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汽车嵌入式软件FMEA 应用研究 2014 论文.pdf

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汽车 嵌入式 软件 FMEA 应用 研究 2014 论文
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2 0 1 4 C G  ̄ V E 0 3 5 汽 车 嵌 入 式 软 件 F M E A 应 用 研 究 王 继 昆 ? 刘 四 海 ? 于 洁 清 中 国 第 一 汽 车 股 份 有 限 公 司 技 术 中 心 ? 汽 车 电 子 部 【 摘 要 】 软 件 F M E A ( 失 效 模 式 和 影 响 分 析 ) 是 硬 件 或 系 统 F M E A 的 扩 展 ? 应 用 于 嵌 入 式 软 件 可 靠 性 、 安 全 性 分 析 ? 但 是 ? 目 前 缺 乏 应 用 经 验 ? 本 文 阐 述 软 件 F M E A 的 原 理 、 实 施 过 程 和 要 点 ? 提 出 了 适 用 于 汽 车 嵌 入 式 软 件 的 失 效 模 式 及 原 因 ? 对 失 效 模 式 的 影 响 进 行 了 严 酷 度 等 级 分 类 ? 给 出 了 对 该 软 件 实 施 S F M E A 的 过 程 和 结 果 ? 结 果 表 明 了 软 件 F M E A 的 有 效 性 和 实 用 性 ? 【 关 键 词 】 软 件 可 靠 性 ? F M E A ? 软 件 失 效 模 式 F M E A A p p l i c a t i on R e s e ar c h o f A u t om ot i ve E m b e d d e d S of t w ar e Wan g Ji k u n ? L i u S i h ai ? Y u Ji e q i n g C h i n a F A W C o ?? ? Lt d ?? R e s e ar c h and D e s i g n C e nt e rA b s t r a c t : S o f t w a r e F M E A ( f a i l u r e m o d e a n d e f f e c t s a n a l y s i s ) i s a n e x t e n s i o n o f h a r d w a r e F M E A o r s y s t e m F M E A ? u s e d i n e m  ̄ b e d d e d s o f t w a r e r e l i a b i l i t y a n d s e c u r i t y a n a l y s i s ? h o w e v e r ? t h e c u r r e n t l a c k o f e x p e r i e n c e ?? T h e i m p l e m e n t a t i o n p r i n c i p l e ? p r o c e s s a n d k e y p o i n t s o f t h e s o f t w a r e F M E A ? t h e f a i l u r e m o d e s a n d c a u s e s f o r a u t o m o t i v e e m b e d d e d s o f t w a r e ? t h e e f f e c t s o f t h e f a i l u r e m o d e w a s s e v e r i t y c l a s s i f i c a t i o n ? g i v e s t h e i m p l e m e n t a t i o n p r o c e s s a n d r e s u l t s o f t h e s o f t w a r e S F M E A ?? T h e r e s u l t s s h o w t h e e f f e c t i v e n e s s a n d p r a c  ̄ t i c a b i l i t y o f t h e s o f t w a r e F M E A ?? K e y w o r d s : s o f t w a r e r e l i a b i l i t y ? F M E A ? e f f e c t s o f t h e s o f t w a r e f a i l u r e m o d e 引 言 软 件 失 效 模 式 及 其 影 响 分 析 ( S o f t w a r e F a i l u r e M o d e a n d E f f e c t A n a l y s i s ? S F M E A ) 是 一 种 系 统 化 的 工 程 技 术 和 模 式 化 的 思 考 形 式 ? 