艾九斤,李運(yùn)堅(jiān),李相建
(北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司,北京100094)
核電廠數(shù)字控制系統(tǒng)是保障核電廠安全運(yùn)行的核心,尤其是保護(hù)控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱 “安全級(jí)”),而國(guó)內(nèi)在役和在建核電廠的保護(hù)控制系統(tǒng)均為國(guó)外引進(jìn),這使得核電廠建造和運(yùn)行成本大幅提高,為了解決這一問(wèn)題,提出了核電廠保護(hù)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的目標(biāo)。在保護(hù)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的過(guò)程中,除了對(duì)硬件的質(zhì)量嚴(yán)格要求外,還要保證軟件的安全性,為了提高軟件的安全性,需對(duì)核電廠保護(hù)控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)過(guò)程中的危險(xiǎn)進(jìn)行分析。目前核電廠保護(hù)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化才剛剛起步,還未建立對(duì)核電廠安全級(jí)應(yīng)用軟件開發(fā)過(guò)程的危險(xiǎn)分析體系。因此針對(duì)這一現(xiàn)狀,結(jié)合CPR1000(中國(guó)改進(jìn)型壓水堆核電站)項(xiàng)目的工程實(shí)踐,對(duì)核電廠安全級(jí)應(yīng)用軟件的開發(fā)過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)(verification &validation,V&V)活動(dòng),對(duì)應(yīng)用軟件開發(fā)過(guò)程中的危險(xiǎn)進(jìn)行分析。
在對(duì)核電廠內(nèi)執(zhí)行安全重要功能的安全級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面的危險(xiǎn)分析以提高系統(tǒng)的預(yù)期安全性。所謂危險(xiǎn),是指可能導(dǎo)致事故發(fā)生的一種狀態(tài),它是發(fā)生事故的先決條件,危險(xiǎn)與事故的關(guān)系如圖1所示??赡軐?dǎo)致事故的狀態(tài)有物質(zhì)狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)和人員活動(dòng)狀態(tài)以及它們的組合。為了提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性,應(yīng)分析、識(shí)別出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中的危險(xiǎn)因素并對(duì)其采取必要的控制措施,使系統(tǒng)獲得最佳的整體安全性。
圖1 危險(xiǎn)與事故關(guān)系
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證(verification1,V1)階段,通過(guò)分析標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)以及合同技術(shù)條款等對(duì)于安全保護(hù)系統(tǒng)的基本要求,識(shí)別出系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的潛在危險(xiǎn)。以CPR1000某項(xiàng)目為例,在V1階段,通過(guò)識(shí)別危險(xiǎn)項(xiàng)并對(duì)危險(xiǎn)因子以及危險(xiǎn)事故所產(chǎn)生的后果進(jìn)行分析,識(shí)別出系統(tǒng)設(shè)計(jì)在環(huán)境、安全性、可靠性等方面存在的潛在危險(xiǎn)。在V1階段識(shí)別出的部分危險(xiǎn)項(xiàng),以及觸發(fā)危險(xiǎn)事故的危險(xiǎn)因子和事故的后果見表1。
在識(shí)別出危險(xiǎn)項(xiàng)后應(yīng)對(duì)引發(fā)危險(xiǎn)的危險(xiǎn)因子及危險(xiǎn)的后果進(jìn)行分析,以建立危險(xiǎn)緩解策略來(lái)減小或避免危險(xiǎn)帶來(lái)的后果。在V1階段采用基于安全保護(hù)層模型的分層危險(xiǎn)分析策略,將表1中的危險(xiǎn)項(xiàng)根據(jù)觸發(fā)危險(xiǎn)的因子和事故后果的影響程度,從安全保護(hù)層模型的固有安全層、控制和監(jiān)視層、防護(hù)層、抑制減輕層進(jìn)行分析。
表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)危險(xiǎn)項(xiàng)識(shí)別
