基于自然語言處理的DCS自動化測試方法

劉培邦 張緒怡 齊靜雯 陸潘 尹繼超

摘 要 隨著計算機的發(fā)展，數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）已經(jīng)在核電控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。在核電機組投運前，需要對新建機組的DCS進行大量的現(xiàn)場測試，目前大多數(shù)的測試方法都是采用手動方法，通過在DCS輸入端打點置值，在DCS輸出端檢查信號。這樣不僅工作量大，也會因工作繁瑣帶入人因失誤，影響測試效率和核電廠工程進度。為了提高DCS現(xiàn)場測試效率，提出了一種基于自然語言處理的DCS自動化測試方法，設(shè)計了自然語言解析模塊和運行模塊，利用計算機程序自動解析和執(zhí)行測試用例，極大減少了人工參與度，為DCS的現(xiàn)場測試提供了更便捷的方式。

關(guān)鍵詞 DCS；自然語言；仿真測試；測試用例

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）210-0124-03

隨著近些年計算機系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，和用戶對工作系統(tǒng)的控制功能和管理功能要求不斷調(diào)高，核電站的控制系統(tǒng)基本上已經(jīng)由數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）替代傳統(tǒng)的盤臺儀表控制系統(tǒng)，DCS已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

DCS在核電控制系統(tǒng)中是‘中樞神經(jīng)系統(tǒng) [1]，在DCS系統(tǒng)測試期間或現(xiàn)場調(diào)試早期便可對重要的核島、常規(guī)島控制系統(tǒng)實施單步或關(guān)聯(lián)運行初步功能測試、邏輯預(yù)演和定性分析[2]。DCS控制系統(tǒng)能否實現(xiàn)設(shè)備保護、自動控制等功能密切關(guān)系到機組的安全正常運行，所以需要在系統(tǒng)正式投入使用之前進行全方位的邏輯測試，調(diào)試過程一般都在現(xiàn)場進行調(diào)試。

目前多數(shù)的現(xiàn)場調(diào)試軟件在面對測試規(guī)程參數(shù)多，用例邏輯較為復(fù)雜時，其使用的難度會增加一定的指數(shù)，本文提出的基于自然語言的自動化規(guī)程測試方法能夠簡化儀控測試人員的工作。

在投入現(xiàn)場使用的過程中，將核電廠工藝模型接入系統(tǒng)I/O接口模塊，替代現(xiàn)場的實物工藝設(shè)備，與DCS設(shè)備連接，構(gòu)成測試的閉環(huán)，用于核電廠現(xiàn)場DCS系統(tǒng)功能測試、保護系統(tǒng)邏輯功能測試和系統(tǒng)響應(yīng)時間測試。

該調(diào)試裝置以硬接線或通訊的方式接入實際的控制系統(tǒng)，通過注入測試規(guī)程所需的各種仿真信號，在機組運行前完成DCS控制邏輯測試。

該工作相對傳統(tǒng)的DCS調(diào)試具有以下的改進：

1）仿真模型替代現(xiàn)場設(shè)備，實現(xiàn)機組運行前，DCS在各種工況下的真實信號輸入。

2）建立測試管理平臺，建設(shè)基于自然語言識別的測試規(guī)程解析模塊，能夠?qū)σ?guī)程文件中的操作語言和邏輯做自動化識別，解析成為對應(yīng)程序執(zhí)行碼，建立樹狀邏輯結(jié)構(gòu)。

3）仿真測試流程實現(xiàn)全自動測試，執(zhí)行每一個測試用例時，對應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的程序執(zhí)行碼，自動判斷執(zhí)行結(jié)果，根據(jù)結(jié)果，生成測試報告；并能提供順序執(zhí)行，循環(huán)執(zhí)行，暫停，恢復(fù)等多種執(zhí)行模式，使得DCS測試的整個流程更加靈活。

1 DCS仿真測試現(xiàn)狀

1.1 問題定義

隨著DCS軟件開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，行業(yè)用戶對軟件的質(zhì)量要求越來越高，傳統(tǒng)的測試一般以手工測試為主，但是手工測試過程復(fù)用性差，測試結(jié)果無法保證一致性，當(dāng)執(zhí)行回歸測試時，必須重新手工執(zhí)行，回歸工作量大，具有重復(fù)性、機械性。為了節(jié)約測試成本，在手工測試的基礎(chǔ)上興起了自動化測試，自動化測試一般分為錄制回放和人工編程開發(fā)測試腳本兩種方式[3]。

