汽车电子软件开发中质量分级保障体系的研究

引言：近年来，汽车电子电气架构正经历着从分布式向域集中式、中央集中式的演进，软件规模和复杂度呈几何级增长。在智能网联、自动驾驶等新功能快速渗透下，软件质量问题日益凸显，已连续数年成为汽车召回的主因。由于汽车嵌入式软件直接控制着车身和动力系统，一旦失效，极易引发严重的安全事故。因此，急需建立一套科学、系统的质量保障体系，从软件开发的源头入手，分层分级管控质量风险，确保汽车电子软件的安全性、可靠性和鲁棒性，为智能汽车的健康发展保驾护航。

一、需求阶段的质量分级管控

在需求阶段，首要任务是全面识别和深入分析与安全性、法规遵从性相关的需求，将其划分为最高优先级需求，并从源头纳入严格的质量管控流程。具体来说，应采用国际功能安全标准《道路车辆功能安全》ISO 26262 对所有安全相关需求进行系统分级，明确其对应的ASIL等级。对于被定为ASIL C或D级的高安全完整性等级需求，要组织多领域专家进行联合评审，从多角度审视需求的正确性、清晰性、一致性、可追踪性和可验证性，并形成书面的评审报告。针对源自法律法规的强制性需求，如环保、电磁兼容性等，要逐条梳理并建立台账，将其视同最高ASIL等级需求纳入到需求管理数据库进行统一管理和周期性评估。同时，要高度重视源自客户的关键需求，从功能、性能、成本、进度等维度将其分门别类，纳入重点跟踪对象，并建立面向客户的定期报告机制。在需求管理过程中，还应运用需求管理工具如DOORS等，建立上下层需求间的双向追溯关系，确保需求分解和覆盖的完整性，为后续的设计、编码、测试提供可靠的输入。通过需求阶段的质量分级管控，可以从源头防范需求错误、遗漏、冲突等问题，奠定软件开发的质量基础。

二、设计阶段的质量分级管控

进入架构设计和详细设计阶段，应确保软件架构和模块设计能充分满足安全性、可靠性、性能、可测试性、可维护性等关键质量属性的要求。在系统架构设计阶段，要对高ASIL等级的安全需求进行系统分解和分配，明确每个子系统和组件的安全功能和安全责任，并在架构设计说明文档中予以规定。要充分评估架构设计备选方案对功能安全的影响，选择最优方案并论证其合理性。在软件架构和模块设计时，要针对ASIL C/D的安全关键功能，通过引入安全机制、冗余设计、故障诊断与容错等方法，最大限度防止或减轻由软件失效导致的危害。接口设计是软件设计中的薄弱环节，极易引入集成错误和安全隐患。因此，要高度重视接口的设计质量，对内外部接口进行统一规范定义，从语法、语义、时序、异常处理等方面充分考虑接口的鲁棒性，防止由于数据类型不匹配、边界条件缺失、异常输入未处理等问题导致系统失稳或崩溃。同时，要尽早引入Klocwork、Polyspace等静态代码扫描工具，从可达性、指针安全等方面自动检查软件设计缺陷和不符合MISRA C等编码规范的问题，在流程中嵌入质量关卡，防患于未然[1]。

三、编码阶段的质量分级管控

进入代码编写阶段，质量控制的核心目标是确保软件代码的安全性、可靠性和健壮性，防止代码缺陷引入安全隐患。对于ASIL A/B等级的软件模块，应严格遵循MISRA C等汽车行业编码标准，规范代码风格，提高代码可读性和可维护性，并通过QAC、PC-Lint等工具自动检查常见的代码缺陷，如除零、数组越界、未初始化变量等；而对于ASIL C/D等级的高安全完整性代码，如故障处理、冗余切换等，除了常规的编码规范检查外，还应采用形式化方法进行严格的静态验证，通过定理证明、模型检查等技术，数学化证明代码的功能正确性和一致性。在动态测试方面，也应设计足够的测试用例，从语句覆盖、判定覆盖、条件组合覆盖等维度提高测试充分性，并引入 gcov、Tessy等代码覆盖率分析工具客观评测。考虑到 80% 以上的安全事故源自软件缺陷，要高度重视代码质量控制，引入Valgrind、Purify等内存检测工具自动扫描代码中的内存泄露、野指针、数组下标越界等动态内存安全问题，并持续跟踪修复。

