)成本不斷降低，為智能油田軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。無(wú)論從理論還是實(shí)際應(yīng)用等各方面，V&V對(duì)智能油田的建設(shè)都有著重要的價(jià)值和意義。

筆者從智能油田軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的角度出發(fā)，對(duì)V&V模型、工具和方法在智能油田信息化建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，并用實(shí)例測(cè)試了V&V的有效性，為智能油田信息化建設(shè)貢獻(xiàn)了新思路。

1 V&V模型與工作流程

在IEEE 1012-2016中對(duì)軟件V&V的流程和方法有了較為詳盡的描述［13］。V&V的工作組織和成員獨(dú)立于開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)以保障V&V成果的客觀(guān)性和有效性。V&V關(guān)注重點(diǎn)在于用戶(hù)?系統(tǒng)?軟(硬)件間的關(guān)系。它將油田企業(yè)需求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需求合并為系統(tǒng)需求，更進(jìn)一步將系統(tǒng)需求分解為軟件和硬件需求。V&V模型揭示了V&V活動(dòng)與開(kāi)發(fā)活動(dòng)的關(guān)系，二者通常是同步進(jìn)行的(V&V活動(dòng)如圖1橙色框所示，開(kāi)發(fā)活動(dòng)如圖1藍(lán)色框所示)。協(xié)調(diào)組織好二者之間的關(guān)系，可提高過(guò)程的嚴(yán)密性和工作效率。

圖1 V&V模型Fig. 1 V&V model

本文根據(jù)智能油田信息化建設(shè)的開(kāi)展情況，制定了圖2的V&V工作流程給予項(xiàng)目指導(dǎo)，并在實(shí)際V&V工作中不斷驗(yàn)證、固化該流程，為日后智能油田信息化建設(shè)的V&V工作開(kāi)展奠定了基石。

圖2 V&V工作流程圖Fig. 2 V&V workflow diagram

2 V&V技術(shù)和方法

V&V的具體實(shí)施階段可劃分為：驗(yàn)證系統(tǒng)需求、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件需求分析、軟件設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)、軟件集成［13］。若軟件測(cè)試工具選擇不合理，可能導(dǎo)致V&V工具無(wú)法發(fā)現(xiàn)已產(chǎn)生的錯(cuò)誤或缺陷，甚至引入新的錯(cuò)誤，從而對(duì)軟件開(kāi)發(fā)產(chǎn)生不利影響［14］。在智能油田信息化建設(shè)中，軟件V&V活動(dòng)要確認(rèn)最終工作的軟件系統(tǒng)是否符合油田企業(yè)需求、是否達(dá)到預(yù)期功能，是否滿(mǎn)足法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)要求。為了使軟件測(cè)試工作系統(tǒng)化、工程化，必須合理組織測(cè)試流程。在智能油田信息化建設(shè)中使用的軟件測(cè)試流程有審查、分析及測(cè)試。

2.1 審查

審查主要是針對(duì)智能油田軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程的各階段產(chǎn)生的文檔及產(chǎn)品的審查，包括對(duì)需求文件(系統(tǒng)需求規(guī)范、軟件需求規(guī)范、硬件需求規(guī)范等) 、設(shè)計(jì)文件(系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范、軟件設(shè)計(jì)規(guī)范、硬件設(shè)計(jì)文檔等) 、軟件代碼、測(cè)試文件(測(cè)試大綱、測(cè)試程序、測(cè)試報(bào)告等) 等進(jìn)行審查，常用方法是建立審查表。審查過(guò)程中，審查表通過(guò)逐項(xiàng)列出V&V測(cè)試的主要方面，建立一個(gè)最基本的審查框架，同時(shí)審查智能油田軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)各階段的產(chǎn)品和文檔的正確性、一致性、完整性、精確性、易讀性和可測(cè)試性。為了提高開(kāi)發(fā)軟件在多層次測(cè)試中的質(zhì)量，審查表應(yīng)覆蓋智能油田軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程的所有階段。