錄制回放技術(shù)原理是在測試人員操作被測軟件執(zhí)行測試用例時，測試工具記錄下鍵盤和鼠標的軌跡，并自動生成測試腳本代碼，這樣生成的代碼冗余度高、可讀性差，而且腳本代碼中被測軟件業(yè)務(wù)邏輯代碼與控件代碼雜糅在一起，不利于后期的維護。

人工開發(fā)測試腳本是錄制回放技術(shù)的進一步升級，腳本代碼由人工編寫，提高了代碼復(fù)用性、可讀性。一般流程是測試人員依據(jù)已經(jīng)編寫好的測試用例，在測試工具中逐條編寫測試腳本，用例運行時由測試工具逐條運行并反饋測試結(jié)果。

人工開發(fā)測試腳本雖然可以減少腳本代碼的冗余度，并可以通過添加注釋提高可讀性，但是無法克服被測軟件業(yè)務(wù)邏輯代碼與被測軟件控件代碼雜糅的問題，當(dāng)測試用例的規(guī)模達到成千上萬條時，腳本代碼的維護就是一個大問題，如果項目研發(fā)后期需要修改被測軟件界面上的一個控件，則不但需要修改自動化腳本中該控件代碼，還需要修改所有涉及到該控件的測試業(yè)務(wù)邏輯代碼，測試腳本的維護工作量就會很大[4]。

1.2 DCS現(xiàn)狀

早期國內(nèi)開展和進行DCS測試工作的單位、企業(yè)還不是很多。國內(nèi)核電力系統(tǒng)中，有少數(shù)科研實驗單位和發(fā)電企業(yè)進行了這方面的研究和測試的應(yīng)用，主要集中在I/O模件的精度測試和一些部件的冗余切換試驗上，另外的許多內(nèi)容限于試驗設(shè)備和技術(shù)手段等因素?zé)o法開展[5-7]。

由于DCS性能測試確實能夠給DCS用戶提供較為全面的DCS性能信息，越來越多的企業(yè)主動要求進行DCS性能測試，因此，近幾年國內(nèi)逐步開展了DCS性能測試研究，基本掌握了各項指標的測試技術(shù)，可以初步做到對DCS的狀態(tài)評估和可靠性評估[8-9]。但是對于用例規(guī)程操作中存在的復(fù)雜操作，并未做到自動化處理。

為了解決上述問題，本文提出一種基于自然語言處理的自動化DCS仿真測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)由本體庫和業(yè)務(wù)邏輯兩部分組成，本體庫主要包括用例、規(guī)程中的操作關(guān)鍵詞，如“檢查”“設(shè)置”“初始化”等關(guān)鍵詞。在編寫規(guī)程文檔中測試用例時，使用關(guān)鍵字或業(yè)務(wù)邏輯組合形成測試用例的步驟，通過基于自然語言處理的模型去訓(xùn)練學(xué)習(xí)樣本庫關(guān)鍵詞。

后續(xù)運行測試系統(tǒng)時，系統(tǒng)首先解析規(guī)程的操作的步驟，解析出關(guān)鍵字和參數(shù)，然后調(diào)用對應(yīng)的關(guān)鍵字庫代碼執(zhí)行測試。測試完成后依據(jù)測試結(jié)果進行驗證并填寫測試是否通過。

2 基于自然語言處理的測試方法

2.1 自然語言處理關(guān)鍵技術(shù)

自然語言是人工智能和語言學(xué)領(lǐng)域的分支學(xué)科，主要內(nèi)容包括兩個方面，自然語言的理解和自然語言的生成。隨著各行各業(yè)的詞匯不斷豐富，自然語言處理中越來越重視詞匯的功能，如何建立詞匯庫是一個普遍關(guān)注的問題，并且出現(xiàn)了統(tǒng)計自然語言處理，運用大量的數(shù)學(xué)模型。

在整個自然語言的處理過程中，如圖1所示，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中包含一個詞庫，輸入的數(shù)據(jù)根據(jù)詞庫中已有的信息進行相關(guān)的特征轉(zhuǎn)換，這一過程是最為關(guān)鍵的，需要對語料數(shù)據(jù)進行分詞、詞性標注、據(jù)法分析、語義分析等操作，語義分析的精確程度很大程度上依賴于詞庫建立的粒度是否合理，詞性規(guī)范可以參考Chinese TreeBank（CYB）2標準。中文的分析工具可以使用NLTK和結(jié)巴分詞。

