一种基于剖面映射的显控软硬件系统可靠性试验激励方法与流程

本发明是一种基于剖面映射的显控软硬件系统可靠性试验激励方法，属于控制技术领域。

背景技术：

现有的软硬件系统可靠性试验激励生成方法在实施过程中存在着很多问题，主要包括如下几个方面：

1)产品硬件可靠性试验与软件测试分别开展：当前国内对航空机载电子产品开展的可靠性试验工作，主要包括两部分的内容：第一部分是对硬件开展可靠性鉴定试验，以验证硬件的可靠性(MTBF)能否满足要求；第二部分是对软件进行软件测试，通过软件测试来提高软件的可靠性水平。目前对硬件试验和对软件测试是独立进行的，同时对于软硬件可靠性的重视程度也有较大的差异。针对高度集成、高度综合，其系统功能主要由软件实现的机载电子产品，在开展可靠性试验中需要同步考虑硬件可靠性和软件可靠性；

2)硬件可靠性试验中未能施加有效软件激励：目前在飞机外场试飞和实际使用中，出现的故障有的是由硬件引起的，有的是由软件引起的。随着计算机技术的迅速普及，产品越来越多的功能由软件实现，随之带来的问题是，由于软件所引发的系统故障也逐渐增加，目前外场故障中有很多是软件引起的，软件已成为系统可靠性不可忽视的因素，因 此对产品可靠性的验证时既要考虑硬件，同时也要考虑软件。在以往的可靠性试验中，主要是对硬件的考核，而对于软件，在可靠性试验中只重复使用一个场景，一种激励条件，不能真实的模拟软件的使用状态，未对软件进行有效的考核，也不能模拟系统的真实使用场景，影响了可靠性试验结果的真实性。

因此，需要在可靠性试验中通过施加软件激励增加基于系统真实使用场景的测试用例，考察系统在实际使用环境和工作状态下的可靠性指标，使可靠性试验结果更为真实，最终保证产品质量。

技术实现要素：

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种基于剖面映射的显控软硬件系统可靠性试验激励方法，其目的包括以下方面：

1)针对传统硬件可靠性试验和软件可靠性测试的不足，提出一种基于剖面映射的软硬件可靠性综合试验方法，在减少测试代价的同时，实现了一次试验即验证产品的可靠性；

2)利用提出的构造方法建立的软硬件可靠性综合试验剖面能够真实反映产品的实际使用情况；

3)利用综合试验剖面构造方法的形式化描述，该形式化描述便于研发工具原型等,从而可以实现软硬件系统可靠性综合试验剖面构造和激励生成的自动化。

本发明的目是通过以下技术方案来实现的：

本发明提出了一种基于剖面映射的显控软硬件系统可靠性试验激 励方法，所述作为受试产品的显控软硬件系统是完成飞机机截设备的信息显示、健康状况监视和工作模式控制，其特征在于：该方法的步骤如下：

步骤一、获得任务剖面

任务剖面描述显控软硬件系统需要完成的各种系统任务，任务剖面定义为四元组Mp＝{m_i,pre_i,msg_i,p_i}，其中m_i为第i个系统任务，pre_i为系统任务执行顺序，msg_i为系统任务信息，p_i为系统任务执行频率，任务剖面采用如下算法获得：

1.1：根据显控软硬件系统的系统规格说明，确定交联设备以及用户MInfo＝{msg_jj＝1,…,m}；

1.2：根据显控软硬件系统需要完成的任务确定系统任务列表Msq＝{t_i,i＝1,…,n}；

1.3：根据显控软硬件系统规格说明，确定系统任务执行顺序pre及系统任务执行频率p，构造任务剖面Mp；

步骤二、确定软件任务剖面

软件任务剖面描述显控软硬件系统完成任务时，软件所需要完成的软件任务，软件任务剖面定义为四元组STp＝{sm_i,spre_i,smsg_i,sp_i}，其中sm_i为第i个软件任务，spre_i为软件任务执行顺序，smsg_i为软件任务信息，sp_i为软件任务执行频率，系统任务与软件任务之间的映射函数定义为m:sm→ft(sm)，软件任务剖面采用如下算法确定：

