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汽車功能安全概述及產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程詳解

2021-09-13 11:05:49·  來源：驅(qū)動(dòng)視界  
　
隨著電動(dòng)化、智能化的發(fā)展，越來越多的汽車配備了電子電氣系統(tǒng)，如電傳動(dòng)系統(tǒng)、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等，原有的機(jī)械部件被電子器件取代。而引入如此復(fù)雜的
隨著電動(dòng)化、智能化的發(fā)展，越來越多的汽車配備了電子電氣系統(tǒng)，如電傳動(dòng)系統(tǒng)、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等，原有的機(jī)械部件被電子器件取代。而引入如此復(fù)雜的電子電氣系統(tǒng)對(duì)整車安全帶來了極大的風(fēng)險(xiǎn)，簡(jiǎn)單的一個(gè)元器件老化、失效，都有可能引發(fā)系統(tǒng)故障，進(jìn)而導(dǎo)致事故發(fā)生。因此，對(duì)汽車及其相關(guān)零部件安全的要求也是越來越高。
為了達(dá)到更高程度的安全要求，在針對(duì)其他行業(yè)安全的通用IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，衍生出針對(duì)汽車行業(yè)特定的ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)。ISO 26262要求車載電子電氣系統(tǒng)在檢測(cè)到潛在的危險(xiǎn)情況，啟動(dòng)保護(hù)或糾正裝置，以防止發(fā)生危險(xiǎn)事件或提供緩解措施以減少危險(xiǎn)事件的后果。簡(jiǎn)而言之，功能安全的最終目的是確保產(chǎn)品安全運(yùn)行，即便出現(xiàn)問題也能夠最大程度減少傷害。所以，在電動(dòng)化及智能化程度最高的新能源汽車行業(yè)，引入和深入實(shí)施ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)相關(guān)的產(chǎn)品開發(fā)，是十分必要的。
ISO 26262對(duì)關(guān)鍵的安全級(jí)別進(jìn)行了四層劃分，通過汽車安全完整性等級(jí)（ASIL）來衡量。ASIL A是最低等級(jí)，要求數(shù)目約100個(gè)左右，而ASIL D是最高等級(jí)，要求數(shù)目近200個(gè)（如圖1所示）。等級(jí)越高，安全系統(tǒng)就需要提供越多的安全和驗(yàn)證措施，需要增加更多的測(cè)試和集成工作，也就意味著供應(yīng)商需要承擔(dān)更多的開發(fā)成本和時(shí)間。
為了實(shí)現(xiàn)新能源汽車的整車功能安全，需要OEM和各級(jí)供應(yīng)商有著明確的職責(zé)劃分和合作模式，國外主機(jī)廠在與供應(yīng)商合作中，如博世、電裝等，都有著明確的功能安全標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)證要求。當(dāng)然不同的汽車部件對(duì)功能安全的要求是不同的，越核心的部件需要越高等級(jí)的功能安全。就新能源汽車車輛自身安全而言，電機(jī)控制器不得不算是最核心的部件之一，電機(jī)控制器作為新能源汽車的動(dòng)力控制系統(tǒng)，掌握著整車的加速、剎車等關(guān)鍵性能，電控失效帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)不容忽視，所以，符合功能安全的電控設(shè)計(jì)正逐漸成為業(yè)內(nèi)的普遍需求，當(dāng)前對(duì)電控的功能安全需求多為ASIL C等級(jí)，但在未來，電控的功能安全需求或?qū)⑻嵘秊锳SIL D級(jí)，這需要供應(yīng)商具備復(fù)雜度更高、冗余性更強(qiáng)、可靠性指標(biāo)更高的電控產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力和水平。
下面對(duì)功能安全在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹：
1 概念階段
