功能安全系统阶段开始实施要点｜盖世大学堂功能安全系列知识讲解

在汽车产业向智能化、网联化加速迈进的过程中，功能安全作为保障车辆及乘员安全的核心环节，其系统阶段的开发实施尤为关键。本篇推文聚焦汽车功能安全系统阶段开发实施要点，由汽车安全方案专家滕玉林结合 ISO 26262 标准及丰富实战经验，从系统阶段功能安全开发的实施流程、系统安全方案的设计思路，到系统安全测试与系统测试的差异性等方面展开深入解析。

一、讲师简介与课程背景

滕玉林作为汽车安全方案专家，拥有TUV NORD和DEKRA认证的功能安全专家资质，担任盖世汽车、SAE功能安全及预期安全培训讲师，曾主导多家主机厂和供应商的安全团队工作，专注于辅助驾驶、芯片等领域的安全实战项目。其经验涵盖国内与国际OEM的Lv2+TJP辅助驾驶系统设计开发、自动泊车与辅助驾驶整车安全分析、新能源汽车整车功能安全概念开发，以及辅助驾驶域控制器和智能座舱系统的功能安全体系搭建。

在课程中，滕玉林强调系统阶段开发的核心在于技术安全概念的实施与验证，确保从产品层级到系统层级的全流程安全性。本课程分为三部分：系统阶段功能安全开发的实施流程、系统安全方案的设计思路、系统安全测试与系统测试的差异性问题，旨在帮助学员深入理解ISO 26262标准在系统层级的应用与实践。

二、系统阶段功能安全开发的实施流程

在汽车功能安全开发中，系统阶段是连接概念阶段与软硬件开发的关键环节，其核心目标是将概念阶段定义的安全目标转化为可执行的系统级安全方案，并通过集成测试验证方案的有效性。依据 ISO 26262 标准，系统阶段主要涵盖 4-5（系统级产品开发一般性话题）、4-6（技术安全概念）、4-7（系统与 item 集成及测试）和 4-8（安全确认）四个部分，各部分既独立又相互关联，共同构成系统阶段的完整开发链路。

（一）系统阶段的核心范畴与定位

ISO 26262 标准将功能安全开发划分为静态架构与生命周期两大维度。系统阶段对应静态架构中的 “4. Product development at the system level”，其核心任务是基于概念阶段输出的功能安全概念（FSC），进一步细化安全需求，设计技术安全方案，并通过集成测试验证方案的可行性。

需要明确的是，概念阶段（3-7）中功能安全概念的验证并非在概念阶段完成，而是在系统阶段的 4-7 环节实施。这是因为功能安全概念涉及整车级安全机制的设计，其有效性需通过系统与整车级集成测试才能充分验证。此外，4-7 环节不仅承担系统级集成测试，还涵盖整车级（item）集成测试 —— 这里的 “item” 指实现或部分实现整车功能的单元项，属于整车级概念，因此 4-7 是连接系统设计与整车验证的关键节点。

（二）系统阶段的核心交付物

系统阶段的输出需形成规范化文档，作为后续软硬件开发及测试的依据。主要交付物包括以下七类：

1.技术安全需求（TSR，Technical Safety Requirement）技术安全需求是功能安全概念（FSC）的细化与落地，承接概念阶段的安全目标与功能安全需求（FSR），明确系统需满足的安全特性。例如，针对 “避免座椅非预期移动” 的安全目标，技术安全需求可能包括 “压力传感器需在 100ms 内检测到乘员存在”“传感器信号需通过 CAN 总线实时传输至控制器” 等具体要求。

2.技术安全概念（TSC，Technical Safety Concept）技术安全概念是系统级安全方案的核心框架，定义实现技术安全需求的安全机制（如诊断策略、故障响应逻辑等）。例如，为满足上述座椅安全需求，TSC 可能设计 “传感器冗余部署”“信号 CRC 校验”“故障时切断驱动电源” 等安全机制。

3.系统架构设计规范。在原有产品架构基础上，叠加安全机制相关的设计变更，形成符合功能安全要求的系统架构。需明确各系统元素（如传感器、控制器、执行器）的安全属性（如 ASIL 等级），并标注与安全机制相关的模块接口及交互逻辑。

4.软硬件接口规范（HSI，Hardware-Software Interface）定义系统元素间安全机制的接口要求，包括信号格式、传输协议、诊断逻辑等。由于系统阶段可能尚未完成芯片或器件选型，接口规范可先通过语义描述（如 “故障信号需包含错误代码与时间戳”）明确核心需求，后续在软硬件开发阶段逐步细化至引脚或信号级。