2.1：根据任务剖面以及软件研制任务书，确定软件任务列表SMsq＝{st_i,i＝1,…,k}，以及软件任务信息smsg_i；

2.2：根据系统任务所包含的软件任务，建立映射函数ft(st)；

2.3：根据任务剖面中的系统任务执行顺序pre及系统任务执行频率p，确定软件任务执行顺序spre_i及软件任务执行频率sp_i，构造软件任务剖面STp；

步骤三、构造功能剖面

功能剖面是描述软件任务完成所涉及的软件功能，功能剖面定义为四元组SFp＝{sf_i,sfpre_i,sfmsg_i,sfp_i}，其中sf_i为第i个软件功能，sfpre_i为软件功能执行顺序，sfmsg_i为软件功能信息，sfp_i为软件功能执行频率，软件任务与软件功能之间的映射函数定义为sm:sf→fs(sf)，功能剖面采用如下算法构造：

3.1：根据软件需求规格说明，确定软件功能列表SFsq＝{sf_i,i＝1,…,l}，以及功能信息sfmsg_i；

3.2：根据软件任务所涉及的软件功能，建立软件任务与软件功能之间的映射函数fs(sf)；

3.3：根据软件任务剖面中的软件任务执行顺序spre_i以及软件任务执行频率sp_i，确定软件功能执行顺序sfpre_i及软件功能执行频率sfp_i，构造软件功能剖面SFp；

步骤四、构造操作剖面

操作剖面是描述软件功能完成所涉及的软件操作，操作剖面定义为五元组SOp＝{so_i,sopre_i,sot_i,somsg_i,sop_i}，其中so_i为第i个软件操作，sopre_i为软件操作执行顺序，somsg_i为软件操作信息，sot_i为软件操作中输入数据InputValue关于时间t的分布，sop_i为软件操作执行频率，软件功能与 软件操作之间的映射函数定义为sf:so→fo(so)，操作剖面采用如下算法构造：

4.1：根据软件设计说明，确定软件功能的输入空间Ψ'＝∪InputValue_l.Range,l＝1,…,r，以及输入数据InputValue关于时间t的分布情况sot；

4.2：根据输入空间Ψ'＝∪InputValue_l.Range,l＝1,…,r，确定软件操作列表SOsq＝{so_i,i＝1,…,w}，和软件操作信息somsg_i；

4.3：根据软件功能所包含的软件操作，建立软件功能与软件操作之间的映射函数fo(so)；

4.4：根据软件功能剖面中的软件功能执行顺序sfpre_i及软件功能执行频率sp_i，确定软件操作执行顺序sopre_i及软件操作执行频率sop_i，构造软件操作剖面SOp；

步骤五、确定硬件综合环境应力剖面

硬件综合环境应力剖面是描述可靠性试验使用的环境参数和时间的关系，硬件综合环境应力剖面定义为四元组Hp＝{ht,hv,hh_i,hl}，其中ht为可靠性试验的执行时间，hv为随执行时间变化的电应力，hh为随执行时间变化的温度应力，hl为随执行时间变化的振动应力，硬件综合环境应力剖面采用如下算法确定：

5.1：根据GJB 899A-2009硬件综合环境应力剖面构造方法建立硬件综合环境应力剖面Hp＝{ht,hv,hh_i,hl}；

步骤六、综合软硬件剖面

综合软硬件剖面是根据任务剖面与软件剖面之间的映射函数m:so→f(so)以及任务剖面Mp＝{m_i,pre_i,msg_i,p_i}与硬件综合环境应力剖面之间的映射函数，将软件剖面与硬件综合环境应力剖面相匹配，得到综合软硬件试验剖面，综合软硬件试验剖面定义为六元组SHp＝{so_i,ht_i,hv_i,hh_i,hl_i,shp_i}，其中so_i为第i个软件操作，ht_i为第i个软件操作对应的执行时间，hv_i为该执行时间内的电应力，hh_i为该执行时间内的温度应力，hl_i为该执行时间内的振动应力，shp_i为其执行频率；任务剖面与硬件综合环境应力剖面之间的映射函数 综合软硬件剖面采用如下算法进行综合：

