基于NASPIC平臺的定期試驗工具軟件設計與實現

葉佩鑫，黨麗君，黃素林

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

0 引言

核電站儀控系統是核電站的“中樞神經”，在確保核電站安全、穩定運行方面起著至關重要的作用[1]。其中，反應堆保護系統用于實時監測反應堆工藝系統的保護參數，當參數超過安全閾值時，自動觸發緊急停堆信號及相關的專用安全設施，以保證反應堆的安全[2]。在核電廠正常運行時，不會觸發反應堆保護系統。因此，對于保護系統是否具備可用性，在出現嚴重工況時是否能夠及時動作，需要依靠定期試驗來驗證。根據核法規要求，定期試驗必須按照試驗大綱所規定的項目、周期以及驗收標準來執行，只有當試驗結果通過，才說明系統功能是可靠的，若試驗結果不通過則必須對系統和設備的可用性進行評估。

圖1 NASPIC平臺基本架構圖Fig.1 Basic architecture diagram of NASPIC platform

隨著工業技術的發展，核電站儀控系統經歷了全模擬、數字加模擬、數字化控制3 個發展階段。如今安全級數字化控制系統（DCS，Digital Control System）正在全面替換傳統的模擬系統。雖然現在的安全級數字化控制系統都具備自診斷功能，可以實時監視控制系統是否出現故障，但是仍然存在一些故障不在自診斷的檢測范圍，因此自診斷功能不能完全替代定期試驗[3]。

定期試驗通常采用分段交迭的方法分為過程儀表和核儀表試驗（T1 試驗）、保護邏輯通道試驗（T2 試驗）以及輸出電路及驅動器試驗（T3 試驗）[4]。對于反應堆保護系統來說，是否采用數字化控制系統來實現，對T3 試驗影響不大，應主要考慮T1 和T2 試驗如何設計。T2 定期試驗內容包括保護通道邏輯和專設安全邏輯的驗證，其目的是通過檢查保護系統邏輯處理的正確性及信號傳輸通道是否正常，及時發現系統中存在的隱形故障[2]。這里重點針對T2試驗，討論基于核電廠數字化安全級儀控系統（NASPIC 平臺）的定期試驗工具軟件的設計與實現。

1 NASPIC平臺介紹

NASPIC 平臺，是中國核動力研究設計院根據核電廠法規、標準以及核電廠安全控制保護系統的系統要求，基于微處理器和網絡通信等技術，開發的一個通用的設備平臺[5]。平臺主要包含現場控制站、傳輸站、網關站、安全顯示站（SVDU）和工程師站。現場控制站由一系列核心基礎板卡組成，主要用于數據采集和處理、邏輯運算、信號輸出及通信等功能。傳輸站負責現場控制站、網關站、SVDU 站及工程師站的數據傳輸；網關站用于安全級系統向非安系統的通信隔離，是與外部非安側設備交互的接口；安全顯示站用于各種安全相關參數的顯示，并能夠通過操作界面上的圖形按鈕向安全系統發出控制指令；工程師站提供組態工具，用于安全級DCS 系統自身參數和工程應用數據的配置和管理，滿足工程設計、系統調試、運營維護等各階段的功能要求，而定期試驗軟件就是在工程師站軟件的基礎上開發的，作為工程師站的一個工具軟件而存在。

2 定期試驗軟件設計

2.1 需求分析

定期試驗軟件適用于T2 試驗，主要功能應包括組態和執行試驗兩項，組態功能要實現對試驗用例及試驗條件的快速創建、編輯和導入，執行試驗時，根據試驗用例來調節各測試信號值的大小及符合邏輯的不同組合，使保護系統輸出不同的結果，并與預期結果相比較，以判斷邏輯符合功能的正確性[6]。將以上需求經過進一步細化后，最終得出定期試驗軟件的實際需求如下：

