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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2021-09-01 00:15
為了改進(jìn)現(xiàn)有智能裝備系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)技術(shù),提高試驗(yàn)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性,對(duì)現(xiàn)行可靠性試驗(yàn)和軟件測(cè)試的特點(diǎn)進(jìn)行了分析,研究提出一種考慮軟件工作載荷的可靠性綜合試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)技術(shù),通過融合MUSA操作剖面構(gòu)造技術(shù)和Markov鏈的狀態(tài)遷移技術(shù),設(shè)計(jì)軟件使用操作剖面,基于任務(wù)剖面實(shí)現(xiàn)軟操作剖面和硬件可靠性試驗(yàn)剖面的有效匹配。
信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展,在軌道交通、電力、智能制造等廣泛應(yīng)用,出現(xiàn)大量以為軟件為核心的軟件密集型智能裝備系統(tǒng),軟件密集型指在設(shè)備系統(tǒng)的功能特性、研制費(fèi)用、研制風(fēng)險(xiǎn)及研制時(shí)間等一個(gè)或多個(gè)方面,軟件占主導(dǎo)地位的裝備系統(tǒng),即以軟件為核心的裝備系統(tǒng)。目前對(duì)該類設(shè)備的試驗(yàn)評(píng)價(jià),采用了傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)加軟件測(cè)試的方式進(jìn)行,按照規(guī)定要求完成試驗(yàn)和故障歸零后,在實(shí)際裝備使用中仍出現(xiàn)不少的質(zhì)量與可靠性問題,通過對(duì)多型裝備定型后出現(xiàn)的故障數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),裝備使用條件下的環(huán)境應(yīng)力、外部輸入數(shù)據(jù)、用戶的使用操作等多個(gè)因素共因造成的設(shè)備故障與失效情況,說明對(duì)軟件密集型信息化裝備分別開展可靠性試驗(yàn)及軟件測(cè)試的方法,不能充分的暴露其可靠性薄弱環(huán)節(jié),迫切需要對(duì)試驗(yàn)技術(shù)方法進(jìn)行研究和改進(jìn)。
本文對(duì)依據(jù)GJB 899A-2009實(shí)施的可靠性試驗(yàn)和依據(jù)GJB/Z141-2004的軟件測(cè)試,進(jìn)行了比較和分析,針對(duì)其對(duì)軟件密集型裝備可靠性試驗(yàn)的薄弱環(huán)節(jié),研究提出一種考慮軟件工作載荷的可靠性綜合試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)技術(shù),并通過某型裝備進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證。
現(xiàn)行可靠性試驗(yàn)和軟件測(cè)試的特點(diǎn)
在裝備研制過程中,可靠性試驗(yàn)和軟件測(cè)試是裝備研制中必須做的兩項(xiàng)重要試驗(yàn),在型號(hào)工程中已經(jīng)開展多年,并取得了良好效果,大大地促進(jìn)了裝備質(zhì)量的提高。可靠性試驗(yàn)方面,主要參考和依據(jù)MIL-STD-781D《可靠性試驗(yàn)的發(fā)展, 試驗(yàn)條件及程序》及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)不同裝備裝備應(yīng)用于不同氣候環(huán)境和機(jī)械環(huán)境的特點(diǎn),選取實(shí)際使用中最典型、最有代表性的使用條件,通過設(shè)計(jì)溫度、濕度、振動(dòng)以及電應(yīng)力四種環(huán)境應(yīng)力的同步施加,模擬實(shí)際使用中所經(jīng)歷的綜合環(huán)境效應(yīng),對(duì)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)考核和可靠性評(píng)價(jià),其可靠性試驗(yàn)剖面的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。在可靠試驗(yàn)期間,會(huì)根據(jù)試驗(yàn)大綱,進(jìn)行部分軟件(系統(tǒng))功能檢查以及若干性能檢測(cè),但在選定檢查的功能、性能指標(biāo)時(shí),未充分考慮軟件、硬件之間的影響,因此也沒有規(guī)定軟件運(yùn)行方式、頻度、時(shí)間以及預(yù)置條件等,試驗(yàn)方案之間對(duì)軟件功能邏輯的覆蓋率有較大的差異,因而對(duì)軟件和系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的考核和結(jié)果評(píng)價(jià)均存在一定的偏差。