6.1：根据硬件综合环境应力剖面构造过程，确定硬件综合环境应力剖面Hp＝{ht,hv,hh_i,hl}与任务剖面中各任务的对应关系m:hp→fh(hp)，利用该对应关系将硬件综合环境应力剖面进行划段；

6.2：按照执行时间顺序，根据硬件综合环境应力剖面与任务剖面中各任务的对应关系以及系统任务与软件剖面的映射函数，确定软件剖面与硬件综合环境应力剖面之间的映射函数hp:so→f(so)，确定各段综合应力剖面所对应的软件操作so_i，并确定各软件操作概率shp_i；

6.3：重复选取软件操作，直至各段综合应力剖面对应的软件操作总持续时间∑ht_i与各段综合应力剖面一致；

定理1：软件剖面与硬件综合环境应力剖面之间的映射函数为hp:so→f(so)＝fh^-1(ft(fs(fo(so))))。

证明：hp:so→f(so)＝hp:m:sm:sf:so→fh^-1(ft(fs(fo(so))))

步骤七、确定软件激励

软件激励，是根据综合软硬件剖面确定软件输入的具体内容、数量以及施加顺序，软件激励采用如下算法确定：

7.1：根据综合应力剖面hp_i，以及映射函数f(so)，获得对应的软件操作剖面SOp，采取随机抽样的方式选取操作；

7.2：按照输入数据InputValue关于时间的分布情况sot确定操作具体输入数据InputValue；

7.3：重复抽取直至软件激励持续时间与各段综合应力剖面持续时间一致，则停止。

该方法将软件可靠性测试以及硬件可靠性试验进行了综合，首先确定软件可靠性测试剖面(含任务剖面、软件任务剖面、功能剖面、操作剖面)以及综合环境应力剖面，然后利用剖面映射将软件可靠性测试剖面与综合环境应力剖面结合起来，形成软硬件可靠性综合试验剖面；该综合试验剖面真实反映了软件运行和外部环境条件变化之间的关联，避免了软件可靠性测试和硬件可靠性试验分别进行所带来的试验风险和资源浪费，在减少测试代价的同时实现了一次试验即验证产品的可靠性。同时，给出综合试验剖面构造方法的形式化描述，该形式化描述便于研发工具原型等,从而可以实现软硬件系统可靠性综合试验剖面构造和激励生成的自动化。

附图说明

图1为本发明方法中针对显控软硬件系统进行可靠性试验生成激励的流程框图

图2为本发明方法中针对显控软硬件系统进行可靠性试验激励的硬 件综合环境应力剖面

图3为本发明方法中针对显控软硬件系统进行可靠性试验激励的综合软硬件剖面

图4为本发明方法中针对显控软硬件系统进行可靠性试验激励的任务、功能、操作列表

图5为本发明方法中针对显控软硬件系统进行可靠性试验激励的操作与实验程序对应表

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

实施例

本实施例中的显控软硬件系统主要完成系统信息综合显示、系统健康状况监视、系统工作状态和工作模式控制、任务管理、实时数据记录、人机交互和集中加电等功能。显控软硬件系统的任务包括：

a)飞行前准备：包括进行设备加电自检、任务加载。

b)爬升：飞机起飞后，系统集中加电，进入操作界面查看系统状况和导航信息。

c)巡航：通过操控界面进行任务相关操作。

d)返航：数据卸载，系统关机。

显控软硬件系统的软件功能包括：集中加电控制、系统信息综合显示、系统健康状况监视、系统工作状态和工作模式控制、任务管理、实时数据记录和人机交互。系统任务、软件任务、软件功能、软件操作对应关系如表1所示。

参见附图1所示，对该种基于剖面映射的显控软硬件系统可靠性试验激励方法，的步骤如下：

步骤一、获得任务剖面

任务剖面描述显控软硬件系统需要完成的各种系统任务，任务剖面定义为四元组Mp＝{m_i,pre_i,msg_i,p_i}，其中m_i为第i个系统任务，pre_i为系统任务执行顺序，msg_i为系统任务信息，p_i为系统任务执行频率，任务剖面采用如下算法获得：

1.1：根据显控软硬件系统的系统规格说明，确定交联设备以及用户MInfo＝{msg_jj＝1,…,m}；

1.2：根据显控软硬件系统需要完成的任务确定系统任务列表Msq＝{t_i,i＝1,…,n}；

1.3：根据显控软硬件系统规格说明，确定系统任务执行顺序pre及系统任务执行频率p，构造任务剖面Mp；

以上步骤一中的算法通过以下程序(任务剖面相关部分)实现：

步骤二、确定软件任务剖面

软件任务剖面描述显控软硬件系统完成任务时，软件所需要完成的软件任务，软件任务剖面定义为四元组STp＝{sm_i,spre_i,smsg_i,sp_i}，其中sm_i为第i个软件任务，spre_i为软件任务执行顺序，smsg_i为软件任务信息，sp_i为软件任务执行频率，系统任务与软件任务之间的映射函数定义为m:sm→ft(sm)，软件任务剖面采用如下算法确定：

2.1：根据任务剖面以及软件研制任务书，确定软件任务列表SMsq＝{st_i,i＝1,…,k}，以及软件任务信息smsg_i；

2.2：根据系统任务所包含的软件任务，建立映射函数ft(st)；

2.3：根据任务剖面中的系统任务执行顺序pre及系统任务执行频率p，确定软件任务执行顺序spre_i及软件任务执行频率sp_i，构造软件任务剖面STp；

以上算法通过步骤一中程序(软件任务剖面相关部分)实现。

步骤三、构造功能剖面

功能剖面是描述软件任务完成所涉及的软件功能，功能剖面定义为 四元组SFp＝{sf_i,sfpre_i,sfmsg_i,sfp_i}，其中sf_i为第i个软件功能，sfpre_i为软件功能执行顺序，sfmsg_i为软件功能信息，sfp_i为软件功能执行频率，软件任务与软件功能之间的映射函数定义为sm:sf→fs(sf)，功能剖面采用如下算法构造：

3.1：根据软件需求规格说明，确定软件功能列表SFsq＝{sf_i,i＝1,…,l}，以及功能信息sfmsg_i；

3.2：根据软件任务所涉及的软件功能，建立软件任务与软件功能之间的映射函数fs(sf)；

3.3：根据软件任务剖面中的软件任务执行顺序spre_i以及软件任务执行频率sp_i，确定软件功能执行顺序sfpre_i及软件功能执行频率sfp_i，构造软件功能剖面SFp；

以上算法通过步骤一中程序(功能剖面相关部分)实现。

步骤四、构造操作剖面

操作剖面是描述软件功能完成所涉及的软件操作，操作剖面定义为五元组SOp＝{so_i,sopre_i,sot_i,somsg_i,sop_i}，其中so_i为第i个软件操作，sopre_i为软件操作执行顺序，somsg_i为软件操作信息，sot_i为软件操作中输入数据InputValue关于时间t的分布，sop_i为软件操作执行频率，软件功能与软件操作之间的映射函数定义为sf:so→fo(so)，操作剖面采用如下算法构造：

4.1：根据软件设计说明，确定软件功能的输入空间Ψ'＝∪InputValue_l.Range,l＝1,…,r，以及输入数据InputValue关于时间t的分 布情况sot；

4.2：根据输入空间Ψ'＝∪InputValue_l.Range,l＝1,…,r，确定软件操作列表SOsq＝{so_i,i＝1,…,w}，和软件操作信息somsg_i；

4.3：根据软件功能所包含的软件操作，建立软件功能与软件操作之间的映射函数fo(so)；

4.4：根据软件功能剖面中的软件功能执行顺序sfpre_i及软件功能执行频率sp_i，确定软件操作执行顺序sopre_i及软件操作执行频率sop_i，构造软件操作剖面SOp；