它 以 失 效 模 式 为 基 础 ? 以 失 效 影 响 或 后 果 为 中 心 ? 根 据 分 析 层 次 和 因 果 关 系 推 理 、 归 纳 进 行 分 析 ? 以 识 别 软 件 的 薄 弱 环 节 ? 并 提 出 改 进 措 施 建 议 ? 目 前 ? 软 件 F M E A 常 用 于 开 发 阶 段 的 需 求 分 析 、 概 要 设 计 阶 段 和 详 细 设 计 阶 段 ? 以 及 产 品 定 型 后 的 可 靠 性 、 安 全 性 分 析 ? 随 着 用 户 对 于 汽 车 嵌 入 式 软 件 的 可 靠 性 、 安 全 性 要 求 日 益 提 升 ? 以 及 软 件 功 能 及 复 杂 程 度 的 增 加 ? 应 用 F M E A 方 法 进 行 软 件 产 品 可 靠 性 、 安 全 性 分 析 具 有 重 要 意 义 ? 本 文 将 以 分 析 软 件 F M E A 方 法 和 实 施 过 程 为 基 础 ? 对 汽 车 嵌 入 式 软 件 进 行 举 例 分 析 及 总 结 ? 1 软 件 F M E A 实 施 过 程 和 要 点 1?? 1 软 件 F M E A 和 软 件 开 发 过 程 关 系 软 件 F M E A 是 一 种 软 件 可 靠 性 、 安 全 性 设 计 与 分 析 技 术 ? 它 是 一 种 诱 导 式 的 分 析 方 法 ? 通 常 是 在 软 件 的 概 要 设 计 完 成 后 展 开 ? 并 在 其 后 的 各 开 发 阶 段 反 复 进 行 ? 图 1 以 汽 车 图 1 汽 车 嵌 入 式 软 件 F M E A 和 开 发 过 程 关 系 图 7 5 5 2 0 1 4 中 国 汽 车 工 程 学 会 年 会 论 文 集2 0 1 4 C G  ̄ V E 0 3 5 嵌 入 式 软 件 生 存 期 模 型 — — — V 流 程 模 型 为 例 ? 说 明 了 实 施 软 件 F M E A 和 开 发 过 程 之 间 的 关 系 ? 基 于 模 型 的 设 计 开 发 过 程 中 ? 通 过 M I L ( M o d e l i n t h e L o o p ? 模 型 在 环 ) 仿 真 、 S I L ( S o f t w a r e i n t h e L o o p ? 软 件 在 环 ) 仿 真 能 够 在 V 模 型 的 早 期 阶 段 对 软 件 组 件 和 系 统 设 计 进 行 对 应 的 测 试 验 证 ? M I L 和 S I L 仿 真 不 仅 能 够 验 证 模 型 的 设 计 正 确 性 ? 更 可 以 通 过 模 型 验 证 优 化 模 型 设 计 ? 同 时 从 系 统 和 软 件 F M E A 分 析 角 度 出 发 ? 对 模 型 进 行 评 估 与 优 选 是 在 设 计 过 程 的 早 期 阶 段 实 施 质 量 控 制 的 有 效 手 段 ? 1?? 2 软 件 F M E A 实 施 过 程 软 件 F M E A 的 过 程 与 硬 件 设 计 F M E A 的 过 程 类 似 ? 分 为 以 下 主 要 步 骤 : 软 件 系 统 结 构 和 约 定 层 次 定 义 、 建 立 功 能 网 络 、 建 立 失 效 网 络 、 分 析 软 件 的 失 效 模 式 及 原 因 、 分 析 软 件 失 效 模 式 的 影 响 严 酷 度 、 改 进 措 施 建 议 ( 图 2 ) ? 下 面 对 各 步 骤 的 主 要 工 作 进 行 说 明 ? 1?? 2?? 1 软 件 系 统 结 构 和 约 定 层 次 定 义 根 据 软 件 需 求 规 格 说 明 、 概 要 设 计 说 明 、 详 细 设 计 说 明 等 文 档 ? 定 义 被 分 析 的 软 件 系 统 ? 确 定 软 件 约 定 层 次 结 构 ? 定 义 软 件 F M E A 分 析 范 围 ? 软 件 约 定 层 级 分 为 初 始 约 定 层 次 、 约 定 层 次 、 最 低 约 定 层 次 ( 图 3 ) ? 图 2 软 件 F M E A 分 析 流 程 图 图 3 软 件 F M E A 分 析 实 施 过 程 示 意 图 1?? 2 ?? 2 建 立 功 能 网 络 软 件 功 能 网 络 由 子 系 统 、 组 件 或 函 数 块 等 部 件 组 成 ? 并 使 用 逻 辑 符 号 或 者 连 接 线 表 示 这 些 部 件 之 间 的 交 互 作 用 和 关 系 ? 功 能 网 通 过 逐 层 递 推 方 式 展 现 子 系 统 、 组 件 功 能 的 依 赖 性 和 相 互 影 响 力 ? 1?? 2?? 