淺談軟件失效模式與影響分析

趙昶宇，劉云卿

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淺談軟件失效模式與影響分析

趙昶宇，劉云卿

（天津津航計算技術(shù)研究所，天津 300308）

軟件失效模式與影響分析應貫穿于軟件的整個研制周期，可以幫助設(shè)計者較早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并提出改進措施和避錯容錯方案。按照軟件產(chǎn)品的生命周期，將軟件失效模式與影響分析分為系統(tǒng)級、功能級、接口級和詳細級4個層次，并對每個層次的分析方法進行了闡述。

SFMEA；影響分析；分析方法；故障診斷

軟件失效模式與影響分析（SFMEA）是提高系統(tǒng)可靠性的重要方法，它分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品可能發(fā)生的故障模式及其對系統(tǒng)可能造成的所有影響，是一種自下而上歸納的系統(tǒng)可靠性分析，最底層一級的影響逐級向上傳播，直到系統(tǒng)的最頂層。SFMEA關(guān)心的重點是“如果軟件的單元和部件運行不正確會帶來什么樣的影響”，它對軟件的單元和部件進行失效假設(shè)，然后分析到系統(tǒng)一級，得出導致的后果。SFMEA的優(yōu)勢在于它從軟件的失效入手，能夠從反面角度提供更多的可靠性信息，并采取測試以外的方法來改善軟件的可靠性和安全性。本文在對SFMEA理論方法和實施過程研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)產(chǎn)品的生命周期，將SFMEA分為4個層次：系統(tǒng)級SFMEA、功能級SFMEA、接口級SFMEA和詳細級SFMEA。層次之間的關(guān)系和模型如圖1所示。

圖1 SEMEA層次模型

1 系統(tǒng)級SFMEA的分析方法

系統(tǒng)級SFMEA主要用來評價軟件的體系結(jié)構(gòu)，確保軟件結(jié)構(gòu)能夠抵御失效所帶來的影響，降低軟件風險。一般應該在軟件項目開發(fā)中實施系統(tǒng)級SFMEA，它的分析結(jié)果能夠為功能級和接口級SFMEA提供指導依據(jù)。

在軟件的需求分析階段，通過仔細研究軟件的需求規(guī)格說明文檔，識別軟件需求規(guī)格說明中規(guī)定的任務(wù)關(guān)鍵要求和失效的關(guān)鍵因素，并對任務(wù)關(guān)鍵要求和失效的關(guān)鍵因素進行重點分析。通過系統(tǒng)級SFMEA分析來保證軟件體系結(jié)構(gòu)能夠抵御軟硬件失效所帶來的影響，降低軟件風險。需要值得注意的是，系統(tǒng)級SFMEA需要在開發(fā)階段的各個過程中不斷地重復進行，后期還需與詳細級SFMEA同步進行，在這個過程中一定要充分考慮到SFMEA分析的成本和軟件開發(fā)的成本。

當軟件的原型結(jié)構(gòu)設(shè)計完成并且每個軟件模塊的功能要求確定后，就可以開展系統(tǒng)級SFMEA分析工作。系統(tǒng)級SFMEA分析的目的是鑒定軟件結(jié)構(gòu)的安全性和魯棒性，重點是從系統(tǒng)的角度分析軟件各個子模塊的輸出和各個模塊之間匹配的協(xié)調(diào)性。

根據(jù)相應的軟件可靠性國標和國軍標，將系統(tǒng)失效模式分為以下幾類：①輸入錯誤；②輸出錯誤；③錯誤的返回值（優(yōu)先順序、不能返回等）；④優(yōu)先權(quán)錯誤；⑤資源沖突。

2 功能級SFMEA的分析方法

功能級SFMEA用于分析軟件中完成某一特定功能的模塊，它把潛在的軟件錯誤看成是軟件執(zhí)行上的失效。一個軟件具有多種功能，而每一種功能又可能具有多種失效模式，必須針對每一功能模塊分別找出全部可能的失效模式。功能級SFMEA的目的是幫助軟件設(shè)計者對影響軟件功能的各種故障都進行周密考慮，有助于找出對系統(tǒng)有重大影響的故障模式并分析其影響程度采取改進措施；也有助于設(shè)計者全面系統(tǒng)地了解各個軟件模塊之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系。功能級SFMEA能夠發(fā)現(xiàn)潛在軟件內(nèi)部流程設(shè)計缺陷、模塊間配合和交互過程中的問題，能夠遍歷各種缺陷對系統(tǒng)的所有影響，并發(fā)現(xiàn)需求規(guī)格中沒有明確但又必須明確的可靠性問題。

