核電軟件工程化研發(fā)過程管理
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【摘要】核電設(shè)計(jì)研發(fā)是包括研究、設(shè)計(jì)與試驗(yàn)等環(huán)節(jié)的復(fù)雜研究過程，高精度的核電核動力工程設(shè)計(jì)軟件是保障開展核電設(shè)計(jì)分析的重要手段。為保障核電設(shè)計(jì)的安全性、可靠性以及質(zhì)量，構(gòu)建一整套覆蓋反應(yīng)堆工程的軟件研發(fā)需求管理、理論模型、設(shè)計(jì)、編碼、測試、驗(yàn)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(shè)計(jì)分析軟件的研發(fā)流程尤為重要。
0引言
核電設(shè)計(jì)分析以及運(yùn)行支持軟件是開展核電工程設(shè)計(jì)以及維護(hù)核電廠運(yùn)行的重要技術(shù)手段之一，對核電工程設(shè)計(jì)科研工作的質(zhì)量、研發(fā)效率以及核電廠的運(yùn)行安全起到了至關(guān)重要的作用。由于核電設(shè)計(jì)分析以及運(yùn)行支持軟件具有很強(qiáng)的核安全相關(guān)性，多年以來，國外核發(fā)達(dá)國家對核電軟件設(shè)計(jì)研發(fā)以及運(yùn)行管理都是高度重視的，相關(guān)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(zhì)量管理以及后續(xù)的應(yīng)用均受到核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注。與此同時(shí)，在國內(nèi)，核電相關(guān)的安全也受到了核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注。針對核安全相關(guān)軟件，國家核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)也制定了相關(guān)的軟件評價(jià)實(shí)施辦法。根據(jù)相關(guān)實(shí)施辦法，核安全相關(guān)軟件的認(rèn)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(yàn)證計(jì)算模型的合理性以及不確定性和敏感性等評價(jià)，對軟件的研發(fā)過程、研發(fā)體系以及質(zhì)量保證體系的建立也同樣重視。在中核集團(tuán)龍騰自主創(chuàng)新科研項(xiàng)目的支持下，由中國核動力研究設(shè)計(jì)院牽頭，中國核電工程有限公司、中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司參與共同完成了成體系的核電設(shè)計(jì)與分析軟件包NESTOR（NuclearPowerPlantEngineeringSoftwareTechnologyResearchProject)）。NESTOR軟件包包含了核電設(shè)計(jì)與分析所需要的相關(guān)專業(yè)軟件，涉及核反應(yīng)堆物理設(shè)計(jì)、屏蔽與源項(xiàng)設(shè)計(jì)、熱工水力與安全分析、燃料元件相關(guān)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)與設(shè)備設(shè)計(jì)、儀控設(shè)計(jì)、軟件共性技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域。NESTOR軟件項(xiàng)目自2011年立項(xiàng)以來便高度重視軟件研發(fā)體系建設(shè)，并針對“軟件開發(fā)過程質(zhì)量保證體系與開發(fā)規(guī)范”成立單獨(dú)的課題進(jìn)行研究。該項(xiàng)目致力于將核電工程設(shè)計(jì)與軟件工程化相結(jié)合，貫穿研發(fā)全生命周期，覆蓋需求管理、模型研究、軟件設(shè)計(jì)、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(xiàng)目中的各個軟件開展軟件工程化實(shí)施流程。長期以來，建立適應(yīng)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(shè)計(jì)、科研及管理工作中，一直是NESTOR項(xiàng)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(shè)計(jì)分析軟件以及運(yùn)行支持軟件具有高可靠性、高安全性、高經(jīng)濟(jì)性的特殊要求。在國家核安全導(dǎo)則、GJB5000A、CMMI等軟件工程化的總體指導(dǎo)要求下，遵循軟件工程化思想，建立一套具有核電工程特點(diǎn)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(tuán)隊(duì)開發(fā)出高質(zhì)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(shè)計(jì)院經(jīng)過多年的研究及實(shí)踐應(yīng)用，制定了覆蓋軟件工程化研發(fā)中的重要過程域的指導(dǎo)性文件《軟件工程化體系文件》。
2NESTOR軟件工程化實(shí)施過程
