淺談汽車ISO 26262安全標準架構及分解 - 全文

　　汽車上電子/電氣系統(tǒng)數(shù)量不斷的增加，一些高端豪華轎車上有多達70多個ECU（Electronic Control Unit電子控制單元），其中安全氣囊系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)以及線控系統(tǒng)等都是安全相關系統(tǒng)。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候，系統(tǒng)必須轉入安全狀態(tài)或者轉換到降級模式，避免系統(tǒng)功能失效而導致人員傷亡。失效可能是由于規(guī)范錯誤人為原因的錯誤、環(huán)境的影響等等原因引起的。為了實現(xiàn)汽車上電子/電氣系統(tǒng)的功能安全設計，道路車輛功能安全標準 ISO 26262于2011年正式發(fā)布，為開發(fā)汽車安全相關系統(tǒng)提供了指南，該標準的基礎是適用于任何行業(yè)的電子/電氣/可編程電子系統(tǒng)的功能安全標準IEC 61508。

　　ISO 26262標準中對系統(tǒng)做功能安全設計時，前期重要的一個步驟是對系統(tǒng)進行危害分析和風險評估，識別出系統(tǒng)的危害并且對危害的風險等級——ASIL等級（Automotive Safety Integration Level，汽車安全完整性等級）進行評估。ASIL有四個等級，分別為A，B，C，D，其中A是最低的等級，D是最高的等級。然后，針對每種危害確定至少一個安全目標，安全目標是系統(tǒng)的最高級別的安全需求，由安全目標導出系統(tǒng)級別的安全需求，再將安全需求分配到硬件和軟件。ASIL等級決定了對系統(tǒng)安全性的要求，ASIL等級越高，對系統(tǒng)的安全性要求越高，為實現(xiàn)安全付出的代價越高，意味著硬件的診斷覆蓋率越高，開發(fā)流程越嚴格，相應的開發(fā)成本增加、開發(fā)周期延長，技術要求嚴格。ISO 26262中提出了在滿足安全目標的前提下降低ASIL等級的方法——ASIL分解，這樣可以解決上述開發(fā)中的難點。

　　本文首先介紹了ISO 26262標準中的危害分析和風險評估階段中的ASIL等級確定方法，然后介紹了ASIL分解的原則，并輔以實例進行說明。

　　2. 危害分析和風險評估

　　依據(jù)ISO 26262標準進行功能安全設計時，首先識別系統(tǒng)的功能，并分析其所有可能的功能故障（Malfunction），可采用的分析方法有HAZOP，F(xiàn)MEA、頭腦風暴等。如果在系統(tǒng)開發(fā)的各個階段發(fā)現(xiàn)在本階段沒有識別出來的故障，都要回到這個階段，進行更新。功能故障在特定的駕駛場景下，才會造成傷亡事件，比如近光燈系統(tǒng)，其中一個功能故障就是燈非預期熄滅，如果在漆黑的夜晚行駛在山路上，駕駛員看不清道路狀況，可能會掉入懸崖，造成車毀人亡；如果此功能故障發(fā)生在白天就不會產(chǎn)生任何的影響。所以進行功能故障分析后，要進行情景分析，識別與此故障相關的駕駛情景，比如：高速公路超車、車庫停車等。分析駕駛情景建議從公路類型：比如國道、城市道路、鄉(xiāng)村道路等；路面情況：比如濕滑路面、冰雪路面、干燥路面；車輛狀態(tài)：比如轉向、 超車、制動、加速等；環(huán)境條件：比如：風雪交加、夜晚、隧道燈；交通狀況：擁堵、順暢、紅綠燈等；人員情況：不如乘客、路人等幾個方面去考慮。功能故障和駕駛場景的組合叫做危害事件（hazard event）， 危害事件確定后，根據(jù)三個因子——嚴重度（Severity）、暴露率（Exposure）和可控性（Controllability）評估危害事件的風險級別——ASIL等級。其中嚴重度是指對駕駛員、乘員、或者行人等涉險人員的傷害程度；暴露率是指人員暴露在系統(tǒng)的失效能夠造成危害的場景中的概率；可控性是指駕駛員或其他涉險人員能夠避免事故或傷害的可能性。這三個因子的分類在表1中給出。

　　ASIL等級的確定基于這三個影響因子，表2中給出了ASIL的確定方法，其中D代表最高等級， A代表最低等級，QM表示質(zhì)量管理（Quality Management），表示按照質(zhì)量管理體系開發(fā)系統(tǒng)或功能就足夠了，不用考慮任何安全相關的設計。確定了危害的ASIL等級后，為每個危害確定至少一個安全目標，作為功能和技術安全需求的基礎。

　　表2 ASIL等級確定

　　下面以EPB（Electrical Park Brake）系統(tǒng)為例介紹如何進行危害分析和風險評估。

　　EPB較傳統(tǒng)的駐車制動器，除了駐車功能，還有動態(tài)起步輔助功能、緊急制動功能以及自動駐車功能等。這里我們以駐車功能為例，當駐車時，駕駛員通過按鈕或其它方式發(fā)出制動請求，EPB系統(tǒng)在汽車的后輪上施加制動力，以防止車非預期滑行。該系統(tǒng)的危害有：非預期制動失效、非預期制動啟動。相同的危害在不同的場景下的風險是不一樣的，所以我們要對不同的駕駛場景進行分析。為了簡化問題，這里我們僅對”非預期制動失效”這種功能故障進行風險評估。表3給出了EPB風險評估表，在該表中我們考慮的駕駛場景是車停在斜坡上，駕駛員不在車上。如果駕駛員在車上的話，駕駛員可通過踩剎車控制汽車滑行，可控性增加，那么所評估的ASIL等級會比表中的ASIL D低，但是對于同一個安全目標，如果評估的ASIL等級不同的話，要選擇ASIL等級最高的那個。

