摘 要：汽車電子控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代汽車的核心組成部分，因此，深入研究汽車電子控制系統(tǒng)安全設(shè)計和驗證方法有助于提高車輛安全性能，增強車輛競爭力。本文闡述了汽車電子控制系統(tǒng)安全性的重要性，探討了當(dāng)前汽車電子控制系統(tǒng)安全設(shè)計和驗證方法的局限性，以及汽車電子控制系統(tǒng)安全設(shè)計的形式化驗證方法，形式化驗證方法能夠有效地在產(chǎn)品設(shè)計早期識別和消除潛在的問題和安全隱患，為汽車電子控制系統(tǒng)的安全設(shè)計和驗證提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：汽車電子控制系統(tǒng) 安全設(shè)計 形式化驗證方法

隨著汽車電子化和智能化程度的不斷提高，汽車電子控制系統(tǒng)在現(xiàn)代汽車中扮演著越來越重要的角色。傳統(tǒng)的汽車電子控制系統(tǒng)安全設(shè)計和驗證方法主要依賴于經(jīng)驗積累和大量的測試，難以全面覆蓋所有可能的故障情況，無法有效應(yīng)對日益復(fù)雜的安全威脅。在此背景下，形式化驗證方法應(yīng)運而生，它通過嚴格的數(shù)學(xué)模型和邏輯推理，從系統(tǒng)整體的安全屬性和約束等宏觀角度出發(fā)，可以系統(tǒng)地分析和驗證系統(tǒng)的安全性，有助于在設(shè)計階段就發(fā)現(xiàn)并消除潛在的設(shè)計缺陷和安全隱患。

1 汽車電子控制系統(tǒng)安全性的重要性

汽車電子控制系統(tǒng)的安全性對于保障車輛操作的可靠性和乘員的安全至關(guān)重要。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，尤其是在自動駕駛和智能化功能日益增多的當(dāng)下，汽車電子控制系統(tǒng)扮演了核心角色，其安全性的重要性日益凸顯。

汽車電子控制系統(tǒng)的安全性直接關(guān)系到車輛行駛的穩(wěn)定性和可靠性，這些系統(tǒng)涉及從發(fā)動機管理、制動系統(tǒng)到先進的駕駛輔助系統(tǒng)如自動緊急制動（AEB）乃至自動駕駛系統(tǒng)等多個方面。如果汽車電子控制系統(tǒng)存在缺陷或故障，會導(dǎo)致無法預(yù)測的車輛危險行為，如意外加速、誤制動或者在緊急情況下無法正確做出反應(yīng)，從而極大地增加發(fā)生事故的風(fēng)險。因此，汽車電子控制系統(tǒng)的安全性，需要通過嚴謹?shù)陌踩O(shè)計和嚴格的系統(tǒng)驗證來實現(xiàn)，以確保系統(tǒng)在各種行駛條件下均可以穩(wěn)定、可靠、安全地工作。

2 當(dāng)前汽車電子控制系統(tǒng)安全設(shè)計與驗證面臨的挑戰(zhàn)

盡管汽車制造商和研究機構(gòu)不斷努力提高電子控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，但面對越來越復(fù)雜的應(yīng)用場景和設(shè)計，當(dāng)前的安全設(shè)計和驗證方法仍存在一些局限性，這些局限性逐漸成為進一步提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，消除潛在的安全隱患的瓶頸。

2.1 基于場景測試和里程測試的驗證方法

基于場景測試和里程測試的驗證方法都是通過給系統(tǒng)輸入測試樣本數(shù)據(jù)（基于場景的測試更多的是指定場景作為測試樣本，而基于里程的測試則是隨機樣本），觀測輸出來確認測試結(jié)果，并以樣本測試結(jié)果通過概率統(tǒng)計方式來評價系統(tǒng)整體設(shè)計狀態(tài)，這類基于樣本的測試是從一種微觀視角出發(fā)來評價系統(tǒng)整體狀態(tài)的驗證方法，在覆蓋系統(tǒng)所有可能發(fā)生的情況方面存在一定的局限性，尤其是一些極端情況。且測試的質(zhì)量依賴測試工作人員對系統(tǒng)需求、功能定義、內(nèi)部外部交互關(guān)系等細節(jié)的準(zhǔn)確理解，這樣才能有效分析關(guān)鍵測試點并設(shè)計具有重要代表性的測試用例，從而提升對系統(tǒng)整體設(shè)計狀態(tài)評價的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)代汽車依賴數(shù)以百計的電子控制單元（ECU）來管理從發(fā)動機運行到自動駕駛的各種功能，在智慧交通高速發(fā)展的大背景下，這些功能需要應(yīng)對越來越多樣化的復(fù)雜駕駛場景，同時車輛的外部交互需求（V2X）也不斷提升，系統(tǒng)功能和設(shè)計的復(fù)雜度與日俱增。系統(tǒng)復(fù)雜度的不斷提升給設(shè)計工作人員準(zhǔn)確表達系統(tǒng)需求和設(shè)計，以及測試工作人員充分理解系統(tǒng)需求和設(shè)計，分析關(guān)鍵測試點并設(shè)計高質(zhì)量測試用例來充分驗證系統(tǒng)滿足安全約束帶來的困難。