(1)固有安全層:固有安全層是指通過(guò)工藝技術(shù)的選擇、設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮、操作參數(shù)的設(shè)置等因素,減輕或消除潛在的危險(xiǎn)。對(duì)于核電廠來(lái)說(shuō)永遠(yuǎn)存在著發(fā)生地震的潛在危險(xiǎn),該危險(xiǎn)發(fā)生的概率非常低,但后果卻是災(zāi)難性的。通過(guò)對(duì)固有安全層的安全級(jí)機(jī)柜進(jìn)行有效的抗震設(shè)計(jì)來(lái)緩解地震帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)。
(2)控制和監(jiān)視層:控制和監(jiān)視層通過(guò)基本過(guò)程控制系統(tǒng)的常規(guī)控制、過(guò)程報(bào)警和操作人員的操作,將工藝過(guò)程參數(shù)控制在正常操作設(shè)定值以內(nèi)。不當(dāng)?shù)慕涌谠O(shè)計(jì)將使系統(tǒng)過(guò)分復(fù)雜化,給安全級(jí)與非安全級(jí)間的監(jiān)視、報(bào)警等信息的傳遞帶來(lái)潛在的危險(xiǎn)。通過(guò)簡(jiǎn)化各系統(tǒng)軟件間的接口,采用高速、有效、可靠的通信方式來(lái)減小控制和監(jiān)視層的危險(xiǎn)。
(3)防護(hù)層:防護(hù)層的基本功能是試圖減少危險(xiǎn)事件發(fā)生的頻率,使工藝過(guò)程取得或保持安全狀態(tài)。在防護(hù)層中存在因特定單一事件引起的兩個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)、部件功能失效的共因故障的潛在危險(xiǎn)。在防護(hù)層采用設(shè)備多樣性和功能多樣性設(shè)計(jì)來(lái)緩解共因故障的潛在危險(xiǎn)。
(4)抑制減輕層:抑制減輕層的作用是降低危險(xiǎn)事件發(fā)生的后果。在抑制減輕層中存在因反應(yīng)堆跳堆響應(yīng)時(shí)間超時(shí)而導(dǎo)致核安全事故的潛在危險(xiǎn)。通過(guò)嚴(yán)格驗(yàn)證的方法來(lái)確保反應(yīng)堆跳堆響應(yīng)時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求。
軟件需求是系統(tǒng)需求的子集也是進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),軟件需求應(yīng)包含系統(tǒng)需求分配給軟件的各項(xiàng)約束,具體包括安全要求和潛在的故障狀態(tài),在各種運(yùn)行模式下的功能需求和運(yùn)行要求,以及性能指標(biāo)、故障探測(cè)、安全監(jiān)測(cè)和安全防范等要求。
在軟件需求驗(yàn)證(verification2,V2)階段,為了能夠全面評(píng)估可能會(huì)涉及的危險(xiǎn)因素,采用了預(yù)先危險(xiǎn)分析法(preliminary hazard analysis,PHA)對(duì)軟件需求中的潛在危險(xiǎn)進(jìn)行分析。預(yù)先危險(xiǎn)分析法是對(duì)一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)存在的危險(xiǎn)類別、出現(xiàn)條件及可能造成的后果進(jìn)行的一種定性分析。其目的是識(shí)別出危險(xiǎn),鑒別危險(xiǎn)產(chǎn)生的原因及事故后果,對(duì)已識(shí)別的危險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí),確定安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,并提出減輕或控制危險(xiǎn)的緩解策略。
2.1.1 預(yù)先危險(xiǎn)分析表
在進(jìn)行V2活動(dòng)時(shí),應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、用戶安全要求、安全標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)文件和以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)軟件需求進(jìn)行分析和驗(yàn)證,列出需要進(jìn)行分析的危險(xiǎn)項(xiàng)或因素,并制定預(yù)先危險(xiǎn)分析表(preliminary hazard list,PHL),以確定預(yù)先危險(xiǎn)分析的待分析危險(xiǎn)項(xiàng)。在CPR1000某項(xiàng)目中,V2階段識(shí)別出的部分危險(xiǎn)見表2。
2.1.2 預(yù)先危險(xiǎn)分析