　　通過以上分析，得出EPB系統(tǒng)的安全目標為：防止制動失效，ASIL等級為D。

　　3. ASIL分解原則

　　通過上節(jié)介紹的危害分析和風險評估，我們得出系統(tǒng)的安全目標和相應的ASIL等級，從安全目標可以推導出開發(fā)階段的安全需求，安全需求繼承安全目標的ASIL等級。如果一個安全需求分解為兩個冗余的安全需求，那么原來的安全需求的ASIL等級可以分解到兩個冗余的安全需求上。因為只有當兩個安全需求同時不滿足時，才導致系統(tǒng)的失效，所以冗余安全需求的ASIL等級可以比原始的安全需求的ASIL等級低。ISO 26262標準的第9章給出了ASIL分解的原則，如圖1所示。

　　分解后的ASIL等級后面括號里是指明原始需求的ASIL等級，比如ASIL D等級分解為ASIL C（D）和ASILA（D）等，因為集成和需求的驗證仍然依據(jù)其原始的ASIL等級。ASIL 分解可以在安全生命周期的多個階段進行，比如功能安全概念、系統(tǒng)設計、硬件設計、軟件設計階段。而且ASIL等級可以分多次進行，比如ASIL D等級分為ASIL C（D）和ASILA（D），ASIL C（D）還可以繼續(xù)分解為 ASIL B（D）和ASIL A（D ）。

　　但是ASIL 分解的一個最重要的要求就是獨立性，如果不能滿足獨立性要求的話，冗余單元要按照原來的ASIL等級開發(fā)。所謂的獨立性就冗余單元之間不應發(fā)生從屬失效（Dependent Failure），從屬失效分為共因失效（Common Cause Failure）和級聯(lián)失效（Cascading Failure） 兩種。共因失效是指兩個單元因為共同的原因失效，比如軟件復制冗余，冗余單元會因為同一個軟件bug導致兩者都失效，為了避免該共因失效，我們采用多種軟件設計方法。級聯(lián)失效是指一個單元失效導致另一個單元的失效，比如一個軟件組件的功能出現(xiàn)故障，寫入另一個軟件組件RAM中，導致另一個軟件組件的功能失效，為了控制該級聯(lián)失效，我們采用內(nèi)存管理單元，可以探測到非法寫入RAM的情況。

　　下面以一個例子介紹ASIL 分解的過程。

　　假設功能F，其輸入信號為S1，S2，S3，這三個信號分別測量不同的物理量，是相互獨立的，經(jīng)過ECU內(nèi)部的邏輯運算后，發(fā)送觸發(fā)信息給執(zhí)行器Actuator，功能F的架構示意圖如圖2所示。假設經(jīng)過危害分析和風險評估后，功能F的ASIL等級為ASIL D，安全目標為避免非預期觸發(fā)執(zhí)行器。那么功能F的各個部分繼承ASIL等級，即傳感器、ECU、執(zhí)行器都需要按照ASIL D 等級開發(fā)，如圖3所示。

　　經(jīng)過進一步的分析發(fā)現(xiàn)，當速度V》閾值時，非預期觸發(fā)執(zhí)行器，才能造成危險。那么我們在功能F的架構中，加入一個安全機制，安全機制的功能是當檢測到速度V大于閾值時，不允許觸發(fā)執(zhí)行器。那么功能F的架構變?yōu)槿鐖D4所示。

　　圖4 加入安全機制后的架構

　　功能F和安全機制是冗余安全需求，同時來滿足安全目標，因此可以將功能F原來的ASIL等級在這兩個需求上進行分解，分解為ASIL D（D）和QM（D），分解后的ASIL等級如圖5所示。

　　圖5 ASIL分解后架構示意圖

　　原來的傳感器S1、S2、S3按照QM開發(fā)，速度傳感器按照ASIL D開發(fā)，ECU里面的軟件，原來的邏輯按QM開發(fā)，安全機制的邏輯按照ASIL D開發(fā)，不同ASIL等級的軟件存在于一個ECU內(nèi)，為了保證軟件之間的獨立性，保證兩者之間不相互影響，需要考慮內(nèi)存保護機制，合適的調(diào)度屬性來保證存儲空間和CPU時間的獨立性，這樣會增加軟件開發(fā)的很多成本。那么我們進一步采取硬件上的分離來保證獨立性，我們選擇一個成本很低的簡單的芯片（比如PGA， Programmable Gate Array）來運行安全機制中的軟件（如圖6所示）。需要注意的是PGA要使用獨立的電源和時鐘。

　　圖6 改進的ASIL分解后架構示意圖

　　經(jīng)過分解后，按照ASIL D開發(fā)的功能邏輯簡單，使得開發(fā)變得簡單，整體成本也得以降低。

　　4. 結論

　　本文以EPB為例介紹了ISO 26262標準中安全目標及其ASIL等級確定的方法，安全目標的ASIL等級被開發(fā)階段安全需求繼承，如果安全需求的ASIL等級高，那么需要進行ASIL分解以降低ASIL等級，本文以實例介紹了ASIL分解的原則和步驟。ASIL分解并沒有在ISO 26262中被強制要求執(zhí)行，但是我們可以通過對系統(tǒng)進行分析、進而對系統(tǒng)架構進行調(diào)整，實現(xiàn)ASIL分解，可以解決因ASIL等級高而帶來的開發(fā)成本、開發(fā)周期和技術要求等方面的問題。