1）試驗項目管理

工程應用人員新建試驗項目，內容包含試驗類型、試驗項目、選擇站點等信息，在導航欄以樹形結構的形式呈現。

2）試驗站點管理

在試驗項目下，能夠添加試驗站點，站點應包括站號、站點類型、站點名稱等信息，對于已添加的站點，能夠進行修改和刪除。

3）試驗條件和用例管理

每項試驗用例擁有一套試驗條件，試驗條件歸屬于試驗用例節點，對試驗條件和用例應有生成模板、導入、導出功能。

4）加入試驗

在沒有進行試驗時，選擇某個試驗站點，可以將該試驗站點下對應的試驗用例加入到計劃試驗列表中，也可以從中刪除，計劃試驗列表中只能最多同時添加一個站點。

5）試驗執行

選中計劃試驗列表中的試驗用例進行試驗，可單選和多選，試驗執行流程應包括建立站點通訊、試驗允許條件判斷、參數驗證、試驗初始化、試驗用例執行及試驗數據恢復，用戶可選擇單步執行和連續執行兩種方式，若選擇單步執行則提供“下一步”按鈕，每次點擊只執行一條件用例；若選擇連續執行，則軟件自動連續執行選中的全部用例。

6）輔助功能

軟件應包含一些輔助功能，包括生成試驗報告、試驗報表及日志查詢功能。試驗報告要求試驗結束后自動生成，也可以手動選擇試驗用例進行生成，試驗報告的內容應包含試驗類型、試驗項目、試驗站點和試驗用例執行情況，試驗報表生成方式與試驗報告類似，內容是對已經完成的試驗項目以報表形式進行統計。

圖2 定期試驗功能模塊設計圖Fig.2 The design diagram of the periodic test function module

2.2 定期試驗軟件與下位機接口設計

定期試驗軟件通過工程師站與現場控制站之間的維護網絡進行數據傳輸，使用數據強制協議將試驗用例數據下發到控制站中實現對變量的強制，再通過維護網絡回讀控制站中的監視數據來進行結果比對。

下行的強制數據和上行的監視數據的通信接口都應采用非阻塞的方式實現，以避免軟件界面因為通信等待而卡頓。由于軟件是基于Qt 平臺進行開發的，因而能夠很好地利用其信號槽機制來實現非阻塞，在收到上行的監視數據之后，首先經過數據解析，轉換為軟件內部可以識別的數據結構，再通過發送信號的方式將監視數據發出，在定期試驗軟件內部對該信號進行綁定以接收該信號。這樣，軟件就能夠以非阻塞的形式接收監視數據，同時不影響界面刷新，實現流暢無卡頓的試驗執行過程，下行的數據接口也同樣利用信號槽方式進行實現。

2.3 軟件功能設計與實現

根據軟件的需求，將定期試驗軟件設計為六大功能模塊以及20 余項功能，詳情如圖2 所示。

2.3.1 試驗項目樹結構

試驗項目管理模塊主要依賴于界面左側的試驗項目樹，樹結構分為四層，按照不同層級由外而內依次為試驗項目、試驗站點、試驗分組、試驗用例四級。

樹中各個節點除了用于顯示外，還要存儲各個節點所具有的一些固有屬性（例如：試驗項目含有試驗項目名、試驗類型、試驗說明信息，試驗站點含有站號、站名、站類型、CPU 類型等），所以要求試驗節點本身具備數據存儲能力，能夠保存其固有屬性，因此在實現時利用C++繼承的特性，創建了一個子類繼承Qt 中的QTreeWidgetItem 樹節點類，并在子類中創建若干成員變量用于存儲節點屬性，然后使用這個自定義子類來創建節點，使得創建的每個節點既具有樹節點的特性又能夠存儲數據。

圖3 試驗項目樹結構示例Fig.3 An example of the test project tree structure

圖4 試驗項目樹節點繼承關系類圖Fig.4 A class diagram of the node inheritance relationship of the test project tree

圖5 JSON與XML格式對比Fig.5 Comparison of JSON and XML formats

2.3.2 試驗項目數據的存儲和加載

1）數據存儲

在設計試驗項目數據的存儲方案時，考慮到其中關鍵的試驗用例數據在導入后，不會頻繁修改，因而整個試驗項目的修改頻率也不高，基于試驗項目數據的這種特性，同時分析了數據庫和文件形式存儲的優劣。

