我國(guó)核電自主化軟件的驗(yàn)證和確認(rèn)

劉華

【摘 要】核電自主化軟件是我國(guó)成為核電強(qiáng)國(guó)、實(shí)施核電中長(zhǎng)期規(guī)劃、核電技術(shù)走出去的關(guān)鍵要素。介紹了核電自主化軟件的基本構(gòu)成，分析核電自主化軟件的驗(yàn)證和確認(rèn)的必要性和重要價(jià)值。結(jié)合我國(guó)目前的核電自主化軟件現(xiàn)狀，給出了合理可行的技術(shù)發(fā)展路線。

【關(guān)鍵詞】核電；自主化軟件；驗(yàn)證和確認(rèn)

0 引言

我國(guó)正處在新型工業(yè)化的轉(zhuǎn)型階段。依據(jù)國(guó)家的能源戰(zhàn)略，將來(lái)核電在國(guó)家能源結(jié)構(gòu)中的比重還要大大提高。核電大國(guó)正向核電強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。是否徹底掌握具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電軟件技術(shù)成為衡量一個(gè)國(guó)家核電技術(shù)水平高低的重要標(biāo)志之一。具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電技術(shù)的前提必然包括研發(fā)平臺(tái)、設(shè)計(jì)平臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。研發(fā)平臺(tái)、設(shè)計(jì)平臺(tái)正是目前我國(guó)核電仍然缺乏的最基本、最基礎(chǔ)、最重要的技術(shù)軟件。同理，研發(fā)平臺(tái)、設(shè)計(jì)平臺(tái)的驗(yàn)證和確認(rèn)，正是核電軟件研發(fā)的核心能力之一。

1 我國(guó)核電自主化軟件

我國(guó)核電自主化軟件包括核電設(shè)計(jì)軟件和核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)軟件。

（1）核電設(shè)計(jì)軟件

核電設(shè)計(jì)軟件是指一整套具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電廠關(guān)鍵設(shè)計(jì)軟件，其功能涵蓋核電廠的核設(shè)計(jì)、熱工設(shè)計(jì)、系統(tǒng)安全分析、概率安全分析、嚴(yán)重事故分析、燃料設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用于具體核電站的設(shè)計(jì)校核，并最終實(shí)現(xiàn)使用設(shè)計(jì)軟件完成工程設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)。

（2）核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)軟件

核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)英文簡(jiǎn)稱DCS（Digital Control System）或DI &C（Digital Instrumentation & Control）。以下統(tǒng)一稱為DCS。DCS分為非安全級(jí)和安全級(jí)兩個(gè)部分。非安全級(jí)DCS部分主要完成機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)下自動(dòng)控制和監(jiān)控操作，安全級(jí)DCS主要完成核電站反應(yīng)堆安全停堆和專設(shè)安全設(shè)施的控制。核電DCS軟件也就是指運(yùn)行在非安全級(jí)DCS和安全級(jí)DCS上的軟件系統(tǒng)。核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)軟件有不同的劃分層次。既可以包括運(yùn)行在不同站點(diǎn)例如現(xiàn)場(chǎng)控制站、工程師站、維修站上的軟件系統(tǒng)，又可以指運(yùn)行在DCS系統(tǒng)中各類板卡上微處理器、控制器、可編程芯片中的軟件等。

2 軟件V&V簡(jiǎn)介

驗(yàn)證和確認(rèn)（Verification and Validation，簡(jiǎn)稱V&V）是一門系統(tǒng)工程的技術(shù)學(xué)科。軟件的驗(yàn)證和確認(rèn)活動(dòng)，目的就是驗(yàn)證應(yīng)用軟件開發(fā)過(guò)程中每一階段的輸出成果是否與該階段的任務(wù)需求相符合，且確認(rèn)最終生成的應(yīng)用軟件和系統(tǒng)是否與其預(yù)期的用途及相關(guān)需求一致。