2.2 分析

V&V主要從可追蹤性分析、接口分析、關(guān)鍵性分析、危險(xiǎn)分析、信息安全分析及風(fēng)險(xiǎn)分析6個(gè)角度，對(duì)智能油田軟件系統(tǒng)的需求階段、設(shè)計(jì)階段、實(shí)現(xiàn)階段及測(cè)試階段的文檔執(zhí)行了分析工作，具體如圖3所示。

圖3 分析工作圖Fig. 3 Analysis work chart

2.3 測(cè)試

測(cè)試是V&V中對(duì)智能油田軟件產(chǎn)品質(zhì)量保證的重要一環(huán)，有效的測(cè)試對(duì)于開(kāi)發(fā)可靠、安全和成功的軟件產(chǎn)品至關(guān)重要［15］。在智能油田軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的各個(gè)方面，只要是可以執(zhí)行的或者可以編譯的，都可以進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試技術(shù)歸納如圖4所示。

圖4 軟件測(cè)試方法Fig. 4 Software testing methodology

V&V在智能油田軟件系統(tǒng)測(cè)試階段每個(gè)模塊進(jìn)行的測(cè)試工作都是一樣的，選任意一個(gè)模塊作為目標(biāo)模塊舉例。V&V的測(cè)試工作主要為：代碼審查、集成測(cè)試(功能測(cè)試)、性能測(cè)試。

2.3.1 代碼審查

代碼審查是通過(guò)閱讀代碼和人工分析對(duì)編碼規(guī)則進(jìn)行檢查和糾錯(cuò)的過(guò)程，代碼審查流程見(jiàn)圖5。

圖5 代碼審查流程圖Fig. 5 Code review flowchart

2.3.2 集成測(cè)試(功能測(cè)試)

集成測(cè)試用于驗(yàn)證智能油田軟件系統(tǒng)的集成模塊或組件的工作性能，其工作流程見(jiàn)圖6。

圖6 集成測(cè)試流程圖Fig. 6 Integration testing flowchart

2.3.3 性能測(cè)試

性能測(cè)試是在系統(tǒng)基礎(chǔ)功能測(cè)試驗(yàn)證完成、系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的情況下進(jìn)行，其過(guò)程如圖7所示。

圖7 性能測(cè)試過(guò)程Fig. 7 Performance testing process

3 V&V在智能油田信息化建設(shè)各階段工作和任務(wù)

軟件V&V貫穿于智能油田軟件系統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整個(gè)生命周期，V&V活動(dòng)與軟件開(kāi)發(fā)活動(dòng)同步開(kāi)展，以確保軟件產(chǎn)品符合其預(yù)期要求及油田企業(yè)需求。V&V活動(dòng)主要分為需求V&V、設(shè)計(jì)V&V、實(shí)現(xiàn)V&V以及測(cè)試V&V。在V&V活動(dòng)的每一階段，均需驗(yàn)證各階段的產(chǎn)品輸出是否符合需求，從需求階段識(shí)別出驗(yàn)證對(duì)象中存在的異常，并對(duì)其進(jìn)行分析和評(píng)估，確定異常后果的嚴(yán)重程度。在智能油田軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)整個(gè)生命周期中，V&V各活動(dòng)階段執(zhí)行的工作和任務(wù)以及需要重點(diǎn)驗(yàn)證的內(nèi)容如圖8～圖11所示。

圖11 測(cè)試階段V&V的工作任務(wù)Fig. 11 Tasks of V&V during the testing phase

需求V&V活動(dòng)確定了功能性和性能需求，并且涉及軟件需求分析。V&V的目的是，確保需求的正確性、完備性、準(zhǔn)確性、可測(cè)試性和一致性。在選定適當(dāng)?shù)能浖暾约?jí)別后，V&V工作應(yīng)從圖8所示任務(wù)中(可追蹤性分析、接口分析、關(guān)鍵性分析、危險(xiǎn)性分析、信息安全分析及風(fēng)險(xiǎn)分析)執(zhí)行針對(duì)需求V&V的最低限度V&V任務(wù)。

