乘用車轉向功能安全主客觀測試評價方法

李賽賽，梁 東，郭瑞玲，王景先，楊 暢

乘用車轉向功能安全主客觀測試評價方法

李賽賽，梁 東，郭瑞玲，王景先，楊 暢

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

文章依托某款轉向系統裝配有電動助力轉向系統（EPS）的車型，根據ISO 26262－10:2018定義的功能安全測試要求，對其轉向系統進行危害分析、定義安全目標和導出測試用例，通過故障注入的方法對轉向系統的安全機制進行客觀有效性和符合性驗證；設計了合理有效的主觀評價打分標準，駕駛員依據真實駕駛感受對安全機制觸發后轉向操作的舒適性和可操控性進行評價；實驗結果表明，通過主客觀相結合的測試評價方法，可以實現對轉向系統功能安全的綜合驗證和評估。

轉向系統；功能安全；故障注入；主客觀評價

汽車轉向系統是關乎汽車操縱穩定性和主動安全性的關鍵系統總成，在轉向系統部件電子化、智能化為駕駛員帶來輕便性和可操控性的同時，其失效對駕駛員、乘員、行人帶來的危害也越來越嚴重。因此，如何合理有效地設計安全機制和實現轉向系統功能安全的綜合評估也成了重中之重[1-2]。

《道路車輛功能安全》（ISO 26262－10:2018）標準為汽車電子集成部件、系統功能安全生命周期提供了理念和必要支持[3]，根據ISO 26262－10:2018中的危害分析和風險評估方法[4-6]，可以客觀有效解析轉向系統因故障發生可能造成失效危害和風險的事件，確定事件的安全等級和安全目標。客觀確定危害事件的安全目標或接受準測并不能較好聚焦于用戶視角以迎合終端消費者，在面向消費端時，主觀感受往往在產品的綜合評價中占據著重要位置。因此，在確定安全目標時，需要結合確切有效的主觀評價方法，形成主客觀綜合測試接受準測，以切實有效的評價驗證轉向系統設計的正確性和合理性。

1 功能安全分析

1.1 危害識別場景分析

在對危害進行識別前，需要立足于危害所對應的特定的場景進行分析。立足于場景的分析有利于更真實模擬消費者在駕駛時發生故障對應所處的危險事件和運行模式，有助于考量系統安全機制在極端或者邊界場景下發生故障的整車表現是否符合預期，以及有助于評價不同運行場景及工況下危害事件對消費者所帶來的駕駛主觀體感。因此，通過多維度的場景分析可以全面的考量和還原真實故障發生時對應的運行場景。

在危害模式識別時，需要系統地確定在不同場景下危害故障所導致的危害事件。利用失效模式和效果分析（Failure Mode and Effect Analysis, FMEA）分析方法，來確定危害模式和影響[7]。通常在整車級表現的一種危害模式和影響，往往有多種失效元件的潛在原因，在進行危害識別時，僅考慮單點失效。

1.2 ASIL等級確定

ISO 26262－10:2018標準中提出在針對部件、系統、整車進行潛在危害事件分析時，需要根據嚴重度（S）、暴露度（E）和可控度（C）將汽車安全完整性等級（Automotive Safety Integration Level, ASIL）劃分為A、B、C、D四個等級，其安全等級要求由左往右依次增加。嚴重度（S）、暴露度（E）和可控度（C）中各等級描述如表1所示。

表1 S、E、C等級描述

等級描述等級描述等級描述 S0無傷害E1非常低的概率C0完全可控 S1輕度和中度傷害E2低概率（<1%）C1簡單可控（>99%） S2嚴重傷害（有存活可能）E3中等概率（<10%）C2一般可控（90%～99%） S3致命傷害E4高概率（>10%）C3不可控（<90%）

在經過評審得到各危害事件S、E、C的具體等級后，ASIL可由S、E、C排列組合得到對應的安全等級，對應等級如表2所示。

每一個危害事件都將有一個ASIL等級與之對應，該等級將作為貫穿系統整個安全機制生命周期的技術要求，轉向電子控制系統相關危害的安全要求如表3所示。轉向系統安全機制需能夠滿足標準要求的功能安全要求，以及為實現安全目標而制定的故障報警、冗余功能及降級策略等。

