核電軟件工程化研發(fā)過程管理

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【摘要】核電設計研發(fā)是包括研究、設計與試驗等環(huán)節(jié)的復雜研究過程，高精度的核電核動力工程設計軟件是保障開展核電設計分析的重要手段。為保障核電設計的安全性、可靠性以及質量，構建一整套覆蓋反應堆工程的軟件研發(fā)需求管理、理論模型、設計、編碼、測試、驗證等全生命周期的軟件工程化研發(fā)體系對核電核動力設計分析軟件的研發(fā)流程尤為重要。

【關鍵詞】NESTOR；軟件工程化；過程管理

0引言

核電設計分析以及運行支持軟件是開展核電工程設計以及維護核電廠運行的重要技術手段之一，對核電工程設計科研工作的質量、研發(fā)效率以及核電廠的運行安全起到了至關重要的作用。由于核電設計分析以及運行支持軟件具有很強的核安全相關性，多年以來，國外核發(fā)達國家對核電軟件設計研發(fā)以及運行管理都是高度重視的，相關軟件研發(fā)的各個流程環(huán)節(jié)、軟件適用性、可靠性、過程質量管理以及后續(xù)的應用均受到核安全監(jiān)管機構的高度關注。與此同時，在國內，核電相關的安全也受到了核安全監(jiān)管機構的高度關注。針對核安全相關軟件，國家核安全監(jiān)管機構也制定了相關的軟件評價實施辦法。根據(jù)相關實施辦法，核安全相關軟件的認證過程不僅重視軟件的重要物理現(xiàn)象識別、物理模型建立、驗證計算模型的合理性以及不確定性和敏感性等評價，對軟件的研發(fā)過程、研發(fā)體系以及質量保證體系的建立也同樣重視。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完成了成體系的核電設計與分析軟件包NESTOR（NuclearPowerPlantEngineeringSoftwareTechnologyResearchProject)）。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，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(tǒng)與設備設計、儀控設計、軟件共性技術等相關領域。NESTOR軟件項目自2011年立項以來便高度重視軟件研發(fā)體系建設，并針對“軟件開發(fā)過程質量保證體系與開發(fā)規(guī)范”成立單獨的課題進行研究。該項目致力于將核電工程設計與軟件工程化相結合，貫穿研發(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)，建立健全核電軟件工程化研發(fā)體系，并在NESTOR項目中的各個軟件開展軟件工程化實施流程。長期以來，建立適應核電工程特色的軟件工程化研發(fā)體系，并將體系融入工程設計、科研及管理工作中，一直是NESTOR項目的重要研究方向之一。

1核電軟件工程化體系建立

核電設計分析軟件以及運行支持軟件具有高可靠性、高安全性、高經(jīng)濟性的特殊要求。在國家核安全導則、GJB5000A、CMMI等軟件工程化的總體指導要求下，遵循軟件工程化思想，建立一套具有核電工程特點的完善的核電軟件工程化研發(fā)管理體系，對確保研發(fā)團隊開發(fā)出高質量、滿足核電核動力工程需求的軟件產(chǎn)品起到重要的保障作用。中國核動力研究設計院經(jīng)過多年的研究及實踐應用，制定了覆蓋軟件工程化研發(fā)中的重要過程域的指導性文件《軟件工程化體系文件》。

2NESTOR軟件工程化實施過程

軟件工程化研發(fā)的實施主要覆蓋軟件開發(fā)過程和軟件管理過程。針對NESTOR軟件，主要分為工程化主機平臺類軟件以及嵌入式軟件。軟件的開發(fā)過程依據(jù)軟件的類型以及規(guī)模等屬性，選擇適用的軟件生存周期模型，并定義軟件開發(fā)的階段及階段中的活動。軟件管理過程主要包括需求管理、項目策劃、項目監(jiān)督與控制、過程和產(chǎn)品質量保證、配置管理、測量與分析等過程，軟件項目的管理過程中的活動可根據(jù)軟件的自身特點進行裁剪。