核電軟件既是核電站研發(fā)、設(shè)計(jì)的基本工具，又是運(yùn)行、維護(hù)的“神經(jīng)系統(tǒng)”，不僅體現(xiàn)了對(duì)核電理念和“方法論”的把握，同時(shí)也體現(xiàn)了對(duì)核電站運(yùn)行維護(hù)規(guī)律的掌握和經(jīng)驗(yàn)的積淀。目前我國(guó)在核電設(shè)計(jì)、關(guān)鍵設(shè)備制造、工程建設(shè)及管理等方面已取得了很大進(jìn)步，但核電軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)的研發(fā)尤其是V&V技術(shù)，與國(guó)際水平的差距還很大。

核電安全級(jí)數(shù)字化儀控系統(tǒng)的V&V極為重要。例如核動(dòng)力廠保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化必須解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是如何完成安全軟件的驗(yàn)證與確認(rèn)。從而證明和確認(rèn)執(zhí)行安全功能的軟件自身的安全性和可靠。

V&V是核電廠的安全級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)、軟件可靠性、安全性和保障性的有效保障。作為系統(tǒng)工程學(xué)的一個(gè)技術(shù)分支，驗(yàn)證和確認(rèn)技術(shù)在核電廠的開發(fā)設(shè)計(jì)中正發(fā)揮著愈加重要的作用。當(dāng)前全球在建或新建的核電站絕大部分都準(zhǔn)備使用具有更高可靠性、更好設(shè)備性能和更多診斷功能的先進(jìn)數(shù)字化儀控系統(tǒng)，而貫穿于系統(tǒng)開發(fā)整個(gè)過(guò)程的軟件V&V過(guò)程則是實(shí)現(xiàn)核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)高可靠性的關(guān)鍵。

IEEE組織編寫的系統(tǒng)、軟件測(cè)試與驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)即IEEE 1012-2012，適用范圍從軟件，擴(kuò)展到了系統(tǒng)、軟件和硬件。該標(biāo)準(zhǔn)是學(xué)術(shù)界、工程界普遍認(rèn)可的驗(yàn)證和確認(rèn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)初步建立了一套支持所有系統(tǒng)、軟件和硬件生存周期過(guò)程的V&V過(guò)程、活動(dòng)和任務(wù)的公共框架和指導(dǎo)意見(jiàn)。

3 已有工作基礎(chǔ)和現(xiàn)狀

（1）國(guó)家層面的規(guī)劃和組織

2009年6月，國(guó)家能源局正式批復(fù)設(shè)立國(guó)家能源核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)研發(fā)中心，中心依托北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司（中廣核集團(tuán)、北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司共同組建）建設(shè)，致力于為核電站提供端到端的全范圍數(shù)字化儀控系統(tǒng)解決方案和全生命周期的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自主化和設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。

2010年5月21日，國(guó)家核電技術(shù)公司核電軟件技術(shù)中心在北京揭牌成立，旨在加快與國(guó)際接軌的核電軟件研發(fā)體系，形成具有國(guó)際水平的核電軟件研發(fā)能力。并與上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、華北電力大學(xué)簽署了共建“核電軟件工作站”協(xié)議，為我國(guó)核電軟件自主化搭建實(shí)質(zhì)性合作平臺(tái)。這是國(guó)家核電與國(guó)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研單位深化合作、共同推進(jìn)我國(guó)核電軟件自主化，提升我國(guó)核電實(shí)力的重要舉措。

（2）針對(duì)具體堆型的核電設(shè)計(jì)自主軟件開發(fā)

COSINE軟件包是大型先進(jìn)壓水堆核電站國(guó)家科技重大專項(xiàng)“核電關(guān)鍵設(shè)計(jì)軟件自主化技術(shù)研究”課題的成果。該系列軟件將應(yīng)用于CAP1400示范工程的設(shè)計(jì)校核，并最終實(shí)現(xiàn)利用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電設(shè)計(jì)軟件對(duì)CAP1400標(biāo)準(zhǔn)堆和CAP1700機(jī)組進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)，徹底實(shí)現(xiàn)核電軟件的全面國(guó)產(chǎn)化，使我國(guó)核電軟件開發(fā)技術(shù)達(dá)到國(guó)際水平。

（3）針對(duì)具體堆型的核電DCS自主軟件開發(fā)

