基于自然語言處理的DCS自動化測試方法

劉培邦 張緒怡 齊靜雯 陸潘 尹繼超

摘 要 隨著計算機的發(fā)展，數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）已經(jīng)在核電控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。在核電機組投運前，需要對新建機組的DCS進(jìn)行大量的現(xiàn)場測試，目前大多數(shù)的測試方法都是采用手動方法，通過在DCS輸入端打點置值，在DCS輸出端檢查信號。這樣不僅工作量大，也會因工作繁瑣帶入人因失誤，影響測試效率和核電廠工程進(jìn)度。為了提高DCS現(xiàn)場測試效率，提出了一種基于自然語言處理的DCS自動化測試方法，設(shè)計了自然語言解析模塊和運行模塊，利用計算機程序自動解析和執(zhí)行測試用例，極大減少了人工參與度，為DCS的現(xiàn)場測試提供了更便捷的方式。

關(guān)鍵詞 DCS；自然語言；仿真測試；測試用例

中圖分類號 TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）210-0124-03

隨著近些年計算機系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，和用戶對工作系統(tǒng)的控制功能和管理功能要求不斷調(diào)高，核電站的控制系統(tǒng)基本上已經(jīng)由數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）替代傳統(tǒng)的盤臺儀表控制系統(tǒng)，DCS已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

DCS在核電控制系統(tǒng)中是‘中樞神經(jīng)系統(tǒng) [1]，在DCS系統(tǒng)測試期間或現(xiàn)場調(diào)試早期便可對重要的核島、常規(guī)島控制系統(tǒng)實施單步或關(guān)聯(lián)運行初步功能測試、邏輯預(yù)演和定性分析[2]。DCS控制系統(tǒng)能否實現(xiàn)設(shè)備保護(hù)、自動控制等功能密切關(guān)系到機組的安全正常運行，所以需要在系統(tǒng)正式投入使用之前進(jìn)行全方位的邏輯測試，調(diào)試過程一般都在現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試。

目前多數(shù)的現(xiàn)場調(diào)試軟件在面對測試規(guī)程參數(shù)多，用例邏輯較為復(fù)雜時，其使用的難度會增加一定的指數(shù)，本文提出的基于自然語言的自動化規(guī)程測試方法能夠簡化儀控測試人員的工作。

在投入現(xiàn)場使用的過程中，將核電廠工藝模型接入系統(tǒng)I/O接口模塊，替代現(xiàn)場的實物工藝設(shè)備，與DCS設(shè)備連接，構(gòu)成測試的閉環(huán)，用于核電廠現(xiàn)場DCS系統(tǒng)功能測試、保護(hù)系統(tǒng)邏輯功能測試和系統(tǒng)響應(yīng)時間測試。

該調(diào)試裝置以硬接線或通訊的方式接入實際的控制系統(tǒng)，通過注入測試規(guī)程所需的各種仿真信號，在機組運行前完成DCS控制邏輯測試。

該工作相對傳統(tǒng)的DCS調(diào)試具有以下的改進(jìn)：

1）仿真模型替代現(xiàn)場設(shè)備，實現(xiàn)機組運行前，DCS在各種工況下的真實信號輸入。

2）建立測試管理平臺，建設(shè)基于自然語言識別的測試規(guī)程解析模塊，能夠?qū)σ?guī)程文件中的操作語言和邏輯做自動化識別，解析成為對應(yīng)程序執(zhí)行碼，建立樹狀邏輯結(jié)構(gòu)。

3）仿真測試流程實現(xiàn)全自動測試，執(zhí)行每一個測試用例時，對應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的程序執(zhí)行碼，自動判斷執(zhí)行結(jié)果，根據(jù)結(jié)果，生成測試報告；并能提供順序執(zhí)行，循環(huán)執(zhí)行，暫停，恢復(fù)等多種執(zhí)行模式，使得DCS測試的整個流程更加靈活。

1 DCS仿真測試現(xiàn)狀

1.1 問題定義

隨著DCS軟件開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，行業(yè)用戶對軟件的質(zhì)量要求越來越高，傳統(tǒng)的測試一般以手工測試為主，但是手工測試過程復(fù)用性差，測試結(jié)果無法保證一致性，當(dāng)執(zhí)行回歸測試時，必須重新手工執(zhí)行，回歸工作量大，具有重復(fù)性、機械性。為了節(jié)約測試成本，在手工測試的基礎(chǔ)上興起了自動化測試，自動化測試一般分為錄制回放和人工編程開發(fā)測試腳本兩種方式[3]。

錄制回放技術(shù)原理是在測試人員操作被測軟件執(zhí)行測試用例時，測試工具記錄下鍵盤和鼠標(biāo)的軌跡，并自動生成測試腳本代碼，這樣生成的代碼冗余度高、可讀性差，而且腳本代碼中被測軟件業(yè)務(wù)邏輯代碼與控件代碼雜糅在一起，不利于后期的維護(hù)。