軟件工程化研發(fā)的實(shí)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(jī)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(xiàng)目策劃、項(xiàng)目監(jiān)督與控制、過程和產(chǎn)品質(zhì)量保證、配置管理、測量與分析等過程，軟件項(xiàng)目的管理過程中的活動可根據(jù)軟件的自身特點(diǎn)進(jìn)行裁剪。
2.1核電軟件的管理過程實(shí)施
2.1.1項(xiàng)目初始管理策劃
在接受核電軟件研制任務(wù)后，應(yīng)落實(shí)項(xiàng)目組主要成員，并組織各階段工作安排。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人根據(jù)《軟件研制能力等級要求》，組織對項(xiàng)目軟件的重要性等級和規(guī)模等級進(jìn)行確定。最終形成《項(xiàng)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(xiàng)目結(jié)合自身的特點(diǎn)，建立了一系列的研發(fā)過程規(guī)范，規(guī)范由項(xiàng)目部批準(zhǔn)后應(yīng)用于本項(xiàng)目所承擔(dān)的所有核電軟件研發(fā)中。
2.1.3項(xiàng)目監(jiān)督與控制
核電軟件項(xiàng)目的監(jiān)督與控制是將軟件項(xiàng)目的實(shí)際執(zhí)行情況與相關(guān)計(jì)劃要求進(jìn)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(jì)劃以滿足相關(guān)要求，從而確保項(xiàng)目研發(fā)工作有序、正常的實(shí)施。
2.1.4核電軟件項(xiàng)目過程和產(chǎn)品質(zhì)量保證
開展質(zhì)量管理的策劃工作，主要目的是識別NESTOR項(xiàng)目及其最終交付成果的質(zhì)量要求及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。通過有計(jì)劃地、定期地對NESTOR相關(guān)軟件全生存周期的開發(fā)與管理活動進(jìn)行符合性檢查，對各階段工作產(chǎn)品與活動進(jìn)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(shí)施，從中發(fā)現(xiàn)不符合項(xiàng)并實(shí)施相應(yīng)的糾正措施。
2.1.5項(xiàng)目配置管理
配置管理是結(jié)合配置管理工具對開發(fā)的軟件進(jìn)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(jìn)行有效保護(hù)，維護(hù)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(xiàng)目相關(guān)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(xiàng)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(jìn)行有效的配置，實(shí)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(shè)計(jì)流程的能見度。NESTOR項(xiàng)目在配置管理實(shí)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(xiàng)在不同庫之間的流轉(zhuǎn)的權(quán)限及流程的控制。通過實(shí)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(xiàng)目各軟件設(shè)置有專門的測量分析工程師，該人員負(fù)責(zé)依據(jù)既定的測量目標(biāo)、測量項(xiàng)、數(shù)據(jù)采集和存儲規(guī)程、分析規(guī)程等相關(guān)要求采集和分析測量數(shù)據(jù)，在合適的控制點(diǎn)/項(xiàng)目結(jié)題時(shí)采集并匯總相關(guān)數(shù)據(jù)，形成測量分析信息。項(xiàng)目執(zhí)行的過程中，相關(guān)的測量分析信息及時(shí)專遞到項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)成員內(nèi)以及利益相關(guān)方。通過測量與分析活動，有效的監(jiān)督了項(xiàng)目績效，并為后續(xù)活動做出有根據(jù)的管理和技術(shù)決策，以便在出現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)采取相應(yīng)的糾正措施，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目監(jiān)督控制的可視性、及時(shí)性
2.1.7項(xiàng)目評審
在軟件開發(fā)與管理過程中，針對重要節(jié)點(diǎn)或者里程碑組織軟件項(xiàng)目組內(nèi)部及外部人員對NESTOR軟件產(chǎn)品、研發(fā)活動及工作進(jìn)展情況的符合性、合理性和正確性進(jìn)行驗(yàn)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(zhì)量。
2.1.8記錄控制