圖1 機(jī)載設(shè)備可靠性試驗(yàn)剖面的典型結(jié)構(gòu)
現(xiàn)行的軟件測(cè)試,將測(cè)試按級(jí)別分為單元測(cè)試、集成測(cè)試等,測(cè)試類型分為功能性測(cè)試、性能測(cè)試、強(qiáng)度測(cè)試等,測(cè)試階段分為測(cè)試策劃、測(cè)試設(shè)計(jì)、測(cè)試執(zhí)行等,測(cè)試目的是“考核軟件是否符合系統(tǒng)研制總要求或軟件研制總要求規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)”的要求,測(cè)試通過查找缺陷以及對(duì)缺陷進(jìn)行歸零處理來提升軟件的質(zhì)量,是面向需求的符合性測(cè)試,偏重質(zhì)量符合性。軟件測(cè)試時(shí),多數(shù)情況下將軟件運(yùn)行的硬件平臺(tái)置于有空調(diào)進(jìn)行溫控的機(jī)房中,沒有其置于裝備實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的溫濕度、電應(yīng)力以及振動(dòng)綜合環(huán)境下,軟件測(cè)試時(shí)無法模擬硬件性能變化等對(duì)軟件的功能、性能等影響,難以發(fā)現(xiàn)軟件硬件共因故障,更難以重現(xiàn)。
相關(guān)文獻(xiàn)指出由嵌有軟件的硬件組成的大型軟硬件系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)硬件失效、軟件失效和軟硬關(guān)聯(lián)作用失效,并規(guī)定對(duì)該類系統(tǒng)的可靠性試驗(yàn),需要施加的應(yīng)力除了包括溫度、濕度、振動(dòng)、電應(yīng)力等傳統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力外,還應(yīng)該包括工作載荷(Operating Load)??梢?,單獨(dú)的硬件可靠性試驗(yàn)和軟件測(cè)試在暴露軟硬件關(guān)聯(lián)的故障方面存在欠缺,因此對(duì)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)存在一定的偏差。
考慮軟件載荷的綜合可靠性試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)技術(shù)
考慮軟件載荷的試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)技術(shù),在現(xiàn)行可靠性試驗(yàn)、軟件測(cè)試的管理和技術(shù)模式框架下,以現(xiàn)行可靠性試驗(yàn)為基礎(chǔ),細(xì)化和完善試驗(yàn)方案設(shè)計(jì),充分考慮軟件的運(yùn)行剖面,以典型的工作載荷構(gòu)建完善的軟件測(cè)試剖面替代原有的測(cè)試點(diǎn),使綜合可靠性試驗(yàn)剖面盡可能貼近用戶的使用環(huán)境和條件,剖面設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)過程見下圖2所示。

圖2 考慮工作載荷的可靠性綜合試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)技術(shù)
01綜合可靠性試驗(yàn)剖面中硬件可靠性試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)
硬件可靠性試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)主要參考和依據(jù)MIL-STD-781D《可靠性試驗(yàn)的發(fā)展, 試驗(yàn)條件及程序》及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),分別完成單任務(wù)可靠性試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)和多任務(wù)可靠性試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)。
1)單一任務(wù)可靠性試驗(yàn)剖面
首先根據(jù)設(shè)備及裝載平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求以及任務(wù)剖面,繪制任務(wù)特征參數(shù)圖(見圖3(a));其次,從設(shè)備設(shè)計(jì)性能規(guī)范和任務(wù)剖面獲取各任務(wù)階段、高度、馬赫數(shù)、動(dòng)壓等數(shù)據(jù),并計(jì)算或獲取必要的數(shù)據(jù)(溫度、溫度變化率、振動(dòng)應(yīng)力、電應(yīng)力、濕度等),結(jié)合任務(wù)特征參數(shù)圖提供的數(shù)據(jù),得到繪制環(huán)境剖面所需的數(shù)據(jù):任務(wù)階段、持續(xù)時(shí)間、高度、馬赫數(shù)、機(jī)艙溫度、溫度變化率、動(dòng)壓q、概率譜密度W0、W1、露點(diǎn)溫度、設(shè)備狀態(tài)等,并繪制環(huán)境剖面(見圖3(b)所示);最后,依據(jù)規(guī)定的原則,對(duì)環(huán)境剖面中的濕度、溫度變化率和振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,依據(jù)處理得到試驗(yàn)剖面圖數(shù)據(jù)(任務(wù)階段、持續(xù)時(shí)間、溫度變化率、W0、設(shè)備狀態(tài)等),繪制試驗(yàn)剖面圖(見圖3(c)所示),試驗(yàn)剖面應(yīng)包括溫度試驗(yàn)剖面和振動(dòng)試驗(yàn)剖面,分冷天執(zhí)行任務(wù)和熱天執(zhí)行任務(wù)兩種情況。電應(yīng)力循環(huán)和濕度應(yīng)力由于變化比較簡(jiǎn)單,可以不在剖面上表示出來。



