本发明专利技术涉及一种用于嵌入式安全关键系统的可靠性分析方法，属于信息安全技术领域。本发明专利技术首先构造软硬件故障表征集，然后对故障表征集中的故障进行分类得到软硬件故障模式集并且结合故障关联概率表构建后继故障模式集，在后继故障模式集的基础上构建软硬件故障关联的静态故障树，对静态故障树进行分析，得到故障分析的结果。将组成嵌入式安全关键系统的软硬件基本单元进行细分，并结合各个基本单元发生故障的关联关系，通过模糊概率多信号流图模型构造后继故障模式，利用后继故障模式集反映出的故障之间的时序逻辑关系构建静态故障树模型，运用该模型可以更为准确、有效地评估系统的可靠性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于信息安全技术 领域。
技术介绍
嵌入式安全关键(Safety-Critical)系统是一个包含电子器件、机械部件和软件 的嵌入式系统。嵌入式安全关键系统是指其系统功能一旦失效将引起严重的后果，包括生 命或财产的重大损失、环境的破坏、信息的丢失或泄漏等应用于安全关键领域中的嵌入式 系统。因此，对嵌入式安全关键系统可靠性的研究已经成为提高系统可靠性和安全性的重 要手段。传统系统故障诊断与可靠性分析，多分成硬件和软件两个方面单独考虑。目前，系统故障诊断与可靠性分析方法主要分为两类1.软件故障关联方面。针对软件故障关联，所涉及的方法主要包括系统缺陷分类 方法、软件缺陷的先验分类和后验分类等。2.硬件故障的软件传播以及面向硬件容错的软件冗余设计方面。与此相关的研 究方法有美国海军实验室提出的一种关联缺陷的传播模型；美国加州大学圣地亚哥分校的 Dugan, J. B. ￠: ^((Correlated hardware failures inredundant systems))(Dependable Computing for Critical Applications 2，1992，ρ 157-74)提出 了硬件关联故障诊断 的一些研究成果；杨士元在文献《数字系统的故障诊断与可靠性设计》(清华大学出版 社，2000.ρ 29-35)中提出一种数字系统故障诊断方法，可供嵌入式系统故障诊断参考使 用；赵建等在文献《一种适于大规模模拟电路多故障定位的方法》(上海交通大学学报， 1997. 5ρ48-51)提出使用动态故障树的方法对系统故障进行定位和分析；哈尔滨工业大学 的景涛等在文献《软件关联缺陷的一种检测方法》中提出了一种关联缺陷的诊断方法(软 件学报，2005，16(1) :17-28)。但是，在软硬件高度耦合、故障高度关联的嵌入式安全关键系统中，上述方法已难 以满足高可靠性分析要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述已有技术存在的不足，提出一种用于嵌入式安全关键系 统的可靠性分析方法。本专利技术的基本思想是本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。，其具体操作步骤如下步骤一、构造嵌入式安全关键系统的软硬件故障表征集。首先列举出待测试的嵌入式安全关键系统的全部硬件设备和软件系统；然后，进 一步对硬件设备，逐级列举出组成该硬件设备的各组成单元，直至该单元不可拆分；对软件 系统，详细列举出该软件系统中的功能模块；并根据各个级别的组成单元的历史故障信息， 列举出其故障名称、故障现象，构成嵌入式安全关键系统的软硬件故障表征集。步骤二、对故障进行分类，得到软硬件故障模式集F。