汽车电子系统功能安全设计中的失效模式分析

邓湘蓉

金龙机电（杭州）有限公司 浙江省杭州市 310018

摘要：

汽车电子系统功能安全设计中，失效模式分析是保障系统可靠性与安全性的步骤，不同电子组件及系统功能的潜在失效模式分析，可识别安全隐患，落实预防与应对措施，失效模式分析涵盖硬件故障、软件失效、通信中断等因素。应对安全需求，需结合汽车电子系统特性，开展安全评估与优化设计，本研究探讨失效模式分析提升汽车电子系统功能安全性，保障驾驶员与乘客生命安全。

关键词：汽车电子；功能安全；失效模式分析；系统设计；安全评估

引言

汽车电子系统复杂性与智能化程度持续提升，功能安全性要求同步提高，自动驾驶与智能网联技术进步，电子系统在汽车中作用更为关键，故障发生将对车辆安全产生重大影响，失效模式分析作为功能安全设计核心方法，识别潜在故障、优化设计方案、提升系统可靠性意义关键，失效模式分析可预测评估故障带来的安全风险，落实预防与修正措施，过程涵盖硬件层面故障，包含软件、控制策略及通信等方面失效。

窗体底端

• 汽车电子系统功能安全面临的主要挑战

现代汽车中，电子系统功能安全性是车辆运行安全的保障，汽车技术发展推动电子系统复杂度与功能多样性提升，给功能安全设计带来挑战，系统包含传统动力控制、驾驶辅助功能，亦涉及自动驾驶、车联网等智能化模块，集成度极高，复杂系统架构、繁多传感器与执行器、控制算法，让故障模式识别与分析难度增加^[1]。不同模块相互作用与依赖密切，故障发生易快速影响全系统功能安全，引发严重后果，车辆功能智能化与自动化推进，系统失效模式预测和分析需求更迫切，传统失效模式分析方法遭遇较大挑战。

失效模式分析（FMEA）作为汽车电子系统功能安全设计手段，应用中已见成效，面对复杂系统却存在局限，复杂电子控制单元（ECU）工作中可能出现多层面失效，涵盖硬件损坏、软件故障、信息传递错误等，自动驾驶系统内，多个电子模块与传感器协调及信息流通不可或缺，任一环节失效都可能导致全系统瘫痪。车辆自动化与联网功能使系统故障表现形式更丰富，传统静态分析方法难以全面覆盖，失效模式分析需兼顾硬件层面故障，同时考量软件失效、传感器失灵、系统间通信故障等潜在风险。

汽车电子系统失效模式分析需在功能安全框架下系统化处理，功能安全要求涵盖故障发现、预防，以及设计阶段的容错机制与冗余策略，系统设计中，故障容忍度设定直接关联故障发生后系统能否持续安全运行，多重冗余与关键功能保护设计中，确定合理安全要求、针对不同失效模式制定有效响应策略，是设计者重点关注内容。自动驾驶与智能化技术进一步发展，系统设计需具备更高灵活性与鲁棒性，应对不断变化的故障类型与工作环境，有效整合硬件、软件及信息流分析，建立全面安全设计框架，是解决这些挑战的关键。

二、失效模式分析方法与技术路径

失效模式分析（FMEA）作为系统化风险评估工具，已广泛用于汽车电子系统功能安全设计，FMEA 方法辨识分析各组件或功能潜在失效模式，助力设计人员掌握系统各环节故障及影响，汽车电子系统复杂度提升，FMEA 需持续调整优化，适配日趋复杂的系统架构^[2]。分析准确性与全面性提升，需兼顾传统硬件故障，覆盖软件层面失效、控制策略问题、传感器数据失真等因素，多层次失效模式分析可更全面辨识汽车电子系统潜在隐患，为功能安全提供更有力保障。

失效模式分析方法已逐步向高效、智能方向演进，传统 FMEA 依赖专家经验与人工分析，可较全面辨识故障模式，但面对庞大复杂系统时，效率偏低且易遗漏潜在风险，人工智能与大数据技术发展，现代失效模式分析渐借计算机辅助分析及自动化工具补充，技术推动分析过程更精准高效，短时间内即可完成大量数据处理并生成可操作结论。基于模型的失效模式分析方法（如故障树分析相关技术）逐步应用于汽车电子系统，通过构建数学模型模拟系统运行中各类可能故障情景，提前预判不同失效模式下系统表现，为安全设计提供理论支撑。

除基于模型的失效模式分析外，现代汽车电子系统愈发依赖多学科协同设计，集成硬件、软件、网络安全、控制算法等多领域专业知识，失效模式分析视角更全面，跨学科分析使设计团队可在系统早期阶段，详细评估各组件协同工作状态。失效模式辨识突破单个模块或设备层面，纳入系统耦合关系、数据传输链路、通信协议等因素，深入剖析不同工况下系统各环节可能存在的失效机制，系统化、综合性失效模式分析可更好适配复杂汽车电子系统需求，进一步提升系统可靠性与安全性。

