使用RFID技术评估文件管理系统的软件可靠性的方法外文翻译资料

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使用RFID技术评估文件管理系统的软件可靠性的方法

1军事技术大学控制论系，00-908华沙，Kaliskiego 2，波兰

抽象:本研究提出的审议是指使用RFID技术评估文件管理系统软件可靠性的方法。提出了一种确定讨论软件可靠性结构的方法，该方法被理解为评估组件可靠性的指标向量。分析软件的模型是控制转换图，其中在系统运行过程中激活单个组件的概率来自于表征实际工作环境的所谓操作配置文件。可靠性结构是通过解决特定的数学软件任务而建立的。通过了解软件的可靠性结构，可以恰当地规划构建软件所需的时间和金融支出，以满足可靠性要求。所提出的方法的应用通过数字例子来说明，对应于RFID文档管理系统的软件实际。

1介绍

软件可靠性是软件质量最重要的指标之一。对软件可靠性进行建模的一种方法是将软件视为单一整体，同时考虑其与外部环境的相互作用，而不尝试对软件的内部结构进行建模。这种方法不适用于建模复杂的内部架构的大型IT系统。利用其内部结构的知识，需要软件可靠性的模型技术，例如，模块结构。确定软件结构的基本单位是它的组件通常是一个模块被理解为一个逻辑上独立的软件元素，它具有很好的特定功能。这意味着这些模块可以独立设计，实施和检查。

软件的行为取决于不同软件模块相互影响的方式，由软件架构定义。只有在执行计算机程序的过程中才会出现以相互控制传输形式存在的不同模块之间的交互。软件架构还可能包含一些关于各个模块激活频率的信息。软件运行时，可能会出现与软件错误相关的一些紧急情况。软件错误可能与任何模块的实现或两个模块之间的控制权交接有关。各种软件可靠性指标描述了在软件使用过程中发生某些紧急情况的可能性。被检查软件的组件（模块）结构的知识允许使用指标，其值取决于这样的结构和其特定元素的可靠性指标。根据在这方面应用的方法，可以根据以下内容来区分两种可靠性建模过程的方法：基于源代码指令设置的结构，基于逻辑路径的结构[6]。

基于由源代码设置的用于建模软件体系结构的体系结构的模型使用所谓的控制转移图，说明在源代码块之间转移控制的可能性。结构上的节点由所谓的程序控制准则指示。通常在所讨论的类的模型中假设它们之间的控制转移可以用马尔可夫链来描述。这个假设意味着在将特定模块实施到其他模块之后的控制传输不依赖于之前激活的程序块。该软件体系结构由马尔可夫链建模，例如，离散的状态和时间。这些模型的代表性例子可以在研究中找到[1,5,9,11,13]。

在基于逻辑路径概念的模型中，软件体系结构也由源代码的不同块创建，例如，这些模块并不作为独立的组件进行分析，而是作为通过适当的一组输入数据激活给定路径的情况下逐一执行的组件序列。了解创建给定逻辑路径的组件的可靠性指标的值，可以使用软件体系结构的知识来确定整个软件的可靠性指标的值。基于逻辑路径的模型的代表性例子可以在研究中找到[8,17,23]。

值得一提的是，除了上述用于对软件可靠性建模的方法之外，还可以使用基于软件体系结构和观察到的软件错误结果的模型替代模型，例如，在软件测试期间，在实践中被应用。在此基础上，制定了两个随后错误发生时刻之间的工作时间分配假设。这些模型的代表性例子可以在研究中找到[4,10,12,14,20,22,24]。

在软件工程实践的基础上，无论采用何种方法和生产技术，软件质量显然都是生产过程中产生的时间和费用的函数。由于该过程通常是在预算有限的情况下执行的，所以可用资金的使用方式应能最大限度地提高所生产软件的质量。在实践中经常用来实现这一目标的方法是确定关键组件为了整个软件的正常运行并特别关注其生产过程。值得一提的是，通过应用形式化的数学建模方法和运行研究，可以显着促进减少软件生产过程中所需的时间和成本问题的解决方案。这种方法的例子可以在例如[3-4,6-7,15,21]中找到。

本研究的讨论主题是使用RFID技术生产文档管理软件的资金分配，该软件具有已知的组件结构，假定软件生产过程涵盖其组件的独立生产。在进一步的讨论中，所讨论的软件的组件将被称为软件模块或模块。根据之前的想法，上述资金的分配包括特定模块对整个软件的正确运行的影响。所讨论的软件的模型是控制转移图，其中在系统操作期间激活特定组件模块的概率源自软件的所谓操作概况，表征其实际工作环境。在对所谓的软件可靠性结构进行分析的基础上，确定模块的执行对整个软件系统的正确功能的影响最大，这些模块被称为组件。作为解决特定数学软件任务的结果，将建立最佳结构。利用RFID技术，文件管理系统的软件可靠性结构的知识允许适当规划其生产所需的时间和费用。应该强调文献[1]中的方法，例如确定软件特定组件模块的含义，是基于所谓敏感性分析的结果，即对影响的分析根据所采用的软件质量指标的值来改变特定模块的可靠性指标的值。

