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汽车电子控制系统安全设计的形式化验证

摘要：汽车电子控制系统已成为现代汽车的核心组成部分，因此，深入研究汽车电子控制系统安全设计和验证方法有助于提高车辆安全性能，增强车辆竞争力。本文阐述了汽车电子控制系统安全性的重要性，探讨了当前汽车电子控制系统安全设计和验证方法的局限性，以及汽车电子控制系统安全设计的形式化验证方法，形式化验证方法能够有效地在产品设计早期识别和消除潜在的问题和安全隐患，为汽车电子控制系统的安全设计和验证提供了新的思路。

关键词：汽车电子控制系统安全设计形式化验证方法

随着汽车电子化和智能化程度的不断提高，汽车电子控制系统在现代汽车中扮演着越来越重要的角色。传统的汽车电子控制系统安全设计和验证方法主要依赖于经验积累和大量的测试，难以全面覆盖所有可能的故障情况，无法有效应对日益复杂的安全威胁。在此背景下，形式化验证方法应运而生，它通过严格的数学模型和逻辑推理，从系统整体的安全属性和约束等宏观角度出发，可以系统地分析和验证系统的安全性，有助于在设计阶段就发现并消除潜在的设计缺陷和安全隐患。

1汽车电子控制系统安全性的重要性

汽车电子控制系统的安全性对于保障车辆操作的可靠性和乘员的安全至关重要。随着汽车技术的发展，尤其是在自动驾驶和智能化功能日益增多的当下，汽车电子控制系统扮演了核心角色，其安全性的重要性日益凸显。

汽车电子控制系统的安全性直接关系到车辆行驶的稳定性和可靠性，这些系统涉及从发动机管理、制动系统到先进的驾驶辅助系统如自动紧急制动（AEB）乃至自动驾驶系统等多个方面。如果汽车电子控制系统存在缺陷或故障，会导致无法预测的车辆危险行为，如意外加速、误制动或者在紧急情况下无法正确做出反应，从而极大地增加发生事故的风险。因此，汽车电子控制系统的安全性，需要通过严谨的安全设计和严格的系统验证来实现，以确保系统在各种行驶条件下均可以稳定、可靠、安全地工作。

2当前汽车电子控制系统安全设计与验证面临的挑战

尽管汽车制造商和研究机构不断努力提高电子控制系统的可靠性和安全性，但面对越来越复杂的应用场景和设计，当前的安全设计和验证方法仍存在一些局限性，这些局限性逐渐成为进一步提升系统的可靠性和稳定性，消除潜在的安全隐患的瓶颈。

2.1基于场景测试和里程测试的验证方法

基于场景测试和里程测试的验证方法都是通过给系统输入测试样本数据（基于场景的测试更多的是指定场景作为测试样本，而基于里程的测试则是随机样本），观测输出来确认测试结果，并以样本测试结果通过概率统计方式来评价系统整体设计状态，这类基于样本的测试是从一种微观视角出发来评价系统整体状态的验证方法，在覆盖系统所有可能发生的情况方面存在一定的局限性，尤其是一些极端情况。且测试的质量依赖测试工作人员对系统需求、功能定义、内部外部交互关系等细节的准确理解，这样才能有效分析关键测试点并设计具有重要代表性的测试用例，从而提升对系统整体设计状态评价的准确性。现代汽车依赖数以百计的电子控制单元（ECU）来管理从发动机运行到自动驾驶的各种功能，在智慧交通高速发展的大背景下，这些功能需要应对越来越多样化的复杂驾驶场景，同时车辆的外部交互需求（V2X）也不断提升，系统功能和设计的复杂度与日俱增。系统复杂度的不断提升给设计工作人员准确表达系统需求和设计，以及测试工作人员充分理解系统需求和设计，分析关键测试点并设计高质量测试用例来充分验证系统满足安全约束带来的困难。

而随着基于机器学习的人工智能技术在汽车电子系统，尤其是自动驾驶系统中越来越广泛的应用，技术的迭代模式转为由数据驱动，迭代速度已不可同日而语。

自动驾驶系统已经从以往集中在驾驶辅助SAELevel1，Level2功能的水平向更接近自动驾驶的SAELevel3，Level4功能进发，这个过程中自动驾驶系统将承担越来越多的安全职责，对系统安全性的要求越来越苛刻。

汽车电子控制系统验证的不足会造成潜在缺陷和安全风险在产品上市后才被发现，给用户安全带来威胁，系统功能和设计复杂度的提升、技术迭代速度的提升、系统安全性要求的提升这三大因素互相影响，给基于场景测试和里程测试的验证方法带来了诸如场景多样性以及极端场景的稀缺性影响验证覆盖度和可实现性、仿真场景和真实场景的差异性对仿真测试结果可信度的影响、高昂的测试成本（时间，人力，财力等多方面成本）等考验[1]。行业很多研究致力于提升基于场景测试和里程测试的验证覆盖度和效率[2]。单纯依赖场景测试和里程测试的验证方法在系统验证的充分性和完整性方面，尤其针对自动驾驶系统，仍然存在一定的局限性。行业也在不断探索组合各种不同的验证方法来提升复杂安全系统验证的充分性和完整性。

2.2设计过程中的可验证

随着系统复杂度、技术迭代速度、系统安全性要求的不断提升，对系统开发和验证的周期以