圖3 單一任務(wù)裝備的可靠性試驗(yàn)剖面合成過程(示例)
2)多任務(wù)裝備的可靠性試驗(yàn)剖面合成
多任務(wù)裝備的可靠性試驗(yàn)合成,主要是以溫度的時(shí)序?yàn)榛鶞?zhǔn),同步電應(yīng)力剖面、振動(dòng)剖面,兩者的合成方法原理基本一致。多任務(wù)裝備可靠性試驗(yàn)溫度剖面合成過程和方法如下:
步驟1:逐一列出各個(gè)任務(wù)出現(xiàn)的相對(duì)頻率估計(jì)值(即各任務(wù)在總?cè)蝿?wù)中所占的比例,用加權(quán)因子ƒ表示),各任務(wù)的加權(quán)因子的總和為1;
步驟2:按每一任務(wù)剖面列出每一穩(wěn)態(tài)溫度臺(tái)階等級(jí)T及其持續(xù)時(shí)間t,用任務(wù)加權(quán)因子ƒ與持續(xù)時(shí)間t的乘積作為加權(quán)持續(xù)時(shí)間ƒt,見表1所示;
步驟3:對(duì)表1的相同溫度值進(jìn)行合并,被合并溫度所對(duì)應(yīng)加權(quán)持續(xù)時(shí)間進(jìn)行累加,得到一個(gè)只有溫度值和總加權(quán)持續(xù)時(shí)間的兩列溫度值匯總表格。
表1 各任務(wù)剖面溫度值表

最后,確定冷天和熱天的最大溫度值TMAX、最小溫度值TMIN、加權(quán)溫度值TINT3個(gè)溫度臺(tái)階值和持續(xù)時(shí)間。TMAX(TMIN)為最高(最低)溫度值5℃范圍內(nèi)的溫度值的加權(quán)綜合,其持續(xù)時(shí)間為參加加權(quán)的各溫度對(duì)應(yīng)的總加權(quán)持續(xù)時(shí)間之和;TINT處為參加計(jì)算TMAX和TMIN加權(quán)溫度值之外的所有剩余溫度值的加權(quán)平均值(將所有剩余溫度值分別乘以對(duì)應(yīng)的總加權(quán)持續(xù)時(shí)間,相加后再除以各對(duì)應(yīng)的總加權(quán)持續(xù)時(shí)間之和),其持續(xù)時(shí)間為各參加加權(quán)溫度值對(duì)應(yīng)的總加權(quán)持續(xù)時(shí)間之和。
使用類似方法,確定冷天和熱天的起飛振動(dòng)量值WOTO、飛行連續(xù)振動(dòng)量值WOC、最大振動(dòng)量值WOMAX、最小振動(dòng)量值WOMIN、加權(quán)振動(dòng)量值WOINT共5個(gè)振動(dòng)量值和持續(xù)時(shí)間。
最后以溫度試驗(yàn)剖面為主線,繪制多任務(wù)合成試驗(yàn)剖面,見圖3(d)所示。
考慮軟件載荷的綜合可靠性試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)技術(shù)
02考慮工作載荷的軟件測(cè)試剖面設(shè)計(jì)
考慮工作載荷的軟件剖面設(shè)計(jì)的重點(diǎn),首先獲取應(yīng)用戶的實(shí)際使用情況,由其執(zhí)行的任務(wù)剖面來確定操作執(zhí)行時(shí)機(jī)、頻度,對(duì)任務(wù)剖面進(jìn)行使用信息擴(kuò)充,獲取和確定系統(tǒng)狀態(tài)及工作模式,對(duì)由Markov鏈得到的用戶使用模型進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)分解,構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)狀態(tài)遷移矩陣,最終設(shè)計(jì)形成帶有執(zhí)行概率分配參數(shù)的工作模式執(zhí)行路徑序列集,按照軟件測(cè)試的等價(jià)類分析、邊界值分析、判定表法等測(cè)試用例設(shè)計(jì)方法對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)形成測(cè)試用例集,完成構(gòu)造軟件測(cè)試剖面。
1)任務(wù)剖面再設(shè)計(jì)
一般來說,通過任務(wù)想定建模得到的任務(wù)剖面包含的信息包括:任務(wù)階段、運(yùn)行方式、運(yùn)行功能、任務(wù)時(shí)間、環(huán)境應(yīng)力與處于該環(huán)境應(yīng)力下的時(shí)間等。而軟件測(cè)試剖面的制定需要在任務(wù)剖面的基礎(chǔ)上添加軟件使用操作等工作載荷相關(guān)信息,依據(jù)用戶文檔、操作手冊(cè)等相關(guān)文檔,與用戶代表等進(jìn)行面對(duì)面的溝通,逐一獲取每個(gè)任務(wù)剖面各階段中的軟件系統(tǒng)狀態(tài)、工作模式等信息,從圖4的任務(wù)剖面擴(kuò)充設(shè)計(jì)獲取到表2的信息。