(1)安全性危險(xiǎn)分析:為了提高反應(yīng)堆控制的安全性,降低潛在的危險(xiǎn)。在軟件需求驗(yàn)證中通常從以下幾個(gè)方面對(duì)影響軟件需求的危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析:①安全功能分級(jí),將不同安全級(jí)別的功能分配到相應(yīng)的安全級(jí)設(shè)備中去執(zhí)行,可以避免非安全功能級(jí)別的故障影響安全級(jí)別的功能。②設(shè)備冗余設(shè)計(jì),為了使保護(hù)系統(tǒng)滿足單一故障準(zhǔn)則,提高反應(yīng)堆的安全性??蓪?duì)安全監(jiān)測(cè)通道進(jìn)行冗余設(shè)計(jì),如在保護(hù)系統(tǒng)中廣泛采用二重,三重或四重通道。③邏輯符合設(shè)計(jì),為了使保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)盡量滿足可靠性和安全性的要求,采用邏輯符合設(shè)計(jì)原則,也就是在保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作之前必須有兩個(gè)或兩個(gè)以上的冗余信號(hào)相一致。④多樣性設(shè)計(jì)來(lái)降低共因故障的可能性。
表2 軟件需求初步危險(xiǎn)分析(PHL)
(2)防御性危險(xiǎn)分析:核電廠保護(hù)控制系統(tǒng)在發(fā)生共模故障時(shí),存在喪失保護(hù)功能的危險(xiǎn)。為了防止共模故障帶來(lái)的危險(xiǎn),可以采用縱深防御的設(shè)計(jì)策略。縱深防御在CPR1000項(xiàng)目安全級(jí)軟件設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)有:①反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)有4個(gè)保護(hù)通道,每個(gè)通道彼此實(shí)現(xiàn)電氣隔離;②反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)采用雙子系統(tǒng),兩個(gè)子系統(tǒng)彼此實(shí)現(xiàn)軟件的隔離;③將相同功能的設(shè)備邏輯分開到不同的專設(shè)驅(qū)動(dòng)功能子系統(tǒng)中。
(3)故障探測(cè)危險(xiǎn)分析:如果探測(cè)設(shè)備或線路故障,存在因保護(hù)系統(tǒng)不能使反應(yīng)堆進(jìn)入到安全狀態(tài)的危險(xiǎn)。為了緩解故障探測(cè)的危險(xiǎn),反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了以下設(shè)計(jì):①采用四通道冗余設(shè)計(jì);②對(duì)模擬量信號(hào)的量程、質(zhì)量位以及計(jì)算的有效性等進(jìn)行監(jiān)測(cè);③采用降級(jí)邏輯設(shè)計(jì),如四取二邏輯降級(jí)為三取二。
(4)可試驗(yàn)性危險(xiǎn)分析:在核電廠運(yùn)行期間對(duì)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行定期試驗(yàn),存在著參數(shù)修改、設(shè)備誤動(dòng)作等人為因素帶來(lái)的危險(xiǎn)。為了緩解因定期試驗(yàn)帶來(lái)的危險(xiǎn),設(shè)計(jì)了AT(automatic tester)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行定期試驗(yàn)。采用AT對(duì)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行定期試驗(yàn)可以將系統(tǒng)的危險(xiǎn)累積降低到較低的水平。
軟件組態(tài)設(shè)計(jì)是利用軟件組態(tài)工具和面向應(yīng)用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言將軟件需求轉(zhuǎn)化為可實(shí)現(xiàn)的軟件設(shè)計(jì)方案的過(guò)程。在軟件組態(tài)階段可能存在著因人為因素、邏輯設(shè)計(jì)、接口方式等方面的問(wèn)題而給軟件設(shè)計(jì)和運(yùn)行帶來(lái)潛在的危險(xiǎn)。為了降低組態(tài)設(shè)計(jì)中的危險(xiǎn)性,對(duì)軟件組態(tài)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證,通過(guò)對(duì)組態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程及設(shè)計(jì)輸出結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證來(lái)發(fā)現(xiàn)軟件組態(tài)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。
2.2.1 人為因素危險(xiǎn)
人對(duì)組態(tài)過(guò)程的影響主要來(lái)自于組態(tài)時(shí)的人為錯(cuò)誤,這些錯(cuò)誤突出表現(xiàn)為組態(tài)不符合組態(tài)規(guī)范。在CPR1000項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)驗(yàn)證(verification3,V3)階段,對(duì)組態(tài)是否符合組態(tài)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)證,并對(duì)驗(yàn)證結(jié)果采用故障樹分析的方法分析人為因素給軟件組態(tài)設(shè)計(jì)帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)。
