歡迎關(guān)注下方公眾號(hào)阿寶1990，本公眾號(hào)專(zhuān)注于自動(dòng)駕駛和智能座艙，每天給你一篇汽車(chē)干貨，我們始于車(chē)，但不止于車(chē)。
eta-name="摘要" style="-webkit-tap-highlight-color:rgba(0, 0, 0, 0);color:rgb(51, 51, 51);font-size:14px;letter-spacing:normal;line-height:1.8em;margin:0.5em 0em;text-size-adjust:none;white-space:normal">eta-name="摘要.標(biāo)題" style="-webkit-tap-highlight-color:rgba(0, 0, 0, 0);text-size-adjust:none;font-weight:bold !important">【摘要】為實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）的整車(chē)功能安全開(kāi)發(fā)，在分析SOA特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)，建立基于SOA的汽車(chē)功能安全正向開(kāi)發(fā)流程，提出了基于功能的概念開(kāi)發(fā)階段和基于架構(gòu)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段的功能安全設(shè)計(jì)方法：在概念開(kāi)發(fā)階段，面向產(chǎn)品能力導(dǎo)出功能安全需求，定義產(chǎn)品能力的功能安全等級(jí)；在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段，基于軟件組件架構(gòu)、物理部署等實(shí)現(xiàn)技術(shù)安全需求的進(jìn)一步導(dǎo)出與分配。
eta-name="關(guān)鍵詞" style="-webkit-tap-highlight-color:rgba(0, 0, 0, 0);color:rgb(51, 51, 51);font-size:14px;letter-spacing:normal;line-height:1.8em;margin:0.5em 0em;text-size-adjust:none;white-space:normal">
隨著智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動(dòng)化和共享化的快速推進(jìn)，汽車(chē)功能日益復(fù)雜，軟件的快速迭代推動(dòng)著汽車(chē)電子電氣架構(gòu)由傳統(tǒng)的“面向信號(hào)”到“面向服務(wù)”開(kāi)發(fā)方式的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)架構(gòu)下軟件與硬件高度耦合，存在硬件資源不能充分共用、新功能開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等問(wèn)題[1]。近年來(lái)，各大整車(chē)制造商積極推出基于面向服務(wù)架構(gòu)（Service-Oriented Architecture，SOA）的平臺(tái)[2]。
SOA提供了一種架構(gòu)設(shè)計(jì)理念，定義了可通過(guò)服務(wù)接口復(fù)用軟件組件的方法[3-4]，結(jié)合以高性能計(jì)算平臺(tái)為核心的集中型電子電氣架構(gòu)，SOA將成為“軟件定義汽車(chē)”和“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)服務(wù)”的重要技術(shù)基礎(chǔ)。
自ISO 26262《道路車(chē)輛 功能安全》發(fā)布以來(lái)，國(guó)內(nèi)外整車(chē)企業(yè)及相關(guān)高校圍繞汽車(chē)電子電氣系統(tǒng)的功能安全設(shè)計(jì)與驗(yàn)證展開(kāi)了積極研究[5-10]。目前，針對(duì)功能安全開(kāi)發(fā)的研究多以技術(shù)實(shí)現(xiàn)為主，較少探討SOA的功能安全開(kāi)發(fā)方案。
面向傳統(tǒng)架構(gòu)的功能安全開(kāi)發(fā)通常圍繞單一電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）進(jìn)行，由于軟、硬件的高度耦合，功能安全需求或技術(shù)安全需求可以較快速地分配至軟、硬件層級(jí)，進(jìn)行功能安全開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。然而，SOA平臺(tái)下功能安全開(kāi)發(fā)存在新的挑戰(zhàn)。首先，功能安全設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)進(jìn)行約束與補(bǔ)充，為保證產(chǎn)品的研發(fā)周期，需要將汽車(chē)功能安全開(kāi)發(fā)統(tǒng)一到架構(gòu)開(kāi)發(fā)過(guò)程；其次，SOA將硬件能力抽象為服務(wù)的形式，從而實(shí)現(xiàn)軟、硬件解耦，在新架構(gòu)平臺(tái)下，需要合理定義相關(guān)項(xiàng)、優(yōu)化概念階段對(duì)系統(tǒng)層級(jí)的輸出產(chǎn)物，以適應(yīng)面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)理念；進(jìn)一步，SOA軟件上的松耦合增強(qiáng)了對(duì)服務(wù)接口安全等級(jí)的適配性要求，硬件上的靈活部署在一定程度上受限于硬件固有安全等級(jí)能力，SOA低耦合、可復(fù)用的設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)了功能的快速更新和復(fù)用，但這也給系統(tǒng)層面的技術(shù)安全需求在軟、硬件間的分配提出了挑戰(zhàn)。
