安全关键系统的软件开发流程

引言

安全关键型系统的软件开发流程是工程领域中最严格、监管最严格的领域之一。与传统应用不同，这些系统与人员安全、关键任务操作和法规遵从性直接相关。无论是在航空航天、汽车、医疗设备、国防还是铁路运输领域，安全关键型系统中的一个小软件缺陷都可能导致灾难性的故障、人员伤亡以及严重的财务和法律后果。

为了降低这些风险，组织必须遵循针对安全关键型环境量身定制的结构化软件开发生命周期 (SDLC)。这涉及需求定义、系统设计、实施、验证和确认 (V&V)、可追溯性和维护，所有这些都符合 DO-178C、ISO 26262 和 IEC 61508 等国际安全标准。

在本文中，我们将探讨：

• 安全关键系统软件开发的步骤，
• 管理它们的标准和合规框架，
• 开发故障安全软件的挑战和最佳实践，以及
• Visure requirements ALM、IBM DOORS 和 Polarion 等工具和解决方案可实现端到端需求可追溯性、风险管理和合规性。

最后，您将清楚地了解如何构建可靠、合规且可认证的安全关键软件系统，同时降低风险并提高效率。

安全关键系统的软件开发生命周期 (SDLC) 是什么？

安全关键型系统的软件开发生命周期 (SDLC) 是一个结构化的、循序渐进的过程，旨在确保软件功能可靠、可预测，并符合国际安全标准。与消费类或企业级应用不同，安全关键型系统专为航空航天、汽车、医疗设备、铁路和国防等行业打造，这些行业的故障可能危及人员生命或关键运营。

在此背景下，SDLC 强调：

• 整个生命周期的需求定义和可追溯性，
• 系统设计和基于模型的开发，
• 每个阶段的验证和确认（V＆V），
• 风险管理和危害分析，以及
• 符合 DO-178C、ISO 26262 和 IEC 61508 等安全标准。

它与传统 SDLC 模型有何不同

传统的 SDLC 模型（例如瀑布模型、敏捷模型或螺旋模型）通常优先考虑速度、灵活性和成本效率。相比之下，安全关键型软件生命周期则将以下因素放在首位：

• 确定性和可预测性优于灵活性，
• 严格的文档和审计跟踪，而不是轻量级的报告，
• 在每个阶段都进行验证和确认，而不仅仅是在最后阶段，
• 从需求到测试的端到端可追溯性，
• 监管合规是核心驱动力，而不是事后才想到的。

例如：

• 在敏捷软件开发中，迭代速度是关键，但在安全关键型系统中，迭代方法仍然必须满足合规性驱动的文档和可追溯性要求。
• 在广泛用于安全关键项目的 V 模型开发中，每个开发阶段（需求、设计、编码）都有相应的测试阶段（验证、确认、认证）。

软件安全生命周期和合规驱动流程的作用

软件安全生命周期确保开发的每个阶段都有助于降低风险并证明合规性。关键要素包括：

• 安全保证案例开发以证明软件可靠性，
• 将危害分析和风险评估融入设计中，
• 链接需求、风险和测试的可追溯性矩阵，
• 自动生成合规报告，用于审计和认证，
• 变更管理和版本控制以在更新期间维护系统安全。

通过遵循合规性驱动的 SDLC，组织可以：

• 获得 DO-178C、ISO 26262 或 IEC 61508 认证，
• 降低系统故障和召回的可能性，
• 构建故障安全且可靠的软件系统，以及
• 确保关键任务操作的长期安全性、可靠性和可持续性。

安全关键软件开发的关键标准和法规

开发安全关键型系统需要严格遵守国际功能安全标准。这些标准定义了软件安全生命周期、文档要求以及证明合规性所需的验证流程。目前最广泛认可的三个框架是：

1. DO-178C（航空航天）

• 管理机载软件系统的开发。
• 根据对飞行安全的潜在影响定义软件级别（A–E），其中 A 级代表灾难性后果。
• 需要严格的需求可追溯性、验证和确认（V&V）以及认证审核。

2. ISO 26262（汽车）

• 针对汽车电子系统的功能安全量身定制。
• 引入汽车安全完整性等级 (ASIL A–D) 来对风险严重程度进行分类。
• 涵盖需求工程、危害分析、软件测试和系统验证。
• 确保符合 ADAS（高级驾驶辅助系统）、电动汽车和自动驾驶汽车等技术。

3. IEC 61508（通用功能安全）

• 跨行业功能安全的全球总体标准。
• 作为 ISO 26262（汽车）和 IEC 62304（医疗设备）等行业特定标准的基础。
• 定义降低风险的安全完整性等级 (SIL) 框架。
• 适用于工业自动化、铁路、国防和能源系统。