5.生产、运营、服务与报废需求规范。明确与安全机制相关的生产制造、运营维护及报废要求，如产线对传感器安装位置的标定规范（确保 FOV 无盲区）、安全相关材料的存储条件（如温度、湿度限制）等。这类需求通常纳入企业的 “特殊特性清单”，与 ISO 16949 质量管理体系衔接。

6.验证报告。验证报告是对系统阶段输出文档的合规性检查记录，包括确认评审（CR，Confirmation Review）与验证评审（VR，Verification Review）。CR 聚焦文档与安全目标的一致性，VR 则验证文档的完整性与可执行性，例如检查技术安全需求是否覆盖所有安全目标、安全机制是否存在逻辑漏洞等。

7.安全分析报告。包含系统级安全分析结果，主要采用故障树分析（FTA）、失效模式与影响分析（FMEA）及依赖故障分析（DFA）等方法。例如，通过 FTA 追溯 “座椅非预期移动” 的底层原因（如传感器故障、CAN 总线干扰等），通过 FMEA 评估 “传感器信号丢失” 对安全目标的影响程度。

（三）系统集成与测试策略

系统阶段的测试需遵循 “阶梯式” 原则，从软硬件集成到系统集成，最终实现整车级集成，确保各层级安全机制的有效性：验证软硬件接口规范的执行情况，重点测试安全机制在软硬件交互中的正确性。例如，检查软件诊断逻辑是否能正确识别硬件故障（如传感器过压），硬件是否能按软件指令进入安全状态（如切断驱动电源）。基于技术安全需求，验证系统元素间的协同工作是否满足安全目标。例如，测试 “传感器 - 控制器 - 执行器” 链路在故障注入（如传感器信号失真）时的响应是否符合预期（如执行器在 50ms 内停止动作）。在整车环境下验证系统安全机制的有效性，考虑整车级外部依赖与干扰因素。例如，测试 ADAS 系统在 ESC 失效时是否能降级至安全状态，或在极端温度下（-40℃~85℃）安全机制的稳定性。

 三、系统安全方案的设计思路

系统安全方案的设计需以安全目标为核心，结合系统架构与功能需求，构建可落地的安全机制。其核心逻辑是 “需求分解 - 机制设计 - 验证迭代”，具体可分为以下步骤：

（一）设计输入与需求转化

系统安全方案的输入包括两类：针对已有明确客户或场景的系统，输入为利益相关方提出的功能安全需求（FSR）；针对通用组件（如芯片、传感器），输入为基于假设的安全需求（即 SEooC，Safety Element out of Context），需假设其在整车中的应用场景（如应用于转向系统或制动系统）及对应的安全等级（如 ASIL D）。

需求转化需遵循 “安全目标→功能安全需求→技术安全需求” 的层级递进逻辑。以 “避免辅助驾驶功能非预期退出” 为例：安全目标：“辅助驾驶功能退出前需确保驾驶员接管”；功能安全需求：“系统需在 10s 内完成驾驶员接管提醒”；技术安全需求：“提醒信号需通过视觉（仪表图标）、听觉（蜂鸣器）双通道输出”“驾驶员接管状态需通过方向盘扭矩传感器确认”。

（二）SEooC 的设计要点

SEooC 指独立于具体应用场景开发的安全要素（如芯片、软件组件），其设计需注意：假设的合理性：需覆盖潜在应用场景的安全需求。例如，一款计划用于 L2-L4 辅助驾驶的芯片，其安全等级需按最高场景（L4，ASIL D）设计；可扩展性：需考虑不同应用场景的适配性，如通过参数配置支持不同 ASIL 等级的诊断策略；验证的全面性：需通过假设场景下的测试验证安全机制的有效性，如模拟 L3 场景下的 “系统失效 - 紧急降速 - 驾驶员接管” 全流程。

（三）技术安全需求的核心要素

技术安全需求需覆盖故障探测、响应、恢复等全流程，核心包括以下方面：故障诊断机制。

1.自诊断：针对系统自身故障（如 MCU 死锁、传感器过温），设计实时监控逻辑（如 watchdog 定时器、温度传感器采样）；外部诊断：针对依赖项故障（如 ESC 失效），设计交互校验机制（如周期性心跳信号）。

2.安全状态管理：定义系统在故障时的安全状态及迁移规则。安全状态并非唯一，可能包括 “功能降级”（如辅助驾驶降为 L2）、“功能关闭”（如切断转向助力）、“系统重启” 等。例如，当检测到传感器信号异常时，系统需在 50ms 内从 “正常工作状态” 迁移至 “降级状态”（仅使用冗余传感器数据）。