人工開發(fā)測試腳本是錄制回放技術(shù)的進(jìn)一步升級，腳本代碼由人工編寫，提高了代碼復(fù)用性、可讀性。一般流程是測試人員依據(jù)已經(jīng)編寫好的測試用例，在測試工具中逐條編寫測試腳本，用例運行時由測試工具逐條運行并反饋測試結(jié)果。

人工開發(fā)測試腳本雖然可以減少腳本代碼的冗余度，并可以通過添加注釋提高可讀性，但是無法克服被測軟件業(yè)務(wù)邏輯代碼與被測軟件控件代碼雜糅的問題，當(dāng)測試用例的規(guī)模達(dá)到成千上萬條時，腳本代碼的維護(hù)就是一個大問題，如果項目研發(fā)后期需要修改被測軟件界面上的一個控件，則不但需要修改自動化腳本中該控件代碼，還需要修改所有涉及到該控件的測試業(yè)務(wù)邏輯代碼，測試腳本的維護(hù)工作量就會很大[4]。

1.2 DCS現(xiàn)狀

早期國內(nèi)開展和進(jìn)行DCS測試工作的單位、企業(yè)還不是很多。國內(nèi)核電力系統(tǒng)中，有少數(shù)科研實驗單位和發(fā)電企業(yè)進(jìn)行了這方面的研究和測試的應(yīng)用，主要集中在I/O模件的精度測試和一些部件的冗余切換試驗上，另外的許多內(nèi)容限于試驗設(shè)備和技術(shù)手段等因素?zé)o法開展[5-7]。

由于DCS性能測試確實能夠給DCS用戶提供較為全面的DCS性能信息，越來越多的企業(yè)主動要求進(jìn)行DCS性能測試，因此，近幾年國內(nèi)逐步開展了DCS性能測試研究，基本掌握了各項指標(biāo)的測試技術(shù)，可以初步做到對DCS的狀態(tài)評估和可靠性評估[8-9]。但是對于用例規(guī)程操作中存在的復(fù)雜操作，并未做到自動化處理。

為了解決上述問題，本文提出一種基于自然語言處理的自動化DCS仿真測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)由本體庫和業(yè)務(wù)邏輯兩部分組成，本體庫主要包括用例、規(guī)程中的操作關(guān)鍵詞，如“檢查”“設(shè)置”“初始化”等關(guān)鍵詞。在編寫規(guī)程文檔中測試用例時，使用關(guān)鍵字或業(yè)務(wù)邏輯組合形成測試用例的步驟，通過基于自然語言處理的模型去訓(xùn)練學(xué)習(xí)樣本庫關(guān)鍵詞。

后續(xù)運行測試系統(tǒng)時，系統(tǒng)首先解析規(guī)程的操作的步驟，解析出關(guān)鍵字和參數(shù)，然后調(diào)用對應(yīng)的關(guān)鍵字庫代碼執(zhí)行測試。測試完成后依據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行驗證并填寫測試是否通過。

2 基于自然語言處理的測試方法

2.1 自然語言處理關(guān)鍵技術(shù)

自然語言是人工智能和語言學(xué)領(lǐng)域的分支學(xué)科，主要內(nèi)容包括兩個方面，自然語言的理解和自然語言的生成。隨著各行各業(yè)的詞匯不斷豐富，自然語言處理中越來越重視詞匯的功能，如何建立詞匯庫是一個普遍關(guān)注的問題，并且出現(xiàn)了統(tǒng)計自然語言處理，運用大量的數(shù)學(xué)模型。

在整個自然語言的處理過程中，如圖1所示，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中包含一個詞庫，輸入的數(shù)據(jù)根據(jù)詞庫中已有的信息進(jìn)行相關(guān)的特征轉(zhuǎn)換，這一過程是最為關(guān)鍵的，需要對語料數(shù)據(jù)進(jìn)行分詞、詞性標(biāo)注、據(jù)法分析、語義分析等操作，語義分析的精確程度很大程度上依賴于詞庫建立的粒度是否合理，詞性規(guī)范可以參考Chinese TreeBank（CYB）2標(biāo)準(zhǔn)。中文的分析工具可以使用NLTK和結(jié)巴分詞。

在特征生成完成之后，需要將特征組合為相應(yīng)的模型，不同的需求對應(yīng)不同的模型，在DCS測試系統(tǒng)中包含的操作多數(shù)是寫值、讀值、等待等簡單的重復(fù)性工作，很快利于詞庫的建立，只要和相關(guān)的操作類似的詞語都可以建立到詞庫。

2.2 模式識別方法

在DCS的測試系統(tǒng)中，包含了很多的測試用例，測試用例中的語義基本可以認(rèn)為識別，在放到程序中時，需要對大量的測試用例的關(guān)鍵詞進(jìn)行識別，提取其中的關(guān)鍵操作、關(guān)鍵變量、關(guān)鍵值等信息，在識別的過程中通過詞性標(biāo)注和句法分析來進(jìn)一步確定該語料的特征，進(jìn)一步對相關(guān)的特征進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終生成相關(guān)的計算機可識別的內(nèi)容。

