★ 生態環境部核與輻射安全中心 周林，張玥，陳瀛

★ 奇安信網神信息技術（北京）股份有限公司 孔德亮

關鍵詞：核輻射監測；模型驅動；軟件驗證；形式化方法；安全關鍵系統

隨著核能技術不斷快速的發展，核輻射監測軟件在核電站、核設施以及環境監測當中發揮了至關重要的作用。這類軟件一旦出現故障問題，就可能導致嚴重的安全事故和環境污染情況。然而核輻射監測軟件具備實時性強、安全性要求高、運行環境復雜等特點，傳統的軟件驗證方法在保證其可靠性方面存在明顯不足。所以迫切需要研究適合核輻射監測軟件特點的驗證技術，以此提升軟件質量和保障軟件安全性。

1   核輻射監測軟件模型驅動設計方法

1.1   核輻射監測系統需求分析與建模

核輻射監測系統需求分析運用分層遞階的需求工程方法來構建面向安全關鍵應用的需求體系。（1）在功能需求層面借助域分析技術劃分出數據采集、信號處理、決策分析、人機交互這四個核心功能域。（2）在性能需求層面基于實時系統理論建立時序約束模型并規定數據采集周期不超過100ms、異常響應時間不超過1s等時序邊界。（3）在安全需求層面遵循IEC 61508功能安全標準通過危險與可操作性分析識別潛在危險場景并建立安全功能需求追溯鏈路。

系統建模使用多視圖建模方法來構建綜合系統模型，此模型涵蓋結構、行為和約束等方面。結構建模基于SysML系統建模語言建立分層次系統架構模型，借助塊定義圖描述組件之間的接口關系。行為建模采用時間擴展有限狀態機描述系統的動態行為，同時結合活動圖來建模數據處理流程[1]。約束建模運用形式化方法建立系統的約束規范，采用線性時序邏輯描述系統的安全性質，并且通過時間自動機刻畫系統的實時性約束。

1.2   模型驅動的軟件開發框架

模型驅動的軟件開發框架構建起基于模型抽象與自動化轉換的軟件工程方法學，并借助建立從平臺無關模型到平臺相關模型的多層次抽象體系來實現核輻射監測軟件的規范化開發。如圖1所示，框架采用分層架構進行設計。模型層承擔著需求模型、設計模型和形式化模型的統一表示工作，其基于UML擴展機制定義核輻射監測領域的專用建模語言DSL，通過元模型技術保障模型語義的一致性和完整性。轉換引擎層達成模型間的自動化變換， 其采用QVT變換語言來定義模型轉換規則，利用模板驅動的代碼生成技術把高層模型映射成可執行代碼，同時集成OCL約束語言開展模型一致性檢查[2]。建立模型元素與代碼構件間的雙向追溯鏈路，支持需求變更的自動傳播和影響分析以確保開發過程的可控性和可追溯性。

圖1 模型驅動軟件開發框架

1.3   核輻射監測軟件的形式化規約

核輻射監測軟件的形式化規約運用時序邏輯和概率模型相組合的數學描述辦法，構建起包含功能正確性、實時性約束以及可靠性指標的完整規約體系。實時性規約依照時間自動機理論搭建系統時序行為模型，借助時鐘約束機制闡述數據采集周期、響應時間上限等關鍵時序特性。針對輻射劑量率監測的實時響應要求， 采用線性時序邏輯LTL來建立全局性質規約，如式（1）所示：

其中， G表示全局算子（總是）， F≤T表示時間界限的最終算子（在T時間內最終），φalarm為劑量報警觸發條件，ψresponse為系統報警響應， T為最大允許響應時間。

可靠性規約通過連續時間馬爾可夫鏈建模系統狀態轉移過程，量化描述系統在輻射環境下的失效行為和恢復特性。系統可用度計算采用穩態概率分布，如式（2）所示：

其中， A(t)為系統在時刻t的可用度，  MTTF為平均無故障時間， MTTR為平均修復時間，λ為系統失效率。運用概率模型檢測技術去驗證系統可靠性指標能否滿足核安全標準要求，進而形成可支撐后續驗證活動的數學基礎規范[3]。

