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聊聊航空航天软件中常用的SIFT（Software-Implemented Fault Tolerance）三版本方案

news 来源：原创 2025/6/9 23:46:42

一、SIFT技术

在软件程序控制流程中，特别是在SIFT（Software-Implemented Fault Tolerance）系统中使用三版本编程（Three-Version Programming, 3VP）意味着为同一个任务创建三个独立的软件版本。每个版本由不同的开发团队使用不同的方法和假设来编写，以尽量减少不同版本之间的共同错误模式。这三个版本的程序并行执行相同的计算，并将结果提交给一个投票器（voter），投票器根据多数原则决定最终输出。这种设计是为了提高系统的容错能力，即使其中一个或两个版本出现故障或产生错误的结果，只要有一个版本是正确的，系统仍然可以正常运行。

SIFT系统中的具体应用

  1. 冗余任务执行：在SIFT系统中，为了实现超高的可靠性，任务会在三个处理器上重复执行。这意味着同一任务会被分解成三个独立的实例，每个实例都由一个不同的软件版本来处理。

  2. 结果投票：每次迭代后，每个处理器都会生成自己的结果。这些结果随后被送到一个3路多数投票器（3-way majority voter）进行仲裁。如果至少有两个处理器的结果一致，那么这个一致的结果就被选作最终输出。这样的机制可以有效地屏蔽单点故障的影响。

  3. 错误检测与隔离：当投票过程中发现不一致时，即没有达成多数共识时，系统会产生一个错误信号。这个信号用于检测、隔离和重新配置系统。例如，在航天飞机的例子中，如果四个计算机中有任何一个与其他三个不一致，它可能会被认为是有问题的，并从服务中移除。

  4. 系统恢复：对于像航天飞机这样的复杂五计算机系统，其中四台计算机组成一组，在正常操作期间提供冗余，而第五台作为备用。如果主组中的两台计算机发生故障，剩余的计算机仍能通过投票继续工作；但如果第三台也出现问题，导致无法形成多数意见，则备用计算机接管系统控制责任。

优点

  • 增强可靠性：通过多样化的实现方式减少了共模错误的可能性。
  • 快速故障检测：能够迅速识别出异常行为的组件。
  • 自动恢复能力：允许系统在不影响整体性能的情况下自动排除故障单元。

实际案例

例如，在航空控制系统中，SIFT架构确保即使某些组件或软件版本出现了未预见的问题，飞机仍然可以安全地完成其飞行任务。这种方法已经被证明是非常有效的，尤其是在需要极高可靠性的环境中，如航空航天领域。

二、汽车软件研发中为什么不用SIFT

在汽车软件研发中，直接采用完整的SIFT（Software Implemented Fault Tolerance）方案并不常见，主要是因为SIFT最初是为航空和航天等对安全性要求极高的领域设计的。这些领域的系统通常需要达到非常高的可靠性标准，例如无故障工作时间可以长达数年，并且必须能够在极端条件下持续运行。相比之下，虽然汽车行业也高度重视安全性和可靠性，但其面临的挑战和技术实现路径有所不同。

然而，汽车行业中确实存在借鉴SIFT理念和技术的情况，尤其是在高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶技术的发展过程中。随着车辆智能化程度的不断提高，车载软件复杂度增加，对于软件可靠性的需求也随之上升。因此，某些SIFT的核心概念如冗余管理和投票机制已经被应用于汽车软件开发中，以增强系统的容错能力和安全性。以下是几个具体的应用方式：

  1. 冗余架构：类似于SIFT中的多版本编程（NVP），一些关键的安全相关功能可能会有多个独立实现版本。每个版本由不同的团队使用不同方法开发，然后并行执行。这样做的目的是减少共同模式错误的可能性。

  2. 结果融合与仲裁：当多个传感器或控制单元提供相同类型的数据时（比如速度、位置等），可以通过投票或其他形式的结果融合来决定最终使用的值。这种方法有助于提高测量精度，并能在单个传感器失效时维持系统正常运作。

  3. 健康监控与自诊断：现代汽车配备了大量的自我诊断功能，能够实时监测各个子系统的状态。如果检测到异常情况，系统可以采取相应的措施，如切换到备用组件或者限制某些功能，直到问题得到解决。

  4. 故障隔离与恢复：通过硬件分区和软件设计，确保即使某一模块出现故障也不会影响其他部分的工作。同时，具备快速识别故障源的能力，并能自动尝试重启或重新配置受影响的部分。

  5. 混合关键性调度：为了保证最严格的安全要求得以满足，同时不影响非关键任务的执行效率，采用了混合关键性的任务调度策略。这使得高优先级的安全相关任务总能得到及时处理。

  6. 基于模型的开发与验证：利用形式化验证工具和技术，从设计阶段就确保软件逻辑正确无误，从而降低潜在的风险。

尽管如此，值得注意的是，由于成本效益考量以及物理空间限制等因素，汽车制造商不会完全复制SIFT那样复杂的架构。相反，他们会根据实际需求选择性地应用其中的关键技术和原则，以达到所需的可靠性水平而不至于过度增加系统复杂度或制造成本。此外，ISO 26262等国际标准也为汽车电子电气系统的功能安全提供了指导方针，促进了更广泛的安全机制的应用。

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