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淺探軟件可靠性工程的應(yīng)用
畢業(yè)論文摘要：本文就武器裝備軟件開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀和中存在的問(wèn)題，介紹了軟件可靠性工程的發(fā)展及其研究的內(nèi)容，對(duì)軟件可靠性工程如何在軟件開(kāi)發(fā)中應(yīng)用進(jìn)行了重點(diǎn)說(shuō)明，并提供了成功應(yīng)用軟件可靠性工程的典型案例，指出軟件可靠性工程研究的必要性。
關(guān)鍵詞： 軟件 可靠性工程
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用到武器系統(tǒng)中。計(jì)算機(jī)軟件的復(fù)雜程度隨著功能的增強(qiáng)，因而系統(tǒng)的可靠性也越來(lái)越與軟件直接相關(guān)。例如AFTI/F-16飛機(jī)首航因軟件問(wèn)題推遲1年，事先設(shè)計(jì)的先進(jìn)程序wu法使用；海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中F/A–18飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)500次故障中，軟件故障次數(shù)超過(guò)硬件。軟件可靠性成為我們關(guān)注的1個(gè)問(wèn)題，本文僅就軟件可靠性工程在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用談?wù)勛约旱恼J(rèn)識(shí)。
1、軟件可靠性工程的基本概念及發(fā)展
1.1什么是軟件可靠性工程
軟件可靠性工程簡(jiǎn)單地說(shuō)就是對(duì)基于軟件產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行預(yù)測(cè)、建模、估計(jì)、度量及管理，軟件可靠性工程貫穿于軟件開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程。
1.2軟件可靠性工程的發(fā)展歷程
軟件可靠性問(wèn)題獲得重視是2十世紀(jì)60年代末期，那時(shí)軟件危機(jī)被廣泛討論，軟件不可靠是造成軟件危機(jī)的重要原因之1。1972年正式提出Jelinski—Moranda模型，標(biāo)志著軟件可靠性系統(tǒng)研究的開(kāi)始。在70年代．軟件可靠性的理論研究獲得很大發(fā)展，1方面提出了數(shù)十種軟件可靠性模型，另1方面是軟件容錯(cuò)的研究。在80年代，軟件可靠性從研究階段逐漸邁向工程化。進(jìn)入90年代后，軟件可靠性逐漸成為軟件開(kāi)發(fā)考慮的主要因素之1，軟件可靠性工程在軟件工程領(lǐng)域逐漸取得相對(duì)獨(dú)立的地位，成為1個(gè)生機(jī)勃勃的分支。
1.3軟件可靠性工程研究的基本問(wèn)題
軟件可靠性工程的主要目標(biāo)是保證和提高軟件可靠性。為達(dá)到這1目標(biāo)，首先要弄清軟件為什么會(huì)出現(xiàn)故障或失效。只有這樣，才有可能在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中減少導(dǎo)致軟件故障或失效的隱患，且1旦出現(xiàn)軟件故障或失效，有可能采取有效措施加以清除。但是軟件是開(kāi)發(fā)出來(lái)的，滿足可靠性要求的軟件也是開(kāi)發(fā)出來(lái)的，因此，軟件可靠性工程的核心問(wèn)題是如何開(kāi)發(fā)可靠的軟件。而有了軟件，又該如何檢驗(yàn)其是否滿足可靠性要求?這是軟件可靠性工程的又1個(gè)問(wèn)題。
2、軟件可靠性工程在軟件開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用
2.1項(xiàng)目開(kāi)發(fā)計(jì)劃及需求分析階段
在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)計(jì)劃階段需根據(jù)產(chǎn)品具體要求作出軟件項(xiàng)目開(kāi)發(fā)計(jì)劃，明確項(xiàng)目的目的、條件、運(yùn)行環(huán)境、軟件產(chǎn)品要求、人員分工和職責(zé)及進(jìn)度，并估計(jì)產(chǎn)品的可靠性。需求分析階段要根據(jù)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)計(jì)劃階段確定軟件開(kāi)發(fā)的主要任務(wù)、次要任務(wù)和其它任務(wù)，并設(shè)計(jì)軟件程序的基本流程、軟件結(jié)構(gòu)、模塊的定義和輸入輸出數(shù)據(jù)、接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等同時(shí)應(yīng)對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)計(jì)劃階段作出的可靠性預(yù)計(jì)進(jìn)1步細(xì)化形成可靠性需求，建立具體的可靠性指標(biāo)。這個(gè)階段的可靠性工作1般應(yīng)如下安排：