采用聚类方法对步骤一中所述软硬件故障表征集中的故障进行分类，在聚类的过 程中，约束条件信息不仅应该给出关联故障(缺陷)之间的关系，而且还应该包含着与该关 联故障“邻居(关联缺陷)”之间的关系，这正是空间级的约束条件，本项目利用空间级的约 束条件改进聚类方法，使得关联故障的聚类充分考虑了“邻居”的关系。包含关联关系的缺 陷适合用空间级约束来解决其分类问题，将存在关联关系的聚为一类，将不存在关联关系 的剔除。采用改进的约束Single Link算法，步骤如下。(1)将所有的故障均初始化为一个聚类。(2)计算距离矩阵。(3)根据必相邻集合Cmust，将距离矩阵中相应的故障对的距离更新为0。(4)更新距离矩阵对于距离矩阵I(i，j)，3yd,(U)eC_dke Ifor i e {1 :n}，for j e {1 :n}，Dij = min 。，Dik+DkJ)其中，i，j，k分别表示一种故障模式，且j兴i，k兴j兴i ；Dij表示故障模式i，j 之间的距离。然后遍历距离矩阵，如果有故障对距离为0，而此故障对又不属于必相邻集合， 则将此实例对加入必相邻集合Cmust。(5)选择聚类之间距离最小的两个聚类，并且将其融合。以分别来自两个聚类中的 故障间的最大距离为聚类距离。融合的方法是删除原有的两个聚类，创建一个新的聚类，这 个聚类中的元素是原有两个聚类的故障的合集。(6)循环步骤5，直到聚类结束。得到软硬件故障模式集:F = [fpf^fV..，。}；其中，f\ fn代表分类后的η个 类别，η为正整数。优选的，所述聚类方法采用石剑飞等人在文献《基于凝聚的层次聚类算法的改进》 (北京理工大学学报，2008，Vol.28 No. 1:67-68)中提出的改进约束Single Link算法。步骤三、构建故障关联概率表。通过独立重复实验的方法获得各故障之间的关联概率，即通过排除其中一个故 障，来看其它故障的变化情况，以此确定它们之间的关系。通过独立重复试验即可获得各故 障之间相互影响的概率，构建故障关联概率表。步骤四、构建后继故障模式集。根据步骤二得到的软硬件故障模式集F和步骤三得到的故障关联概率表，构建后 继故障模式集。所述构建后继故障模式表的方法采用高鑫宇等在文献《基于模糊概率多信号流图 的故障传播模型研究》(测试技术学报，2009，vol. 23，NO. 4 :355-356)中公开的构建后继故 障模式集的方法。步骤五、构建软硬件故障关联的故障树。首先对后继故障模式集中的每个故障重新计算其发生故障的概率，故障模式用F ={f\，f2, ... fi, ... fj, ... fk, ... fn} (1 ^ i ^ η, 1 ^ j ^ η, 1 ^ k ^ η i, j, k 均为正 整数，i兴j兴k)表示(其中η为故障模式集中元素的个数，且η为正整数)，每个故障模 式发生的概率为q = Iq1, Q2, . . . Qi, . . . q」，...qk，. . . qj，假设fk后继故障模式集为{fi; fjhf^fj发生的概率重新计算后用Vj/表示。计算公式为呪* =1-(1" qk ) (1- q,)，5q; =1-(1-^) (I-力)，影响&发生的因素有&自身和fk，其中(l_qk) (1- )表示fk，fi 都不发生的概率，影响t发生的因素有t自身和fk，(l-qk) (1-qj)表示fk，t都不发生的概 率。根据步骤一得到的软硬件故障表征集构建待测试嵌入式安全关键系统的静态故障树。 具体为将待测试嵌入式安全关键系统作为静态故障树的顶事件，并根据步骤一中的各组 成单元所在的级别构建静态故障树的中间事件以及底事件，并采用W. E.维齐利在文献《故 障树手册》(北京原子能出版社，1987. 