核电HMI软件验证和确认中的接口分析

曲萃萃 张敏

摘要：HMI（Human Machine Interface人机界面）软件是核电DCS（Distributed Control System）的重要组成部分，其接口分析也是V&V过程的重要部分。本文考虑目前核电厂中HMI软件所承担的作用、与其他部件的数据信息交互、交互数据信息的类型，浅析HMI软件相应的接口类型、各接口类型中包括的接口，同时结合IEEE 1012的标准对接口分析介入研发的三个阶段进行了详述。

关键词：接口分析;HMI（人机界面）;V&V（验证和确认）

中图分类号：TP277文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）03-0257-02

HMI软件，又称用户交互界面，是软件和用户之间进行操作交互和信息交换的媒介，是DCS重要的组成部分。HMI软件的验证与确认是保证其质量的必经过程。验证和确认可以缩写为V&V[1]，确认是保证软件符合产品说明书的过程，验证是保证软件满足用户要求的过程[2]。接口分析作为V&V的重要部分，贯穿了整个核电DCS系统研发的整个阶段。1接口分析

HMI软件的接口分析是关注从DCS系统的其他部分（如管理层）流向HMI软件的数据。HMI软件接口分析的任务是保证HMI软件与DCS系统的其他部分接口的正确性、完整性、准确性和一致性。

HMI软件接口分析宜关注以下三个方面：

1）用户接口。宜分析操纵员与HMI软件的接口，诸如要求的操作员上VDU的屏幕格式、显示画面的保护机制、日志、报表等的页面布局和内容、信息输入与信息输出的相对时间等。

2）硬件接口。宜分析HMI软件与系统硬件部件间每个接口的逻辑特征。确定电子设备、固件、通信设备及输出设备，然后确定这些接口的适用标准并验证当前的应用接口。[3]

3）软件接口。宜分析HMI软件与其他所需软件产品的接口（如：数据服务软件、计算服务软件、操纵员站上的操作系统、或存档服务器上软件等），以及与其他应用系统的接口。确定HMI软件外的其他软件产品的适用标准和与其他应用系统的接口。验证HMI软件接口到其他应用系统软件接口的正确性。

2 HMI软件的接口

2.1 HMI软件

目前已有的核电DCS平台中，HMI软件（人机接口）是指在操作人员与I&C系统以及和电厂相连的计算机系统之间的接口。接口包括显示、报警、控制和操纵员支持系统等。其相关功能主要包括：报警、趋势、流程图、当前值、日志、挂牌、性能计算、打印、数据存档和查询、表格、报表、故障诊断、规程、安全参数显示、权限管理、大屏幕、氙预测、状态列表、系统状态显示等。HMI软件作为操作人员与I&C系统以及和电厂相连的计算机系统之间的接口，其运行是否正常直接影响操作人员对电厂实时信息的获取和控制操作的执行。其正常運行可有效地规避事故工况下导致严重性后果的事件发生。

2.2 HMI软件的接口类型

HMI软件接口分析关注的是从HMI软件流向DCS系统另一部分的数据。DCS系统包括0层、1层、2层、3层，HMI软件属于2层中的一部分，因此，HMI软件的数据会流向1层、3层以及

2 层中的其他部分部件。

以上数据流向所涉及的接口为外部接口。

HMI软件按照监测、控制内容的不同，划分为不同的功能模块，包括但不限2.1节中的相关功能。本文中的HMI软件各功能模块间不存在数据流，故无。

对于其他的人机界面软件，功能模块间可能存在从一个功能模块流向另一个功能模块的数据，这些数据流向所涉及的接口为。

外部接口根据数据流向的对象又可分为用户接口、硬件接口、外部软件接口。

2.3 HMI软件的接口

1）外部软件接口

根据2.1节中HMI软件的接口类型，结合从HMI软件流向DCS系统另一部分的数据，分析出HMI软件的外部软件接口有实时数据库接口、计算服务接口、历史数据库接口、时钟同步接口、组态服务接口。

2）硬件接口

结合从HMI软件流向DCS系统另一部分的数据，分析出HMI软件的硬件接口有打印机接口、VDU接口、键盘接口、鼠标接口、轨迹球接口、BUP盘台接口。

3）用户接口：屏幕显示的布局、比例、误操作时显示画面的保护机制、不同功能模块显示区域的布局方式和内容、输入信息的显示、输出信息的显示、显示界面内容显示的时间标识。

