嵌入式電子信息系統可靠度優化*

白 鑫， 呂麗平， 衛 琳(. 鄭州升達經貿管理學院 信息工程系， 鄭州 459； . 鄭州大學 軟件與應用科技學院， 鄭州 45000)

嵌入式電子信息系統可靠度優化*

白 鑫1，2， 呂麗平1， 衛 琳2
(1. 鄭州升達經貿管理學院 信息工程系， 鄭州 451191； 2. 鄭州大學 軟件與應用科技學院， 鄭州 450002)

針對傳統的可靠度優化方法一直存在優化不準確的問題，提出一種新的嵌入式電子信息系統可靠度優化方法.通過分析嵌入式電子信息系統的工作原理，分別對嵌入式電子信息系統故障密度函數、失效率、平均壽命、可用度進行優化，建立嵌入式電子信息系統可靠度約束模型，計算出最優狀態下的可靠度參數.測試實驗結果證明，采用提出的可靠度優化方法對嵌入式系統進行優化，系統的使用壽命、建模準確度、可用度均有一定的提高，具有一定的實用性.

嵌入式； 電子信息系統； 可靠度優化； 計算方法； 建模； 密度函數； 約束模型

嵌入式系統作為單片機的升級版是當今研究的熱門領域，在電子設備研發已趨于穩定的今天，嵌入式系統的應用范圍也更加廣泛，嵌入式系統所依托的軟硬件技術得到了快速發展，系統的研發過程趨于復雜化[1-2].人們將嵌入式與電子信息系統相結合，使其能在航天航空、國防建設、核電能源及交通控制等關鍵安全領域有著廣泛的應用，并發揮著不可替代的作用[3-5].在技術進步和外部需求的推動下，嵌入式系統的功能不斷擴展，系統規模日趨龐大及復雜，系統的缺陷和故障率也在不斷的增加[3].但由于系統受到開發技術、系統理論及保障技術等條件的限制，嵌入式系統的可靠度無法保證.這種情況下用戶會對系統的可靠性產生質疑，故提高嵌入式相關電子信息系統的可靠度也變成了該領域亟待解決的問題，受到了廣大學者的關注[6-7].

文獻[8]提出一種智能嵌入式電子信息系統可靠度提升方法，該方法通過在嵌入式電子信息系統中增加控制模塊，實現嵌入式電子信息系統的直接智能控制，增加了系統的可靠度.該方法雖然能夠提高系統的可靠度，但是系統中控制模塊的故障問題無法避免.文獻[9]提出一種系統軟件剝離方法加強嵌入式系統的可靠度.該方法主要將嵌入式電子信息系統軟件的代碼進行剝離，然后用數字平臺進行測試，再有針對性的對可靠度進行改進.該方法只能適用于結構相對簡單的嵌入式電子系統，當系統復雜時，剝離難度會大大增加.文獻[10]提出一種將系統與其交聯的物理設備建立連接來提升系統可靠度的方法.該方法主要通過將整個系統與其交聯的物理設備真實地建立連接，形成閉環的結構，以增加系統的可靠度.該方法雖然準確真實、相對簡單，但是當系統結構龐大時，其閉環結構也會相應變得十分復雜，導致可靠度不穩定.針對上述問題，本文提出一種新的嵌入式電子信息系統可靠度提升方法，分別對嵌入式電子信息系統故障密度函數、失效率、平均壽命及可用度進行優化，建立嵌入式電子信息系統可靠度約束模型，并通過實驗證明該約束模型的有效性與可靠性.

1 系統可靠度問題的產生

嵌入式電子信息系統的組成結構如圖1所示.嵌入式電子信息系統的可靠度主要受到其硬件的影響，硬件組成具有多樣性，有些小系統只有1 kB的數據空間，16 kB的程序空間；而大系統一般具備特定的應用目標，故其FLASH MEMORY能夠達到32 MB，SRAM達到128 MB；實時性要求較高的系統需具備工作頻率1 GHz的64位處理器；而其他硬件部分(主要包括外設器件、I/O端口及圖形控制器等)性能不同也會影響到系統的穩定性.

嵌入式電子信息系統不同于計算機系統利用硬盤來存取信息，大多使用EPROM、EEPROM或閃存作為存儲介質.嵌入式電子信息系統的計算主要由操作系統及應用程序組成，其需要對計算中硬件存在的差異進行補平，為應用程序提供統一的系統接口，完成內存管理、任務調度的控制，但是其硬件的不兼容和軟件的不穩定都會造成可靠度下降.由于嵌入式系統本身自帶ROM的容量有限，系統的應用程序需要在EOS基礎上完成特定應用任務，但嵌入式電子信息系統本身無自主開發能力，用戶必須通過一套開發工具和環境進行二次開發，這也會造成系統可靠度的下降.

