基于闭环反馈校正的智能电能表软件开发测试模型研究.pdf

第6 0 卷第6 期2023年6 月15日电测与仪 表Electrical Measurement&InstrumentationVol.60 No.6Jun.15,2023基于闭环反馈校正的智能电能表软件开发测试模型研究胡珊珊，肖勇,王保帅,罗奕,尹家悦（南方电网科学研究院有限责任公司，广州510 6 6 3）摘要：随着智能电能表软件功能和复杂性不断增加,开发过程中对软件的测试和质量控制的要求也日益严格。文中基于智能电能表的软件可靠性要求,针对其软件系统架构、传统的软件测试模型和新兴的敏捷开发测试模型的分析,结合智能电能表的软件开发过程，提出了“闭环反馈校正”模型。该模型在严格管控研发过程中关键要素和风险控制的前提下进行高效的并行开发测试的迭代工作，达到提升软件质量和开发效率的目的。通过IR46标准智能电能表软件开发过程可靠性测试的实际应用验证了模型的可行性和高效性。关键词：智能电能表；软件质量控制；软件测试模型;IR46标准；“闭环反馈校正”模型D0I:10.19753/j.issn1001-1390.2023.06.025中图分类号：TM933Research on software development and test model of smart energy meterAbstract:With the increasing function and complexity of smart energy meter software,the requirements for software tes-ting and quality control in the development process are increasingly strict.Based on the software reliability requirements ofsmart energy meters,this paper analyzes the software system architecture,the traditional software test model and the emer-ging agile development test model,and proposes the closed-loop feedback correction model combined with the softwaredevelopment process of smart energy meters.Under the premise of strict control of key elements and risk control in theprocess of R&D,the model carries out efficient iterative work of parallel development test to achieve the purpose of impro-ving software quality and development efficiency.The feasibility and efficiency of the proposed model are verified by thepractical application of the reliability test in the development process of IR46 standard smart energy meter software.Keywords:smart energy meter,software quality control,software test model,IR46 standard,“closed-loop feedback cor-rection model 0引 言随着智能电网快速发展，融合先进的传感器测量技术、通信技术、信息技术和控制技术的现代化电网初步形成。作为智能电网中的核心部分，AMI高级量测体系在其中发挥着重要的作用。电能计量装置是高级量测体系的重要组成部分，包括智能电表与计量自动化终端等,而智能电能表作为智能电网的神经末梢,是智能电网建设的基础装备,随着IR 46标准智能电能表的理念的提出、开发和应用，其发展对电网实现信息化、自动基金项目：中国南方电网有限责任公司科技项目（ZBKJXM20180127)一17 4一文献标识码：Bbased on“closed-loop feedback correctionHu Shanshan,Xiao Yong,Wang Baoshuai,Luo Yi,Yin Jiayue(Electric Power Research Institute of CSG,Guangzhou 510663,China)文章编号：10 0 1-13 90(2 0 2 3)0 6-0 17 4-0 6化、互动化必将具有越来越重要的支撑作用 。