而隨著基于機器學(xué)習(xí)的人工智能技術(shù)在汽車電子系統(tǒng)，尤其是自動駕駛系統(tǒng)中越來越廣泛的應(yīng)用，技術(shù)的迭代模式轉(zhuǎn)為由數(shù)據(jù)驅(qū)動，迭代速度已不可同日而語。

自動駕駛系統(tǒng)已經(jīng)從以往集中在駕駛輔助SAE Level 1， Level 2功能的水平向更接近自動駕駛的SAE Level 3， Level 4功能進發(fā)，這個過程中自動駕駛系統(tǒng)將承擔(dān)越來越多的安全職責(zé)，對系統(tǒng)安全性的要求越來越苛刻。

汽車電子控制系統(tǒng)驗證的不足會造成潛在缺陷和安全風(fēng)險在產(chǎn)品上市后才被發(fā)現(xiàn)，給用戶安全帶來威脅，系統(tǒng)功能和設(shè)計復(fù)雜度的提升、技術(shù)迭代速度的提升、系統(tǒng)安全性要求的提升這三大因素互相影響，給基于場景測試和里程測試的驗證方法帶來了諸如場景多樣性以及極端場景的稀缺性影響驗證覆蓋度和可實現(xiàn)性、仿真場景和真實場景的差異性對仿真測試結(jié)果可信度的影響、高昂的測試成本（時間，人力，財力等多方面成本）等考驗[1]。行業(yè)很多研究致力于提升基于場景測試和里程測試的驗證覆蓋度和效率[2]。單純依賴場景測試和里程測試的驗證方法在系統(tǒng)驗證的充分性和完整性方面，尤其針對自動駕駛系統(tǒng)，仍然存在一定的局限性。行業(yè)也在不斷探索組合各種不同的驗證方法來提升復(fù)雜安全系統(tǒng)驗證的充分性和完整性。

2.2 設(shè)計過程中的可驗證

隨著系統(tǒng)復(fù)雜度、技術(shù)迭代速度、系統(tǒng)安全性要求的不斷提升，對系統(tǒng)開發(fā)和驗證的周期以及成本帶來了更大的壓力，我們更希望在產(chǎn)品開發(fā)過程中能盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的安全缺陷和不足，越早發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的時間和經(jīng)濟成本越低。傳統(tǒng)的針對設(shè)計方案驗證方法有：設(shè)計評審和安全設(shè)計分析，設(shè)計評審過程中，評審人員更多憑借經(jīng)驗教訓(xùn)，結(jié)合一些設(shè)計最佳實踐規(guī)則來發(fā)現(xiàn)方案中的問題點，而安全分析借助一些分析方法如失效模式與影響分析（FMEA），故障樹分析（FTA），數(shù)據(jù)流和程序流分析結(jié)合經(jīng)驗以及對系統(tǒng)的理解，確認設(shè)計方案的正確性和完整性，設(shè)計評審和安全設(shè)計分析都高度依賴系統(tǒng)需求和設(shè)計所展現(xiàn)的信息，參與人員對系統(tǒng)需求和設(shè)計的充分理解以及設(shè)計經(jīng)驗，在面對高度復(fù)雜的系統(tǒng)時同樣有一定局限性。

3 形式化驗證方法

在汽車電子控制系統(tǒng)日益復(fù)雜的背景下，基于場景和里程測試，評審以及安全設(shè)計分析的驗證方法在不同程度上展現(xiàn)出一定的局限性。形式化驗證方法作為一種嚴格縝密的系統(tǒng)設(shè)計驗證方法，為破局提供了一種新的思路。形式化驗證方法能夠在系統(tǒng)需求定義和設(shè)計階段就識別和消除潛在的問題點，顯著提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，這種方法通過嚴格的數(shù)學(xué)和邏輯推理，可以全面分析系統(tǒng)設(shè)計模型，驗證其是否滿足預(yù)定的安全屬性（也可以稱為安全約束）。形式化驗證方法理論上可以覆蓋系統(tǒng)設(shè)計模型完整的狀態(tài)空間和行為，相比較基于樣本測試得到的概率統(tǒng)計結(jié)論以及高度依賴經(jīng)驗的設(shè)計評審和安全設(shè)計分析結(jié)果，能夠提供更高的保證級別（Statement Reliability），尤其是處理復(fù)雜系統(tǒng)和關(guān)鍵安全屬性。優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）通過形式化語言（數(shù)學(xué)和邏輯的語言）能更精確表達需要滿足的安全特性（安全約束），在信息表達的準(zhǔn)確度，避免歧義和語義模糊方面明顯優(yōu)于自然語言，同時通過形式化表達的安全特性（安全約束）是能夠被計算機所理解，能直接作為形式化驗證的依據(jù)，方便實現(xiàn)自動化驗證過程。

