★ 生态环境部核与辐射安全中心 周林，张玥，陈瀛

★ 奇安信网神信息技术（北京）股份有限公司 孔德亮

关键词：核辐射监测；模型驱动；软件验证；形式化方法；安全关键系统

随着核能技术不断快速的发展，核辐射监测软件在核电站、核设施以及环境监测当中发挥了至关重要的作用。这类软件一旦出现故障问题，就可能导致严重的安全事故和环境污染情况。然而核辐射监测软件具备实时性强、安全性要求高、运行环境复杂等特点，传统的软件验证方法在保证其可靠性方面存在明显不足。所以迫切需要研究适合核辐射监测软件特点的验证技术，以此提升软件质量和保障软件安全性。

1   核辐射监测软件模型驱动设计方法

1.1   核辐射监测系统需求分析与建模

核辐射监测系统需求分析运用分层递阶的需求工程方法来构建面向安全关键应用的需求体系。（1）在功能需求层面借助域分析技术划分出数据采集、信号处理、决策分析、人机交互这四个核心功能域。（2）在性能需求层面基于实时系统理论建立时序约束模型并规定数据采集周期不超过100ms、异常响应时间不超过1s等时序边界。（3）在安全需求层面遵循IEC 61508功能安全标准通过危险与可操作性分析识别潜在危险场景并建立安全功能需求追溯链路。

系统建模使用多视图建模方法来构建综合系统模型，此模型涵盖结构、行为和约束等方面。结构建模基于SysML系统建模语言建立分层次系统架构模型，借助块定义图描述组件之间的接口关系。行为建模采用时间扩展有限状态机描述系统的动态行为，同时结合活动图来建模数据处理流程[1]。约束建模运用形式化方法建立系统的约束规范，采用线性时序逻辑描述系统的安全性质，并且通过时间自动机刻画系统的实时性约束。

1.2   模型驱动的软件开发框架

模型驱动的软件开发框架构建起基于模型抽象与自动化转换的软件工程方法学，并借助建立从平台无关模型到平台相关模型的多层次抽象体系来实现核辐射监测软件的规范化开发。如图1所示，框架采用分层架构进行设计。模型层承担着需求模型、设计模型和形式化模型的统一表示工作，其基于UML扩展机制定义核辐射监测领域的专用建模语言DSL，通过元模型技术保障模型语义的一致性和完整性。转换引擎层达成模型间的自动化变换， 其采用QVT变换语言来定义模型转换规则，利用模板驱动的代码生成技术把高层模型映射成可执行代码，同时集成OCL约束语言开展模型一致性检查[2]。建立模型元素与代码构件间的双向追溯链路，支持需求变更的自动传播和影响分析以确保开发过程的可控性和可追溯性。

图1 模型驱动软件开发框架

1.3   核辐射监测软件的形式化规约

核辐射监测软件的形式化规约运用时序逻辑和概率模型相组合的数学描述办法，构建起包含功能正确性、实时性约束以及可靠性指标的完整规约体系。实时性规约依照时间自动机理论搭建系统时序行为模型，借助时钟约束机制阐述数据采集周期、响应时间上限等关键时序特性。针对辐射剂量率监测的实时响应要求， 采用线性时序逻辑LTL来建立全局性质规约，如式（1）所示：

其中， G表示全局算子（总是）， F≤T表示时间界限的最终算子（在T时间内最终），φalarm为剂量报警触发条件，ψresponse为系统报警响应， T为最大允许响应时间。

可靠性规约通过连续时间马尔可夫链建模系统状态转移过程，量化描述系统在辐射环境下的失效行为和恢复特性。系统可用度计算采用稳态概率分布，如式（2）所示：

其中， A(t)为系统在时刻t的可用度，  MTTF为平均无故障时间， MTTR为平均修复时间，λ为系统失效率。运用概率模型检测技术去验证系统可靠性指标能否满足核安全标准要求，进而形成可支撑后续验证活动的数学基础规范[3]。

2   核辐射监测软件多层次验证技术

2.1   代码层验证技术

代码层验证技术搭建起基于静态分析和动态检测融合的综合验证体系，其针对核辐射监测软件安全关键特性开展多维度代码质量保证工作。如图2所示，静态分析技术借助编译器前端技术构建抽象语法树，通过语法分析器来验证程序结构的合法性。语义分析器负责检测类型不匹配等语义方面的错误，数据流分析器基于控制流图建立变量定义-使用关系，采用前向数据流分析算法检测、缓冲区溢出等内存安全漏洞。动态验证技术和静态分析并行执行，运用符号执行引擎探索程序的执行路径，通过路径条件收集与约束求解技术生成触发特定代码路径的测试输入，结合覆盖率导向的模糊测试方法发现深层次的代码缺陷。两种技术的验证结果汇聚在一起形成综合缺陷报告和修复建议。

图2 代码层验证技术

2.2   系统层验证技术

系统层验证技术依据黑盒测试理论构建起针对核辐射监测软件整体功能的验证体系，其借助集成测试、性能测试、容错性测试等多维度验证方法保障系统级质量特性。功能正确性验证运用等价类划分和边界值分析方法设计测试用例，针对辐射剂量率计算、阈值报警触发等核心功能建立输入输出映射关系的验证机制[4]。实时性能验证基于响应时间统计分析理论建立性能评估模型，采用负载注入技术模拟高并发数据采集场景，通过时间序列分析方法评估系统响应时间分布特性。系统响应时间的概率密度函数建模为式（3）：