圖1 嵌入式電子信息系統組成Fig.1 Composition of embedded electronic information system

通過以上分析可知，造成嵌入式電子信息系統可靠度不穩定的原因主要有以下幾點：

1) 硬件環境不穩定.硬件環境是整個嵌入式電子信息系統中操作系統和應用程序運行的平臺，不同的應用程序通常要求不同的硬件環境，硬件環境的多樣性是嵌入式電子信息系統可靠度不穩定的主要原因.

2) 嵌入式操作系統不穩定.嵌入式應用的任務調度和控制等核心功能由操作系統完成，嵌入式芯片具有內核精簡、可配置、與高層應用緊密關聯及相對穩定等特點[11]，但是芯片與系統兼容性上存在較大問題，這也是造成可靠度不穩定的原因.

3) 嵌入式應用程序不穩定.雖然操作系統提供了較為完整的嵌入式運行機制，但操作系統上的各種程序編程環境不同[12-13]，差異化的應用程序也會影響到系統的可靠度.

2 系統可靠度優化建模

如何提高嵌入式電子信息系統的可靠度，使其能夠應用于各種不同的環境是嵌入式電子信息系統發展中必須要解決的關鍵問題.本文通過對嵌入式電子信息系統故障密度函數、失效率、平均壽命及可用度4個指標進行可靠度優化建模，達到優化嵌入式電子信息系統可靠度的目的.

2.1 故障密度函數的約束與優化

故障密度是檢測嵌入式系統的一個有效因素，因此以故障密度函數作為一項約束條件.假設T0為嵌入式電子信息系統的硬件總數，Nf(t)為t到t+Δt時間段內系統產生故障的次數，則嵌入式電子信息系統的最小故障密度約束函數為

(1)

本文采用積分奇異性半解析處理方法，對嵌入式電子信息系統的故障密度函數進行優化，達到降低系統故障次數的目的，優化后的系統故障密度函數為

(2)

2.2 失效率的約束與優化

嵌入式電子信息系統的失效率定義為嵌入式系統在某時間段內出現失效的概率[13]，即系統工作到t時刻后，在單位時間段內發生的失效設備數與在時刻t仍正常工作設備的比值，其表達式為

(3)

式中：Ns(t)為t時刻仍正常工作的設備數；N(t)為失效設備數.系統的失效率分析如圖2所示.

圖2 嵌入式電子信息系統失效率分析Fig.2 Failure rate analysis for embedded electronic information system

由圖2可以看出，嵌入式系統早期失效期時，其失效率較高，但可以通過內部調整的辦法進行消除.偶然失效期內系統發生故障率較低且較穩定，是系統運行最穩定的時期，在這期內系統發生失效的概率較低，大部分都出于偶然因素(如突然過載等).特定失效期多為系統使用時間過長等因素導致的，如果能預判出現損耗的時間，即可通過及時調整降低失效率.

2.3 平均壽命的約束

(4)

則系統在狀態X(0)=i0，X(1)=i1，…，X(n)=in已知的條件下，X(n+1)的條件概率與X(0)=i0，X(1)=i1，…，X(n-1)=in-1無關，僅與X(n)所處的狀態in有關，則此時的平均壽命可表示為

(5)

式中，T為系統運行時間.

2.4 可用度的優化模型

假設Xk(t)=1表示系統處于可使用狀態，系統Xk(t)=0表示系統處于故障狀態，則此時系統的可用度模型可表示為

(6)

在獲取可用度模型后通過積分對系統可用度進行優化，優化后的模型表示為

(7)

在優化上述指標的基礎上，建立嵌入式電子信息系統可靠度模型.假設，嵌入式電子信息系統的壽命分布和故障后的維修時間分布均為指數分布，則修復后的系統壽命分布不變.故可得到整個系統的可靠度數學模型為

(8)

式中，B為系統的故障概率.

3 實驗結果分析

為了驗證所提出的可靠度優化方法在嵌入式電子信息系統中的實用性，以Timenet4.0為實驗工具對系統可靠度進行了分析，仿真參數如表1所示.