四、测试阶段的质量分级管控

测试验证要重点关注安全功能的测试覆盖和有效性验证，并评估残余的安全风险。对于ASIL C/D等级的高安全完整性功能，如障碍物检测、碰撞预警等，应该从使用场景、环境条件、异常工况等方面设计足够的测试场景，对其正常流、异常流进行全面覆盖，并评估每个场景的残余风险，形成测试报告和安全分析报告。在系统集成测试阶段，应引入故障注入机制，模拟传感器失效、内存崩溃、通信中断等各类软硬件故障，并观察系统在故障模式下的应对措施是否符合安全设计要求，如故障诊断、失效保护、应急控制等。对于暴露出的薄弱环节，应及时完善应对机制并重新验证。在整车道路验证阶段，要设计极端恶劣的工况，如高温、严寒、湿热、颠簸等，考察嵌入式软件长时间运行在极限条件下的鲁棒性和可靠性。要从行驶工况数据库中提取关键指标数据，如里程、速度、环境温度等，建立回归测试基线，形成软件质量运行评估报告。针对测试过程中发现但需求交付后才能修复的遗留软件缺陷，要从严评估其对功能安全、可用性的影响，划分风险等级，制定防范预案。对于高风险问题，要及时上报管理层，必要时应启动回避机制，通过工程措施进行规避[2]。

五、发布阶段的质量分级管控

在软件发布之前，要对当前版本的成熟度和质量风险进行全面的评估和综合平衡。针对高风险、高曝光的软件版本，如OTA升级包、事故数据记录仪（EDR）等，应邀请外部权威专家或机构进行独立评审，客观评估其发布风险和质量状况，形成第三方评估意见，为版本发布提供重要决策参考。要将已成功发布的软件版本作为基线，采用版本差异分析等技术，系统评估新版本的功能、性能、接口等方面的变更影响，重点关注变更可能引入的质量缺陷、兼容性问题和安全隐患，对于影响较大的变更，要制定专项的回归测试方案，逐项验证变更有效性和质量稳定性。版本发布前，要全面回顾软件生命周期各阶段的需求分析、安全分析、设计文档、源代码、测试报告等所有工作产出，系统确认安全分析和验证证据链的完整性、一致性和充分性，形成发布评审报告。由于汽车软件直接关系到行车和乘员安全，因此，应针对每一个发布版本，制定详细的追溯和召回预案，明确软件发布后的质量问题应急响应机制，确保一旦出现问题，能够快速定位、诊断，并第一时间采取封闭、下线、强制升级等应对措施，将损失降到最低[3]。

结束语

质量是汽车电子软件的生命线，决定着智能汽车能否行稳致远。软件研发企业只有树立“质量第一”的理念，将先进的质量管理思想、方法与工具充分融入到软件开发过程中，构建全生命周期、全流程的质量保障防线，才能防患于未然，持续提升软件质量，赢得市场口碑。未来，还需要产学研用各界持续创新，研究符合汽车行业特点的敏捷化、智能化软件工程方法，构筑世界一流的汽车软件质量保障能力，为人类汽车社会发展贡献力量。

参考文献：

[1]权伍明.汽车电子电气架构设计及优化措施[J].汽车测试报告,2023,(10):14-16.

[2]王超群,韩昶,郗宏伟.新能源汽车维修中电子诊断技术应用[J].汽车测试报告,2023,(09):58-60.

[3]吕倩倩.电子诊断技术在新能源汽车维修检测中的应用体现[J].电子元器件与信息技术,2023,7(04):204-207.