數據庫的優勢在于數據結構化、高共享性、冗余度低、易擴充、數據高獨立性，由DBMS 統一管理和控制，其事務機制也保證了能夠支持回滾操作，然而這些特性對于試驗項目數據來說，顯得龐大臃腫；同時，數據庫的備份也較為麻煩。文件存儲方式優勢在于訪問輕便快捷，文件的備份轉移很方便，并且性能相較數據庫來說更好，然而安全性相較數據庫來說更差，但通過對文件進行加密可以很好地彌補這個缺點。經過上述對比，選擇加密文件形式作為試驗項目數據存儲方案。

關于數據的存儲格式，由圖5 對比可見，存儲相同內容，JSON 格式具有比XML 格式更加簡單的語法格式。同時，JSON 所使用的字符比XML 更少，可以大大節約存儲空間，XML 格式的層次結構雖然比JSON 要清晰，可讀性更強，但正是因為如此，反而降低了其安全性，而JSON格式在不知道層次結構時，解析更加困難，變相的提高了其安全性。同時，由于數據中有試驗用例表和試驗條件表存在，將表格轉化為JSON 格式更加簡單，只需將表格按行拆分后進行寫入即可，而要用XML 格式存儲表格顯然十分困難，因此選用JSON 作為保存文件的數據存儲格式。

圖6 試驗管理右鍵菜單Fig.6 Right-click menu of test management

2）數據加載

試驗項目數據在加載時，要經過3 個關鍵步驟，讀取試驗項目數據文件，通過解密操作將數據解密，最后按照JSON 數據格式對文件中數據進行解析，最后再將JSON 格式數據轉換為試驗項目樹節點數據進行顯示。

2.3.3 試驗項目管理

試驗項目管理包含試驗項目的新建、修改、查看、刪除以及項目記憶功能，有菜單欄和鼠標右鍵菜單兩種方式作為該功能的入口。試驗項目記憶功能要求軟件能夠記憶當前打開的試驗項目的狀態，并在每次啟動軟件的時候自動加載試驗項目，要實現關閉軟件后對一些關鍵信息的存儲，需要使用配置文件，在其中增加一個字段，用于記錄當前定期試驗內所包含的試驗項目名稱，并在每次啟動軟件時自動讀取配置文件中的該字段，根據記錄的試驗項目來選擇試驗項目數據文件進行加載。

2.3.4 試驗站點管理

試驗站點管理包含添加站點、刪除站點和查看站點功能，同樣有菜單欄和鼠標右鍵菜單兩種方式作為該功能的入口。

圖7 站點管理右鍵菜單Fig.7 Site management right-click menu

由于T2 試驗主要是針對保護系統中停堆和專設的邏輯算法進行驗證，而這些算法邏輯只在RPC 站或TU 站當中存在，由于在一個實際工程中，不同類型的站點數量眾多，因而對于添加站點功能，在讓用戶選擇要加入的站點時，應當自動過濾掉GW 站和SVDU 站，防止用戶因誤操作導致的錯誤。

2.3.5 試驗條件和用例管理

試驗條件和用例管理包含對試驗條件和用例的模板生成、導入導出、刪除和顯示，以及對導入數據的增加、刪除和修改。對于用例模板的生成、導入導出和刪除功能，設計了菜單欄和鼠標右鍵菜單兩種方式作為該功能的入口，對于導入數據的增加、刪除和修改功能，設計了右鍵彈出菜單的方式顯示，而試驗用例和條件的顯示功能，則設計了工作區用于顯示試驗用例和條件數據，并通過鼠標左鍵點擊試驗用例節點的方式觸發。

從工程需求來看，對同一站點設計的若干項試驗用例，其所需的試驗條件可能是不同的，因此從軟件上，將試驗用例和條件設計為一一對應的關系，每項試驗用例對應一套試驗條件，在實現時，將試驗條件依附到試驗用例節點上，即每個試驗用例節點除了包含試驗用例的數據之外，還需要包含其對應的試驗條件數據，在工作區顯示時，將試驗條件和用例分為不同的表格，并通過頂端的tab 頁進行切換。