软件认证对安全标准的重要性

根据这些标准获得软件认证证明该系统：

• 在所有操作条件下可靠且正常运行，
• 可追溯从需求到测试的端到端文档，
• 接受监管机构的审计，并且
• 符合国际安全和质量基准。

认证不仅可以降低责任和风险，还可以为在受监管行业提供安全关键解决方案的组织提供竞争优势。

合规挑战和解决方案

尽管合规性很重要，但它也面临挑战：

• 与传统 SDLC 相比，文档开销较高，
• 跨需求、设计、代码和测试的复杂可追溯性要求，
• 频繁的审计和认证延迟，
• 敏捷方法与合规性框架的集成。

解决方案包括：

• 使用需求管理和可追溯性工具（如 Visure requirements ALM、IBM DOORS 和 Polarion）来自动化合规性报告，
• 应用基于模型的开发 (MBD) 来简化设计验证，
• 利用人工智能驱动的合规性检查，尽早发现差距，
• 实施需求可重用性策略来降低认证成本。

安全关键系统软件开发流程的步骤

安全关键型系统的软件开发生命周期 (SDLC) 遵循结构化、合规性驱动的流程，以确保安全性、可靠性和认证准备就绪。以下是关键阶段：

需求定义与引出

安全关键软件开发的基础在于捕获准确、可测试和可追溯的需求。

• 需求管理在安全关键系统中所起的作用 – 需求管理确保所有业务、功能和安全需求都得到记录和分析，并符合 DO-178C、ISO 26262 和 IEC 61508 等安全标准。
• 捕捉业务、功能和安全需求
  • 业务需求 定义利益相关者和监管需求。
  • 功能要求 描述系统行为。
  • 安全要求 确保符合 ASIL（汽车）、SIL（通用）或软件级别（航空航天）。
• 端到端可追溯性的重要性 – 全面的需求可追溯性将每个需求与其对应的设计元素、代码和测试用例关联起来。这提高了审计准备度，降低了合规性风险，并改进了安全验证。VisureRequirements ALM、IBM DOORS 和 Jama Connect 等工具可为安全关键系统提供自动化的可追溯性矩阵。

系统和软件设计

设计安全关键系统需要严格的工程实践。

• 基于模型的安全关键型软件开发 – 基于模型的开发 (MBD) 使工程师能够在生命周期的早期对设计进行仿真和验证。MATLAB Simulink 等工具广泛应用于航空航天、汽车和医疗器械行业。
• 安全保证案例和危害分析设计
  • 安全保障案例 提供软件满足安全要求的结构化论据。
  • 危害分析和风险评估 识别潜在的故障模式和缓解策略。

实现和编码

实施重点是故障安全开发和遵守严格的编码标准。

• 故障安全软件系统的最佳实践 – 故障安全设计确保在发生故障时，系统默认进入安全状态，不会造成伤害。

• 安全和合规编码标准（MISRA 等）
  • MISRA C/C++：广泛应用于汽车和嵌入式系统。
  • 紧急响应小组：确保安全的编码实践。
  • DO-178C 编码指南 用于航空航天系统。

验证和确认 (V&V)

验证和确认对于证明合规性和安全性至关重要。

• 安全关键系统的软件测试流程 – 测试涉及单元、集成、系统和验收级别，覆盖要求由 DO-178C 和 ISO 26262 等标准定义。
• 基于风险的测试和自动化 – 基于风险的测试优先考虑高严重程度的危害，而自动化则确保更快的合规性验证并减少人为错误。
• 安全关键系统中验证和确认的重要性 – 每个开发阶段都必须根据要求进行验证，确保端到端的可追溯性和认证准备就绪。

部署和维护

部署后，持续的安全监控至关重要。

• 安全监控和版本控制 – 版本控制可确保跨系统更新的可追溯性，并在出现安全问题时实现回滚。
• 更新期间的软件风险评估 – 每次更新都必须经过影响分析和风险评估，以确保不会引入新的危害。

开发安全关键系统的挑战

开发安全关键型软件系统比传统软件工程复杂得多。严格的法规、合规性要求以及故障的潜在后果带来了独特的挑战，组织必须谨慎应对。

安全关键系统开发中的常见错误

一些最常见的陷阱包括：

• 不完整或模糊的需求导致设计和测试过程中的误解。
• 缺乏端到端的可追溯性使得认证审核变得困难。
• 忽视危险分析并且没有在生命周期早期解决故障模式。
• 验证和确认（V&V）覆盖不足，留下隐患。
• 开发团队之间不一致的编码标准增加了错误率。

