衛(wèi)星軟件測試中的可靠性分析技術(shù)研究

周楷林+徐白

摘要：衛(wèi)星型號所使用的軟件為嵌入式軟件。軟件能否正常工作成為了保障衛(wèi)星安全的重要條件之一。軟件可靠性分析技術(shù)則是保障嵌入式軟件可靠性的重要手段。軟件可靠性也成為中國航天領(lǐng)域最重視的方面之一。如何在軟件測試過程中采用可靠性分析方法，將軟件問題準(zhǔn)確定位，提高軟件可靠性，是軟件第三方測試所亟待解決的問題。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星軟件；軟件測試；SFMEA；SFTA

中圖分類號： TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：1009-3044（2017）27-0227-02

1 軟件可靠性分析技術(shù)

軟件可靠性分析技術(shù)包括SFMEA和SFTA技術(shù)。SFMEA（軟件故障模式與影響分析[1]）是一種自底向上的可靠性分析方法，該方法將失效模式作為基礎(chǔ)，以失效影響或后果為中心，根據(jù)分析層次和因果關(guān)系推理、歸納進(jìn)行分析，來識別軟件的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)措施建議。

SFTA（軟件故障樹分析）是一種自頂向下的軟件可靠性和安全性分析方法[2]，用于表明軟件中哪些模塊的故障、外部事件或者它們的組合導(dǎo)致軟件發(fā)生故障的邏輯圖[1]。

2 軟件測試的可靠性分析

本文根據(jù)衛(wèi)星型號軟件測試的特點(diǎn)，并結(jié)合SFMEA和SFTA各自的特點(diǎn)和分析方法，提出一個軟件測試的可靠性分析方法。

該方法分析流程如下：

1） 從軟件的設(shè)計(jì)文檔開始分析，對軟件進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)的劃分；2）參照《衛(wèi)星型號軟件失效模式庫》建立擬分析系統(tǒng)的失效模式清單，清單建立完成后進(jìn)入下一步；3）軟件故障原因分析；4）軟件故障影響分析；5）確定軟件故障的嚴(yán)酷度等級；6）糾正措施分析；7）軟件是否更改，如果更改，要對更改進(jìn)行分析；8）建立SFMEA工作表；9）進(jìn)行軟件測試10）發(fā)現(xiàn)故障則進(jìn)入下一步，否則只根據(jù)上面的SFMEA分析結(jié)果給出結(jié)論；11）將所發(fā)現(xiàn)故障定為頂事件，建立故障樹；12）進(jìn)行故障樹定性分析；14）進(jìn)行故障樹定量分析；15）故障復(fù)現(xiàn)；16）結(jié)合SFMEA工作表，將引起軟件故障的軟件錯誤進(jìn)行定位；17）綜合分析結(jié)果，給出糾正措施，最后給出測試結(jié)論。

具體實(shí)施流程如圖1所示。

3 軟件測試過程中的可靠性分析技術(shù)應(yīng)用

3.1 被測件描述、層次結(jié)構(gòu)劃分以及SFMEA

被測件是某型號衛(wèi)星數(shù)傳終端機(jī)1553B總線通信軟件，屬于嵌入式軟件，主要負(fù)責(zé)完成1553B的接口及與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的串口通信功能。

通過分析層次劃分，總結(jié)出該軟件SFMEA工作表，如表1所示。

3.2 被測件的軟件故障樹分析

根據(jù)實(shí)際測試需要，該被測件的動態(tài)測試采用全數(shù)字仿真來模擬，沒有硬件故障的因素干擾，因此在本文中硬件都是假設(shè)完好的。

在測試時發(fā)現(xiàn)串口接收到由上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)異常，通過Keil軟件的command窗口中發(fā)現(xiàn)，串口不斷發(fā)出數(shù)據(jù)0。根據(jù)SFTA的分析方法[3][4]，將串口接收數(shù)據(jù)錯誤定為頂事件，并逐層向下分析，分析可能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的直接原因，并逐步深入，直到查找出全部的基本故障原因或原因組合為止（即找到基本底事件），并用事件符號和邏輯門符號對故障樹進(jìn)行描述，即建立了軟件故障樹。本文所建立的故障樹如圖2所示。