在特征生成完成之后，需要將特征組合為相應(yīng)的模型，不同的需求對應(yīng)不同的模型，在DCS測試系統(tǒng)中包含的操作多數(shù)是寫值、讀值、等待等簡單的重復(fù)性工作，很快利于詞庫的建立，只要和相關(guān)的操作類似的詞語都可以建立到詞庫。

2.2 模式識別方法

在DCS的測試系統(tǒng)中，包含了很多的測試用例，測試用例中的語義基本可以認為識別，在放到程序中時，需要對大量的測試用例的關(guān)鍵詞進行識別，提取其中的關(guān)鍵操作、關(guān)鍵變量、關(guān)鍵值等信息，在識別的過程中通過詞性標注和句法分析來進一步確定該語料的特征，進一步對相關(guān)的特征進行轉(zhuǎn)換，最終生成相關(guān)的計算機可識別的內(nèi)容。

執(zhí)行模式的設(shè)計基于自然語言設(shè)計，對大量規(guī)程進行模式匹配，規(guī)程按照一定的模板進行編寫，具體用例的測試內(nèi)容需要與設(shè)計好的執(zhí)行模式進行匹配，以DCS測試軟件為例，其中主要包括WRITE、READ、WAIT和PASS這幾種執(zhí)行模式，具體執(zhí)行的操作再進行封裝，具體的模式匹配如圖2所示，這種設(shè)計方式使得測試用例的可擴展性變得更高，關(guān)鍵在于模式識別程序的設(shè)計，需要設(shè)計良好的可擴展性，底層的執(zhí)行模式也具備良好的可擴展性，相互之間耦合性很低，不會相互影響。

3 關(guān)鍵技術(shù)自動化測試方法研究

規(guī)程的自動化執(zhí)行的功能如圖3所示，包括自動執(zhí)行、單步執(zhí)行、循環(huán)運行、暫停和繼續(xù)，并且可以配置執(zhí)行參數(shù)，可以配置規(guī)程執(zhí)行過程中每一條操作之間的時間間隔和執(zhí)行不通過時是否繼續(xù)運行。規(guī)程的單步，在點開規(guī)程之后，點擊單步執(zhí)行，需要逐步點擊單步運行才會運行下一步操作，在實際的測試環(huán)境中，關(guān)鍵步驟可以使用單步運行模式，可以有足夠時間排錯和調(diào)試。規(guī)程的循環(huán)執(zhí)行是實際測試中壓力測試常用的一種方式，循環(huán)執(zhí)行會一直運行該測試規(guī)程，在執(zhí)行過程中可以動態(tài)的設(shè)置執(zhí)行的時間間隔和不通過時是否運行下一條，在重復(fù)運行某個操作時需要對一個值進行重復(fù)檢驗，在運行不通過時會提示是否運行下一條操作，點擊是則直接跳過該操作運行下一條操作。

4 DCS測試方法應(yīng)用

根據(jù)上文提出的技術(shù)方案，將核電廠提供的文本規(guī)程文件進行仿真測試，利用自然語言進行語義識別，生成程序可識別的模型，在不斷運行規(guī)程的過程中，逐步完善DCS的專有詞庫，最終每段文本都會對應(yīng)一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如下所示是解析READ操作是對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

在對大量規(guī)程進行自然語言識別時，可以不斷的更新已有的詞庫，增加新的執(zhí)行模式，在新增詞庫的過程需要人工進行確認，以確保詞庫的準確性，目前已經(jīng)具備4種操作，在后續(xù)的DCS仿真測試項目實施中可以兼容更多的執(zhí)行模式。

5 總結(jié)與展望

本文提出了基于自然語言處理的自動化DCS測試方法，將自然語言處理應(yīng)用到DCS仿真測試中，在對規(guī)程生成模型的過程中極大的減少工作量，并且提出了一種自動化的測試流程，可以滿足日常的DCS測試各種需求，各種測試模式之間可以自由切換，可以提高測試工作的效率。在進行自然語言識別的過程中，自然語言的詞庫建立需要人工參與，在面對大量新增的執(zhí)行模式的時候，會降低工作效率，這方面可以加入基于統(tǒng)計的自然語言處理，類似現(xiàn)在的深度學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，目前暫未探索相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用，在改方法應(yīng)用成熟以后會進一步做相關(guān)的探索。

參考文獻

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