汽车转向系统功能安全与策略分析

汽车转向系统功能安全与策略分析

吴松

中汽院（重庆）汽车检测有限公司  重庆市 402360

摘要：随着汽车转向系统的电子化，线控转向系统（SBW）是未来智能汽车发展的一大热点，是智能驾驶系统中非常重要的组成部分。转向系统的功能安全也成为汽车开发设计和验证中非常重要的一环。通过对汽车转向系统的功能安全与策略分析、风险评估和安全性分析，制定相应的功能安全策略，对转向系统架构设计和故障诊断机制进行优化，并在实际驾驶场景中验证系统在各类情况下的应对能力，可以减少转向系统在发生功能异常时，导致车辆发生非预期的自主转向，导致车辆打滑、碰撞等危害事件的几率，能够更好地确保行车安全和驾驶者的生命财产安全。

关键词：汽车转向系统；功能安全； ESC系统；FMEA方法；ASIL评估；

一、引言

随着汽车技术的不断发展和智能化水平的提升，车辆转向系统正朝着更加智能化、自动化的方向发展[1]。转向系统作为自动驾驶技术中至关重要的一环，必须能够实现与其他系统的无缝协同操作，确保车辆在不同驾驶模式下能够安全、稳定地行驶。然而，随之而来的是转向系统面临的一系列安全问题和挑战。一旦出现转向系统故障，可能会导致车辆失控，给驾驶员和乘客的生命和财产安全带来威胁。因此，如何有效预防和应对转向系统可能出现的故障和风险以及加强系统的数据安全性和防护能力，成为了汽车制造商和技术提供商需要重点关注和解决的问题。

只有不断加强对汽车转向系统功能安全的研究，才能提升汽车行驶的安全性和稳定性，有效降低交通事故的发生率，为汽车行业的可持续发展和消费者的安全出行提供保障。因此，对汽车转向系统功能安全的研究具有重要的价值和必要性，值得深入探讨和研究。

二、汽车转向系统功能安全

1、功能安全概述

功能安全是指在系统正常操作时，能够保证系统不会导致危险事件发生的能力。在汽车转向系统中，功能安全的重要性不言而喻。汽车转向系统的功能安全通过设计、实施和维护系统，保证汽车在任何情况下都能够安全地控制方向，避免因失控而导致的事故发生。

功能安全的实现需遵循一系列国际标准和规范，如ISO 26262、ECE R79、FMVSS 135、GB/T 34590等标准。这些标准对线控转向SBW（双冗余SFA+双冗余FWA）的功能安全进行了详细的规定和要求，包括分析安全目标、确定安全要求、进行危险分析和风险评估等步骤。在汽车转向系统中，需要对转向装置的控制、传感器反馈、软件算法等方面进行严格的功能安全设计和验证：包括使用高质量的传感器和执行器，确保其稳定性和可靠性；其次是强化软件设计，完善安全功能开发流程，进行严格的软件验证和测试，确保系统不会因为软件故障导致事故发生；还需要制定完善的安全管理计划和安全验证计划，对系统进行全面的认证和验证，确保系统符合功能安全标准要求。

2、汽车转向系统功能安全要求

汽车转向系统功能安全是保证驾驶员、乘客和行人安全的重要组成部分。根据国际标准ISO 26262等标准要求，汽车转向系统需要满足以下功能安全要求：

1）分析安全性：对系统各组件进行全面的危险分析和风险评估，确定潜在危险和风险等级；2）系统可靠性：转向系统需具有高度可靠性，为关键功能设计冗余备份，确保各组件正确地执行指令并在发生故障时安全停车；3）安全措施：使用双重传感器、增加容错功能、实现故障诊断和故障恢复功能等，以确保在系统出现故障时能够及时诊断并处理。4）软件安全：对系统软件进行安全性分析，包括软件验证、软件单元测试、软件集成测试等[2]，确保软件缺陷或漏洞不会导致严重的安全风险。5）硬件安全：对系统硬件进行安全分析，确保硬件故障不会导致严重的安全风险。6）环境适应性：确保系统在不同环境下都能可靠运行。7）必要的安全控制系统：包括车辆稳定控制系统、转向防抱死系统、转向角度传感器等，以确保车辆在紧急情况下仍能保持稳定停车。

