基于某總線的軟件可靠性同步參數估計仿真

李 靜

(河南大學濮陽工學院，河南 濮陽 457000)

1 引言

目前，軟件數據量[1]日益增多，增加系統工作量。傳統軟件數據處理機制已無法滿足該領域的軟件處理實時性、可靠性需求，且傳統軟件數據處理機制由多單機部分構成，不斷增多的同步參數使得內部網絡變得更加復雜，已成為可靠性同步參數估計發展的障礙。軟件的可靠性是評價軟件質量的重要量化標準，因此得到了越來越多研究者的重視。軟件可靠性就是軟件在一定的條件下、一定時間內，在不造成系統故障的情況下能夠完成指定功能的概率。需提高軟件可用空間和硬件的系統化，以進一步提高參數估計性能。

為解決上述問題，相關領域的研究人員相繼提出了可靠性參數同步方案，這些同步方案從整體角度考慮出發，對所提估計算法進行優化，將高可靠度、高實用性原則作為軟件可靠性同步參數估計的基礎。文獻[2]提出基于卡爾曼濾波估計的一致性時鐘同步方法，以期解決節點時鐘偏斜和偏移，利用雙向信息交換機制及分布式卡爾曼濾波，完成對時鐘偏斜和偏移的最優估計，在時鐘參數最優估計值的基礎上，采用一致性補償方法實現時鐘節點同步。但該方法的節能效果較差。文獻[3]提出考慮動態相依性的可靠性系統隨機Copula模型及其參數估計方法。在隨機Copula模型的基礎上，研究可靠性系統在動態相依下的可靠性，構建隨機Copula模型，基于極大似然理論，給出基于隨機Copula模型的串聯與并聯系在動態相依下的可靠度，實現軟件可靠性同步參數的估計。但是該方法應用具有局限性，效果不理想。

為解決傳統方法存在的弊端，提出基于ARINC659總線[4]的軟件可靠性同步參數估計方法。解析ARINC659總線，以高可靠度、高實時性作為參數估計基礎，驗證可靠性同步參數分布規則，并將估計參數與實際參數方差考慮其中，以提高估計結果的準確性，通過仿真驗證了所提方法具有較小的誤差，在未來軟件可靠性同步參數估計的研究中起到重要的推動作用。

2 基于ARINC659總線的軟件參數同步處理

ARINC659總線又稱為背板數據總線，是基于時間觸發架構構建的雙余度容錯串行廣播總線，主要應用于數據通信中的在線可更換模塊，是綜合模塊化領域在電子系統[5]中的關鍵技術。

ARINC659總線軟件采用TPDA協議，以總線命令表為基礎，完成相關調度[6]?？偩€命令表由FDL編寫并經過編譯的機器碼所構成，存儲于LRM專用表儲存器中，且總線中每個LRM都包含兩個單元接口。ARINC659總線的協議對初始化同步、短時間同步和長時間同步做出了相關定義，以確保每個BIU模塊的工作狀態都保持同步，并在任意時間段內，BIU模塊間都位于同一位置。

為確保全部LRM均可同步ARINC659總線數據，根據對應的操作指令將時間分解為一系列單元，每個表中都包含同樣的單元序列，每個單元都存在固定的時間段，開始與結束時間保持一致，工作流程如圖1所示。

圖1 ARINC659總線工作流程

基于上述同步機制概述，對于軟件中的可靠性同步參數，每兩個659中斷的時間間隔，被稱為659周期。分析ARINC659總線同步工作協議，將分布式、時間觸發、串行等因素考慮其中，構成了可靠實時的同步系統。

2.1 軟件初始同步

初始同步指在軟件系統任務開始前進行調度，令需同步執行的可靠性參數在同一時刻進入到階段任務中。

將執行啟動的可靠性參數放入659終端參數中，保證各通道可周期性地向其它通道發送參數信息，發送所需周期與659終端周期相等，各通道的中斷時間也保持一致。利用初始同步算法完成上述操作，進入初始同步后中斷659，在總線表中標記為同步，等待下一個659中斷；讀取另一通道的同步標記，讀取后等待下一個659中斷，中斷開始后跳出可靠性參數，結束初始同步。若在規定時間內無法讀取同步標志，則進入故障處理區域，故障處理方式與初始同步方法相同，具體操作流程如圖2所示。

圖2 軟件可靠性參數初始同步

ARINC659總線參數同步的主要是通過冗余[7]備份機制，降低數據復雜難度實現，采用不同的編碼作為備份總線傳輸方式，以降低軟件中其它信號的耦合作用[8]。也可通過實時交叉對比校驗，實現總線上可靠性同步參數的傳輸，根據交叉結果，完成軟件可靠性同步參數估計。

當不滿足估計條件時，對發送的同步節點采取實時隔離措施。除此之外，ARINC659總線的分布式結構不需要由一個固定的節點完成數據同步，可使總線中的節點多冗余?；贏RINC659總線的參數估計算法，以時間調度表運行原理為基礎，當總線節點發生故障時，估計過程所需時間可以確定，保障參數估計的實時性。

2.2 軟件周期同步

周期同步指的是每周期任務執行結束后，下一周期所需執行的任務在同一時間段內完成。

周期同步任務中通常采用小幀[9]計數，也被稱作主小幀數，每執行一次主小幀數增加1。在659中斷參數中加1。每周期執行完畢后，進入至下一周期內，使用659中斷，以降低參數估計結果誤差，具體流程如圖3所示。

