當(dāng)今汽車電子工程師所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)就是構(gòu)建低成本、無故障(fail-silent)甚至在發(fā)生故障時也能正常工作的汽車系統(tǒng)。制動、轉(zhuǎn)向以及其他車輛穩(wěn)定控制功能都屬于任務(wù)關(guān)鍵型特征，對安全有著極高的要求，即使電子底盤控制技術(shù)日益受到大眾的青睞，也不能輕易應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。

　　對于主要的汽車系統(tǒng)功能而言，電子底盤管理技術(shù)都具有極大的吸引力，但由于種種原因，該技術(shù)還很難實現(xiàn)，在安全與可靠性方面還面臨眾多難題。為應(yīng)對當(dāng)前面臨的安全規(guī)定挑戰(zhàn)，國際電工委員會(IEC)已針對電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全性定義了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前，IEC 61508被視為安全關(guān)鍵型系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域的最高級標(biāo)準(zhǔn)。盡管該標(biāo)準(zhǔn)尚未以法律的形式全面強(qiáng)制實施，但還是希望汽車系統(tǒng)設(shè)計人員能夠滿足這一實際的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。汽車系統(tǒng)設(shè)計人員在構(gòu)建應(yīng)用功能安全性時必須考慮到從輸入傳感器到數(shù)字處理和傳動裝置等整個信號鏈的要求。

　　IEC 61508將“危險”與“風(fēng)險分析”作為系統(tǒng)設(shè)計的一部分，并將電子控制單元(Electronic Control Unit)的“功能安全性”定義為“整體安全性的一部分—取決于系統(tǒng)或設(shè)備能否對其輸入進(jìn)行正確響應(yīng)”。如圖1所示。系統(tǒng)的每項安全功能均根據(jù)“要求”(該功能需要完成什么工作)和“完整性”(圓滿執(zhí)行該功能的可能性)進(jìn)行評估。此外，該標(biāo)準(zhǔn)還進(jìn)一步將高強(qiáng)度工作模式或持續(xù)工作模式下安全功能發(fā)生危險故障的概率分為四種不同的“安全完整性等級”(SIL)。每種等級涵蓋一定范圍的可接受故障率，也就是“平均故障間隔時間”(MTTF)，而SIL4是其中最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。SIL評級適用于包括汽車業(yè)在內(nèi)的許多行業(yè)，每種SIL分級的定義均適用于各自行業(yè)領(lǐng)域。安全完整性等級中的SIL2和SIL3是非道路應(yīng)用中最常見的安全級別。

　　圖1 總體系統(tǒng)的功能安全性依靠設(shè)備響應(yīng)輸入進(jìn)行正常工作

　　根據(jù)安全功能和重要性的不同，汽車系統(tǒng)可遵從IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)下的SIL2或SIL3規(guī)定。自檢測系統(tǒng)的可靠性要求多級統(tǒng)計獲得的“安全故障系數(shù)”(SFF)達(dá)到99 %，可靠性參數(shù)的具體計算方式為檢測到的危險故障(包括非危險故障)與所有故障之比。“診斷覆蓋率”(DC)是指檢測到的危險故障相對于所有危險故障之比。此外，對于安全關(guān)鍵型汽車系統(tǒng)來說，DC應(yīng)達(dá)到99%。

　　能否通過汽車系統(tǒng)的SIL3認(rèn)證，通常取決于啟動并控制機(jī)械系統(tǒng)的電子控制單元(ECU)的性能。諸如德國萊茵集團(tuán)(TUV Rheinland)等獨立安全評估機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)汽車系統(tǒng)的 ECU評估和SIL3認(rèn)證工作。TUV是一家國際化的服務(wù)集團(tuán)，可頒發(fā)產(chǎn)品、系統(tǒng)及服務(wù)的安全和質(zhì)量證書。

　　任務(wù)關(guān)鍵型集成機(jī)械系統(tǒng)(如制動)還不能完全被電子產(chǎn)品取代。但任何SIL3認(rèn)證要求的高級機(jī)械或電子安全性均需通過利用冗余系統(tǒng)來實現(xiàn)，電子系統(tǒng)有助于廣泛實施冗余。

　　電子子系統(tǒng)的SIL3認(rèn)證

　　用電子系統(tǒng)取代液壓或機(jī)械系統(tǒng)，必然使OEM、汽車制造商及消費者各方充分受益。電子系統(tǒng)可消除內(nèi)燃機(jī)的皮帶傳動負(fù)擔(dān)，從而有助于降低成本、重量與燃油消耗。

　　汽車制造商可用機(jī)械解決方案取代液壓制動助力器，并最終完全取消液壓傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)完全電控的線控制動系統(tǒng)，如圖2所示。不過，這一革命性轉(zhuǎn)變需要實施冗余系統(tǒng)或后備系統(tǒng)(類似于航空電子系統(tǒng))，才能避免在危險時刻車輛會完全喪失制動能力的風(fēng)險。期間的過度性步驟包括“混合制動”模式，也就是只在車輛的一個而不是兩個車軸上安裝液壓后備系統(tǒng)即可。

　　圖2 用電氣解決方案取代液壓助力器有助于大幅降低燃油消耗、成本及噪聲

　　微處理器(MCU)是ECU中的關(guān)鍵組件。使用傳統(tǒng)的汽車MCU不可能達(dá)到SIL3認(rèn)證要求。需要采用全新的芯片架構(gòu)，以確保處理結(jié)果、總線流量的數(shù)據(jù)完整性以及存儲器中數(shù)據(jù)的安全性與可靠性，同時滿足嚴(yán)格的響應(yīng)時間要求。

　　根據(jù)IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)，危險故障的成因包括以下因素：

　　(1)軟件或硬件系統(tǒng)規(guī)范不正確;

　　(2)安全要求規(guī)范缺失;

　　(3)硬件隨機(jī)故障;

　　(4)系統(tǒng)原因故障;

　　(5)人為錯誤;

　　(6)環(huán)境影響(EMI、溫度以及機(jī)械等)。

　　從完整系統(tǒng)的角度來說，危險評估和安全完整性要求包括以下因素：

　　在電壓下降、假信號等情況下確保穩(wěn)定的電源供給和時鐘信號完整性; 用于處理與通信的冗余性或真實性檢查，其中包括往返于傳感器和執(zhí)行器的信號; 提供故障檢驗功能; 提供故障管理策略，其中包括在故障容錯架構(gòu)、緊急操作模式及可控系統(tǒng)關(guān)斷等情況下定義安全狀態(tài)和故障防護(hù); 增強(qiáng)型軟件開發(fā)進(jìn)程包括使用正式規(guī)范、編程語言子集以及代碼驗證工具等。