CN111679646A - 一种基于形式化的汽车电子系统安全目标确认方法 - Google Patents

一种基于形式化的汽车电子系统安全目标确认方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于形式化的汽车电子系统安全目标确认方法，本发明是基于ISO 26262《道路车辆功能安全》国际标准的，首先按照标准对项目进行定义，确认项目所包含的子系统和环境的接口；其次结合故障树分析识别出项目所有可能产生的危害，对每个危害进行ASIL定级，根据ASIL等级评估出能使项目正常运行的安全目标；然后对项目安全目标采用SOFL形式化语言进行建模；最后利用已有的辅助工具对SOFL进行语义分析并生成XML文件供支持其他软件开发活动。本发明能够有效地确认一种汽车各电子系统的代码级安全目标。

Description

一种基于形式化的汽车电子系统安全目标确认方法
技术领域
本发明涉及道路车辆功能安全技术领域，具体涉及一种基于形式化的汽车电子系统安全目标确认方法。
背景技术
我国汽车电子产品与国际先进水平相差较大，但发展空间是广阔的，所以我国汽车电子产业各方面已经认识到应该抓住这一机遇。而发展汽车电子系统，保证电子系统的功能安全是尤其重要的，ISO 26262应运而生。
ISO 26262是国际标准化组织文件第26262号为机动车辆开发和测试紧急安全电子系统提供的一个过程框架和程序模型，旨在提高汽车电子、电气产品功能安全的国际标准。
ISO 26262概念阶段的主要目的是为开发者和生产者明确他们将要开发和生产什么样的产品、产品存在哪些潜在的危害以及在开发和生产这个产品时需要达到什么样的安全目标才能减少、避免和预防这些危害的发生。然而概念阶段很多分析都是人为的，很可能会出现定义的安全目标不准确和不完整的情况，所以需要采用形式化的方法建模。
形式化方法是应用数学模型表示系统，应用数学方法描述系统的规约或性质，通过数学理论来证明系统的正确性、安全性、可靠性。在需求工程中引入形式化方法，可以减少二义性，提高精确性；可以帮助开发人员深刻理解系统，可以使得大量错误在需求阶段被找出，避免错误向后传递，大大减少后续排错、返工的时间消耗。
发明内容
本发明为了克服现有技术的缺陷，提供了一种基于形式化的汽车电子系统安全目标确认方法，包括：
步骤A：按照ISO26262标准对项目进行定义；
步骤B：结合故障树分析识别出项目所有可能产生的危害，对每个危害进行ASIL定级，根据ASIL等级评估出能使项目正常运行的安全目标；
步骤C：对项目安全目标采用SOFL形式化语言进行建模；
步骤D：利用已有的辅助工具对SOFL进行语义分析并生成XML文件以供支持其他软件开发活动。
本发明提出的所述的基于形式化方法确认汽车电子系统安全目标的方法中，所述步骤A按照ISO26262标准对项目进行定义包括以下步骤：
步骤A1：全面了解项目的各方面信息，包括项目的目的和功能、项目的非功能性要求等；
步骤A2：确认项目包含的所有元素；
步骤A3：划分项目所包含的子系统和环境的接口；
步骤A4：对项目所包含的各个子系统进行定义，包括子系统的功能描述、非功能描述等。
本发明提出的所述的基于形式化方法确认汽车电子系统安全目标的方法中，所述步骤B根据ASIL等级评估出能使项目正常运行的安全目标包括以下步骤：
步骤B1：识别危险即描述和识别产品可能发生的故障行为的操作环境和操作模式；
步骤B2：采用故障树分析方法(FTA)确定产品故障原因的各种可能组合方式；
步骤B3：对每个危害进行ASIL定级，根据ASIL等级评估出能使项目正常运行的安全目标。
本发明提出的所述的基于形式化方法确认汽车电子系统安全目标的方法中，所述步骤C对项目安全目标采用SOFL形式化语言进行建模包括以下步骤：
步骤C1：将用自然语言描述的安全目标演化为半形式化的安全目标；
步骤C2：将用半形式化描述的安全目标演化为形式化的安全目标，本发明构建形式化安全目标使用SOFL形式化语言。
本发明提出的所述的基于形式化方法确认汽车电子系统安全目标的方法中，所述步骤D利用已有的辅助工具对SOFL进行语义分析并生成XML文件以供支持其他软件开发活动包括以下步骤：
步骤D1：用已有的辅助软件对SOFL形式化语言进行语义分析，并且自动生成一个XML文件来储存整个SOFL形式化语言经过编译后的所有信息；
步骤D2：用已有的软件组件从SOFL工具生成的特定XML文件中提取出关键信息并进行一定的处理，用来支持其他的软件开发活动，例如SOFL可视化，SOFL估值，SOFL自动化测试等。
本发明的优点在于：本发明细致研究了ISO 26262标准的概念阶段，根据ISO26262标准进行项目定义，危害分析和风险定级最终确定项目的安全目标，并由项目的安全目标得到项目的功能安全要求，为了防止过程中人为而导致安全目标的错误和不完整性，采用了形式化建模的方法对安全目标进行建模，能够有效地保证安全目标的正确性和完整性。
