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干貨分享|淺談智能汽車預(yù)期功能安全

2021-10-15 13:57:05·  來源：國(guó)汽智聯(lián)  
　
本文作者：國(guó)家智能網(wǎng)聯(lián)汽車創(chuàng)新中心 李紅博士 一、預(yù)期功能安全提出的背景智能駕駛作為智能制造互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的產(chǎn)物，將引領(lǐng)汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)及商業(yè)模式的全面升級(jí)與
本文作者：國(guó)家智能網(wǎng)聯(lián)汽車創(chuàng)新中心 李紅博士

一、預(yù)期功能安全提出的背景

智能駕駛作為“智能制造”“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的產(chǎn)物，將引領(lǐng)汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)及商業(yè)模式的全面升級(jí)與重塑，世界汽車強(qiáng)國(guó)已將智能駕駛納入其戰(zhàn)略部署中。受當(dāng)前科學(xué)與技術(shù)水平的影響，智能駕駛在提供便捷的同時(shí)，也帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)，如因智能駕駛系統(tǒng)因設(shè)備性能局限、算法缺陷、運(yùn)行環(huán)境因素干擾等引起的系統(tǒng)功能不足以及合理可預(yù)見的人為誤用等導(dǎo)致的人員傷害。
為提高智能駕駛的安全性，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織工作組（ISO/TC22/SC32/WG8）2016年2月啟動(dòng)ISO21448的研究工作，2018年6月正式啟動(dòng)該標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，2019年1月發(fā)布ISO/PAS21448版，2019年12月發(fā)布ISO21448CD版，2020年11月發(fā)布ISO21448DIS版，并計(jì)劃于2022年3月發(fā)布最終版，研制過程如圖1所示。



圖1 ISO21448研制過程示意圖
二、預(yù)期功能安全概念、研究目的及其研究?jī)?nèi)容

2.1 概念

標(biāo)準(zhǔn)ISO21448給出預(yù)期功能安全的概念為：“The absence of unreasonable risk due to these potentially hazardous behaviours related to these functional insufficiencies is defined as the safety of the intended functionality (SOTIF)”，理解為“SOTIF被定義為不存在功能不足相關(guān)的潛在危害行為導(dǎo)致的不合理的風(fēng)險(xiǎn)”。
預(yù)期功能安全即SOTIF要解決的問題有哪些？結(jié)合ISO21448提供的案例與相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，初步將其總結(jié)為包含但不僅限于以下幾點(diǎn)：
  1. 設(shè)備性能的局限導(dǎo)致的危險(xiǎn)，如感知設(shè)備的探測(cè)范圍、精度、分辨率或因光照過強(qiáng)或過暗導(dǎo)致的感知功能不足，如定位設(shè)備受高架橋、樓宇等影響產(chǎn)生信號(hào)延遲或丟失導(dǎo)致定位功能不足等導(dǎo)致的危險(xiǎn)；
  2. 算法缺陷導(dǎo)致的危險(xiǎn)，如因訓(xùn)練樣本量或多樣性不足而產(chǎn)生的感知算法泛化能力局限導(dǎo)致的感知功能不足產(chǎn)生的危險(xiǎn)；
  3. 人員誤用導(dǎo)致的危險(xiǎn)，如因駕駛員對(duì)系統(tǒng)功能邊界認(rèn)知不足而錯(cuò)誤使用，或因人機(jī)交互系統(tǒng)未充分理解使用者操作意圖而導(dǎo)致的錯(cuò)誤使用等危險(xiǎn)。
2.2 研究目的

預(yù)期功能安全的目的為：基于需求分析、方案設(shè)計(jì)、安全分析、單元測(cè)試、集成測(cè)試、驗(yàn)證、確認(rèn)、檢測(cè)、監(jiān)控、維護(hù)、組織、管理等先進(jìn)科學(xué)與技術(shù)通過自動(dòng)駕駛?cè)芷诟麟A段的活動(dòng)，將預(yù)期功能引發(fā)的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)最小化，如圖2、圖3所示。