為滿足軟件工程化體系要求，NESTOR項(xiàng)目實(shí)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(yùn)行的記錄、作為可追溯性依據(jù)的記錄均進(jìn)行了有效的控制。通過核電管理平臺，對項(xiàng)目實(shí)施中產(chǎn)生的所有過程記錄文檔進(jìn)行分發(fā)、流轉(zhuǎn)等控制，過程記錄包括技術(shù)傳遞單、技術(shù)聯(lián)系單、備忘錄、會議紀(jì)要、設(shè)計(jì)評審報(bào)告、項(xiàng)目周報(bào)、QA核查單、質(zhì)量保證報(bào)告、配置管理報(bào)告等。同時(shí)，通過檔案管理系統(tǒng)，對項(xiàng)目所產(chǎn)生的所有設(shè)計(jì)文件進(jìn)行有效的歸檔及控制。
2.1.9軟件的鑒定與應(yīng)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(xué)習(xí)、科研，不能直接應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。軟件的鑒定是專業(yè)設(shè)計(jì)人員對入庫歸檔的軟件產(chǎn)品進(jìn)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(jìn)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(guān)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(dāng)工程項(xiàng)目產(chǎn)生軟件應(yīng)用需求時(shí)，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(shí)施
2.2.1核電軟件研制策劃
NESTOR軟件研制策劃工作是估計(jì)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(jì)結(jié)果，結(jié)合進(jìn)度要求來制定合理的開發(fā)計(jì)劃，提出必要保障條件的管理過程。本項(xiàng)工作主要由項(xiàng)目軟件負(fù)責(zé)人組織，對所負(fù)責(zé)軟件的根據(jù)各項(xiàng)軟件的開發(fā)和管理工作進(jìn)行全面的策劃，并安排相關(guān)角色依據(jù)既定的分工制定所需研制軟件的各項(xiàng)計(jì)劃，最終以書面的形式形成《軟件開發(fā)計(jì)劃》、《軟件配置管理計(jì)劃》、《軟件質(zhì)量保證計(jì)劃》、《軟件測量分析計(jì)劃》、《軟件驗(yàn)證和確認(rèn)計(jì)劃》、《文件清單》以及估計(jì)記錄等相關(guān)文檔，文檔經(jīng)過評審后生效執(zhí)行。相關(guān)文檔是軟件開發(fā)過程中各項(xiàng)活動的重要依據(jù)文件，并將隨著軟件研發(fā)過程而細(xì)化或調(diào)整.
2.2.2核電軟件需求分析
NESTOR項(xiàng)目結(jié)合核電工程軟件特點(diǎn)，在需求階段開展了詳細(xì)的需求理解、需求確認(rèn)、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(zhǔn)確地將軟件的功能以及非功能的需求從概念描述轉(zhuǎn)換為具體的可測量的規(guī)格說明形式。NESTOR項(xiàng)目的各個軟件在需求分析階段都依據(jù)軟件的相關(guān)需求完成對應(yīng)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(bào)告》，同時(shí)建立并維護(hù)需求跟蹤矩陣。NESTOR項(xiàng)目在開發(fā)的過程中持續(xù)跟蹤維護(hù)需求矩陣，確保了需求與項(xiàng)目策劃的一致性，并在必要時(shí)進(jìn)行變更。
2.2.3核電軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
軟件的設(shè)計(jì)是在需求的基礎(chǔ)上，對軟件開展計(jì)算部分的設(shè)計(jì)以及界面設(shè)計(jì)工作，計(jì)算部分包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)、算法以及過程設(shè)計(jì)，界面部分的設(shè)計(jì)工作包括界面原型設(shè)計(jì)以及界面設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)即是把需求轉(zhuǎn)換成表達(dá)的過程。在設(shè)計(jì)活動完成后，軟件的設(shè)計(jì)工程師需要依據(jù)體系文件以及相關(guān)規(guī)范編制相關(guān)的《軟件設(shè)計(jì)說明書》，設(shè)計(jì)說明書可依據(jù)軟件規(guī)模或者復(fù)雜程度拆分成《概要設(shè)計(jì)說明書》以及分模塊的《設(shè)計(jì)說明書》。在軟件的實(shí)現(xiàn)階段，按照對應(yīng)的編碼規(guī)范，依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果實(shí)現(xiàn)軟件編制、編譯和調(diào)試，編制《軟件編碼報(bào)告》以及《用戶手冊》?！盾浖幋a報(bào)告》主要對軟件的數(shù)值計(jì)算及界面模塊的目錄結(jié)構(gòu)、模塊結(jié)構(gòu)、全局?jǐn)?shù)據(jù)、各模塊的功能和數(shù)據(jù)，以及軟件的編譯運(yùn)行方式、集成方式進(jìn)行描述《用戶手冊》主要對軟件的功能、性能、運(yùn)行環(huán)境、安裝以及操作說明進(jìn)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(yàn)證
