基于Simulation X的多軸轉向系統功能安全仿真分析

陳志韜 周怡 劉相新 白錦洋 劉洋 王真真

DOI：10.3976/j.issn.1002-4026.20230150

收稿日期：2023-10-10

作者簡介：陳志韜（1990—），男，碩士，工程師，研究方向為智能駕駛、多軸電驅底盤等。E-mail：chenzt0306@163.com

*通信作者，劉相新，男，研究員，研究方向為發射裝備、多軸電驅底盤等。Tel：13552317011，E-mail：xiangxin328@126.com

摘要：基于ISO 26262《道路車輛功能安全》的標準要求，對特種車的多軸電液轉向系統進行分析，以提高系統的安全性和可靠性。運用Simulation X軟件建立詳細的多軸特種車仿真模型，通過模擬故障模式注入進行仿真試驗。對仿真結果和數據進行分析，評估得到故障的嚴重性、暴露度和可控性，從而確定相應的汽車安全完整性等級。基于故障注入仿真的汽車功能安全分析方法，在系統早期設計階段可以作為評估架構安全性的重要手段。

關鍵詞：多軸車；電液轉向系統；Simulation X；故障注入仿真；汽車安全完整性等級

中圖分類號：U461.91??? 文獻標志碼：A??? 文章編號：1002-4026（2024）03-0085-08

開放科學（資源服務）標志碼（OSID）：

Functional safety simulation analysis for multiaxle electro-hydraulic

steering system based on Simulation X

CHEN Zhitao1，ZHOU Yi1，LIU Xiangxin1*，BAI Jinyang1，LIU Yang2，WANG Zhenzhen1

（1. Beijing Institute of Space Launch Technology， Beijing 100076， China；2. CICT Connected and

Intelligent Technologies Co.，Ltd.， Beijing 100089， China）

Abstract∶Based on the standard requirements of ISO 26262 Road Vehicles-Functional Safety， this study analyzes the multiaxle electro-hydraulic steering system of special vehicles to enhance the system′s safety and reliability. In this study， the Simulation X software was used to establish a detailed simulation model for the multiaxle special vehicle， and simulation experiments were conducted via fault injection. The simulation results and data were analyzed to assess the severity， exposure and controllability of the faults， thereby determining the corresponding automotive safety integrity level. Thus， based on fault injection simulation， the automotive functional safety analysis method can serve as a crucial means to assess architectural safety in the early stages of system design.

Key words∶multiaxle vehicle; electro-hydraulic steering system; Simulation X software; fault injection simulation; automotive safety integrity level

汽車技術和電子技術的飛速發展帶來的是汽車的電子化程度越來越高［1］。越來越多的電子電氣系統被集成到多軸特種車輛上，車輛功能與性能越來越豐富，但是隨之而來的安全風險點也迅速增加，故障帶來的損失和風險也越來越大。

多軸特種車輛存在輪數多、尺寸大、載重大等特點，為減小整車轉彎半徑、提升轉向通過性，通常采用多軸轉向系統。相較于乘用車的前輪轉向，多軸轉向系統須保證在不同轉向模式下，各軸車輪協調隨動轉向。為實現該功能，多軸轉向系統運用了更多的控制器、執行器、傳感器等，系統復雜度高、對可靠性要求更高。多軸轉向是多軸轉向車輛的核心技術，其性能好壞決定著多軸車輛的靈活性、穩定性、可靠性、安全性及經濟性［2］。

汽車電子電氣系統的功能安全越來越受重視，道路車輛功能安全標準ISO 26262《道路車輛功能安全》自2011年發布以來就得到整車廠和供應商的廣泛研究和運用，大量相關工作在該標準體系下完成［3-5］。國內也于2017年10月發布，并在2022年更新了GB/T 34590—2022《道路車輛功能安全》［6］，該標準采用ISO 26262，適用于道路車輛上由電子、電氣和軟件組件組成的安全相關系統在安全生命周期內的所有活動。

近些年來，國內外的整車廠和科研機構在功能安全方面已開展多項研究。在國外，Birch等［7］對ISO 26262安全案例所需的主要論證結構進行了分類和分析，并指出這些結構之間的關系，特別強調了基于產品的安全原理在論據中的重要性，以及該原理在評估功能安全方面應發揮的作用。Juez等［8］提出了一種基于仿真試驗的故障注入方法（Sabotage），并將其應用到自動駕駛汽車橫向控制系統的安全分析中，以作為在系統設計開發時傳統安全分析方法不足的補充，依據試驗數據得到失效影響，并完善安全目標及安全要求。Prakhar等［9］從硬件設計和軟件設計兩方面探討了ISO 26262標準在EPAS ECU開發中的適用性，并進行了危害分析和風險評估，通過改進架構實現功能安全目標。