圖3 軟件可靠性參數周期同步

3 軟件可靠性同步參數估計算法

3.1 基本流程設計

軟件可靠性同步參數估計是反映系統機制的一個重要指標，可用于降低軟件故障發生幾率，關于可靠性同步參數估計以充分的數據樣本為基礎，計算過程相對簡潔；若樣本數據相對較少時，可利用分布函數[10]將參數看作隨機變量，獲取到分布規則，再結合ARINC659總線進行推算估計。

3.2 加權處理下可靠性同步參數估計

通過軟件小樣本數據的加權處理[11]，生成新的目標樣本，以獲得可靠性參數信息。確定可靠性同步參數均值μ和方差σ2二者的先驗分布序列。

(1)

(2)

式(2)中，Vi表示可靠性參數基本量；Dn表示可靠性參數特征值。(V1，V2，…，Vn)滿足D(1，1，…，1)數據隨機分布準則，E[.]表示準則函數，可得到

(3)

(4)

據上式(4)看得到μ和σ2的估計參數為

(5)

選取一組隨機同步參數，計算對應子集，當隨機同步參數量不斷增加時，對可靠性參數實行抑制性估計，利用直方圖得到μ和σ2的驗證分布?？煽啃酝絽档臄盗客ǔ］^大，將其設為B=1000，在ARINC659同步機制下，結合生成的目標樣本，可得到后續同步參數分布形式，對μ和σ2計算可得方程式

(6)

據式(6)的計算結果，求得同步參數的密度函數為

(7)

通過上述確定可靠性參數同步分布規則，利用極大似然算法完成參數估計，因參數計算過程中分布均為常數，可建立如下方程

(8)

將式(5)代入上式中，通過聯立完成求解，即可得到對μ和σ2的估計數值，為最終的軟件可靠性同步參數估計結果。

4 實驗結果與分析

為分析基于ARINC659總線的軟件可靠性同步參數估計性能，將所提方法與其它方法進行對比仿真。當軟件可靠性同步參數與其它參數相位一致時，會生成多余路徑，導致較大的跟蹤偏差，因此，只考慮同步參數與其它參數相同的情況。

基于659總線的參數估計算法是以分布驗證為基礎，各總線節點參數是相互獨立的，且每個總線節點都存在兩個獨立的參數元，這些參數為可靠性同步參數，為實現各節點間同步參數的估計工作，需將短同步機制引入其中，使各節點同步頻率相同。總線在一段時間內不發生任何活動，以保證ARINC659總線有充足的時間響應，并處理可靠性同步參數估計計算。設置ARINC659總線開始啟動后，生成初始化同步脈沖，在初始化同步脈沖完成后8位時間后，再發送另一個長的同步脈沖，生成4位低壓電平，在多個空閑時間段中，生成完整的初始化同步系統。

4.1 運行時間對比

首先進行不同方法的運行時間檢測實驗，仿真結果輸出如圖4所示。

圖4 參數估計算法時間對比

從圖4中可看出，隨著可靠性參數數量的增加，文獻[2]和文獻[3]方法所需時間均不斷增加，而基于ARINC659總線具有最好的穩定性能，且運行時間始終低于傳統方法。證明隨著參數數量的變化，所提方法用時更加平緩，表明其具有較好的穩定性能，且效率更高。

4.2 軟件可靠性同步參數失效估計準確度驗證

為進一步檢測軟件可靠性同步參數估計方法的精確度，以軟件數據失效次數預測準確度對此進行衡量。為對比不同方法的預測結果與實際情況的偏差情況，對每種方法的實驗結果進行分別輸出，對比實驗，結果如圖5所示。

圖5 數據失效次數預測準確度測試

通過圖5實驗結果可知，不同實驗迭代次數下，所提方法的數據失效次數預測評估值始終與真實值相差很小，而文獻[2]方法以及文獻[3]方法的預測評估值與真實值相差較多。本次實驗結果可以證明所提方法能夠高精度的預測軟件數據失效的次數，以此實現高準確度的軟件同步參數估計，說明研究方法的性能更好。

本次研究針對其軟件參數加入了故障因素進行實驗，通過不同算法的時間對比、偏差對比及性能對比，并對ARINC659總線運行進行詳細分析，提高了估計結果的可靠性。

4.3 評估結果偏差以及綜合性能對比

對比各方法的性能指標，比較結果如表1和表2所示。

表1 不同方法輸出結果偏差對比

表2 不同方法的綜合性能對比

通過表1和表2可以看出，基于ARINC659總線的軟件可靠性同步參數估計具有最小的偏差，因此具有最高的估計預測能力。分析結果如下：

1)基于ARINC659總線的軟件可靠性同步參數估計可在較少的計算過程下，對軟件參數進行有效估計，以此消除多徑造成的誤差。

2)從可靠性同步參數的估計結果上看，本文所提算法受多徑相對問題，造成的時間延遲影響并不嚴重。但其它五種算法在進行多徑同步參數估計時，受多徑影響，產生的時間延遲影響比較顯著，但這一點可通過ARINC659總線運行機制改善。

3)較大多徑可靠性同步參數對估計算法的影響較大，但可利用ARINC659總線完成改善。

5 結論

提出了基于ARINC629總線的軟件可靠性同步參數估計方法。仿真結果表明，所提方法具有實用性，可利用基于ARINC629總線的軟件可靠性同步參數估計，評估結果更加精準。