導(dǎo)語：

SASETECH，Safety and Security Technology，是國內(nèi)首個由汽車功能安全、信息安全專家發(fā)起組建的技術(shù)社區(qū)，致力于為汽車安全的從業(yè)者提供交流、學(xué)習(xí)、合作的中立性平臺。安全是汽車的基石，安全從業(yè)者是人們生命及財產(chǎn)的守護(hù)者。我們希望SASETECH 打破高大上的壁壘，讓更多工程師參與討論、共同成長;讓安全成為一個話題，是一個讓大家討論和思考的技術(shù)方向;讓安全成為一種文化，是一個讓企業(yè)和監(jiān)管機構(gòu)愈發(fā)重視的領(lǐng)域;建立安全的生態(tài)，讓企業(yè)/從業(yè)者都能夠有所收獲、有所思考。

SOTIF中的定量分析(一)

前言

在上一篇中，我們以誤制動為例做了SOTIF的定量分析，根據(jù)誤制動的風(fēng)險場景以及AEB算法，計算得到了對感知系統(tǒng)相對距離和相對速度的精度指標(biāo)要求的函數(shù)，并取了一組數(shù)據(jù)：距離精度要求29.2%，速度精度要求20%。

但是這個精度指標(biāo)是不完整的，因為感知一定會有誤差，誰都不能保證傳感器能百分之百達(dá)到這個要求。所以在定義精度時，會有一個與之相對應(yīng)的概率值，通常假設(shè)誤差滿足正態(tài)分布，概率值一般取 2 sigma或3 sigma。其含義是感知輸出誤差分布在精度指標(biāo)范圍內(nèi)的概率為95.4%(2 sigma)或99.7%(3 sigma)。

本篇文章將繼續(xù)以AEB誤制動為例，探討這個概率的取值方法。

總體思路

首先，AEB有一個指標(biāo)叫誤報率，即在單位時間內(nèi)誤制動發(fā)生的概率，單位是h^-1。在ISO21448附錄B中有關(guān)于AEB誤報率指標(biāo)計算的示例，其總體思想是要保證AEB系統(tǒng)誤制動導(dǎo)致追尾的概率要小于人開車發(fā)生追尾的概率，即機器至少要比人開的好，這不是這篇文章討論的重點，只要明白誤報率的指標(biāo)是可以知道的。

那么在多大的概率內(nèi)滿足精度指標(biāo)才能滿足整車AEB誤報率的要求呢?有兩個思路。

思路一是將誤報率指標(biāo)分解到各個參數(shù)(自上而下)。思路二是先給定一個概率(比如2 sigma),計算這個概率會導(dǎo)致的誤報率(自下而上)，看是否滿足誤報率目標(biāo)。這里我們用第二種思路。

如果一個參數(shù)可以保證2 sigma滿足精度指標(biāo)，就意味著每一幀信號都會有95.4%的概率在精度閾值內(nèi)，4.6%的概率超過閾值。我們可把超過閾值的信號認(rèn)為是“失效”，那么4.6%就理解為信號的失效率。但是直覺告訴我們，一幀信號的“失效”不一定會導(dǎo)致危害發(fā)生。我們需要知道信號怎樣的“失效”會導(dǎo)致整車層級的危害，才能探究信號的失效率和AEB誤報率的關(guān)系。

注：

筆者這里參考了ISO26262硬件部分的概念。失效率：指單位時間內(nèi)元器件失效的概率。PMHF(Probabilistic Metric for random Hardware Failure)：單位時間內(nèi)發(fā)生單點故障或多點故障中多點都發(fā)生故障的概率。一個元器件失效不一定會導(dǎo)致危害，只有發(fā)生單點故障，或者多點故障中的“多點”都發(fā)生故障，才會導(dǎo)致危害。PMHF就是用來度量導(dǎo)致危害的硬件失效概率密度的指標(biāo)。信號“失效率”與AEB誤報率的關(guān)系，就可以類比成硬件元器件的失效率和PMHF的關(guān)系。

問題一

問：哪幾種信號失效的組合會導(dǎo)致危害。

這涉及到在該場景下，誤制動發(fā)生與幾種信號相關(guān)。我們稱與誤制動風(fēng)險相關(guān)的信號為安全相關(guān)信號。若誤制動和一個以上參數(shù)相關(guān)，在一個信號周期內(nèi)，多個安全相關(guān)信號同時失效的概率(P)為這幾個信號的失效概率相乘。

(1)

n為安全相關(guān)信號的個數(shù);

為每個安全相關(guān)信號單幀的失效率。

問題二

問：上述失效信號的組合發(fā)幾幀會導(dǎo)致危害。

此時需要定義危害，ISO21448附錄B中對非預(yù)期制動的定義是非預(yù)期制動持續(xù)時間超過340ms。我認(rèn)為這里的340ms是和制動系統(tǒng)的性能相關(guān)的，制動系統(tǒng)建壓需要一定時間，而340ms就是制動建壓達(dá)到某個減速度閾值的時間，這個減速度閾值就是危害發(fā)生的邊界，或者S>0的邊界。340ms是個參考值，制動系統(tǒng)建壓速率越快，這個時間越小。

然后往前推導(dǎo)，制動系統(tǒng)建壓340ms，需要AEB連續(xù)發(fā)送制動請求信號340ms。那么感知系統(tǒng)連續(xù)發(fā)幾幀失效信號，才會導(dǎo)致AEB系統(tǒng)持續(xù)發(fā)340ms制動信號?

