基于Z语言的嵌入式系统可靠性建模与评估技术研究

发布时间：2020-04-16 09:22

【摘要】：目前,嵌入式系统在航空、航天、医疗等安全关键领域的应用日益广泛,安全关键领域对嵌入式系统的可靠性需求远远高于一般领域,且要求愈来愈高。如何保障嵌入式系统的可靠性已成为国内外众多学者重视的研究热点之一。如果能够在嵌入式系统开发早期阶段,即设计阶段就能对可靠性进行严格的验证,无疑可大幅度降低嵌入式系统后期的测试和维护成本。因此,很有必要研究嵌入式系统开发早期阶段的可靠性建模、评估和定量分析的技术,以减少嵌入式系统潜在的软件错误和硬件缺陷。论文主要研究工作及成果如下:(1)为了对嵌入式软件的可靠性进行建模与评估,建立了一种结合Z和AADL的嵌入式软件可靠性模型ZARM(combining Z and AADL Reliability Model)。相较于已有模型,ZARM是一种从故障元素、静态结构和动态行为三个维度来对可靠性进行刻画的综合模型。为了对ZARM模型进行可靠性定量评估,提出了一种基于DTMC的嵌入式软件可靠性概率模型检测方法。将ZARM模型刻画为一个DTMC,结合MC平稳分布的性质,计算得出嵌入式软件状态概率的平稳分布,由此得出其可靠性评估结果。最后,通过一个嵌入式软件实例说明了ZARM建模过程及评估方法的应用。(2)为了对嵌入式硬件的可靠性进行建模与评估,建立了一种基于Z语言的嵌入式硬件可靠性模型ZHRM(Z-based Hardware Reliability Model)。与现有模型相比,ZHRM采用分级建模的方式,从嵌入式硬件的构成出发,以硬件功能模块为单位,为嵌入式硬件系统建立可靠性模型。为了对ZHRM的可靠性进行分析和定量评估,提出了一种基于CTMC的嵌入式硬件可靠性评估方法。设计了ZHRM到CTMC的转换规则,CTMC中描述了状态之间的转移关系和转移概率,通过CTMC可以计算得出嵌入式硬件在某一个时刻处于各个状态的概率,并由此识别出可靠性关键功能模块。最后,通过一个嵌入式硬件实例说明了建模ZHRM建模过程及评估方法的应用。(3)在上述研究成果的基础上,建立了一个嵌入式系统可靠性建模与评估框架,基于eclipse设计并初步实现了该建模与评估集成平台。该平台包含了三个子系统,模型转换子系统、ZARM建模与评估子系统和ZHRM建模与评估子系统。平台功能和性能的测试结果表明了该平台能够在较小的时间消耗下对嵌入式系统的可靠性进行评估,相比其他方法能够大幅度缩短可靠性验证时间。
【图文】：

变化曲线,失效状态,概率,模块

图 4-8 CM 模块处于失效状态的概率变化曲线000h时，，_(10000) 0.99873CM FP ，而在参考文献[85]中计算得9883，误差大约为 0.01%。这说明了本文方法的有效性和正确性。 ESH 的可靠性评估与关键模块识别.3 小节中同样的方法，能够求解得到 EABC 中其余 6 个 HFM 的表 4-5 中列出了当时间 t=10000h 时，EABC 中所有 HFM 的可并且给出了利用参考文献[85]的方法的评估结果与本文方法进行码位将在下文介绍其含义和作用。表 4-5 EABC 各 HFM 在 t=10000h 时的可靠度和修复概率编码位模块修复概率可靠度可靠度（文献[85]）0ICM 0.12782 0.99988 0.999881MCU 0.19848 0.99987 0.999882MM 0.06946 0.99864 0.998683PM 0.06472 0.99836 0.99864

状态概率,模块

4-18）EABC 每个状态的一步转移计算方式拒与上述相同。利用 MATLAB 可以求得式（4-13）的解，图 4-10 所示是 EABC 在 t=10000h 时的状态概率分布。图 4-10 EABC 在 t=10000h 时的状态概率分布从图 4-10 中可以看出，除状态 127（1111111）外，状态 35（0100011）具有最高概率 0.11773，对其状态编码分析，其 i5、i1和 i0为 1，表示 OM 模块、MCU 模块和 ICM 模块失效，则这三个模块为 EABC 的可靠性关键模块。4.6 本章小结本章首先对嵌入式硬件的结构进行研究，以硬件功能模块为单位对其进行了抽象定义；然后
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP368.1;TP311.5

【相似文献】