3 建 立 故 障 网 络 通 过 故 障 网 络 说 明 故 障 模 式 、 原 因 和 影 响 之 间 的 关 系 ? 功 能 网 络 中 最 低 层 级 功 能 对 应 故 障 描 述 为 失 效 模 式 ? 次 低 层 8 5 5 2 0 1 4 中 国 汽 车 工 程 学 会 年 会 论 文 集 2 0 1 4 C G  ̄ V E 0 3 5 级 功 能 对 应 故 障 描 述 为 失 效 原 因 ? 次 低 层 上 一 级 功 能 对 应 故 障 定 义 为 失 效 影 响 ? 1?? 2 ?? 4 分 析 软 件 的 失 效 模 式 及 原 因 软 件 由 若 干 功 能 模 块 所 组 成 ? 其 失 效 模 式 包 括 功 能 失 效 模 式 和 性 能 失 效 模 式 ? 本 文 研 究 探 讨 的 主 要 以 功 能 失 效 模 式 为 主 ? 软 件 失 效 原 因 是 由 于 软 件 缺 陷 在 运 行 时 被 触 发 而 产 生 的 ? 软 件 F M E A 是 找 出 其 关 键 通 用 调 用 路 径 下 的 关 键 软 件 缺 陷 ? 通 过 以 上 分 析 ? 对 变 速 器 控 制 软 件 的 失 效 模 式 和 原 因 进 行 分 类 ? 形 成 具 有 相 对 功 能 集 中 的 该 软 件 失 效 模 式 集 合 ? 如 图 4 和 图 5 所 示 ? 1?? 2 ?? 5 分 析 软 件 失 效 模 式 的 影 响 严 酷 度 根据每个 软 件 故 障 模 式 影 响 严 重 程 度 划 分 严 酷 度 等 级 ? 本文 结 合项目 实践 ? 将 该 软 件 失 效 的 严 酷 度 等 级 划 分 为 5 个 等 级 ? 即未能 符合安 全和 / 或法规要求 、 基本功能 的 损 失 或 降 级、 次 要功能 的损 失或降低 、 其 他功能不 良 以及没有 影响 ? 图 4 软 件 故 障 模 式 分 类 图 5 软 件 故 障 原 因 按 其 缺 陷 分 类 1?? 2?? 6 改 进 措 施 建 议 经 过 分 析 得 到 潜 在 失 效 模 式 和 影 响 ? 根 据 每 一 个 失 效 模 式 产 生 的 原 因 和 对 系 统 的 影 响 程 度 ? 提 出 相 应 改 进 措 施 ? 形 成 完 整 的 F M E A 表 ? 1?? 2?? 7 其 它 过 程 对 实 施 改 进 措 施 、 更 新 F M E A 状 态 、 核 准 F M E A 释 放 等 过 程 可 依 照 项 目 开 发 流 程 要 求 进 行 ? 本 文 不 进 行 过 多 分 析 ? 2 变 速 器 控 制 软 件 F M E A 应 用 实 例 分 析 变 速 器 是 汽 车 动 力 传 动 系 统 的 关 键 总 成 部 件 ? 是 影 响 车 辆 安 全 行 驶 的 核 心 环 节 之 一 ? 其 控 制 软 件 的 可 靠 性 显 得 尤 为 重 要 ? 该 软 件 使 用 M a t l a b 、 S i m u l i n k 软 件 工 具 编 写 模 型 ? 利 用 R T W 完 成 模 型 到 C 代 码 自 动 转 换 ? 采 用 自 顶 向 下 结 构 化 的 设 计 方 法 ? 分 为 系 统 调 度 、 换 档 规 律 、 协 调 管 理 、 发 动 机 控 制 、 离 合 器 控 制 、 变 速 器 控 制 、 输 入 / 输 出 处 理 、 离 线 测 试 、 C A N 通 信 解 析 、 故 障 管 理 、 自 学 习 和 底 层 驱 动 等 若 干 子 系 统 ( 图 6 ) ? 每 一 个 子 系 统 又 分 为 若 干 组 件 ? 图 6 变 速 器 软 件 架 构本 文 选 取 变 速 器 控 制 软 件 中 一 项 分 离 离 合 器 控 制 功 能 为 例 ? 分 析 S F M E A 的 应 用 实 施 过 程 ? 分 离 离 合 器 控 制 功 能 框 图 如 图 7 所 示 ? 应 用 前 面 分 析 方 法 确 定 分 离 离 合 器 控 制 功 能 网 络 ? 将 分 9 5 5 2 0 1 4 中 国 汽 车 工 程 学 会 年 会 论 文 集2 0 1 4 C G  ̄ V E 0 3 5 离 离 合 器 模 块 功 能 项 所 对 应 的 典 型 故 障 模 式 构 成 故 障 网 络 如 图 8 所 示 ? 分 析 软 件 失 效 模 式 和 原 因 ? 以 及 失 效 影 响 的 严 酷 度 分 类 ? 填 写 S F M E A 工 作 表 ? 如 图 9 所 示 ? 图 7 分 离 离 合 器 功 能 框 图 图 8 分 离 离 合 器 功 能 和 故 障 网 络 图 图 9 分 离 离 合 器 模 块 S F M E A 工 作 表本 次 对 分 离 离 合 器 模 块 的 6 项 功 能 进 行 F M E A 分 析 ? 