陽曦鵬，胡璇，鞏宇，李德華，李世勇

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東 廣州 510635；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

故障模式及影響分析（FMEA）是一種發(fā)現(xiàn)潛在故障的方法[1]，其主要目的是為了發(fā)現(xiàn)可能對系統(tǒng)功能或性能造成不良影響的潛在故障模式，并通過計算風(fēng)險優(yōu)先數(shù)（RPN）對其進(jìn)行排序。當(dāng)前FMEA的研究熱點(diǎn)之一是基于知識的重用[2]。首先，F(xiàn)MEA的效果極大地依賴于分析人員的經(jīng)驗(yàn)及其對待分析系統(tǒng)所屬領(lǐng)域的熟悉程度；其次，故障模式極大地依賴于組件，因此在多次FMEA活動中可以被重用[3]。本體（Ontology）是共享概念模型的明確、形式化的規(guī)范說明[4-5]。近年來，采用本體方法對關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析一直是一個熱點(diǎn)。Ebrahimipour V采用本體方法以支持FMEA研究[6]。其研究的主要思想是應(yīng)用本體對FMEA結(jié)果表格中的詞匯形式化。Martin Molhanec提出了一種基于本體的無鉛錫焊FMEA方法[7]。此外，本體方法的使用也能夠在一定程度上克服傳統(tǒng)FMEA方法基于文本描述的局限性并能提供查詢及定位功能。

軟件故障模式及影響分析（SFMEA）由硬件FMEA發(fā)展而來，用于分析軟件系統(tǒng)中的軟件失效對系統(tǒng)造成的可能影響，它的基本思想是：識別軟件存在的潛在的失效模式、評估失效模式對系統(tǒng)的影響，并提出有效的措施或修改意見。它是一種自下而上的分析方法，通常是在軟件初始設(shè)計完成后，即軟件開發(fā)階段的早期展開，分析各種失效模式對整個系統(tǒng)的影響，從而在軟件完成之前為提高設(shè)計質(zhì)量提供依據(jù)。由此可見，SFMEA真正的目的是在軟件的設(shè)計階段就對各種可能的失效進(jìn)行預(yù)計及量化的評估，若有必要還應(yīng)采取相應(yīng)的措施，以防止及避免發(fā)生故障，即防患于未然。

本文提出一種基于本體的SFMEA方法，解決了傳統(tǒng)SFMEA中存在的問題，提升了傳統(tǒng)SFMEA方法的效率和質(zhì)量。

1 實(shí)施SFMEA的必要性

傳統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量問題的解決思想為先找到產(chǎn)品和服務(wù)所出現(xiàn)的所有問題，然后再逐一地解決，通過這種方法不斷地對產(chǎn)品和服務(wù)進(jìn)行技術(shù)和質(zhì)量的改進(jìn)。隨著市場競爭的不斷加劇，這種被動地為了滿足客戶和市場的需要，而不是去主動預(yù)防產(chǎn)品出現(xiàn)問題和改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的做法將會使公司失去競爭力。實(shí)施FEMA就是為了做到防患于未然，使公司在運(yùn)行過程中的風(fēng)險降到最小。以下是實(shí)施FMEA的一些好處[8]。

a）可以確定所有問題的優(yōu)先級

在一個產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)的過程中必定會存在很多的問題和困難。但是，重大的事情總是比較少，而瑣碎的事情總是比較多，總是要先解決當(dāng)前最迫切和最需要解決的問題。FMEA能夠幫助我們確定這種優(yōu)先關(guān)系。

b）提高效率，減少產(chǎn)品的開發(fā)時間和成本

通過對產(chǎn)品故障的發(fā)生度和嚴(yán)重度的評估，確定對故障是采取必要的措施還是制定計劃，或者是忽略該故障，以便減少問題的復(fù)雜性。FMEA讓我們把精力和時間都集中在重要的問題上，減少冗余設(shè)計，進(jìn)一步地降低成本和簡化設(shè)計。

c）為系統(tǒng)、設(shè)計、過程或服務(wù)的開發(fā)過程進(jìn)行指導(dǎo)