在進行功能級SFMEA分析時，通常可采用“黑盒子”方法，將各個軟件模塊看作一個內(nèi)部代碼未知的“黑盒子”，“黑盒子”的功能是已知的，然后對軟件模塊的失效模式進行定義和分類。分析過程中不僅應考慮軟件功能實現(xiàn)的問題及其導致的處理過程失效，還應考慮其他環(huán)境因素導致的處理過程及輸出結(jié)果失效。比如數(shù)據(jù)或消息交互過程中的通信故障、軟件處理過程中的異常丟包、數(shù)據(jù)存儲過程中的存儲介質(zhì)失效、人為誤操作等。

對軟件功能進行SFMEA的對象可以是一項處理流程，也可以是一系列的處理流程；可以是純軟件過程，也可以是軟硬件結(jié)合的處理流程。選擇分析的重點在業(yè)務(wù)處理相關(guān)、狀態(tài)機復雜、處理過程復雜、多進程多模塊之間的交互等。在進行分析之前，應先熟悉模塊的架構(gòu)、功能和處理流程，并對功能進行分解，劃分出模塊的功能流圖。對軟件流圖中的每一個步驟，應列出其所有輸出條件（能夠執(zhí)行該功能或到達該狀態(tài)的所有先決條件），但不限于應用場景、用戶操作、輸入?yún)?shù)和傳入的消息等。此外，還應充分考慮軟件流圖中的每一個步驟的故障模式，判斷其發(fā)生的可能性，并對故障模式的全面性和正確性進行評審。

3 接口級SFMEA的分析方法

接口級SFMEA用于分析影響軟件模塊之間或者軟件和系統(tǒng)硬件之間的失效。對于軟件接口模型，可以利用基于行為的失效模式影響分析來找出失效模式和影響，為失效模式的影響分析提供定性和定量的信息和數(shù)據(jù)。

接口級SFMEA的分析方法和步驟具體為：①對所要分析的軟件接口模型的失效模型進行定義和分類；②對接口模型進行行為描述；③對軟件結(jié)構(gòu)分解后的接口級元素進行失效模式與影響分析，采用表1這樣的形式填表。

表1 接口級SFMEA分析表格

組件功能失效模式原因失效影響嚴重度 局部影響上層影響系統(tǒng)影響

軟件接口的失效模式可分為以下幾種：①模塊的參數(shù)單位與模塊接收的輸入變量單位不一致；②模塊的參數(shù)屬性與模塊接收的輸入變量屬性不一致；③模塊的參數(shù)個數(shù)與模塊接收的輸入變量數(shù)量不一致；④模塊的參數(shù)次序與模塊接收的輸入變量次序不一致；⑤傳遞給被調(diào)用模塊的變量單位與該模塊參數(shù)的單位不一致；⑥傳遞給被調(diào)用模塊的變量屬性與該模塊參數(shù)的屬性不匹配；⑦傳遞給被調(diào)用模塊的變量數(shù)量與該模塊參數(shù)的數(shù)量不相同；⑧傳遞給被調(diào)用模塊的變量次序與該模塊參數(shù)的次序不一致；⑨修改了只作為輸入值的變量；⑩全局變量在所有引用它們的模塊中有不相同的定義；?存在把常數(shù)作為變量傳送的情況。

4 詳細級SFMEA的分析方法

詳細級SFMEA的工作是在軟件詳細設(shè)計階段后期進行，其主要依據(jù)是軟件詳細設(shè)計說明。詳細級SFMEA可以確定模塊設(shè)計是否達到軟件的安全性要求，識別具體的失效情況，確定失效的根本原因。詳細級SFMEA針對每個模塊推測每個變量和算法的失效模式，通過代碼跟蹤這些失效模式產(chǎn)生的影響，將得到的結(jié)果與軟件風險分析相比較從而識別出潛在的失效。

