計量測試軟件驗證方法研究

冉學臣 冉曉旭

(1.重慶長安工業(集團)有限責任公司，重慶 400023； 2.重慶大學城市科技學院，重慶 402167)

1 引 言

計量測試軟件作為測量設備的一部分[1]，通常與測量儀器、測量標準一起組成測量系統，完成測量過程，獲取測量過程需確定的量值，通過計算，最終得到測量結果。按計量確認的含義[1,2]，計量測試軟件也是設備，在投入使用前應該進行計量驗證。

依據CNAS-CL01:2006和CNAS-CL52:2014，對計量測試軟件的適用性進行適當的確認，確保檢測和校準數據的完整性和保密性，用于檢測、校準和抽樣的軟件應達到要求的準確度，并符合檢測和/或校準相應的規范要求，并按設備進行管理[3,4]。針對有些單位雖然對具體的計量測試軟件開展了計量驗證研究，但沒有形成通用的方法[5～9]。

在實際操作過程中，對計量測試軟件計量驗證的重要性缺乏認識，缺乏計量測試軟件驗證的方法，造成大量在用計量測試軟件沒有有效地開展計量驗證工作，或只對計量測試軟件進行簡單的檢查，如病毒的檢查等，不能確保用于檢測、校準和抽樣的軟件滿足預期使用要求。

成熟的軟件測試方法和軟件測評方法對計量測試軟件的操作者來說缺乏可操作性，不能有效地滿足計量驗證的需要。因此急需研究適用于計量測試軟件用戶使用的計量測試軟件計量驗證方法，滿足測量自動化和互聯網+的發展方向。

2 軟件測評與計量測試軟件的計量驗證的區別

軟件測評是指為度量軟件質量所進行的測試、評估等活動[5]，通常是第三方軟件產品評測機構在軟件驗收、交付與釋放前，按規定要求進行的獨立確認測試。軟件測評已形成了比較完善和標準化的方法和程序[10,11]，JJF1182-2007是一個通用要求，要求“按計量器具技術特性的分類或應用領域分別制定相應軟件測評的細則和程序，提出其特定要求”。然而大量使用的計量測試軟件并沒有相應軟件測評的細則和程序，并沒有測評依據。

計量測試軟件的計量驗證是指用戶驗證計量測試軟件滿足計量檢定、校準和檢測工作規定要求的活動，可采用的測試手段有限，通常無法進行白盒測試，只能進行有限的黑盒測試。

計量測試軟件按功能可以分為數據處理軟件，測量軟件和測量控制軟件。按軟件來源分為自編或委托編制軟件和購買現成的項目軟件。自編軟件通常需要首先進行計量確認，形成規定要求，完成計量驗證；項目軟件只需要進行計量驗證。

計量測試軟件無論是開展軟件測評或者計量驗證，都是以軟件測試[12～15]為基礎，采用的方法基本上來源于軟件工程的測試方法。軟件測評與計量測試軟件計量驗證的區別見表1。

表1 軟件測評與計量測試軟件計量驗證的區別

Tab.1 Difference between software evaluation and testing software verification

3 計量驗證的方法

計量測試軟件的計量驗證的方法可分為：安裝環境測試、功能測試、檢定方法、數據處理、數據比對測試、數據完整性和安全性測試等七個方面。下面以工業鉑、銅熱電阻檢定系統的計量驗證為例介紹計量驗證方法。計量驗證的依據包括：《JJG 229-2010 工業鉑、銅熱電阻檢定規程》、CNAS認可規范以及軟件使用說明書。

3.1 安裝環境測試

軟件的正常運行必須提供保護檢測和校準數據完整性所必需的環境和運行條件[3]。安裝環境測試是指計量測試軟件安裝使用時硬件、系統以及其它條件的要求，通常這些要求是與計量測試軟件版本相關，是由廠家在計量測試軟件說明書上所規定的。其測試用例如表2所示。