11)中公开的建立静态故障树的方法构建待测试嵌 入式安全关键系统的静态故障树。步骤六、对静态故障树进行分析，得到故障分析的结果。对静态故障树采用赵太平在文献《应用故障树分析法诊断数控车床故障》中提出 的Fussed(又称下行法)方法定性的分析出其最小割集；设定其最小割集有k(k为正整数) 个，分别为M1; M2,……，Mk，最小割集发生的概率分别为Pl，p2，…？广"，~全部1^个最小 割集不交化，通过公式1计算该静态模块子树的顶事件发生的概率Ρτ。权利要求1.，其特征在于具体操作步骤如下步骤一、构造嵌入式安全关键系统的软硬件故障表征集；步骤二、对故障进行分类，得到软硬件故障模式集F ；步骤三、构建故障关联概率表；步骤四本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于嵌入式安全关键系统的可靠性分析方法，其特征在于：具体操作步骤如下：步骤一、构造嵌入式安全关键系统的软硬件故障表征集；步骤二、对故障进行分类，得到软硬件故障模式集Ｆ；步骤三、构建故障关联概率表；步骤四、根据步骤二得到的软硬件故障模式集Ｆ和步骤三得到的故障关联概率表，构建后继故障模式集；步骤五、构建软硬件故障关联的故障树；首先对后继故障模式集中的每个故障重新计算其发生故障的概率，故障模式用Ｆ＝｛ｆ↓［１］，ｆ↓［２］，．．．ｆ↓［ｉ］，．．．ｆ↓［ｊ］，．．．ｆ↓［ｋ］，．．．ｆ↓［ｎ］｝（１≤ｉ≤ｎ，１≤ｊ≤ｎ，１≤ｋ≤ｎ且ｉ，ｊ，ｋ均为正整数，ｉ≠ｊ≠ｋ）表示（其中ｎ为故障模式集中元素的个数，且ｎ为正整数），每个故障模式发生的概率为ｑ＝｛ｑ↓［１］，ｑ↓［２］，．．．ｑ↓［ｉ］，．．．ｑ↓［ｊ］，．．．ｑ↓［ｋ］，．．．ｑ↓［ｎ］｝，假设ｆ↓［ｋ］后继故障模式集为｛ｆ↓［ｉ］，ｆ↓［ｊ］｝，ｆ↓［ｉ］，ｆ↓［ｊ］发生的概率重新计算后用ｑ↓［ｉ］↑［＊］，ｑ↓［ｊ］↑［＊］表示。计算公式为：ｑ↓［ｉ］↑［＊］＝１－（１－ｑ↓［ｋ］）（１－ｑ↓［ｉ］），ｑ↓［ｊ］↑［＊］＝１－（１－ｑ↓［ｋ］）（１－ｑ↓［ｊ］），影响ｆ↓［ｉ］发生的因素有ｆ↓［ｉ］自身和ｆ↓［ｋ］，其中（１－ｑ↓［ｋ］）（１－ｑ↓［ｉ］）表示ｆ↓［ｋ］，ｆ↓［ｉ］都不发生的概率，影响ｆ↓［ｊ］发生的因素有ｆ↓［ｊ］自身和ｆ↓［ｋ］，（１－ｑ↓［ｋ］）（１－ｑ↓［ｊ］）表示ｆ↓［ｋ］，ｆ↓［ｊ］都不发生的概率；然后根据步骤一得到的软硬件故障表征集，将待测试嵌入式安全关键系统作为静态故障树的顶事件，并根据步骤一中的各组成单元所在的级别构建静态故障树的中间事件以及底事件，构建待测试嵌入式安全关键系统的静态故障树；步骤六、对静态故障树进行分析，得到故障分析的结果；对静态故障树采用Ｆｕｓｓｅｄ方法定性的分析出其最小割集；设定其最小割集有ｋ个，分别为：Ｍ↓［１］，Ｍ↓［２］，．．．．．．，Ｍ↓［ｋ］，最小割集发生的概率分别为ｐ↓［１］，ｐ↓［２］，…ｐ↓［ｉ］…，ｐ↓［ｋ］，全部ｋ个最小割集不交化，ｋ为正整数，通过公式１计算该静态模块子树的顶事件发生的概率Ｐ↓［Ｔ］；Ｐ↓［Ｔ］＝＊＊ｑ↓［ｒ］＝１－＊（１－ｐ↓［ｉ］）（１）其中：ｉ为正整数，１≤ｉ≤ｋ，表示为最小割集的序数；ｒ为该静态模块子树底事件的序数；ｋ为最小割集的个数；ｘ↓［ｒ］∈Ｍ↓［ｉ］为...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：胡昌振，闫怀志，李楠，王崑声，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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