我國核電自主化軟件的驗證和確認

劉華

【摘 要】核電自主化軟件是我國成為核電強國、實施核電中長期規劃、核電技術走出去的關鍵要素。介紹了核電自主化軟件的基本構成，分析核電自主化軟件的驗證和確認的必要性和重要價值。結合我國目前的核電自主化軟件現狀，給出了合理可行的技術發展路線。

【關鍵詞】核電；自主化軟件；驗證和確認

0 引言

我國正處在新型工業化的轉型階段。依據國家的能源戰略，將來核電在國家能源結構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權的核電軟件技術成為衡量一個國家核電技術水平高低的重要標志之一。具有自主知識產權的核電技術的前提必然包括研發平臺、設計平臺擁有自主知識產權。研發平臺、設計平臺正是目前我國核電仍然缺乏的最基本、最基礎、最重要的技術軟件。同理，研發平臺、設計平臺的驗證和確認，正是核電軟件研發的核心能力之一。

1 我國核電自主化軟件

我國核電自主化軟件包括核電設計軟件和核電數字化儀控系統軟件。

（1）核電設計軟件

核電設計軟件是指一整套具有完全自主知識產權的核電廠關鍵設計軟件，其功能涵蓋核電廠的核設計、熱工設計、系統安全分析、概率安全分析、嚴重事故分析、燃料設計等。設計軟件應用于具體核電站的設計校核，并最終實現使用設計軟件完成工程設計的總體目標。

（2）核電數字化儀控系統軟件

核電數字化儀控系統英文簡稱DCS（Digital Control System）或DI &C（Digital Instrumentation & Control）。以下統一稱為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下自動控制和監控操作，安全級DCS主要完成核電站反應堆安全停堆和專設安全設施的控制。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。核電數字化儀控系統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場控制站、工程師站、維修站上的軟件系統，又可以指運行在DCS系統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）是一門系統工程的技術學科。軟件的驗證和確認活動，目的就是驗證應用軟件開發過程中每一階段的輸出成果是否與該階段的任務需求相符合，且確認最終生成的應用軟件和系統是否與其預期的用途及相關需求一致。

核電軟件既是核電站研發、設計的基本工具，又是運行、維護的“神經系統”，不僅體現了對核電理念和“方法論”的把握，同時也體現了對核電站運行維護規律的掌握和經驗的積淀。目前我國在核電設計、關鍵設備制造、工程建設及管理等方面已取得了很大進步，但核電軟件設計平臺的研發尤其是V&V技術，與國際水平的差距還很大。

核電安全級數字化儀控系統的V&V極為重要。例如核動力廠保護系統實現數字化必須解決的一項關鍵技術是如何完成安全軟件的驗證與確認。從而證明和確認執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用系統、軟件可靠性、安全性和保障性的有效保障。作為系統工程學的一個技術分支，驗證和確認技術在核電廠的開發設計中正發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、更好設備性能和更多診斷功能的先進數字化儀控系統，而貫穿于系統開發整個過程的軟件V&V過程則是實現核電站數字化儀控系統高可靠性的關鍵。

IEEE組織編寫的系統、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、軟件和硬件。該標準是學術界、工程界普遍認可的驗證和確認技術標準。標準初步建立了一套支持所有系統、軟件和硬件生存周期過程的V&V過程、活動和任務的公共框架和指導意見。

3 已有工作基礎和現狀

（1）國家層面的規劃和組織

2009年6月，國家能源局正式批復設立國家能源核電站數字化儀控系統研發中心，中心依托北京廣利核系統工程有限公司（中廣核集團、北京和利時系統工程有限公司共同組建）建設，致力于為核電站提供端到端的全范圍數字化儀控系統解決方案和全生命周期的服務，實現設計自主化和設備國產化。

2010年5月21日，國家核電技術公司核電軟件技術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體系，形成具有國際水平的核電軟件研發能力。并與上海交通大學、西安交通大學、華北電力大學簽署了共建“核電軟件工作站”協議，為我國核電軟件自主化搭建實質性合作平臺。這是國家核電與國內產學研單位深化合作、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計自主軟件開發

COSINE軟件包是大型先進壓水堆核電站國家科技重大專項“核電關鍵設計軟件自主化技術研究”課題的成果。該系列軟件將應用于CAP1400示范工程的設計校核，并最終實現利用自主知識產權的核電設計軟件對CAP1400標準堆和CAP1700機組進行工程設計的總體目標，徹底實現核電軟件的全面國產化，使我國核電軟件開發技術達到國際水平。