概念階段主要任務(wù)是從整車層面確定功能，針對(duì)功能失效的危害事件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并制定安全目標(biāo)（主要屬性：ASIL等級(jí)、FTTI和安全狀態(tài)）導(dǎo)出功能安全需求。本部分主要有4個(gè)活動(dòng)（如圖2），接下來咱們就來講講這些活動(dòng)主要實(shí)現(xiàn)什么。
注：FTTI: 從故障發(fā)生到故障處理完成的時(shí)間,FTTI時(shí)間是從整車層面定義，零部件的FTTI時(shí)間為其中一部分。
圖2：概念階段主要活動(dòng)
1.1 相關(guān)項(xiàng)定義
在汽車功能安全領(lǐng)域，很多人都有聽說過HARA分析。但在進(jìn)行HARA分析之前，需要先定義項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)的功能，以及實(shí)現(xiàn)該功能產(chǎn)品的使用環(huán)境、與其它產(chǎn)品相關(guān)的依賴性和相互影響、法規(guī)要求、系統(tǒng)和組件之間的接口和邊界條件，這就是相關(guān)項(xiàng)定義的主要目的。在此活動(dòng)中需要畫一個(gè)與相關(guān)項(xiàng)相關(guān)的物理架構(gòu)圖，即為項(xiàng)目邊界圖，定義系統(tǒng)的邊界和與它相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。值得注意的是，針對(duì)零部件廠家此處的功能是零部件在整車層面體現(xiàn)的功能。如：電機(jī)控制器的提供扭矩功能，簡(jiǎn)稱“扭矩功能”，在HARA分析后的功能就會(huì)這樣描述“請(qǐng)求正向動(dòng)力實(shí)際輸出反向動(dòng)力”，屬于比較細(xì)化的描述。
1.2 HARA分析
危害分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估針對(duì)相關(guān)項(xiàng)所定義的每一個(gè)功能分別進(jìn)行HAZOP分析（功能無、功能多、功能少、功能相反、非預(yù)期、卡滯）。在定義危害事件（整車故障、路面狀況、天氣狀況、駕駛情景和用戶），最后進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估確定每一條危害事件的ASIL等級(jí)，從S（嚴(yán)重度）、E（暴露概率）、C（可控性）三個(gè)角度進(jìn)行分析。
注：巧記S+E+C=7對(duì)應(yīng)ASILA；S+E+C=8對(duì)應(yīng)ASIL B；S+E+C=9對(duì)應(yīng)ASILC；S+E+C=10對(duì)應(yīng)ASIL D。
1.3 安全目標(biāo)
完成HARA分析后，應(yīng)為每一條危害事件確定安全目標(biāo)。安全目標(biāo)是最高層面的安全需求，其重要屬性包括ID、描述、ASIL等級(jí)、FTTI、安全狀態(tài)。ASIL等級(jí)為所覆蓋的危害事件的最高等級(jí)。產(chǎn)品的最后驗(yàn)證活動(dòng)也就是從整車層面確定ASIL等級(jí)和安全目標(biāo)，是大“V”驗(yàn)證活動(dòng)中最后一個(gè)活動(dòng)“安全確認(rèn)”。
1.4 功能安全需求
功能安全需求是由安全目標(biāo)和安全狀態(tài)導(dǎo)出，可能有人會(huì)問如何導(dǎo)出？把它簡(jiǎn)單理解成一個(gè)分解的過程就行。例如：確保把大象放進(jìn)冰箱里這個(gè)“安全目標(biāo)”，第一步打開冰箱門；第二步把大象裝進(jìn)冰箱；第三步關(guān)上冰箱門，這三步就是根據(jù)“安全目標(biāo)”導(dǎo)出的“功能安全需求”。
注意：在分解過程中，需要繼承安全目標(biāo)最高ASIL等級(jí)。功能安全需求是大“V”驗(yàn)證活動(dòng)中，對(duì)應(yīng)整車集成和測(cè)試。
為了使導(dǎo)出的功能安全需求更具完整性，可以通過整車層面的安全分析導(dǎo)出，如：FMEA、FTA、HAZOP。目前行業(yè)內(nèi)常用FTA方法。其方法將每個(gè)安全目標(biāo)的故障作為FTA的頂事件，然后將每個(gè)安全目標(biāo)相關(guān)設(shè)備的物理框圖畫出來，用FTA分析相關(guān)設(shè)備失效，將FTA分析的每一個(gè)可能的底事件和未開展事件都需要定義相應(yīng)的安全需求來降低危害事件發(fā)生的可能性。例如：整車控制器與電機(jī)控制器之間通信的CAN總線錯(cuò)誤可能導(dǎo)致安全目標(biāo)違背，于是就提出“要求整車控制器輸出的信號(hào)需要進(jìn)行時(shí)序保護(hù)和CRC校驗(yàn)，以保證傳輸給電機(jī)控制器的信號(hào)正確”這樣一條功能安全需求。