据统计,电能表现场运行的故障率约为0.0 0 4%，其中由软件引起的故障率为2 0%左右。智能电能表软件性能是影响电表稳定性、可靠性的重要因素,软件质量的可靠性直接关系着广大电力用户和电网公司的切身利益和智能电网的健康发展2 。为了有效控制电能表软件的质量,消除电能表软件可能存在的安全隐患，需对电能表软件质量进行把控。因此，智能电能表软件在开发过程中需要进行严格的测试。软件测试模型是用于指导软件测试实施的理论模型，对软件开发测试模型的选择直接影响软件的开发第6 0 卷第6 期2023年6 月15日周期和质量。因此，软件开发测试模型的重要性不言而喻3 。目前软件开发测试模型有多种,如瀑布模型、V模型、W模型等传统模型，以及新兴的软件敏捷开发测试模型和在此基础上提出的其他模型47 。上述模型中，传统的软件测试模型将软件开发和测试视为两个独立的步骤,且项目实施过程中的输出物也有不同；敏捷模型侧重于快速产出，不重视开发过程的文档输出;而文献4-7 在现有的软件开发模型上提出了一些新的观点,如软件版本代，调整测试人员在新产品开发中的角色定位等，但是不能完全契合智能电能表软件开发的要求。为了研究控制智能电能表软件开发周期和质量可靠性的方法,文中基于传统的软件测试模型和新兴的敏用户层存储层处理层数据源层电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation捷开发测试模型的分析,结合智能电能表软件开发的行业性和特殊性，提出针对该行业软件开发全过程的测试模型“闭环反馈校正”模型。并探讨该模型在IR46标准智能电能表软件开发中的可行性和应用效果。1智能电能表软件系统架构智能电能表的硬件一般由高性能微处理器及外围接口电路组成，软件多采用分层设计的软件设计思想，包括硬件抽象层、操作系统、板级支持包、应用平台和应用程序等几部分组成8 ,有操作系统或无操作系统或无应用平台等,功能较复杂的智能电表平台依赖于嵌人式操作系统。IR46标准智能电能表的研发分为两个方向，一是直接运行微处理器裸机程序，二是运行带操作系统的应用程序。其软件系统应用架构如图1所示。显示处理报警处理读取显示数据读取报警状态数据数据、状态处理存储电量刷新测量量获取电量电能计量输出采集采集采集温电能脉冲输出电能数据采集Vol.60 No.6Jun.15,2023主站或集中器通讯处理主动上报存数据清除数据，个在获刷获获取命令存储数据新联取密文时数件测量及监测清零处理度、电池数据采集电网数据采集取数据发解密数据触发按键简据事件处理时钟处理输入时间数据冻结处理远程认证处理按键处理A输入按键键测电源检测处理输入电源检测电压采集图1智能电能表软件架构图Fig.1 Software architecture diagram of the smart energy meter数据源层与硬件电路密切相关，负责对硬件信号的检测和控制，包括对硬件模块的初始化、数据采集、控制输出等。存储层负责整个系统对数据的存取操作，操作对象为各类存储器件。处理层主要完成用户的功能需求，与硬件电路无关，如电能计量、电源监测、测量监测等功能模块，每个功能都是一个单独的模块，独立开发、测试、运行。用户层负责人机交互功能，包括显示处理、报警处理以及通讯等数据交互功能。软件各层的功能都采用模块化设计，各模块功能独立9,降低各个软件模块间的耦合性。2软件测试模型分析软件作为硬件载体的灵魂，其质量是影响电子产品质量的关键因素。而软件开发模型是控制软件开发质量的重要手段，随着产品的升级也在逐步发展，包括瀑布模型、V模型、W模型以及迭代模型等。除了上述的软件开发模型，随着互联网行业的发展，敏捷开发测试模型应运而生，并逐步扩大影响。目前智能电能表行业的软件开发多采用V模型及W模型以及迭代模型。主要开发过程包括了需求分析阶段、方案设计阶段、编码阶段、测试阶段，方案设计阶段包括概要设计和详细设计，测试阶段包括单元测试、集成测试、系统测试和验收测试10 。V模型和W模型一17 5一第6 0 卷第6 期2023年6 月15日在软件开发流程中来讲,其各个阶段也是串行的，下一阶段的工作必须在上一阶段结束后才能展开，在当前软件开发需求多变的情况下无法有效实现对软件送代和回归测试的需要。敏捷开发测试模型是在互联网行业软件开发周期短，需求多变的市场要求下出现的。敏捷开发测试模型如图2 所示。敏捷测试突出以下特点：（1）项目以生产率为目标，强调快速迭代、高质量的产出；（2)不严格区分开发和测试的角色分工和界限，全体人员共同参与产品测试，为产品质量负责；（3）密切沟通，团队之间无距离，不过多依赖文档，崇尚“一页纸”测试计划，测试人员多通过沟通方式保证产品质量符合客户预期；（4）使用持续集成、自动化测试等手段，快速反馈和验证开发成果，缩短迭代周期；（5）分化测试层次，提升底层测试（单元测试、代码评审）的重要性，促进产品内建质量 1-12 。