3.3 最小割集及其定性分析

對圖2使用下行法找該故障樹的最小割集。通過下行法找到該故障樹的最小割集共有七個，分別為{X1}，{X2，X3，X5}，{X2，X4，X5}，{X3，X5，X6}，{X4，X5，X6}，{X3，X5，X7}，{X4，X5，X7}。

對于最小割集的定性分析 [5]，根據(jù)每個最小割集所包含底事件的數(shù)目（階數(shù)）進(jìn)行排序，在各個底事件發(fā)生概率相互差別不大的情況下，可按如下原則對最小割集進(jìn)行比較：

1） 階數(shù)越小的最小割集越重要；

2） 在低階最小割集中出現(xiàn)的底事件比高階最小割集中的底事件重要；

3） 在最小割集階數(shù)相同的條件下，在不同最小割集中重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)越多的底事件越重要。

根據(jù)以上原則，底事件的重要性從高到低依次如下：X1（未能成功發(fā)送握手信號），X5（和校驗(yàn)正確），X3（包長為0），X4（包長為FFFFH），X2（包頭為1071H），X6（包頭為1072H），X7（包頭為1073H），其中X3與X4的重要性相同，X2、X6和X7的重要性相同。

3.4 被測件的SFMEA和SFTA綜合分析及結(jié)論

結(jié)合被測件的SFMEA工作表，可以確定基本底事件X1、X2、X5、X6、X7不會產(chǎn)生串口接收數(shù)據(jù)故障，底事件X3和X4會產(chǎn)生串口數(shù)據(jù)接收故障。由于模塊A遙控數(shù)據(jù)傳輸功能、模塊C遙控數(shù)據(jù)傳輸功能和模塊D密鑰數(shù)據(jù)傳輸功能中讀包長函數(shù)都使用了死循環(huán)判斷等待當(dāng)前讀寫狀態(tài)。

對故障進(jìn)行再現(xiàn)，分別用包長為0和FFFFH的模塊A注數(shù)指令包、包長為0和FFFFH的模塊C注數(shù)指令包、包長為0和FFFFH的模塊D密鑰更新數(shù)據(jù)包作為輸入數(shù)據(jù)包，從1553B總線向串口發(fā)送，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)以上分析結(jié)果，可以確定由于被測件在進(jìn)行等待讀寫狀態(tài)編程方式采用死循環(huán)來判別的方式，并且未對讀取包長的長度予以限制，所以建議被測件采取軟件看門狗設(shè)計(jì)或在讀包長時增加條件判斷語句，將包長小于1或包長大于128的數(shù)據(jù)包進(jìn)行丟棄處理，以保證被測件不會出現(xiàn)類似故障。

4 總結(jié)

本文利用提出的軟件測試過程中的可靠性分析方法和實(shí)施流程，對被測件進(jìn)行了軟件故障模式及影響分析，并給出被測件的SFMEA工作表；對在被測件動態(tài)測試中所發(fā)現(xiàn)的故障進(jìn)行了軟件故障樹分析，建立故障樹，確定最小割集，進(jìn)行定性分析。在SFMEA和SFTA綜合分析中，對軟件故障進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，精確定位故障點(diǎn)，最后提出改正意見，提高軟件的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何鑫，楊順昆，劉斌.基于FMEA/FTA的嵌入式軟件故障診斷模型與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測量與控制.2009.17（1）.

[2] 孫志安.軟件可靠性工程進(jìn)展[J].船舶電子工程，2008（6）：171-175.

[3] 楊海成.航天型號軟件工程[J].中國宇航出版社，2011：159-162.

[4] 蔡開元.軟件可靠性工程基礎(chǔ)[M].清華大學(xué)出版社，1995

[5] 劉品.可靠性工程基礎(chǔ)：第三次修訂版[M]，中國計(jì)量出版社，2005endprint