綜上，本文提出基于SOA的功能安全正向開(kāi)發(fā)流程，從基于功能的概念開(kāi)發(fā)階段和基于架構(gòu)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段兩方面說(shuō)明SOA的功能安全設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)SOA與功能安全開(kāi)發(fā)的有機(jī)結(jié)合，為SOA的整車(chē)功能安全開(kāi)發(fā)提供有益參考。
SOA通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)接口，提供松耦合、易擴(kuò)展的服務(wù)機(jī)制，為整車(chē)開(kāi)發(fā)提供了更靈活的功能分配、更快速的功能迭代能力。
SOA將整車(chē)的不同功能及硬件能力抽象為服務(wù)，各服務(wù)間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口相互訪(fǎng)問(wèn)、擴(kuò)展和組合[1]。服務(wù)可劃分為3個(gè)層級(jí)[11]：
a. 元服務(wù)。元服務(wù)為底層最小服務(wù)單元，汽車(chē)傳感器、執(zhí)行器等基本接口可封裝為元服務(wù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛硬件基礎(chǔ)能力被上層服務(wù)調(diào)用。
b. 基礎(chǔ)服務(wù)。基礎(chǔ)服務(wù)在元服務(wù)層級(jí)之上，可以調(diào)用元服務(wù)，也可被更上層服務(wù)調(diào)用，例如“環(huán)境感知”基礎(chǔ)服務(wù)調(diào)用了“車(chē)輛狀態(tài)”元服務(wù)、“雷達(dá)等傳感器信息”元服務(wù)。
c. 應(yīng)用服務(wù)。應(yīng)用服務(wù)為最高層級(jí)服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)更多用戶(hù)場(chǎng)景的應(yīng)用。元服務(wù)和基礎(chǔ)服務(wù)強(qiáng)調(diào)了架構(gòu)的靈活性，應(yīng)用服務(wù)更多地強(qiáng)調(diào)功能本身。
根據(jù)高層級(jí)服務(wù)調(diào)用低層級(jí)服務(wù)、低層級(jí)服務(wù)不能調(diào)用高層級(jí)服務(wù)這一原則，建立SOA軟件分層架構(gòu)，如圖1所示。
圖1 SOA軟件分層架構(gòu)
傳感器與執(zhí)行器控制管理層實(shí)現(xiàn)了整車(chē)的硬件能力以元服務(wù)形式被上層調(diào)用，通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)車(chē)輛功能的軟、硬件解耦。高層級(jí)的軟件模塊除滿(mǎn)足不同層級(jí)間的軟件調(diào)用關(guān)系外，還具有模塊內(nèi)高內(nèi)聚、模塊間松耦合的特性，從而有效發(fā)揮SOA可重用、易集成等優(yōu)勢(shì)。
ISO 26262提供了汽車(chē)安全生命周期，并為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的不同階段提供過(guò)程參考模型。
針對(duì)汽車(chē)電子電氣系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，通過(guò)采用如圖2所示的“V”模型開(kāi)發(fā)流程，ISO 26262為與車(chē)輛安全相關(guān)的系統(tǒng)、軟件、硬件的安全設(shè)計(jì)與安全確認(rèn)提供了指導(dǎo)。
圖2 電子電氣系統(tǒng)功能安全開(kāi)發(fā)
基于SOA的汽車(chē)正向開(kāi)發(fā)流程如圖3所示：
圖3 基于SOA的功能安全正向開(kāi)發(fā)流程
a. 以用戶(hù)需求為導(dǎo)向，基于用戶(hù)場(chǎng)景定義整車(chē)功能，功能安全開(kāi)發(fā)針對(duì)每個(gè)用例（Use Case，UC）分析功能失效時(shí)的危害事件，進(jìn)行危害分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（Hazard Analysis and Risk Assessment，HARA）得到該用例下危害事件的汽車(chē)安全完整性等級(jí)（Automotive Safety Integration Level，ASIL）和安全目標(biāo)（Safety Goal，SG），迭代更新到功能定義文檔。
