堆芯中子擴散計算程序蛻變測試技術(shù)研究

發(fā)布時間：2020-08-14 08:17

【摘要】：核電“走出去”是我國的重大戰(zhàn)略需求,堆芯核設(shè)計軟件是支撐自主化核電技術(shù)“走出去”的重要組成部分,軟件質(zhì)量是其生命線。驗證與確認(VerificationValidation,VV)是保證軟件質(zhì)量的重要手段。只有經(jīng)過大量、充分的驗證,對于軟件的正確性具有高度信心之后,確認才有意義。因此,軟件正確性驗證是決定堆芯核設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵因素�；鶞�(zhǔn)題計算是核電軟件驗證的主要手段。驗證就是以基準(zhǔn)題為測試用例運行程序,比較計算結(jié)果與基準(zhǔn)題結(jié)果是否吻合,從而判斷程序的正確性。為了滿足測試充分性準(zhǔn)則,驗證需要大量的基準(zhǔn)題。但是,通過搭建實驗臺架進行自主實驗、收集實際核電廠運行數(shù)據(jù)、加入國際實驗研究計劃以及購買國際基準(zhǔn)題來構(gòu)建、獲取所需的基準(zhǔn)題,存在實驗成本高,周期長等問題。此外,由于不同反應(yīng)堆的中子能譜、幾何構(gòu)型、材料等不同,真正能用于特定堆型的堆芯核設(shè)計軟件驗證的基準(zhǔn)題并不多。再者,對于新一代的堆芯程序的驗證,由于缺乏可比較的程序,基準(zhǔn)題數(shù)量更是偏少。上述不足將導(dǎo)致兩個問題:其一是測試Oracle問題,即測試人員很難構(gòu)造或者得到程序的預(yù)期輸出來驗證程序計算結(jié)果是否正確。其二是測試用例集不充分的問題。因此,上述問題導(dǎo)致不能發(fā)現(xiàn)隱藏在程序深層次的缺陷,影響正確性。為了解決上述問題,值得借鑒的是蛻變測試技術(shù),該技術(shù)是一種基于蛻變關(guān)系驗證程序正確性的測試技術(shù),已廣泛地應(yīng)用于數(shù)值計算、生物信息學(xué)、機器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。該技術(shù)可以在不知道軟件預(yù)期輸出值的情況下,根據(jù)程序多次運行的輸入模式與輸出模式之間的對應(yīng)關(guān)系(蛻變關(guān)系)間接地進行正確性驗證;還可以在已有測試用例基礎(chǔ)上,根據(jù)蛻變關(guān)系計算衍生得到新的測試用例進行測試。因此,該技術(shù)在解決測試Oracle問題和測試用例集充分性問題方面具有顯著優(yōu)勢,是一種很有應(yīng)用前景的測試技術(shù),目前尚未在核電驗證中開展深入研究。堆芯中子擴散程序是堆芯核設(shè)計的核心程序,通過計算求解中子擴散方程為反應(yīng)堆設(shè)計和分析提供關(guān)鍵參數(shù),程序計算正確性對堆芯核設(shè)計質(zhì)量有著重要影響。本論文將對堆芯中子擴散計算程序蛻變測試技術(shù)及應(yīng)用展開深入研究。發(fā)現(xiàn)或者構(gòu)造蛻變關(guān)系是開展此項研究的前提及基礎(chǔ)。因此,首先研究和揭示堆芯中子擴散方程的物理、計算模型中蘊含的蛻變關(guān)系;然后研究基于蛻變關(guān)系的基準(zhǔn)題衍生技術(shù);最后研究蛻變測試技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用。主要的工作如下:(1)分析堆芯中子擴散方程物理模型中已知經(jīng)典的數(shù)學(xué)性質(zhì),在此基礎(chǔ)上,利用等式變形及微擾的方法,通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)到其相關(guān)推論,即程序的輸入模式和輸出模式偶對,從而導(dǎo)出物理模型蘊含的多條蛻變關(guān)系。(2)分析堆芯中子擴散方程計算模型中已知經(jīng)典的數(shù)學(xué)性質(zhì),在此基礎(chǔ)上,利用理查德森外推展開方法,通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)出其相關(guān)推論,得到計算模型蘊含的多條蛻變關(guān)系。上述(1)和(2)導(dǎo)出的蛻變關(guān)系是一類可用于程序驗證的新數(shù)學(xué)性質(zhì),也是從程序驗證的新視角對物理、計算模型數(shù)學(xué)性質(zhì)的重新認識。為堆芯中子擴散程序蛻變測試提供理論依據(jù)。(3)分析基于蛻變關(guān)系的測試用例衍生原理,在此基礎(chǔ)上對蛻變關(guān)系分類,并針對基準(zhǔn)題的特征,提出了一種基于蛻變關(guān)系的基準(zhǔn)題衍生技術(shù),設(shè)計基準(zhǔn)題自動衍生求解器算法及系統(tǒng)。實例結(jié)果表明,該技術(shù)為程序充分性驗證提供測試用例,是一種低成本,高效率的基準(zhǔn)題衍生方法。(4)提出了一種基于蛻變關(guān)系和基準(zhǔn)題的蛻變測試技術(shù),并應(yīng)用于堆芯擴散計算程序的驗證測試。結(jié)果表明,相比較于傳統(tǒng)的驗證方法,該技術(shù)發(fā)揮已有基準(zhǔn)題的作用,依據(jù)程序蛻變關(guān)系生成滿足測試充分性準(zhǔn)則的衍生基準(zhǔn)題;同時,該技術(shù)也是一種適用于解決測試Oracle問題的方法。本論文的研究工作及成果將為堆芯核設(shè)計軟件驗證測試提供新方法和技術(shù)支持,并為推廣應(yīng)用到其他類似的核電設(shè)計程序的驗證,具有較好的工程應(yīng)用價值,對于提升自主化核電軟件質(zhì)量具有重要的意義。
【學(xué)位授予單位】：南華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM623;TL325
【圖文】：