以CPR1000某項(xiàng)目中反應(yīng)堆保護(hù)柜第二通道(reactor protection cabinet II,RPC-II)通道軟件組態(tài)為例,假設(shè)故障=組態(tài)規(guī)范不符合,基本故障=不符合項(xiàng),引發(fā)事件=人為組態(tài)錯(cuò)誤。定義故障發(fā)生率=P,基本故障發(fā)生率=P(A),引發(fā)事件發(fā)生率=P(B)。根據(jù)故障樹分析模型可知當(dāng)引發(fā)事件發(fā)生時(shí)引發(fā)基本故障發(fā)生,最終導(dǎo)致故障的發(fā)生,則P=P(A)×P(B)。為了便于分析將人為組態(tài)錯(cuò)誤發(fā)生率P(B)定為0.01。在V3階段RPC-II發(fā)現(xiàn)的不符合項(xiàng)統(tǒng)計(jì)情況見表3,故障樹分析結(jié)果見表4。
表3 V3階段RPC-II不符合項(xiàng)統(tǒng)計(jì)
表4 V2階段RPC-II故障樹分析結(jié)果
通過(guò)對(duì)表4的結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)不符合組態(tài)規(guī)范的發(fā)生率高達(dá)28.4%,而在假定人為組態(tài)錯(cuò)誤發(fā)生率為1%時(shí),跳轉(zhuǎn)不符合規(guī)范的故障率為0.284%,從而可見人為因素對(duì)組態(tài)的影響非常顯著。
2.2.2 邏輯符合危險(xiǎn)
軟件組態(tài)設(shè)計(jì)中最重要的是邏輯符合,同時(shí)邏輯符合也是最難達(dá)到的。因?yàn)?,邏輯設(shè)計(jì)不只是將設(shè)計(jì)輸入的模擬圖或邏輯圖等功能圖簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)化為組態(tài)圖,同時(shí)還要確保轉(zhuǎn)化中的完整性、準(zhǔn)確性、一致性,并且沒(méi)有引入非預(yù)期功能和危險(xiǎn),從而最終實(shí)現(xiàn)工藝系統(tǒng)及安全功能的要求。在V3階段對(duì)CPR1000某項(xiàng)目進(jìn)行邏輯驗(yàn)證時(shí),對(duì)識(shí)別出的部分危險(xiǎn)采用事件樹的分析方法,從設(shè)計(jì)輸入、工藝及安全功能要求等方面對(duì)危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析。事件樹分析方法,常用于分析在不同防護(hù)或抑制措施生效或失效狀態(tài)下,分析危險(xiǎn)發(fā)生的概率及發(fā)生的后果。為了便于分析對(duì)初始事件和中間事件發(fā)生的概率作了假定。
(1)RSS與KIC、BUP切換組態(tài)的潛在危險(xiǎn)
在設(shè)計(jì)輸入中無(wú)運(yùn)程停堆站(remote shutdown station,RSS)與 KIC(plant computer information &control system,電站計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng))、后備盤(backup panel,BUP)之間的切換,在組態(tài)時(shí)存在因遺漏遠(yuǎn)程控制而喪失遠(yuǎn)程控制功能的潛在危險(xiǎn)。采用事件樹分析方法對(duì)該危險(xiǎn)進(jìn)行分析,假定RSS與KIC、BUP切換組態(tài)遺漏發(fā)生的概率為0.1/次,V&V驗(yàn)證人員成功驗(yàn)證出組態(tài)遺漏的概率為0.9/次,未成功驗(yàn)證出的概率為0.1/次,則 RSS與KIC、BUP切換組態(tài)遺漏的事件樹分析結(jié)果如圖2所示。
圖2 RSS與KIC、BUP切換危險(xiǎn)事件樹分析
(2)降級(jí)邏輯設(shè)計(jì)復(fù)雜化帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)
在驗(yàn)證降級(jí)邏輯時(shí),發(fā)現(xiàn)有降級(jí)邏輯組態(tài)復(fù)雜化的情況出現(xiàn)。降級(jí)邏輯組態(tài)復(fù)雜化會(huì)導(dǎo)致軟件復(fù)雜化,進(jìn)而降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度,最終降低系統(tǒng)的可靠性。為了便于分析,假設(shè)降級(jí)邏輯復(fù)雜化設(shè)計(jì)的概率為0.1/次,導(dǎo)致軟件復(fù)雜化概率為0.9/次,軟件未復(fù)雜化概率為0.1/次,響應(yīng)時(shí)間增加的概率為0.9/次,響應(yīng)時(shí)間未增加的概率為0.1/次,則降級(jí)邏輯設(shè)計(jì)復(fù)雜化的事件樹分析結(jié)果如圖3所示。
圖3 降級(jí)邏輯設(shè)計(jì)復(fù)雜化事件樹分析
