淺談瀑布模型中的可靠性設(shè)計

摘要：可靠性設(shè)計是實現(xiàn)產(chǎn)品固有可靠性要求的最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)工程設(shè)計的重要組成部分。本文基于最常見的瀑布模型，依據(jù)具體實例分析了可靠性設(shè)計的方法。

關(guān)鍵詞：瀑布模型 可靠性設(shè)計 可靠性指標

0 引言

瀑布模型是最常見，應(yīng)用最廣的一種生命周期模型，在工程項目管理中非常重要。可靠性是指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。基于瀑布模型的可靠性設(shè)計，就是在充分分析瀑布模型特點和缺點的基礎(chǔ)上，有針對性的進行更加有效的可靠性設(shè)計。

1 基于瀑布模型的可靠性設(shè)計

在瀑布模型中，對各項工程活動的制定開發(fā)計劃、需求分析和說明、設(shè)計、實施、測試及運行維護等都進行了規(guī)定。并且對它們自上而下、相互銜接的固定次序進行了規(guī)定，這種模型如同瀑布流水一般，逐級下落。

然而在實踐過程中，上述活動并非完全自上而下，呈線性圖式。實際上開發(fā)每項活動都具有的特征，主要包括：①該項活動的工作對象從上一項活動接收作為輸入；②通過這一輸入作為完成該項活動的內(nèi)容；③給出該項活動的成果，同時作為輸出傳給下一項活動；④評審該項活動實施的工作。以某工作臺軟件研制項目為例，該項目的生命周期模型為典型的瀑布模型，項目需求明確，在完成前一階段工作并確認的基礎(chǔ)上進行下一階段工作。該項目進行可靠性設(shè)計時，充分考慮項目的瀑布模型特點，在系統(tǒng)設(shè)計階段著重進行了冗余設(shè)計，軟件重用、接口標準化設(shè)計，復(fù)雜度控制分解和動態(tài)庫使用的設(shè)計。系統(tǒng)中對關(guān)鍵軟件或數(shù)據(jù)采用冗余設(shè)計，提高軟件可靠性。

1.1 可靠性模型 大型系統(tǒng)工程軟件非常復(fù)雜，軟件模塊之間的連接方式多種多樣，對于軟件可靠性模型來說，從本質(zhì)上看主要包括：串聯(lián)軟件可靠性模型、并聯(lián)軟件可靠性模型以及表決軟件可靠性模型等。

①串聯(lián)軟件可靠性模型 軟件模塊之間以串行方式連接，只要其中有一個軟件模塊出現(xiàn)故障，則軟件故障，這樣的軟件可靠性計算模型就是串聯(lián)可靠性模型。串聯(lián)軟件可靠性模型可用下列可靠性計算公式表示：?姿=■?姿■

其中?姿為軟件故障率，?姿■為各模塊軟件故障率；1/?姿=mtbf，mtbf為串聯(lián)軟件平均無故障工作時間。

1/?滋=■1/?滋■

其中?滋為軟件維修率，?滋■為各模塊軟件維修率；1/?滋 =mttr，mttr為串聯(lián)軟件平均維修時間。

②并聯(lián)軟件可靠性模型 軟件模塊之間以并行方式連接，全部軟件模塊出現(xiàn)故障，則軟件故障，這樣的軟件可靠性計算模型就是并聯(lián)可靠性模型。并聯(lián)軟件可靠性模型可用下列可靠性計算公式表示：1/?姿=■1/?姿■

其中?姿為軟件故障率，?姿■為各模塊軟件故障率；1/?姿 =mtbf，mtbf為并聯(lián)軟件平均無故障工作時間。

?滋=■?滋■

其中?滋為軟件維修率，?滋■為各模塊軟件維修率；1/?滋 =mttr，mttr為并聯(lián)軟件平均維修時間。

③表決軟件可靠性模型 軟件模塊之間以并行方式連接，規(guī)定數(shù)量的軟件模塊出現(xiàn)故障，則軟件故障，這樣的軟件可靠性計算模型就是表決軟件可靠性模型。N選m表決軟件可靠性模型可用下列可靠性計算公式表示：

1/?姿= ■ 1/?姿■

其中?姿為軟件故障率，?姿■為各模塊軟件故障率；1/?姿 =mtbf，mtbf為表決軟件平均無故障工作時間。

1/?滋=■1/?滋■

其中?滋為軟件維修率，?滋■為各模塊軟件維修率；1/?滋 =mttr，mttr為表決軟件平均維修時間。

④及時修理并聯(lián)軟件可靠性模型 及時修理并聯(lián)軟件指兩套軟件功能相互并聯(lián)，一套軟件故障不影響并聯(lián)軟件的功能，并且同時對故障軟件進行及時恢復(fù)，恢復(fù)后的軟件再投入工作，以增加并聯(lián)軟件的可靠性。及時修理并聯(lián)軟件可靠性計算比較復(fù)雜，這里僅給出兩個特性相同的軟件組成的及時修理并聯(lián)軟件的可靠性模型：

mtbf=■-r

其中m為單個軟件的平均無故障工作時間（m=1/λ），r為單個軟件的平均維修時間（r=1/μ），λ、μ分別為子系統(tǒng)的故障率和維修率。

⑤及時修理表決軟件可靠性模型 及時修理表決軟件指n套軟件功能相互并聯(lián)，n-w套軟件故障不影響表決軟件的功能，并且同時對故障軟件進行及時恢復(fù)，恢復(fù)后的軟件再投入工作，以增加表決軟件的可靠性。及時修理表決軟件可靠性計算比較復(fù)雜，這里僅用遞推法給出特性相同的軟件組成的及時修理表決軟件的可靠性模型：

x=w時：Rn=m/(r·(n-w+1))，Nn(w)=0

x=w-1時：Rt=Rn+Nn(w)Nn(w-1)=Rt·(w-1)