在合规驱动的环境中平衡敏捷与 V 模型

• 敏捷开发因其灵活性和更快的迭代而广受欢迎，但它通常缺乏安全标准所要求的文档和可追溯性。
• V 模型与 DO-178C、ISO 26262 和 IEC 61508 更加一致，因为每个开发阶段都有相应的测试阶段。
• 许多组织采用混合 Agile-V-Model 方法，其中敏捷实践用于增量开发，同时维护合规性驱动的文档和安全案例。

不合规和延误的成本

安全关键型软件开发中的不合规行为可能会造成严重后果：

• 监管处罚和认证拒绝，导致昂贵的重新设计。
• 由于缺少文件或审计失败而导致项目延迟。
• 汽车、航空航天和医疗器械等行业的召回和责任风险。
• 声誉受损并失去客户信任。

投资需求管理工具、自动化可追溯性解决方案以及早期的 V&V 验证，可显著降低合规性的长期成本。Visure requirements ALM、IBM DOORS 和 Polarion 等解决方案可帮助团队避免延误、简化审计并确保认证准备就绪。

安全关键型软件开发的最佳实践

构建安全关键型软件系统不仅需要遵守国际标准，还需要采用成熟的工程实践。这些实践能够最大限度地降低风险、降低成本、简化认证流程，同时确保端到端的合规性和可靠性。

基于风险的软件工程方法

基于风险的方法会根据潜在危害的严重程度确定工程和测试活动的优先级。关键实践包括：

• 在生命周期早期进行危害分析和风险评估。
• 使用 ASIL (ISO 26262)、SIL (IEC 61508) 或 DAL (DO-178C) 级别对风险进行分类。
• 为最安全关键的功能分配额外的资源。

受益： 确保资源集中在最关键的领域，同时降低发生灾难性故障的可能性。

生命周期中的早期验证和确认

验证和确认 (V&V) 应在需求定义后立即开始，而不是在编码之后。最佳实践包括：

• 使用 MATLAB Simulink 等工具进行早期模拟和建模。
• 在整个开发过程中持续进行基于需求的测试。
• 自动化测试框架可提高效率和覆盖率。

受益： 尽早发现错误，减少昂贵的重新设计并最大限度地减少认证延迟。

端到端需求可追溯性

需求可追溯性确保每个需求（从高级安全目标到低级代码和测试用例）都可以在整个生命周期内进行跟踪。

• 符合 DO-178C、ISO 26262 和 IEC 61508 标准。
• 通过提供可追溯性矩阵简化审计。
• 通过显示更新的影响来支持变更管理。

Visure requirements ALM、IBM DOORS 和 Polarion 等工具提供了自动可追溯性功能，可减少人工工作量。

受益： 提高合规准备度并降低错过要求的风险。

需求可重用性以减少工作量

重复使用经过验证的需求和组件可以加速开发，同时保持合规性。

• 需求可重用性策略允许团队跨项目利用经过验证的模块。
• 减少认证审计的文档开销。
• 提高安全保证案例的一致性。

受益： 缩短开发时间、降低成本并确保多个安全关键项目的质量一致。

安全关键型软件开发的工具和解决方案

开发安全关键型系统不仅需要技术专业知识，还需要专门的需求管理工具、可追溯性平台和基于模型的开发解决方案，以确保符合 DO-178C、ISO 26262 和 IEC 61508 等国际安全标准。合适的工具可以提供端到端的生命周期覆盖、自动可追溯性和合规性文档，从而降低错误风险并简化认证流程。

需求管理工具和可追溯性平台的重要性

在安全关键型软件开发中，需求管理软件通过以下方式发挥核心作用：

• 捕获和管理业务、功能和安全需求。
• 提供跨需求、设计、代码和测试的端到端可追溯性。
• 通过可供审计的文档支持合规性驱动的流程。
• 通过影响分析和变更管理降低风险。

如果没有强大的工具，组织将面临合规性挑战、开发成本增加以及认证延迟。

顶级解决方案概述

1. Visure 要求 ALM（人工智能驱动、合规性就绪）

Visure requirements ALM 专为安全关键行业（航空航天、汽车、医疗设备、国防、铁路）而设计。

• 人工智能驱动的辅助（Visure Vivia）用于自动化需求质量检查和创作。
• 完整需求生命周期覆盖，具有端到端可追溯性。
• 预先构建的 DO-178C、ISO 26262、IEC 62304 和 ARP4754A 合规模板。
• 风险管理、测试管理和版本控制集成到一个平台。
• 可重用性功能可加速跨项目的认证。