（2）可以在系統(tǒng)需求定義和設(shè)計階段就發(fā)現(xiàn)缺陷和不足，有利于降低問題修復(fù)成本，提升效率。

（3）鑒于形式化驗證方法理論上可以覆蓋系統(tǒng)設(shè)計模型所有可能的狀態(tài)和行為，比依賴經(jīng)驗的設(shè)計評審和安全分析，更有利于全面發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷。

（4）利用形式化驗證方法，可以幫助驗證測試場景模型與安全特性（安全約束）的匹配程度，提升測試場景覆蓋度，尤其是極端場景。

本文將探討汽車電子控制系統(tǒng)安全設(shè)計的形式化驗證方法，闡述其核心組成部分和工作流程。

3.1 形式化規(guī)約和建模

在汽車電子控制系統(tǒng)的安全設(shè)計中，形式化驗證是一種重要的方法，依賴數(shù)學(xué)和邏輯上的精確描述來證明形式化規(guī)約（Formal Specification）和系統(tǒng)設(shè)計模型之間的匹配程度，從而驗證系統(tǒng)設(shè)計是否符合預(yù)期的安全特性（安全約束）。形式化驗證的過程如圖1，涉及兩個核心步驟：定義形式化規(guī)約和構(gòu)建系統(tǒng)設(shè)計的形式化模型。

首先，定義形式化規(guī)約，形式化規(guī)約是系統(tǒng)需求（包括安全特性）以數(shù)學(xué)和邏輯表述方式的形式化表達，用以描述系統(tǒng)被期望滿足的時序特性，狀態(tài)遷移，功能行為，約束（包含安全約束）等方面的設(shè)計要求。而形式化語言是以數(shù)學(xué)和邏輯表述方式定義形式化規(guī)約的重要工具，例如，使用線性時態(tài)邏輯（LTL）或信號時態(tài)邏輯（STL）來表達系統(tǒng)時序特性，狀態(tài)遷移，功能行為，約束（包含安全約束）等方面的設(shè)計要求。在形式化語言的幫助下，系統(tǒng)需要滿足的設(shè)計要求被全面且精確地描述并形成形式化規(guī)約，規(guī)約可以被計算機所識別并成為后續(xù)形式化驗證的檢驗標(biāo)準(zhǔn)。形式化規(guī)約的制定需基于對系統(tǒng)需求的全面理解，包含系統(tǒng)需要遵守功能規(guī)范，法規(guī)，安全約束，時間和性能限制，異?；蛘哌吔缜闆r下的系統(tǒng)行為等各個方面。

其次，構(gòu)建系統(tǒng)設(shè)計的形式化模型，這一過程中需要將系統(tǒng)的行為、組件和內(nèi)外部接口、狀態(tài)以及時序邏輯這些系統(tǒng)設(shè)計細節(jié)用形式化建模語言加以描述。例如，設(shè)計人員可以使用Petri網(wǎng)來輔助建模[3]，Petri模型能夠描述系統(tǒng)的并發(fā)、同步、序列化等過程，不同輸入條件下狀態(tài)遷移行為以及時間約束。對于復(fù)雜的控制邏輯也可以采用其他建模語言如Alloy或Z語言來表達。系統(tǒng)設(shè)計的形式化模型不僅需要能夠精確地反映系統(tǒng)的行為和結(jié)構(gòu)，狀態(tài)空間，時序邏輯等方面的設(shè)計細節(jié)，還應(yīng)該包含系統(tǒng)可能面臨的各種異常處理和邊界條件，如輸入錯誤、資源不足、輸入處于上下邊界、系統(tǒng)資源臨近限制值，系統(tǒng)響應(yīng)時間達到或超過時間限制等情況下系統(tǒng)的行為。

通過上述定義形式化規(guī)約和構(gòu)建系統(tǒng)設(shè)計的形式化模型這兩個步驟，為后續(xù)針對汽車電子控制系統(tǒng)安全設(shè)計的形式化驗證做好準(zhǔn)備。

