聊聊汽車功能安全系統(tǒng)開發(fā)階段系統(tǒng)安全架構(gòu)

我們?cè)敿?xì)地介紹了系統(tǒng)開發(fā)階段，TSR，安全機(jī)制，TSC，安全分析等相關(guān)的內(nèi)容，今天我們聊系統(tǒng)開發(fā)階段最后一部分內(nèi)容，即系統(tǒng)安全架構(gòu):

系統(tǒng)架構(gòu)作用

系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)安全機(jī)制

系統(tǒng)安全架構(gòu)

01

系統(tǒng)架構(gòu)作用

架構(gòu)是一門藝術(shù)，在整車汽車系統(tǒng)，軟/硬件開發(fā)過程中非常重要，尤其在基于模型的系統(tǒng)開發(fā)(MBSE)中，架構(gòu)是整個(gè)開發(fā)過程的核心之一。

一般來講，系統(tǒng)架構(gòu)一般采用通用化建模語言UML或SysML在相關(guān)架構(gòu)開發(fā)軟件，如Enterprise Architect， Cameo等，進(jìn)行開發(fā)。但可惜的是，目前大部分車企都沒有完整的系統(tǒng)架構(gòu)或多基于PowerPoint等形式的簡(jiǎn)單架構(gòu)描述。

在功能安全第三部分概念開發(fā)和第四部分系統(tǒng)開發(fā)過程中，都需要系統(tǒng)架構(gòu)作為輸入條件，借助系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行安全分析，導(dǎo)出功能安全需求(FSR)和技術(shù)安全需求(TSR)，并將相應(yīng)的安全需求分配至系統(tǒng)架構(gòu)。

但在系統(tǒng)開發(fā)階段，我們還需要對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行功能安全相關(guān)內(nèi)容進(jìn)一步開發(fā)，將架構(gòu)相關(guān)的安全機(jī)制融入系統(tǒng)架構(gòu)當(dāng)中，形成系統(tǒng)安全架構(gòu)(Safety Architecture)，以此勾勒出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)安全需求所需要的核心技術(shù)框架，為后續(xù)軟件和硬件架構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

02

系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)安全機(jī)制

很多朋友一直有個(gè)疑問，對(duì)于不同的ASIL等級(jí)應(yīng)該具體采取哪些安全機(jī)制呢?

這是個(gè)很好的問題，一般來說ASIL等級(jí)越高，需要采取的安全機(jī)制數(shù)目及質(zhì)量要求越高。

但I(xiàn)SO 26262并沒有，其實(shí)也沒有辦法明確哪個(gè)ASIL等級(jí)應(yīng)該具體采取哪些安全機(jī)制，只有對(duì)硬件部分，不同覆蓋率(中，高，低)對(duì)應(yīng)的安全機(jī)制的推薦。

主要原因在于:?

雖然有一些通用的安全機(jī)制，但研究對(duì)象不同，采用的安全機(jī)制也不盡相同。

為功能安全技術(shù)實(shí)施多樣性提供更多空間和選擇，便于不同企業(yè)根據(jù)自身技術(shù)積累和開發(fā)條件進(jìn)行實(shí)施。

為技術(shù)更新?lián)Q代提供可能性。隨技術(shù)發(fā)展，很多新的安全機(jī)制得以實(shí)現(xiàn)或得以在汽車行業(yè)應(yīng)用。

如果ASIL等級(jí)和安全機(jī)制一一掛鉤，強(qiáng)制執(zhí)行，可能很多車企的車都沒辦法上市了(你懂的)。

我們先看看不含安全機(jī)制的系統(tǒng)架構(gòu)長(zhǎng)什么樣??

