張金男， 張本偉， 李文華， 杜佳璐，陳海泉

(1. 大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 大連 116026； 2. 中國船級社海工技術(shù)中心 北京 100007；3. 大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 大連 116026)

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國際海工裝備自動控制系統(tǒng)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)研究*

張金男1， 張本偉2， 李文華1， 杜佳璐3，陳海泉1

(1. 大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 大連 116026； 2. 中國船級社海工技術(shù)中心 北京 100007；3. 大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 大連 116026)

在國家“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略的大背景下，我國海工工業(yè)迎來了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，海工裝備自動化程度也隨之不斷提高。軟件作為以計算機(jī)為基礎(chǔ)的自動控制系統(tǒng)的核心，通過對其進(jìn)行入級檢驗(yàn)與驗(yàn)證，保證系統(tǒng)軟件開發(fā)的質(zhì)量和可靠性，對海工裝備和平臺安全運(yùn)行具有重要的意義。文章對IEEE、IACS及ABS等權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的針對海工裝備自動控制系統(tǒng)檢驗(yàn)與驗(yàn)證有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和指南的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容進(jìn)行梳理和分析，完成了自動控制系統(tǒng)集成度、危險等級及檢驗(yàn)方法等自動控制系統(tǒng)檢驗(yàn)與驗(yàn)證活動的核心環(huán)節(jié)的研究，探索了我國建立海工裝備自動控制系統(tǒng)檢驗(yàn)與入級標(biāo)準(zhǔn)的建立方法，為完善我國海工裝備檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系提供參考。

海工裝備;自動控制系統(tǒng)；入級檢驗(yàn)與驗(yàn)證；硬件在環(huán)

隨著國家海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，我國海工工業(yè)迎來了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。越來越多的高集成度的自動控制系統(tǒng)被應(yīng)用在海洋平臺上，關(guān)于自動控制系統(tǒng)軟件的研發(fā)和測試技術(shù)也在不斷的進(jìn)步。過去，針對基于計算機(jī)的控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行的測試非常有限，僅由船東或系統(tǒng)供應(yīng)商針對一小部分功能進(jìn)行測試，測試通常在系統(tǒng)安裝到平臺之前，且僅持續(xù)3～4 d的時間。圖1為高集成度半潛式海洋平臺的自動系統(tǒng)控制圖[1]，其中部分控制系統(tǒng)是獨(dú)立的，而又有系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線相互之間進(jìn)行通信，高度集成，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。由于集中控制和無人控制要求的自動控制系統(tǒng)集成性和復(fù)雜性越來越高，隨之而來的風(fēng)險性也就越來越高，從而需要對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行更深入的測試。

圖1 半潛式海洋平臺自動控制系統(tǒng)組成

本研究通過對電氣和電子工程師協(xié)會( Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)、國際船級社協(xié)會( International Association of Classification Societies，IACS)及美國船級社(American Bureau of Shipping，ABS)自動控制系統(tǒng)檢驗(yàn)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的分析，為中國船級社(China Classification Society，CCS)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計和建立提供參考。

1 IEEE

電氣和電子工程師協(xié)會于1986年發(fā)布了軟件檢驗(yàn)與驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)IEEE1012TM，早期此標(biāo)準(zhǔn)僅針對軟件的檢驗(yàn)與驗(yàn)證計劃，經(jīng)過1998年和2004年的修訂，將標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容擴(kuò)大到軟件的檢驗(yàn)與驗(yàn)證過程。最新的2012版進(jìn)一步將標(biāo)準(zhǔn)的范圍擴(kuò)大到系統(tǒng)及硬件驗(yàn)證相關(guān)過程。新版IEEE1012-2012TM主要關(guān)注以下方面的內(nèi)容。

(1)集成度：標(biāo)準(zhǔn)定義了從低到高4個集成度用以描述系統(tǒng)、軟件和硬件的重要程度。

(2)給出了不同集成度的系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)和驗(yàn)證所需的最少項(xiàng)目，并對可選檢驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行列表，用以區(qū)別對待不同的系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)的多樣性和特定功能性要求。

(3)針對不同集成度的系統(tǒng)，相應(yīng)的檢驗(yàn)深度和嚴(yán)格程度也不同。對于高集成度的系統(tǒng)需要進(jìn)行嚴(yán)格深入的檢驗(yàn)和測試。測試深度包括針對正常工況到非正常工況進(jìn)行非常寬泛的分析。嚴(yán)格程度是指更為精確正式的測試技術(shù)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程記錄。

