核電HMI軟件驗證和確認中的接口分析

曲萃萃 張敏

摘要：HMI（Human Machine Interface人機界面）軟件是核電DCS（Distributed Control System）的重要組成部分，其接口分析也是V&V過程的重要部分。本文考慮目前核電廠中HMI軟件所承擔的作用、與其他部件的數據信息交互、交互數據信息的類型，淺析HMI軟件相應的接口類型、各接口類型中包括的接口，同時結合IEEE 1012的標準對接口分析介入研發的三個階段進行了詳述。

關鍵詞：接口分析;HMI（人機界面）;V&V（驗證和確認）

中圖分類號：TP277文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）03-0257-02

HMI軟件，又稱用戶交互界面，是軟件和用戶之間進行操作交互和信息交換的媒介，是DCS重要的組成部分。HMI軟件的驗證與確認是保證其質量的必經過程。驗證和確認可以縮寫為V&V[1]，確認是保證軟件符合產品說明書的過程，驗證是保證軟件滿足用戶要求的過程[2]。接口分析作為V&V的重要部分，貫穿了整個核電DCS系統研發的整個階段。1接口分析

HMI軟件的接口分析是關注從DCS系統的其他部分（如管理層）流向HMI軟件的數據。HMI軟件接口分析的任務是保證HMI軟件與DCS系統的其他部分接口的正確性、完整性、準確性和一致性。

HMI軟件接口分析宜關注以下三個方面：

1）用戶接口。宜分析操縱員與HMI軟件的接口，諸如要求的操作員上VDU的屏幕格式、顯示畫面的保護機制、日志、報表等的頁面布局和內容、信息輸入與信息輸出的相對時間等。

2）硬件接口。宜分析HMI軟件與系統硬件部件間每個接口的邏輯特征。確定電子設備、固件、通信設備及輸出設備，然后確定這些接口的適用標準并驗證當前的應用接口。[3]

3）軟件接口。宜分析HMI軟件與其他所需軟件產品的接口（如：數據服務軟件、計算服務軟件、操縱員站上的操作系統、或存檔服務器上軟件等），以及與其他應用系統的接口。確定HMI軟件外的其他軟件產品的適用標準和與其他應用系統的接口。驗證HMI軟件接口到其他應用系統軟件接口的正確性。

2 HMI軟件的接口

2.1 HMI軟件

目前已有的核電DCS平臺中，HMI軟件（人機接口）是指在操作人員與I&C系統以及和電廠相連的計算機系統之間的接口。接口包括顯示、報警、控制和操縱員支持系統等。其相關功能主要包括：報警、趨勢、流程圖、當前值、日志、掛牌、性能計算、打印、數據存檔和查詢、表格、報表、故障診斷、規程、安全參數顯示、權限管理、大屏幕、氙預測、狀態列表、系統狀態顯示等。HMI軟件作為操作人員與I&C系統以及和電廠相連的計算機系統之間的接口，其運行是否正常直接影響操作人員對電廠實時信息的獲取和控制操作的執行。其正常運行可有效地規避事故工況下導致嚴重性后果的事件發生。

2.2 HMI軟件的接口類型

HMI軟件接口分析關注的是從HMI軟件流向DCS系統另一部分的數據。DCS系統包括0層、1層、2層、3層，HMI軟件屬于2層中的一部分，因此，HMI軟件的數據會流向1層、3層以及

2 層中的其他部分部件。

以上數據流向所涉及的接口為外部接口。

HMI軟件按照監測、控制內容的不同，劃分為不同的功能模塊，包括但不限2.1節中的相關功能。本文中的HMI軟件各功能模塊間不存在數據流，故無。

對于其他的人機界面軟件，功能模塊間可能存在從一個功能模塊流向另一個功能模塊的數據，這些數據流向所涉及的接口為。

外部接口根據數據流向的對象又可分為用戶接口、硬件接口、外部軟件接口。

2.3 HMI軟件的接口

1）外部軟件接口

根據2.1節中HMI軟件的接口類型，結合從HMI軟件流向DCS系統另一部分的數據，分析出HMI軟件的外部軟件接口有實時數據庫接口、計算服務接口、歷史數據庫接口、時鐘同步接口、組態服務接口。

2）硬件接口

結合從HMI軟件流向DCS系統另一部分的數據，分析出HMI軟件的硬件接口有打印機接口、VDU接口、鍵盤接口、鼠標接口、軌跡球接口、BUP盤臺接口。

3）用戶接口：屏幕顯示的布局、比例、誤操作時顯示畫面的保護機制、不同功能模塊顯示區域的布局方式和內容、輸入信息的顯示、輸出信息的顯示、顯示界面內容顯示的時間標識。