在傳統(tǒng)思想上，系統(tǒng)、設(shè)計、過程或服務(wù)的開發(fā)過程所針對的用戶都是最終客戶，顯然這種方法與實(shí)際不符，面對具體的問題時，有時用戶可能是生產(chǎn)線的下一個操作者或者服務(wù)的實(shí)施者。FMEA可以指導(dǎo)我們明確問題的用戶和確定解決方案。

d）預(yù)防潛在故障模式產(chǎn)生的影響，降低和消除產(chǎn)品風(fēng)險，提高企業(yè)的競爭力和形象

FMEA是一種用來評估系統(tǒng)、設(shè)計、過程或服務(wù)等所有可能會發(fā)生的故障的特殊方法，協(xié)助對故障進(jìn)行確定和預(yù)防，確?？紤]了所有可能的故障及其對產(chǎn)品功能的影響。不僅可以維護(hù)客戶的利益，而且能夠保證產(chǎn)品的可持續(xù)性改進(jìn)。

2 SFMEA的基本概念

下面給出SFMEA的幾個基本概念。

a）軟件失效（Software Failure）

泛指軟件在運(yùn)行中喪失了全部或部分功能、出現(xiàn)偏離預(yù)期的正常狀態(tài)的事件。軟件失效是由軟件的錯誤或故障引起的。

b）軟件失效模式（Software Failure Mode）

軟件失效模式是指軟件失效的不同類型，通常用于描述軟件失效發(fā)生的方式和對設(shè)備運(yùn)行可能產(chǎn)生的影響。

c）軟件失效原因（Software Failure Cause）

指包括物理設(shè)備損壞、接口信息錯誤、設(shè)計缺陷和調(diào)用錯誤等方面的基本失效原因，以及初始化信息錯誤等失效原因，這類原因可能會逐步地惡化并導(dǎo)致最終的軟件失效。

d）軟件失效影響（Software Failure Effect）

軟件失效的影響是指軟件失效模式對軟件系統(tǒng)的運(yùn)行、功能或狀態(tài)等造成的后果。

e）危害性分析（Criticality Analysis）

用于表示軟件失效對系統(tǒng)影響的嚴(yán)重程度。通常采用RPN來衡量軟件失效的危害性。RPN由軟件失效模式的嚴(yán)酷度等級、軟件失效模式的發(fā)生概率等級和軟件失效模式的被檢測難度等級的乘積計算得出。

f）軟件失效模式及影響分析（SFMEA）

指對軟件系統(tǒng)中存在的潛在的失效模式進(jìn)行分析的過程。通過分析來決定每種失效對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，并根據(jù)失效的嚴(yán)重級別對各種潛在的失效模式進(jìn)行分類。

3 SFMEA分類

3.1 系統(tǒng)級SFMEA

系統(tǒng)級SFMEA主要對系統(tǒng)的功能方面進(jìn)行失效分析，即從軟件系統(tǒng)的頂層分析軟件失效的模式，常應(yīng)用于軟件開發(fā)階段的早期，如概要設(shè)計階段。系統(tǒng)級SFMEA對軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評估，確保軟件結(jié)構(gòu)能夠抵御軟件失效所帶來的影響，進(jìn)而修改軟件設(shè)計，降低軟件開發(fā)風(fēng)險。其分析的對象是設(shè)計階段早期的高層次的子系統(tǒng)、功能模塊或部件[8]。由于系統(tǒng)級SFMEA側(cè)重于從系統(tǒng)的角度去分析子模塊和各個模塊之間的協(xié)調(diào)匹配，因此可以將各個軟件模塊看做功能已知的黑盒進(jìn)行分析。

