1. 引言         汽車上電子/電氣系統（E/E）數量不斷的增加，一些高階豪華轎車上有多達70多個ECU（Electronic Control Unit電子控制單元），其中安全氣囊系統、制動系統、底盤控制系統、發動機控制系統以及線控系統等都是安全相關係統。當系統出現故障的時候，系統必須轉入安全狀態或者轉換到降級模式，避免系統功能失效而導致人員傷亡。失效可能是由於規範錯誤(比如安全需求不完整)、人為原因的錯誤(比如：軟體bug)、環境的影響( 比如：電磁干擾)等等原因引起的。為了實現汽車上電子/電氣系統的功能安全設計，道路車輛功能安全標準 ISO 26262[1]於2011年正式釋出，為開發汽車安全相關係統提供了指南，該標準的基礎是適用於任何行業的電子/電氣/可程式設計電子系統的功能安全標準IEC 61508[2]。         ISO 26262標準中對系統做功能安全設計時，前期重要的一個步驟是對系統進行危害分析和風險評估，識別出系統的危害並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。然後，針對每種危害確定至少一個安全目標，安全目標是系統的最高級別的安全需求，由安全目標匯出系統級別的安全需求，再將安全需求分配到硬體和軟體。ASIL等級決定了對系統安全性的要求，ASIL等級越高，對系統的安全性要求越高，為實現安全付出的代價越高，意味著硬體的診斷覆蓋率越高，開發流程越嚴格，相應的開發成本增加、開發週期延長，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，然後介紹了ASIL分解的原則，並輔以例項進行說明。2. 危害分析和風險評估

        依據ISO 26262標準進行功能安全設計時，首先識別系統的功能，並分析其所有可能的功能故障（Malfunction），可採用的分析方法有HAZOP，FMEA、頭腦風暴等。如果在系統開發的各個階段發現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，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；如果此功能故障發生在白天就不會產生任何的影響。所以進行功能故障分析後，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型別：比如國道、城市道路、鄉村道路等；路面情況：比如溼滑路面、冰雪路面、乾燥路面；車輛狀態：比如轉向、 超車、制動、加速等；環境條件：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）， 危害事件確定後，根據三個因子——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。

表1 嚴重度、暴露率、可控性分類

        ASIL等級的確定基於這三個影響因子，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表示質量管理（Quality Management），表示按照質量管理體系開發系統或功能就足夠了，不用考慮任何安全相關的設計。確定了危害的ASIL等級後，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）系統為例介紹如何進行危害分析和風險評估。

        EPB較傳統的駐車制動器，除了駐車功能，還有動態起步輔助功能、緊急制動功能以及自動駐車功能等。這裡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出制動請求，EPB系統在汽車的後輪上施加制動力，以防止車非預期滑行。該系統的危害有：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，這裡我們僅對”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，那麼所評估的ASIL等級會比表中的ASIL D低，但是對於同一個安全目標，如果評估的ASIL等級不同的話，要選擇ASIL等級最高的那個。

表3 EPB風險評估

        通過以上分析，得出EPB系統的安全目標為：防止制動失效，ASIL等級為D。3. ASIL分解原則         通過上節介紹的危害分析和風險評估，我們得出系統的安全目標和相應的ASIL等級，從安全目標可以推匯出開發階段的安全需求，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餘的安全需求，那麼原來的安全需求的ASIL等級可以分解到兩個冗餘的安全需求上。因為只有當兩個安全需求同時不滿足時，才導致系統的失效，所以冗餘安全需求的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。         分解後的ASIL等級後面括號裡是指明原始需求的ASIL等級，比如ASIL D等級分解為ASIL C(D)和ASILA(D)等，因為整合和需求的驗證仍然依據其原始的ASIL等級。ASIL 分解可以在安全生命週期的多個階段進行，比如功能安全概念、系統設計、硬體設計、軟體設計階段。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，冗餘單元要按照原來的ASIL等級開發。所謂的獨立性就冗餘單元之間不應發生從屬失效（Dependent Failure），從屬失效分為共因失效（Common Cause Failure）和級聯失效(Cascading Failure) 兩種。共因失效是指兩個單元因為共同的原因失效，比如軟體複製冗餘，冗餘單元會因為同一個軟體bug導致兩者都失效，為了避免該共因失效，我們採用多種軟體設計方法。級聯失效是指一個單元失效導致另一個單元的失效，比如一個軟體元件的功能出現故障，寫入另一個軟體元件RAM中，導致另一個軟體元件的功能失效，為了控制該級聯失效，我們採用記憶體管理單元，可以探測到非法寫入RAM的情況。

圖1 ASIL分解原理圖  

        下面以一個例子介紹ASIL 分解的過程。

        假設功能F，其輸入訊號為S1，S2，S3，這三個訊號分別測量不同的物理量，是相互獨立的，經過ECU內部的邏輯運算後，傳送觸發資訊給執行器Actuator，功能F的架構示意圖如圖2所示。假設經過危害分析和風險評估後，功能F的ASIL等級為ASIL D，安全目標為避免非預期觸發執行器。那麼功能F的各個部分繼承ASIL等級，即感測器、ECU、執行器都需要按照ASIL D 等級開發，如圖3所示。

圖2 功能F架構示意圖

圖3 ASIL等級在功能F架構上的分配圖

        經過進一步的分析發現，當速度V>閾值時，非預期觸發執行器，才能造成危險。那麼我們在功能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大於閾值時，不允許觸發執行器。那麼功能F的架構變為如圖4所示。

圖4 加入安全機制後的架構

        功能F和安全機制是冗餘安全需求，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)，分解後的ASIL等級如圖5所示。

圖5 ASIL分解後架構示意圖

        原來的感測器S1、S2、S3按照QM開發，速度感測器按照ASIL D開發，ECU裡面的軟體，原來的邏輯按QM開發，安全機制的邏輯按照ASIL D開發，不同ASIL等級的軟體存在於一個ECU內，為了保證軟體之間的獨立性，保證兩者之間不相互影響，需要考慮記憶體保護機制，合適的排程屬性來保證儲存空間和CPU時間的獨立性，這樣會增加軟體開發的很多成本。那麼我們進一步採取硬體上的分離來保證獨立性，我們選擇一個成本很低的簡單的晶片（比如PGA, Programmable Gate Array）來執行安全機制中的軟體（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分解後架構示意圖

        經過分解後，按照ASIL D開發的功能邏輯簡單，使得開發變得簡單，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等級被開發階段安全需求繼承，如果安全需求的ASIL等級高，那麼需要進行ASIL分解以降低ASIL等級，本文以例項介紹了ASIL分解的原則和步驟。ASIL分解並沒有在ISO 26262中被強制要求執行，但是我們可以通過對系統進行分析、進而對系統架構進行調整，實現ASIL分解，可以解決因ASIL等級高而帶來的開發成本、開發週期和技術要求等方面的問題。