[發明專利]面向單粒子效應的多層次軟加固方案多目標優化與評估方法

有效

• 申請號: 202011634239.6
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112800662B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 莊毅;張子良;晏祖佳;顧晶晶
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06F111/06
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱炳斐

本發明公開了一種面向單粒子效應的多層次軟加固方案多目標優化與評估方法，包括：提取進程級、線程級、代碼級和指令級各層次軟加固的主要特征，構建特征向量；將特征向量作為多目標優化輸入參數，建立多目標優化模型；建立基于權重的多維度多層次效能評估模型計算多目標優化模型中軟加固方案的適應值；判斷當前最優的軟加固方案是否滿足要求的效能指標；若不滿足，進行面向多層次軟加固的多目標優化計算，對軟加固方案進行進一步優化，直到滿足得到要求的軟加固方案為止。本發明為實現最大程度減少由單粒子效應引起的軟錯誤，減少航天器、衛星、飛機等嵌入式計算機系統的故障提供了一種有效的多維度的解決方法，能夠提高電子設備的可靠性和安全性。

技術領域

本發明屬于軟件可靠性、多目標優化、嵌入式軟件抗單粒子效應領域，特別是一種面向單粒子效應的多層次軟加固方案多目標優化與評估方法。

背景技術

隨著芯片集成度與主頻越來越高，單粒子效應導致的惡性事件對航空航天飛行器的威脅越來越嚴重。如2017年中國首顆暗物質探測衛星“悟空”曾發生故障，一度“失明”近19個小時，造成了重大的損失，其故障的罪魁禍首就是單粒子效應。研究嵌入式系統軟件抗單粒子效應加固技術，在軟件上采取容錯設計，以提高程序的自我保護能力，對于減少由單粒子效應引起的軟錯誤、減少飛行器故障、提高機載計算機及嵌入式軟件的可靠性和安全性具有重要的意義。

由于軟件容錯技術不需要對硬件進行改造或重新設計，實現成本較低、開發周期較短，隨著硬件資源的極大豐富，通過犧牲部分性能換取高可靠性的軟件容錯的思想引起了相關領域的廣泛重視。在航空航天領域，通過軟加固技術解決芯片的可靠性問題已經成為研究的熱點。

在采用各種方案進行軟加固時，會消耗額外的資源，例如時間、內存等。這就需要一種高效費比的加固方法和有效的評估模型對不同空間條件下的加固方案進行評估，以獲得最佳加固方案。有效的評估方案不僅可以在設計時為加固后的系統可靠性提供依據，而且在達到所需要的可靠性要求下不會增加資源開銷。目前國內外對于加固后系統的可靠性評估體系還不夠完善，缺乏有效的評估方法。

目前，國內外軟加固方法研究主要集中在對某一個層次的容錯加固，如指令層等。而關于不同加固方案的優選和組合研究還有待研究。對軟加固方案進行評估時，如何量化可信加固的評價指標，減少數據、參數及評估過程中受到不確定因素的影響，關于可信加固評估模型的理論和方法等問題還有待進一步研究。另一方面，單粒子效應導致的錯誤傳播的不確定性因素及對可信指標量化與評估的影響也應關注。對于同一個軟件，可有多種加固方案可供選擇，選擇一個最優方案無疑具有重要意義。在方案優選決策中，一般須對多個方案從多個指標進行評價和選擇。由于實際加固問題的復雜性及客觀因素的模糊性，不同層次加固方案的有機融合與優選是加固研究中的關鍵問題。

實踐中，許多問題都是由相互沖突和影響的多個目標組成。人們會經常遇到使多個目標在給定區域同時尋求最佳的優化問題。若優化問題存在的優化目標超過一個并需要同時處理，就成為多目標優化問題。解決多目標優化問題已有多種智能算法，如粒子群算法、蟻群算法、模擬退火算法等，這些算法各有優缺點。模擬退火算法需要大量的迭代次數，因而收斂速度慢、優化效率較低。在解決多目標問題時仍將其轉換為單目標問題，采用單目標技術求解，往往得不到分布更廣的最優解集。蟻群算法在問題空間的多點同時開始進行獨立的解搜索，不僅增加了算法的可靠性，也使得算法具有較強的全局搜索能力。但是，蟻群算法不僅需要較長的搜索時間，而且易于出現早熟停滯現象。

粒子群算法是一種高性能的優化算法，各個粒子根據自身的最優位置和群體全局的最優位置更新自己的速度和位置。各粒子由于群體全局最優位置的影響，可很快收斂到全局最優位置附近。具有快速性、有效性和魯棒性等多種優點。粒子群算法非常適合面向多層次軟加固的多目標優化問題。由于多層次軟加固具有較多的參數，參數的數值范圍較大，這意味著時空開銷非常巨大。而粒子群算法可以根據粒子個體與粒子群體的學習進行優化，可以節省大量的時間和資源。由于跨層次軟加固實驗會產生較高的時間和空間開銷，而粒子群算法能快速地進行收斂求得最優解，并得到有效的軟加固方案。

發明內容