在CPR1000項(xiàng)目中,安全級(jí)工程應(yīng)用軟件的實(shí)現(xiàn)階段是將設(shè)計(jì)好的組態(tài)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的機(jī)器語(yǔ)言,然后下裝到保護(hù)控制系統(tǒng)的主控器運(yùn)行。軟件實(shí)現(xiàn)階段是對(duì)軟件設(shè)計(jì)的檢驗(yàn),對(duì)軟件實(shí)現(xiàn)的危險(xiǎn)分析將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。
在CPR1000項(xiàng)目中,將應(yīng)用軟件組態(tài)圖通過(guò)組態(tài)軟件轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)代碼,由于采用軟件進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換,所以會(huì)存在由于編譯器、鏈接器等原因造成的轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤等潛在危險(xiǎn)。為了降低代碼轉(zhuǎn)換帶來(lái)的潛在危險(xiǎn),一方面需要選擇具有良好使用業(yè)績(jī)和遵循嚴(yán)格質(zhì)保過(guò)程開發(fā)的可靠編譯工具,另一方面需在軟件實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證階段(verification4,V4)對(duì)代碼轉(zhuǎn)換進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證的內(nèi)容包括:
(1)驗(yàn)證用于代碼轉(zhuǎn)換的工具軟件本身是否可靠,應(yīng)用業(yè)績(jī)是否可信,是否經(jīng)過(guò)權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證,并且轉(zhuǎn)換規(guī)則和轉(zhuǎn)換過(guò)程是否符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn);
(2)對(duì)轉(zhuǎn)換后的代碼進(jìn)行審查,驗(yàn)證代碼是否具備可讀性和可追溯性,編碼方式是否滿足指定的編碼規(guī)范,是否正確實(shí)現(xiàn)了組態(tài)的功能,是否沒(méi)有引入非預(yù)期功能等。
代碼的可測(cè)試性是衡量代碼質(zhì)量的重要因素。除考慮是否滿足邏輯要求外,還需考慮是否具備可測(cè)試的特征,以便能快速查找出代碼中的錯(cuò)誤。
由于組態(tài)人員的風(fēng)格、習(xí)慣存在差異,加之組態(tài)工具自身還不十分完善,導(dǎo)致對(duì)相同的邏輯可能會(huì)出現(xiàn)不同風(fēng)格的組態(tài)或?qū)⒔M態(tài)復(fù)雜化,因而在將其轉(zhuǎn)換為代碼后可能會(huì)存在因代碼結(jié)構(gòu)復(fù)雜,執(zhí)行語(yǔ)序不一致帶來(lái)的可測(cè)性降低的潛在危險(xiǎn)。
為了減小代碼可測(cè)性的潛在危險(xiǎn),在軟件組態(tài)設(shè)計(jì)階段應(yīng)嚴(yán)格按組態(tài)規(guī)范進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì),在滿足設(shè)計(jì)需求的前提下盡量簡(jiǎn)化組態(tài)步驟,使其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)代碼后具備可測(cè)試性。
在CPR1000項(xiàng)目實(shí)踐中,采用驗(yàn)證與確認(rèn)的方法,并結(jié)合安全保護(hù)層模型、預(yù)先危險(xiǎn)分析、故障樹分析和事件樹分析的方法對(duì)安全級(jí)應(yīng)用軟件的開發(fā)過(guò)程進(jìn)行危險(xiǎn)分析,分析的結(jié)果見表5。
表5 安全級(jí)應(yīng)用軟件開發(fā)過(guò)程危險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果
為了提高核電廠DCS安全級(jí)應(yīng)用軟件的安全性,對(duì)安全級(jí)應(yīng)用軟件的開發(fā)過(guò)程采用驗(yàn)證和確認(rèn)的方法,從危險(xiǎn)發(fā)生的概率、產(chǎn)生的后果對(duì)危險(xiǎn)進(jìn)行分析。同時(shí)將安全保護(hù)層模型、預(yù)先危險(xiǎn)分析、故障樹和事件樹分析應(yīng)用于危險(xiǎn)分析中,對(duì)已識(shí)別的危險(xiǎn)從影響危險(xiǎn)發(fā)生概率和后果的因素進(jìn)行分析,為建立危險(xiǎn)緩解策略提供了分析依據(jù)。實(shí)踐表明,采用驗(yàn)證與確認(rèn)的方法,結(jié)合安全保護(hù)層模型、預(yù)先危險(xiǎn)分析、故障樹和事件樹分析能有效地發(fā)現(xiàn)和緩解核電廠DCS安全級(jí)應(yīng)用軟件開發(fā)過(guò)程中因環(huán)境、人因、技術(shù)實(shí)現(xiàn)等因素造成的危險(xiǎn),從而實(shí)現(xiàn)提高核電廠DCS安全級(jí)應(yīng)用軟件安全性的目的。
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