表2 安裝環境測試用例

Tab.2 Test cases of installation environment

3.2 功能測試

功能測試是指測量軟件說明書提供的軟件功能，包括硬件設置、軟件參數設置、記錄報告的設置、數據查詢等，主要驗證是否適應工作需要，保證功能的正確性。功能測試的測試用例如表3所示。

表3 功能測試用例

Tab.3 Test cases of functional

3.3 檢定方法、數據處理及數據比對測試

檢定過程是否按照檢定規程規定的方法進行，數據處理的正確性是驗證計量測試軟件的關鍵。由于無法進行源碼的測試，因此只能通過檢定原始記錄的信息進行測試，這就首先要求檢定原始記錄信息充分，具有可追溯性。選擇測試用例應注意如下幾點：

(1)原始記錄信息要充分，要滿足可追溯性的要求，保證數據處理過程能復現。

(2)選擇測試點時，應覆蓋工作范圍，至少在工作范圍內選擇上、中、下三個測試點。本例中選用0℃和100℃兩點進行測試。

(3)數據修約和有效數字的運算是重點要測試的內容。

(4)計量測試軟件采用的算法要與檢定規程中規定的算法進行比較，確保一致。

(5)由原始記錄得到的數據進行手工計算，與計量測試軟件的計算得到的結果進行比較，其結果應該一致。

(6)制定測試用例的依據是檢定規程或校準規范或與測量軟件廠家簽訂的技術協議。

(7)若測量系統有相應的校準規范，可選用該校準規范中有關軟件測試的內容進行測試。

表4給出了工業鉑、銅熱電阻檢定系統檢定方法、數據處理及數據比對的測試結果。

表4 檢定方法、數據處理及數據比對測試用例

Tab.4 Test cases of verification methods, data processing and data comparison

3.4 數據完整性和安全性測試

數據完整性和安全性(包括保密性)是數據控制的主要任務，應對檢測數據實施保護[3]。其測試用例如表5所示。

表5 數據完整和安全性測試用例

Tab.5 Test cases of data integrity and security

3.5 計量驗證結果的處理

計量驗證完成后，應出具驗證報告，給出驗證結論。對計量驗證的結果如存在不符合的情況，應評估驗證結果對計量測試軟件適用性的影響，采取相應的措施。如及時與軟件廠家溝通，及時修改軟件中存在的問題，與廠家共同提高計量測試軟件的適應性。

無論是計量測試軟件驗收階段或是使用階段，只要軟件驗證不符合使用要求，都應該進行軟件升級，升級后的軟件應再次進行全面的計量驗證。本例中存在的問題經與廠家溝通得到比較圓滿的解決。

4 有關問題的討論

4.1 正確對待軟件使用過程中存在的問題

軟件在驗收或使用過程中出現問題是難免的，也是正常的，關鍵是出現問題如何去識別問題的性質，提出解決措施。

4.2 測量軟件中檢定方法問題

計量測試軟件采用的計量檢定(或者校準)方法應與計量檢定規程(或者校準規范)一致。如果與計量檢定規程的檢定方法不一致，按規定不能開展計量檢定工作。如果用于校準，必須按CNAS-CL01:2006中5.4.5.2的規定對修改的方法進行確認。

4.3 數據修約問題

計算機由于字長的限制，會產生一定的誤差，直接影響數據修約的正確性，這在實際計量驗證中應特別引起重視。同時計量測試軟件是否按有效數字的運算原則進行處理，也會影響測量結果的正確性。

4.4 常數的取舍

數據處理中如果有常數，必須按照檢定規程或校準規范的要求進行取值，并且在原始記錄中應有記載，這樣才能保證數據處理的正確性和原始記錄的可追溯性。

4.5 原始記錄的問題

在進行原始記錄測試時，除關注原始記錄滿足本單位管理要求外，還應重點關注記錄數據的完整性和可追溯性，這可以通過從原始記錄中提取數據按檢定規程或校準規范進行手工驗算來驗證。

