一文读懂ISO26262安全功能标准

来源:昆山恒瑞诚工业科技有限公司
2020-03-24
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 随着汽车行业复杂性的日益提升,汽车已经成为人们生活中重要的一部分,所以人们加大了汽车开发安全和规范系统的力度另一方面,电子电气系统越来越集成化和复杂化。例如现代汽车使用的油门线控,司机踩油门时,踏板中的传感器将向电子控制元件发送信号,该控制单元将分析多种因素,如引擎速度、车辆速度及踏板位置。最后控制单元将向油门传递指令。所以现代汽车使用的其安全性也显得越发重要。因此,对功能安全的考虑是汽车行业首要考虑的因素之一,ISO26262正是国际标准化组织专门针对汽车电子电气系统制定的功能安全标准,目前已经在汽车行业广泛推行。

 ISO26262道路车辆功能安全国际标准是以安全相关电子电气系统的特点所制定的功能安全标准,它是从电子、电气及可编程器件功能安全基本标准IEC61508派生出来的,主要定位在汽车行业中特定的电气器件、电子设备、可编程器件等专门用于汽车领域的部件,旨在提高汽车电子电气产品功能安全的国际标准。功能安全标准化的运动产生于20世纪90年代。上个世纪70年代开始随着工业生产过程的自动化程度越来越高,以电气、电子、可编程电子产品的大量应用为标志的现代化控制系统越来越多的渗透到各个领域,参与着各种控制过程。但是由于一些系统设计不合理、设备元器件故障或失效、软件系统的故障导致的事故、人身伤害、环境污染,越来越频繁的危及着我们的生命安全和赖以生存的环境。因此功能安全标准研究展开,国际电工委员会发布了IEC61508标准,而后于2005年经历了6年的时间,在2011年11月15日正式发布了ISO26262,成为国际标准。2018年发布了第二版本。


 ISO26262功能安全在将来的汽车研发中是关键的要素之一,新的功能不仅可以用于辅助驾驶,也可以用于车辆动态控制和涉及到安全工程领域的主动安全系统。ISO26262为汽车安全提供了一个生命周期理念,即管理、开发、生产、经营、服务、报废。同时标准涵盖功能性安全方面的整体开发过程:需求规划、设计、实施、集成、验证、确认和配置。

 ISO26262标准中两个组件认证,分别是硬件组件认证和软件组件认证。硬件认证有两个主要目的:展示部件如何适应整体系统,并评估故障模式。基础硬件组件可通过标准资格评估,但更复杂的部件要求通过ASIL分解及测试进行评估。硬件组件的认证通常是在一系列环境和操作条件下进行测试。接着,使用多种定量方法分析测试结果,并写入资格报告,附带测试程序、假设及输入标准。认证软件组件包括:确定功能要求、资源使用以及预测在故障和过载情况下的软件行为。在实际应用的开发阶段使用认证的软件可大幅简化该过程。认证的软件组件通常是优秀的产品,可在项目中复用,包含库、操作系统、数据库及驱动软件。随着汽车电子行业的发展,电子设备和系统会一级一级整合到整车中,虽然目前ISO26262并不是强制性标准,但可以预见未来,世界级汽车生产商包括国内主流车厂都会要求与汽车安全相关的产品都要符合ISO26262中的标准。在ISO26262功能安全中我们会遇见以下几个重要的概念。     1.FTTI如图所示,在系统正常运行的时候,突然发生故障,系统安全机制检测到此故障后将系统置位安全状态。从故障发生到系统进入安全状态这段时间就是我们所谓的FTTI时间。例如转向柱角度模块的角度错误,到角度传感器检测到故障并且将整个角度转向系统置于安全状态的时间即为FTTI。

      FTTI时间在IEC61508和ISO26262标准中都是一个很核心的概念,甚至在所有可靠性安全设计标准中都是核心,因为它表示对失效的控制策略和控制速度。FTTI是针对某一特定的故障,针对某一个电子模块中所考虑的功能,FTTI时间都会不同 。例如传感器中发生的故障,这个故障传播的时间为200ms,整车将此故障所带来的故障表现为事故需要500ms,那么对此传感器的FTTI时间可以定义为:FTTI=200ms+500ms=700ms。