b. 功能設(shè)計(jì)階段基于每個(gè)用例提取出功能對(duì)系統(tǒng)的需求，即產(chǎn)品能力（Product Capability，PC），該階段將車(chē)輛的E/E架構(gòu)抽象為邏輯架構(gòu)，得到PC時(shí)序圖，在功能安全概念開(kāi)發(fā)階段，以該用例的PC時(shí)序圖作為相關(guān)項(xiàng)初始架構(gòu)，分析PC的失效或PC間交互的失效是否違背相應(yīng)的安全目標(biāo)，從而得出功能安全需求（Functional Safety Requirements，F(xiàn)SR），分配給功能安全相關(guān)的PC。
c. 基于SOA軟件架構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段以PC時(shí)序圖為基礎(chǔ)，定義軟件組件（Software Components，SWC）架構(gòu)、設(shè)計(jì)SWC服務(wù)接口和SWC內(nèi)部軟件模塊，其中SWC架構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足如圖1所示的軟件分層架構(gòu)。
在功能安全系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段，首先基于功能安全相關(guān)PC選擇應(yīng)用服務(wù)、基礎(chǔ)服務(wù)和元服務(wù)；根據(jù)SWC服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行安全分析，得到技術(shù)安全需求（Technical Safety Requirements，TSR），增加安全機(jī)制保證架構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足功能安全要求，新增的功能安全相關(guān)SWC及接口迭代更新到SWC架構(gòu)設(shè)計(jì)中。
d. 物理部署階段通過(guò)定義軟、硬件接口（Hardware-Software Interface，HSI）規(guī)范完成安全機(jī)制SWC服務(wù)接口的實(shí)現(xiàn)，根據(jù)硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，將SWC部署到中央計(jì)算平臺(tái)、區(qū)域控制器和ECU中。功能安全開(kāi)發(fā)根據(jù)SWC架構(gòu)和物理部署，進(jìn)一步分配TSR到軟件、硬件要素，導(dǎo)出軟件安全需求（Software Safety Requirements，SSR）和硬件安全需求（Hardware Safety Requirements，HSR）。
綜上，面向SOA的功能安全開(kāi)發(fā)流程可以總結(jié)為基于功能的概念開(kāi)發(fā)階段（包括HARA分析與功能安全需求分析）和基于架構(gòu)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段（包括技術(shù)安全需求分析與軟、硬件安全需求分配），覆蓋了從功能定義落地到物理部署的汽車(chē)SOA正向開(kāi)發(fā)流程。
4.1.1 危害分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
SOA架構(gòu)的頂層功能定義針對(duì)每個(gè)功能進(jìn)行用戶(hù)場(chǎng)景的詳細(xì)分析，提取終端用戶(hù)對(duì)該功能的UC，HARA分析根據(jù)UC和車(chē)型性能等內(nèi)容，分析功能異常導(dǎo)致整車(chē)層面的危害事件，通過(guò)對(duì)危害事件的評(píng)估確定該UC下的SG及ASIL。該階段下功能安全開(kāi)發(fā)活動(dòng)流程如圖4所示，以“提供驅(qū)動(dòng)扭矩”功能為例，定義的用例圖如圖5所示，對(duì)應(yīng)的安全目標(biāo)如表1所示。
表1 安全目標(biāo)
圖4 HARA階段開(kāi)發(fā)活動(dòng)流程
圖5 提供驅(qū)動(dòng)扭矩功能用例圖
通過(guò)構(gòu)建用例與安全目標(biāo)的聯(lián)系，建立了功能安全目標(biāo)與用戶(hù)需求和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)間的雙向追溯關(guān)系。
4.1.2 功能安全概念
根據(jù)對(duì)UC的分析結(jié)果進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，在這一階段整車(chē)的E/E架構(gòu)抽象為不同邏輯的子系統(tǒng)，PC向上承接功能實(shí)現(xiàn)，向下傳遞給邏輯子系統(tǒng)。采用PC時(shí)序圖描述“D擋行駛”用例，如圖6所示。
圖6 D擋行駛PC時(shí)序圖
PC時(shí)序圖反映了系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)，本文以此作為概念階段的相關(guān)項(xiàng)初始架構(gòu)，通過(guò)安全分析對(duì)SG提出相應(yīng)的FSR，并將其分配到各PC，同時(shí)更新PC的ASIL，表2列出了SG1的部分FSR及PC分配關(guān)系，該階段功能安全開(kāi)發(fā)活動(dòng)流程如圖7所示。
表2 功能安全需求
圖7 功能安全概念階段開(kāi)發(fā)活動(dòng)流程