進(jìn)行系統(tǒng)級SFMEA不像硬件FMEA那樣簡單，因?yàn)檐浖且环N邏輯結(jié)構(gòu)，而不是一種物理實(shí)體，必須將潛在的失效識別出來并翻譯成軟件術(shù)語。在設(shè)計過程中應(yīng)該盡可能早地進(jìn)行系統(tǒng)級SFMEA，以減少設(shè)計缺陷并降低軟件開發(fā)成本。系統(tǒng)級SFMEA需要在開發(fā)階段的各種過程中不斷地重復(fù)進(jìn)行，后期還應(yīng)與詳細(xì)級SFMEA同步進(jìn)行。值得注意的是在這個過程中要充分地考慮到分析和軟件開發(fā)的成本。

3.2 詳細(xì)級SFMEA

詳細(xì)級SFMEA的任務(wù)是深入軟件模塊內(nèi)部，通過分析每個軟件模塊的變量和算法的失效模式，確定失效影響和產(chǎn)生失效的原因，保證軟件模塊和系統(tǒng)的安全性。由于詳細(xì)級SFMEA對象是已經(jīng)編碼實(shí)現(xiàn)的模塊或由偽代碼描述的模塊，因此如何準(zhǔn)確地描述模塊中語句間的各種依賴關(guān)系是這一部分的關(guān)鍵內(nèi)容[8]。

4 SFMEA的實(shí)施步驟

SFMEA的實(shí)施步驟如圖1所示[9]。

圖1 SFMEA的實(shí)施步驟

4.1 系統(tǒng)定義

首先，繪制軟件功能流程圖，明確軟件系統(tǒng)各軟件部件或軟件單元之間的功能邏輯關(guān)系，即系統(tǒng)自上而下的層次關(guān)系。其次，定義軟件約定層次結(jié)構(gòu)。軟件系統(tǒng)由程序、分程序、模塊和程序單元組成。在定義軟件約定層次時應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，重點(diǎn)考慮關(guān)鍵的、重要功能的軟件部件或模塊。

4.2 軟件故障模式分析

軟件故障模式是軟件故障的表現(xiàn)形式。軟件故障模式分析的目的是針對每個被分析的軟件單元，找出其所有可能的故障模式，如表1所示[9]。

表1 軟件故障模式分類及其典型示例

4.3 軟件故障原因分析

針對每個軟件故障模式應(yīng)分析其所有可能的原因。軟件故障原因往往是軟件開發(fā)過程中形成的各類缺陷所引起的。軟件故障原因按其缺陷分類及典型示例如表2所示。

表2 軟件故障原因按其缺陷分類及典型示例

4.4 軟件故障影響及嚴(yán)酷度分析

軟件故障影響及嚴(yán)酷度分析主要包括軟件故障影響和軟件故障影響的嚴(yán)酷度兩個方面。

a）軟件故障影響

軟件的故障影響必須分析每個軟件故障模式對軟/硬件綜合系統(tǒng)的功能影響，考慮軟件系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，其故障也可以按照功能及硬件FMEA方法分為局部影響、高一層次影響和最終影響，如表3所示。但是，基于軟件的特殊性，在分析軟件的故障影響時，可直接分析其最終影響，也可直接分析軟/硬件綜合系統(tǒng)的影響。

表3 SFMEA表

4.5 改進(jìn)措施分析

根據(jù)每個軟件故障模式的原因、影響及嚴(yán)酷度等級，綜合地提出有針對性的改進(jìn)措施。初始約定層次 任務(wù) 審核 第頁·共頁約定層次 分析人員 批準(zhǔn) 填表日期

5 基于本體的SFMEA方法

本文研究基本本體的軟件系統(tǒng)級FMEA。下面給出基于知識本體的軟件系統(tǒng)級FMEA過程模型如圖2所示，包括：分析了解目標(biāo)軟件、構(gòu)建SFMEA知識本體、確定系統(tǒng)功能并劃分模塊、軟件故障模式分析、軟件故障原因分析、軟件故障影響分析、軟件危害性分析、提出改進(jìn)措施和形成SFMEA報告，以及更新軟件故障模式庫。這一模型在傳統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上增加了構(gòu)建SFMEA知識本體這一過程，使得FMEA知識的重用成為可能，并有助于提高FMEA的質(zhì)量和效率。下面詳細(xì)地介紹SFMEA知識本體構(gòu)建的相關(guān)內(nèi)容。

