本文基于Aspice模型中V流程開發(fā)模式，從汽車控制系統(tǒng)的需求分析、架構設計、軟硬件需求分析、代碼/模型開發(fā)實現(xiàn)、系統(tǒng)測試及驗證整個V模型各階段，結合ISO 26262功能安全標準在各階段的要求，提出一種Aspice與ISO 26262相融合的汽車控制系統(tǒng)開發(fā)流程，并結合實踐開展過程，闡明各開發(fā)過程使用的開發(fā)工具配置情況。
隨著汽車行業(yè)電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展以及客戶對整車舒適性及安全性要求日益提高，整車上電子電氣系統(tǒng)數(shù)量也隨著增多。在軟件定義汽車大背景下，整車上電子電氣系統(tǒng)的開發(fā)過程和品質保證過程都應有相關的標準和流程作為風向標，國際和國家標準化組織陸續(xù)制定頒布相關功能安全標準ISO 26262及GB/T34590。截至目前國內有部分軟件企業(yè)已經(jīng)按照Aspice模型這一專門針對汽車軟件開發(fā)的規(guī)范及實踐來指導汽車軟件開發(fā)[1]。但近年來由于車輛中嵌入式電子系統(tǒng)復雜性的增加，來自于軟件系統(tǒng)損壞以及隨機硬件損壞的風險也在日漸上升，將ISO 26262的功能安全規(guī)范要求納入車輛軟件開發(fā)過程中，也能改善車輛系統(tǒng)軟件開發(fā)產(chǎn)品品質、開發(fā)工作效率，提升產(chǎn)品開發(fā)過程的穩(wěn)定性。因此本文基于Aspice模型中V流程開發(fā)模式，從汽車控制系統(tǒng)的技術需求分析、架構設計、軟硬件需求分解、代碼/模型設計及實現(xiàn)、測試驗證等各階段，結合ISO 26262標準對各階段的開發(fā)要求，提出一種多標準相融合的汽車控制系統(tǒng)開發(fā)流程，同時結合工程實踐，闡明各階段使用的開發(fā)工具配置情況。
1 Aspice簡介及軟件開發(fā)流程
1.1 Aspice簡介
SPICE是Software Process Improvement and Capability Determination的縮寫簡稱，是由ISO、IEC、JTC這3家國際機構共同提出的標準，根據(jù)此標準，行業(yè)分別派生出了各種更具體的規(guī)范，包括醫(yī)藥設備領域制訂的Medi SPICE、航天領域制訂的SPICE for SPACE，而汽車行業(yè)建立了Automotive SPICE，即Aspice[2]。Aspice是汽車行業(yè)開展軟件產(chǎn)品研發(fā)過程的最佳模型，用以衡量汽車軟件開發(fā)組織的開發(fā)實力和組織流程的管理能力，指導汽車軟件開發(fā)團隊開展軟件開發(fā)，從而改善軟件品質和提高開發(fā)效率。
1.2 Aspice軟件開發(fā)流程
Aspice作為汽車行業(yè)軟件開發(fā)過程最佳模型，規(guī)定了V開發(fā)流程和支持過程各階段開展的研發(fā)內容及輸入輸出交付規(guī)定，如圖1所示。
圖1 V模型流程
2 ISO 26262軟件開發(fā)流程
ISO 26262適用對象是道路車輛的功能安全，對產(chǎn)品項目的安全管理、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、運行、服務、報廢、支持過程整個生命周期明確了要求。其中產(chǎn)品開發(fā)包括系統(tǒng)層級、軟件層級、硬件層級三方面。功能安全開發(fā)流程總覽如圖2所示，產(chǎn)品開發(fā)的系統(tǒng)、硬件和軟件的研發(fā)過程如圖3所示[3]。
圖2 ISO 26262標準概覽
圖3 產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)、軟硬件要求
3 Aspice和ISO 26262融合的開發(fā)研究
結合Aspice與ISO 26262功能安全的要求，將產(chǎn)品開發(fā)各階段進行融合研究，并將各層面技術要求結合工程實踐進行闡述，融合的產(chǎn)品開發(fā)框架如圖4所示。各階段開發(fā)工作描述如下。
圖4 Aspice與ISO26262相融合的產(chǎn)品開發(fā)框架
1）概念設計。概念設計階段確定干系人要求，并確認這種要求可以被正確理解，同時對相關項目做出界定，辨識由相關項目中的功能異常表現(xiàn)導致的危險事項，提出避免危險事項出現(xiàn)和降低危險程度的安全目標并確定基于關聯(lián)項目的可能危險事項，對關聯(lián)項目做出評價。對重大危險事項實施系統(tǒng)性評價，并明確了安全目標以及ASIL級別。其中，危險辨識與危險性的評價可采用FMEA、HAZOP、頭腦風暴等方式，而ASIL級別則按照嚴重程度、暴露機率與可控性等三種原因設定，三因素級別詳見表1~表3。根據(jù)安全目標分解出相應ASIL等級的安全需求，此階段輸出相關項定義、HARA分析報告及干系人需求說明書，其中干系人需求說明書涵蓋安全需求。干系人需求通過需求管理工具PTC Integrity進行需求記錄，同時管理需求狀態(tài)及實現(xiàn)情況。