這里就需要知道AEB算法里的判斷邏輯，比如判定制動的debounce次數(shù)，判定停止制動的debounce次數(shù)，接收感知信號的周期，算法運行周期等。結(jié)果為感知系統(tǒng)連續(xù)發(fā)N幀失效信號，會導(dǎo)致AEB發(fā)送超過340ms的制動請求信號，進(jìn)而導(dǎo)致危害發(fā)生。

問題三

通過前兩個問題，已經(jīng)知道發(fā)生危害的條件是所有安全相關(guān)信號同時發(fā)生“失效”連續(xù)若干幀。那么第三個問題是：

車輛運行多長時間才會發(fā)生一次“連續(xù)N個信號周期發(fā)生n個安全相關(guān)信號都失效”的事件?

這個問題可以簡化成一道概率題：已知某事件X發(fā)生的概率為P，那么使事件X連續(xù)發(fā)生N次所需嘗試次數(shù)是多少?通過解答問題一和問題二，P和N都是已知的。

假設(shè)E(n)為事件X連續(xù)發(fā)生N次所需嘗試次數(shù)的期望，那么E(N)和E(N-1)有如下關(guān)系：

E(N)=E(N-1)+1+P*0+(1-P)*E(N);

經(jīng)過轉(zhuǎn)換可得到公式：

(2)

將P和N代入，即可求解嘗試次數(shù)的期望。次數(shù)乘以信號周期就可以簡單轉(zhuǎn)換成時間、時間取倒數(shù)就是誤報率。

可得誤報率公式：

(3)

R為誤報率，單位h^-1;t為信號周期，單位ms。

注：公式(2)解釋和推導(dǎo)：連續(xù)發(fā)生N次的前提是先連續(xù)發(fā)生N-1次，然后再發(fā)生一次。但是發(fā)生N-1次之后的這次嘗試有兩種可能，一是事件X發(fā)生了，則不需再次嘗試(對應(yīng)公式中P*0)，二是事件X未發(fā)生，則需要從頭開始再嘗試E(N)次(對應(yīng)公式中(1-P)*E(N))。

可整理得到：E(N)=(E(N-1)+1)/P;

已知E(1)=1/P;E(2)=(1+P)/P^2;

E(N)=(1+P+P^2+…+P^N-1)/P^N

分子為等比數(shù)列求和，可化簡得：

E(N)=(1-P^N)/(P^N-P^N+1)

計算結(jié)果

以車輛在直道中的發(fā)生誤制動這個場景為例。已知風(fēng)險場景與相對距離和相對速度兩個參數(shù)相關(guān)，相對距離和相對速度精度指標(biāo)的概率都取2 sigma。那么，P=4.6%*4.6%=0.21%。

假設(shè)導(dǎo)致危害需要的連續(xù)幀數(shù)N=5，信號發(fā)送周期t=10ms。

得：E=2.45*10^13;R=(1.47*10^-8)h^-1。

即每發(fā)送2.45*10^13幀信號，會出現(xiàn)一次連續(xù)5幀距離速度兩個信號都失效的事件。轉(zhuǎn)換成時間就是6.82*10^7小時發(fā)生一次;誤報率1.47*10^-8。拿這個值與誤報率指標(biāo)比較大小，若不能滿足則提高精度要求(精度值或概率值)。

下面給出幾組計算結(jié)果供參考。

表1：一個安全相關(guān)信號(2 sigma)

表2：兩個安全相關(guān)信號(2 sigma)

由上表可見，與危害相關(guān)的信號越多，誤報率越低。導(dǎo)致危害所需的信號連續(xù)失效次數(shù)越多，誤報率越低。而且都是呈指數(shù)降低。這也對AEB的算法優(yōu)化提供了參考。

總結(jié)

本文以誤制動為例，探討了精度指標(biāo)中概率分布的取值計算方法。首先確定了總體思路是分析信號的失效率如何滿足整車級誤報率指標(biāo);然后將問題抽象成一個概率問題并推出誤報率的計算公式;最后列出了幾組計算結(jié)果。不足之處請指正。

作者簡介

田野

曾任功能安全工程師，參與高低速智駕系統(tǒng)功能安全開發(fā)，底盤零件功能安全開發(fā)，以及預(yù)期功能安全預(yù)研項目，熟悉功能安全和預(yù)期功能安全分析方法，現(xiàn)從事嵌入式軟件開發(fā)工作。

原文標(biāo)題：SOTIF的定量分析(二)

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審核編輯：湯梓紅