圖8 需求階段V&V的工作任務(wù)Fig. 8 Tasks of V&V in the requirements phase

在設(shè)計(jì)V&V活動(dòng)中，軟件需求被轉(zhuǎn)化為每個(gè)軟件部分的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)。V&V的目標(biāo)是表明設(shè)計(jì)是軟件需求的正確、準(zhǔn)確和完備的轉(zhuǎn)化，沒(méi)有引入非預(yù)期的特征。在選定適當(dāng)?shù)能浖暾约?jí)別后，V&V工作應(yīng)從圖9所示任務(wù)中(可追蹤性分析、接口分析、關(guān)鍵性分析、危險(xiǎn)性分析、信息安全分析及風(fēng)險(xiǎn)分析)執(zhí)行針對(duì)設(shè)計(jì)V&V的最低限度V&V任務(wù)。

圖9 設(shè)計(jì)階段V&V的工作任務(wù)Fig. 9 Tasks of V&V in the design phase

實(shí)現(xiàn)V&V活動(dòng)主要是實(shí)現(xiàn)審查、實(shí)現(xiàn)分析、測(cè)試設(shè)計(jì)及執(zhí)行部件測(cè)試、實(shí)現(xiàn)V&V總結(jié)。V&V的目標(biāo)是驗(yàn)證和確認(rèn)這些實(shí)現(xiàn)是正確、準(zhǔn)確和完備的。在選定適當(dāng)?shù)能浖暾约?jí)別后，V&V工作應(yīng)從圖10所示任務(wù)中(可追蹤性分析、接口分析、關(guān)鍵性分析、危險(xiǎn)性分析、信息安全分析及風(fēng)險(xiǎn)分析)執(zhí)行針對(duì)實(shí)現(xiàn)V&V的最低限度V&V任務(wù)。

圖10 實(shí)現(xiàn)階段V&V的工作任務(wù)Fig. 10 Tasks for V&V in the realization phase

測(cè)試V&V活動(dòng)覆蓋軟件測(cè)試、軟件集成、軟件合格性測(cè)試、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)合格性測(cè)試。V&V的目標(biāo)是確保通過(guò)執(zhí)行集成測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)收測(cè)試使軟件需求和分配給軟件的系統(tǒng)需求得到滿(mǎn)足。在選定適當(dāng)?shù)能浖暾约?jí)別后，V&V工作應(yīng)從圖11所示任務(wù)中(可追蹤性分析、危險(xiǎn)性分析、信息安全分析及風(fēng)險(xiǎn)分析)執(zhí)行針對(duì)測(cè)試V&V的最低限度V&V任務(wù)。

智能油田信息化建設(shè)中，V&V通過(guò)評(píng)估各活動(dòng)階段的異常影響以及發(fā)布異常問(wèn)題的解決時(shí)機(jī)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)智能油田軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的問(wèn)題。V&V對(duì)提高驗(yàn)證軟件的正確性、完整性、準(zhǔn)確性、一致性和可測(cè)試性具有深遠(yuǎn)意義。

4 V&V在油田生產(chǎn)應(yīng)用分析

為驗(yàn)證V&V在實(shí)際智能油田信息化建設(shè)項(xiàng)目中的有效性，采用已有的V&V模型做案例分析。

4.1 分析案例

本文選取了某智能油田信息化建設(shè)項(xiàng)目所覆蓋的業(yè)務(wù)部門(mén)和職能部門(mén)及油水井等所開(kāi)展的智能化應(yīng)用工作，對(duì)設(shè)計(jì)階段接口分析進(jìn)行了測(cè)試，詳細(xì)描述了該項(xiàng)目設(shè)計(jì)V&V的風(fēng)險(xiǎn)分析、關(guān)鍵性分析、接口分析、可追蹤性分析、危險(xiǎn)分析、信息安全分析，將V&V的結(jié)果與意見(jiàn)匯總?cè)绫?所示。

表1 V&V分析統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table for V&V analysis