采用保存電子版原始記錄的方式，其安全性應特別引起重視。通常采用單機、單硬盤方式保存數據，其安全性不能得到有效保證，可能因硬盤損壞或操作者誤刪文件而造成不必要的損失，這種情況最可靠的方法是采用打印成紙質原始記錄保存。

4.6 計量驗證的頻次問題

計量驗證的頻次不必象測量儀器一樣每年進行驗證，可以按以下原則安排驗證：

(1)對計量測試軟件進行驗收、投入使用前應編制驗證大綱，大綱應包含驗證依據、驗證項目及方法，對每個驗證項目編制測試用例，進行全面計量驗證。

(2)當計量測試軟件在使用過程出現問題，或對測量結果產生懷疑時，可針對出現問題進行部分驗證，重點進行檢定方法、數據處理及數據比對測試。

(3)當計算機系統重裝、軟硬件升級時應進行安裝環境的測試和功能性測試，確保測量軟件正常運行。

(4)當計量測試軟件升級時，應按計量驗收的方式進行計量驗證。

(5)當檢定規程或校準規范更新時，應按新的要求重新編制測試用例，按投入使用前的要求進行全面的計量驗證。

5 結束語

計量測試軟件作為項目軟件，針對性比較強，開展使用前的計量驗證顯得非常必要，這也是保證量值準確可靠的重要手段。

采用測試用例的方法有利于規范地開展計量測試軟件的計量驗證，保證測試結果的復現性。

本文提出的計量驗證方法以軟件測試為基礎，具有通用性和可操作性，適用于計量測試軟件的計量驗證，前提是在計量驗證之前必須編制一套有效的測試用例，編制的測試用例應以適用性為目的。

[1] JJF 1001-2011 通用計量術語及定義[S].北京:中國質檢出版社,2012.

[2] GB/T 19022-2003 測量管理體系 測量過程和測量設備的要求[S].北京:中國標準出版社,2004.

[3] 中國合格評定國家認可委員會.檢測和校準實驗室能力認可準則:CNAS-CL01:2006 [S].

[4] 中國合格評定國家認可委員會.CNAS-CL01《檢測和校準實驗室能力認可準則》應用要求:CNAS-CL52:2014[S].

[5] 吳洪生,許明華,洪力. 測量軟件日常運行驗證方法的探討[J].計測技術,2012(3):44～45.

[6] 劉海洋. 測量設備之數據自動處理系統計量驗證方法的探討[J].測量與測試技術,2014,41(4):25～26.

[7] 劉新蘭.恒溫槽軟件驗證[J].上海計量測試,2015.250(6):31～33.

[8] 黃成偉,丁力,張中偉,龍成章.醫用加速器測量分析軟件的驗證[J].計量技術,2008.No9:46～49.

[9] 張琨健,林志華,池商林.材料拉伸試驗數據采集分析軟件驗證方法研究[J].福建建設科技,2014.No.6:21～25.

[10] GJB 2434A-2004 軍用軟件產品評價[S].北京:總裝備部軍標出版發行部,2004.

[11] JJF 1182-2007 計量器具軟件測評指南[S].北京:中國計量出版社:2007.

[12] 趙斌編著.軟件測試技術經典教程(第二版)[M].北京:科學出版社,2011.

[13] (美)卡尼爾等著.計算機軟件測試(原書第2版)[M].王峰等,譯.北京:機械工業出版社,2004.

[14] GJB/Z 141-2004 軍用軟件測試指南[S].北京:總裝備部軍標出版發行部,2004.

[15] GB/T 15532-2008 計算機軟件測試規范[S].北京:中國標準出版社,2008.

[16] JJF 229-2010 工業錫、銅熱電阻檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2010.

[17] JJF 1098-2003 熱電偶、熱電阻自動測量系統校準規范[S].北京：中國計量出版社，2003.