其以上特点适应了互联网行业的特殊性。上述传统开发测试模型中未实现软件开发和测试同步,而是将测试作为开发的下一个步骤；而在敏捷测试中基本实现了方案设计和编码时同步进行测试方案的编写,实现了开发人员和测试人员工作的同步展开，但是敏捷测试模型不注重软件开发中过程文档的交测试、验证测试验证编码功能模块1编写测试试1集成测用例试1集成测编码试2回溯回溯变更需求需求芬析概要设计详细设计功能模块3编写测试试3：用例功能模编码块n编写测试试n例图3“闭环反馈校正”模型Fig.3“Closed-loop feedback correction model该模型将测试过程划分为单元测试、集成测试、系统测试和验收测试这几个不同的层级。但与V模型和W模型不同的是，虽然该模型将测试划分成多个层级，但是各个层级之间的测试并不是毫无关联，在后期编一 17 6 一电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation付,难以完整地实现项目产品质量控制和开发测试过程回溯。针对这些问题,论文中提出了一种新的开发测试模型一“闭环反馈校正”模型。简单需求分析开发功能分解开发发现修复问题图2 敏捷开发测试模型Fig.2Agile development and testing model3闭环反馈校正模型3.1模型设计通过对传统软件开发测试模型和敏捷开发测试模型的分析,鉴于软件测试环节中面临的设计重点偏差现象，结合实际使用场景和需求情况，对设计中心进行适当调整,明确测试流程与软件质量之间的关系 13 17 ,在现有软件开发测试模型研究的基础上，根据智能电能表的软件开发项目的项目周期和软件质量保证要求，提出一种新的软件开发测试模型“闭环反馈校正”模型，如图3 所示。测试、验证测试、验证单元测功能模单元测块2编写测试用例编码单元测码与测试的并行阶段，通过逐个添加单元模块的方法进行产品软件的集成测试和系统测试，极大地方便测试人员进行软件测试，输出测试现象和初步故障分析。在测试结果反馈给开发人员后，开发人员可明确故障Vol.60 No.6Jun.15,2023开发开发测试测试完成版本回溯版本回溯试21集成测试n-1单元测完成系统验收交付测试测试第6 0 卷第6 期2023年6 月15日单元模块，进行针对性的故障原因检查，方便开发人员进行故障定位。测试的过程是一个循环叠加的过程，逐步添加测试模块，添加内容，完善系统功能，最终达到客户验收测试要求，完成产品交付。整个项目周期流程的节点、测试人员的工作以及实际输出物如表1所示。表1“闭环反馈校正”模型测试输出物Tab.1Output of“closed-loop feedbackcorrection model test节点测试人员工作需求分析需求规格评审概要设计概要设计评审、测试详细设计详细设计评审、测试根据设计方案同步进行测编码实现试用例编写单元测试单一模块单元测试集成测试多单元模块集成测试系统测试系统性模块集成测试验收测试整体测试回溯回溯需求概要详细分析设计电测与仪 表Electrical Measurement&Instrumentation总体来讲，该“闭环反馈校正”模型主要通过增加功能模块的方法进行项目的文档评审和编码测试验证。在实际开发过程中，下一阶段出现BUG时，可直接将项目文件版本或软件版本回溯至上一周期，同时根据现有问题现象进行上一层级的检查，逐级完善直至项目成功交付。在完成产品交付后，可将本次产品的需求分析和设计阶段的用户需求进行提炼,形成需求库。同样,将开发的软件版本和相关设计、测试文档保存,形成软件版本基线库.相应的，针对各软件版本的测试用例形成测试用例实际输出物库。当用户需求变更时,只需针对变更的内容进行相应需求规格书的需求分析、设计及开发测试，在需求库、软件版本基线软件概要设计说明书库和测试用例库中提取一经过测试验证的基版本进行软件详细设计说明书测试用例及软件模块的复用，节省二次开发时间，同时测试用例验证过的软件基版本也可以保证软件模块的产品质量，从而快速高效地交付产品，达到缩短项目开发周期测试报告测试报告测试报告测试结果及验收报告测试、验证测试、验证测试、验证测试、验证编码功能模单元测块1编写测试试1用例编码功能模块2编写测试试2用例设计编码功能模单元测块3编写测试试3：用例功能模编码块n编写测试用例Vol.60 No.6Jun.15,2023和提高项目软件质量的目标。经过测试的需求库、软件版本基线库以及测试用例库进行保存和复用时要求版本号一致，称为共用组件，如图4所示。