2.1核電軟件的管理過程實施

2.1.1項目初始管理策劃

在接受核電軟件研制任務后，應落實項目組主要成員，并組織各階段工作安排。項目負責人根據(jù)《軟件研制能力等級要求》，組織對項目軟件的重要性等級和規(guī)模等級進行確定。最終形成《項目軟件工程化策劃書》，作為開展核電軟件工程化研發(fā)的輸入。

2.1.2研發(fā)過程規(guī)范制定

NESTOR項目結合自身的特點，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。

2.1.3項目監(jiān)督與控制

核電軟件項目的監(jiān)督與控制是將軟件項目的實際執(zhí)行情況與相關計劃要求進行對比分析，如超出偏差范圍，則采取必要的糾正措施。如軟件需求發(fā)生重大變化，則修訂計劃以滿足相關要求，從而確保項目研發(fā)工作有序、正常的實施。

2.1.4核電軟件項目過程和產(chǎn)品質量保證

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。通過有計劃地、定期地對NESTOR相關軟件全生存周期的開發(fā)與管理活動進行符合性檢查，對各階段工作產(chǎn)品與活動進行審核來判斷研發(fā)工作是否按照軟件工程化體系的要求實施，從中發(fā)現(xiàn)不符合項并實施相應的糾正措施。

2.1.5項目配置管理

配置管理是結合配置管理工具對開發(fā)的軟件進行版本管理與變更控制，對軟件開發(fā)過程的各階段工作產(chǎn)品進行有效保護，維護階段工作產(chǎn)品和軟件產(chǎn)品的完整性和可追溯性的管理過程。NESTOR項目相關軟件的配置管理貫穿于軟件研發(fā)活動的全生命周期以及各個流程環(huán)節(jié)。NESTOR項目采用專門的軟件配置管理工具，對程序源代碼、版本、各階段文檔、工況數(shù)據(jù)及流程進行有效的配置，實現(xiàn)了研發(fā)過程的自動化配置和動態(tài)管理，增加了軟件研發(fā)人員對設計流程的能見度。NESTOR項目在配置管理實施中建立了軟件開發(fā)庫、受控庫以及產(chǎn)品庫，并限定配置項在不同庫之間的流轉的權限及流程的控制。通過實施配置管理有效地保證了軟件的正確性、完整性及可追溯性。

2.1.6測量與分析

測量與分析是NESTOR軟件項目各軟件設置有專門的測量分析工程師，該人員負責依據(jù)既定的測量目標、測量項、數(shù)據(jù)采集和存儲規(guī)程、分析規(guī)程等相關要求采集和分析測量數(shù)據(jù)，在合適的控制點/項目結題時采集并匯總相關數(shù)據(jù)，形成測量分析信息。項目執(zhí)行的過程中，相關的測量分析信息及時專遞到項目組團隊成員內以及利益相關方。通過測量與分析活動，有效的監(jiān)督了項目績效，并為后續(xù)活動做出有根據(jù)的管理和技術決策，以便在出現(xiàn)問題時及時采取相應的糾正措施，實現(xiàn)項目監(jiān)督控制的可視性、及時性

2.1.7項目評審

在軟件開發(fā)與管理過程中，針對重要節(jié)點或者里程碑組織軟件項目組內部及外部人員對NESTOR軟件產(chǎn)品、研發(fā)活動及工作進展情況的符合性、合理性和正確性進行驗證。通過評審活動，可以高效率、盡早發(fā)現(xiàn)并消除問題，從而保證軟件產(chǎn)品的最終質量。

2.1.8記錄控制

為滿足軟件工程化體系要求，NESTOR項目實施工程化研發(fā)過程中所產(chǎn)生的記錄、以及能夠證明體系文件有效運行的記錄、作為可追溯性依據(jù)的記錄均進行了有效的控制。通過核電管理平臺，對項目實施中產(chǎn)生的所有過程記錄文檔進行分發(fā)、流轉等控制，過程記錄包括技術傳遞單、技術聯(lián)系單、備忘錄、會議紀要、設計評審報告、項目周報、QA核查單、質量保證報告、配置管理報告等。同時，通過檔案管理系統(tǒng)，對項目所產(chǎn)生的所有設計文件進行有效的歸檔及控制。