(4)檢驗(yàn)與驗(yàn)證過程中的相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為每個檢驗(yàn)與驗(yàn)證環(huán)節(jié)制定了判斷標(biāo)準(zhǔn)，包括針對糾錯性、一致性、精確性、可靠性和可測試性制定的判斷標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于檢驗(yàn)與驗(yàn)證環(huán)節(jié)的描述包含了相關(guān)輸入和輸出的列表。

(5)針對系統(tǒng)的危害性分析、安全性分析、風(fēng)險性分析、可移植性鑒定及報廢評估。系統(tǒng)相關(guān)的特殊分析環(huán)節(jié)包含在具體的檢驗(yàn)與驗(yàn)證判斷標(biāo)準(zhǔn)中。

(6)與其他國際的及IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性，如與ISO/IEC 15288:2008 關(guān)于軟件開發(fā)生命周期相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性，以及與IEEE軟件工程標(biāo)準(zhǔn)的一致性。

2 IACS

2000年，IACS發(fā)布了更深入的通用性標(biāo)準(zhǔn)E22《船用可編程控制器統(tǒng)一要求》。此新標(biāo)準(zhǔn)對硬件和軟件測試以及集成性測試都進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。軟硬件測試的深度和需要提交審核文檔的數(shù)量取決于待測試系統(tǒng)的危險程度。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)單一故障的危險性建立了三級危險等級(表1)。對于更高危險級別的系統(tǒng)(1類危險)需要進(jìn)行附加的更深度的測試。

表1 系統(tǒng)危險等級的劃分

3 ABS

ABS于2010年起開始針對軟件檢驗(yàn)的硬件在環(huán)( hardware in loop，HIL)測試技術(shù)進(jìn)行研究，并于2012年先后頒布了《集成軟件質(zhì)量管理指南》和《系統(tǒng)驗(yàn)證指南》，并對滿足指南要求的自動控制系統(tǒng)授予附加的入級符號ISQM和SV。

3.1 《集成軟件質(zhì)量管理指南》分析

《集成軟件質(zhì)量管理指南》對軟件開發(fā)、設(shè)計、安裝與維護(hù)等軟件開發(fā)生命周期( systems development life cycle，SDLC)過程進(jìn)行指南，依照此指南進(jìn)行軟件開發(fā)的系統(tǒng)，經(jīng)檢驗(yàn)審查后，將被授予“ISQM”附加符號。SDLC被廣泛地應(yīng)用于信息工業(yè)領(lǐng)域，主要包含項(xiàng)目初始化、軟件開發(fā)計劃、軟件設(shè)計、軟件組裝及軟件維護(hù)等5個階段(圖2)。[2]

圖2 軟件開發(fā)生命周期流程

軟件開發(fā)生命周期始于項(xiàng)目初始化階段，在此階段需明確客戶需求，并正式提出有效的方法來解決存在的問題或優(yōu)化現(xiàn)存的系統(tǒng)。此階段還需考慮此開發(fā)項(xiàng)目的預(yù)算問題，從而保證有足夠的資金支撐，能夠順利地進(jìn)行。

當(dāng)項(xiàng)目正式立項(xiàng)以后，就進(jìn)入軟件開發(fā)計劃階段，此階段應(yīng)明確系統(tǒng)范圍并建立明確的時間表，用以保證項(xiàng)目可以及時的完成。此階段還應(yīng)對系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性和判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，針對特定的要求研究相應(yīng)的處理方法，最大限度上減少未來可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)出錯和異常的可能性。

軟件設(shè)計階段需要合理的對系統(tǒng)軟件的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，且此設(shè)計應(yīng)具有可重復(fù)性。邏輯設(shè)計應(yīng)能在整個系統(tǒng)中通用，而物理結(jié)構(gòu)設(shè)計則由技術(shù)細(xì)節(jié)、具有編程功能的元件、具有數(shù)據(jù)捕捉功能的硬件和相應(yīng)輸出設(shè)備組成。

經(jīng)過合理的軟件計劃和設(shè)計階段后，需把實(shí)際系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)整合到編程程序里。通過對程序進(jìn)行編譯和調(diào)試，對發(fā)現(xiàn)潛在的錯誤不斷地修改，再反復(fù)進(jìn)行深度的測試，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時在調(diào)試和試運(yùn)行期間，也可以完成使用者的軟件實(shí)操和管理培訓(xùn)。軟件維護(hù)階段主要是監(jiān)視軟件運(yùn)行與客戶要求的一致性，并從運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)中搜集關(guān)于系統(tǒng)性能的反饋信息，并在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)ο到y(tǒng)軟件進(jìn)行修改和升級，延長系統(tǒng)軟件的可用性。