最适合： 寻求具有人工智能自动化和合规性准备的一体化安全关键需求工程解决方案的组织。

2. IBM 门

IBM DOORS 是一个历史悠久的需求管理系统，广泛应用于航空航天和国防领域。

• 强大的需求定义和可追溯性能力。
• 与测试和建模工具集成。
• 大型企业在受监管的环境中采用并长期传承。

限制： 与较新的平台相比，用户界面过时、学习曲线陡峭且现代人工智能驱动功能有限。

3. Polarion（西门子Polarion ALM）

Polarion 提供具有强大可追溯性和协作功能的端到端 ALM 解决方案。

• 基于网络的实时协作平台。
• 一个生态系统中的需求、测试和变更管理。
• 支持安全关键项目的敏捷和 V-Model 工作流程。

局限性： 需要定制以符合安全标准；配置可能需要大量资源。

4. MATLAB 模拟链接

MATLAB Simulink 广泛用于基于模型的安全关键系统的开发 (MBD)。

• 实现安全关键功能的模拟和建模。
• 提供代码生成和验证功能。
• 与需求工具集成，进行基于需求的测试。

最适合： 工程团队应用基于模型的设计、危害分析和控制系统验证。

选择合适的工具

在选择安全关键型软件开发解决方案时，请考虑：

• 符合 DO-178C、ISO 26262 和 IEC 61508 等标准。
• 能够提供需求可追溯性、风险管理和自动报告。
• 可扩展性和人工智能驱动的功能，可长期采用。
• 与建模和测试工具集成以支持整个安全生命周期。

安全关键软件工程的未来趋势

新兴技术、更严格的合规性要求以及可持续发展的推动力正在重塑安全关键型软件开发的未来。随着航空航天、汽车、医疗设备、国防和轨道交通等行业的发展，安全关键型系统的软件开发流程必须随之调整，以确保更高的可靠性、效率和合规性。以下是推动这一转变的关键趋势。

人工智能和自动化在合规性和测试中的作用

人工智能和自动化正在彻底改变安全关键系统的开发、验证和认证方式。

• 人工智能驱动的需求管理工具（如 Visure Vivia）支持自动质量检查、用于需求创作的自然语言处理 (NLP) 和合规性监控。
• 测试自动化减少了人工工作量、加速了验证并确保了安全关键应用程序之间的一致性。
• 自动可追溯性和文档生成简化了认证审核和合规性报告。

风险管理的预测分析

预测分析通过在潜在风险发生之前识别它们，在减少软件和系统故障方面发挥着关键作用。

• 通过历史数据和实时监控能够提前发现危险。
• 根据关键性和失败可能性对测试用例进行优先排序，支持基于风险的测试。
• 增强软件安全生命周期的部署和维护阶段的安全监控。

可持续工程与绿色合规

可持续性正在成为安全关键行业的首要任务。

• 公司必须遵守绿色法规，同时保持安全标准。
• 节能的软件开发实践和环保的硬件集成正在兴起。
• 可持续工程与安全合规相结合，以满足环境和安全目标。

与数字孪生和智能生态系统的集成

数字孪生和智能生态系统的兴起正在改变安全关键型软件开发流程。

• 数字孪生可以对复杂系统（例如自动驾驶汽车、飞机航空电子设备）进行实时模拟和测试。
• 在设计和部署期间实现持续验证和确认 (V&V)。
• 支持与物联网、工业 4.0 和智能基础设施的集成，确保互联环境中的可靠性。

安全关键型软件工程的未来将依赖于人工智能驱动的自动化、预测分析、可持续实践和数字孪生集成。采用这些趋势的组织不仅可以确保合规性和认证准备，还能在安全性和可靠性至关重要的行业中保持竞争力。

结语

安全关键型系统的软件开发流程远不止编码，它是一个以合规性为导向、以风险为中心、以安全为保障的生命周期。从需求定义和获取到系统设计、实施、验证与确认 (V&V) 以及部署，每一步都必须确保端到端的可追溯性、认证准备就绪，并符合 DO-178C、ISO 26262 和 IEC 61508 等国际安全标准。

虽然组织面临着平衡敏捷与 V 模型、不合规的高成本以及复杂的认证流程等挑战，但遵循基于风险的工程、早期验证、需求可重用性和强大的可追溯性等最佳实践可确保安全性和效率。

人工智能驱动的自动化、风险管理的预测分析、可持续工程和数字孪生集成等新兴趋势正在塑造安全关键型软件开发的未来，使公司能够实现更高的安全性、更低的成本和更快的合规认证。

对于寻求端到端需求生命周期覆盖和遵守安全关键行业标准的组织来说，采用正确的需求管理工具和解决方案至关重要。

探索更多 Visure Requirements ALM 14 天免费试用，一个由人工智能驱动、合规的平台，受到全球领先的航空航天、汽车、医疗设备和国防组织的信赖。