其中，λ为服务率参数， μ为最小响应时间，t为实际响应时间。容错性验证通过运用故障注入技术来模拟硬件失效、网络中断等各类故障场景，并基于可靠性理论着手建立系统恢复能力评估模型。系统可用性指标计算采用马尔可夫可靠性模型，如式（4）所示：

其中，Asys (t)为系统总可用性， Pi (t)为系统处于状态i的概率，Ai为状态i的可用性系数。

3   验证技术集成与效果评估

3.1   验证工具链集成平台

验证工具链集成平台打造出基于插件架构的统一验证环境，其依靠标准化接口协议达成多种验证工具的无缝集成与协同工作[5]。如图3所示， 该平台运用微服务架构进行设计，把模型验证、代码分析、系统测试这些验证组件封装成独立的服务模块，通过RESTful API和消息队列机制完成服务间的通信以及数据交换。验证结果融合模块以证据理论为基础构建起多源验证信息的综合评估机制，其采用Dempster-Shafer证据融合算法整合不同验证技术产生的置信度信息，并借助加权投票策略生成统一的验证结论。自动化验证流程引擎基于工作流管理技术实现验证任务的自动调度与执行，其支持验证策略的动态配置和流程的可视化监控，为核辐射监测软件提供了一站式的验证解决方案。

图3 验证工具链集成平台架构

3.2   核辐射监测软件验证标准与规范

核辐射监测软件验证标准与规范搭建起基于国际核安全标准的验证规范体系，其依靠标准化验证流程保障软件质量的权威性和可追溯性。行业标准符合性验证框架依照IEC 61513核电厂仪控系统标准和IEEE 7-4.3.2软件工程标准构建验证准则映射机制，并建立从功能安全要求到验证活动的完整追溯链路。安全认证要求映射机制把核安全分级要求转化成具体的验证指标， 并运用层次化安全完整性等级SIL分解方法， 构建验证深度与安全等级的量化对应关系。验证报告生成与追溯体系基于文档化管理标准建立验证证据的结构化存储和检索机制， 并借助数字签名和时间戳技术确保验证记录的不可篡改性， 满足监管部门的审查和认证要求，形成符合核安全监管要求的标准化验证规范。

3.3   实验验证与效果评估

实验验证时选取某核电站环境监测系统以及医疗设备辐射监测软件作为测试对象， 构建出包含1200行C++代码和850个功能需求的验证环境。实验设计运用控制变量法，对同一软件系统分别采用人工代码审查、传统静态分析工具LINT以及本文所提出的模型驱动验证技术来进行验证。如表1所示，在为期3个月的验证过程当中，模型驱动方法检测出89个实际缺陷，而传统方法仅仅发现67个， 检测率提升了32.8%；在验证时间方面，传统人工审查需要48.5小时， 但是集成验证平台将时间缩短到了26.7小时。尤其是在辐射剂量率计算模块的验证工作中，模型驱动技术发现了3个关键的数值溢出缺陷和2个并发访问错误，这些缺陷在传统验证过程中被遗漏。实验还发现，当代码复杂度超过15个圈复杂度的时候，模型驱动方法的优势体现得更加明显，缺陷检出率比传统方法高出45%，验证了该技术在复杂核辐射监测软件中的实用价值。

表1 验证技术效果对比评估

4   结语

基于模型驱动的核辐射监测软件验证技术为解决安全关键软件质量保证问题提供了系统性解决方案。其通过构建从需求分析到形式化规约的模型驱动设计方法，建立了覆盖模型、代码、系统三个层次的验证技术体系，形成了集成化的验证平台和标准化规范，显著提升了核辐射监测软件的可靠性和安全性。该技术不仅为核安全领域提供了重要技术支撑，也为其他安全关键软件的验证提供了有益借鉴，具有重要理论价值和实际应用意义。

作者简介：

周   林 （1986-），男，北京人，副高级工程师，硕士，现就职于生态环境部核与辐射安全中心，研究方向为信息系统项目风险识别与控制、大数据平台架构与技术路线、大语言模型应用、网络安全攻防技术、数据安全保障技术、数据流通利用技术等。

张   玥 （1990-），男，北京人，副高级工程师，硕士，现就职于生态环境部核与辐射安全中心，研究方向为信息系统架构与全生命周期运维、人工智能技术的行业应用与赋能、信息系统网络安全管理等。

陈   瀛（1988-） ，女，河南南阳人，工程师，硕士，现就职于生态环境部核与辐射安全中心，研究方向为信息系统开发与管理技术、大数据管理与分析、信息安全等。

孔德亮（1983-），男，北京人，高级工程师，学士，现就职于奇安信网神信息技术（北京）股份有限公司，研究方向为数据安全、AI应用等。

参考文献：

[1] 肖云鹏, 朱奇健, 林珂. 核辐射环境监测与辐射防护方法研究[J]. 中国高新科技, 2024, (08) : 154 - 156.

[2] 王善强, 齐圣, 李军, 等. 核辐射监测防护技术现状与展望[J]. 防化研究, 2023, 2 (01) : 20 - 24.

[3] 李承政, 何娜. 浅谈核辐射监测技术的发展与趋势[J]. 皮革制作与环保科技, 2023, 4 (22) : 39 - 41.

[4] 时劲松, 冯江平, 王珍华, 等. 基于LOF算法的核辐射自动监测系统设计与实现[J]. 核电子学与探测技术, 2024, 44 (02) : 303 - 310

[5] 邵伟恒, 孙尧, 管嘉焕, 等. 核电厂核辐射监测系统误报警问题分析及对策[J]. 安全与电磁兼容, 2023, (01): 46 - 49 + 65.

摘自《自动化博览》2026年4月刊