三、优化设计方案对失效模式的有效应对

优化设计是应对汽车电子系统失效模式的关键，失效模式分析基础上，优化系统各环节设计可显著提升容错能力，保障故障发生时基本功能稳定，汽车电子系统优化设计涵盖硬件冗余设计、软件容错机制，以及控制算法与通信链路的冗余配置，冗余设计可有效提升系统安全性^[3]。关键模块与功能点增设备份系统或替代路径，可保障某环节故障时，系统快速切换至备用方案，规避整体失效，自动驾驶系统传感器、执行器等关键组件常采用冗余设计，部分传感器失效时，系统仍可依托其余传感器完成功能。

硬件冗余之外，软件与控制策略优化同样关键，汽车电子系统中，软件承担硬件控制、协调及各模块精准调度工作，软件故障易引发系统功能完全瘫痪，甚至导致车辆关键操控失常，设计需兼顾软件健壮性与运行灵活性，关键操作算法设计中嵌入实时状态监测与故障诊断算法可提升可靠性。系统运行出现参数偏离等异常时，能及时识别处置，最大程度降低失效干扰，软件设计需契合实时性需求，保障多种故障模式下快速响应，规避关键操作延误。

通信链路层面，有效应对失效模式需优化信息传输路径，现代汽车电子系统多由多个电子控制单元（ECU）构成，ECU 间数据传输若发生通信故障，会影响系统整体功能，设计中，通信链路冗余配置与数据传输完整性验证不可或缺，采用双向通信、加密技术与信息验证机制，可减少通信中干扰、丢包、信号衰减等引发的系统故障。优化不同通信协议可提升系统对外部环境变化的适应能力，增强稳定性与安全性，多重冗余与优化设计支撑下，系统可在不同失效模式下智能切换，保障功能持续与安全。

四、提高功能安全性的方法与实践效果

提升汽车电子系统功能安全性，严格安全标准与完善风险管理策略不可或缺，不同失效模式下，设计团队需落实系统化措施，确保异常工况下系统维持足够安全性与可靠性，ISO 26262 作为全球公认汽车功能安全标准，为电子系统设计提供指导，实际应用中遵循该标准，结合失效模式分析与功能安全要求，可显著提升系统故障应急处理能力^[4]。标准强调的安全生命周期管理，涵盖产品开发、测试、验证及维护阶段安全要求，这一全面安全保障体系，确保各阶段有效应对潜在安全风险，降低实际使用中重大故障发生率。

功能安全性提升亦依赖多层次冗余设计与容错机制，现代汽车电子系统中，单一组件故障易引发连锁风险不可忽视，冗余设计由此成为提升系统安全性的核心支撑，自动驾驶核心控制系统、环境感知传感器等关键模块增配精准匹配的冗余模块并构建联动响应机制，即便部分硬件出现信号中断或性能衰减等失效情况，系统仍可维持核心安全功能稳定运行。冗余设计涵盖计算路径与处理单元冗余，通过预设备用计算单元，主单元失效时备用单元可毫秒级接管，规避硬件故障引发的系统完全失效，冗余系统合理配置使系统能持续响应外部环境变化，及时调整工作状态实现最优安全保障。

功能安全性提升还依赖持续优化的软硬件交互方式，汽车电子系统智能化发展，对软件控制依赖加深，软件稳定性直接关联系统整体安全，设计需采用高可靠性编程方法与安全算法，安全功能内嵌与算法容错设计是提升系统鲁棒性的核心手段，采用自诊断机制与实时监控技术，系统可在故障初期自动检测处置异常，阻止故障蔓延。软件优化与硬件冗余设计结合，构建更稳健系统架构，既能应对单点故障，亦可防范多点故障发生，软件更新与维护保障系统全生命周期内适配不同环境场景需求，进一步提升功能安全性。

结语：

提升汽车电子系统功能安全性是保障车辆可靠性与驾驶安全的核心，失效模式分析、冗余设计、容错机制等核心手段构建起系统安全防护体系，保障故障发生时快速响应并维持基本功能稳定，对标ISO 26262等国际安全标准，汽车电子系统设计更侧重全生命周期的多层次安全防护，覆盖硬件冗余配置、软件容错设计及信息传输安全验证等核心环节，汽车智能化与自动化技术持续演进，功能安全性提升的技术路径将更趋多样化与精细化，为车辆全场景安全保障能力升级筑牢基础。

参考文献：

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[2]柳弼二,曹以龙,陈宏铭. 一种适用于汽车电子的高CMTI数字隔离器[J].电子设计工程,2025,33(21):1-5.

[3]赵耕云,王佳. 新工科背景下汽车电子控制技术课程思政建设研究[J].汽车实用技术,2025,50(20):139-143.

[4]周冬芹,王瑞雪. 双高背景下汽车电子技术一体化实践课程教学的改革探索[J].汽车维修技师,2025,(20):67-68.

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