IMMO匹配系統(tǒng)故障診斷研究

高長(zhǎng)斌 孫自圓 張亞飛

【摘 要】IMMO（發(fā)動(dòng)機(jī)防盜鎖止）系統(tǒng)是目前在汽車上廣泛應(yīng)用的防盜系統(tǒng)。在整車項(xiàng)目前期階段，由于物料質(zhì)量與部門(mén)協(xié)調(diào)影響，線上IMMO匹配系統(tǒng)故障頻發(fā)。文章根據(jù)IMMO系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，提出了一種適應(yīng)于該系統(tǒng)的自診斷方法。該自診斷功能涉及故障樹(shù)分析、診斷專家系統(tǒng)，在故障發(fā)生時(shí)，可快速定位故障原因，輔助車輛返修，同時(shí)也可減少線上人員的誤操作次數(shù)。

【關(guān)鍵詞】IMMO匹配；故障樹(shù)分析法；診斷專家系統(tǒng)

【中圖分類號(hào)】TP277 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）07-0061-04

0 前言

隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的飛速發(fā)展及汽車性能的快速提高，人們對(duì)汽車防盜系統(tǒng)的安全性日益關(guān)注。目前廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車防盜的IMMO系統(tǒng)，采用RFID射頻識(shí)別原理，鎖止機(jī)構(gòu)完全隱蔽，可同時(shí)控制啟動(dòng)、油路或電路，從而大大增加了破解難度。不僅提高了系統(tǒng)安全性，也使得IMMO系統(tǒng)在線上匹配過(guò)程中環(huán)節(jié)增加，故障模式更為隱蔽。目前的IMMO匹配系統(tǒng)，一般只考慮正常匹配情況，在匹配異常時(shí)軟件提示信息非常有限，尋找故障原因還需要借助專業(yè)人員結(jié)合現(xiàn)象推理[1-3]。而在實(shí)際下線匹配過(guò)程中，尤其在項(xiàng)目不平穩(wěn)階段，往往會(huì)由于某一物料異?；蚓€束插頭松動(dòng)導(dǎo)致匹配中斷，故障排查過(guò)程會(huì)消耗較長(zhǎng)的時(shí)間。

本文所設(shè)計(jì)的IMMO匹配系統(tǒng)自診斷功能，針對(duì)某公司車型下線匹配的故障情況，利用故障樹(shù)分析方法，結(jié)合診斷專家系統(tǒng)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了IMMO系統(tǒng)故障快速定位，使生產(chǎn)和維修的效率顯著提高。

1 IMMO匹配系統(tǒng)工作原理

IMMO系統(tǒng)是目前在汽車上廣泛應(yīng)用的防盜系統(tǒng)，這種汽車電子防盜系統(tǒng)由點(diǎn)火鎖上的讀寫(xiě)線圈（Coil）、點(diǎn)火鑰匙（內(nèi)嵌轉(zhuǎn)發(fā)器，Transponder）、防盜控制器（Immobilizer，IMMO）、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECM）、儀表板上的防盜指示燈和連接線束等組成。

如圖1所示，點(diǎn)火鑰匙內(nèi)的芯片配置了一個(gè)特定的識(shí)別碼（KeyID），也存儲(chