高可信軟件可靠性和防危性測(cè)試與評(píng)價(jià)理論研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，硬件成本的迅速降低，各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到航空航天、交通運(yùn)輸、核電能源和醫(yī)療衛(wèi)生等安全關(guān)鍵領(lǐng)域。一旦這些系統(tǒng)失效，將造成人類生命財(cái)產(chǎn)的重大損失或者環(huán)境的嚴(yán)重破壞，系統(tǒng)可信性日益成為被關(guān)注的焦點(diǎn)。鑒于這類系統(tǒng)應(yīng)用的特殊性，其配置的軟件必須具備很高的可信性，因而被稱之為高可信軟件。但事實(shí)上，與硬件可靠性快速提升相比，軟件發(fā)展相對(duì)滯后，已成為制約系統(tǒng)可信性水平進(jìn)一步提高的瓶頸。軟件測(cè)試在系統(tǒng)可

2、信性工程中扮演著重要的角色：一方面，軟件測(cè)試可以定位并排除錯(cuò)誤，切實(shí)地提高軟件的可信性水平；另一方面，通過軟件測(cè)試，可以獲得對(duì)軟件當(dāng)前可信性水平的評(píng)估與驗(yàn)證。如何通過軟件測(cè)試的方式有效地增強(qiáng)軟件的可信性水平并對(duì)軟件當(dāng)前可信性水平作出客觀的評(píng)估，是相關(guān)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點(diǎn)問題。 本文詳細(xì)地剖析了可信性概念的起源與內(nèi)涵，對(duì)可信性基本屬性之間的區(qū)別與聯(lián)系作了細(xì)致的研究，并對(duì)導(dǎo)致系統(tǒng)可信性降低的因素——缺陷、錯(cuò)誤及失效之間的關(guān)系以及

3、高可信保障技術(shù)作了梳理和歸納。 由于不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)浖尚判躁P(guān)注的側(cè)重不同，本文主要基于安全關(guān)鍵領(lǐng)域針對(duì)可靠性和防危性的測(cè)試與評(píng)價(jià)方法作了系統(tǒng)而深入的研究，所作出的主要貢獻(xiàn)如下： 1.由于所需測(cè)試用例量大、測(cè)試持續(xù)期長(zhǎng)，導(dǎo)致軟件的一些高可靠性指標(biāo)的驗(yàn)證成為不可能。為了在不降低可靠性驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果可信性的前提下減少測(cè)試用例量、縮短驗(yàn)證測(cè)試持續(xù)期，本文提出了一種先驗(yàn)知識(shí)動(dòng)態(tài)整合的貝葉斯統(tǒng)計(jì)推斷驗(yàn)證測(cè)試方法；并分離散執(zhí)行軟件和連

4、續(xù)執(zhí)行軟件兩種情況予以詳細(xì)闡述。數(shù)值仿真證明，該方法在不降低驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果可信性水平的前提下，能有效地減少測(cè)試用例量、縮短驗(yàn)證測(cè)試持續(xù)期。 2.為切實(shí)確保高可信軟件獲得規(guī)定的可靠性指標(biāo)，本文提出了一種基于軟件體系結(jié)構(gòu)的高可信軟件可靠性測(cè)評(píng)框架。該測(cè)評(píng)框架的基本思想是建立軟件可靠性模型，把系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化分配到各個(gè)軟件模塊，從模塊級(jí)對(duì)軟件的可靠性進(jìn)行跟蹤和控制，然后再在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)一步對(duì)軟件的可靠性指標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)和驗(yàn)證。同時(shí)，基于最

5、大熵原則，本文著重解決了如何在缺少失效數(shù)據(jù)的情況下進(jìn)行軟件系統(tǒng)級(jí)可靠性測(cè)評(píng)的問題。 3.安全關(guān)鍵事故是小概率事件，基于運(yùn)行剖面產(chǎn)生測(cè)試用例的統(tǒng)計(jì)測(cè)試方法不能有效地發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這種事件的軟件缺陷，從而達(dá)不到快速降低安全事故風(fēng)險(xiǎn)的軟件防危性增長(zhǎng)測(cè)試的目的。針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文提出了基于關(guān)聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)剖面的軟件防危性增長(zhǎng)測(cè)試方法；并著重闡述了所依據(jù)的重要性取樣統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，和建立軟件關(guān)聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)剖面的程序，以及基于關(guān)聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)剖面產(chǎn)生測(cè)試用例的方法；最后給

6、出了軟件防危性增長(zhǎng)測(cè)試停止標(biāo)準(zhǔn)。 4.由于軟件防危關(guān)注的是導(dǎo)致安全關(guān)鍵事故的失效，其失效率非常低。如果采用基于運(yùn)行剖面的方法進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，是不可能實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)安全關(guān)鍵軟件防危性驗(yàn)證測(cè)試的這種現(xiàn)狀，本文建立了一種基于加速剖面的軟件防危性驗(yàn)證測(cè)試方法。基于本文提供的方法，求得測(cè)試加速因子，能夠顯著性地減少測(cè)試用例量。 目前，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)可信性計(jì)算展開了廣泛的研究，而高可信軟件的測(cè)試驗(yàn)證研究是其中十分重要的研究領(lǐng)域。本文對(duì)