2.1.9軟件的鑒定與應用

研發(fā)完成的軟件，在未經(jīng)過專業(yè)鑒定前僅可用于學習、科研，不能直接應用于工程設計。軟件的鑒定是專業(yè)設計人員對入庫歸檔的軟件產(chǎn)品進行專業(yè)分類及篩選后，由軟件鑒定專家委員會對篩選后的軟件進行鑒定。鑒定軟件的功能、性能、工程適用范圍、可靠性等各方面能夠滿足相關工程使用需求。NESTOR所研發(fā)的軟件只有通過鑒定才能夠歸入工程可用軟件庫。當工程項目產(chǎn)生軟件應用需求時，即可從工程軟件庫中選擇合適的軟件。

2.2核電軟件的開發(fā)過程實施

2.2.1核電軟件研制策劃

NESTOR軟件研制策劃工作是估計NESTOR軟件包中每個軟件的規(guī)模、開發(fā)工作量，并根據(jù)估計結果，結合進度要求來制定合理的開發(fā)計劃，提出必要保障條件的管理過程。本項工作主要由項目軟件負責人組織，對所負責軟件的根據(jù)各項軟件的開發(fā)和管理工作進行全面的策劃，并安排相關角色依據(jù)既定的分工制定所需研制軟件的各項計劃，最終以書面的形式形成《軟件開發(fā)計劃》、《軟件配置管理計劃》、《軟件質量保證計劃》、《軟件測量分析計劃》、《軟件驗證和確認計劃》、《文件清單》以及估計記錄等相關文檔，文檔經(jīng)過評審后生效執(zhí)行。相關文檔是軟件開發(fā)過程中各項活動的重要依據(jù)文件，并將隨著軟件研發(fā)過程而細化或調整.

2.2.2核電軟件需求分析

NESTOR項目結合核電工程軟件特點，在需求階段開展了詳細的需求理解、需求確認、需求跟蹤等需求分析活動，需求包括功能需求以及非功能的需求。需求分析是軟件生存周期中最重要的一步。只有通過需求分析，才能準確地將軟件的功能以及非功能的需求從概念描述轉換為具體的可測量的規(guī)格說明形式。NESTOR項目的各個軟件在需求分析階段都依據(jù)軟件的相關需求完成對應軟件的需求分析活動，并以書面的形式形成《需求說明書》/《需求分析報告》，同時建立并維護需求跟蹤矩陣。NESTOR項目在開發(fā)的過程中持續(xù)跟蹤維護需求矩陣，確保了需求與項目策劃的一致性，并在必要時進行變更。

2.2.3核電軟件設計與實現(xiàn)

軟件的設計是在需求的基礎上，對軟件開展計算部分的設計以及界面設計工作，計算部分包括系統(tǒng)結構設計、數(shù)據(jù)設計、接口設計、算法以及過程設計，界面部分的設計工作包括界面原型設計以及界面設計，軟件設計即是把需求轉換成表達的過程。在設計活動完成后，軟件的設計工程師需要依據(jù)體系文件以及相關規(guī)范編制相關的《軟件設計說明書》，設計說明書可依據(jù)軟件規(guī)模或者復雜程度拆分成《概要設計說明書》以及分模塊的《設計說明書》。在軟件的實現(xiàn)階段，按照對應的編碼規(guī)范，依據(jù)設計結果實現(xiàn)軟件編制、編譯和調試，編制《軟件編碼報告》以及《用戶手冊》。《軟件編碼報告》主要對軟件的數(shù)值計算及界面模塊的目錄結構、模塊結構、全局數(shù)據(jù)、各模塊的功能和數(shù)據(jù)，以及軟件的編譯運行方式、集成方式進行描述《用戶手冊》主要對軟件的功能、性能、運行環(huán)境、安裝以及操作說明進行描述，給最終軟件使用對象對軟件的使用有直觀的了解。