圖4 任務(wù)剖面Ai-“高-低-低-高”剖面(示例)
表2 任務(wù)剖面擴(kuò)充信息表

2)基于MUSA的軟件狀態(tài)層次分解
對(duì)表2中獲取裝備全任務(wù)剖面可能出現(xiàn)的軟件工作模式集進(jìn)行分類匯總,得到典型工作模式。然后,依據(jù)《操作員手冊(cè)》等文檔,使用文獻(xiàn)中的方法,對(duì)每個(gè)典型工作模式進(jìn)行逐層分解,分解得到該裝備所支持的下級(jí)工作模式。
以某型設(shè)備為例,其任務(wù)剖面全集中出現(xiàn)的軟件工作模式集包含K-K、K-H、K-D和D-H四種典型工作模式,對(duì)四種工作模式進(jìn)行下一級(jí)分解,如K-K工作模式進(jìn)一步分解為VS,RWS,TWS,STT、SAM等(見表3)。
表3 K-K工作模式轉(zhuǎn)換關(guān)系

3)基于Markov鏈的狀態(tài)遷移矩陣構(gòu)建
依據(jù)任務(wù)來確定工作模式的切換,模式之間的轉(zhuǎn)換是有一定的約束的:同級(jí)模式之間可以直接轉(zhuǎn)換,子模式之間的轉(zhuǎn)換若是跨父模式的,是以父模式切換為前提條件的,有些模式的切換則必須經(jīng)過其他模式的引導(dǎo)(見表4和圖5所示),因此,可以使用分層結(jié)構(gòu)Markov鏈?zhǔn)褂媚P?,將同一層?jí)工作模式看作一個(gè)整體,看作是 Markov 鏈中的一個(gè)結(jié)點(diǎn),將同層級(jí)的轉(zhuǎn)換關(guān)系封裝起來形成子集,避免Markov鏈狀態(tài)空間爆炸問題。使用Markov鏈?zhǔn)褂媚P蜆?gòu)建同層工作模式的轉(zhuǎn)移概率矩陣,同層級(jí)不同模式下子模式之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,則通過兩個(gè)子模式及父級(jí)的Markov鏈的串行關(guān)系來實(shí)現(xiàn):
表4 某任務(wù)剖面Ai任務(wù)階段與sd的映射表

圖5 K-K工作模式轉(zhuǎn)換圖(示例)

假設(shè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Ak為n×n的矩陣,其中k∈{1,…,m},m為分解得到的工作模式集總數(shù),n為第k層級(jí)工作模式的最大模式數(shù)),每一項(xiàng)pkij=p(Xkt=xkj|Xk(t-1)=xki)表示工作模式xki轉(zhuǎn)移到工作模式xkj的概率,在轉(zhuǎn)移矩陣中,如果某兩個(gè)工作模式xki、xkj之間不能直接轉(zhuǎn)換,則記狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率pkij為0。

轉(zhuǎn)移概率矩陣Ak滿足以下兩個(gè)條件:

4)執(zhí)行路徑序列集構(gòu)造及單任務(wù)軟件測(cè)試剖面用例集設(shè)計(jì)
根據(jù)1)-3)得到所有工作模式執(zhí)行路徑序列集S={s1,s2,…,sd}, 路徑sd代表軟件的一次完整使用操作過程,等同1個(gè)基礎(chǔ)測(cè)試用例, 路徑概率代表用戶使用操作的頻度,sd經(jīng)歷了若干個(gè)模式,結(jié)合Markov鏈狀態(tài)遷移矩陣,可計(jì)算得到每條路徑所對(duì)應(yīng)的路徑概率psd。
假設(shè)某條執(zhí)行路徑跨越了一個(gè)父級(jí)Ak及兩個(gè)子級(jí)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Ak-1、Ak-2:

