基于贝叶斯网络的可靠性分析研究

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基于贝叶斯网络的网络风险评估研究

作者：李军 熊飞 钮焱

来源：《软件导刊》2017年第04期

摘要：建立一个基于贝叶斯网络的风险评估模型，通过风险因素识别、建模和定量计算对网络运行过程中产生的风险进行评估。选取流量、CPU和内存这3个网络性能指标参数作为网络发生风险的定性分析因素，通过贝叶斯网络来计算出各风险因素造成网络发生风险的概率并对其进行排序，确定各风险因素对网络风险的影响程度，并计算出网络风险率。

关键词：贝叶斯网络；网络风险评估；性能指标

中图分类号：TP309

文献标识码：A

文章编号：16727800（2017）004019704

0引言

随着互联网的迅猛发展，网络规模及其应用的复杂性日益加大，网络及电脑设备的负荷不断增长，导致网络性能不断降低，运行缓慢、系统崩溃等现象时有发生，给用户带来了许多风险。网络风险评估是指对网络中已知或潜在的安全风险进行探测、识别、计算、评价的过程。通过对网络风险进行评估，可以了解潜在的危害，有针对性地加以安全防范，从而保障网络的安全运行。 近年来，风险评估相关研究受到国内外学者的广泛关注，提出了许多研究方法。孙鹏程、陈吉宁[1]通过贝叶斯网络直观地表示事故风险源和河流水质之间的相关性，并用时序蒙特卡洛算法将风险源状态模拟、水质模拟和贝叶斯网络推理过程结合，对多个风险源进行量化评估。吴欣[2]提出了一种新的基于贝叶斯网络的方法有效地处理故障诊断中存在的问题，同时根据提出方法的特点设计了基于多代理系统（MAS）的故障诊断体系结构。闫峰[3]提出基于攻击图的网络安全风险评估方法，将攻击图技术应用到网络安全风险评估中，通过攻击图展示攻击者利用网络中脆弱性及脆弱性间依赖关系综合入侵目标网络的攻击场景，并在此基础上计算网络的安全风险并寻找最小代价的网络加固措施。由于贝叶斯网络本质上是一个有序无环图，基于贝叶斯网络的概率计算方法也只能适用于无环的攻击图，且计算繁杂度为指数级，不适合大规模网络使用。 国外学者S Kondakci[4]提出了一种基于贝叶斯信念网络的因果关系评价模型，用来分析和量化由各种威胁源造成的信息安全风险。TT Chen和SS Leu[5]建立了一种基于故障树转换的贝叶斯网络，对桥梁建设项目进行下跌风险评估。S Barua，X Gao[6]等提出了一种基于贝叶斯网络的动态系统风险评估方法，建立了一个化工过程系统动态故障树，将它映射到贝叶斯网络，通过动态贝叶斯网络来演示动态操作风险评估方法。传统推理方法不适合确定风险因素的后验概率，不同专家提供的数据会直接影响精确度和评估质量。 贝叶斯网络分析方法是一种新的定量分析方法，通过使用概率理论来描述不同因素之间的关系，龙源期刊网

证据理论与贝叶斯网络相结合的可靠性分析方法１００１－５０６Ｘ（２０１１）１０－２３４３－０５

锁斌１，２曾超１，程永生１，李军１

１．中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳６２１９００；

２．中国工程物理研究院北京研究生部，北京１０００８８

摘 要：针对可靠性分析中存在的认知不确定性问题，将证据理论引入到贝叶斯网络。给出了存在认知不确

定性时故障树向贝叶斯网络的转换方法，以及基于信任测度和似然测度求解顶事件发生概率的方法。研究了三种重要度的求解方法，同时提出了一个重要概念——认知重要度，给出了其实际意义和计算方法。最后，运用所

提出方法对某导弹发动机进行了可靠性分析，结果表明，该方法增强了贝叶斯网络处理不确定性信息的能力，简

单有效且可以得到更丰富的信息。

可靠性；可靠性分析；证据理论；贝叶斯网络；认知不确定性

ＴＢ１１４．３　Ａ１０．　３９６９／ｊ．　ｉｓｓｎ．　１００１－５０６Ｘ．　２０１１．１０．　３９

Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｖｉｄｅｎｃｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｂａｙｅｓｉａｎ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｍｅｔｈｏｄ

ＳＵＯ　ＢｉｎＺＥＮＧ　ＣｈａｏＣＨＥＮＧ　Ｙｏｎｇ－ｓｈｅｎｇＬＩ　Ｊｕｎ

２０１０－０８－３０２０１１－０１－０６“十一五”行业重点预研项目资助课题

锁斌（１９７９－），男，工程师，博士研究生，主要研究方向为不确定性信息处理、系统可靠性分析与评估。Ｅ－ｍａｉｌ：　ｓｕｏ．ｙ．ｙ＠１６３．ｃｏ

ｍ

节点模型件

的故障＠＠［１］　Ｂｏｂｂｉｏ　Ａ，　Ｃｉａｎｃａｍｅｒｌａ　Ｅ，　Ｆｒａｎｃｅｓｃｈｉｎｉｓ　Ｇ，　ｅｔ　ａｌ．　Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ　