圖2 基于本體的FMEA過程模型

5.1 SFMEA知識多本體框架

本研究借助知識分析和設(shè)計系統(tǒng)（KADS：Knowl edge Analysis and Design System）[6，10]對FMEA知識系統(tǒng)進(jìn)行建模。在此基礎(chǔ)上通過使用本體，保留了該模型中知識層次劃分清晰、各層知識具有良好的可維護(hù)性和可重用性的優(yōu)點(diǎn)，同時消除了各層知識間缺乏強(qiáng)有力的紐帶及領(lǐng)域?qū)影闹R不完備的缺點(diǎn)。依據(jù)本體建模論域的抽象層次可把本體分為多種類型，包括：泛化本體（GO）、領(lǐng)域本體、任務(wù)本體和應(yīng)用本體[11]。其中，泛化本體描述了獨(dú)立于特定問題或領(lǐng)域的泛化概念，位于本體結(jié)構(gòu)的頂層。領(lǐng)域本體和任務(wù)本體是對通用領(lǐng)域的描述，也是對泛化本體的特化。應(yīng)用本體依賴于特定領(lǐng)域和任務(wù)，是對領(lǐng)域本體和任務(wù)本體的特化。本文對軟件系統(tǒng)級FMEA（領(lǐng)域?qū)樱┻M(jìn)行研究，因此研究范圍為本體的泛化層和領(lǐng)域?qū)?。得到軟件系統(tǒng)級FMEA知識多本體框架如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)級FMEA知識多本體框架

由圖3可見，本體間存在類層次關(guān)系。GO可經(jīng)實(shí)例化得到軟件系統(tǒng)級FMEA領(lǐng)域本體。GO可劃分為結(jié)構(gòu)本體（靜態(tài)視角）和行為本體（動態(tài)視角）。領(lǐng)域本體能在相同的領(lǐng)域中重用。該框架中，軟件系統(tǒng)級FMEA數(shù)據(jù)、領(lǐng)域知識和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均為領(lǐng)域本體的源泉，各個利益相關(guān)者均能參與到多本體框架構(gòu)建過程中來，故該框架是基于多視點(diǎn)的。

5.2 SFMEA知識本體的定義

5.2.1 本體的形式化表示

不論本體位于哪個層次，都由構(gòu)成本體的類、關(guān)系、約束和公理定義共享知識的常用詞匯。因此可將本體形式化定義為如下6元組。

定義1O=（C，H，I，R，P，A）

C=CC∪CI表示本體概念集，CC表示類的集合，CI表示實(shí)例集。c2∈CC}表示概念層次集，即c1是c2的子類。I=CI}表示本體類和實(shí)例間關(guān)系集。R={relK（c1，c2，表示既不是kind_of也不是is_a的本體關(guān)系集。P={propK（ci，datatype）|ci∈CC}表示本體類和其基本數(shù)據(jù)類型的屬性集。A=CC}，其中表示公理和規(guī)則集。

5.2.2 SFMEA知識本體層次結(jié)構(gòu)

5.2.2.1 GO概念類及類層次構(gòu)建

根據(jù)圖3，得到圖4所示的GO概念類層次結(jié)構(gòu)，帶*號的概念類為非終結(jié)概念類，其余為終結(jié)概念類。若繼承關(guān)系定義為：

定義2 GO概念類層次中子類自動共享父類屬性和結(jié)構(gòu)的機(jī)制。

那么，非終結(jié)概念類下的子類與父類構(gòu)成繼承關(guān)系。該定義表明：可在一個現(xiàn)存概念類的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一個新類，將現(xiàn)存類定義的內(nèi)容作為自身內(nèi)容，并加入若干新內(nèi)容?？梢宰C明概念關(guān)聯(lián)中的繼承關(guān)系是偏序關(guān)系，表示為：a≤b。圖4也表明GO由靜態(tài)元素和動態(tài)元素共同構(gòu)成。

