基于構件技術的嵌入式控制軟件可靠性仿真

李長銀，孫學軍

(臨沂大學費縣校區，山東 費縣 273400)

1 引言

計算機隨著信息技術的發展被廣泛的應用在不同行業中，控制計算機操作的控制軟件系統的復雜度越來越高、規模越來越大，軟件錯誤發生率也隨之增加[1]。通過對嵌入式控制軟件的可靠性進行分析，可以降低軟件故障損失造成的影響。在軟件可靠性工程中可靠性評估是核心內容，利用軟件系統的相關信息對系統可靠性是否符合要求進行判斷。判斷軟件設計是否滿足要求，需要考慮控制軟件可靠性是否滿足規定指標的同時還要考慮控制軟件是否滿足功能需求。可靠性分析是運用概率論知識、人工智能和計算機技術等進行處理并分析嵌入式控制軟件可靠性的過程[2]。由于應用環境和嵌入式控制軟件本身的復雜性，收集高質量的相關信息是較為困難的，因此需要對嵌入式控制軟件的可靠性分析方法進行研究。

文獻[3]提出基于貝葉斯混合概率分布融合的軟件可靠性分析方法，該方法引入融合先驗分布、間接先驗分布和直接先驗分布對經典貝葉斯推理算法進行優化，利用優化后的算法根據底層單元的數據對嵌入式控制軟件的可靠性進行分析，該方法沒有分析可靠性度量參數，導致分析錯誤率高。文獻[4]等人提出基于概率盒理論的軟件可靠性分析方法，該方法對控制軟件的不確定參數進行概率盒建模，離散化處理各參數概率盒，在軟件可靠性方程的基礎上對笛卡爾積進行計算，根據計算結果，實現軟件可靠性的分析，該方法沒有選取度量參數對軟件的可靠性進行評估，選取的概率盒建模所用的時間較長，存在分析效率低的問題。文獻[5]提出基于影響因素與灰聚類的軟件可靠性分析方法，該方法在灰聚類系統理論的基礎上對軟件可靠性影響因素進行灰聚類計算和灰關聯分析，在不同階段中對軟件可靠性進行分析，該方法在灰聚類和灰關聯過程中沒有引入可靠性度量參數，導致效益因子較低，存在適應性差的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出基于構件技術的嵌入式控制軟件可靠性分析方法。

2 軟件可靠性度量參數

對嵌入式控制軟件的可靠性程度進行定量評價是軟件可靠性度量的實質。

對嵌入式控制軟件可靠性程度進行分析時軟件可靠性度量是依據，通常情況下衡量嵌入式控制軟件可靠性的參數通常包含以下幾種：

1)可靠度R(t)

軟件可靠度R(t)描述的是在規定時間段內、規定條件下完成預定功能的概率，可以描述為在規定時間內軟件無失效發生的概率。嵌入式控制軟件可靠性的定義通常是軟件的可靠度，描述的是嵌入式控制軟件在運行過程中發生失效行為的概率[6]，軟件可靠度可以描述為R(t)=P(T≤t)。

2)失效概率F(t)

嵌入式控制軟件時效時間等于或小于t的概率即為失效概率F(t)，可靠度R(t)與失效概率F(t)之間存在的關系可通過下式進行描述：

F(t)=1-R(t)

(1)

3)失效強度f(t)

失效概率對應的密度函數即為失效強度f(t)，失效強度f(t)當失效概率F(t)為可微分時為失效概率F(t)關于時間的一階導數。其表達式如下

(2)

4)失效率λ(t)

失效率描述的是在t時刻嵌入式控制軟件在t時刻還沒有出現失效的條件下，在t時刻后單位時間內嵌入式控制軟件出現失效的概率，失效率λ(t)又稱為失效強度[7]，描述的是失效概率F(t)對應的條件概率密度，其表達式如下

(3)

通過下式描述可靠性與失效率之間存在的關系

(4)

5)平均失效時間MTTF

當前時間到下一次嵌入式控制軟件失效時間的均值即為平均失效時間MTTF，其表達式如下

(5)