則

其中:
為該執(zhí)行路徑在狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Ak內(nèi)的狀態(tài)遷移概率的乘積。
對(duì)S中的工作模式執(zhí)行路徑序列,使用等價(jià)類劃分法、邊界值分析法、判定表法等測(cè)試用例設(shè)計(jì)方法,對(duì)sd進(jìn)行用例設(shè)計(jì)形成測(cè)試剖面,并建立任務(wù)階段與sd的映射表(如表4所示)。
03軟件測(cè)試剖面與可靠性試驗(yàn)剖面匹配與合成
由于硬件可靠性是時(shí)間的函數(shù),是器件隨著使用時(shí)間的積累其物理特性的變化,有浴盆曲線現(xiàn)象,因此硬件可靠性主要通過環(huán)境應(yīng)力的時(shí)間累積來激發(fā)產(chǎn)品故障;而軟件可靠性的決定因素是與輸入數(shù)據(jù)和程序內(nèi)部狀態(tài)有關(guān)的軟件差錯(cuò),其故障的激發(fā)取決于程序運(yùn)行的路徑,是程序路徑運(yùn)行狀態(tài)空間域的函數(shù),是程序代碼運(yùn)行空間的函數(shù)。

圖6 軟件測(cè)試剖面與可靠性試驗(yàn)剖面匹配
依據(jù)硬件可靠性和軟件可靠性的這一特性,將多任務(wù)可靠性試驗(yàn)剖面合成剖面的時(shí)間占比,替換為來自任務(wù)該階段(Aij)的軟件執(zhí)行路徑序列的執(zhí)行概率占比,實(shí)現(xiàn)可靠性試驗(yàn)剖面的“時(shí)間”與軟件測(cè)試剖面的“空間”的匹配。如圖6所示,從2.1中“2)多任務(wù)可靠性試驗(yàn)剖面合成”,得到合成試驗(yàn)剖面中溫度臺(tái)階(-34.3℃)的任務(wù)來源及其持續(xù)時(shí)間占比(圖6中虛線框內(nèi)所示),通過上述“時(shí)空匹配”,可得到該溫度臺(tái)階需執(zhí)行的執(zhí)行路徑序列及其執(zhí)行概率(見表5所示),單個(gè)Aij內(nèi)的執(zhí)行路徑序列間的執(zhí)行分配由式(5)的psd來確定。最后,對(duì)執(zhí)行路徑序列歸一化處理,形成考慮軟件工作載荷的可靠性綜合試驗(yàn)剖面,如圖7所示。
表5 溫度臺(tái)階(-34.3℃)的任務(wù)來源及sd執(zhí)行概率

圖7 考慮軟件工作載荷的可靠性綜合試驗(yàn)剖面

應(yīng)用驗(yàn)證
在某設(shè)備的可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)中,采用本文提出的剖面構(gòu)造技術(shù)進(jìn)行可靠性綜合試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì),驗(yàn)證試驗(yàn)共設(shè)計(jì)13.75個(gè)循環(huán),合計(jì)試驗(yàn)時(shí)間110 h。驗(yàn)證試驗(yàn)的綜合試驗(yàn)剖面中,涉及軟件操作和測(cè)試的有6個(gè)溫度臺(tái)階(見圖7所示),與之前同型號(hào)裝備的試驗(yàn)剖面相比,增加52個(gè)基本用例數(shù),歸一化后的用例執(zhí)行總數(shù)量為502個(gè)。
驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了軟硬件關(guān)聯(lián)故障1個(gè),該故障在此前的可靠性試驗(yàn)和軟件測(cè)試均未發(fā)現(xiàn)。通過故障歸零分析時(shí)發(fā)現(xiàn):該故障曾經(jīng)出現(xiàn)過多次,且是該裝備的外場(chǎng)使用中出現(xiàn),出現(xiàn)的條件組合都是“載機(jī)在大量級(jí)振動(dòng)并裝備在運(yùn)行大角度俯仰掃描功能”,傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)和軟件測(cè)試由于各自特點(diǎn)與局限性,均未能暴露該類型的故障。
結(jié) 論
由此可見,考慮軟件工作載荷的可靠性綜合試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)技術(shù),以完善的軟件測(cè)試剖面替代原有的測(cè)試點(diǎn),其本質(zhì)與盡可能貼近用戶使用環(huán)境和條件的可靠性試驗(yàn)要求,是相一致的,可作為傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)和單獨(dú)的軟件第三方測(cè)試/定型測(cè)試的有效補(bǔ)充,有效暴露軟件密集型信息化裝備的軟硬件關(guān)聯(lián)故障,符合目前裝備發(fā)展的需求,具有良好的應(yīng)用前景。
引用本文:
黃茂生.一種考慮軟件工作載荷的可靠性綜合試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)技術(shù)[J].環(huán)境技術(shù),2021,230(02):72-78.
專家簡(jiǎn)介:黃茂生(1973-),男,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向:軟件測(cè)試,軟硬件及系統(tǒng)可靠性。

來源:環(huán)境技術(shù)核心期刊