2 系統(tǒng)階段
系統(tǒng)階段主要根據(jù)功能安全需求和其它非安全需求一起整合并細(xì)化成技術(shù)（安全）需求，然后進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，形成技術(shù)（安全）概念，并將技術(shù)（安全）需求分配給軟硬件。此階段主要有6個(gè)活動(dòng)，見圖3，接下來詳細(xì)講一下各過程。
圖3：系統(tǒng)階段主要活動(dòng)
2.1 技術(shù)（安全）需求
大家看到標(biāo)題中的“安全”用括號(hào)是否會(huì)感到好奇呢。咱們就先從這講起，工程師們想想就知道，作為一個(gè)產(chǎn)品不可能只有安全相關(guān)的需求，肯定需要一些非安全相關(guān)的需求才能做出一個(gè)完整的產(chǎn)品。在系統(tǒng)階段的第一個(gè)任務(wù)，就是將功能安全需求和非安全需求整合并細(xì)化成技術(shù)（安全）需求。
非安全相關(guān)的需求包括：裝配工藝（如：特殊點(diǎn)膠位）、振動(dòng)需求、性能需求等。在細(xì)化安全需求時(shí)，需要將安全機(jī)制及具體實(shí)施方案考慮進(jìn)去。確定產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的相關(guān)方案，如上面例子第二步“把大象裝進(jìn)冰箱”，在這里就要細(xì)化成是買冰箱還是自己做冰箱，以及把活的大象趕進(jìn)去還是殺了后整頭或切塊裝進(jìn)去。在此活動(dòng)中需要注意ASIL等級(jí)的分解。此活動(dòng)對(duì)應(yīng)大“V”的系統(tǒng)集成和測(cè)試。
2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
大家看到這部分標(biāo)準(zhǔn)可能很容易犯迷糊，不清楚系統(tǒng)架構(gòu)是啥意思，也不知道如何下手。其實(shí)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)就是將技術(shù)（安全）需求描述的功能模塊用框圖的形式表示出來，即為每一條需求的技術(shù)解決方案以框圖形式表達(dá)?？驁D的輸入、輸出接口就是功能模塊的輸入、輸出接口，然后把所有的框圖組合在一起就成了系統(tǒng)架構(gòu)圖。注意這里面包含兩個(gè)內(nèi)容，第一、技術(shù)（安全）需求的ID要與系統(tǒng)架構(gòu)的ID對(duì)應(yīng)，確保需求與架構(gòu)一致；第二、要將模塊接口描述的參數(shù)信息寫到架構(gòu)的接口參數(shù)描述當(dāng)中去。
另外系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)該從概念階段的初步架構(gòu)中展開設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，等把整個(gè)產(chǎn)品的架構(gòu)設(shè)計(jì)好后，打開概念階段的架構(gòu)點(diǎn)擊深入就是系統(tǒng)階段的架構(gòu)，再點(diǎn)擊深入就是軟硬件層面的架構(gòu)。就像咱們看地圖一樣，先是從地球放大展開找到中國再放大找到省再放大找到市。作為一個(gè)工程師想想自己設(shè)計(jì)出這樣的架構(gòu)是不是很漂亮。
2.3 安全分析和相關(guān)性失效分析
安全分析是分析系統(tǒng)性失效的工具，目的是幫助與支持設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)階段的安全分析需要用到兩種，分別為FMEA、FTA。FMEA和FTA都是以識(shí)別系統(tǒng)性失效的原因和系統(tǒng)性故障影響的工具，F(xiàn)TA是演繹分析法，F(xiàn)MEA是歸納分析法。演繹分析，從上往下分析導(dǎo)出安全目標(biāo)違背的根本原因；歸納分析，從下往上采用故障模型（可采用HAZOP關(guān)鍵字）對(duì)可能導(dǎo)致安全目標(biāo)違背的所有失效模式進(jìn)行分析。兩者可以相互驗(yàn)證且都是通過分析驗(yàn)證架構(gòu)來滿足技術(shù)（安全）需求，一般分析安全機(jī)制的需求是否滿足功能安全需求的要求。
相關(guān)性失效分析又稱為獨(dú)立性分析簡(jiǎn)稱DFA。DFA主要識(shí)別在不同ASIL等級(jí)的模塊間不能相互干擾，以達(dá)到不違背安全需求或安全目標(biāo)。