4.2 測(cè)試案例

本文選取的智能油田系統(tǒng)共分為11個(gè)模塊，測(cè)試過(guò)程中，首先設(shè)定具體的環(huán)境條件，來(lái)模擬智能油田的運(yùn)行場(chǎng)景，并對(duì)系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)進(jìn)行了性能測(cè)試，獲取了系統(tǒng)在現(xiàn)有環(huán)境中不同壓力下的性能數(shù)據(jù)，以此來(lái)識(shí)別系統(tǒng)性能的薄弱環(huán)節(jié)，為下一步性能優(yōu)化提供參考。本次測(cè)試環(huán)境與測(cè)試工具見(jiàn)表2、3。

表2 測(cè)試環(huán)境Table 2 Testing environment

根據(jù)每個(gè)模塊或功能的要求，測(cè)試人員錄制測(cè)試腳本，同一腳本，每次設(shè)置不同的數(shù)值，模擬用戶(hù)操作進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試，根據(jù)系統(tǒng)相應(yīng)情況，調(diào)整腳本參數(shù)，逐步增加，測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)情況，每個(gè)腳本都會(huì)反復(fù)執(zhí)行很多次，以驗(yàn)證系統(tǒng)性能能否達(dá)到要求。 本次的測(cè)試結(jié)果如表4所示，表中百分比表示的是所達(dá)標(biāo)準(zhǔn)次數(shù)占總測(cè)試次數(shù)的百分比。

表4 測(cè)試結(jié)果Table 4 Testing results %

經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)單用戶(hù)響應(yīng)時(shí)間基本都在3 s以?xún)?nèi)，簡(jiǎn)單事物的處理時(shí)間較快。并發(fā)數(shù)與指標(biāo)要求尚存在差距，為后續(xù)優(yōu)化確定了重點(diǎn)方向。在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)V&V技術(shù)定位到不滿(mǎn)足需求的環(huán)節(jié)，在需求階段實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)，減少了軟件的盲目糾錯(cuò)測(cè)試，保障了軟件產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)智能油田信息化建設(shè)意義重大。

表3 測(cè)試工具Table 3 Testing tools

5 結(jié)論

(1)首次將軟件的驗(yàn)證與確認(rèn)(V&V)技術(shù)引入到智能油田信息化建設(shè)中，是一次全新的嘗試。V&V技術(shù)作為軟件質(zhì)量驗(yàn)證的有效手段之一，在智能油田信息化建設(shè)中擔(dān)任了“第三只眼”的角色。V&V審查是對(duì)項(xiàng)目各階段的正式交付成果進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，為下一階段工作開(kāi)展提供基準(zhǔn)和依據(jù)，為智能油田專(zhuān)項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目組嚴(yán)格把關(guān)。V&V貫穿于智能油田信息化建設(shè)項(xiàng)目全生命周期，包括：概念階段、需求階段、設(shè)計(jì)階段、實(shí)現(xiàn)階段、測(cè)試階段、安裝與檢測(cè)階段以及管理階段，為保障軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)質(zhì)量打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。V&V技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已趨于成熟，并成功應(yīng)用在核安全等領(lǐng)域。本文在前人所提技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性應(yīng)用在智能油田信息化建設(shè)中。在實(shí)際智能油田信息化建設(shè)中，引入V&V技術(shù)的軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與傳統(tǒng)的軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本相比，降低幅度約為10%。同時(shí)，根據(jù)智能油田信息化建設(shè)的實(shí)際開(kāi)展情況，制定V&V工作流程，并在實(shí)際驗(yàn)證與確認(rèn)工作中不斷驗(yàn)證、固化流程。

(2)在智能油田軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用的是敏捷方式進(jìn)行迭代，該方法相較于常規(guī)的軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，迭代頻次更高、項(xiàng)目開(kāi)展階段涉及變更更多，給V&V工作帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何針對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的高頻迭代特點(diǎn)開(kāi)展V&V工作，是接下來(lái)的研究重點(diǎn)。