6)平均失效間隔時間MTBF

平均失效間隔時間MTBF描述的是兩次相鄰失效時間間隔對應的均值[8]，如果從T1時刻到T2時刻嵌入式控制軟件出現了n次失效，則平均失效間隔時間MTBF可通過下式計算得到

(6)

3 嵌入式控制軟件可靠性分析

在基于構件技術的嵌入式控制軟件的開發過程中，嵌入式控制軟件是由連接件和構件構成的。可以用Markvo過程描述基于構件技術的嵌入式控制軟件。所提方法在可靠性度量參數的基礎上通過估算整個嵌入式軟件中連接件和構件的平均使用次數，對嵌入式控制軟件的可靠性進行分析。

當嵌入式控制軟件中存在n個構件時，Rci代表的是構件Ci對應的可靠性，θi代表的是構件在嵌入式控制軟件中使用的次數，Rs代表的是嵌入式控制軟件對應的可靠性，其計算公式如下

(7)

嵌入式控制軟件的可靠性Rs，當考慮構件和連接件的應用域時，可通過下式計算得到

(8)

用元組描述構件組成的嵌入式控制軟件，其中，SC={C1，C2，…，Cn}描述的是構件在嵌入式控制軟件中構成的集合；SL={L1→1，L1→2，…，Li→j，…，Ln→n}代表的是連接件在嵌入式控制軟件中構成的集合；s代表的是起始構件在嵌入式控制軟件中的數量，起始構件為C1，C2，…，Cs；r代表的是終止構件在控制軟件中存在的數量，終止構件為Cn-r+1，Cn-r+2，…，Cn；n代表的是構件在嵌入式控制軟件中的總數；SP={PT1→1，…，PTi→j，PTn→n}代表的是在構件間相關應用控制連接對應的轉換概率集，其中PTi→j代表的是軟件執行完構件Ci時轉換到構件Cj執行時對應的概率；SPI={P1，P2，…，Ps}代表的是訪問初始構件對應的概率集。

可以用Markov過程描述構件組成的嵌入式控制軟件，Markov過程中n個不同的狀態即為n個構件；吸收態為r個終止構件；初態為s個起始構件。

設SFR=代表的是連接件和構件在嵌入式控制軟件中的使用頻率計算模型。其中

(9)

式中，SFInitC描述的是初態構件在嵌入式控制軟件中的使用頻率集；SFMC代表的是非初態構件和非吸收態構件在控制軟件中構成的使用頻率集；SFAC代表的是吸收態構件在控制軟件中構成的使用頻率集；SFNAL代表的是與非吸收態構件連接的連接件在控制軟件中對應的使用頻率；SFAL代表的是與吸收態構件連接的連接件在控制軟件中對應的使用頻率[9-10]。

訪問初態構件的概率Pi決定了初態構件的使用頻率FInitCi=Pi。

勝利油田全稱為中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司，其業務范圍主要在山東省境內，公司主體位于黃河三角洲的東營市。按地質構造劃定區域，山東省境內可供石油開發的區域主要有濟陽、昌濰、膠萊、臨清、魯西南5個坳陷，目前勝利油田已取得探礦權的面積為4.89萬平方公里，占5個坳陷總面積的74.9%。濟陽坳陷和渤海淺海是勝利油田石油開發工作的主要地區。迄今為止，勝利油田的總探礦權面積達19.4萬平方公里，石油和天然氣儲量分別為145億噸、24 739億立方米，原油產量居全國第二位。明確勝利油田的內外部情況，進而提出相應的戰略措施，無疑對國家經濟發展具有重要意義。

初態構件的概率與初態訪問Ci的次數乘積之和即為處于非初態和非吸收態的構件Ci對應的使用頻率FMCi，其計算公式如下

(10)

(11)

(12)

(13)

式中，Q代表的是狀態轉移概率矩陣；I代表的是單位矩陣。

訪問初態構件的概率與各初態構件到達吸收態構件的使用頻率之間的乘積之和即為處于吸收態構件對應的使用頻率[11]