Varga［10］介紹了一種基于仿真的功能安全驗證方法，可以模擬各種故障模式并測試EPS（電動助力轉向系統）在故障情況下的行為。Lurie等［11］提出了一種基于參數化的危害分析和風險評估方法，從而更好地管理和理解復雜系統的安全風險，并將該方法應用于實際汽車電子控制系統開發過程。在國內，鄔肖鵬等［12］對輪轂電機驅動汽車出現電機故障時的整車行為進行仿真分析；何杰等［13］提出了一種基于仿真的EPS扭矩傳感器故障容錯時間間隔（FTTI）的確定方法；尚世亮等［14］開發了一種基于整車總線故障注入的測試方法，并對車輛電子穩定性控制系統（ESC）進行了故障注入測試；葛鵬等［15］把3層監控概念應用于7DCT（7速雙離合變速器）電控系統的開發。綜上所述，基于模型仿真與ISO 26262標準相結合的分析方法已受到重視。

道路車輛功能安全標準ISO 26262適用于質量不超過3 500 kg 的乘用車電子電氣系統，其通過對開發流程和工作文檔的規范來減少或消除電控系統故障可能引起的危險。本文參考借鑒ISO 26262標準的分析方法，充分考慮特種車輛電子電氣系統的特點以及特種車特殊的使用場景開展分析，并運用Simulation X軟件仿真分析系統故障時多軸特種車的運動特性，對多軸轉向系統功能安全進行分析，獲得汽車安全完整性等級ASIL（automotive safety integrity level）。

1? 多軸車輛轉向系統

汽車轉向系統的功用是保證汽車能按駕駛員的意志進行轉向行駛［2］，針對超重特種車輛底盤特點，主要功能包括全輪轉向功能、高速行駛穩定性、低速行駛高通過性。轉向系統整體架構如圖1所示，由轉向桿系統、轉向液壓子系統、轉向控制子系統以及供配電子系統組成。轉向后橋采用電控液壓助力方案，取消了軸間轉向傳動機構，實現軸間轉角關系隨轉向模式變化，具備全輪轉向、公路轉向、后橋鎖止轉向、蟹行轉向等轉向模式。轉向電控子系統以前橋轉角與車速為輸入，在不同轉向模式下，通過控制后橋比例閥與對正電磁閥，實現各橋轉向與對正功能。

前橋（一二橋）轉向采用機械傳動液壓助力形式，采用斷開式轉向梯形，一橋梯形后置，二橋梯形前置；采用整體式動力轉向器和助力油缸提供一二橋助力。

后橋（三至六橋）轉向采用獨立電控液壓轉向形式，轉向梯形后置，各橋左右分別布置一個轉向助力缸與一個對正助力缸。轉向控制器采集前橋轉向擺臂轉角、顯控裝置（HMI）模式選擇、車速等信號后，計算出后橋轉向助力油缸目標位移；通過PWM（pulse width modulation）控制比例閥開度，以及實時采集到的轉向油缸位移傳感器信號，實現對轉向油缸長度的閉環控制；轉向油缸直線運動帶動車輪的旋轉，從而實現后橋車輪的跟隨運動。

2? 系統功能模型搭建

Simulation X是德國ITI公司自1993年開始推出的一種新型的工程高級建模和多學科仿真軟件［16］，在工程機械、液壓傳動、醫療器械、航空航天、汽車等工業領域得到了廣泛的應用，可以完成電路、液壓、熱力學、氣壓、電磁等復雜系統的建模，仿真分析與求解性能優異［17］。

運用Simulation X搭建的多軸車底盤系統功能模型，包括動力驅動系統、轉向系統、機電混合制動系統、高壓供配電系統，整個模型集成了機械、氣壓、電氣、通信等多物理場，可以真實地反映整個系統的功能特性，如圖2所示。車輛模型模擬了油門踏板、制動踏板、方向盤等駕駛員操作的輸入，并設置了道路、阻力等行駛環境特性，形成了人-車-路的閉環環境，以此來仿真故障注入后的車輛運動狀態。

本文所研究的多軸車輛，每個輪都可以驅動、轉向、制動，采用模塊化建模的方式，各輪模型相同，如圖3所示。由于本文主要關注的是功能安全而非性能，如轉向系統采用以角度控制為主建模方式，而不考慮具體的轉向結構細節。

3? 故障注入仿真分析

多軸特種車的電液轉向系統復雜、功能多，具有多種轉向模式切換、前橋轉向助力、后橋低速下轉角控制等功能。電液轉向系統在行駛過程中出現非預期的轉向模式切換、非預期轉向動作、轉向角未達到控制預期等故障情況，均會對車輛的安全行駛帶來影響。