2检查软件的特征

假定检查的软件具有模块结构，其中术语“模块”具有软件工程中通常给出的含义，即逻辑上独立的软件组件，其通常执行一个功能。逻辑独立性意味着技术独立性，即模块可以独立设计，实施和测试。具有上述模块结构的软件的典型生产过程包括识别和分离组件模块，各个模块的独立性能以及它们随后的集成（通常在集成测试期间）为一个模块。

研究的目的，所分析的软件将由图形表示，其中一组顶点对应于所选组件模块的数量和一组弧的数目，表征在出现故障期间在模块之间传递控制的可能性，软件的运行。在不影响本文中的熟食店的情况下，可以假定所讨论的软件具有一个输入和一个输出模块。在文献中，具有提供的值的图被称为软件的控制转移图[1,16]。

是指被检查软件的一组模块编号，其中为简化起见，输入模块的编号为1，输出模块的编号为M.

被检查软件的可靠性结构将被理解为向量，其特定组件是组件模块的可靠性指标，其中模块的可靠性指标构成其正确，单一执行的概率。软件针对其特定输入数据集的执行包括激活某些相应的模块序列，从而创建所谓的软件逻辑路径。假定所检查的软件的可靠性度量是其对于单组输入数据正确执行的可能性。概率等于正确执行模块的概率的乘积，这些模块是从初始模块到最终模块的路径的一部分，由给定的一组输入数据激活。软件模块的可靠性取决于许多因素，例如设计者的资质和经验，应用生产技术，所花费的时间和费用等。在研究中假设转移控制的过程是在软件执行期间模块之间是马尔可夫链。特别是，这意味着pij事件的概率包含这样的事实，即在执行第i个模块之后，第j个模块将在下一个，不依赖于控制权转移给第i个模块之前发生的事情。软件组件模块在其执行过程中传输的概率pij，i，j M源自软件的所谓操作配置文件，表征其实际工作环境。当向软件控制图添加两个分别对应于软件执行的正确和不正确完成的附加状态时，马尔可夫链分别以两种吸收状态获得，而根据之前的假设，可靠性指标被定义为其对于单个输入数据集适当执行的​​可能性可以被计算为通过所讨论的马尔沃夫过程实现对应于正确和不正确地完成软件执行的吸收状态的概率。预测的马尔可夫链明确地表征了转移矩阵，根据所采用的假设，转移矩阵的形式：

其中前两行和第一列分别对应于一组输入数据分别对应于软件执行的正确和不正确的完成。

令P（R）表示通过从矩阵P（R）中排除前两行和前两列而获得的矩阵。 可以证明具有可靠性结构R的软件R（R）的可靠性指标被理解为其对于单组输入数据正确执行的概率，由公式[6]定义，

其中S1M是位于矩阵S（R）的第一行与第M列的交点处的元素，其以如下方式定义：

其中I是与矩阵P（R）相同类别的单位矩阵。

3软件可靠性结构的优化

令Km表示第m个软件组件模块的生产成本，其可靠性指标为Rm，m M。

当假定特定模块的生产成本是其可靠性指标Km fm（Rm），m M的已知函数时，可以通过适当配制的数学编程来确定软件可靠性结构，这可以理解为一种生产计划，并形成实际的观点，特别是两项任务可能是有用的：

·一个标准优化任务，包括将软件可靠性指标的价值最大化作为目标函数，以软件生产的最大允许成本为限；

·两项标准优化任务，以软件可靠性指标和其生产成本作为目标的矢量函数，确保确定允许的软件可靠性结构，即确保达到所要求的最小可靠性水平并且不超过最大，允许的软件生产成本。

最佳软件可靠性结构在计划生产阶段的知识允许识别对于整个软件的可靠性而言最重要的模块，并因此允许以这样的方式分配可用资金，即所生产的软件完全符合假定的可靠性要求。

当考虑引入的指定和作出的假设时，上述第一个优化任务可以用下列方式表达：

最大化：

考虑限制：

上述第二个优化任务的表述可以采用以下形式：

R - 允许的解决方案集合，按以下方式定义：

F - 解决方案质量指标：

其中值R（R），K（R）按以下方式定义：

- 优势关系如下：

其中Y是所谓的以下列方式定义的标准空间：

第一个制定的任务是单标准优化。其本质以及因此解决方式很大程度上取决于软件可靠性指标R（R）的类别（分析形式）及其生产成本K（R）。第二个制定的任务是非线性双标准优化任务。其解决方案可以根据用于解决优化任务的通常采用的方法来确定