(14)

設FNALi→j代表的是與非吸收態構件連接的連接件Li→j在嵌入式控制軟件中的使用頻率，其計算公式如下

FNALi→j=FMCi×PTi→j

(15)

FALi→j=FMCi×PTi→j

(16)

通過上述分析，獲得嵌入式控制軟件的可靠性Rs

Rs=Ppow×FALi→j

(17)

式中，Ppow代表的是執行使用域時構件對應的可靠性。

4 實驗結果與分析

為了驗證所提方法的整體有效性，需要對所提方法進行測試，分別采用基于構件技術的嵌入式控制軟件可靠性分析方法(方法1)、基于貝葉斯混合概率分布融合的軟件可靠性分析方法(方法2)和基于概率盒理論的軟件可靠性分析方法(方法3)進行測試，對比上述方法分析嵌入式控制軟件可靠性時的錯誤率，測試結果通過圖1進行反映。

圖1 分析錯誤率測試結果

分析圖1中的數據可知，在多次迭代中方法1獲得的分析錯誤率均低于5%；方法2在第2次迭代過程中獲得的分析錯誤率高達15%；方法3在第3次迭代中獲得的分析錯誤率高達20%，對比方法1、方法2和方法3的測試結果可知，方法1在分析嵌入式控制軟件的可靠性時的分析錯誤率最低，表明方法1可準確的對嵌入式控制軟件的可靠性進行分析，因為該方法對嵌入式控制軟件可靠性的度量參數進行了分析，為嵌入式控制軟件可靠性分析提供了可靠依據，提高了嵌入式控制軟件可靠性分析結果的準確率，降低了分析錯誤率。

采用方法1、方法2和方法3分析嵌入式控制軟件的可靠性，測試上述方法分析軟件可靠性時所用的時間，測試結果可通過圖2進行描述。

圖2 分析效率測試結果

由圖2可知，采用方法1分析嵌入式控制軟件的可靠性時，在多次迭代中所用的分析時間均低于20min，采用方法2和方法3分析嵌入式控制軟件的可靠性時，在多次迭代中所用的分析時間均高于30min，對比不同方法的測試結果可知，方法1分析所用的時間少于方法2和方法3分析所用的時間，表明方法1的分析效率高，因為方法1根據軟件可靠性度量參數，利用Markvo過程描述基于構件技術的嵌入式控制軟件，實現嵌入式控制軟件的可靠性分析，縮短了分析時間，提高了方法1的分析效率。

設置效益因子γ，在區間[0，1]內取值，效益因子越高表明方法1的適應性越高，分別采用方法1、方法2和方法3進行測試，測試結果如圖3所示。

圖3 效益因子測試結果

對圖3中的數據進行分析可知，在多次迭代中方法1獲得的效益因子遠遠高于方法2和方法3獲得效益因子，效益因子越高表明方法的適應性越好，因為方法1根據嵌入式控制軟件可靠性度量參數結合融合容錯技術和軟件敏感度分析方法對嵌入式控制軟件的可靠性進行分析，提高了方法的適應性。

5 結束語

計算機系統隨著計算機技術的發展被廣泛的應用在社會的各個領域中，計算機系統所占的比重越來越大，在日常生活和工作過程中計算機已經成為不可缺少的一部分。計算機硬件和軟件的復雜性隨著復雜工作的增加越來越高，增大了計算機失效的概率。人們的生活和工作會因為計算機失效受到影響，嚴重威脅著人們的生命安全和財產安全。軟件產生的問題是造成計算機系統失效的主要因素，因此需要對軟件可靠性進行分析。目前軟件可靠性分析方法存在分析錯誤率高、分析效率低和適應性差的問題。提出基于構件技術的嵌入式控制軟件可靠性分析方法，在軟件可靠性度量參數的基礎上采用構件技術分析嵌入式控制軟件的可靠性，解決了目前方法中存在的問題，為計算機的穩定運行提供了保障。