3 研发中的HMI软件接口分析

HMI软件接口分析是整个核电DCS系统研发中的重要环节，以下从两个方面说明其重要性。

1）核电DCS系统中各软件部件的接口分析贯穿于整个研发过程中，作为DCS系统软件部件之一的HMI软件，其接口分析也是不容忽视的一部分。

2） DCS系统中操纵人员对系统的监控完全依赖于HMI软件及BUP盘台，其信息显示的正确性、完整性、准确性，直接影响操纵员的判断及对系统的控制，而这些信息均来自DCS系统中各软件部件间的数据流。接口分析关注的是从系统一部分流向另一部分的数据，因此接口分析是DCS系统HMI软件验证和确认中必须执行的任务，通过接口分析可发现软件评价、测试所无法验证的研发缺陷，从早期即可规避各部件间信息交互涉及的不合理的需求、设计规定，不完善的代码编制，提高软件产品的质量，保证整个项目的进度。

3.1 需求阶段HMI软件接口分析

HMI软件需求阶段接口分析的目的是确保所有HMI软件外部接口和HMI软件各功能模块间的内部接口均已正确、完整的设计。依据IEEE 1012，需求阶段HMI软件接口分析应从以下几个方面进行验证。

1）正确性：确认HMI软件的用户接口、硬件接口、外部软件接口需求是正确的;

2） 一致性：确认HMI软件系统需求规格书和HMI软件接口需求规格书、其他相关文件中的接口说明一致;

3）完整性：验证HMI软件接口需求是否对每个接口都进行了描述，并包括了数据格式和性能准则;

4）准确性：验证每个HMI软件接口需求是否提供了准确性信息;

5）可测试性：验证每个HMI软件接口需求是否具有用于确认的客观验收准则。

3.2 設计阶段HMI软件接口分析

HMI软件设计阶段接口分析的目的是评价HMI软件设计说明书与DCS系统硬件、操纵员、DCS系统软件接口需求的正确性、一致性、完整性和准确性、可测试性。至少，分析每个接口的数据项。依据IEEE 1012，设计阶段HMI软件接口分析应从以下几个方面进行验证。

1）正确性：验证HMI软件的用户接口、硬件接口、外部软件接口设计是否满足HMI软件的接口需求;

2） 一致性：验证HMI软件设计说明书对接口的描述是否与HMI软件需求规格说明书和其他接口需求规格说明书、接口设计说明书对接口的描述一致;

3）完整性：验证HMI软件接口设计是否对每个接口都进行了描述，并包括了数据格式和性能准则;

4）准确性：验证每个HMI软件接口设计是否提供了准确性信息;

5）可测试性：验证每个HMI软件接口设计是否具有用于确认的客观验收准则。

3.3 实现阶段HMI软件接口分析

HMI软件实现阶段接口分析的目的是评价源代码与硬件，操纵员和软件设计文档的正确性、一致性、完整性、准确性和可测试性。至少要分析每个接口的数据项。依据IEEE 1012，设计阶段HMI软件接口分析应从以下几个方面进行验证。

1）正确性：确认HMI软件的用户接口、硬件接口、外部软件接口、代码是否满足HMI软件的系统需求;

2） 一致性：验证源代码部件间及其与外部接口（即，硬件、用户、操作人员和其他软件）的接口代码是一致的;

3）完整性：验证HMI软件接口代码是否对每个接口都进行了描述，并包括了数据格式和性能准则;

4）准确性：验证每个HMI软件接口代码是否提供了准确性信息;

5）可测试性：验证每个HMI软件接口代码是否具有用于确认的客观验收准则。

4 总结

本文在总结了接口分析在核电DCS系统HMI软件验证和确认中应用的必要性的基础上，给出了核电DCS系统HMI软件涉及的接口类型及详细的接口，提出各研发阶段的接口分析目标和任务执行的关键，为执行其他行业的人机交互软件接口分析提供参考。

参考文献：

[1]向嫄，王冬，蔺淑倩，核电DCS中人机界面软件的验证与确认的探索研究[J]电脑知识与技术，2012，8（18）：4541-4544，4563.

[2] Ron Patton著.张小松，王钰，曹跃，等，译.软件测试[M].北京：机械工业出版社，2006.

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