总的来说，汽车转向系统功能安全要求较严格，需要系统性地考虑设计、开发、测试、验证和评估过程中的所有安全问题，以确保车辆在道路上的安全行驶。

3、功能安全策略分析

针对汽车转向系统的功能安全，制定有效的策略非常关键。在安全功能设计方面，需要考虑系统的可靠性和稳定性。充分了解转向系统的工作原理，利用最新的技术手段，确保系统能够在各种情况下正常工作并及时识别和应对潜在的故障；在系统验证方面，采用多种方法进行验证，包括仿真测试、实地测试以及实验室测试等方式，全面评估系统的性能和安全性，确保系统在设计阶段就能够达到所需的功能安全水平；在控制算法方面，通过模拟各种情况下的实际驾驶情况，对系统进行测试和优化，确保系统在各种情况下都能够正确响应驾驶员的指令，并保证车辆的稳定性和安全性；同时还需要考虑外部环境因素对转向系统的影响，例如在恶劣天气或不良路况下，转向系统仍需保持高效运行。

汽车转向系统的功能安全策略应该是一个综合考虑各种因素的过程，需要在系统设计、验证和应对外部因素方面做出相应的准备和规划，并通过相应的策略来应对突发情况。只有这样，才能确保汽车转向系统在实际使用中达到高度的安全性和可靠性，为驾驶员和乘客的安全保驾护航。

三、汽车转向系统安全性评估

1、故障模式和效果分析（FMEA）

FMEA是一种常用的系统安全性评估方法，对汽车转向系统进行功能安全评估非常重要。通过FMEA方法，可以系统性、科学性地识别和评估潜在的故障模式，以及这些故障模式可能导致的效果，从而及早采取措施来减少故障发生的可能性，提高汽车转向系统的安全性。FMEA方法主要包括确定危险源、分析故障模式和效果、评估风险等步骤。需要确定可能影响汽车转向系统安全性的危险源，包括各种外部和内部因素，如疲劳驾驶、恶劣天气、零部件磨损等。然后，针对每种危险源，需要分析可能导致的故障模式及其效果，包括转向失灵、转向过度灵敏等。根据故障的可能性、严重性来评估风险，并确定采取哪些措施来降低风险。

以某汽车制造商为例，他们在设计汽车转向系统时采用了FMEA方法进行安全性评估。在分析过程中，发现了一个潜在的故障模式：方向盘传感器出现失灵。这一故障可能导致车辆无法识别方向盘的转动，进而影响转向系统的正常工作，造成车辆失控的风险。根据该风险的严重性，决定在设计中增加双重备份系统，以确保即使方向盘传感器失灵，车辆仍能正常转向。通过FMEA的应用，该汽车制造商成功地提高了汽车转向系统的安全性，并确保了车辆在各种情况下的正常运行。

2、安全完整性水平（ASIL）评估

ASIL评估方法是评估功能安全性的关键工具。ASIL评估是根据ISO 26262标准，针对车辆不同的功能安全要求，对潜在的危险和风险进行评估，以确定适当的安全完整性水平。ASIL评估通常分为A、B、C、D四个级别。其中，ASIL D级别对应的安全性要求最高，ASIL A级别要求最低。在实际应用中，ASIL等级是通过对影响因子：严重度、暴露概率和可控性的预估确定的，影响因子的确定基于相关项目的功能行为，因此可以不用完全了解系统相关项设计的细节。

ASIL评估流程通常包括以下步骤：对转向系统进行功能安全分析，识别潜在的危险和危险事件；然后，根据危险的严重性和概率评估风险等级，确定适当的ASIL级别；接着，开展安全性需求分析，明确系统需要满足的功能安全性要求，制定相应的安全措施和验证方法，确保转向系统在不同情况下都能保持安全性。因此，汽车制造商和供应商应该重视ASIL评估，通过对系统的潜在风险进行评估和管理，可以有效降低转向系统出现故障的可能性，避免潜在的安全隐患，确保车辆在行驶过程中的安全性。