2.2.4核電軟件測試及驗證

軟件測試是由人工或自動方法來執(zhí)行或評價系統(tǒng)或系統(tǒng)部件的過程，以驗證它是否滿足規(guī)定的需求。測試活動由軟件測試工程師負責，在測試的策劃階段形成《軟件測試計劃》并開展測試設計，包括測試用例說明等相關文檔。NESTOR項目的測試計劃以及測試說明文檔均經(jīng)過評審，以確保測試工作的有效性。測試工作嚴格按照計劃及測試說明執(zhí)行，對測試過程發(fā)現(xiàn)的缺陷應進行報告、確認、修正和驗證，并形成缺陷記錄單，通過多輪測試及回歸，確保缺陷全部關閉或得到妥善處置。測試完成后編制《軟件測試報告》。通過測試的軟件，由獨立于開發(fā)團隊的驗證工程師，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(shù)據(jù)（試驗數(shù)據(jù)或電廠運行數(shù)據(jù)）等，通過驗證確保軟件的功能、性能以及計算精度滿足預期。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

2.2.5核電軟件

V&V驗證和確認遵循GJB5000A要求以及軟件工程化體系執(zhí)行，從V&V的過程、過程中包含的V&V活動，再到具體的V&V任務，多層次全方位地定義驗證和確認流程。N開展V&V活動是確保NESTOR軟件的質量和可靠性的重要措施，通過V&V活動確認各項需求以及設計要求正確實施，識別期望的結果和實際結果之間有無差別，有效地提高軟件計算的精度并保證軟件的正確性，確保NESTOR軟件質量。除了項目團隊內的V&V團隊，NESTOR項目還創(chuàng)新的采用軟件研發(fā)合作模式，邀請了高校測試組、專業(yè)測試公司以及第三方驗證團隊，針對開發(fā)的核電軟件根據(jù)相關行業(yè)內規(guī)范開展了第三方獨立的測試和驗證。通過有效利用外部資源，對軟件的功能、性能進行全面的測試驗證分析，有效地摒除了內部團隊在相關工作中的“程式”思維、思路局限性而帶來的漏洞，更多的發(fā)現(xiàn)軟件運行中的問題，進一步提高所開發(fā)核電軟件V&V的全面性和客觀性。

2.2.6核電軟件結項

軟件研制完成后，項目軟件負責人組織對軟件的測試驗證情況進行分析，根據(jù)項目目標要求，組織總結分析工作。就軟件的研發(fā)工作進行總結，組織編制《軟件開發(fā)總結報告》，另外，還有軟件開發(fā)過程中的相關配置管理情況、質量管理情況進行總結，編制《配置管理總結報告》以及《質量保證總結報告》。相關總結文檔完成后，組織項目結項評審，軟件具備結項條件后，提交驗收申請并組織驗收，形成驗收報告。

3結語

NESTOR軟件包通過結合廣泛的工程經(jīng)驗，依托科學理論和軟件工程化技術的進步，形成了重要的自主創(chuàng)新能力，成功應用于華龍一號工程設計與校核，并正在進一步應用于其他核電工程開發(fā)中。部分運行支持軟件也已在國內多個核電廠推廣應用，發(fā)揮了良好的經(jīng)濟效益。通過工程化管理體系的建立以及對軟件工程化的過程管理實施，NESTOR軟件包的研發(fā)工作以及運行管理實現(xiàn)了流程精細化管控以及監(jiān)督可視化、可控化。確保了NESTOR軟件在滿足工程需求同時，提升了研發(fā)效率、縮短了研發(fā)周期，提高了軟件的質量，大大減輕了運行管理成本，提升了軟件研發(fā)精細化管理水平。

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作者：張曌寰 張娜 盧宗健 宮兆虎 單位：中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室