圖8 試驗用例數據管理右鍵菜單Fig.8 Right-click menu of test case data management

2.3.6 試驗執行流程設計

試驗執行分為“單步”和“連續”兩種執行模式，在用戶點擊“啟動試驗”按鈕后，彈出提示框供用戶進行選擇，若選擇單步執行，則按照如圖9 單步執行的流程進行。

若選擇連續執行，則按照如圖10 連續執行的流程進行。

在實驗執行流程的實現過程中，發現所有涉及數據下發的過程，包括試驗初始化設置、試驗用例執行、取消試驗和試驗數據恢復，除了下發的數據不同之外，實際的發送數據過程都是一樣的，使用的是同一個強制接口，因此可以將上述這些流程封裝為同一個函數，通過傳入不同的強制類型參數進行區分，在函數內部對不同的部分區別處理即可，這樣封裝以后，在所有這些下發數據的流程處，都只需要調用同一個的函數，參入不同的參數即可，從而降低了代碼冗余程度。

由于試驗執行的流程中包含多處關鍵判斷節點，在編碼實現時，必須保證這些判斷的邏輯和功能的正確性，任何一個判斷的錯誤都可能導致試驗執行流程的順序混亂、數據錯亂及結果不正確，而這樣的試驗結果一旦被當做正確的結果進行處理，將可能無法真實反映系統存在的缺陷。因此，需要嚴格控制試驗過程中各個邏輯判斷節點的正確性，為實現這一目標，在軟件中定義了試驗執行過程標志位及其他眾多表示試驗執行過程狀態的標志位，在試驗執行時，執行不同過程則設置不同標志位的狀態好壞，在執行到判斷節點時，通過一個或多個標志位好壞的組合，來判斷應該進入哪一條分支流程。對于每個標志位都需要跟蹤其狀態變化，確保其狀態在試驗執行的各個階段被正確的設置，確保沒有遺漏。例如，要在啟動軟件時對每個標志位設置初始化狀態，在試驗結束或因異常情況中止時，對每個標志位狀態進行重置等。

圖9 單步執行流程圖Fig.9 Single-step execution flow chart

2.3.7 人機界面

人機界面的設計風格，總體與工程師站軟件保持一致，將界面劃分為菜單欄、試驗項目樹區域、工作區、狀態欄和日志區5 個區域。菜單欄在界面最頂部，包含試驗項目管理、試驗條件和用例管理、試驗管理、輔助工具和幫助這五類功能，每一類中添加了其主要功能的按鈕，方便用戶進行快捷操作。試驗項目樹區域在界面左側，用于顯示試驗項目的完整結構，各個節點用不同層級的圖標配合節點的名稱來表示，除顯示用途外，還提供鼠標右鍵菜單供用戶對試驗項目進行各項操作，內容涵蓋了除執行試驗外的大部分的功能。工作區在界面中間靠右側位置，用于顯示試驗用例和條件數據的具體內容，當點擊試驗項目樹上的試驗用例節點時，工作區就自動切換顯示該節點對應的試驗用例和條件數據。狀態欄在界面最底部，主要用于顯示當前通信狀態，設置為一個狀態燈，狀態燈分為綠、紅和灰3 種顏色，分別對應通信正常、通信異常和未連接3種狀態。

圖10 連續執行流程圖Fig.10 Continuous execution flow chart

圖11 定期試驗軟件界面Fig.11 Periodic test software interface

3 結語

通過對NASPIC 平臺的定期試驗軟件需求的深入分析，設計了“生成模板+導入”的形式實現了對試驗用例的快速批量生成，選用了文件作為主要的數據存儲格式，符合試驗數據的特性，提高了軟件運行效率；使用多個狀態標志位來標識試驗執行狀態，確保了試驗結果的正確性；通過對函數和類的合理封裝，降低了代碼冗余度；對人機界面進行設計，使其風格上與工程師站軟件界面保持一致，讓用戶使用時更加習慣；對于重要功能設計多種形式的入口，提高了軟件的便利性。該NASPIC 平臺的定期試驗軟件的設計滿足核安全級DCS 系統的高可靠性的要求，可為核安全級DCS 系統定期試驗軟件設計提供參考。