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简介

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电脑已经成为我们日常生活中不可或缺的工具。我们使用电脑浏览网站，收发电子邮件，编辑照片和视频，浏览社交媒体和举行在线会议。在使用电脑的过程中，你或多或少会遇到系统死机、卡顿、软件反应迟钝等等问题。那为什么手机经常卡/司机？可能是因为元器件老化或过热，也可能是电脑芯片某个关键部件故障或内部连接器接触不良，也可能是软件BUG导致整个系统随机重启。

多亏了安装在电脑里的这个处理器，最坏的结果也不过是因为数据丢失而一时沮丧。如果这个处理器安装在你车的一个控制系统里，比如转向/刹车/智能驾驶，后果可能会更严重。

所有的电子元件都会在某个时候出现故障，这是不可改变的事实。如今，我们发现越来越多的电子元件在我们的汽车中执行关键功能，涉及转向、制动、智能辅助驾驶等。既然电子元件必然会随着时间的推移出现各种问题，而我们的电子电气工程师又无法阻止时间的流逝，那么我们该如何帮助使用我们元件的系统设计人员避免这种危及车辆乘员和其他交通参与者生命的随机事件呢？

答案是:功能安全。

02.什么是功能安全

“功能安全”是指避免由系统功能故障引起的不可接受的风险。功能安全关注的是系统失效后的行为，而不是系统原有的功能或性能。

在现代工业控制领域，可编程电子软硬件系统的广泛使用大大提高了自动化程度。然而，由于设备设计的缺失和开发制造中风险管理意识的缺乏，大量存在设计缺陷的产品流入相关行业的安全控制系统，造成了大量的人身安全、财产损失和环境危害。因此，世界各国一直非常重视石油化工过程安全控制系统、电厂安全控制系统、核电安全控制系统的产品安全设计技术，将电子、电气、可编程电子安全控制系统相关技术发展成为一套成熟的产品安全设计技术，即“功能安全”技术。

欧美发布了一整套功能安全相关的产品说明书和设计标准，已经渗透到各个领域，如:汽车(ISO26262)、轨道控制(sindic x)、核电(EN 61513)、工业设备和机器控制(EN 62601、EN ISO 13849-1/2)、过程控制(EN 61511)等等。IEC形成的IEC 61508、IEC 61511等系列标准已逐渐成为各个国家和行业广泛认可的基本功能安全标准。我国也遵循并形成了相应的国家标准，其他工业功能安全标准也正在被参考，并将逐步成为国家工业标准。

ISO26262源自IEC61508，是电子、电气和可编程设备功能安全的基本标准。ISO 26262主要针对专用于汽车领域的特定电气装置、电子设备、可编程电子设备和其他组件，旨在提高汽车电子电气产品功能安全的国际标准。对应的国内标准是GB/T 34590。

随着系统复杂度的提高和软件、机电设备的应用，系统故障和随机硬件故障的风险越来越大。制定ISO 26262标准的目的是让人们对安全相关的功能有更好的理解并尽可能清晰地解释，同时提供可行的要求和流程来规避这些风险。

ISO 26262为汽车安全提供了生命周期(管理、开发、生产、运营、服务和报废)的概念，并在这些生命周期阶段提供必要的支持。本标准涵盖了功能安全的整个开发过程(包括需求规划、设计、实现、集成、验证、确认和配置)。

ISO 26262标准根据安全风险程度定义了系统或系统部件的汽车安全完整性等级(ASIL)，其中D级为最高等级，需要最严格的安全要求。随着ASIL水平的提高，对系统硬件和软件开发过程的要求也在提高。对于系统供应商来说，除了现有的质量要求之外，由于功能安全级别的提高，他们还必须满足这些更高的要求。

车辆主要模块/功能的功能安全级别。

03.