表1 實驗仿真參數Tab.1 Simulation experimental parameters

3.1 故障率

在系統運行硬件配置相同的情況下，采用改進可靠度優化方法與文獻[7]所提出的可靠度優化方法進行實驗分析，得到故障率對比結果如圖3所示.

由圖3可以看出，采用文獻[7]提出的可靠度優化方法時，其故障率隨著使用時間的增加逐漸增加；本文所提出的方法雖然在使用時間增加時，其故障率也一直在增加，但相比文獻[7]提出的可靠度優化方法，其故障率增加有限，且一直低于文獻[7]提出的方法.

圖3 不同方法下故障率對比結果Fig.3 Compared results of fault rate with different methods

3.2 平均壽命

在系統消耗功率相同的情況下，利用本文的可靠度方法及文獻[7]所提出的可靠度優化方法時，系統的平均使用壽命隨系統每分鐘運行時間的變化曲線如圖4所示.

圖4 不同方法下系統平均壽命對比結果Fig.4 Compared results for average life of system with different methods

由圖4可知，采用本文提出的可靠度優化方法其平均壽命雖然一直處于波動狀態，但要一直優于文獻[7]系統的平均壽命；而文獻[7]所提出的方法雖然在每分鐘運行0～5 s時使用壽命處于穩定狀態，但在10～20 s時突然下降，之后雖有一定的升高，但總體平均壽命仍然不高，處于下滑狀態.

3.3 可用度分析

圖5給出了改進系統與文獻[7]所提出優化算法的可用度隨系統運行時間的變化對比曲線.

由圖5可知，采用文獻[7]所用的方法，其可用度在0～40 min時間段內一直處于上升趨勢，但在40 min后突然開始下降，且無法繼續上升，使得其平均可用度約為30%；采用本文提出的可用度優化方法，其在0～30 min時間段內雖然可用度上升緩慢，但在30 min后迅速上升，且再未下降，平均可用度達到了52%，相比文獻[7]所用的方法，平均可用度增加了22%.

圖5 不同方法下系統可用度對比結果Fig.5 Compared results for availability of system with different methods

3.4 失效率

本文分別采用改進的系統可靠度優化方法與文獻[6]、[7]所用的可靠度優化方法進行失效率對比分析，得到的對比曲線如圖6所示.

圖6 不同方法下失效率對比結果Fig.6 Compared results for failure rate with different methods

由圖6可知，采用文獻[6]所用的方法，其失效率一直處于波動狀態，雖然在10～30 min及80～110 min都有明顯的下降趨勢，但穩定性較差；采用文獻[7]所用的方法，其系統的失效率波動較文獻[6]有了一定改善，且平均的失效率有了明顯的降低；采用本文改進方法時，其失效率一直處于波動下降的狀態，且在70 min之后再無上升，使得其最終失效率降約為16%，其失效率明顯低于文獻[6]、[7]所用的方法，具有一定的優勢.

4 結 論

本文提出一種嵌入式電子信息系統可靠度優化方法，通過分析嵌入式電子信息系統的工作原理，分別對嵌入式電子信息系統故障密度函數、失效率、平均壽命及可用度4個指標進行優化.通過與傳統方法對比表明，采用提出的可靠度優化方法使得嵌入式系統的使用壽命、可用度和效率均有一定程度的提高，具有一定的借鑒價值.

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(責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Reliability optimization method for embedded electronic information system

BAI Xin1,2, Lü Li-ping1, WEI Lin2

(1. Department of Information Engineering, Shengda Trade Economics & Management College of Zhengzhou, Zhengzhou 451191, China; 2. School of Software and Applied Science and Technology, Zhengzhou University, Zhengzhou 450002, China)

Aiming at the problem that the traditional reliability optimization method always has the inaccurate optimization, a new reliability optimization method for embedded electronic information system was proposed. Through analyzing the working principle of embedded electronic information system, the fault density function, failure rate, average life and availability of embedded electronic information system were optimized, respectively. The reliability constraint model for embedded electronic information system was established, and the reliability parameters under the optimal condition were calculated. The test results show that when the optimization for the embedded system was performed with the reliability optimization method, the service life, modeling accuracy, availability of the system get improved, and the method has definite practicability.

embedded type; electronic information system; reliability optimization; calculation method; modeling; density function; constraint model

2016-06-08.

河南省科技攻關資助項目(162102210121).

白 鑫(1980-)，女，河南鄭州人，副教授，碩士，主要從事智能控制及計算機應用等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.11

TP 23

A

1000-1646(2017)04-0417-05

*本文已于2017-03-28 17∶09在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170328.1709.038.html