功能安全设计中如何考虑脱手驾驶（高速公路辅助-HWA）...


高速公路辅助（HWA）

功能安全设计中如何考虑脱手驾驶

注：本图来源网络

作者简介

Allen，【汽车功能安全】公众号专栏作者，热爱自动驾驶的功能安全工程师。


目 录
目 录

1、本文概要

2、HWA功能描述

3、HWA功能安全开发

3.1    HARA分析

3.2    安全设计

3.2.1  安全分析

3.2.1  安全概念设计

4、本文小结

1、概要
Ø  HWA在做功能安全危害分析时是否应该考虑脱手驾驶？如何考虑脱手驾驶？
Ø  HWA功能运行时，如果横向辅助能力丧失是否有功能安全等级？
Ø  如果横向辅助能力丧失有安全等级，安全设计该如何做，是否必须增加冗余？
不知各位功能安全行业的同仁在做HWA功能安全设计时，有没有遇到以上问题。笔者已经在项目开发中遇到了，并希望将个人经验想法与大家分享，抛砖引玉。
笔者观点：HWA功能在做功能安全危害分析时，应该考虑脱手驾驶的场景，理由如下：
  • HWA功能定义及Item Definition都明确定义允许驾驶员脱手驾驶，而ID为功能安全设计的主要输入；
  • 目前市场上HWA功能已经被各方媒体进行了测试，并进行了对比宣传，相当于变相告知用户，HWA功能支持脱手驾驶；
  • 驾驶员注意力集中的情况下，从脱手状态到完全接管方向盘，人体依旧需要反应时间，某些场景下可能会有危害；
由于HWA功能较为复杂，功能安全分析后所得安全目标较多，本文只针对HWA系统丢失横向扭矩输出能力此种失效模式进行功能安全分析,从“失效安全（Fail Safe）”和“失效可运行（Fail Operational）”两种功能安全状态出发，分别进行阐述。
本篇主要阐述“失效安全（Fail Safe）”概念设计，“失效可运行（Fail Operational）”概念设计思路在后续篇幅中阐述。
2、

HWA功能描述

高速公路辅助系统（HWA）在全速范围内为驾驶员提供车辆的纵向和横向辅助，工作场景为高速公路主干道（不含匝道）。当满足变道条件且经驾驶员确认后，系统进行路径规划并自主完成车道变换动作。系统监控到脱手条件满足时，可允许驾驶员一段时间内脱手驾驶。
3、HWA功能安全开发

3.1 HARA分析

HWA功能运行过程中，驾驶员脱手驾驶时的危害事件简要分析示例：
HWA子功能
单车道巡航

危害事件
山地丘陵地带高速公路，弯道曲率较小，HWA功能巡航居中行驶时，驾驶员处于脱手状态，车辆非预期地失去横向辅助能力；
严重度（S）
S3
车辆无法居中行驶，偏离出本车道，与其他车辆或道路基础设施发生前碰撞，且相对碰撞速度Delta V>40kph；

暴露度（E）
E2
山地丘陵地带高速公路，弯道曲率较小，驾驶员脱手驾驶；
可控度（C）
C3
驾驶员脱手驾驶，车速较高的情况下，车辆偏离本车道，驾驶员来不及接管方向盘，同时驾驶员只通过制动去避免伤害也比较困难，所以评估为C3；
安全目标（SG）
HWA_SG13
HWA功能横向扭矩输出能力丢失应该被避免；
ASIL等级
ASIL B

安全状态
失效安全（Fail Safe）
HWA功能报警并退出
目前HWA功能HARA分析，对于横向扭矩丢失，其他场景比如变道等经过分析，均无安全目标，所以不再列举其他危害事件分析示例。