窮盡分析某模塊的所有變量是沒有必要也是不現(xiàn)實的，而且還使分析重點不夠突出。在軟件開發(fā)過程中，根據(jù)不同需要定義不同類型變量，所以不同類型的變量有著不同的作用以及重要性，SFMEA中重點關(guān)注以下類型變量：①有多個函數(shù)進行調(diào)用的全局變量發(fā)生失效，那么系統(tǒng)將會受到連鎖影響，需要對這部分全局變量進行深人分析。②外部的參數(shù)變量。人工設(shè)置的參數(shù)合適與否直接影響著系統(tǒng)的運行。③算法輸出變量。對于軟件，算法是重要組成部分，計算出的結(jié)果直接控制系統(tǒng)的動作，算法的失效模式轉(zhuǎn)化成計算出的相關(guān)變量的失效。④軟件接口變量，包括軟件和軟件之間（函數(shù)調(diào)用、進程通信等）、軟件和硬件之間（設(shè)置數(shù)模轉(zhuǎn)換端口到指定值）、硬件和軟件之間（軟件讀取溫度傳感器）、硬件和硬件之間的失效。硬件受到環(huán)境影響，其在傳輸過程中會出現(xiàn)差錯，硬件輸入的變量是在實際中常常出現(xiàn)問題的變量。

常用的詳細級SFMEA的分析方法有以下3種。

4.1 危險-原因-關(guān)鍵軟件變量關(guān)系分析

通過確定危險所對應的輸入、輸出變量值的對應范圍來標識、定位可能的軟件缺陷，并在軟件的可靠性和安全性設(shè)計中采取相應的措施，可采用表2這樣的格式。

表2 危險-原因-關(guān)鍵軟件變量關(guān)系分析表

失效模式關(guān)鍵軟件變量 危險原因變量1變量2…變量n 危險1原因1對應值范圍對應值范圍…對應值范圍 …………… 危險2原因1對應值范圍對應值范圍…對應值范圍 原因2對應值范圍對應值范圍…對應值范圍 ……………

4.2 矩陣分析法

矩陣分析法是以軟件的功能和邏輯為主要的分析對象，在軟件的概要設(shè)計完成后開始，在以后的各開發(fā)周期反復地進行，分析結(jié)論指導設(shè)計和測試，達到將軟件缺陷消滅在設(shè)計的測試階段，提高軟件的可靠性和安全性。矩陣分析法可采用表3這樣的格式。

4.3 變量失效模式分析

詳細級SFMEA不僅要考慮軟件本身的失效模式比如賦值錯、變量調(diào)用錯誤等，還要考慮輸入數(shù)據(jù)的錯誤，并根據(jù)具體開發(fā)語言和編譯環(huán)境來確定其失效模式。變量失效模式分析可采用表4這樣的格式。

5 結(jié)束語

隨著艦載火控系統(tǒng)的不斷發(fā)展，測試性設(shè)計在艦載火控系統(tǒng)乃至整個武器系統(tǒng)總體性能設(shè)計中的地位和作用越來越突出，產(chǎn)品必須進行測試性設(shè)計。艦載火控系統(tǒng)設(shè)計性能中的高可靠性、高維修性和高測試性的結(jié)合，可達到提高艦載火控系統(tǒng)可用性和降低系統(tǒng)壽命周期費用的目的，這正是艦載火控系統(tǒng)追求的最終目標。

表3 矩陣分析表

失效模式關(guān)鍵軟件變量 輸出變量1輸出變量2…輸出變量n 輸出變量1失效模式1輸出值輸出值…輸出值 失效模式2………… 執(zhí)行邏輯失效模式1輸出值輸出值…輸出值 失效模式2………… ……………… ……………

表4 軟件變量失效模式分析表

變量類型失效模式代碼 布爾量False（本應為True）F True（本應為False）T 數(shù)值量太小L 太大H ………

［1］張仝偉，石柱.SFMEA方法在飛行控制軟件中的應用［J］.航天控制，2007，25（2）：58-63.

［2］吳邦國，唐任仲.軟件FMEA技術(shù)研究［J］.機電工程，2004，21（3）：8-12.

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2095－6835（2018）21－0001－02

TP311.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.001

趙昶宇（1982—），男，陜西漢中人，工學碩士，高級工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)軟件測試方面的研究。

〔編輯：嚴麗琴〕