技術(shù)（安全）需求、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、安全分析和DFA是一個(gè)迭代過程，如果安全分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)技術(shù)（安全）需求細(xì)化的安全機(jī)制不夠全面，就需要去更新需求同時(shí)也要更新架構(gòu)，以達(dá)到四者一致。
2.4 軟硬件接口設(shè)計(jì)
軟硬件接口設(shè)計(jì)就是將軟件與硬件交互的內(nèi)容定義清楚，先將接口定義清楚，方便軟件工程師和硬件工程師分別設(shè)計(jì)。在后續(xù)產(chǎn)品硬件和軟件分別驗(yàn)證完成后，可以進(jìn)行軟硬件集成和測(cè)試。站在實(shí)際開發(fā)角度來講，也可以減少軟硬件工程師之間扯皮的事情。
3 硬件層面
硬件層面就是根據(jù)技術(shù)（安全）需求導(dǎo)出硬件(安全)需求并通過硬件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。在詳細(xì)設(shè)計(jì)后，分析隨機(jī)硬件故障失效和影響。在硬件層面有6個(gè)活動(dòng)（見圖4）。硬件（安全）需求、硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、安全分析這三個(gè)活動(dòng)與系統(tǒng)階段同理，這里就不再贅述。在這里主要講下硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)和FMEDA。硬件（安全）需求對(duì)應(yīng)小“V”的硬件集成和測(cè)試。
圖4：硬件層面的主要活動(dòng)
3.1 硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)
硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)是原理圖級(jí)別的設(shè)計(jì)，根據(jù)硬件（安全）需求和硬件架構(gòu)來設(shè)計(jì)原理圖。特別需要注意原理圖模塊電路需要跟硬件架構(gòu)的模塊對(duì)應(yīng)，模塊之間的接口也要一樣。
3.2 FMEDA
FMEDA（隨機(jī)硬件失效導(dǎo)致違背安全目標(biāo)的評(píng)估）是評(píng)估硬件隨機(jī)失效的方法。針對(duì)每一個(gè)ASIL等級(jí)的開發(fā)，根據(jù)ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)要求具有相應(yīng)的量化指標(biāo)需要滿足，如ASIL B PMHF＜100FIT，SPFM≥90%，LFM≥60%。FMEDA分析就是確定是否滿足安全目標(biāo)所定義的ASIL等級(jí)目標(biāo)值。
輸入原理圖和BOM結(jié)合安全目標(biāo)，對(duì)原理圖上的元器件逐個(gè)進(jìn)行FMEDA分析，通過查找行業(yè)認(rèn)可的失效率手冊(cè)（SN 29500、IEC 62380等）獲取元器件的基礎(chǔ)失效率，然后針對(duì)每一個(gè)元器件分析單點(diǎn)故障和殘余故障，多點(diǎn)故障和潛伏故障，考慮對(duì)應(yīng)安全機(jī)制的診斷覆蓋率確定安全失效總和、單點(diǎn)故障失效和殘余故障失效總和，計(jì)算單點(diǎn)故障失效率和潛伏故障失效率以及隨機(jī)硬件故障失效率衡量是否滿足量化指標(biāo)。
4 軟件層面
軟件層面的軟件（安全）需求跟硬件層面一樣，都是從技術(shù)（安全）需求那里導(dǎo)出，但在細(xì)化軟件（安全）需求時(shí)應(yīng)考慮硬件約束及其對(duì)軟件的影響。軟件層面共有7個(gè)活動(dòng)（見圖5）。軟件（安全）需求、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、安全分析跟前面講的一樣是迭代過程，軟件（安全）需求和安全分析與系統(tǒng)階段工作內(nèi)容同理，這里就不再贅述。
圖5：軟件層面的主要活動(dòng)
4.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)