故障-错误-失效

故障

功能安全中定义的故障是指能够导致元件或相关项目失效的异常情况。

故障可分为永久性故障和非永久性故障，其分类如下图所示。

永久性故障是指发生并持续到故障被消除或修复的故障。也就是说，如果发生永久性故障，必须采取相应措施恢复其正常运行。其中，系统性故障一般表现为永久性故障。

非永久性故障可分为间歇性故障和瞬时故障。间歇性故障是指故障反复出现，然后消失。当组件处于损坏边缘时，或者例如由于开关的浪涌(电压的瞬时剧烈变化)，可能会出现间歇性故障。一些系统性故障(如时序错乱)也可能导致间歇性故障。

瞬时故障是指出现一次然后消失的故障。电磁干扰可能会导致瞬时故障，从而导致位翻转。例如，由单粒子翻转效应(SEU)和单粒子瞬态脉冲(set)引起的软错误就是瞬态故障。(单粒子反转是宇宙中单个高能粒子射入半导体器件敏感区域，导致器件逻辑状态反转的现象。)

错误

ISO 26262定义的误差是指计算、观察和测量的值或条件与真实的、规定的和理论上正确的值或条件之间的差异。错误可能由不可预见的工作条件或所考虑的系统、子系统或部件的内部故障引起。故障可以表现为所考虑的元素中的错误，这最终会导致失败。

例如，由于宇宙中单个高能粒子射进半导体器件的敏感区域，翻转存储器逻辑状态的单粒子翻转效应SEU，使软件中的一个比特从0变到1或从1变到0成为软错误(硬件不受损)。

从上面我们可以看出，故障、错误和失败的大致关系是:故障可以导致错误，然后错误导致失败。下面会详细解释。

失效

根据ISO26262的定义，失败是一个元素按要求执行功能的能力的终止。(英语:根据需要终止元件执行功能的能力)

注意:不正确的规格是失败的原因之一。

这里的失败是指功能的丧失或终止。例如，对于电机控制器，其主要功能之一是根据车辆控制器VCU的扭矩请求来控制电机的扭矩和速度，因此输出扭矩是否意外过大或过小都是失败的。

1.系统性失效和随机硬件失效

在功能安全中，故障根据故障原因可分为两种:系统故障和随机硬件故障。功能安全的主要目的是将这两类故障导致的车辆层面的安全风险尽可能降低到可接受的水平。

(1)系统性失效(systematic failure)

只有在设计或生产过程、操作程序、文件或其他相关因素发生变化后，才能排除与某一特定原因有关的故障。

系统故障有三个特征:

A-故障不能只靠正确的维修而不改造就能消除。

B-可以通过模拟故障原因来重复。

C-是人为失误造成的，故障原因如:安全需求规范的错误；硬件设计、制造、安装和操作中的错误；软件设计和实现中的错误等。

软件故障和一些硬件故障是系统故障。比如编码的时候，没有考虑到使用数据类型的错误。一个变量(比如精度为1，偏移量为0)本来应该用U16，结果却是U8，使得计算的最大值只达到了255。这里的软件bug属于系统故障。

(2)随机硬件失效(random hardware failure)

根据ISO 26262的定义，随机硬件故障是指在硬件元件的生命周期内，意外发生且服从概率分布的故障。并且可以在合理的精度范围内进行预测。

意外发生的意思是虽然硬件设计是正确的，比如电子元器件的选择，电阻值，电容值，电路设计等。，都是正确的，设备符合质量标准。但是不可能预测故障会在哪里发生，以什么形式发生。

服从概率分布意味着可以在合理的精度范围内预测故障。例如，通过可靠性或分析获得故障率。

随机硬件故障的原因是物理过程，如疲劳、物理退化或环境压力。比如上面说的位翻转，比如开路、短路、电阻漂移等等。

2．相关失效和非相关失效

此外，功能安全中定义了相关故障和无关故障。

相关故障是指同时或连续故障的概率不能表示为每次故障的无条件概率的简单乘积。例如，当故障A和故障B同时发生的概率不等于两个故障概率时，用数学关系式表示为Pab=Pa*Pb，故障A和B可以定义为相关故障。相反，不相关故障可以表示为每个故障的无条件概率的简单乘积。

相关故障可分为共因故障和级联故障。

共因失效是指由单个特定事件或相关项目中的根本原因引起的两个或两个以上要素的失效。如下图所示。我们无法避免随机故障的发生。因此，功能安全在系统中构建安全监控和缓解机制，以解决随机故障。功能安全机制可以持续监控车内的制动信号，检查其是否偏离预期范围。如果它确实偏离了预期的范围，安全机制将标记可能的问题，并需要检查它们。