3.2 安全设计

3.2.1 安全分析

考虑到HWA功能用户体验，笔者不考虑驾驶员脱手驾驶时，HWA系统一直报警提醒接管车辆的策略。
从Fail Safe安全状态出发，提出了如下功能安全策略：
考虑驾驶员接管时间，HWA功能使用期间，根据不同的弯道曲率半径，限制车辆最大通过速度，如果由于EE故障导致超出限制速度，HWA系统退出并提醒接管；
 
笔者根据危害场景、车型参数及中国高速公路修建标准-《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）做了个简单的计算：

图1. 高速公路示意图

A：车辆左侧边缘距离左侧车道线的距离，允许车辆最大偏离距离；
B：车道线距离弯道圆弧中心点的距离；
C：车辆失去横向扭矩输出能力后，到偏离本车道前，最短行进距离；
D：高速内侧车道线外边缘距离高速弯道中心线的距离；
E：车辆左侧边缘距离弯道圆弧中点的距离；
R：高速弯道曲率半径；
图2. 分析数据
图3. 弯道曲率与最大车速对应关系图
由以上分析得出，曲线上方为安全区域，HWA功能在对HWA_SG13进行功能安全设计时，需要保证曲线下方区域的达成。

3.2.2 安全概念设计

安全概念构思如下：

图4. 安全架构构思

  • 输入：

Ø  制动系统提供轮速信息，产生影响安全目标的EE故障时进入安全状态：发送无效的轮速信息；ASIL B
Ø  传感器系统提供高速弯道曲率及方向盘转角等信息，产生影响安全目标的EE故障时进入安全状态：发送无效的弯道曲率信息及方向盘转角错误信号；ASIL B

  • 控制：

Ø  HWA域控制器根据轮速、方向盘转角、弯道曲率等信息进行融合计算并输出对应的运动请求，产生影响安全目标的EE故障时进入安全状态：退出HWA功能并请求HMI系统进行报警；ASIL B
Ø  如果轮速、方向盘转角、弯道曲率等信息无效或表征error，域控制器应该退出HWA功能并请求HMI系统进行报警；ASIL B

  • 执行：

Ø  动力系统根据HWA的扭矩请求输出加速扭矩，发生EE故障时进入安全状态：不再响应HWA功能的扭矩请求；ASIL B
Ø  制动系统根据HWA的扭矩请求输出减速扭矩，发生EE故障时进入安全状态：不再响应HWA功能的减速请求；ASIL B
Ø  转向系统根据HWA的扭矩请求输出横向扭矩，发生EE故障时不再响应HWA功能的横向扭矩请求；QM

  • HMI：

Ø  HMI系统根据域控制器的报警请求输出对应的声光报警信息；QM
Ø  HMI系统根据域控制器的报警请求，主驾座椅进行振动；QM

  • 通讯：

Ø  制动系统需要对轮速信号所在的通讯报文增加E2E保护；ASIL B
Ø  传感器系统需要对转角、弯道曲率信号锁在的通讯报文增加E2E保护；ASIL B
Ø  域控制器对接收到的通讯报文进行E2E校验，如果校验失败则进入安全状态：HWA功能退出并请求HMI系统进行报警；ASIL B
Ø  动力系统需要对动力扭矩请求所在的通讯报文进行E2E校验，如果校验失败则进入安全状态：不再响应HWA功能的扭矩请求；ASIL B
Ø  制动系统需要对减速请求所在的通讯报文进行E2E校验，如果校验失败则进入安全状态：不再响应HWA功能的减速请求；ASIL B

  • 供电：

Ø  供电系统需要给HWA系统提供稳定的电源；ASIL B
4、小结
上述安全分析方案只是从失效安全方面考虑的一个初步的构思，并未考虑在安全状态中增加其他策略（比如故障后自行制动策略等）。
如果分析有遗漏或不足之处，希望各位同仁指正交流。欢迎大家在留言区留言互动，也欢迎大家添加小编微信（foauto）,进【功能安全交流群】，与作者一起分享项目案例交流讨论，共同学习成长。
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