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｍｏｄｅｌｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａ　

ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ：　ａ　ｃａｓｅ　ｓｔｕｄｙ［Ｊ］．　Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　＆ Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓａｆｅｔｙ，　２００３，８１（３）　：　２６９　－　２８０．

弟ｊｚ巷弟ｌ期　２０１５年１月　机　电　工　程　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖ０１．３２　Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２０１５　

ＤＯＩ：１０．３￣６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４５５１．２０１５．０１．０１２　

基于贝叶斯网络的垃圾压块机可靠性分析水　

高　翔，王守城　，石晓慧　

（青岛科技大学中德科技学院，山东青岛２６６０６１）　

摘要：针对垃圾压块机的工作可靠性问题，对垃圾压块机的压缩机构进行了分析，将贝叶斯网络应用到液压系统可靠性分析之中。　提出了贝叶斯网络的概念与公式，给出了贝叶斯网络的构建方法，采用基于图形结构精确推理方法，建立了压缩机构的贝叶斯网　络。通过手册查阅了各液压元件发生故障的概率，最后结合贝叶斯网络求得了系统发生故障的概率。研究结果表明，该液压系统　发生故障的概率为０．０５７　４，换向阀发生故障的概率为０．２５２。通过建立贝叶斯网络，求得极易发生故障部件概率的方法，直观地表　示出了该系统故障的因果关系，找到了系统的薄弱环节，提高了系统的可靠性。　关键词：液压系统；贝叶斯网络；可靠性分析　中图分类号：ＴＨ１３７；ＴＨ６　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—４５５１（２０１５）Ｏｌ—Ｏ０６４—０３　

Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｇａｒｂａｇｅ　ｂｒｉｑｕｅｔｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｂａｙｅｓｉａｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　

ＧＡＯ　Ｘｉａｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｓｈｏｕ—ｃｈｅｎｇ，ＳＨＩ　Ｘｉａｏ－ｈｕｉ　（Ｓｉｎｏ　Ｇｅｎｍａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６０６１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｂｒｉｑｕｅｔｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　Ｂａｙｅｓｉａｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｃｏｎｃｅｐｔ　ａｎｄ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｏｆ　Ｂａｙｅｓｉａｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｗｅ］ｃｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｍｅｔｈｏｄ　ｔｈａｔ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｃｒｅａｔｅ　ｔｈｅ　Ｂａｙｅｓｉａｎ　ｎｅｔ—　ｗｏｒｋ　ｗａｓ　ｇｉｖｅｎ．Ａｎ　ｅｘａｃｔ　ｒｅａｓｏｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｇｒａｐｈｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｍａｎｕａ１．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｈｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　０．０５７　４，ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ　ｖａｌｖｅ　ｉｓ　０．２５２．Ｔｈｏｕｇｈ　Ｂａｙｅｓｉａｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｕｌｄ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｅａｓｉｌｙ，ｔｈｅ　ｗｅａｋｎｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｆｉｎｄ，ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ；Ｂａｙｅｓｉａｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

第３６卷　

Ｖｏ１．３６　第２期　

Ｎｏ．２　计算机工程　

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１０年１月　

Ｊａｎｕａｒｙ　２０１０　

・软件技术与赘【攉｝库・　文章编号：１伽ｏ—３４２８（２ｏｌｏ）０２—００７３＿＿０２　文献标识码。Ａ　中圈分类萼　ｉ　ｉｉｊ三　

基于贝叶斯的软件可靠性评估研究　

柴哲露，林佳齐，朱金平，唐平　

（广东工业大学自动化学院，广州５１０ｏ０６）　

摘要：以贝叶斯公式为基础，根据软件正确性的先验概率密度函数以及正确通过软件测试案例的数量分布服从二项分布的数学特征，求　得软件正确性概率的后验分布，并提出一种改进的软件可靠性评估方法，从而解决了软件测试可靠性评估过程复杂且计算量较大的问题。　

在Ｍａｔｌａｂ平台上对软件系统（中文学习平台）的测试可靠性进行评估，实验结果表明，该方法具有较高的实用性。　

关健诃：软件测试；贝叶斯公式；软件可靠性；二项分布　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　０ｎ　ＳｏｆｔｗａＩ．ｅ　Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　Ｅｖａｌｕａｔｉ０ｎ　Ｂａｓｅｄ　０ｎ　Ｂａｙｅｓ　

ＣＨＡＩ　Ｚｈｅ－ｌｉ，ＬＩＮ　Ｊｉａ－ｑｉ，ＺＨＵ　Ｊｉｎ・ｐｉｎｇ，ＴＡＮＧ　Ｐｉｎｇ，　

（Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０００６）　

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｏｎ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　Ｂａｙｅｓ　ｆｏｒｍｕｌａ，ａ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｂｏｕｔ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ—ｄｅｎｓｉｔｙ　

ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｃａｓｅｓ　ｐａｓｓｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｂｅｙｉｎｇ　ｂｉｎｏｍｉａｌ