表2 ASIL等級確定

嚴重度暴露度可控度 C1C2C3 S1E1QMQMQM E2QMQMQM E3QMQMA E4QMAB S2E1QMQMQM E2QMQMA E3QMAB E4ABC S3E1QMQMA E2QMAB E3ABC E4BCD

注：QM表示滿足質量管理要求即可。

表3 轉向電子控制系統相關危害的安全要求

序號整車危害ASIL等級安全目標 1非預期側向運動D車輛非預期的側向運動應滿足非預期側向運動的安全度量 2非預期地失去側向運動控制D應確保駕駛員對車輛側向運動的控制能力，相應轉向操縱力應滿足非預期失去轉向控制的安全度量 3失去助力情況下的轉向沉重QM或A轉向操縱力應滿足轉向沉重的安全度量

注：安全度量應基于目標市場來確定。

2 轉向系統功能安全主客觀測試評價方法

2.1 轉向系統分析

轉向系統已由最初的純機械轉向系統發展成為現行應用最為廣泛的電動助力轉向系統（Elec- trical Power Steering, EPS）[8]，如圖1所示。轉向系統通常由電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）控制器、傳感器、執行器、電氣連接部件和機械傳動部件組成。傳感器、控制器和執行電機工作時由整車電（12 V）進行供電，在駕駛員操縱轉向盤進行轉向時，轉向系統中的轉角傳感器和扭矩傳感器實時捕捉駕駛員轉向角度和轉向手力矩值，并分別轉化為轉角和扭矩電信號發送至ECU控制器。ECU控制器接收并處理轉角和扭矩電信號，結合整車控制器局域網（Controller Area Network, CAN）信號傳輸的速度信號，識別出駕駛員轉向意圖并使電驅模塊對轉向電機發送對應的轉向助力矩指令從而使執行機構進行轉向助力動作，同時，通過電驅模塊對電機位置的實時采樣，實現ECU控制器對轉向電機的精確控制，使轉向電機能夠完全按照既定指令帶動轉向拉桿實現助力轉向[1,9]。

圖1 轉向系統架構示意圖

對圖1轉向系統架構示意圖進行分析后，可以得到轉向系統易發生故障的四種類型：1）傳感器信號故障，如扭矩信號偏置/卡滯等；2）CAN信號故障，如速度信號丟失/偏移等；3）校驗類錯誤，如循環冗余校驗（Cyclic Redundancy Check, CRC）和CheckSum校驗等；4）電源故障（電源短路/短路/電壓過高/電壓過低）。根據這四種故障類型，可以快速地、有針對性地對轉向系統故障各單元進行梳理并形成測試用例。

2.2 故障注入測試

2.2.1故障注入測試方法

為了分析轉向系統的安全機制是否符合功能安全的技術要求，需要對各子部件及系統中最可能違背安全目標的關鍵單點故障進行針對性測試，此測試方法為故障注入測試方法[10]。

故障注入測試類型主要包括以下三類：

1）并行式測試：在系統運行的時候注入電壓等干擾信號，改變原始信號的波形，造成故障信號，如扭矩傳感器和轉角傳感器故障。圖2(a)表示將正常值更改為恒定值；圖2(b)表示在正常值上增加偏移量；圖2(c)表示在正常值上增加振蕩；圖2(d)表示通過振蕩值改變正常值；圖2(e)表示將增益加到正常值上。

2）ECU內部制造錯誤代碼：修改ECU內部算法邏輯造成故障，如CRC校驗。

3）中斷式測試：在系統中加入硬件節點，制造通斷類故障，如電源斷開故障。

為實現以上故障注入類型，并且保證盡量少改變原車系統，本文設計了線束連接故障測試盒（Break-Out Box, BOB）、Sent板卡和EPS控制器線束，串聯在整車控制器和EPS控制器之間，以實現轉向系統故障注入。在利用故障注入設備對車輛轉向系統的傳感器、通訊、供電等關鍵單元及節點進行單點故障模擬時，在整車層面，轉向系統需要能夠在故障注入后能夠及時探測故障并觸發安全機制并切換安全降級模式或緊急運行模式，保證車輛狀態在可控范圍內。

2.2.2故障注入測試系統

本文搭建了故障注入測試系統。故障注入測試系統如圖3所示，主要包括上位機、Delta電源（220 V）移動電源、Vector（VN1640）、EPS-BOB、陀螺儀（RT3000）、方向盤測力計組成。

上位機：對特定總線信號進行故障信息編輯（如超出范圍、信號偏離、信號振蕩、信號卡滯）并發送信號，接受故障注入指令并發送；檢測故障注入后系統安全機制的容錯時間間隔（ Fault Tolerant Time Interval, FTTI）[11]、監測總線狀態以及錄入總線數據。