圖2 預(yù)期功能安全開發(fā)流程示意圖

圖3 SOTIF研究將未知不安全場(chǎng)景減少示意圖
2.3 研究?jī)?nèi)容

智能汽車是集環(huán)境感知、決策、執(zhí)行多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合復(fù)雜系統(tǒng)，預(yù)期功能安全要解決的是綜合復(fù)雜智能駕駛系統(tǒng)在多樣、復(fù)雜、多變、未知的場(chǎng)景中面臨的安全性問題，因此預(yù)期功能安全的研究?jī)?nèi)容也是多樣的，由于篇幅有限，以下僅從開發(fā)與測(cè)試角度對(duì)其研究?jī)?nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)述。
2.3.1智能汽車開發(fā)角度
系統(tǒng)或產(chǎn)品的開發(fā)是基于多方面多維度的需要與需求分析，根據(jù)需要與需求確定系統(tǒng)或產(chǎn)品要具備的功能，即系統(tǒng)功能定義，同時(shí)根據(jù)需求分析系統(tǒng)或產(chǎn)品的運(yùn)行環(huán)境，及系統(tǒng)或產(chǎn)品的運(yùn)行設(shè)計(jì)域ODD的定義，根據(jù)系統(tǒng)或產(chǎn)品的需求與ODD確定不同場(chǎng)景下的動(dòng)態(tài)任務(wù)即系統(tǒng)的DDT。預(yù)期功能安全的在開發(fā)階段的活動(dòng)簡(jiǎn)述有：
  1. 預(yù)期功能安全可接受風(fēng)險(xiǎn)水平定義與設(shè)計(jì)，基于法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、目標(biāo)市場(chǎng)、客戶等對(duì)智能駕駛系統(tǒng)的安全水平要求，確定智能駕駛系統(tǒng)預(yù)期功能安全可接受風(fēng)險(xiǎn)水平；
  2. 根據(jù)系統(tǒng)或產(chǎn)品的功能分析功能失效或弱化的模式，結(jié)合不同動(dòng)態(tài)任務(wù)DDT運(yùn)行的環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)預(yù)期功能安全相關(guān)的危害與風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析與評(píng)估；
  3. 若活動(dòng)（2）中預(yù)期功能安全的風(fēng)險(xiǎn)不被接受，則對(duì)不被接受風(fēng)險(xiǎn)的原因進(jìn)行分析，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的機(jī)理、存在的性能局限、算法可能存在的缺陷、環(huán)境因素、人員操作因素等，分析危害事件觸發(fā)條件；
  4. 基于活動(dòng)（3）的分析結(jié)果，完善對(duì)系統(tǒng)或產(chǎn)品的要求，給出系統(tǒng)或產(chǎn)品的改進(jìn)措施或完善建議，改進(jìn)措施包含但不局限于：
a) 提高硬件設(shè)備的性能；
b) 提供智能算法的性能；
c) 通過異構(gòu)設(shè)備冗余或異質(zhì)算法冗余，提高系統(tǒng)能力；
d) 修改系統(tǒng)ODD。
2.3.2智能汽車測(cè)試角度
在系統(tǒng)投入使用之前對(duì)其功能、性能、安全性等進(jìn)行測(cè)試，可在系統(tǒng)或產(chǎn)品正式投入量產(chǎn)與使用之前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品或系統(tǒng)的缺陷，及時(shí)對(duì)已有方案進(jìn)行改進(jìn)與完善。測(cè)試基于場(chǎng)景設(shè)計(jì)與場(chǎng)景構(gòu)建，因此智能汽車預(yù)期功能安全測(cè)試還包括對(duì)預(yù)期功能安全場(chǎng)景研究與設(shè)計(jì)，以及預(yù)期功能安全場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)技術(shù)。在此將智能汽車預(yù)期功能安全測(cè)試活動(dòng)簡(jiǎn)括為：
  1. 智能駕駛預(yù)期功能安全測(cè)試方案研究與設(shè)計(jì)，即針對(duì)部件級(jí)、算法級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、整車級(jí)等不同集成程度的測(cè)試內(nèi)容、評(píng)價(jià)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試流程研究與制定；
  2. 預(yù)期功能安全測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)與構(gòu)建，即基于場(chǎng)景自動(dòng)生成與大規(guī)模測(cè)試技術(shù)的虛擬仿真手段、軟硬件結(jié)合的在環(huán)測(cè)試手段、客觀真實(shí)且具備針對(duì)性的場(chǎng)地測(cè)試手段、豐富多樣的道路測(cè)試手段等實(shí)現(xiàn)智能汽車預(yù)期功能安全測(cè)試場(chǎng)景的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。
三、總結(jié)與展望

標(biāo)準(zhǔn)ISO21448給出了預(yù)期功能安全相關(guān)的基本活動(dòng)框架，目前還不容易實(shí)施。若提出一種可行、可信、可實(shí)施的預(yù)期功能安全開發(fā)流程與量化且有效的測(cè)評(píng)方法，將有助于預(yù)期功能安全相關(guān)開發(fā)活動(dòng)的實(shí)施，有利于從產(chǎn)品開發(fā)的需求分析、概念定義、設(shè)計(jì)開發(fā)、驗(yàn)證確認(rèn)、運(yùn)行維護(hù)等生命周期多階段提升智能駕駛系統(tǒng)或產(chǎn)品的安全性。
為促進(jìn)我國(guó)智能駕駛系統(tǒng)預(yù)期功能安全與產(chǎn)品的快速落地與應(yīng)用，2020年5月，國(guó)家智能網(wǎng)聯(lián)汽車創(chuàng)新中心聯(lián)合行業(yè)機(jī)構(gòu)發(fā)起成立中國(guó)智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟“智能網(wǎng)聯(lián)汽車預(yù)期功能安全工作組”，對(duì)智能駕駛系統(tǒng)預(yù)期功能安全科學(xué)問題與前沿技術(shù)進(jìn)行研究，旨在提出可行、有效的解決方案。同時(shí)，創(chuàng)新中心也在積極進(jìn)行預(yù)期功能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的研究，期望通過標(biāo)準(zhǔn)提升智能駕駛系統(tǒng)開發(fā)、測(cè)試、評(píng)價(jià)等活動(dòng)的規(guī)范化與流程化。

參考文獻(xiàn)：
  1. 預(yù)期功能安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO21448及中國(guó)實(shí)踐白皮書
  2. ISO/DIS21448 Road vehicles-Safety of the intended functionality
  3. 智能網(wǎng)聯(lián)汽車預(yù)期功能安全場(chǎng)景庫(kù)建設(shè)報(bào)告
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