目前，基本形成了核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)平臺(tái)、儀控系統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)成套平臺(tái)、儀控系統(tǒng)工程集成平臺(tái)、核電儀控系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)等研發(fā)和驗(yàn)證平臺(tái)建設(shè)等穩(wěn)定的研究方向。明確了七項(xiàng)重點(diǎn)科研方向，即核安全級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)品平臺(tái)研制、核電站數(shù)字化專用儀控系統(tǒng)產(chǎn)品平臺(tái)研制、具體堆型的核電站反應(yīng)堆控制保護(hù)系統(tǒng)工程樣機(jī)研制、核安全軟件驗(yàn)證與確認(rèn)技術(shù)研究、核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)安全分析及產(chǎn)品可靠性技術(shù)研究和圖形化核安全級(jí)軟件集成開發(fā)環(huán)境研制。

通過(guò)建立具體堆型的數(shù)字化儀控系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程模型，研究與其開發(fā)過(guò)程緊密結(jié)合的驗(yàn)證與確認(rèn)技術(shù)，特別是其審查、分析以及測(cè)試方法的使用，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試及V&V過(guò)程的文檔要求。開發(fā)過(guò)程模型和V&V技術(shù)依托廣泛的工業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可度。為我國(guó)自主化的核安全級(jí)數(shù)字化儀控系統(tǒng)的開發(fā)提供重要的借鑒和指導(dǎo)意義。

（4）核安全級(jí)數(shù)字化儀控系統(tǒng)軟件驗(yàn)證和確認(rèn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究

通過(guò)對(duì)IEC和IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及IAEA和NRC的相關(guān)法規(guī)導(dǎo)則以及我國(guó)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)進(jìn)行了調(diào)研分析和總結(jié)，重點(diǎn)對(duì)IEEE 1012-2012進(jìn)行了剖析，并對(duì)IEEE 1012的歷屆版本進(jìn)行了對(duì)比分析，通過(guò)總結(jié)V&V的關(guān)鍵思想，為建立我國(guó)完善的核電廠核安全級(jí)儀控系統(tǒng)及軟件V&V相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系提出建議，打下基礎(chǔ)。

（5）數(shù)字化儀控系統(tǒng)軟件安全性和可靠性評(píng)估方法研究

數(shù)字化儀控系統(tǒng)可以對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、分析及控制，能夠減少儀表數(shù)量，減輕運(yùn)行、操作、管理和維護(hù)的工作負(fù)荷。核電廠DCS的安全性和可靠性評(píng)估越來(lái)越受到重視，然而由于DCS由軟件、硬件和固件組成，失效機(jī)理獨(dú)特，因此DCS的安全性和可靠性評(píng)估非常困難。研究方向包括軟件可靠性定量評(píng)估研究、安全級(jí)軟件驗(yàn)證與確認(rèn)中測(cè)試技術(shù)研究、基于新型硬件例如現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA、基于ARM內(nèi)核處理器的DCS設(shè)計(jì)驗(yàn)證和確認(rèn)等。

其中軟件的可靠性、尤其是安全級(jí)軟件的可靠性，是公認(rèn)的難點(diǎn)。世界核電站儀表控制系統(tǒng)在向數(shù)字化方向發(fā)展，不但系統(tǒng)級(jí)的DCS控制系統(tǒng)和保護(hù)邏輯裝置廣泛采用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)儀表（熱工測(cè)量變送器、核測(cè)量?jī)x器）和執(zhí)行器也都在內(nèi)部嵌入了微處理器。軟件的使用越來(lái)越多，軟件承擔(dān)的功能也越來(lái)越多。例如安全軟件的V&V在數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)和審評(píng)過(guò)程中具有重要的作用，只有通過(guò)嚴(yán)格和充分的V&V，才能證明安全軟件是足夠可靠的，運(yùn)行該軟件的數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)是足夠安全的，才能被允許應(yīng)用到核工程上。

4 發(fā)展目標(biāo)和預(yù)期標(biāo)志性成果

1）發(fā)展目標(biāo)

（1）以專業(yè)化核電軟件研發(fā)隊(duì)伍為核心，有效整合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)力量，開發(fā)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一整套核電廠核心設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)我國(guó)核電軟件的全面國(guó)產(chǎn)化，徹底擺脫目前我國(guó)核電軟件幾乎靠引進(jìn)的落后局面。