⑴確定功能概圖
所謂功能概圖就是產(chǎn)品的各種功能及其在不同環(huán)境條件下使用的概率。為確立功能概圖必須定義產(chǎn)品的功能，功能定義不但包括要完成的任務(wù)，還包括影響處理的環(huán)境因素。
⑵對(duì)失效進(jìn)行定義和分類
這里應(yīng)從用戶的角度來(lái)定義產(chǎn)品失效，將軟件和硬件失效及操作程序上的失效區(qū)分開(kāi)，并將其按嚴(yán)重程度進(jìn)行分類。
⑶確定用戶的可靠性要求
在這個(gè)階段應(yīng)由系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、軟件設(shè)計(jì)師、可靠性師、測(cè)試人員及用戶方代表可靠性評(píng)估小組共同根據(jù)用戶提出的系統(tǒng)可靠性來(lái)確定軟件的可靠性。
⑷進(jìn)行平衡關(guān)系研究
通常應(yīng)考慮可靠性和功能之間的關(guān)系以及可靠性、開(kāi)發(fā)費(fèi)用和開(kāi)發(fā)周期之間的關(guān)系。1般來(lái)說(shuō)，增加功能會(huì)導(dǎo)致可靠性降低，可靠性提高的程度1般與測(cè)試加強(qiáng)程度相對(duì)應(yīng)，這意味著時(shí)間和費(fèi)用的增加。
⑸建立可靠性指標(biāo)
在這個(gè)階段應(yīng)對(duì)每種失效分別建立可靠性指標(biāo)。通常，首先建立系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，然后在硬件和軟件間分配。影響建立可靠性指標(biāo)的因素主要有：合同或有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定的可靠性指標(biāo)，相似產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，產(chǎn)品的質(zhì)量保證，使用已有模塊的可靠性，技術(shù)能力和局限（如容錯(cuò)技術(shù)的使用）等。
2.2軟件設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)階段
軟件設(shè)計(jì)是對(duì)上1階段定義的每1個(gè)功能模塊逐步細(xì)化，確立系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，形成若干可編程的模塊。說(shuō)明硬件和軟件模塊之間的接口及它們與外部環(huán)境的接口，詳細(xì)描述各模塊的輸入、處理過(guò)程及輸出。功能實(shí)現(xiàn)是根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行軟件編程。該階段主要應(yīng)做：
⑴在模塊間分配可靠性指標(biāo)
定義系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)將系統(tǒng)分解成模塊同時(shí)保證總體可靠性指標(biāo)。進(jìn)行系統(tǒng)分解是應(yīng)考慮以下因素：系統(tǒng)的物理特性、以前收集的數(shù)據(jù)的特性及收集數(shù)據(jù)需要的工作量等。確定每個(gè)模塊的可靠性要求時(shí)，首先進(jìn)行可靠性分配，然后根據(jù)試分配值計(jì)算系統(tǒng)的可靠性。這樣及時(shí)調(diào)整，使各模塊開(kāi)發(fā)周期、難度和風(fēng)險(xiǎn)大致相當(dāng)，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用也才能降至最低。
⑵按可靠性指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)