版本回溯集成测试1集成测试2单元测单元测试n版本回溯集成测系统验收试n-1测试测试1交付需求库3.2模型优势相比目前的开发测试模型，“闭环反馈校正”模型具有如下优点：(1)模型强调集成开发，注重产品技术开发、系统方案库图4“闭环反馈校正”共用组件库Fig.4 Closed-loopfeedback correction common building block测试、生产验证有机结合，要求开发过程中任何问题都要及时做到“闭环反馈校正”。合理的松耦合的组件划分，可以有效降低单一组件研发质量对整个产品的影响，提高项目开发管控水平；一 17 7 一软件版本基线库共用代码库测试用例库第6 0 卷第6 期2023年6 月15日(2)模型强调并行开发。首先建立整个产品的包含软硬件在内的组件模型，针对每个组件根据项目需要建立下一个层级的软硬件子组件模型。要求组件高内聚松耦合，颗粒度设计合理。基于产品组件模型，可以实现多模组的并行开发，缩短产品开发周期；（3)合理评估模组开发进度风险和质量风险，优化产品开发过程，提高项目开发质量。产品开发中，一般需要根据产品集成次序明确组件开发的先后次序，制定组件开发、内测、系统集成、集成测试、系统测试、验收测试的工作计划。由于每个组件技术成熟度不同，需要评估其质量风险和进度风险，在开发计划中适当留有余量，开发过程中及时跟踪并协调资源释放风险；（4)模型强调开发过程简洁有效，是升级版的“敏捷开发”。智能电能表在国内已经投运二十年以上,部分技术相对成熟，无需非常详细的设计文档输出，但对于关键技术点和质量把控点，需要建立方案评审、技术评审、测试及评审机制，相关阶段性文档及时输出，在进行送代更改时同步修改；（5）模型强调利用已有或建立新的公共组件，即注重产品积累,不断提升产品开发的效率。例如,利用成熟产品的CBB组件、需求库、测试用例库，也可以利用自有的测试组件，如事件模拟发生器、模拟存储器、模拟文件系统、模拟计量芯片等，以上资源的有效合理利用，无疑会极大提升产品开发效率。综上，“闭环反馈校正”对开发效率、开发质量、开发风险、开发周期都有很大帮助，是一种高效灵活而又不失原则开发测试机制。4实验验证和分析IR46标准要求电能表电子设备与组件分离,计量功能与其他功能相互独立，非计量部分软件在线升级不影响计量部分的准确性和稳定性。IR46标准要求和我国现行的电能表标准体系存在明显差异，结合国内实际情况，对IR46标准进行修正,因此IR46标准电能表整个开发过程也是和标准同步，为滚动迭代的过程,逐步完善。本文以IR 46标准电能表开发过程为例,项目的整体开发周期可分为需求分析、设计开发以及测试验收三个阶段。在整个智能电能表软件开发过程中,根据图1所示的软件结构模型，测试人员和开发人员模块化地进行测试用例和软件程序的编写，完成一个模块后就对这个模块进行相应的单元测试并开展下一个软件模块的编写，在完成两个模块后便进行这两个模块的集成测试，测试人员发现问题需及时进行反馈，开发人员对一 17 8 一电测与仪表Electrical Measurement&InstrumentationBUG进行修复，接着再次进行测试，完成软件功能完善。以此类推，逐步地将整个开发测试流程滚动起来，进行软件功能模块的迭代、完善,最终对智能电能表进行系统性功能测试。项目实施过程中，测试人员和开发人员需根据开发测试进度完成相应的文档交付，如详细设计方案、测试报告等，流程图如图5所示。详细技提交测试报告术方案反馈bug信息卜编码提交代码和同开发人员步开发文档编写测测试人员试用例图5同步流程图Fig.5Synchronization flow chart综上所述,以迭代测试和开发的方式进行项目的进度推进，将原来在开发后进行的单元测试和集成测试提前放在开发测试过程中完成，并在开发过程中迭代完成问题的反馈和修改，减少原有开发过程中的测试时间。安排多个软件编码人员和测试人员协同工作，可缩短整体开发时间,缩短项目周期。同时，在已有的需求分析、开发和测试基础上建立需求库、软件版本基线库和测试用例库，后期进行项目开发时，可从库中提取相关经过历史产品验证的需求设计方案、软件功能模块以及相应的测试用例，在缩短整个项目开发周期的同时保证整个项目开发的质量。以开发IR 46标准电能表为例,应用各模型开发的输出物和项目周期对比如表2 所示。从表2 中可以看出，“闭环反馈校正”模型在开发速度上优于现有W模型，但由于文档输出物和评审的原因,其项目周期长于“敏捷开发”模型。而“闭环反馈校正”模型在实现复用组件的情况下，较W模型缩短38%，较敏捷开发测试模型缩短17%，其项目周期明显优于其他模型。而从软件代码测试结果来看，在使用“闭环反馈校正”模型时，其最终软件缺陷数量与W模型相比减少了50%，明显优于W模型，基本上与敏捷开发测试模型一致，且应用复用组件后，在软件质量控制上略优于其他测试模型。在软件小规模集成和交付后，使用静态白盒测试软件对代码进行检测。