劉華

【摘 要】核電自主化軟件是我國成為核電強國、實施核電中長期規(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證和確認的必要性和重要價值。結(jié)合我國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；驗證和確認

0 引言

我國正處在新型工業(yè)化的轉(zhuǎn)型階段。依據(jù)國家的能源戰(zhàn)略，將來核電在國家能源結(jié)構(gòu)中的比重還要大大提高。核電大國正向核電強國邁進。是否徹底掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核電軟件技術(shù)成為衡量一個國家核電技術(shù)水平高低的重要標志之一。具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核電技術(shù)的前提必然包括研發(fā)平臺、設(shè)計平臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。研發(fā)平臺、設(shè)計平臺正是目前我國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、設(shè)計平臺的驗證和確認，正是核電軟件研發(fā)的核心能力之一。

1 我國核電自主化軟件

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

（1）核電設(shè)計軟件

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

（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分為非安全級和安全級兩個部分。非安全級DCS部分主要完成機組在運行狀態(tài)下自動控制和監(jiān)控操作，安全級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軟件也就是指運行在非安全級DCS和安全級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。既可以包括運行在不同站點例如現(xiàn)場控制站、工程師站、維修站上的軟件系統(tǒng)，又可以指運行在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簡介

驗證和確認（Verification and Validation，簡稱V&V）是一門系統(tǒng)工程的技術(shù)學(xué)科。軟件的驗證和確認活動，目的就是驗證應(yīng)用軟件開發(fā)過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)計的基本工具，又是運行、維護的“神經(jīng)系統(tǒng)”，不僅體現(xiàn)了對核電理念和“方法論”的把握，同時也體現(xiàn)了對核電站運行維護規(guī)律的掌握和經(jīng)驗的積淀。目前我國在核電設(shè)計、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步，但核電軟件設(shè)計平臺的研發(fā)尤其是V&V技術(shù)，與國際水平的差距還很大。

核電安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)的V&V極為重要。例如核動力廠保護系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化必須解決的一項關(guān)鍵技術(shù)是如何完成安全軟件的驗證與確認。從而證明和確認執(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)的一個技術(shù)分支，驗證和確認技術(shù)在核電廠的開發(fā)設(shè)計中正發(fā)揮著愈加重要的作用。當前全球在建或新建的核電站絕大部分都準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數(shù)字化儀控系統(tǒng)，而貫穿于系統(tǒng)開發(fā)整個過程的軟件V&V過程則是實現(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)、軟件測試與驗證標準即IEEE 1012-2012，適用范圍從軟件，擴展到了系統(tǒng)、軟件和硬件。該標準是學(xué)術(shù)界、工程界普遍認可的驗證和確認技術(shù)標準。標準初步建立了一套支持所有系統(tǒng)、軟件和硬件生存周期過程的V&V過程、活動和任務(wù)的公共框架和指導(dǎo)意見。

3 已有工作基礎(chǔ)和現(xiàn)狀

（1）國家層面的規(guī)劃和組織

2009年6月，國家能源局正式批復(fù)設(shè)立國家能源核電站數(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、北京和利時系統(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)，實現(xiàn)設(shè)計自主化和設(shè)備國產(chǎn)化。

2010年5月21日，國家核電技術(shù)公司核電軟件技術(shù)中心在北京揭牌成立，旨在加快與國際接軌的核電軟件研發(fā)體系，形成具有國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，為我國核電軟件自主化搭建實質(zhì)性合作平臺。這是國家核電與國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研單位深化合作、共同推進我國核電軟件自主化，提升我國核電實力的重要舉措。

（2）針對具體堆型的核電設(shè)計自主軟件開發(fā)

COSINE軟件包是大型先進壓水堆核電站國家科技重大專項“核電關(guān)鍵設(shè)計軟件自主化技術(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)計校核，并最終實現(xiàn)利用自主知識產(chǎn)權(quán)的核電設(shè)計軟件對CAP1400標準堆和CAP1700機組進行工程設(shè)計的總體目標，徹底實現(xiàn)核電軟件的全面國產(chǎn)化，使我國核電軟件開發(fā)技術(shù)達到國際水平。

（3）針對具體堆型的核電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、儀控系統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)成套平臺、儀控系統(tǒng)工程集成平臺、核電儀控系統(tǒng)驗證平臺等研發(fā)和驗證平臺建設(shè)等穩(wěn)定的研究方向。明確了七項重點科研方向，即核安全級控制保護系統(tǒng)產(chǎn)品平臺研制、核電站數(shù)字化專用儀控系統(tǒng)產(chǎn)品平臺研制、具體堆型的核電站反應(yīng)堆控制保護系統(tǒng)工程樣機研制、核安全軟件驗證與確認技術(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軟件集成開發(fā)環(huán)境研制。

通過建立具體堆型的數(shù)字化儀控系統(tǒng)開發(fā)過程模型，研究與其開發(fā)過程緊密結(jié)合的驗證與確認技術(shù)，特別是其審查、分析以及測試方法的使用，并提出相應(yīng)的設(shè)計、測試及V&V過程的文檔要求。開發(fā)過程模型和V&V技術(shù)依托廣泛的工業(yè)規(guī)范和標準認可度。為我國自主化的核安全級數(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）核安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)軟件驗證和確認技術(shù)標準研究

通過對IEC和IEEE相關(guān)標準以及IAEA和NRC的相關(guān)法規(guī)導(dǎo)則以及我國對應(yīng)的標準和法規(guī)進行了調(diào)研分析和總結(jié)，重點對IEEE 1012-2012進行了剖析，并對IEEE 1012的歷屆版本進行了對比分析，通過總結(jié)V&V的關(guān)鍵思想，為建立我國完善的核電廠核安全級儀控系統(tǒng)及軟件V&V相關(guān)標準體系提出建議，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估方法研究