目前，可靠性設(shè)計(jì)有以下幾種方法：設(shè)計(jì)恢復(fù)策略、使用冗余軟件單元、鑒別高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。設(shè)計(jì)恢復(fù)策略是指軟件只須重新啟動(dòng)即可消除失效的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)恢復(fù)應(yīng)能保存修復(fù)可能破壞的數(shù)據(jù)，應(yīng)具備確定失效發(fā)生時(shí)間和阻止繼續(xù)運(yùn)行的機(jī)制，以減少程序數(shù)據(jù)的破壞。使用冗余軟件單元時(shí)是采用與原軟件單元不同的冗余軟件單元來(lái)提高可靠性。鑒別高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域采用FMEA（失效類型與后果分析）和FTA（錯(cuò)誤樹(shù)分析）的方法來(lái)進(jìn)行可靠性分析。
⑶根據(jù)功能概圖集中資源配置
根據(jù)功能概圖把人力、物力等資源用到用戶認(rèn)為最重要的地方。
⑷控制錯(cuò)誤的引入和傳播
錯(cuò)誤是引起軟件失效的根本原因，所以控制每個(gè)開(kāi)發(fā)步驟中引入的錯(cuò)誤數(shù)目及未被察覺(jué)的而傳入下1步的錯(cuò)誤數(shù)目，對(duì)于控制產(chǎn)品的可靠性是非常重要的。錯(cuò)誤控制受多種因素影響，其中主要有：
a.構(gòu)造模塊化系統(tǒng);
b.進(jìn)行軟件重用;
c.進(jìn)行單元和集成測(cè)試，阻止錯(cuò)誤向下1開(kāi)發(fā)步驟傳播;
d.進(jìn)行檢查和復(fù)核;
e.控制改動(dòng)。
⑸度量現(xiàn)成軟件的可靠性
如果在產(chǎn)品中使用現(xiàn)成的未在本產(chǎn)品中開(kāi)發(fā)或測(cè)試過(guò)的軟件，必須對(duì)其進(jìn)行可靠性證明，證明其可靠性指標(biāo)在可以接受的范圍內(nèi)方可采用。2.3系統(tǒng)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行階段
系統(tǒng)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行以確認(rèn)產(chǎn)品的軟件要求是否得到滿足，用戶是否可以實(shí)際應(yīng)用。系統(tǒng)測(cè)試階段是開(kāi)發(fā)過(guò)程階段的最后階段，如果措施得當(dāng)，可以在產(chǎn)品首次使用前進(jìn)1步提高可靠性�，F(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行階段在用戶環(huán)境中驗(yàn)證產(chǎn)品的各種說(shuō)明及系統(tǒng)測(cè)試所得的可靠性指標(biāo)。這個(gè)階段的工作有以下工作：
⑴確定操作概圖
操作概圖是指實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的操作及其概率的集合，1個(gè)操作可以是特定環(huán)境下執(zhí)行的1條命令，或同時(shí)附有限定范圍內(nèi)的參數(shù)或輸入變量集。確定操作概圖是測(cè)試計(jì)劃的1個(gè)重要部分，1般在系統(tǒng)測(cè)試階段之前由測(cè)試計(jì)劃人員，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和軟件設(shè)計(jì)人員的協(xié)助下完成。
⑵進(jìn)行可靠性增強(qiáng)測(cè)試
在系統(tǒng)測(cè)試階段需進(jìn)行可靠性增強(qiáng)測(cè)試。在可靠性增強(qiáng)測(cè)試中，系統(tǒng)測(cè)試員根據(jù)操作概圖描述各種操作的現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生概率，按比例的執(zhí)行測(cè)試用例，通過(guò)模仿用戶的應(yīng)用方式可靠性增強(qiáng)測(cè)試，易于發(fā)現(xiàn)令用戶最不滿意的失效，能夠反映出用戶使用時(shí)的可靠性感受。
⑶根據(jù)測(cè)試進(jìn)展并證明可靠性指標(biāo)是否達(dá)到要求
在可靠性增強(qiáng)測(cè)試中，要收集失效數(shù)據(jù)，利用已有或自行設(shè)計(jì)并經(jīng)驗(yàn)證的可靠性工具跟蹤測(cè)試進(jìn)展及規(guī)劃必須的額外測(cè)試，根據(jù)進(jìn)展情況在系統(tǒng)測(cè)試進(jìn)行中可以對(duì)資源和進(jìn)度安排隨時(shí)做必要的調(diào)整。
⑷現(xiàn)場(chǎng)可靠性評(píng)估