Rn={Nn(w-1)·{m-[r-r/(w-1)]}-Rt·r·(w-2)·(n-w+1)}/[2+n-w)]

最終可以求出Nn(x)和Tn(x)(x=w..1)，從而可以求出n選w及時修理系統(tǒng)的平均無故障工作時間：

N=■(Nn(i)+1)

mtbf=N(m+r)/n-r·(n-w+1)/n

該模型通過遞推過程計算及時修理表決軟件可靠性的平均無故障工作時間，其中：m為單個軟件的平均無故障工作時間，r為單個軟件的平均維修時間，n為表決軟件的數(shù)量，w為要求同時工作的軟件數(shù)量，其他為中間變量。

1.2 可靠性指標分配原則 根據(jù)軟件的可靠性模型，將軟件的總體可靠性指標分配給軟件模塊。在可靠性指標分配過程中要考慮幾點因素：

①軟件模塊的重要性。給重要的軟件模塊分配較高的可靠性指標，使整個軟件的可靠性得以提高。②軟件模塊的復(fù)雜度。復(fù)雜度高的軟件模塊不能分配較高的可靠性指標，否則整個軟件的可靠性指標可能實現(xiàn)不了，相反，復(fù)雜度不高的軟件模塊應(yīng)該分配較高的可靠性指標，這樣才能使軟件的可靠性指標得到平衡。③軟件模塊的規(guī)模。同復(fù)雜度類似，規(guī)模大的軟件模塊不能分配較高的可靠性指標，而規(guī)模不大的軟件模塊應(yīng)該分配較高的可靠性指標。④軟件模塊的使用頻度。使用頻度較高的軟件模塊分配較高的可靠性指標，可以使整個軟件的可靠性得以提高。⑤軟件模塊可靠性指標的調(diào)整。可靠性分配后，一些模塊可能分得過高的可靠性指標，軟件難以實現(xiàn)，對這樣的問題可通過合理的軟件冗余（軟件并聯(lián)、軟件表決等）設(shè)計，平衡所有軟件模塊的可靠性指標，使所有軟件模塊的可靠性指標得以實現(xiàn)。

1.3 可靠性指標分配 考慮到軟件對系統(tǒng)主要功能的影響，鑒于軟件的可重組性，對工作臺軟件進行3選2方式分配，維修時間為0.5小時，據(jù)此進行等權(quán)重虛擬分配，可靠性虛擬分配模型見圖1：

按3選2及時修理系統(tǒng)可靠性模型對工作臺軟件進行可靠性分配，結(jié)果見表1：

1.4 可靠性控制與管理

1.4.1 軟件設(shè)計評審 強化概要設(shè)計和詳細設(shè)計的評審工作，由于本項目為瀑布模型，階段之間的工作產(chǎn)品具有傳承特性，軟件概要設(shè)計要與用戶需求保持一致，詳細設(shè)計要在概要設(shè)計的基礎(chǔ)上進行，軟件設(shè)計評審結(jié)果要有文件記錄；對階段評審的過程中發(fā)現(xiàn)的軟件設(shè)計缺陷進行跟蹤；編制詳細的軟件設(shè)計文檔資料，反映軟件設(shè)計過程變化；對修改的軟件設(shè)計方案進行確認，為下一階段軟件開發(fā)作準備。

1.4.2軟件開發(fā)過程控制與管理 ①故障報告。建立故障報告制度，對軟件開發(fā)過程中出現(xiàn)的重大故障進行報告，防止同類質(zhì)量故障的重復(fù)出現(xiàn)。②分析與糾正措施。由軟件技術(shù)負責(zé)人組織對軟件故障進行分析，查找故障原因，對軟件故障進行糾正，形成書面文檔。③對轉(zhuǎn)承制方的監(jiān)督和控制。對轉(zhuǎn)承制方的軟件開發(fā)過程進行控制，對發(fā)現(xiàn)的問題監(jiān)督軟件承制方進行修改并進行重新測試。

2 結(jié)束語

通過以上實例分析發(fā)現(xiàn)，在項目可靠性設(shè)計中充分考慮項目生命周期模型為瀑布模型的特點，提高了可靠性設(shè)計的效率，如能在同類型項目的可靠性設(shè)計中多加實際應(yīng)用和不斷改進，必定能不斷充實可靠性設(shè)計的實際經(jīng)驗，提高應(yīng)用的價值。

參考文獻：

[1]巴海濤，湯扣林，許銳鋒.計維修指揮信息系統(tǒng)可靠性設(shè)計[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2010(8).

[2]蔣賢志，賈愛梅.指揮控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計與評估方法研究[J].艦船電子工程，2010(10).

[3]湯扣林，徐大勇，許銳鋒.指揮信息系統(tǒng)軟件可靠性設(shè)計[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2013(10).

作者簡介：劉若珍（1978-），女，工程師，碩士，研究方向：信息系統(tǒng)工程；陳玥文（1982-），女，工程師，大學(xué)本科，研究方向：信息系統(tǒng)工程。