1. E-GAS 安全架構思想

汽車功能安全旨在把電子電氣系統(tǒng)失效而導致的人身危害風險控制在合理范圍內(nèi)。下圖是常見的電子電氣系統(tǒng)硬件構成圖，一個電子電氣系統(tǒng)的構成要素，除了圖中可見的硬件外，也包含圖中不可見的軟件。 ?

圖1?常用電子電氣硬件系統(tǒng) ? 電子電氣系統(tǒng)的失效，既包含由于軟硬件設計錯誤引起的系統(tǒng)性失效，也包含由隨機硬件故障引起的失效。根據(jù)系統(tǒng)架構，需要設計各種安全機制去預防和探測功能故障，并能夠在故障發(fā)生時，避免或者降低危害的發(fā)生。這就需要一個強壯的功能安全軟件架構來管理和控制這些安全機制，降低功能安全整體開發(fā)難度。 ?

目前，E-GAS（Standardized E-Gas Monitoring Concept for Gasoline and Diesel Engine Control Units）無疑是當前使用最為廣泛的一個安全軟件架構方案。雖然 E-GAS 最初只是針對汽 / 柴油發(fā)動機管理系統(tǒng)而提出的安全架構方案，但是經(jīng)過簡單的適配，也可以用于車身系統(tǒng)，變速箱系統(tǒng)以及新能源的三電系統(tǒng)等，具有非常良好的擴展性，應用非常廣泛。 ?

下圖是 E-GAS 的三層軟件架構設計方案，從上到下，軟件分為 Level1~3 總共三層，Level1是功能實現(xiàn)層（function level），Level2 是功能監(jiān)控層（function monitoring level），Level3 是控制器監(jiān)控層（controller monitoring level）。該架構形成了很好的分層監(jiān)視框架，并有效實現(xiàn)了功能安全分解，通常采用 QM（ASIL X） + ASIL X（ASIL X）的安全分解策略，即將功能實現(xiàn)軟件（Level1）按照 QM 等級開發(fā)，功能冗余軟件或安全措施（Level2、Level3）按照最高的要求等級 ASIL X（ASIL X）進行開發(fā)，詳情請關注公眾號【車端】，這樣可以有效降低功能軟件的安全開發(fā)成本。 ?

圖2?E-GAS三層監(jiān)視架構方案 ?

（1） Level1 功能實現(xiàn)層

Level1 是功能實現(xiàn)層，完成具體的功能實現(xiàn)，比如對于電機控制器來說，這一層實現(xiàn)了將請求的扭矩轉換為電機的扭矩輸出。 ?

（2） Level2 功能監(jiān)控層

Level2 是功能監(jiān)控層，用于監(jiān)控 Level1 功能的運行是否正常。Level2 的核心是設計一套方法去判斷Level1 的運行是否正常。雖然判斷 Level1 運行是否正常的方法，往往跟被監(jiān)控的功能相關，不同被監(jiān)控功能有不同的判定方法，比如 : 通過軟件多樣化冗余。但也有一些適用范圍較廣的判斷方法，比如合理性校驗。 ?

圖3?合理性檢查 ? 如上圖 所示，Level2 在使用合理性校驗方法判斷 Level1 功能是否正常運行時，先根據(jù)傳感器輸入的信號，計算控制量允許輸出的合理范圍，再計算從執(zhí)行器反饋的實際輸出量，最后判定 Level1 的實際輸出量是否在允許的合理范圍，如果超出了合理的范圍，則判定 Level1 功能異常，執(zhí)行錯誤處理。

? （3） Level3 控制器監(jiān)控層

Level3 是控制器監(jiān)控層，主要由三部分功能構成。 ? 電子電氣系統(tǒng)硬件診斷：監(jiān)控電子電氣系統(tǒng)硬件故障，比如 : 控制器的 CPU 核故障、RAM 故障、ROM 故障等。 ? 獨立監(jiān)控：控制器相關的故障發(fā)生后，此時控制器已經(jīng)無法可靠地執(zhí)行安全相關邏輯，為了保證安全性，需要外部額外的獨立監(jiān)控模塊，來確保即使 MCU 發(fā)生嚴重故障后，依然能夠進入安全狀態(tài)。這個額外的獨立監(jiān)控模塊，通常是集成看門狗的電源管理芯片。 ? 應用程序流檢查：監(jiān)控 Level1 和 Level2 的監(jiān)控程序是否運行正常。該監(jiān)控功能通過將程序流檢查和看門狗喂狗綁定實現(xiàn)。如果 Level1 和 Level2 相關的監(jiān)控程序沒有按照設定的順序運行，或者沒有在規(guī)定的時間內(nèi)執(zhí)行，則程序流檢查失敗，無法正常喂狗，從而進入系統(tǒng)安全狀態(tài)。 ?

圖4?Level3功能框圖 ?