      单个电子模块对故障的控制时常一定要小于其所对应的FTTI时间,这也就意味着对于安全机制的选用必须考虑FTTI 时间。FTTI是ISO26262功能安全标准中的核心之一。     2.ASIL

ASIL即Automotive Safety Integration Level,中文是汽车安全完整性等级。ASIL描述系统能够实现指定安全目标的概率高低。

ASIL有四个等级,分别为A、B、C、D,其中A是最低的等级,D是最高的等级。然后,针对每种危害确定至少一个安全目标,安全目标是系统的最高级别的安全需求,由安全目标导出系统级别的安全需求,再将安全需求分配到硬件和软件。ASIL等级决定了对系统安全性的要求,ASIL等级越高,对系统的安全性要求越高,为实现安全付出的代价越高,意味着硬件的诊断覆盖率越高,开发流程越严格,相应的开发成本增加、开发周期延长,技术要求严格。

ASIL安全等级划分包括如下步骤:1)根据预想架构、功能概念、操作模式和系统状态等确定安全事件;2)危险分析和风险评估,初步确定ASIL安全等级;3)逐级分解安全要求和安全等级,ASIL安全级别划分和ASIL安全级别逐层分解两个过程交替进行,直至抵达无法进一步分解 零件或者子系统;4)最后用几个原则去检查等级分配的合理性,包括因素共存原则、相关失效分析和安全分析。     ASIL中几个概念分别是: E(Exposure)指故障发生的时长占平均运行时长的比例,表示发生故障概率大小。 C(Controllability)指故障发生后驾驶员是否可以人为对故障状态加以控制。 S(Severity)指故障严重程度。由此可得出安全风险公式Risk=E*C*S     Tolerable Risk是第四个概念,它是风险评级的一个标准。以上四个概念可以形成一张ASIL评级图。


     ASIL等级确定基于上面的影响因素,下图给出了ASIL确定方法。D代表高等级,A代表低等级,QM为质量管理。表示按照质量管理体系开发系统或功能就足够了,不用考虑任何安全相关的设计。确定了危害的ASIL等级后,为每个危害确定至少一个安全目标,作为功能和技术安全需求的基础。 

 

   

汽车上的全部电子电气系统都会划分安全等级,包括系统、子系统、电子零件等。其目的是使相关人员和部门统一认识,避免因为目标含混不清,职责不明确造成的风险;另一方面,避免在同一个安全要素上重复投入资源,出现分布不均而出现的资源浪费,一个风险点有几个安全保障,而另一个故障点却没有人意识到。通过系统性,全生命周期的思考方式,实现全面的规划安全功能的目的。ASIL安全等级划分的目的是为了明确每个系统,每个子系统,每个零件的安全目标,制定执行明确的安全措施,一方面使相关人员和部门统一认识,避免因为目标含混不清,职责不明确造成的风险;另一方面,避免在同一个安全要素上重复投入资源,出现分布不均而出现的资源浪费,一个风险点有几个安全保障,而另一个故障点却没有人意识到。通过系统性,全生命周期的思考方式,实现全面的规划安全功能的目的。3.TCLTCL即Tool Confidence Level,中文我们称为工具信赖度。因为我们在做电子产品和系统设计时都会使用软件进行设计辅助,因此这里的工具通常指的是我们产品开发使用的软件工具。工具信赖度(TCL)的意义是在开发过程中使用的软件工具的功能必须能正确运行,因为软件工具所出现的故障可能会在产品开发过程中引入你的产品。工具信赖度中两个标准。一是工具影响TI和工具错误检测TD。TI用于评估正在接受评估的软件工具是否对正在开发的设计产生直接的安全相关影响。TI1意味着对设计没有直接影响,而TI2则表示对设计有直接影响。TD确定了您的信赖度,即有措施可以预防和/或检测工具故障。TD1意味高信赖度;TD2表示中等程度的信赖度;而TD3表示较低的信赖度。因此我们可以用下表建立TCL。