3.紧急运行机制：针对无法立即进入安全状态的场景（如 L3 辅助驾驶系统失效时驾驶员未接管），设计过渡性策略。例如，系统可进入 “紧急运行模式”：保持车辆在 60km/h 以下行驶，并通过声光报警强制驾驶员接管，直至安全停车。

4.防潜伏故障设计：潜伏故障（如 watchdog 芯片失效）本身不直接违背安全目标，但可能与其他故障组合导致危险。需设计周期性自检机制（如上电时校验 watchdog 功能），并控制自检周期（通常为一个点火周期）。

5.ASIL 等级适配:安全机制的设计需与 ASIL 等级匹配。例如，ASIL D 需求的安全机制需满足更高的诊断覆盖率（如≥99%），而 ASIL A 需求可适当放宽（如≥90%）。对于防潜伏故障的机制，等级可适当降低（如 ASIL D 的防潜伏机制可按 ASIL B 设计）。

（四）系统架构的安全设计

系统架构需基于安全需求进行优化，核心原则包括：

1.冗余设计:针对高 ASIL 等级需求，通过硬件冗余（如双 MCU）、软件冗余（如双算法校验）提升可靠性。例如，辅助驾驶域控制器可采用 “主 MCU + 监控 MCU” 架构，监控 MCU 独立验证主 MCU 的决策输出。

2.独立性保障:确保安全机制与功能逻辑的独立性，避免共因故障。例如，安全监控软件需运行在独立内核，与功能软件隔离。

3.层级化集成:复杂系统需按 “子系统 - 系统 - 整车” 层级集成。例如，转向系统的安全机制需先在 “扭矩传感器 - ECU” 子系统验证，再集成至 “转向 - 制动” 整车系统验证。

（五）安全分析方法

系统阶段需通过以下方法验证安全机制的有效性。故障树分析（FTA）：从顶层危险（如 “车辆非预期加速”）追溯底层原因（如 “油门踏板传感器故障 + 诊断失效”），验证安全机制的覆盖性；失效模式与影响分析（FMEA）：从底层失效（如 “CAN 总线信号丢失”）分析对安全目标的影响，优化诊断策略；依赖故障分析（DFA）：识别潜在的共因故障（如电源芯片失效导致主备 MCU 同时故障），设计隔离措施（如独立供电回路）。

四、系统安全测试与系统测试的差异性

系统安全测试与常规系统测试在目标、方法上存在显著差异，核心区别如下：

（一）测试目标

系统安全测试：验证安全机制是否满足安全目标，聚焦 “故障场景”（如传感器失效、总线干扰）；系统测试：验证功能是否满足设计需求，聚焦 “正常场景”（如加速、转向的性能指标）。

（二）测试方法

用例设计：系统安全测试用例需基于安全需求，覆盖故障注入、边界条件等场景。例如，针对 “传感器冗余机制”，测试用例可包括 “主传感器失效时冗余传感器是否接管”“双传感器同时失效时是否触发安全状态” 等。测试强度：测试强度随 ASIL 等级提升而增加。例如，ASIL D 需求的测试需覆盖更多故障组合（如单故障、双故障），而 ASIL A 需求可仅测试关键单故障测试环境：系统安全测试需在可控环境中模拟极端场景，如通过硬件在环（HIL）测试台模拟 “-40℃低温 + 传感器失效” 的复合故障。

（三）测试层级

系统安全测试按 “软硬件集成 - 系统集成 - 整车集成” 三级递进：

软硬件集成测试：验证 HSI 规范，如软件诊断逻辑是否正确解析硬件故障信号；系统集成测试：验证 TSR，如安全机制在子系统层面的协同性（如传感器与控制器的故障响应一致性）；整车集成测试：验证 FSR，如安全机制在整车场景下的有效性（如辅助驾驶失效时的整车制动距离）。

系统阶段是汽车功能安全开发的 “桥梁”，需通过规范化的流程、明确的需求定义、可靠的安全机制及分层测试，将概念阶段的安全目标转化为可落地的工程方案。其核心在于平衡 “安全” 与 “可用性”：既要通过冗余设计、严格诊断等机制确保安全，又要避免过度设计导致的成本增加与性能损耗。后续开发中，需重点关注系统方案与软硬件实现的一致性（如硬件诊断覆盖率是否满足 TSR 要求）、测试场景的完整性（如极端环境下的安全机制验证），最终通过全生命周期的迭代优化，实现功能安全的闭环管理。