系統(tǒng)架構(gòu)旨在描述相關(guān)項(xiàng)組成和相互作用和約束。根據(jù)ISO 26262定義，相關(guān)項(xiàng)由一到多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，而一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該至少包括一個(gè)傳感器，一個(gè)控制單元，一個(gè)執(zhí)行器。當(dāng)然，一個(gè)系統(tǒng)也可以包含多個(gè)子系統(tǒng)。

所以一個(gè)最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)架構(gòu)如下:

那有哪些系統(tǒng)層面的安全機(jī)制可以融入系統(tǒng)架構(gòu)，進(jìn)而形成系統(tǒng)安全架構(gòu)呢？

既然一個(gè)最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)由三個(gè)部分構(gòu)成，那么系統(tǒng)級(jí)別和架構(gòu)相關(guān)的安全機(jī)制肯定也是和這三個(gè)部分以及三者之間的通訊安全相關(guān)。

下面我們一起看看系統(tǒng)層面和架構(gòu)相關(guān)的常見的安全機(jī)制:

傳感器

─?傳感器硬件冗 ─?獨(dú)立供電 ─?多通道冗余采集 ─?信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)

控制單元

─?在線診斷

─?比較器

─?多數(shù)投票器

執(zhí)行器

─?執(zhí)行器硬件冗余

─?執(zhí)行器控制信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)

通訊

─ 冗余發(fā)送

─?信息冗余(CRC)

─?時(shí)間監(jiān)控

─?問答機(jī)制

需要注意的是，系統(tǒng)階段的安全機(jī)制主要作用是勾勒出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能安全所需的核心技術(shù)框架，明確應(yīng)該采取哪些技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的安全目標(biāo)，不會(huì)涉及具體的實(shí)施細(xì)節(jié)，這個(gè)會(huì)在后續(xù)軟件和硬件開發(fā)階段進(jìn)一步明確。

從上述安全機(jī)制可以看出，雖然安全機(jī)制的種類有很多，但無非都源于以下三個(gè)角度:?

1

冗余性: 使用相同的功能組件(多指硬件)降低硬件隨機(jī)失效，增加功能安全的可靠性，例如傳感器，執(zhí)行器冗余等。

2

多重性: 多用于故障關(guān)閉路徑，使用多個(gè)關(guān)閉路徑或保護(hù)設(shè)備，提供了防止單個(gè)設(shè)備失效的保護(hù)。

3

多樣性: 使用不同類型的設(shè)備或者軟件多樣化設(shè)計(jì)，降低共因失效的可能性。

03

系統(tǒng)安全架構(gòu)設(shè)計(jì)

了解系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)的安全機(jī)制，接下來我們就將這些安全機(jī)制融入原有的系統(tǒng)架構(gòu)，分別看看系統(tǒng)不同組成部分，融入安全機(jī)制后形成的系統(tǒng)安全架構(gòu)長(zhǎng)什么樣？

3.1 傳感器部分

首先，我們?cè)谙到y(tǒng)中融入傳感器部分安全機(jī)制，需要注意的是，此處的傳感器代表廣義的輸入信息，可以是具體傳感器信號(hào)，也可以是其他類型通訊信息，例如CAN，SENT等。

傳感器的硬件冗余(當(dāng)然傳感器必須獨(dú)立供電)多適用于對(duì)于ASIL等級(jí)要求非常高的信號(hào)，如ASIL ?C, D，尤其是D，其主要目的是為避免傳感器硬件隨機(jī)失效，通過信號(hào)相互校驗(yàn)，增加系統(tǒng)輸入信息可靠性。

這里的傳感器硬件冗余采集，可以是利用相同的兩個(gè)傳感器，對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行重復(fù)采集(例如，踏板信號(hào))，也可以是利用不同類型傳感器，對(duì)強(qiáng)相關(guān)的兩個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行采集(例如，制動(dòng)踏板位置和壓力信息等)。

當(dāng)然，傳感器輸入冗余信息，在控制單元中，必須進(jìn)行多路采集，除傳感器本身提供診斷信息外，還需要對(duì)其信號(hào)有效性進(jìn)行檢驗(yàn)，包括數(shù)值有效范圍檢測(cè)，在線監(jiān)控，Test Pattern，輸入對(duì)比，相關(guān)性，合理性檢測(cè)等。