     4.FMEDAFMEA、FTA、FMEDA作为ISO26262重要的分析技术在产品开发过程中发挥了重要的作用。FMEDA作为定量分析的核心技术引起了人们的重视。

    FMEA失效模式与影响分析(Failure Mode and Effects Analysis)FMEA是在产品设计阶段或过程设计阶段,对构成产品的子系统、零件或者对构成过程的各个工序逐一进行分析,找出所有潜在的失效模式,并分析其可能的后果,从而预先采取必要的措施,以提高产品的质量和可靠性的一种系统化的活动。FMEA是“事前的预防措施”,并“自下而上”由失效模式分析失效影响。FTA是安全系统工程中最重要的分析方法是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图,它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。它是一种从系统到部件,再到零件,按“自上而下”分析的方法。它从系统开始,通过由逻辑符号绘制出的一个逐渐展开成树状的分枝图,来分析故障事件发生的概率。同时也可以用来分析零件、部件或子系统故障对系统故障的影响,其中包括人为因素和环境条件等在内。FMEDA—失效模式影响与诊断分析 (failure mode effect and diagnostic analysis) 是产品设计定量分析的基础,可以用来分析整个系统也可以用来分析系统的某个模块单元。

FMEDA在功能安全工作中起到很重要的作用,它对功能安全产品的失效风险、是否可诊断进行定性分析,同时也为平均失效概率和安全完整性等级的计算提供了有效的数据支撑。

FMEDA在FMEA基础上增加了两部分信息:

1) 对所有要分析的部件给出定量的失效数据。

2)系统或子系统通过自动在线诊断发现失效的能力。

众所周知,ISO26262标准中对系统做功能安全设计时,前期重要的一个步骤就是对系统进行危害分析和风险评估,识别出系统的危害并且对危害进行风险等级进行评估。ASIL等级越高,对系统安全性要求越高,相应的开发成本会增加,开发周期会延长,技术要求会更加严格。ISO26262标准进行安全功能设计时,需要识别系统的功能,并分析其所有可能的功能故障。如果在系统开发的各个阶段发现在本阶段没有识别出来的故障,都要回到这个阶段,进行更新。功能故障在一些场景下才会造成损伤事件。例如电动尾门来说,汽车电动尾门对于安全性来讲,首先要保证车门的正常开合,闭锁,解锁。同时在开关门的过程中要预防人的夹伤,如果车门不能正常开合就会发生功能故障。其次汽车电动尾门需要在各种环境气候下都能正常使用对防水,防潮,耐高温低温的要求非常高,因此安全等级越高,相应的成本也会更大。如今随着汽车电子的发展,电动尾门安全等级也越来越高,ASIL会指导如何选择适当方法,以达到一定程度的产品安全完整性,智能电动尾门大都能满足ASIL较高的安全等级。

随着汽车电子的日益发展,汽车安全性越来越受到人们的广泛关注。每一辆生产出来的汽车上路之后都会融入我们的日常生活,一旦汽车上的软硬件设备和系统发生失效或故障,都有可能危害到人类的生命财产安全。ISO26262标准的价值核心在于它可以通过系统的功能安全研发管理流程,以及针对汽车电子控制系统硬件和软件的系统化验证和确认方法,保证电子系统的安全功能在面对各种严酷条件时不失效,从而保证驾乘人员以及路人的安全。对于汽车厂商而言,贯彻执行ISO26262标准不仅可以提高安全性能,提升产品内在价值,也可以最大程度的控制因为电子部件可靠性问题导致的整车召回风险,避免品牌形象受损,避免蒙受较大的经济损失。随着时代发展采用ISO26262标准将成为汽车行业的趋势,ISO26262标准也将成为汽车行业重要的标准之一。

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