[18]。根据这种方法，任务（5） - （9）的解决方案尤其需要确定以下数据：

·主导策略的集合，

·一套非主导策略，

·一套妥协策略。

由于定义组件标准函数R（R）和K（R）为主题任务的相关性（7）的性质，因此应该预期该组解决方案将是空的。因此，在所讨论的情况下，确定非支配性解决方案集合及其潜在缩小的问题通过设定一套妥协方案，变得具有实际意义[18]。作为任务（3） - （7）的解决方案的可靠性结构R *另外使软件可靠性指标R（R）的值最大化并使其生产的K（R）的成本函数的值最小化。

4案例研究 - 使用RFID技术的文件管理系统的软件可靠性

所提出的用于确定软件可靠性结构的方法将通过一个数字实例来说明，该实例与文件管理系统软件的实际情况一致，使用RFID技术。 所讨论的软件的控制转移图将如图1中所定义。

图1.讨论的软件的控制转移图

根据图1，很明显，所讨论的软件的模块的数量集合是M {1,2,3,4,5}的形式，其中模块1是初始模块，模块5 - 最后一个模块。软件的模块结构由向量R（R1，R2，R3，R4，R5）定义。

在软件执行过程中，模块之间的控制传输的概率pij应采用以下形式：

p11 = 0，p12 = 0.6，p13 = 0.3，p14 = 0，p15 = 0.1，

p21 = 0，p22 = 0，p23 = 0，p24 = 1，p25 = 0，

p31 = 0，p32 = 0，p33 = 0，p34 = 1，p35 = 0，

p41 = 0.3，p42 = 0.2，p43 = 0.4，p44 = 0.1，p45 = 0。

使用相关性（1），具有可靠性结构R的软件可靠性指标R可以基于公式R（R）S15（R）R5来定义，其中值S15可以基于相关性（2）或程序包Mathema-tica [19]，它允许执行符号计算。

图1模块结构的上述软件包的使用和上述传输概率pij提供了以下关于概率S15的依赖关系：

为形成先前讨论的优化任务，假定具有可靠性指标R i的第i个模块的生产的成本K i（R i）：

KSi - 第i个模块生产成本的固定组成部分，独立于其质量水平Ri，

alpha;i，beta;i - 第i个模块的生产成本的曲线形状的系数，取决于i.a. 在其复杂性，使用技术，设计和编程团队的资格等方面。

数值KSi，i i和Kmax定义如表1所示。

对于图1软件的模块结构和表1中的数值数据，在前一小节中提出的优化任务的解决方案，即单标准优化任务（3） - （4）和多目标优化任务 任务（5） - （9）将被确定。

表1.用于计算的值KSi，alpha;i，beta;i，Kmax的数字。

当使用现代计算机技术创造的可能性时，这两项任务都可以通过全面的审查方法解决。 为此，将创建一组所有可能的可靠性结构，

到小数点后两位。 该组中的向量数为，其中7770满足限制条件（4）。

表2.单标准优化任务的解决方案

表2显示了软件可靠性指标（1）的值和模型软件的生产成本，依赖于依赖性，

对于分析软件的上述可靠性结构集合中最重要的（从所寻求的解决方案的角度来看）Ki（Ri）的成本在公式（11）中定义的Ki（Ri）。 对应于禁止解决方案的线，即矢量

在不符合限制条件（4）的情况下，以较浅的颜色标记。向量是单标准优化任务（3） - （4）的最优解。 表1中的相应行用阴影表示。 最佳解决方案对应的软件可靠性指标的值为R(R*)=0.87,与软件的生产成本K(R*)=158 481.43 euro;。

为了进行分析以获得最佳解决方案R *，执行软件可靠性指标的灵敏度评估：R（R）相对于两个水平值的特定模块的可靠性指标值的单个变化的指标R（R）。结果在表3中给出。值得注意的是，指标R（R）的增长值与其实现成本的比率对于模块3是最不利的。这意味着增加指标R 3的值是最昂贵的。值得一提的是，这一事实反映在最优解R *的价值结构中。

由于在两个标准优化任务（5） - （9）中存在的组件准则函数具有相反的性质（软件生产成本降低，而软件可靠性指标的值最大化），这项任务的主导解决方案是空的。因此，必须在非主导解决方案中寻求解决方案。

表3.软件可靠性指标值及其生产成本在Ri = 0

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