（2）開拓我國(guó)核電軟件自主化發(fā)展道路，加快建立與國(guó)際接軌的核電軟件研發(fā)體系；實(shí)現(xiàn)我國(guó)核電軟件自主化，具備推出具有國(guó)際水平的高性能、高精度、高質(zhì)量、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)核電軟件的能力。

（3）通過(guò)驗(yàn)證與確認(rèn)技術(shù)，提升我國(guó)核電站儀控行業(yè)整體科研水平、設(shè)計(jì)能力。

2）預(yù)期標(biāo)志性成果

（1）完成具有普遍應(yīng)用價(jià)值、又能結(jié)合具體核電廠的核電設(shè)計(jì)軟件V&V大綱及體系標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)程等。

（2）開發(fā)出完整、可靠、高效的核電廠堆芯設(shè)計(jì)和系統(tǒng)安全分析軟件V&V大綱及體系標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)程等。

（3）完成三代核電廠的熱工水力、燃料分析等方面軟件的V&V大綱及體系標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)程等。

（4）成功研發(fā)出適用二代改進(jìn)型和三代壓水堆的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的安全級(jí)數(shù)字化儀控系統(tǒng)產(chǎn)品和核電站專用儀控設(shè)備，并形成我國(guó)的V&V系列標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。

5 問(wèn)題清單及重點(diǎn)攻關(guān)任務(wù)

（1）問(wèn)題清單

核電軟件開發(fā)涉及領(lǐng)域多、投入大、周期長(zhǎng)；在我國(guó)核電發(fā)展的幾十年中，普遍存在“重硬件、輕軟件”現(xiàn)象，造成核電軟件研發(fā)長(zhǎng)期不受重視；其次，我國(guó)核電軟件發(fā)展缺乏統(tǒng)一有序的組織協(xié)調(diào)、系統(tǒng)科學(xué)的規(guī)劃論證、全面嚴(yán)格的質(zhì)保標(biāo)準(zhǔn)，造成核電研發(fā)的嚴(yán)重滯后，前期自主開發(fā)的軟件從安全性、可靠性、穩(wěn)定性等各方面無(wú)法滿足新一代核電設(shè)計(jì)的要求；最后，雖然國(guó)內(nèi)相關(guān)單位從不同渠道獲得了一定的核電軟件研發(fā)經(jīng)費(fèi)，但普遍支持力度較小，而且不連續(xù)，核電軟件研發(fā)缺少長(zhǎng)期穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)支持。

（2）重點(diǎn)攻關(guān)任務(wù)

表1給出了三條合理可行的軟件V&V技術(shù)發(fā)展路線。軟件V&V標(biāo)準(zhǔn)體系、工作過(guò)程與管理模式、數(shù)字化儀控系統(tǒng)及設(shè)備的V&V技術(shù)和應(yīng)用、人因V&V與軟件V&V技術(shù)的結(jié)合及核電廠安全級(jí)軟件供應(yīng)商質(zhì)量管理體系研究、自動(dòng)軟件驗(yàn)證，軟件測(cè)試、模型檢測(cè)等都是作為技術(shù)發(fā)展路線的具體環(huán)節(jié)。

作為安全級(jí)控制系統(tǒng)的數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)是電站安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵裝備。由于國(guó)外核電數(shù)字化安全控制技術(shù)的保密與封鎖，核電數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的自主化軟件研發(fā)對(duì)于提高企業(yè)科技創(chuàng)新能力，改變國(guó)外對(duì)國(guó)家戰(zhàn)備產(chǎn)業(yè)的壟斷狀況具有重要的意義。

6 結(jié)論

核電自主化軟件的驗(yàn)證和確認(rèn)是提高軟件設(shè)計(jì)水平、提升軟件質(zhì)量的重要手段和途徑。核電自主化軟件又是核電設(shè)計(jì)能力的集中體現(xiàn)?？茖W(xué)開展軟件的驗(yàn)證和確認(rèn)，將對(duì)我國(guó)核電設(shè)計(jì)水平再上一個(gè)臺(tái)階、形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]