軟件測試是由人工或自動方法來執(zhí)行或評價(jià)系統(tǒng)或系統(tǒng)部件的過程，以驗(yàn)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(fù)責(zé)，在測試的策劃階段形成《軟件測試計(jì)劃》并開展測試設(shè)計(jì)，包括測試用例說明等相關(guān)文檔。NESTOR項(xiàng)目的測試計(jì)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(yán)格按照計(jì)劃及測試說明執(zhí)行，對測試過程發(fā)現(xiàn)的缺陷應(yīng)進(jìn)行報(bào)告、確認(rèn)、修正和驗(yàn)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(guān)閉或得到妥善處置。測試完成后編制《軟件測試報(bào)告》。通過測試的軟件，由獨(dú)立于開發(fā)團(tuán)隊(duì)的驗(yàn)證工程師，通過確認(rèn)用例對軟件進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)用例包括基準(zhǔn)題、實(shí)測數(shù)據(jù)（試驗(yàn)數(shù)據(jù)或電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)）等，通過驗(yàn)證確保軟件的功能、性能以及計(jì)算精度滿足預(yù)期。采用第三方驗(yàn)證的方式對所開發(fā)軟件的正確性進(jìn)行確認(rèn)
2.2.5核電軟件
V&V驗(yàn)證和確認(rèn)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(wù)，多層次全方位地定義驗(yàn)證和確認(rèn)流程。N開展V&V活動是確保NESTOR軟件的質(zhì)量和可靠性的重要措施，通過V&V活動確認(rèn)各項(xiàng)需求以及設(shè)計(jì)要求正確實(shí)施，識別期望的結(jié)果和實(shí)際結(jié)果之間有無差別，有效地提高軟件計(jì)算的精度并保證軟件的正確性，確保NESTOR軟件質(zhì)量。除了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)內(nèi)的V&V團(tuán)隊(duì)，NESTOR項(xiàng)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(yàn)證團(tuán)隊(duì)，針對開發(fā)的核電軟件根據(jù)相關(guān)行業(yè)內(nèi)規(guī)范開展了第三方獨(dú)立的測試和驗(yàn)證。通過有效利用外部資源，對軟件的功能、性能進(jìn)行全面的測試驗(yàn)證分析，有效地摒除了內(nèi)部團(tuán)隊(duì)在相關(guān)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(yùn)行中的問題，進(jìn)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(jié)項(xiàng)
軟件研制完成后，項(xiàng)目軟件負(fù)責(zé)人組織對軟件的測試驗(yàn)證情況進(jìn)行分析，根據(jù)項(xiàng)目目標(biāo)要求，組織總結(jié)分析工作。就軟件的研發(fā)工作進(jìn)行總結(jié)，組織編制《軟件開發(fā)總結(jié)報(bào)告》，另外，還有軟件開發(fā)過程中的相關(guān)配置管理情況、質(zhì)量管理情況進(jìn)行總結(jié)，編制《配置管理總結(jié)報(bào)告》以及《質(zhì)量保證總結(jié)報(bào)告》。相關(guān)總結(jié)文檔完成后，組織項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)評審，軟件具備結(jié)項(xiàng)條件后，提交驗(yàn)收申請并組織驗(yàn)收，形成驗(yàn)收報(bào)告。
3結(jié)語
NESTOR軟件包通過結(jié)合廣泛的工程經(jīng)驗(yàn)，依托科學(xué)理論和軟件工程化技術(shù)的進(jìn)步，形成了重要的自主創(chuàng)新能力，成功應(yīng)用于華龍一號工程設(shè)計(jì)與校核，并正在進(jìn)一步應(yīng)用于其他核電工程開發(fā)中。部分運(yùn)行支持軟件也已在國內(nèi)多個核電廠推廣應(yīng)用，發(fā)揮了良好的經(jīng)濟(jì)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(shí)施，NESTOR軟件包的研發(fā)工作以及運(yùn)行管理實(shí)現(xiàn)了流程精細(xì)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(shí)，提升了研發(fā)效率、縮短了研發(fā)周期，提高了軟件的質(zhì)量，大大減輕了運(yùn)行管理成本，提升了軟件研發(fā)精細(xì)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(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