執(zhí)行模式的設(shè)計基于自然語言設(shè)計，對大量規(guī)程進(jìn)行模式匹配，規(guī)程按照一定的模板進(jìn)行編寫，具體用例的測試內(nèi)容需要與設(shè)計好的執(zhí)行模式進(jìn)行匹配，以DCS測試軟件為例，其中主要包括WRITE、READ、WAIT和PASS這幾種執(zhí)行模式，具體執(zhí)行的操作再進(jìn)行封裝，具體的模式匹配如圖2所示，這種設(shè)計方式使得測試用例的可擴(kuò)展性變得更高，關(guān)鍵在于模式識別程序的設(shè)計，需要設(shè)計良好的可擴(kuò)展性，底層的執(zhí)行模式也具備良好的可擴(kuò)展性，相互之間耦合性很低，不會相互影響。

3 關(guān)鍵技術(shù)自動化測試方法研究

規(guī)程的自動化執(zhí)行的功能如圖3所示，包括自動執(zhí)行、單步執(zhí)行、循環(huán)運行、暫停和繼續(xù)，并且可以配置執(zhí)行參數(shù)，可以配置規(guī)程執(zhí)行過程中每一條操作之間的時間間隔和執(zhí)行不通過時是否繼續(xù)運行。規(guī)程的單步，在點開規(guī)程之后，點擊單步執(zhí)行，需要逐步點擊單步運行才會運行下一步操作，在實際的測試環(huán)境中，關(guān)鍵步驟可以使用單步運行模式，可以有足夠時間排錯和調(diào)試。規(guī)程的循環(huán)執(zhí)行是實際測試中壓力測試常用的一種方式，循環(huán)執(zhí)行會一直運行該測試規(guī)程，在執(zhí)行過程中可以動態(tài)的設(shè)置執(zhí)行的時間間隔和不通過時是否運行下一條，在重復(fù)運行某個操作時需要對一個值進(jìn)行重復(fù)檢驗，在運行不通過時會提示是否運行下一條操作，點擊是則直接跳過該操作運行下一條操作。

4 DCS測試方法應(yīng)用

根據(jù)上文提出的技術(shù)方案，將核電廠提供的文本規(guī)程文件進(jìn)行仿真測試，利用自然語言進(jìn)行語義識別，生成程序可識別的模型，在不斷運行規(guī)程的過程中，逐步完善DCS的專有詞庫，最終每段文本都會對應(yīng)一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如下所示是解析READ操作是對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

在對大量規(guī)程進(jìn)行自然語言識別時，可以不斷的更新已有的詞庫，增加新的執(zhí)行模式，在新增詞庫的過程需要人工進(jìn)行確認(rèn)，以確保詞庫的準(zhǔn)確性，目前已經(jīng)具備4種操作，在后續(xù)的DCS仿真測試項目實施中可以兼容更多的執(zhí)行模式。

5 總結(jié)與展望

本文提出了基于自然語言處理的自動化DCS測試方法，將自然語言處理應(yīng)用到DCS仿真測試中，在對規(guī)程生成模型的過程中極大的減少工作量，并且提出了一種自動化的測試流程，可以滿足日常的DCS測試各種需求，各種測試模式之間可以自由切換，可以提高測試工作的效率。在進(jìn)行自然語言識別的過程中，自然語言的詞庫建立需要人工參與，在面對大量新增的執(zhí)行模式的時候，會降低工作效率，這方面可以加入基于統(tǒng)計的自然語言處理，類似現(xiàn)在的深度學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，目前暫未探索相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用，在改方法應(yīng)用成熟以后會進(jìn)一步做相關(guān)的探索。

參考文獻(xiàn)

[1]祝建飛，姚峻，沈叢奇.1000MW超超臨界機組DCS控制系統(tǒng)仿真調(diào)試技術(shù)研究[J].華東電力，2010，38（12）：1946-1950.

[2]朱立志.核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)的仿真測試與驗證研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[3]陳冬嚴(yán)，等.精通自動化測試框架設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[4]張俊卿.測之重器：自動化測試框架搭建指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

[5]程真，楊東南. 分散控制系統(tǒng)的性能考核試驗方法[J].華東電力，2003，22（3）：20-22.

[6]王琦.分散控制系統(tǒng)（DCS）性能測試方法的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2006.

[7]盛鍇.分散控制系統(tǒng)控制器實時性能的測試方法及應(yīng)用[J].電站系統(tǒng)工程，2013（5）：50-52.

[8]王雁軍，康靜秋，楊振勇.基于性能測試的DCS狀態(tài)評估及改造方案研究[J].華北電力技術(shù)，2015（11）：51-56.

[9]王晉，王慶峰，曹迎鋒，等.核電廠非安全級DCS驗證系統(tǒng)測試方法[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2017（5）：194-196.