表1 嚴重度等級
表2 關于運行場景的暴露概率等級
表3 可控性等級
2）技術需求分析。技術需求分析階段需根據(jù)干系人需求說明書進行需求分析，將干系人需求和安全需求分解成技術需求、定義安全機制，用于探測故障并防止或減輕出現(xiàn)在系統(tǒng)輸出端的違反功能安全要求的失效，形成系統(tǒng)需求和建立系統(tǒng)架構。在系統(tǒng)需求分析過程中，對需求進行分類分析，明確功能需求、非功能需求和接口需求，組織專家評審并確定需求的正確性和可驗證性；對系統(tǒng)需求的優(yōu)先級進行分析，明確系統(tǒng)需求實現(xiàn)的順序；同時建立客戶需求和系統(tǒng)需求的雙向追蹤關系。系統(tǒng)架構建立后將安全要求分配給系統(tǒng)的各要素，進行需求安全等級分解，明確各條目需求的ASIL等級。同時對子系統(tǒng)進行安全分析，避免系統(tǒng)性失效。技術需求分析方法采用結構分析法，從系統(tǒng)頂層向下設計、逐層分解設計，明確系統(tǒng)各組件之間的程序流和數(shù)據(jù)流。此階段輸出系統(tǒng)需求、系統(tǒng)架構及系統(tǒng)獨立失效分析報告。其中系統(tǒng)架構安全設計分析方法參見表4。架構設計采用ENTERPRISE ARCHITECT。
表4 系統(tǒng)架構設計分析
3）軟硬件需求分析。軟硬件需求分析階段將系統(tǒng)需求和安全需求分別轉變?yōu)橛布枨?、軟件需求。在軟件需求分析過程中，分析軟件需求之間的依賴關系，保證需求的正確性、技術可行性及可驗證性；同時構建與系統(tǒng)需求的一致性和可追溯性。根據(jù)相應的軟硬件需求，開發(fā)滿足軟硬件安全要求和其他軟硬件要求的軟件架構設計和硬件架構設計，指導軟硬件的詳細設計開發(fā)，同時對軟件架構進行安全分析。此階段輸出軟件需求、硬件需求、軟件架構及架構安全分析報告。其中軟件架構和硬件架構設計原則見表5和表6。軟硬件需求記錄、分析及狀態(tài)跟蹤通過PTC Integrity。
表5 軟件架構設計原則
表6 硬件架構設計原則
4）詳細設計及代碼開發(fā)。詳細設計及代碼開發(fā)階段將根據(jù)軟硬件需求進行硬件設計、軟件詳細設計、代碼開發(fā)，其中代碼設計遵循原則見表7。代碼開發(fā)時利用模塊化設計思路，將程序軟件劃分成獨立子功能的模塊，然后將模塊集成形成整體軟件程序，從而滿足客戶的需求。代碼和模型開發(fā)采用MATLAB/Simulink。
表7 軟件單元設計和實現(xiàn)的設計原則
5）單元測試及硬件調試。定義軟件單元測試規(guī)范，明確單元測試的技術和方法，制定單元測試驗證計劃模板及測試報告模板。軟件單元測試包括靜態(tài)測試和動態(tài)測試，靜態(tài)測試主要是對代碼靜態(tài)分析和模型代碼審核，代碼靜態(tài)分析借助常用工具，如Model Analysis、QAC。而模型代碼審核依據(jù)則是由專家已編寫的代碼或模型Checklist。動態(tài)測試前為設計測試案例，即基于設計說明或設計模型期望輸入輸出信號，測試案例設計過程根據(jù)需求分析、等價類的生成和分析、邊界值分析、經(jīng)驗等進行開展，測試類型主要包括基于需求的試驗、接口測試、故障注入試驗和背靠背的試驗等，并在此階段輸出單元測試報告。硬件調試階段包括對硬件模塊實施調試，并按照調試清單進行調試，其中調試清單中的項目和模塊均由硬件設計相關專家編寫，最后產(chǎn)出硬件調試報告。
6）集成及測試驗證。將各應用層和基礎層模型及代碼集成嵌入式軟件，根據(jù)軟件架構設計說明進行集成測試。集成測試通過后，根據(jù)軟件需求開展嵌入式軟件功能測試，輸出嵌入式軟件測試報告。根據(jù)系統(tǒng)需求編寫系統(tǒng)測試用例，編制系統(tǒng)測試計劃，通過HILL臺架或者發(fā)動機試驗臺架開展系統(tǒng)測試，輸出系統(tǒng)測試報告。根據(jù)客戶需求編寫整車驗證用例，編制整車驗證計劃，利用整車資源開展整車驗證，輸出整車驗證報告。其中測試驗證方法見表8。
表8 測試驗證
4 結束語
目前汽車控制系統(tǒng)研發(fā)過程中，Aspice模型在實際應用中具有重要的價值，將ISO 26262功能安全標準的要求融入Aspice汽車軟件開發(fā)流程中，并以此指導汽車軟件開發(fā)實踐，會大幅改善汽車軟件開發(fā)品質、開發(fā)效率以及提高產(chǎn)品的安全性。
轉自智能汽車設計