3 研發中的HMI軟件接口分析

HMI軟件接口分析是整個核電DCS系統研發中的重要環節，以下從兩個方面說明其重要性。

1）核電DCS系統中各軟件部件的接口分析貫穿于整個研發過程中，作為DCS系統軟件部件之一的HMI軟件，其接口分析也是不容忽視的一部分。

2） DCS系統中操縱人員對系統的監控完全依賴于HMI軟件及BUP盤臺，其信息顯示的正確性、完整性、準確性，直接影響操縱員的判斷及對系統的控制，而這些信息均來自DCS系統中各軟件部件間的數據流。接口分析關注的是從系統一部分流向另一部分的數據，因此接口分析是DCS系統HMI軟件驗證和確認中必須執行的任務，通過接口分析可發現軟件評價、測試所無法驗證的研發缺陷，從早期即可規避各部件間信息交互涉及的不合理的需求、設計規定，不完善的代碼編制，提高軟件產品的質量，保證整個項目的進度。

3.1 需求階段HMI軟件接口分析

HMI軟件需求階段接口分析的目的是確保所有HMI軟件外部接口和HMI軟件各功能模塊間的內部接口均已正確、完整的設計。依據IEEE 1012，需求階段HMI軟件接口分析應從以下幾個方面進行驗證。

1）正確性：確認HMI軟件的用戶接口、硬件接口、外部軟件接口需求是正確的;

2） 一致性：確認HMI軟件系統需求規格書和HMI軟件接口需求規格書、其他相關文件中的接口說明一致;

3）完整性：驗證HMI軟件接口需求是否對每個接口都進行了描述，并包括了數據格式和性能準則;

4）準確性：驗證每個HMI軟件接口需求是否提供了準確性信息;

5）可測試性：驗證每個HMI軟件接口需求是否具有用于確認的客觀驗收準則。

3.2 設計階段HMI軟件接口分析

HMI軟件設計階段接口分析的目的是評價HMI軟件設計說明書與DCS系統硬件、操縱員、DCS系統軟件接口需求的正確性、一致性、完整性和準確性、可測試性。至少，分析每個接口的數據項。依據IEEE 1012，設計階段HMI軟件接口分析應從以下幾個方面進行驗證。

1）正確性：驗證HMI軟件的用戶接口、硬件接口、外部軟件接口設計是否滿足HMI軟件的接口需求;

2） 一致性：驗證HMI軟件設計說明書對接口的描述是否與HMI軟件需求規格說明書和其他接口需求規格說明書、接口設計說明書對接口的描述一致;

3）完整性：驗證HMI軟件接口設計是否對每個接口都進行了描述，并包括了數據格式和性能準則;

4）準確性：驗證每個HMI軟件接口設計是否提供了準確性信息;

5）可測試性：驗證每個HMI軟件接口設計是否具有用于確認的客觀驗收準則。

3.3 實現階段HMI軟件接口分析

HMI軟件實現階段接口分析的目的是評價源代碼與硬件，操縱員和軟件設計文檔的正確性、一致性、完整性、準確性和可測試性。至少要分析每個接口的數據項。依據IEEE 1012，設計階段HMI軟件接口分析應從以下幾個方面進行驗證。

1）正確性：確認HMI軟件的用戶接口、硬件接口、外部軟件接口、代碼是否滿足HMI軟件的系統需求;

2） 一致性：驗證源代碼部件間及其與外部接口（即，硬件、用戶、操作人員和其他軟件）的接口代碼是一致的;

3）完整性：驗證HMI軟件接口代碼是否對每個接口都進行了描述，并包括了數據格式和性能準則;

4）準確性：驗證每個HMI軟件接口代碼是否提供了準確性信息;

5）可測試性：驗證每個HMI軟件接口代碼是否具有用于確認的客觀驗收準則。

4 總結

本文在總結了接口分析在核電DCS系統HMI軟件驗證和確認中應用的必要性的基礎上，給出了核電DCS系統HMI軟件涉及的接口類型及詳細的接口，提出各研發階段的接口分析目標和任務執行的關鍵，為執行其他行業的人機交互軟件接口分析提供參考。

參考文獻：

[1]向嫄，王冬，藺淑倩，核電DCS中人機界面軟件的驗證與確認的探索研究[J]電腦知識與技術，2012，8（18）：4541-4544，4563.

[2] Ron Patton著.張小松，王鈺，曹躍，等，譯.軟件測試[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] The institute electrical and electronics engineers.inc.SoftwareVerification and Validation Plan [S].2012.