21 - 汽车功能安全(ISO 26262)系列: I,II,III类硬件要素评估你真的了解吗?

文摘   汽车   2023-09-26 14:24   德国  

本篇属于汽车功能安全专题系列第21篇内容,很多朋友在社区提问有关硬件要素评估的问题,网络上相关内容也比较少,所以我们今天来聊聊硬件要素评估相关内容。


开始阅读之前强烈建议参考之前系列文章:

汽车功能安全 ISO 26262专题内容


硬件要素评估,是ISO 26262第8部分支持过程内容之一,和软件组件的鉴定是并列的内容。很多朋友搞不清楚,硬件要素产生的背景,I类,II类,III类硬件要素特点是什么,具体问题包括:


  • 我们为什么要做硬件要素评估?

  • 硬件要素分类有哪些?区分的要点是什么,特点是什么,有哪些实例?

  • 硬件要素评估,为什么需要重点考虑系统性失效问题,而不是硬件随机失效?

  • 硬件要素评估测试究竟需要测试什么?

带着这些问题,我们开始今天的内容。

Q: 我们为什么要做硬件要素评估


所谓的硬件要素的评估,是为了使用那些本身最初没有按照ISO 26262规范进行设计和开发,但需要集成到需要符合功能安全要求的相关项或系统中的硬件要素。

所以硬件要素的评估本质也是为了复用,它是ISO 26262第5部分的硬件开发的alternative,这个大背景我们必须首先搞清楚!如果硬件要素本身就是针对应用的项目背景,且基于ISO 26262准则开发得到,那就没有对其进行硬件要素评估的必要。

这里需要注意,由于硬件要素本身多属于器件,或元器件,多批量化生产,应用于不同的场景,一般不可能只针对某个项目应用而开发,所以在硬件设计过程中,需要验证所采用的硬件要素,是否符合该项目或具体应用相关的功能及非功能要求,但这本质上还是硬件要素的复用。


Q: 硬件要素分类有哪些?区分的要点是什么,特点是什么,有哪些实例


在硬件要素的评估中,所考虑的硬件要素,根据其特性分为 I 类要素、II类要素或 III 类要素,这样分类的目的在于,反映安全相关功能验证的难度,以及硬件要素在安全概念中的作用。

根据ISO 26262-8:2018内容,硬件要素可以分为:

I 类要素


  • 定义: 

— 该要素没有或少数几种工作状态,且这几种状态可以从安全的视角被充分地表征、测试和分析;

— 可以在不了解该要素的实现细节和生产过程的情况下,识别并评估该要素的安全相关的失效模式;

— 该要素没有与安全概念相关的控制或探测其内部失效的内部安全机制


  • 要点:

— 极少数工作状态+ 没有内部安全机制


  • 特点: 
— 硬件要素本身不需要进行评估,直接集成到硬件开发中

— 只要集成后的硬件满足相关安全需求即可。


  • I类要素示例:

电阻、电容 二极管、晶体管引脚 LDO、电平转换器 简单逻辑门 PTC温度传感器等简单传感器。

II 类要素


  • 定义: 

— 该要素具有少数几种运行状态
— 可以在不了解实现细节的情况下,依靠现有文档(例如,数据表,用户手册,应用说明),从安全的角度对其进行分析

 — 该要素没有与安全概念相关的控制或探测其内部失效的内部安全机制


  • 要点:
— 少数工作状态+ 没有内部安全机制

  • 特点: 

— 需要评估计划和证据,证明要素的工作性能

— 可以使用分析和测试的方法对其进行评估


  • II类要素示例:

运算放大器 OP AMPS、模数转换器 ADC、数模转换器 DAC、DC/DC转换器、CAN/LIN 收发器、相对简单的传感器(例如,燃油压力传感器,温度传感器)


III 类要素


  • 定义: 
— 该要素具有较多的运行模式,
— 在不了解实现细节的情况下,不能进行分析;
— 该要素具有与安全概念相关的控制或探测其内部失效的内部安全机制

  • 要点:

— 较多工作状态+ 内部安全机制

  • 特点: 

— 推荐采用ISO 26262硬件开发过程对其进行开发,硬件要素评估不是首选方案

— 需要评估计划和证据,证明要素的工作性能

— 需要提供额外措施,证明由于系统性失效而违背安全目标或违背安全要求的风险足够低

— 可以使用分析和测试的方法对其进行评估

  • III类要素示例:

微处理器微控制器SOC(片上系统)多通道 PMIC电机驱动器高功能SBC



Q: 针对III类硬件要素评估,为什么特别指出,需要论证硬件要素系统性失效问题足够低,而没有提及硬件随机失效呢

不知道朋友们有没有注意到,在III类要素评估中,需要采用额外措施,论证要素系统性失效问题要足够低,个人觉得有两个方面的原因

1

和I类,II类要素相比,III类硬件要素组成相对复杂,出现系统性失效的概率更高

2

硬件要素随机失效问题会在更高的集成层面,通过概率度量化指标进行约束

这就得从硬件概率化度量指标说起,在ISO26262-5:2018对硬件随机失效概率化度量指标(即SPFM,LFM以及SPFM)是针对违反安全目标的要求,即相关项层面的整体性要求,非硬件组件层面的要求。

所以硬件要素评估中,对于不同类型的硬件要素,需要提供不同失效数据(FIT,FMD,Pin FMA等),甚至是安全手册,作为后续FMEDA计算的输入,但不会针对硬件要素本身进行单独的随机失效的评估,这部分内容会在后续更高的集成层面,针对硬件整体,根据硬件概率化度量指标进行度量。



Q: 针对II类,III类硬件要素评估,都需要对其进行测试和分析,证明其工作性能,符合功能安全的需求,那到底该测试什么内容呢


首先需要明确的是,针对硬件要素评估的测试,是功能和性能的测试,具体来讲,体现在两个方面


1

在特定的工作环境下,硬件要素本身是否能够正常工作,性能,精度是否足够。

这部分测试及分析内容为硬件要素本身功能层面的基本测试。


例如,某传感器是否能在特定环境下,正确采集相应的信号,精度是多少,在极端工作环境下,是否还能正常工作等。

所以这部分测试实质上属于硬件的功能测试,和安全机制其实没有太多联系。如果硬件要素存在相关测试报告,可直接使用,不需要进行重复测试。

2

在特定项目背景下,该硬件要素是否能够实现分配至该硬件要素的安全需求。

既然该硬件要素是应用于具体项目,通过上一阶段的功能安全开发活动,必然会将安全需求进行分解,最终分配至该硬件要素,所以这些安全需求要求的内容就是硬件要素需要测试的内容,需要制定相应的测试计划,规范和验证指标等,形成完整的测试和分析报告。

例如,CAN收发器,除了功能相关的测试外,还需要测试分配至该要素的安全需求,如,E2E保护措施是否有效,能否监测不同类型的通信干扰问题(延迟,阻塞,错误等)。


当然,如果硬件要素本身比较简单,可以通过分析的方式证明,则也可以接受。


当然,对于III类硬件要素,例如,控制器,推荐直接采用ISO 26262规范开发,在开发过程中会集成I类,II类要素,其评估内容见上面内容,但如果非要采用要素评估手段,其评估过程基本上和ISO 26262-5:2018硬件开发过程一致,可以直接参考相应的测试手段和方法。


写在最后:


硬件要素评估相关内容我们就聊完了,希望能够给朋友们对其带来更多理解

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