基于某总线的软件可靠性同步参数估计仿真

李 静

(河南大学濮阳工学院，河南 濮阳 457000)

1 引言

目前，软件数据量[1]日益增多，增加系统工作量。传统软件数据处理机制已无法满足该领域的软件处理实时性、可靠性需求，且传统软件数据处理机制由多单机部分构成，不断增多的同步参数使得内部网络变得更加复杂，已成为可靠性同步参数估计发展的障碍。软件的可靠性是评价软件质量的重要量化标准，因此得到了越来越多研究者的重视。软件可靠性就是软件在一定的条件下、一定时间内，在不造成系统故障的情况下能够完成指定功能的概率。需提高软件可用空间和硬件的系统化，以进一步提高参数估计性能。

为解决上述问题，相关领域的研究人员相继提出了可靠性参数同步方案，这些同步方案从整体角度考虑出发，对所提估计算法进行优化，将高可靠度、高实用性原则作为软件可靠性同步参数估计的基础。文献[2]提出基于卡尔曼滤波估计的一致性时钟同步方法，以期解决节点时钟偏斜和偏移，利用双向信息交换机制及分布式卡尔曼滤波，完成对时钟偏斜和偏移的最优估计，在时钟参数最优估计值的基础上，采用一致性补偿方法实现时钟节点同步。但该方法的节能效果较差。文献[3]提出考虑动态相依性的可靠性系统随机Copula模型及其参数估计方法。在随机Copula模型的基础上，研究可靠性系统在动态相依下的可靠性，构建随机Copula模型，基于极大似然理论，给出基于随机Copula模型的串联与并联系在动态相依下的可靠度，实现软件可靠性同步参数的估计。但是该方法应用具有局限性，效果不理想。

为解决传统方法存在的弊端，提出基于ARINC659总线[4]的软件可靠性同步参数估计方法。解析ARINC659总线，以高可靠度、高实时性作为参数估计基础，验证可靠性同步参数分布规则，并将估计参数与实际参数方差考虑其中，以提高估计结果的准确性，通过仿真验证了所提方法具有较小的误差，在未来软件可靠性同步参数估计的研究中起到重要的推动作用。

2 基于ARINC659总线的软件参数同步处理

ARINC659总线又称为背板数据总线，是基于时间触发架构构建的双余度容错串行广播总线，主要应用于数据通信中的在线可更换模块，是综合模块化领域在电子系统[5]中的关键技术。

ARINC659总线软件采用TPDA协议，以总线命令表为基础，完成相关调度[6]。总线命令表由FDL编写并经过编译的机器码所构成，存储于LRM专用表储存器中，且总线中每个LRM都包含两个单元接口。ARINC659总线的协议对初始化同步、短时间同步和长时间同步做出了相关定义，以确保每个BIU模块的工作状态都保持同步，并在任意时间段内，BIU模块间都位于同一位置。

为确保全部LRM均可同步ARINC659总线数据，根据对应的操作指令将时间分解为一系列单元，每个表中都包含同样的单元序列，每个单元都存在固定的时间段，开始与结束时间保持一致，工作流程如图1所示。

图1 ARINC659总线工作流程

基于上述同步机制概述，对于软件中的可靠性同步参数，每两个659中断的时间间隔，被称为659周期。分析ARINC659总线同步工作协议，将分布式、时间触发、串行等因素考虑其中，构成了可靠实时的同步系统。

2.1 软件初始同步

初始同步指在软件系统任务开始前进行调度，令需同步执行的可靠性参数在同一时刻进入到阶段任务中。

将执行启动的可靠性参数放入659终端参数中，保证各通道可周期性地向其它通道发送参数信息，发送所需周期与659终端周期相等，各通道的中断时间也保持一致。利用初始同步算法完成上述操作，进入初始同步后中断659，在总线表中标记为同步，等待下一个659中断；读取另一通道的同步标记，读取后等待下一个659中断，中断开始后跳出可靠性参数，结束初始同步。若在规定时间内无法读取同步标志，则进入故障处理区域，故障处理方式与初始同步方法相同，具体操作流程如图2所示。

图2 软件可靠性参数初始同步

ARINC659总线参数同步的主要是通过冗余[7]备份机制，降低数据复杂难度实现，采用不同的编码作为备份总线传输方式，以降低软件中其它信号的耦合作用[8]。也可通过实时交叉对比校验，实现总线上可靠性同步参数的传输，根据交叉结果，完成软件可靠性同步参数估计。

当不满足估计条件时，对发送的同步节点采取实时隔离措施。除此之外，ARINC659总线的分布式结构不需要由一个固定的节点完成数据同步，可使总线中的节点多冗余。基于ARINC659总线的参数估计算法，以时间调度表运行原理为基础，当总线节点发生故障时，估计过程所需时间可以确定，保障参数估计的实时性。

2.2 软件周期同步

周期同步指的是每周期任务执行结束后，下一周期所需执行的任务在同一时间段内完成。

周期同步任务中通常采用小帧[9]计数，也被称作主小帧数，每执行一次主小帧数增加1。在659中断参数中加1。每周期执行完毕后，进入至下一周期内，使用659中断，以降低参数估计结果误差，具体流程如图3所示。