3.2 控制單元

控制單元屬于整個(gè)系統(tǒng)中最重要的部分，控制單元相關(guān)的安全機(jī)制其實(shí)很大程度上決定了系統(tǒng)安全架構(gòu)和系統(tǒng)復(fù)雜程度。

提到控制單元相關(guān)的安全機(jī)制，很多朋友第一反應(yīng)是，控制器軟件分層，控制器硬件冗余(雙控制器，Dual Core LockStep雙核鎖步等)，看門狗，程序流監(jiān)控等。

雖然這些都是控制單元常用的安全機(jī)制，但從系統(tǒng)角度而言，它們相對(duì)過于具體，只是針對(duì)某一類故障而設(shè)計(jì)的軟件或硬件安全機(jī)制，需要在系統(tǒng)安全架構(gòu)基礎(chǔ)上具體明確。

接下來我們從系統(tǒng)角度，先看看系統(tǒng)級(jí)別安全架構(gòu)，后續(xù)無非就是將具體的軟件和硬件安全機(jī)制逐步應(yīng)用于系統(tǒng)架構(gòu)當(dāng)中去。

一般來說，所有的安全機(jī)制本質(zhì)上都服務(wù)于兩類安全架構(gòu):

Fail to safe?

Fail to operational?

3.2.1 Fail to safe?

Fail to safe是目前汽車行業(yè)應(yīng)用最廣泛的安全架構(gòu)，最典型的應(yīng)用就是在線監(jiān)控，將整個(gè)控制單元分為功能實(shí)現(xiàn)和在線監(jiān)控兩部分，即所謂的的1oo1D類型系統(tǒng)，具體如下圖所示:

其中:?

功能實(shí)現(xiàn)部分一般按正常開發(fā)流程就行開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能性需求，不需要考慮功能安全需求(也就是全部QM)。

監(jiān)控單元用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能安全相關(guān)的需求，主要目的在于對(duì)功能實(shí)現(xiàn)部分進(jìn)行安全監(jiān)控，在線監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)部分是否按照預(yù)期運(yùn)行。一旦發(fā)現(xiàn)問題，就將系統(tǒng)導(dǎo)入安全狀態(tài)，停止提供系統(tǒng)原有功能或者維持最必要的功能。

需要注意的是，監(jiān)控單元非功能層全部功能的多樣化復(fù)現(xiàn)，不能獨(dú)立于功能實(shí)現(xiàn)部分單獨(dú)存在，ASIL等級(jí)則直接決定了監(jiān)控單元的硬件及軟件復(fù)雜度。

對(duì)于ASIL等級(jí)要求較高的系統(tǒng)，監(jiān)控單元軟件一般獨(dú)立于功能層。為實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控，在監(jiān)控單元不僅需要對(duì)功能層中，和功能安全相關(guān)的輸入和輸出進(jìn)行診斷，還需要對(duì)功能安全相關(guān)的計(jì)算邏輯進(jìn)行監(jiān)控，計(jì)算執(zhí)行器關(guān)鍵控制信號(hào)的安全輸出范圍，并和功能層計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，甚至需要對(duì)控制器硬件進(jìn)行額外的硬件監(jiān)控。

如下圖所示，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元最常見的E-Gas三層安全架構(gòu)就屬于典型的1oo1D的應(yīng)用，包括功能應(yīng)用層，功能監(jiān)控層，控制器監(jiān)控層。

E-Gas三層安全架構(gòu)，雖然是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，但屬于非常經(jīng)典安全架構(gòu)，廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)(例如傳動(dòng)，整車控制)當(dāng)中，三層分層架構(gòu)本質(zhì)為原有ASIL等級(jí)的分解，即QM (ASILD)+ X(ASILX):

1

功能層:?功能實(shí)現(xiàn)部分，使得較為復(fù)雜的功能實(shí)現(xiàn)部分得以按照QM開發(fā)，無需考慮功能安全需求，專注于復(fù)雜功能軟件的開發(fā)和復(fù)用。