圖4 GO概念類層次

5.2.2.2 SFMEA領(lǐng)域本體概念空間的構(gòu)建

領(lǐng)域本體概念空間應(yīng)當(dāng)包含領(lǐng)域概念、屬性和關(guān)聯(lián)，并提供領(lǐng)域中發(fā)生活動及主要理論等。軟件系統(tǒng)級FMEA領(lǐng)域本體的核心實(shí)質(zhì)上是描述軟件系統(tǒng)級故障模式及其原因和影響，因此可以從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面對其進(jìn)行刻畫。

定義3軟件系統(tǒng)級FMEA領(lǐng)域本體概念集C中的每個概念用來表示相同種類的一組對象，并能用相同的屬性集進(jìn)行描述。

本文基于GJB/Z 1391-2006《故障模式、影響及危害性分析指南》[9]和IEEE STD 1044-1993[12]構(gòu)建軟件系統(tǒng)級FMEA知識本體，其核心概念包括：故障模式、故障原因、故障影響、故障風(fēng)險數(shù)（SRPN）、出現(xiàn)頻度（SOPR）、嚴(yán)重程度（SESR）和檢測指數(shù)（SDDR）等。這也是從靜態(tài)視角對領(lǐng)域的刻畫。

此外，從動態(tài)視角也可對該領(lǐng)域進(jìn)行刻畫。從本體觀點(diǎn)來看，導(dǎo)致故障發(fā)生的原因及其影響可被建模為因果關(guān)系[7]。因此SFMEA領(lǐng)域本體的核心即是由一系列這樣的因果關(guān)系構(gòu)成的鏈狀結(jié)構(gòu)及圍繞這一結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域概念、關(guān)聯(lián)。這種鏈狀結(jié)構(gòu)的形成是由故障影響的傳遞性導(dǎo)致的。由表3可見，故障影響可分為局部影響、高一層次影響和最終影響。對某一個給定的層次，其故障影響是其緊鄰的上一層的故障表現(xiàn)，即故障模式。這種不同層級間的傳遞性也使軟件系統(tǒng)級FMEA的因果關(guān)系鏈得以形成，如圖5所示。

圖5 SFMEA的因果關(guān)系鏈

在前述分析的基礎(chǔ)上，得到軟件系統(tǒng)級FMEA領(lǐng)域本體概念類層次如圖6所示，概念關(guān)聯(lián)如表4所示。

圖6 軟件系統(tǒng)級FMEA領(lǐng)域本體概念類層次

表4 軟件系統(tǒng)級FMEA領(lǐng)域本體概念關(guān)聯(lián)

6 結(jié)束語

本文給出了一種基于本體的軟件系統(tǒng)級FMEA方法，該方法通過本體的使用提供了對領(lǐng)域內(nèi)概念一致、無二義的理解，并實(shí)現(xiàn)了軟件系統(tǒng)級FMEA領(lǐng)域知識的共享和重用。

本文僅考慮了以單條鏈狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的獨(dú)立的軟件系統(tǒng)級FMEA結(jié)果。隨著復(fù)雜軟件系統(tǒng)的發(fā)展，同一層次故障模式間及故障鏈之間也可能相互作用。下一步的軟件系統(tǒng)級FMEA研究將考慮上述內(nèi)容。此外，隨著軟件密集型系統(tǒng)的發(fā)展，一類由軟硬件綜合作用所引發(fā)的故障模式尤其要引起重視，如電磁干擾引起的故障、溫度應(yīng)力引起的故障、振動應(yīng)力引起的故障等。這些故障有時還以多種應(yīng)力綜合或應(yīng)力與操作綜合的形式出現(xiàn)。對這類故障應(yīng)當(dāng)采用FMEA方法進(jìn)行深入的分析。這些內(nèi)容都將在對軟件系統(tǒng)級FMEA知識本體構(gòu)建的完善中得以完成。