軟件架構(gòu)跟硬件架構(gòu)一樣，先要實(shí)現(xiàn)軟件（安全）需求，還需要描述各軟件模塊及其在層次結(jié)構(gòu)中的交互。交互包括兩方面，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。靜態(tài)：需要把每個(gè)模塊與模塊之間的接口和數(shù)據(jù)路徑描述清楚；動(dòng)態(tài)：需要將模塊與模塊之間的時(shí)序和定時(shí)描述清楚。此活動(dòng)對(duì)應(yīng)小“V”的軟件集成和測(cè)試。
4.2 軟件單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
軟件單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要是根據(jù)軟件架構(gòu)和軟件（安全）需求詳細(xì)定義軟件單元并按照定義實(shí)現(xiàn)軟件單元代碼，并且在單元測(cè)試之前需要先進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試。特別需要注意軟件代碼模塊與軟件架構(gòu)的模塊對(duì)應(yīng)，模塊之間的接口、靜態(tài)接口描述的一樣。此活動(dòng)對(duì)應(yīng)小“V”的軟件單元測(cè)試。
5 3“V”
ISO 26262基于“V”模型開發(fā)產(chǎn)品驗(yàn)證，可能很多工程師不清楚活動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系?，F(xiàn)在我把3個(gè)“V”對(duì)應(yīng)的活動(dòng)用圖示方式畫出來，圖6是大“V”對(duì)應(yīng)的活動(dòng)，圖7是硬件“V”對(duì)應(yīng)的活動(dòng)，圖8是軟件“V”對(duì)應(yīng)的活動(dòng)。
圖6：大“V”對(duì)應(yīng)的活動(dòng)
圖7：硬件“V”對(duì)應(yīng)的活動(dòng)
注：硬件階段的驗(yàn)證也可以參考軟件V模型，將測(cè)試分成三個(gè)部分。針對(duì)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的硬件模塊測(cè)試；針對(duì)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的硬件集成和測(cè)試；以及針對(duì)硬件需求驗(yàn)證的硬件測(cè)試，分別定義測(cè)試用例進(jìn)行測(cè)試，使驗(yàn)證和設(shè)計(jì)的追溯更清晰，只是因?yàn)橛布枰獙⑺须娐纺K整合在一片板上才方便工作，所以看起來只有一個(gè)測(cè)試活動(dòng)。
 
圖8：軟件“V”對(duì)應(yīng)的活動(dòng)
6 3大追溯關(guān)系
6.1 需求之間的追溯關(guān)系
各個(gè)部分的需求從上到下是可以相互追溯的，需求追溯也是審核時(shí)的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容（詳見圖9）。
圖9：需求與需求之間的關(guān)系
6.2 需求與架構(gòu)的追溯關(guān)系
系統(tǒng)需求對(duì)應(yīng)系統(tǒng)架構(gòu)、硬件需求對(duì)應(yīng)硬件架構(gòu)、軟件需求對(duì)應(yīng)軟件架構(gòu)，每個(gè)階段的需求和架構(gòu)都是可以相互追溯。架構(gòu)是需求的實(shí)現(xiàn)以及進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)的依據(jù)。
6.3 設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的追溯關(guān)系
如圖6、圖7、圖8中的3V模型可以知道V模型的左邊的設(shè)計(jì)和右邊的驗(yàn)證，這也就是設(shè)計(jì)驗(yàn)證的追溯關(guān)系。例如：技術(shù)安全概念對(duì)應(yīng)系統(tǒng)集成和測(cè)試、功能安全概念對(duì)應(yīng)整車集成和測(cè)試。
綜述：上面對(duì)汽車功能安全進(jìn)行了概述，同時(shí)提到整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程的主要活動(dòng)以及標(biāo)準(zhǔn)中三個(gè)重要的追溯關(guān)系。大家在理解標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可以作為主干，向外延伸內(nèi)容即可。 
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