2

功能監(jiān)控層:?按照原有ASIL等級(jí)進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)，對(duì)功能層中功能安全相關(guān)部分進(jìn)行監(jiān)控，包括輸入輸出診斷，邏輯監(jiān)控，故障分類及故障優(yōu)先級(jí)仲裁等。

3

控制器監(jiān)控層:?對(duì)功能控制器，尤其是功能監(jiān)控層控制器硬件進(jìn)行監(jiān)控，一般采用獨(dú)立的監(jiān)控單元(一般采用ASIC基礎(chǔ)芯片)對(duì)功能控制器中內(nèi)存，CPU，通訊，定時(shí)器等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)。

目前E-Gas三層安全架構(gòu)已經(jīng)更新了很多版，強(qiáng)烈建議朋友們多讀幾遍，一定會(huì)深受啟發(fā)，之后有機(jī)會(huì)也可以給朋友們專門介紹一下。

當(dāng)然，分層安全架構(gòu)只是1oo1D其中一種實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)于ASIL等級(jí)要求不高或者功能簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，不一定非得采用分層架構(gòu)，監(jiān)控層也可以相應(yīng)簡(jiǎn)化。

3.2.2 Fail to operational?

Fail to operational 屬于相對(duì)高級(jí)的安全架構(gòu)，比較器和多數(shù)投票器都屬于這類安全架構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)由相對(duì)獨(dú)立的兩條或多條功能鏈路構(gòu)成，每條功能鏈路都有擁有自己獨(dú)立的傳感器，控制單元，甚至執(zhí)行器。當(dāng)其中一條功能鏈路出現(xiàn)異常，控制系統(tǒng)可以切換到其他功能鏈路，保證系統(tǒng)繼續(xù)正常工作或者降級(jí)運(yùn)行。

獨(dú)立功能鏈路的實(shí)現(xiàn)需要大量的硬件冗余和多樣化的軟件設(shè)計(jì)，直接提高了系統(tǒng)成本，所以Fail to operational在汽車產(chǎn)品一般最多有兩個(gè)獨(dú)立功能鏈路，主要應(yīng)用在對(duì)功能安全要求極高或者功能極為復(fù)雜的系統(tǒng)，例如自動(dòng)駕駛。其中最典型的是1oo2架構(gòu)，如果每個(gè)功能鏈路擁有獨(dú)立的診斷單元(和在線監(jiān)控類似)，則可以實(shí)現(xiàn)1oo2D安全架構(gòu)，如下圖所示:

其中:?

兩條功能鏈路功能可以保持一致，通過多樣化軟件設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)安全，或者形成主副功能鏈路，主功能鏈路利用高性能計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能計(jì)算，副功能鏈路對(duì)控制器硬件安全性及可靠性要求高，承擔(dān)系統(tǒng)功能安全任務(wù)，只實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能安全相關(guān)的功能，一旦主功能鏈路出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)切換至副功能鏈路。

3.3 執(zhí)行器

執(zhí)行器屬于系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)終端，執(zhí)行器冗余會(huì)極大增加系統(tǒng)成本，一般在Fail to operational 安全架構(gòu)中才會(huì)采用。例如EPS系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)等，除電動(dòng)執(zhí)行單元外，還必須保留機(jī)械執(zhí)行路徑。這也是目前自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，為什么還必須保留駕駛員自主駕駛所需要的全部執(zhí)行輸入(例如，踏板，方向盤)的根本原因。

3.4 通信安全

系統(tǒng)組件之間以及組件內(nèi)部的通信安全，也是系統(tǒng)功能安全的重要內(nèi)容，一般都采用信息冗余(CRC)，時(shí)間監(jiān)控，問答機(jī)制等安全保護(hù)機(jī)制，主要應(yīng)用就是AUTOSAR中的E2E保護(hù)，利用數(shù)據(jù)控制信息，保證信息通訊安全。

審核編輯：劉清