（3）針對具體堆型的核電DCS自主軟件開發

目前，基本形成了核電站數字化儀控系統產品研發平臺、儀控系統產品生產成套平臺、儀控系統工程集成平臺、核電儀控系統驗證平臺等研發和驗證平臺建設等穩定的研究方向。明確了七項重點科研方向，即核安全級控制保護系統產品平臺研制、核電站數字化專用儀控系統產品平臺研制、具體堆型的核電站反應堆控制保護系統工程樣機研制、核安全軟件驗證與確認技術研究、核電站數字化儀控系統安全分析及產品可靠性技術研究和圖形化核安全級軟件集成開發環境研制。

通過建立具體堆型的數字化儀控系統開發過程模型，研究與其開發過程緊密結合的驗證與確認技術，特別是其審查、分析以及測試方法的使用，并提出相應的設計、測試及V&V過程的文檔要求。開發過程模型和V&V技術依托廣泛的工業規范和標準認可度。為我國自主化的核安全級數字化儀控系統的開發提供重要的借鑒和指導意義。

（4）核安全級數字化儀控系統軟件驗證和確認技術標準研究

通過對IEC和IEEE相關標準以及IAEA和NRC的相關法規導則以及我國對應的標準和法規進行了調研分析和總結，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V&V的關鍵思想，為建立我國完善的核電廠核安全級儀控系統及軟件V&V相關標準體系提出建議，打下基礎。

（5）數字化儀控系統軟件安全性和可靠性評估方法研究

數字化儀控系統可以對復雜系統進行自動檢測、分析及控制，能夠減少儀表數量，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研究、基于新型硬件例如現場可編程門陣列FPGA、基于ARM內核處理器的DCS設計驗證和確認等。

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在向數字化方向發展，不但系統級的DCS控制系統和保護邏輯裝置廣泛采用數字化技術實現，現場儀表（熱工測量變送器、核測量儀器）和執行器也都在內部嵌入了微處理器。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在數字化保護系統的開發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，運行該軟件的數字化保護系統是足夠安全的，才能被允許應用到核工程上。

4 發展目標和預期標志性成果

1）發展目標

（1）以專業化核電軟件研發隊伍為核心，有效整合國內優勢力量，開發具有完全自主知識產權的一整套核電廠核心設計軟件，實現我國核電軟件的全面國產化，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展道路，加快建立與國際接軌的核電軟件研發體系；實現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、高質量、具有自主知識產權核電軟件的能力。

（3）通過驗證與確認技術，提升我國核電站儀控行業整體科研水平、設計能力。

2）預期標志性成果

（1）完成具有普遍應用價值、又能結合具體核電廠的核電設計軟件V&V大綱及體系標準、操作規程等。

（2）開發出完整、可靠、高效的核電廠堆芯設計和系統安全分析軟件V&V大綱及體系標準、操作規程等。

（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、操作規程等。

（4）成功研發出適用二代改進型和三代壓水堆的具有自主知識產權的安全級數字化儀控系統產品和核電站專用儀控設備，并形成我國的V&V系列標準法規。

5 問題清單及重點攻關任務

（1）問題清單

核電軟件開發涉及領域多、投入大、周期長；在我國核電發展的幾十年中，普遍存在“重硬件、輕軟件”現象，造成核電軟件研發長期不受重視；其次，我國核電軟件發展缺乏統一有序的組織協調、系統科學的規劃論證、全面嚴格的質保標準，造成核電研發的嚴重滯后，前期自主開發的軟件從安全性、可靠性、穩定性等各方面無法滿足新一代核電設計的要求；最后，雖然國內相關單位從不同渠道獲得了一定的核電軟件研發經費，但普遍支持力度較小，而且不連續，核電軟件研發缺少長期穩定的經費支持。

（2）重點攻關任務

表1給出了三條合理可行的軟件V&V技術發展路線。軟件V&V標準體系、工作過程與管理模式、數字化儀控系統及設備的V&V技術和應用、人因V&V與軟件V&V技術的結合及核電廠安全級軟件供應商質量管理體系研究、自動軟件驗證，軟件測試、模型檢測等都是作為技術發展路線的具體環節。

作為安全級控制系統的數字化保護系統是電站安全、可靠、經濟運行的關鍵裝備。由于國外核電數字化安全控制技術的保密與封鎖，核電數字化保護系統的自主化軟件研發對于提高企業科技創新能力，改變國外對國家戰備產業的壟斷狀況具有重要的意義。

6 結論

核電自主化軟件的驗證和確認是提高軟件設計水平、提升軟件質量的重要手段和途徑。核電自主化軟件又是核電設計能力的集中體現。科學開展軟件的驗證和確認，將對我國核電設計水平再上一個臺階、形成自主知識產權打下堅實的基礎。

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[責任編輯：楊玉潔]