不同于傳統(tǒng)功能安全開(kāi)發(fā)對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的定義，PC描述了系統(tǒng)高層級(jí)的功能能力，它并不涉及具體的物理架構(gòu)，以便于不同車(chē)型間的復(fù)用。因此，在這一階段得到的FSR并不具備指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，即不具備ASIL分解的能力，F(xiàn)SR將作為該P(yáng)C屬性的一部分，隨著SWC對(duì)PC的繼承關(guān)系而進(jìn)一步細(xì)化。
4.2.1 技術(shù)安全概念
為實(shí)現(xiàn)PC，需要系統(tǒng)從下至上定義硬件抽象元服務(wù)、平臺(tái)基礎(chǔ)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)。每個(gè)服務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)SWC。因此，應(yīng)基于PC時(shí)序圖定義SWC架構(gòu)和設(shè)計(jì)SWC服務(wù)接口，最后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵WC部署到具體的物理架構(gòu)中。以“提供驅(qū)動(dòng)扭矩功能-D擋行駛”的PC設(shè)計(jì)為例，根據(jù)表2得到功能安全需求及如圖8所示的SWC架構(gòu)，得到功能安全需求部署如表3所示。
表3 功能安全需求部署
圖8 SWC架構(gòu)及部署
根據(jù)SWC架構(gòu)及部署視圖，通過(guò)故障樹(shù)分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）或失效模式與影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)EMA）識(shí)別當(dāng)前架構(gòu)設(shè)計(jì)中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，增加安全機(jī)制保證系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足功能安全需求，即開(kāi)展技術(shù)安全概念開(kāi)發(fā)。如果沒(méi)有合適的SWC提供安全機(jī)制，新增SWC及其接口確認(rèn)后更新到SWC部署視圖。技術(shù)安全概念階段的功能安全開(kāi)發(fā)活動(dòng)如圖9所示。
圖9 技術(shù)安全概念階段開(kāi)發(fā)活動(dòng)流程
4.2.2 技術(shù)安全需求分配
進(jìn)一步，在由SWC架構(gòu)部署到物理架構(gòu)的過(guò)程中，完成SWC服務(wù)接口的實(shí)現(xiàn)、SWC到硬件的映射部署，實(shí)現(xiàn)軟硬分離。SWC架構(gòu)和物理架構(gòu)確立后，根據(jù)硬件選型，分配TSR到軟件、硬件和HSI，部分技術(shù)安全需求分配情況如表4所示。
表4 技術(shù)安全需求分配
綜上所述，SOA開(kāi)發(fā)流程下功能安全控制流程如圖10所示，SOA架構(gòu)下的功能安全開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了基于功能的功能安全概念（Functional Safety Concept，F(xiàn)SC）和基于架構(gòu)的技術(shù)安全概念（Technical Safety Concept，TSC）開(kāi)發(fā)：FSC開(kāi)發(fā)面向產(chǎn)品能力，確保安全目標(biāo)、PC和FSR之間的追溯關(guān)系；TSC開(kāi)發(fā)基于SWC架構(gòu)、物理架構(gòu)與硬件選型，實(shí)現(xiàn)軟件解耦與軟、硬件分離。
圖10 功能安全控制流程示意
面向服務(wù)架構(gòu)是未來(lái)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)的核心，本文介紹了以用戶(hù)場(chǎng)景為驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)正向開(kāi)發(fā)流程，并結(jié)合ISO 26262提出了面向服務(wù)架構(gòu)的功能安全開(kāi)發(fā)方案，覆蓋了從功能定義到物理部署的架構(gòu)開(kāi)發(fā)流程，為面向服務(wù)架構(gòu)的汽車(chē)功能安全開(kāi)發(fā)提供參考。
未來(lái)，隨著智能互聯(lián)技術(shù)的不斷發(fā)展，車(chē)端與云端的信息聯(lián)通，在SOA開(kāi)放架構(gòu)下建立功能安全開(kāi)發(fā)的快速迭代能力，以應(yīng)對(duì)車(chē)云一體化生態(tài)平臺(tái)帶來(lái)的功能安全挑戰(zhàn)，是后續(xù)的研究重點(diǎn)。
eta-name="參考文獻(xiàn)" style="-webkit-tap-highlight-color:rgba(0, 0, 0, 0);font-size:1em;line-height:1.8em;margin:0.5em 0em;text-align:justify;text-indent:0em;text-size-adjust:none">參考文獻(xiàn)
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