Delta電源：對EPS供電，同時可以實現EPS供電電壓和供電電流調節，通過上位機編輯電壓、電流值模擬電源類（斷路、短路）故障注入。

BOB：對應整車控制器和EPS 控制器引腳，通過接插件的插拔模擬信號丟失故障。

陀螺儀（RT3000）：在一定測試場景下，采集整車在故障注入前后30 s內的橫擺角速度、側向加速度、航偏角、橫向偏移量。

方向盤測力計：在一定測試場景下，采集方向盤的角速度和手力矩。

2.3 主觀測試評價方法

2.3.1主觀評價定義和作用

主觀評價是在一定的運行工況下，由專業駕駛員結合自身感官并依據主觀評價標準對車輛量化評價[12-13]。在功能安全測試評價中，運用主觀評價可以快速評估系統安全機制舒適性和可執行性，可以有效地模擬在發生故障后安全機制介入時車輛反應對消費者的駕駛干擾程度，有利于協助企業對安全機制進行進一步改良和升級。

圖3 故障注入測試系統

2.3.2主觀評價項目和方法

本文將轉向功能安全測試與主觀評價的相關項進行提煉，導出為整車反應、汽車行駛軌跡、方向盤手力矩三項，綜合反映了故障發生后車輛的可控性和舒適性，并最終將其作為主觀評價的相關項指標。

將主觀評價指標：整車反應、汽車行駛軌跡、方向盤手力矩，根據專業駕駛員對故障注入后車輛可能發生的狀態所對應的體感進行細致分級，1分作為最小分度值，共分6級，如表4所示。其中，分數1為最低等級，表示最惡劣的體感，不可控，可能導致車輛失控或者傷人；分數6為最高等級，表示最好體感，與故障注入前無明顯差別。

表4 主觀評價依據

分數整車反應汽車行駛軌跡方向盤手力矩 1無法控制車輛軌跡嚴重偏離車道強烈干擾（傷手） 2有強烈反應（駕駛員難以控制）軌跡顯著偏離行駛車道有強干擾（可能傷手） 3有明顯反應（強側向風感）有明顯軌跡偏差（在行駛車道內）手力有變化（強干擾但是不至于傷手） 4反應溫和（側向風感）有軌跡偏差（在行駛車道內）手力有變化（有干擾） 5有反應（駕駛員能感知）有察覺軌跡偏差手力有變化 6無明顯反應無軌跡偏差手力無明顯反應變化

轉向功能安全客觀測試的危險場景應能夠包含主觀評價所使用的工況[14]：

1）直線行駛：在選定車道內，駕駛員操控車輛進行直線形式，在達到預期車20、60、120 km/h并保持15 s后進行故障注入。

2）變道行駛：在選定車道內，駕駛員操控車輛進行直線形式，在達到預期車20、60、120 km/h并保持5 s后，進行向左或向右變道操作的同時進行故障注入。

3）轉向行駛：在故障注入時，駕駛員操控車輛以60 km/h的速度進行轉向（轉向圓半徑≤60 m），在轉向過程中進行故障注入。

2.4 測試用例

為了有效驗證安全機制的有效性、舒適性和可行性、結合轉向系統特征，對最易發生、最關鍵的單點故障進行故障注入測試，形成了本測試用例，測試用例部分描述如表5所示。

表5 測試用例示例

序號整車危害類別故障類型運行場景車速/(km/h)測試用例描述接受準則 01非預期的側向運動扭矩傳感器偏置6 N?m直行201、主觀評價分值2、通過故障注入故障，持續時間500 ms3、通過觀察儀表EPS故障燈是否常亮4、通過力矩方向盤測試方向盤手力值5、通過力矩測試方向盤角度值6、故障注入取消后，重啟發動機后觀察儀表EPS故障燈是否消失1、主觀評價車輛可控2、轉向手力矩≤55 N?m3、最大側向加速度值小于0.3g4、故障注入后故障燈亮起5、FTTI≤65 ms6、直行時，從故障注入開始持續1 s內車輛橫向移動＜0.6 m7、故障注入消除后，重啟車輛后儀表EPS故障燈消除 0260 03120 04轉彎60 05電機位置傳感器偏置0.1變道20 0660 07120 08轉彎60 09失去助力情況下的轉向沉重EPS電源斷開變道201、主觀評價分值2、電源線斷開，持續時間5 000 ms3、故障注入后變換車道4、通過力矩方向盤測試方向盤手力值5、通過力矩測試方向盤角度值 1060 11120 12轉彎60