而本发明采用的SOFL形式化语言，同时集成并扩展了DFD，Petri网以及VDM-SL，不仅具有描述系统的能力，还拥有良好的可读性，其中，条件数据流图以有向图的方式展示了系统内部的组件以及组件之间的关系。
将安全需求进行形式化描述后，通过已有的工具对其进行语义分析并生成XML文件再进行一定的处理，用来支持比如自动化测试、自动化验证的软件开发，有利于提高工程人员的测试效率和质量。
附图说明
图1表示本发明基于形式化方法确认汽车电子系统安全目标的流程示意图。
图2表示本发明基于形式化方法确认汽车电子系统安全目标中按照ISO26262标准进行安全要求的规范和管理的框架图。
图3表示本发明具体实施例子的系统结构图。
图4表示本发明具体实施例子的电子稳定控制系统危害故障树分析图。
图5表示本发明具体实施例子的部分自然语言描述的功能安全需求。
图6表示本发明的具体实施流程。
图7为本发明中每个子系统的定义示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，以使本发明的内容和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。
本发明确认汽车电子系统的安全目标是建立在ISO26262标准上设计与评估的，通过形式化语言对安全需求进行建模，再利用已有的工具对形式化的安全目标进行处理，得到的代码级别的安全目标更加利于工程开发人员对系统进行精确性地测试与验证。
实施例
如图1所示，是本发明的基于形式化方法确认汽车电子系统安全目标的流程示意图。按照流程图，详细实施步骤如下：
步骤一：在项目的概念阶段，我们首先要确定汽车电子系统中包含了哪些项目，然后对每个项目分别展开定义，这里的项目指的就是该汽车电子系统中所包含的子系统。
ISO26262对项目信息定义，项目边界条件定义和项目接口定义方面给出了建议：项目信息包括项目的目的和功能，项目的非功能性要求，法律法规要求，已知的国家和国际标准等。从项目的边界条件和项目之间的接口条件方面可以定义包括项目的所有元素，项目对其他项目或者项目环境元素的相关影响，其他项目元素和环境对本项目的要求等等。
步骤二：进行危害分析和风险评估工作，这个工作分为两部分：识别出系统中潜在的所有危害和对识别出来的所有危害进行分类。
首先，通过情形分析将产品可能造成的风险识别出来。除了根据项目的功能表现，历史统计资料等来识别汽车电子系统中的危害，本发明还采用了故障树分析法(FTA)来确定产品故障原因的各种可能组合方式。
故障树分析(FTA)是由上往下的演绎式失效分析法，利用布林逻辑组合低阶事件，分析系统中不希望出现的状态。故障树分析主要用在安全工程以及可靠度工程的领域，用来了解系统失效的原因，所以本发明中汽车电子系统各种可能产生的故障原因课通过故障树分析法来进一步确认。
系统中潜在的危害识别完成后，就要对所有的危害进行适当的分级。通过三个指标来考量：危险发生时导致的伤害的严重性(S)，在操作条件下暴露于危险当中的可能性(E)，危险的可控性(C)。
对每个危险事件定好S，E，C等级后，根据S，E，C和具体的操作条件和模式确定汽车安全完整性等级(ASIL)。
在制定安全目标时，要确保安全目标的ASIL等级为最高，即保证每个危害事件在所有操作情况下确定的ASIL等级都不高于其安全目标的ASIL等级。
步骤三：先将用自然语言描述的安全目标演化为半形式化的安全目标，包括：
1)将数据，约束条件和功能整合到一个模块里，对应汽车电子系统的安全需求，就是用模块封装每个子系统的数据包括系统名称、系统的各个接口、系统的ASIL等级，每个子系统之间的交互功能；
2)整个半形式的安全目标的描述是一个相关的多模块集合，都是自然语言描述的安全目标里给出的一个系统或者是系统分解出的子系统；
3)每个模块中的数据类型进行定义，半形式化的描述中数据类型允许用given表示待定；
4)构建每个模块的条件数据流图；
5)每个条件数据流图中的过程和功能在相关的模块中被定义，定义包括输入的数据流，输出的数据流，在半形式化的描述中这些内容可以用非形式化的方式给出。
然后将用半形式化描述的安全目标演化为形式化的安全目标，包括：
1)将用given表示的数据类型改为SOFL里可用的数据类型；
2)所有非形式化的描述用SOFL语言进行描述，即被形式化；
3)所有的模块集成到各层次结构里，并且要和条件数据流图的层次结构相吻合。
步骤四：经过步骤三将汽车电子系统的安全需求形式化建模后，不仅消除了自然言
描述安全需求的二义性，而且在此基础上过已有的工具对其进行语义分析并生成XML文件再进行一定的处理，用来支持比如自动化测试、自动化验证的软件开发，有利于提高工程人员的测试效率和质量。