系統(tǒng)測(cè)試階段完成后，轉(zhuǎn)入現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行階段。在試運(yùn)行中，從現(xiàn)場(chǎng)收集失效數(shù)據(jù)，利用此數(shù)據(jù)和軟件工具評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)可靠性，然后與系統(tǒng)測(cè)試結(jié)束后測(cè)得的可靠性相比較，同時(shí)對(duì)可靠性差異的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。
2.4維護(hù)階段
維護(hù)階段是在產(chǎn)品用戶使用過(guò)程中改正軟件暴露出來(lái)的與失效有關(guān)的錯(cuò)誤。在這個(gè)階段監(jiān)視產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的可靠性，并和預(yù)定指標(biāo)及用戶的滿意程度進(jìn)行對(duì)照比較，以便提高后繼版本的可靠性，改進(jìn)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的質(zhì)量。此階段主要做的工作是：
⑴用可靠性模型規(guī)劃產(chǎn)品交付使用之后的人員需求，如：用戶恢復(fù)失效操作的人員，承制方處理用戶報(bào)告的失效的人員，承制方處理與用戶報(bào)告的失效有關(guān)的錯(cuò)誤的軟件開(kāi)發(fā)人員。
⑵監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)可靠性是否達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，根據(jù)其間的差距采取相應(yīng)的措施。同時(shí)還應(yīng)跟蹤用戶是否滿意，根據(jù)不滿意的情況，進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)支持服務(wù)及產(chǎn)品改動(dòng)。
⑶當(dāng)加入新的功能時(shí)，通過(guò)監(jiān)視可靠性，消除由此帶來(lái)的失效強(qiáng)度增加。
⑷分析軟件交付使用后的失效產(chǎn)生原因，指導(dǎo)工程的改進(jìn)，降低引入類似錯(cuò)誤的可能性。
3、軟件可靠性工程成功應(yīng)用的實(shí)例
美國(guó)AT&T公司的國(guó)際DEFINITYR程控交換機(jī)部在系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)用了軟件可靠性工程，相對(duì)于以前發(fā)行的主要軟件版本，產(chǎn)品的質(zhì)量提高是驚人的：
⑴用戶反映的問(wèn)題下降了10倍；
⑵項(xiàng)目維護(hù)費(fèi)用下降了10倍；
⑶系統(tǒng)測(cè)試件的間隔縮短了2倍；
⑷引入新產(chǎn)品的間隔縮短了30%。
而且，在投入運(yùn)行的前兩年，從未發(fā)生嚴(yán)重影響業(yè)務(wù)的機(jī)器中斷，客戶滿意程度大為提高。具體分析原因，有以下兩點(diǎn)：
⑴把可靠性作為確定是否發(fā)行的標(biāo)準(zhǔn)，可避免用戶在使用中反映過(guò)多問(wèn)題和進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)工作。
⑵采用“操作概圖驅(qū)動(dòng)”的測(cè)試方法，提高了測(cè)試效率；20%的操作覆蓋了95%的應(yīng)用，20%的錯(cuò)誤導(dǎo)致了95%的實(shí)效；先測(cè)試20%的使用最頻繁的操作可以加速可靠性的提高。
4、結(jié)束語(yǔ)
軟件的可靠性中正越來(lái)越引起軟件研發(fā)部門的重視，但因?yàn)檫@是1門新興的學(xué)科，對(duì)于提高軟件質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外還未能從軟件可靠性工程的角度總結(jié)出1套行之有效的管理方法。
軟件可靠性工程是1項(xiàng)涉及面很廣的系統(tǒng)工程，應(yīng)加強(qiáng)這項(xiàng)技術(shù)的研究力度。尤其要結(jié)合具體項(xiàng)目進(jìn)行課題研究，使軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程同時(shí)也是軟件可靠性工程的實(shí)施過(guò)程。使自發(fā)的可靠性工作成為有計(jì)劃、有組織和有目標(biāo)的研究工作。相信經(jīng)過(guò)不斷的探索和實(shí)踐，軟件可靠性工程會(huì)象硬件可靠性工程那樣走向成熟，它的應(yīng)用將對(duì)提高我國(guó)軟件開(kāi)發(fā)的可靠性起到積極的推動(dòng)作用。
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