四、汽车转向系统功能安全策略

1、电子稳定控制系统（ESC）设计

ESC系统在汽车转向系统功能安全中扮演着至关重要的角色。其设计原则主要包括预防、监测和干预三个方面。在预防方面，ESC系统通过检测车辆的转向角度、车速等参数，及时预判车辆失控的可能性，从而提前采取措施避免事故的发生；在监测方面，通过传感器实时监测车辆的行驶状态，一旦检测到异常情况，及时报警并采取措施，保证车辆稳定性；干预方面，则是系统根据监测到的异常情况，通过控制车辆的刹车系统、悬挂系统等进行干预，保障车辆的行驶安全；同时还需要考虑到不同路况、不同车速下的干预策略，例如在湿滑的道路上行驶时，系统需要更加敏感地检测车辆的状态，以便及时采取干预措施，避免车辆失控。而在高速行驶时，系统也需要能够根据车速的变化做出相应的干预，保证车辆的行驶稳定性

ESC系统的关键技术主要包括传感器技术、执行器技术和控制算法技术。传感器技术通过安装在车辆各个部位的传感器，实时采集车辆行驶过程中的参数信息，例如车速、方向盘转向角度等，为系统提供准确的数据支持。执行器技术则是通过控制车辆的刹车系统、转向系统等执行器，对车辆进行实时控制，确保车辆行驶轨迹的稳定性。控制算法技术则是ESC系统的核心，是通过实时对传感器采集的数据进行处理和分析，根据预先设定的策略和算法，快速做出干预措施，保证车辆的稳定性和安全性。

2、安全控制逻辑设计

在汽车转向系统的功能安全策略中，安全措施设计至关重要。为了确保驾驶员和车辆的安全，必须制定一系列的预防和应对措施。在安全措施设计中，首先需要对转向系统中可能存在的潜在风险进行认真的分析和评估，包括识别转向系统硬件和软件的漏洞，以及可能导致事故的外部环境因素。结合转向系统的实际运行和可能出现的故障情况，设计出一套完整的制定故障诊断和容错处理策略。应优先考虑采取被动安全措施，如双路线圈供电系统、双电机供电系统等，以确保在转向系统发生故障时能够及时切换至备用系统；同时，也需要考虑主动安全措施，如采用智能化转向系统，能够在车辆出现异常情况时主动干预，避免事故的发生；还需要考虑到与其他车辆控制系统的联动，使转向系统与其他系统的运行更加协调和稳定；最后还需要根据车辆整体安全性和可靠性设计一套完整的安全控制流程，包括安全控制系统的层次结构设计、故障诊断和容错处理的逻辑设计等方面。通过合理而有效的安全控制逻辑设计，可以最大程度地保障汽车转向系统的功能安全，确保车辆在行驶过程中的安全性和可靠性。

五、结语

总而言之，随着自动驾驶技术和智能化水平的不断提高，转向系统与其他系统的无缝协同将更加紧密，因此会面临更多的功能安全问题和挑战。为了保证汽车转向系统的安全性能，制造商、技术提供商、政府监管机构和行业组织需要共同努力，采取有效的措施和策略，预防和应对转向系统可能出现的故障和风险。汽车转向系统的功能安全研究不仅对汽车行业和消费者具有重要意义，也对整个汽车行业的发展有着推动作用。通过研究汽车转向系统的功能安全，可以提高车辆的行驶稳定性和安全性，减少交通事故的发生率，为未来自动驾驶、智能网联汽车等领域的发展奠定坚实的基础。本文对汽车转向系统功能安全的概念、要求、风险评估以及控制策略进行了介绍，为广大汽车从业人员提供参考。

参考文献：

[1]石振新.智能车辆横向主动转向避撞控制系统研究[D].导师：王衍学;冯剑波;李臻.北京建筑大学,2023.

[2]谢立刚,陈勇.线控转向汽车路感控制策略[J].重庆理工大学学报(自然科学),2022,36(04):68-74.

[3]徐华磊.汽车主动转向系统设计及控制特性研究[J].汽车测试报告,2023,(11):13-15.

[4]荣芩.基于ISO标准的道路车辆线控转向系统的功能安全概念设计[J]. 汽车安全与节能学报，2018:3-9.