本具体实施例子为智能刹车系统(IBS)，它包括电动制动助力器(eBooster)和电子稳定控制系统(ESC)。运用本发明的基于形式化方法确认汽车电子系统安全目标的方法，获得了更加精确、方便使用的计算机“理解”的安全目标。具体步骤如下：
步骤一：在项目的概念阶段，确定智能刹车系统中包含了电动制动助力器(eBooster)和电子稳定控制系统(ESC)，图3为IBS系统的结构图，然后对每个子系统分别展开定义。如图7所示。
步骤二：结合故障树分析法识别出系统中潜在的所有危害，图4为电子稳定控制系统危害故障树分析图示例。
识别出所有危害之后，对所有危害事件定S，E，C等级，根据S，E，C和具体的操作条件和模式确定汽车安全完整性等级(ASIL)，操作条件可包括湿滑的路面和干燥的路面，一般公路和高速公路等；操作模式可包括超车的状态，转弯的状态，上坡下坡的状态等。对每个危害事件进行定级后，确定安全目标。
步骤三：构建形式化的安全目标。形式化的安全目标部分示例：
Figure BDA0002472231510000061
步骤四：转化为形式化的安全需求，后期可以更加利于工程人员开发自动测试，自动验证工具。
本发明公开了一种基于形式化方法确认汽车电子系统安全目标的方法。本发明是基于ISO 26262《道路车辆功能安全》国际标准的，首先按照标准对项目进行定义，确认项目所包含的子系统和环境的接口；其次结合故障树分析识别出项目所有可能产生的危害，对每个危害进行ASIL定级，根据ASIL等级评估出能使项目正常运行的安全目标；然后对项目安全目标采用SOFL形式化语言进行建模；最后利用已有的辅助工具对SOFL进行语义分析并生成XML文件供支持其他软件开发活动。本发明能够有效地确认一种汽车各电子系统的代码级安全目标。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (7)

1.一种基于形式化的汽车电子系统安全目标确认方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：按照ISO26262标准对项目进行定义；
步骤B：结合故障树分析识别出项目所有可能产生的危害，对每个危害进行ASIL定级，根据ASIL等级评估出能使项目正常运行的安全目标；
步骤C：对项目安全目标采用SOFL形式化语言进行建模；
步骤D：利用已有的辅助工具对SOFL进行语义分析并生成XML文件以供支持其他软件开发活动。
2.如权利要求1所述的基于形式化的汽车电子系统安全目标确认方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
步骤A1：了解项目的信息，包括项目的目的和功能、项目的非功能性要求；
步骤A2：确认项目包含的所有元素；
步骤A3：划分项目所包含的子系统和环境的接口；
步骤A4：对项目所包含的各个子系统进行定义，包括子系统的功能描述、非功能描述。
3.如权利要求1所述的基于形式化的汽车电子系统安全目标确认方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：
步骤B1：识别危险即描述和识别产品可能发生的故障行为的操作环境和操作模式；
步骤B2：采用故障树分析方法确定产品故障原因的各种可能组合方式；
步骤B3：对每个危害进行ASIL定级，根据ASIL等级评估出能使项目正常运行的安全目标。
4.如权利要求1所述的基于形式化的汽车电子系统安全目标确认方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：
步骤C1：将用自然语言描述的安全目标演化为半形式化的安全目标；
步骤C2：将用半形式化描述的安全目标演化为形式化的安全目标。
5.如权利要求4所述的基于形式化的汽车电子系统安全目标确认方法，其特征在于，构建形式化安全目标使用SOFL形式化语言。
6.如权利要求5所述的基于形式化的汽车电子系统安全目标确认方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：
步骤D1：用已有的辅助软件对SOFL形式化语言进行语义分析，并且自动生成一个XML文件来储存整个SOFL形式化语言经过编译后的所有信息；
步骤D2：用已有的软件组件从SOFL工具生成的特定XML文件中提取出关键信息并进行一定的处理，用来支持其他的软件开发活动。
7.如权利要求5所述的基于形式化的汽车电子系统安全目标确认方法，其特征在于，SOFL形式化语言一般包含两部分内容：模型以及相应的数据流图CDFD；其中，模型负责确定具体的需求，其中包含了一系列的过程；数据流图提供了一种可视化的表现方法，用来展示系统中的各个过程是如何一起工作来完成系统的各项功能。
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