2   核輻射監測軟件多層次驗證技術

2.1   代碼層驗證技術

代碼層驗證技術搭建起基于靜態分析和動態檢測融合的綜合驗證體系，其針對核輻射監測軟件安全關鍵特性開展多維度代碼質量保證工作。如圖2所示，靜態分析技術借助編譯器前端技術構建抽象語法樹，通過語法分析器來驗證程序結構的合法性。語義分析器負責檢測類型不匹配等語義方面的錯誤，數據流分析器基于控制流圖建立變量定義-使用關系，采用前向數據流分析算法檢測、緩沖區溢出等內存安全漏洞。動態驗證技術和靜態分析并行執行，運用符號執行引擎探索程序的執行路徑，通過路徑條件收集與約束求解技術生成觸發特定代碼路徑的測試輸入，結合覆蓋率導向的模糊測試方法發現深層次的代碼缺陷。兩種技術的驗證結果匯聚在一起形成綜合缺陷報告和修復建議。

圖2 代碼層驗證技術

2.2   系統層驗證技術

系統層驗證技術依據黑盒測試理論構建起針對核輻射監測軟件整體功能的驗證體系，其借助集成測試、性能測試、容錯性測試等多維度驗證方法保障系統級質量特性。功能正確性驗證運用等價類劃分和邊界值分析方法設計測試用例，針對輻射劑量率計算、閾值報警觸發等核心功能建立輸入輸出映射關系的驗證機制[4]。實時性能驗證基于響應時間統計分析理論建立性能評估模型，采用負載注入技術模擬高并發數據采集場景，通過時間序列分析方法評估系統響應時間分布特性。系統響應時間的概率密度函數建模為式（3）：

其中，λ為服務率參數， μ為最小響應時間，t為實際響應時間。容錯性驗證通過運用故障注入技術來模擬硬件失效、網絡中斷等各類故障場景，并基于可靠性理論著手建立系統恢復能力評估模型。系統可用性指標計算采用馬爾可夫可靠性模型，如式（4）所示：

其中，Asys (t)為系統總可用性， Pi (t)為系統處于狀態i的概率，Ai為狀態i的可用性系數。

3   驗證技術集成與效果評估

3.1   驗證工具鏈集成平臺

驗證工具鏈集成平臺打造出基于插件架構的統一驗證環境，其依靠標準化接口協議達成多種驗證工具的無縫集成與協同工作[5]。如圖3所示， 該平臺運用微服務架構進行設計，把模型驗證、代碼分析、系統測試這些驗證組件封裝成獨立的服務模塊，通過RESTful API和消息隊列機制完成服務間的通信以及數據交換。驗證結果融合模塊以證據理論為基礎構建起多源驗證信息的綜合評估機制，其采用Dempster-Shafer證據融合算法整合不同驗證技術產生的置信度信息，并借助加權投票策略生成統一的驗證結論。自動化驗證流程引擎基于工作流管理技術實現驗證任務的自動調度與執行，其支持驗證策略的動態配置和流程的可視化監控，為核輻射監測軟件提供了一站式的驗證解決方案。

圖3 驗證工具鏈集成平臺架構

3.2   核輻射監測軟件驗證標準與規范

核輻射監測軟件驗證標準與規范搭建起基于國際核安全標準的驗證規范體系，其依靠標準化驗證流程保障軟件質量的權威性和可追溯性。行業標準符合性驗證框架依照IEC 61513核電廠儀控系統標準和IEEE 7-4.3.2軟件工程標準構建驗證準則映射機制，并建立從功能安全要求到驗證活動的完整追溯鏈路。安全認證要求映射機制把核安全分級要求轉化成具體的驗證指標， 并運用層次化安全完整性等級SIL分解方法， 構建驗證深度與安全等級的量化對應關系。驗證報告生成與追溯體系基于文檔化管理標準建立驗證證據的結構化存儲和檢索機制， 并借助數字簽名和時間戳技術確保驗證記錄的不可篡改性， 滿足監管部門的審查和認證要求，形成符合核安全監管要求的標準化驗證規范。

