自動化測試技術在我國第三代核電DCS 系統的應用

陳 科

（廣西防城港核電有限公司，廣西防城港 538000）

0 引言

核電DCS 系統即核電數字化集散控制系統，它能對核反應堆起到保護作用，同時也能實現對核電站內各工藝系統的精密控制。目前為滿足第三代核電站DCS 系統的測試需求，國內部分核電站開始引進自動化測試技術，通過研發或引進自動化測試工具實現對DCS 系統各功能模塊的可靠測試，避免對核反應堆和工藝系統的控制與保護造成負面影響。自動化測試工具建立在深入研究DCS 系統測試方法的基礎上，能夠對系統的軟、硬件各部分進行從產品、系統到出廠驗收各階段的全方位測試，是確保DCS 系統質量的重要技術措施。

1 人工測試方法存在的問題

核電站對于誤差、缺陷等問題的容忍度較低，任何一個失誤都可能引發嚴重的安全事故。為避免在設備控制管理期間因控制精度、缺陷造成負面影響，核電站需要對相關系統軟件質量或硬件精度進行嚴格卡控。例如，在軟件測試期間，工作人員需要在掌握軟件故障檢測方法的基礎上開展相應工作，確保各項工作有序推進。但是傳統人工測試方法存在較多缺陷，具體有如下3 個。

（1）測試效率低下。某項目在對DCS 軟件邏輯功能進行版本測試期間，需要10 名工作人員耗時兩個月完成5000 余張圖模的測試工作，相關測試工作占據整個軟件測試項目周期的20%，而且整個測試組的成員僅25 人。此外，當前版本的成功測試不會對后續版本的測試效率起到提升效果，測試人員最終會面臨測試效率低下的問題[1]。

（2）人工誤差較大。某項目對DCS 軟件進行測試期間，需要組織測試人員進行工程手動加載、操作軟件強制發出信號、人工對反饋信號進行讀取記錄等各項操作，測試流程中各步驟由人工操作不僅存在效率方面的缺陷，也容易因人員狀態、能力等因素出現各類失誤，導致測試結果與實際存在較大偏差。

（3）測試過程難以全面監督。測試人員因能力、工作思路等存在差距，在DCS 系統測試期間所采取的操作方式往往存在一定差別，當測試出現缺漏、失誤等問題時，因缺乏有效的措施全面監督和記錄整個測試過程，最終導致測試結果無法重現，影響問題的追根溯源。

2 自動化測試技術的應用優勢

在自動化測試技術的輔助下，測試人員能夠大幅減少人員在手動記錄數據、讀取數據、操作設備等方面存在的工作失誤，降低人為因素對測試精度的干擾，同時也能夠起到提升測試效率的作用。基于自動化測試技術研發的測試工具實現了對通信網絡、儀器儀表、計算機等各類設備的融合應用，能夠依靠全過程數據監測、結果自動回收、信號自動注入等方式實現對DCS系統的大規模、高效率地測試。同時在自動化測試工具開發期間，基于測試需要，工作人員通常需要依靠標準化技術手段實現對測試工具各功能模塊的開發，從而確保整個測試過程更加規范、可靠，進一步降低人為因素的干擾。

3 自動化測試技術的應用原則

核電儀控自動測試工具系統設計目標和原則，主要體現在提高核電站的安全性、經濟性、可擴展性、可維護性和可操控性5 個方面。

（1）安全性。數字化技術的應用易于實現故障自診斷和操作指導的專家功能，友好的人機界面提高了操作人員的判斷和控制精度，減少人為事故率。

（2）經濟性。采用數字控制系統，可減少模擬儀表、電纜消耗、土地資源和備件零件；同時能夠提高操作裕度和在線定期測試能力，縮短實驗周期，提高可用性，獲得良好的性價比。

（3）可擴展性。數字化控制系統的軟件函數和硬件模塊可以方便地增加或減少，開放的通信接口組件可以方便地將第三方設備接入系統，系統由于采用通用語言技術，讓擴展功能變得更加容易。

（4）可維護性。數字控制系統易于實現過程模擬運行，滿足常規要求維護保養自診斷系統，能及時準確鎖定故障設備，模塊化維修采用標準化元件，減少備件數量。零件系統包含功能檢修旁路，在不改變機組自動控制水平的情況下，滿足在線檢修要求，避免檢修引起的停機。

（5）可操控性。計算機強大的數據處理能力能夠實現復雜而先進的控制策略，計算機處理非線性的能力極強，任何狀況下都能提供最佳控制效果、控制智能性和響應速度，增強了負荷跟蹤能力。