针 对 9 项 失 效 模 式 确 定 原 因 和 影 响 ? 并 给 出 预 防 和 探 测 方 法 ? 3 软 件 F M E A 应 用 结 果 分 析 软 件 F M E A 分 析 故 障 原 因 可 归 纳 如 下 : 编 码 有 误 、 数 据 错 误 、 逻 辑 错 误 、 计 算 异 常 和 软 硬 件 接 口 可 靠 性 问 题 ? 综 合 权 衡 失 效 影 响 的 严 重 程 度 、 失 效 发 生 的 概 率 、 采 取 措 施 的 代 价 等 因 素 ? 已 采 取 相 应 的 软 件 可 靠 性 加 强 措 施 【 1 】 ? 并 在 项 目 开 发 中 得 以 实 施 ? 1 ?? 编 码 有 误 故 障 类 型 : 输 入 变 量 数 据 类 型 未 定 义 、 存 储 类 型 有 误 、 接 口 变 量 声 明 不 一 致 等 ? 改 进 措 施 : 编 写 ? 模 型 设 计 规 范 文 档 ? ? 二 次 开 发 变 量 类 型 检 查 组 件 ? “ 一 键 式 ” 自 动 检 测 变 量 类 型 ? 2 ?? 数 据 错 误 故 障 类 型 : 判 断 超 时 时 间 不 合 理 、 二 维 查 表 维 数 错 误 、 变 化 率 限 制 不 合 理 和 高 低 限 值 不 合 理 等 ? 改 进 措 施 : 采 用 实 验 设 计 ( D O E ) 方 法 进 行 评 估 ? 定 义 对 功 能 、 性 能 达 成 有 影 响 的 干 扰 因 子 、 控 制 因 子 和 因 子 水 平 ? 进 行 完 全 析 因 ( 部 分 析 因 ) 试 验 ? 从 中 获 取 合 理 的 标 定 数 据 ? 3 ?? 逻 辑 错 误 故 障 类 型 : 与 物 理 实 际 不 相 符 、 与 驾 驶 人 操 作 习 惯 实 际 不 相 符 、 与 执 行 器 动 作 次 序 不 相 符 以 及 未 得 到 验 证 的 控 制 算 法 等 ? 改 进 措 施 : 利 用 P 图 设 计 对 功 能 进 行 充 分 过 程 描 述 ? 明 确 定 义 输 入 量 、 输 出 量 、 控 制 因 子 、 干 扰 因 子 和 偏 差 允 许 范 围 等 要 素 ? 4 ?? 计 算 异 常 故 障 类 型 : 除 零 操 作 、 数 据 溢 出 和 运 算 符 号 错 误 ? 改 进 措 施 : 对 除 法 计 算 ? 进 行 除 零 判 断 和 异 常 处 理 ? 对 于 数 据 溢 出 ? 进 行 临 界 值 判 断 ? 对 于 运 算 符 号 错 误 ? 在 模 型 注 释 中 增 加 物 理 公 式 描 述 ? 进 行 编 码 比 对 ? 5 ?? 软 硬 件 接 口 有 误 故 障 类 型 : 未 防 范 已 知 的 硬 件 故 障 模 式 ? 改 进 措 施 : 软 件 周 期 性 对 驱 动 电 动 机 、 电 磁 阀 进 行 状 态 监 控 ? 设 计 故 障 安 全 处 理 机 制 ? 利 用 模 型 诊 断 方 式 ? 降 低 传 感 器 输 入 信 号 偏 差 对 某 些 功 能 或 者 性 能 指 标 达 成 的 影 响 ? 4 结 论 和 展 望 本 文 通 过 对 软 件 F M E A 实 施 过 程 和 要 点 的 研 究 ? 对 变 速 器 控 制 软 件 进 行 了 实 践 应 用 ? 给 出 了 适 合 该 软 件 的 失 效 模 式 分 类 及 原 因 ? 以 及 失 效 模 式 的 严 酷 度 等 级 划 分 ? 发 现 了 该 软 件 模 块 潜 在 的 多 个 可 靠 性 薄 弱 环 节 ? 并 提 出 了 相 应 的 预 防 纠 正 措 施 ? 有 利 于 提 高 该 软 件 的 可 靠 性 ? 0 6 5 2 0 1 4 中 国 汽 车 工 程 学 会 年 会 论 文 集 2 0 1 4 C G  ̄ V E 0 3 5 实 践 证 明 ? S F M E A 方 法 对 于 软 件 产 品 质 量 的 提 高 具 有 较 高 的 应 用 价 值 ? 同 时 也 应 看 到 ? 实 施 软 件 F M E A 过 程 是 一 个 动 态 管 理 过 程 ? 对 软 件 的 改 进 需 要 持 续 进 行 ? 才 能 确 保 软 件 可 靠 性 ? 参 考 文 献 [ 1 ] 廖 彬 山 ? 周 卫 华 ?? 软 件 项 目 管 理 [ M ] ?? 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 ? 2 0 1 0 : 2 1 6  ̄ 2 3 1 . 1 6 5 2 0 1 4 中 国 汽 车 工 程 学 会 年 会 论 文 集
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