不同功能的不同故障模式對應的汽車安全完整性等級ASIL不同。ASIL等級的確定需要綜合考慮嚴重度、暴露度和可控度3個因素。在Simulation X整車模型中注入轉向故障后得到整車的運動狀態和行駛軌跡，結合駕駛經驗給出相應的嚴重度、暴露度和可控度，最終得到ASIL等級。

本文針對多軸電液轉向系統，以前橋轉向助力和后橋低速下轉角控制功能出現相應的“中高速行駛時某一橋產生非預期轉向”和“低速轉向時轉向角未達到預期轉角”故障時為例，進行功能安全分析，并給出ASIL等級。

3.1? 中高速行駛時某一橋產生非預期轉向

故障場景為車輛以50 km/h滑行（無油門）過程中轉向系統故障（傳感器故障、軟件故障等），產生某一橋非預期轉向，如圖4所示。單橋非預期轉向可能發生在任何一個橋，下面分別以一、三、六橋為例進行故障注入仿真。

（1）一橋非預期左轉向20°

將故障注入多軸車輛底盤模型，通過仿真獲得整車響應，可以得到整車橫向運動失控結果。圖5所示為仿真結果，從結果中可見從發生故障到車身左前圍與車道線相交只需0.34 s，即相當于0.34 s后車輛駛出自身車道而有可能與側向車輛發生碰撞事故。車輛橫擺角速度最大7.3 （°）/s。0.34 s的故障容錯時間很短，車輛橫擺率很大，駕駛員很難控制事故發生。

圖6所示為車輛運行軌跡仿真圖，可以直觀地看出該故障造成的危害很嚴重，整車直接嚴重跑偏。

（2）三橋非預期左轉向20°

將三橋車輪非預期左轉向20°的故障注入到整車模型，仿真獲得故障后的整車響應情況。圖7所示為仿真結果，從中可以看出從發生故障到車身左前圍與車道線相交只需1.1 s，即相當于1.1 s后車輛駛出自身車道而有可能與側向車輛發生碰撞事故。1.1 s的故障容錯相對于一橋故障稍微長一點，但對于人類反應時間仍然很短，駕駛員很難控制事故發生。

（3）六橋非預期右轉向20°

將六橋車輪非預期左轉向20°的故障注入到整車模型進行仿真。圖8所示為轉向故障仿真結果，車身左前圍與車道線相撞只需0.61 s，故障容錯時間很短，車輛橫擺率很大，駕駛員很難控制事故發生。仿真結果匯總如表1所示。

從結果可以發現，前橋以及后橋的轉向系統的失效會使得車輛急劇轉向某一方向，在非常短的時間內與鄰近車道上的車輛相撞，是非常嚴重的失效，因此嚴重度為S3。中間橋雖然反應時間較慢，但1.1 s的相撞時間是非常短的。因此，轉向系統的非預期轉向故障使駕駛員無時間反應，無法規避惡劣后果的一種失效模式，確定可控性為C3。轉向工況是日常使用非常普遍的場景，因此暴露率為E4。最后得到該工況的ASIL等級為D，是最高的安全等級。

3.2? 低速轉向時轉向角未達到預期轉角

在車輛以30 km/h車速行駛時，駕駛員進行轉向操作，預期轉角為一、二橋轉向20°、17°，五、六橋轉向-10°、-12°。仿真時，前10 s用于模型穩定，第15 s開始故障注入，故障表現為一橋轉向角減小10°。圖9所示為仿真結果數據曲線，從車輛的偏航角以及車輛運行軌跡均可以看出，車輛轉向角急劇減小，迅速脫離出原行駛軌跡（沖出車道線）。

由仿真結果可見，當某一橋發生轉角非預期減小時，車輛會出現不預期的偏航，導致車輛駛出車道，但車速低，可以較快減速，因此嚴重度為S2。由于車速較低，且駕駛員可以通過操縱方向盤調整行駛軌跡，因此可控性為C1。最后，得到該工況的ASIL為A，是最低的安全等級。

4? 結論

本文根據ISO 26262《道路車輛功能安全》的相關規定，對多軸轉向系統進行功能安全分析。對于典型危險情況，根據故障注入仿真結果，評估嚴重性、暴露度和可控性，確定所需的汽車安全完整性等級。汽車安全完整性等級將影響電子電氣系統的開發過程，較低的ASIL在該過程中具有較少的要求，較高的ASIL將具有更嚴格的開發要求。根據仿真確定的ASIL，結合實際的轉向系統電控、液壓方案，指導提出具體的設計要求，落實于方案中，提高多軸轉向系統的可靠性和安全性。

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