3.3   實驗驗證與效果評估

實驗驗證時選取某核電站環境監測系統以及醫療設備輻射監測軟件作為測試對象， 構建出包含1200行C++代碼和850個功能需求的驗證環境。實驗設計運用控制變量法，對同一軟件系統分別采用人工代碼審查、傳統靜態分析工具LINT以及本文所提出的模型驅動驗證技術來進行驗證。如表1所示，在為期3個月的驗證過程當中，模型驅動方法檢測出89個實際缺陷，而傳統方法僅僅發現67個， 檢測率提升了32.8%；在驗證時間方面，傳統人工審查需要48.5小時， 但是集成驗證平臺將時間縮短到了26.7小時。尤其是在輻射劑量率計算模塊的驗證工作中，模型驅動技術發現了3個關鍵的數值溢出缺陷和2個并發訪問錯誤，這些缺陷在傳統驗證過程中被遺漏。實驗還發現，當代碼復雜度超過15個圈復雜度的時候，模型驅動方法的優勢體現得更加明顯，缺陷檢出率比傳統方法高出45%，驗證了該技術在復雜核輻射監測軟件中的實用價值。

表1 驗證技術效果對比評估

4   結語

基于模型驅動的核輻射監測軟件驗證技術為解決安全關鍵軟件質量保證問題提供了系統性解決方案。其通過構建從需求分析到形式化規約的模型驅動設計方法，建立了覆蓋模型、代碼、系統三個層次的驗證技術體系，形成了集成化的驗證平臺和標準化規范，顯著提升了核輻射監測軟件的可靠性和安全性。該技術不僅為核安全領域提供了重要技術支撐，也為其他安全關鍵軟件的驗證提供了有益借鑒，具有重要理論價值和實際應用意義。

作者簡介：

周   林 （1986-），男，北京人，副高級工程師，碩士，現就職于生態環境部核與輻射安全中心，研究方向為信息系統項目風險識別與控制、大數據平臺架構與技術路線、大語言模型應用、網絡安全攻防技術、數據安全保障技術、數據流通利用技術等。

張   玥 （1990-），男，北京人，副高級工程師，碩士，現就職于生態環境部核與輻射安全中心，研究方向為信息系統架構與全生命周期運維、人工智能技術的行業應用與賦能、信息系統網絡安全管理等。

陳   瀛（1988-） ，女，河南南陽人，工程師，碩士，現就職于生態環境部核與輻射安全中心，研究方向為信息系統開發與管理技術、大數據管理與分析、信息安全等。

孔德亮（1983-），男，北京人，高級工程師，學士，現就職于奇安信網神信息技術（北京）股份有限公司，研究方向為數據安全、AI應用等。

參考文獻：

[1] 肖云鵬, 朱奇健, 林珂. 核輻射環境監測與輻射防護方法研究[J]. 中國高新科技, 2024, (08) : 154 - 156.

[2] 王善強, 齊圣, 李軍, 等. 核輻射監測防護技術現狀與展望[J]. 防化研究, 2023, 2 (01) : 20 - 24.

[3] 李承政, 何娜. 淺談核輻射監測技術的發展與趨勢[J]. 皮革制作與環保科技, 2023, 4 (22) : 39 - 41.

[4] 時勁松, 馮江平, 王珍華, 等. 基于LOF算法的核輻射自動監測系統設計與實現[J]. 核電子學與探測技術, 2024, 44 (02) : 303 - 310

[5] 邵偉恒, 孫堯, 管嘉煥, 等. 核電廠核輻射監測系統誤報警問題分析及對策[J]. 安全與電磁兼容, 2023, (01): 46 - 49 + 65.

摘自《自動化博覽》2026年4月刊