以上算法通过步骤一中程序(操作剖面相关部分)实现。

步骤五、确定硬件综合环境应力剖面

硬件综合环境应力剖面是描述可靠性试验使用的环境参数和时间的关系，硬件综合环境应力剖面定义为四元组Hp＝{ht,hv,hh_i,hl}，其中ht为可靠性试验的执行时间，hv为随执行时间变化的电应力，hh为随执行时间变化的温度应力，hl为随执行时间变化的振动应力，硬件综合环境应力剖面采用如下算法确定：

5.1：根据GJB 899A-2009硬件综合环境应力剖面构造方法建立硬件综合环境应力剖面Hp＝{ht,hv,hh_i,hl}；

以上算法获得硬件综合环境应力剖面如附图2所示。

步骤六、综合软硬件剖面

综合软硬件剖面是根据任务剖面与软件剖面之间的映射函数m:so→f(so)以及任务剖面Mp＝{m_i,pre_i,msg_i,p_i}与硬件综合环境应力剖 面之间的映射函数，将软件剖面与硬件综合环境应力剖面相匹配，得到综合软硬件试验剖面，综合软硬件试验剖面定义为六元组SHp＝{so_i,ht_i,hv_i,hh_i,hl_i,shp_i}，其中so_i为第i个软件操作，ht_i为第i个软件操作对应的执行时间，hv_i为该执行时间内的电应力，hh_i为该执行时间内的温度应力，hl_i为该执行时间内的振动应力，shp_i为其执行频率；任务剖面与硬件综合环境应力剖面之间的映射函数 综合软硬件剖面采用如下算法进行综合：

6.1：根据硬件综合环境应力剖面构造过程，确定硬件综合环境应力剖面Hp＝{ht,hv,hh_i,hl}与任务剖面中各任务的对应关系m:hp→fh(hp)，利用该对应关系将硬件综合环境应力剖面进行划段；

6.2：按照执行时间顺序，根据硬件综合环境应力剖面与任务剖面中各任务的对应关系以及系统任务与软件剖面的映射函数，确定软件剖面与硬件综合环境应力剖面之间的映射函数hp:so→f(so)，确定各段综合应力剖面所对应的软件操作so_i，并确定各软件操作概率shp_i；

6.3：重复选取软件操作，直至各段综合应力剖面对应的软件操作总持续时间∑ht_i与各段综合应力剖面一致；

综合软硬件剖面示意图如见图3，以上算法所涉及软件操作的实现程序文件对应关系如附表2所示，以附表2中“地图显示设置”操作为例，给出以下实现的程序，操作剖面中其它操作与实验程序对应如表2所示。

步骤七、确定软件激励

软件激励，是根据综合软硬件剖面确定软件输入的具体内容、数量以及施加顺序，软件激励采用如下算法确定：

7.1：根据综合应力剖面hp_i，以及映射函数f(so)，获得对应的软件测试剖面SHp，采取随机抽样的方式选取操作；

7.2：按照输入数据InputValue关于时间的分布情况sot确定操作具体输入数据InputValue；

7.3：重复抽取直至软件激励持续时间与各段综合应力剖面持续时间一致，则停止。

以上算法通过步骤六中程序(确定软件激励相关部分)实现。

根据确定的测试剖面以及测试数据抽取算法，编写试验程序，利用试验程序自动生成试验激励数据，共计14490个测试用例。试验中出现的问题共54次，典型问题经分析可统计为以下几类：1)部分幅角间隔 无法设置相应距离圈；2)部分数据文件卸载失败；3)进行地图显示操作时，系统异常退出；4)数据库异常断开连接等。通过对显控系统进行试验，利用提出的试验激励生成方法，进行软硬件可靠性综合试验，试验过程和结果表明该软硬件可靠性试验激励生成方法考虑了软硬件综合系统的实际使用方法和工作场景，使得产品的试验方法与使用工况更加真实地反映产品实际工作状态，有效地发现影响产品可靠性的问题，保证了综合试验结果更加真实，从而提高产品可靠性水平。