2. 國外功能安全軟件架構發(fā)展情況

? 提到功能安全與軟件架構，我們可以從 “符合功能安全的軟件架構” 和 “功能安全軟件架構” 這兩個維度去看待它們之間的關系。 ? 前者側重點是從軟件開發(fā)角度看我們的軟件架構設計過程對功能安全的符合性，也就是我們的軟件架構設計過程需要滿足 ISO 26262 提出的各種要求，如：標記方法、設計原則、設計要素要求、安全分析要求、錯誤探測機制要求、錯誤處理機制以及設計驗證方法等，其中，軟件架構層面的安全分析主流手段是“軟件 FMEA（Failure Mode and Effects Analysis）” 和 “軟件 DFA（Dependent Failure Analysis）” 。 ? 后者側重點是從嵌入式軟件系統(tǒng)角度看對系統(tǒng)級功能安全的支撐。基于 E-Gas 安全架構的思想，我們認為 “分層監(jiān)視思想” 、“安全措施” 和 “診斷框架” 是 “功能安全軟件架構” 的核心，“分層監(jiān)視思想”和 “安全措施” 在上文有說明，本節(jié)接下來內(nèi)容主要圍繞 “診斷框架” 進行說明。無論我們使用的基礎軟件開發(fā)平臺是 AUTOSAR CP、AP 或者是非 AUTOSAR，功能安全軟件架的設計思路是類似的，這里基于 AUTOSAR CP 進行說明。

? 1） 功能安全診斷框架技術要求

圖5?故障響應時間和容錯時間間隔 ? 我們結合 FTTI（故障容忍時間間隔，fault tolerant time interval）理解故障診斷過程。從故障發(fā)生到產(chǎn)生可能危害之間的這段時間就是 FTTI 時間，此期間主要有診斷測試、故障響應過程，并且希望在產(chǎn)生可能危害之前進入安全狀態(tài) ( 圖 4.1-8)。診斷測試過程需要考慮診斷測試觸發(fā)、故障確認（去抖）等，
故障響應過程需要考慮進入合理的操作模式（如：Fail safe, Fail operational, Emergency operation 等）、故障存儲等。 ? 綜上，“診斷框架” 的核心設計需要考慮覆蓋診斷測試、故障響應過程。主要的功能安全診斷框架技術要求有： ?

故障統(tǒng)一管理：對 E-GAS 多層監(jiān)視框架各故障監(jiān)視層上報的故障進行狀態(tài)統(tǒng)一管理

故障響應時間要求：故障檢出到進入安全狀態(tài)需滿足故障容忍時間間隔（FTTI）的要求

獨立性要求：片上安全機制與功能存在共因問題，需支持獨立性監(jiān)視（MCU 片外監(jiān)視）

多樣化要求：軟件架構須滿足框架設計通用化和支持安全策略多樣化（不同項目對安全機制有不同要求）

診斷測試時機：上下電，周期，條件觸發(fā)等

故障去抖 / 延時檢查：需支持安全機制的去抖測試功能，至少支持基于時間和基于計數(shù)去抖算法

診斷事件和功能解耦：診斷事件和功能獨立管理，之間存在映射關系

故障存儲：支持故障信息非易失存儲

2） 國外診斷框架技術情況解讀

在對診斷框架技術展開解讀之前，有兩個方面的建議供參考。 ? ① 建議 1：根據(jù)需求確定診斷測試的時機 ? a. 上電時：這里結合一個典型應用需求進行說明。安全機制（safety mechanism）和對應的功能構成了雙點，為了降低潛伏多點故障失效率，一般在系統(tǒng)啟動階段（上電時），安全機制需要做自檢。此外，在多處理器系統(tǒng)中還需要考慮診斷測試同步問題。 ? b. 運行時：一般分周期性診斷測試和條件診斷測試。診斷周期的定義需要考慮 FDTI（fault detection time interval）的約束，而條件診斷測試一般是發(fā)生狀態(tài)遷移時或在激活某個功能前對功能進行的診斷。 ? c. 下電時：可以選擇執(zhí)行一些比較耗時的測試，而測試結果一般放在下一次啟動時處理。 ? ② 建議 2：進行分組診斷測試 ? 為了便于診斷管理（包括診斷觸發(fā)和故障響應等），根據(jù)臨界故障 / 非臨界故障，診斷測試時機等因素進行分組。上電時如果檢出臨界故障（Critical fault），比如：核故障（Core Fault）、易失性存儲器測試故障（Ram Test Fault）等，這時故障響應可以選擇處在一個靜默狀態(tài)處理（如：MCU 處在連續(xù)復位狀態(tài)）。 ?

圖6?“功能安全診斷框架”與“功能安全診斷控制流” ? E-Gas 三 層 監(jiān) 視 框 架 的 Level1(function level） 及 Level2(function monitoring level） 位 于 ASW(application software, 即 : 圖 4.1-9 中 的 SWC) 層，Level3(controller monitoring level） 位 于BSW(basic software) 層。“診斷框架” 同樣也位于 BSW 層，如上文所述主要覆蓋診斷測試、故障響應過程，下文對其構成和工作過程展開介紹： ?

BswM、 EcuM 主要負責上下電管理，在 STARTUP、UP、SHUTDOWN 階段分別進行上電時、運行時、下電時的診斷測試

ASW-Level1（E-Gas Level1）覆蓋功能輸入 / 輸出的診斷；ASW-Level2（E-Gas Level2）一般實現(xiàn)為 ASW-Level1 功能的冗余算法，實現(xiàn) ASW-Level1 ASIL 等級的分解；TestLib（E-GasLevel3）監(jiān)視 ECU、MCU 層面的硬件失效（建議參考 ISO26262(2018)-Part5 Annex D 及 MCU安全手冊），覆蓋 Level1 和 Level2 共因失效的診斷，并和 “監(jiān)視控制器” 實現(xiàn)用于邏輯及時間獨立性診斷的問答看門狗機制

TestManager 負責對 TestLib 安全機制的診斷測試觸發(fā)及相應測試結果的收集

DEM 收集 E-Gas Level1/2/3 的測試結果，診斷事件去抖，標記故障碼及通過 NvM 進行故障信息存儲。FiM 根據(jù) DEM 診斷測試結果（去抖后）標記已配置的功能，功能軟件（ASW-Level1）根據(jù)標記來決定對功能的抑制。

編輯：黃飛

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