图3 软件可靠性参数周期同步

3 软件可靠性同步参数估计算法

3.1 基本流程设计

软件可靠性同步参数估计是反映系统机制的一个重要指标，可用于降低软件故障发生几率，关于可靠性同步参数估计以充分的数据样本为基础，计算过程相对简洁；若样本数据相对较少时，可利用分布函数[10]将参数看作随机变量，获取到分布规则，再结合ARINC659总线进行推算估计。

3.2 加权处理下可靠性同步参数估计

通过软件小样本数据的加权处理[11]，生成新的目标样本，以获得可靠性参数信息。确定可靠性同步参数均值μ和方差σ2二者的先验分布序列。

(1)

(2)

式(2)中，Vi表示可靠性参数基本量；Dn表示可靠性参数特征值。(V1，V2，…，Vn)满足D(1，1，…，1)数据随机分布准则，E[.]表示准则函数，可得到

(3)

(4)

据上式(4)看得到μ和σ2的估计参数为

(5)

选取一组随机同步参数，计算对应子集，当随机同步参数量不断增加时，对可靠性参数实行抑制性估计，利用直方图得到μ和σ2的验证分布。可靠性同步参数的数量通常较大，将其设为B=1000，在ARINC659同步机制下，结合生成的目标样本，可得到后续同步参数分布形式，对μ和σ2计算可得方程式

(6)

据式(6)的计算结果，求得同步参数的密度函数为

(7)

通过上述确定可靠性参数同步分布规则，利用极大似然算法完成参数估计，因参数计算过程中分布均为常数，可建立如下方程

(8)

将式(5)代入上式中，通过联立完成求解，即可得到对μ和σ2的估计数值，为最终的软件可靠性同步参数估计结果。

4 实验结果与分析

为分析基于ARINC659总线的软件可靠性同步参数估计性能，将所提方法与其它方法进行对比仿真。当软件可靠性同步参数与其它参数相位一致时，会生成多余路径，导致较大的跟踪偏差，因此，只考虑同步参数与其它参数相同的情况。

基于659总线的参数估计算法是以分布验证为基础，各总线节点参数是相互独立的，且每个总线节点都存在两个独立的参数元，这些参数为可靠性同步参数，为实现各节点间同步参数的估计工作，需将短同步机制引入其中，使各节点同步频率相同。总线在一段时间内不发生任何活动，以保证ARINC659总线有充足的时间响应，并处理可靠性同步参数估计计算。设置ARINC659总线开始启动后，生成初始化同步脉冲，在初始化同步脉冲完成后8位时间后，再发送另一个长的同步脉冲，生成4位低压电平，在多个空闲时间段中，生成完整的初始化同步系统。

4.1 运行时间对比

首先进行不同方法的运行时间检测实验，仿真结果输出如图4所示。

图4 参数估计算法时间对比

从图4中可看出，随着可靠性参数数量的增加，文献[2]和文献[3]方法所需时间均不断增加，而基于ARINC659总线具有最好的稳定性能，且运行时间始终低于传统方法。证明随着参数数量的变化，所提方法用时更加平缓，表明其具有较好的稳定性能，且效率更高。

4.2 软件可靠性同步参数失效估计准确度验证

为进一步检测软件可靠性同步参数估计方法的精确度，以软件数据失效次数预测准确度对此进行衡量。为对比不同方法的预测结果与实际情况的偏差情况，对每种方法的实验结果进行分别输出，对比实验，结果如图5所示。

图5 数据失效次数预测准确度测试

通过图5实验结果可知，不同实验迭代次数下，所提方法的数据失效次数预测评估值始终与真实值相差很小，而文献[2]方法以及文献[3]方法的预测评估值与真实值相差较多。本次实验结果可以证明所提方法能够高精度的预测软件数据失效的次数，以此实现高准确度的软件同步参数估计，说明研究方法的性能更好。

本次研究针对其软件参数加入了故障因素进行实验，通过不同算法的时间对比、偏差对比及性能对比，并对ARINC659总线运行进行详细分析，提高了估计结果的可靠性。

4.3 评估结果偏差以及综合性能对比

对比各方法的性能指标，比较结果如表1和表2所示。

表1 不同方法输出结果偏差对比

表2 不同方法的综合性能对比

通过表1和表2可以看出，基于ARINC659总线的软件可靠性同步参数估计具有最小的偏差，因此具有最高的估计预测能力。分析结果如下：

1)基于ARINC659总线的软件可靠性同步参数估计可在较少的计算过程下，对软件参数进行有效估计，以此消除多径造成的误差。

2)从可靠性同步参数的估计结果上看，本文所提算法受多径相对问题，造成的时间延迟影响并不严重。但其它五种算法在进行多径同步参数估计时，受多径影响，产生的时间延迟影响比较显著，但这一点可通过ARINC659总线运行机制改善。

3)较大多径可靠性同步参数对估计算法的影响较大，但可利用ARINC659总线完成改善。

5 结论

提出了基于ARINC629总线的软件可靠性同步参数估计方法。仿真结果表明，所提方法具有实用性，可利用基于ARINC629总线的软件可靠性同步参数估计，评估结果更加精准。