被测软件对象的选取采用分层抽样的方法进行，根据上文中IR46电能表开发的模式,智能电能表表程序被分成多个不同的、相对独立的Vol.60 No.6Jun.15,2023Y提交代测试是否存在码和测BUG?试报告第6 0 卷第6 期2023年6 月15日应用功能模块。表2 模型应用效果对比表Tab.2Comparison table of model application effect周期系统测试软试验指标输出物需求规格书；软件概要设计文档；软件详细设计文档；W模型源码；测试用例；测试报告；验收报告需求规格书；源码；测试报敏捷开发模型告；验收报告需求规格书；软件概要设计“闭环反馈测校文档；软件详细设计文档；正”模型源码；测试用例；测试报告；验收报告；共用组件库需求规格书；软件概要设计“闭环反馈校文档；软件详细设计文档；正”模型复用组源码；测试用例；测试报告；件开发验收报告：共用组件库根据软件开发过程应用的3 个不同开发模型，将待测软件为3 个独立的待测软件主体，对各个软件主体中的功能相似的应用功能模块进行代码提取，功能相似的代码作为一个相同层，从每个应用功能模块中提取不定数量和不定长度的软件模块进行测试。软件模块取样的最优分配方式是根据软件模块的使用频率进行取样。提取调用频率较高的软件模块进行测试,并将提取的软件模块进行组合，测试并记录软件缺陷数量。排除软件误报后对确认的软件缺陷数量见表3。表3 软件取样缺陷对比Tab.3 Software sampling defect comparison软件主体应用模型W模型“闭环反馈校正”模型“闭环反馈校正”模型复用组件库由于是不同取样数量的组合，软件缺陷有部分重叠，但是从整体趋势来看，使用“闭环反馈校正”模型的软件缺陷数量与W模型软件缺陷数量相比有明显减少,从数据中可以看出样本数量越大，使用“闭环反馈电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation校正”模型的软件缺陷数量与W模型相比越少,因此可以推断使用“闭环反馈模型”进行开发的软件质量高于使用W模型进行开发的软件质量。而在使用“闭环反馈校正”模型复用组件库后，其缺陷数量进一步降低，由于是新标准下的电能表开发,共用组件的数量和（天）件缺陷数量9048683275345628软件模块取样数量软件缺陷数量581013152159101315185510131513Vol.60 No.6Jun.15,2023质量还有待进一步完善，导致在取样测试时软件缺陷与不复用组件开发的软件缺陷数量相同。综上所述，“闭环反馈校正”模型在整个电能表软件开发过程的应用中,不仅缩短了项目开发周期，而且提升了电能表软件的可靠性。复用组件库开发对组件数量和质量有较高要求，共用组件的数量越多，覆盖范围越广，质量越高，开发的周期才越短，软件可靠性越强。但是由于共用组件库的组件质量需要较长的产品运行周期进行验证，而且随着需求变化导致设计方案与共用组件不兼容时，需要重新设计方案，根据运行效果进一步补充和完善共用组件库。5结束语文中通过对软件开发测试模型和智能电能表的软件系统架构的分析,在此基础上提出“闭环反馈校正”模型。该模型深度融合W模型和敏捷开发测试模型，结合高效的并行开发测试迭代工作流程，满足对开发过程中关键节点的风险控制和输出物版本控制要求。实际运用表明，该方法优化了智能电能表的软件开发及测试流程，提高软件质量可靠性，同时减少了电能表软件开发和二次开发的时间，使智能电能表软件开发的质量和周期得到优化和提高。参考文献1刘鹰智能电表的应用前景 J仪表技术，2 0 11，（12）：6 1-6 3.Liu Ying.Application prospects of smartmeters J.Instrument Tech-nology,2011,(12):61-63.2蔡慧，乔适苏，袁健，等基于信息融合的低压智能电能表动态评价模型 J电力系统自动化，2 0 2 0，44（11）：2 0 6-2 14.3颜乐鸣基于工作流的软件测试过程模型研究 J软件，2 0 18，39(5):160-165.4刘凯，梁欣，张俊萍软件测试过程模型研究 J计算机科学，2018,45(S2):518-521.5吴悦，张春海改进的软件测试模型-“并”模型 J微型机与应用,2 0 17,3 6(14)：14-15,19.6徐熊，尹海博，张宇，等基于NB-IoT的静载检测仪系统设计 J.传感器与微系统，2 0 2 1，40（12）：10 5-10 7，111.7 孙洪博，彭敏放，黄欢，等.接地网腐蚀状态检测装置设计 J传感器与微系统，2 0 2 1，40（7）：8 5-8 7，9 1.8 张秋雁，张俊玮，丛中笑，等基于单MCU的智能电能表软件法制计量设计 J.计算技术与自动化，2 0 18，3 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