3 測試結果

本文根據以上分析，參照測試用例對某款車型進行了針對性轉向系統故障注入實車測試，測試結果抽取直線工況高速部分如表6所示。

表6 實車故障注入測試結果

序號整車測試結果序號整車測試結果 03主觀評價分值/分604主觀評價分值/分4 轉向手力矩≤55 N?m4.01轉向手力矩≤55 N?m39.50 最大側向加速度值小于0.3g0.14g故障注入后故障燈亮起故障燈亮起 故障注入后故障燈亮起故障燈亮起 FTTI/ms24FTTI/ms32 從故障注入開始持續1 s內車輛橫向移動＜0.6 m0.25故障注入消除后，重啟車輛后儀表EPS故障燈消除重啟車輛后儀表EPS故障燈消除 故障注入消除后，重啟車輛后儀表EPS故障燈消除重啟車輛后儀表EPS故障燈消除 07主觀評價分值/分508主觀評價分值/分4 轉向手力矩≤55 N?m11.18轉向手力矩≤55 N?m35.18 故障注入后故障燈亮起故障燈亮起故障注入后故障燈亮起故障燈亮起 FTTI/ms32FTTI/ms32 故障注入消除后，重啟車輛后儀表EPS故障燈消除重啟車輛后儀表EPS故障燈消除故障注入消除后，重啟車輛后儀表EPS故障燈消除重啟車輛后儀表EPS故障燈消除 11主觀評價分值/分412主觀評價分值/分4 轉向手力矩≤55 N?m21.14轉向手力矩≤55 N?m37.25 故障注入后故障燈亮起故障燈亮起故障注入后故障燈亮起故障燈亮起 FTTI/ms24FTTI/ms24 故障注入消除后，重啟車輛后儀表EPS故障燈消除重啟車輛后儀表EPS故障燈消除故障注入消除后，重啟車輛后儀表EPS故障燈消除重啟車輛后儀表EPS故障燈消除

由表6實車故障注入測試結果可知，整車在經過扭矩傳感器信號偏置、電機位置傳感器偏置、電源斷開等典型故障單元故障注入后，駕駛員的主觀評價分值均大于或等于4分，轉向手力矩均處于小于或等于55 N·m范圍內，直行工況下的橫向位移均小于0.6 m，并且FTTI值滿足安全機制設計要求。由此可知在車輛在故障注入后未出現不受控和偏離車道等不受駕駛員控制的反應，無呈現影響駕駛員或傷害駕駛員的現象，并且有相應的故障燈亮起，符合功能安全標準要求。

4 結論

本文提出了一種基于故障注入的乘用車轉向功能安全主客觀測試評價方法，依據ISO 26262－10:2018的標準規范對轉向系統進行了危害識別場景分析并導出測試用例；通過搭建基于故障注入的功能安全測試系統，和依據整車反應、汽車行駛軌跡、方向盤手力矩作為轉向功能安全相關項主觀評價指標的評分制主觀評價方法，對轉向系統的安全機制的有效性、舒適性和可行性進行驗證，注入測試方法。測試結果表明，車輛在故障注入后未出現不受控和偏離車道等不受駕駛員控制的反應，無呈現影響駕駛員或傷害駕駛員的現象，并且有相應的故障燈亮起，符合功能安全標準要求。因此，該轉向功能安全測試評價方法可以實現對真實車輛轉向功能安全機制的有效性、舒適性和可行性的全范圍驗證和評估，有助于企業對于轉向功能安全機制的更新、迭代和確認。

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Subjective and Objective Test and Evaluation Methods of Passenger Car Steering Functional Safety

LI Saisai, LIANG Dong, GUO Ruiling, WANG Jingxian, YANG Chang

( CATARC Automotive Test Center (Tianjin) Company Limited, Tianjin 300300, China )

This paper relies on a steering system equipped with electrical power steering(EPS), according to the functional safety test requirements defined by ISO 26262－10:2018, conducts hazard analysis on its steering system, defines safety objectives and derives test cases, and conducts objective effectiveness and compliance verification of steering system safety mechanism by fault injection method. A reasonable and effective subjective evaluation scoring standard is designed, and the driver evaluates the comfort and controllability of steering operation after the safety mechanism is triggered according to the real driving experience. The experimental results show that the comprehensive verification and evaluation of functional safety of steering system can be realized by combining subjective and objective test and evaluation method.

Steering system; Functional safety; Fault injection; Subjective and objective evaluation

U463.4

A

1671-7988(2023)19-149-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.029

李賽賽（1996－），男，碩士，助理工程師，研究方向為汽車底盤測試技術，E-mail:lisaisai@catarc.ac.cn。