數(shù)字化儀控系統(tǒng)可以對復(fù)雜系統(tǒng)進行自動檢測、分析及控制，能夠減少儀表數(shù)量，減輕運行、操作、管理和維護的工作負荷。核電廠DCS的安全性和可靠性評估越來越受到重視，然而由于DCS由軟件、硬件和固件組成，失效機理獨特，因此DCS的安全性和可靠性評估非常困難。研究方向包括軟件可靠性定量評估研究、安全級軟件驗證與確認中測試技術(shù)研究、基于新型硬件例如現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、基于ARM內(nèi)核處理器的DCS設(shè)計驗證和確認等。

其中軟件的可靠性、尤其是安全級軟件的可靠性，是公認的難點。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)級的DCS控制系統(tǒng)和保護邏輯裝置廣泛采用數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)，現(xiàn)場儀表（熱工測量變送器、核測量儀器）和執(zhí)行器也都在內(nèi)部嵌入了微處理器。軟件的使用越來越多，軟件承擔的功能也越來越多。例如安全軟件的V&V在數(shù)字化保護系統(tǒng)的開發(fā)和審評過程中具有重要的作用，只有通過嚴格和充分的V&V，才能證明安全軟件是足夠可靠的，運行該軟件的數(shù)字化保護系統(tǒng)是足夠安全的，才能被允許應(yīng)用到核工程上。

4 發(fā)展目標和預(yù)期標志性成果

1）發(fā)展目標

（1）以專業(yè)化核電軟件研發(fā)隊伍為核心，有效整合國內(nèi)優(yōu)勢力量，開發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的一整套核電廠核心設(shè)計軟件，實現(xiàn)我國核電軟件的全面國產(chǎn)化，徹底擺脫目前我國核電軟件幾乎靠引進的落后局面。

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

（3）通過驗證與確認技術(shù)，提升我國核電站儀控行業(yè)整體科研水平、設(shè)計能力。

2）預(yù)期標志性成果

（1）完成具有普遍應(yīng)用價值、又能結(jié)合具體核電廠的核電設(shè)計軟件V&V大綱及體系標準、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)計和系統(tǒng)安全分析軟件V&V大綱及體系標準、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大綱及體系標準、操作規(guī)程等。

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

5 問題清單及重點攻關(guān)任務(wù)

（1）問題清單

核電軟件開發(fā)涉及領(lǐng)域多、投入大、周期長；在我國核電發(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)長期不受重視；其次，我國核電軟件發(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、全面嚴格的質(zhì)保標準，造成核電研發(fā)的嚴重滯后，前期自主開發(fā)的軟件從安全性、可靠性、穩(wěn)定性等各方面無法滿足新一代核電設(shè)計的要求；最后，雖然國內(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，但普遍支持力度較小，而且不連續(xù)，核電軟件研發(fā)缺少長期穩(wěn)定的經(jīng)費支持。

（2）重點攻關(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標準體系、工作過程與管理模式、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)合及核電廠安全級軟件供應(yīng)商質(zhì)量管理體系研究、自動軟件驗證，軟件測試、模型檢測等都是作為技術(shù)發(fā)展路線的具體環(huán)節(jié)。

作為安全級控制系統(tǒng)的數(shù)字化保護系統(tǒng)是電站安全、可靠、經(jīng)濟運行的關(guān)鍵裝備。由于國外核電數(shù)字化安全控制技術(shù)的保密與封鎖，核電數(shù)字化保護系統(tǒng)的自主化軟件研發(fā)對于提高企業(yè)科技創(chuàng)新能力，改變國外對國家戰(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證和確認是提高軟件設(shè)計水平、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)計能力的集中體現(xiàn)?？茖W(xué)開展軟件的驗證和確認，將對我國核電設(shè)計水平再上一個臺階、形成自主知識產(chǎn)權(quán)打下堅實的基礎(chǔ)。

【參考文獻】

[1]申高軍，張磊，張冬偉，等.三維需求矩陣在核電安全級DCS軟件V&V中的研究與應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2013（5）：31-35.DOI：10.3969/j.issn.1671-1041.2013. 05.004.

[2]劉真，江國進，孫永濱，等.核電廠數(shù)字化安全級儀控系統(tǒng)軟件V&V方法研究[C]//第一屆中國（國際）核電儀控技術(shù)大會.2011.

[3]萬田.軟件V&V在核電廠工程改造中的應(yīng)用研究[D].上海交通大學(xué)，2009.

[4]劉占權(quán)，楊超，黨哈雷，等.COSINE軟件包物理系統(tǒng)V&V策略研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2013， 47：323-326. DOI：10.7538/yzk.2013.47.S0.0323.

[5]董雅欣，徐先柱，柏祥基.核安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)應(yīng)用軟件驗證和確認方法研究及實踐[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2014，48：1113-1118.DOI：10.7538/yzk.2014.48.S1. 1113.

[6]吳秀坤，王根生.核安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)軟件驗證和確認技術(shù)標準研究[J]. 核標準計量與質(zhì)量，2014（4）.

[7]張亞棟，程建明.數(shù)字化核安全級儀控系統(tǒng)軟件驗證和確認平臺的設(shè)計與實踐[J].自動化博覽，2014（4）：56-59. DOI：10.3969/j.issn.1003-0492.2014.04.044.

[責任編輯：楊玉潔]