3.2 形式化驗證

形式化驗證方法是一種基于數(shù)學(xué)和邏輯推理及分析來證明系統(tǒng)設(shè)計模型滿足形式化規(guī)約的方法。常用的形式化驗證方法包含模型檢驗（Model Checking），等效性檢驗（Equivalence checking），理論證明（theorem proving）等[4]。這里主要介紹模型檢驗，模型檢驗通過遍歷系統(tǒng)設(shè)計模型所有可能的行為和狀態(tài)，檢查是否存在違反形式化規(guī)約的情況，主要包含兩部分工作：模型正確性檢驗和模型一致性檢驗。模型正確性檢驗的主要目的確保系統(tǒng)設(shè)計模型本身不存在缺陷，依賴一些模型分析工具如Tina（和Petri適配性較好）、Simulink Design Verifier（適用于MATLAB Simulink模型）可以檢查模型并幫助發(fā)現(xiàn)諸如邏輯無法被執(zhí)行（死邏輯）、數(shù)組訪問越界和整數(shù)溢出、數(shù)值超范圍或有效性錯誤、除零等模型設(shè)計錯誤。

而模型的一致性檢驗主要的目的是驗證模型與形式化規(guī)約的一致性（符合程度），不同于基于樣本的測試從微觀視角出發(fā)來評價整體設(shè)計狀態(tài)的方式，形式化驗證中，測試人員從形式化規(guī)約中提取模型的待證明特性（待證明特性可以是系統(tǒng)設(shè)計模型期望的輸出結(jié)果或者輸出結(jié)果的范圍限制來驗證模型的輸出，也可以是包含前置條件（Pre-condition）和后置條件（Post-Condition）的邏輯表達式來驗證模型的行為邏輯，或者其他期望達成的設(shè)計結(jié)果），通過遍歷系統(tǒng)設(shè)計模型所有可能的行為和狀態(tài)來尋找待證明特性的反例，如果無法找到反例，則待證明特性成立，系統(tǒng)設(shè)計模型滿足對應(yīng)的形式化規(guī)約。這種驗證方法從宏觀視角出發(fā)，可以覆蓋模型所有可能的情況，提供更高的保證級別（Statement Reliability），同時模型檢驗的另一個優(yōu)勢是其能夠提供自動化且全面準(zhǔn)確的驗證結(jié)果，大大減少人工介入的需求和相關(guān)的錯誤可能性。

反例分析是基于模型檢驗的形式化驗證過程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，當(dāng)模型檢查工具發(fā)現(xiàn)待證明特性不成立，它會指出對應(yīng)的反例，即導(dǎo)致規(guī)約違反的具體事件，常見的反例有驗證過程中發(fā)現(xiàn)特定情況下系統(tǒng)的輸出與待證明特性不符或超過待證明特性指定的限制范圍，或者在未滿足前置條件（尤其安全相關(guān)的條件）的情況下系統(tǒng)就執(zhí)行了對應(yīng)動作，又或者前置條件滿足（比如檢測到安全故障）的情況下系統(tǒng)沒有正確執(zhí)行對應(yīng)動作（比如關(guān)閉執(zhí)行器并且給駕駛員警告）、執(zhí)行延遲或超時等等。反例分析的主要任務(wù)是分析這些事件的路徑，確定導(dǎo)致待證明特性不成立的原因，并提供有關(guān)如何修改設(shè)計以解決這些問題的方案，這一過程對于開發(fā)者深入理解問題產(chǎn)生的具體場景和原因非常重要。在進行反例分析時，設(shè)計人員需要詳細檢查反例提供的信息，包括違反規(guī)約的具體狀態(tài)轉(zhuǎn)換、相關(guān)變量的值以及觸發(fā)錯誤的操作序列。通過這一分析，設(shè)計人員可以識別出設(shè)計中的問題，問題背后的設(shè)計錯誤或者性能瓶頸，并據(jù)此調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計，反例的詳細分析還可以幫助改進系統(tǒng)的測試策略，通過針對性地測試那些在模型驗證中已識別為薄弱環(huán)節(jié)的部分，確保系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)束語

本文通過探討汽車電子控制系統(tǒng)安全設(shè)計的形式化驗證方法，為提高汽車電子系統(tǒng)的安全性和可靠性提供了新的思路。形式化驗證方法能夠有效地在產(chǎn)品設(shè)計早期識別和消除系統(tǒng)設(shè)計中潛在的問題和安全隱患，提高系統(tǒng)設(shè)計的效率和準(zhǔn)確性。然而，形式化驗證方法的應(yīng)用仍面臨著模型復(fù)雜度控制、驗證效率提升等挑戰(zhàn)，未來的研究方向應(yīng)著重于優(yōu)化形式化模型，提高驗證算法效率，以及探索形式化驗證與其他先進技術(shù)如人工智能的融合應(yīng)用，為汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展和用戶安全保駕護航。

參考文獻：

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