嚴(yán)格依照軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)指南在系統(tǒng)的生命周期中進(jìn)行新軟件的開發(fā)可以使包括船東、軟件開發(fā)商和操作人員在內(nèi)的所有的利益相關(guān)方獲益，具體包括：① 指南給合同雙方提供一個對話、商談的基礎(chǔ)，采用一致的標(biāo)準(zhǔn)和指南，雙方溝通更有效率；② 指南為軟件開發(fā)商提供了通用的軟件開發(fā)流程，且能使開發(fā)團(tuán)隊(duì)更徹底地對替代方法的可行性進(jìn)行評估；③ 指南方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行一致的定義、讀取及記錄報告，提高了系統(tǒng)的兼容性和標(biāo)準(zhǔn)化；④ 對軟件的可靠性有更高的信心；⑤ 開發(fā)周期縮短；⑥ 系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)或停止工作的幾率減??；⑦ 軟件相關(guān)故障所引起的風(fēng)險程度降低。

3.2 《系統(tǒng)驗(yàn)證指南》分析

《系統(tǒng)驗(yàn)證指南》分為兩部分，第一部分由9節(jié)組成，詳細(xì)描述了獲得“SV”附加符號所需提交的材料和進(jìn)行的測試。第二部分由一系列附錄組成，每個附錄針對一個特定的系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)驗(yàn)證指南。目前特定系統(tǒng)僅限于動力定位系統(tǒng)、用于動力定位的電源管理系統(tǒng)和用于電力推進(jìn)的電源管理系統(tǒng)。

表2為針對47個動力定位(Dynamic Positioning，DP)控制系統(tǒng)和15個電源管理系統(tǒng)( Power Management System，PMS)的HIL測試進(jìn)行統(tǒng)計[3]。

表2 針對DP和PMS進(jìn)行HIL測試發(fā)現(xiàn)的問題統(tǒng)計

上述數(shù)據(jù)表明，HIL測試能夠保證控制系統(tǒng)軟件的質(zhì)量及集成性能，從而使控制系統(tǒng)更加安全，更加可靠/有效的操作。

對特定系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，首先需要根據(jù)故障模式失效性分析或故障樹分析法( Failure Mode， Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA)對目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行分析，并制定驗(yàn)證計劃。相關(guān)分析方法和驗(yàn)證計劃需提交ABS審查。驗(yàn)證計劃需具有足夠的廣度和深度，并充分考慮到目標(biāo)系統(tǒng)的復(fù)雜性和重要性。根據(jù)驗(yàn)證計劃確定測試范圍，并提交ABS審查。

系統(tǒng)驗(yàn)證通常采用的方法有3種，分別是硬件在環(huán)測試、軟件在環(huán)測試和系統(tǒng)狀態(tài)估計。其中硬件在環(huán)測試是把控制系統(tǒng)安裝在與實(shí)際情況完全相同的硬件上，并與被控設(shè)備( Equipment Under Control，ECU)模擬器進(jìn)行連接，通過被測系統(tǒng)與模擬器在不同工況下的信息交互來測試控制系統(tǒng)的性能。硬件在環(huán)測試可以在軟件開發(fā)的任何階段及任何場所進(jìn)行。

系統(tǒng)驗(yàn)證僅對系統(tǒng)當(dāng)前的性能進(jìn)行測試，而性能的保持需要依據(jù)有效的生命周期質(zhì)量管理體系對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。系統(tǒng)驗(yàn)證由于驗(yàn)證范圍的限制，也不能夠發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)硬件和軟件存在的所有問題。有效的系統(tǒng)驗(yàn)證需要廣泛的驗(yàn)證范圍和足夠的資金進(jìn)行支持。

4 總結(jié)

本研究對IEEE，IACS及ABS等機(jī)構(gòu)頒發(fā)的與自動控制系統(tǒng)研發(fā)和檢驗(yàn)等相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及指南的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容進(jìn)行分析。通過分析，為我國CCS建立海工裝備自動控制系統(tǒng)入級檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)提供參考依據(jù)，對于完善海工裝備入級規(guī)范體系的建立有一定的指導(dǎo)意義。

[1] SKJETNE R， EGELAND O. Hardware-in-the-loop testing of marine control system[J]. Modeling， Identification and Control， 2006， 27(4):239-258.

[2] HOFFER J, GEORGE A J，VALACICH F. Modern system analysis and design[M].5th Edition. Pearson:Upper Saddle River，2008.

[3] Marine Cybernetics. 硬件在環(huán)測試技術(shù)[EB/OL].(2014-01-01)[2015-03-12].http://www.marinecybernetics.com/technology/hil-testing.

工信部項(xiàng)目“海洋工程裝備設(shè)計建造標(biāo)準(zhǔn)體系頂層研究”(工信部聯(lián)裝〔2012〕534號)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(3132014332，3132015025).

P75

A

1005-9857(2015)08-0016-04