4 自動化測試技術的應用流程與功能架構

4.1 自動化測試技術在DCS 系統測試中的工作流程

第三代核電應用的數字化儀控系統普遍提高了系統冗余度并采用了更復雜的控制技術，為后續核電站的建設提供了參考，也預示著后續DCS 系統的規模將持續提升。在大規模DCS 系統測試期間，人工測試模式通常無法在短時間內完成數十萬條測試用例的工作，存在效率低下和精度不足等缺陷，難以滿足高標準DCS 系統的測試需求[2]。

在DCS 系統測試期間，通常需要依次開展3 項內容：①測試人員需要將人工操作、網絡數據或電氣信號等不同類型的測試激勵發生至測試對象；②測試對象根據測試激勵反饋視聽感官、網絡數據或電氣信號等不同類型的結果；③測試人員需要實時監控被測對象的內存使用情況、CPU 狀態、日志、電氣參數等。其中，視聽感官與人工操作可以通過電信號轉化的方式進行激勵或反饋，也可以利用智能化的聲音識別、機器視覺等技術滿足測試需求；網絡數據則需要依靠計算機網絡通信實現數據的接發；電氣信號的采集或發出則能夠依靠虛擬儀器來開展。

為確保自動化測試工具功能的可靠發揮，測試人員需要通過首次校準與定期校準的方式對工具的軟硬件等關鍵部門進行測試，確保工具的精度等滿足DCS 系統測試需求，相關校準要求如表1 所示。

表1 自動化測試工具校準要求

4.2 自動化測試工具架構及功能

基于自動化測試技術研發的自動化測試工具能夠通過I/O通道進行電氣信號的交互，依靠通信單元進行網絡數據的交互，依靠人機交互模塊進行人機接口的交互，測試工具能夠自動實現對各類激勵信號的發生、反饋信息的回收以及測試過程的數據監控激勵[3]。

其中，測試數據服務模塊用存儲數據以及對測試工具進行配置管理，測試終端用于滿足測試人員對工具的操作需求，核電站工藝設備模塊能夠對各工藝設備進行仿真調試，人機交互模塊主要涉及機械操作觸控按鈕、攝像頭等采集聲音或顏色等數據。自動化測試工具能夠對網絡數據、電氣信號的發生、采集進行控制，也能夠監控整個測試過程并實現對數據的記錄存儲。該工具融合應用了通信、計算機、信號采集等方面的技術，利用自動化軟硬件設備取代了大量的人工操作。

此外，在擴展性方面，測試人員依靠核電站工藝設備模塊建立測試接口，能夠通過接口實現對核電站各工藝系統設備的重點測試，有效提升測試范圍。

5 人工與自動化測試人員行為可靠度分析

為進一步驗證自動化測試工具相對人工測試的優勢，本文從可靠度方面對兩者進行對比分析，數據結果如表2 所示。

表2 人工測試與自動測試的人員行為可靠度對比

在測試期間，人工測試方法需要開展測試用例讀寫、讀取定量信息、手動操作控制器、回想口頭指令等一系列操作。針對“華龍一號”核電DCS 系統進行測試，在無技術和管理措施的情況下，工作人員按照測試手冊開展20 萬次測試可能存在人工失誤問題約2500 次[4]。如果測試期間應用自動化測試工具取代人工，將自動完成信號激勵、反饋讀取、數據激勵等各項工作，大幅減少測試人員的操作量，可靠度能夠達到99.97%。針對這類問題，相關單位可以在測試工具開發期間增加相應的邏輯閉鎖單元，通過人機交互控制降低失誤概率。例如，某“華龍一號”核電站DCS 系統測試期間依靠自動化測試工具，測試的失誤次數甚至不超出50 次，這進一步證明了自動化測試工具的可靠性。

此外，自動化測試工具還能全面、實時記錄測試期間的日志、信號等，不僅保障測試過程的可追溯性，也規避了人員弄虛作假問題，確保測試結果的可靠性。

6 結束語

數字化儀控系統與核反應過程密切相關，是整個核電站的控制中樞，肩負著對全站設備運行的監視與控制任務，也是整個核電站核心技術的集中體現，其功能和性能直接影響到整個核電站運行的安全性和經濟性。因此，系統測試需要對整個儀控系統進行全面的功能和性能測試，以確保整個系統的精確度、安全性、可靠性和完整性。在確認自動化測試技術比人工測試更加可靠的基礎上，相關單位需要結合測試需要持續對自動化測試工具進行優化完善，確保滿足第三代核電DCS 系統多方面、高標準的測試要求。