级联故障

公共事业失败

故障，错误和失效之间的关系

故障、错误和失效之间的关系如下图所示。该图描述了三种不同类型的原因(系统软件问题、随机硬件问题和系统硬件问题)从失败到错误以及从错误到失败的发展过程。

系统故障是由设计和规格问题引起的；软件故障和一些硬件故障是系统性的。

随机硬件故障是由物理过程引起的，例如疲劳、物理退化或环境压力。

在组件级别，每种不同类型的故障都会导致不同的故障。但是，组件级别的故障是相关项目级别的故障。

04.为一切可能性做好准备

事实上，功能安全中描述的问题经常出现在我们的日常家庭和工作场所中。如果你曾经注意到你的手机因为长时间放在阳光下而自动关机，这是因为手机在实时监测手机的温度。当温度上升到危险阈值时，手机会自动关机，防止电池过热起火。这是典型的功能安全机制在起作用。

功能安全无法避免随机硬件故障的发生，但功能安全可以在系统中构建安全监控和相应的安全机制，以更好地应对随机故障，降低安全风险。例如，功能安全机制可以持续监控汽车中传感器的信号，以检查其是否偏离预期范围。一旦发现偏离预期范围，就会触发安全机制，使系统进入预先设定的工作状态。在这种预定义状态下，相应的功能不会产生安全风险。

为了预测这些潜在的危险，系统级的功能安全工程师必须了解这些危险故障在电路级的所有可能原因和可能性，以及如何设计相应的软硬件来实现对故障的及时准确诊断。具有功能安全性的集成电路可以将风险降低到可接受的水平，其诊断范围在FMEDA中有规定。

但是，要保证产品满足功能安全需求，做好随机硬件故障的充分准备只是其中之一。风险的另一个来源是开发过程本身的系统失败。因为无论诊断覆盖率有多高，在构建功能安全应用时，都必须遵循适当的流程，以有效避免人为因素导致的故障(系统故障)――这也是标准体系最大的好处。无*能安全措施设计得多好，严格的质量管理流程是实现功能安全的前提之一。

在进行功能安全活动时，“遵守规则”非常重要。这个过程必须从一开始就考虑到安全，还必须创造一种支持安全的文化。一个完整的开发过程必须包括以下重要方面:

安全管理：包括团队组织架构，具体内容如：明确不同职位的定义和职责、打造安全文化、定义安全生命周期，定义功能安全支持级别。安全生命周期的设定包括制定一份成功计划，选择合适的开发工具，确保团队接受充分的培训。需求管理和故障检测及控制措施（功能安全需求）的可追溯性。为精确实现需求追溯，需求本身定义必须要明确，精准，且具备唯一性。追溯等级取决于完整性的要求，文件可以高等级；产品则需要从故障检测到验证等各个环节面面俱到――计划过程不得空穴来风，必须经过详细验证。文档管理和问题管理。勘误表必须得到妥善管理和使用。为实现文档的精确管控，文档本身版本信息和识别ID必须要明确，精准，且具备唯一性，文档变更的记录也需要保证完整性。产品在开发过程中对于设计和验证阶段所出现的所有功能安全相关的问题，从问题出现->关闭的整个过程必须经过详细记录和验证。

05.总结

最后，我们来强调一下功能安全标准中对功能安全的定义“避免系统功能故障导致不可接受的风险”。

标准的描述一直是严谨晦涩的。简单来说就是某个功能在使用过程中出现故障会带来危害，这个功能关系到功能安全。所以功能安全翻译成“功能安全”更合适。举个稍微不太合适的例子:比如椅子(标准中提到的E/ E没有用，因为这些产品和系统比椅子直观描述的更复杂，功能更多)。椅子的核心在于，它是为了让人坐在上面而设计、生产和使用的。“让人坐”是椅子的核心功能。不能坐的椅子不能叫椅子。在明确了椅子的“功能”之后，我们可以这样描述椅子的“功能安全”:椅子在人坐的时候不应该有危险，不会倒下来或者刺伤人，也就是人坐在椅子上不会受到伤害。

安全，按照一般的概念，就是没有危险，没有威胁，没有事故。根据这个概念，安全性是不可控的。因为这是一个绝对安全的概念，而绝对安全是不存在的。而在ISO 26262，安全被定义为“不存在不可接受的风险”，将绝对安全转化为相对风险控制，从而可以通过风险控制的方式解决安全问题，为安全的实现提供了路径――“功能安全的本质是控制风险”。

功能安全是一个复杂而庞大的系统，涉及许多复杂的内容。为了更好地理解端到端、全系统、全生命周期的科学理论和方法，理解和掌握功能安全的基本概念是非常必要和重要的。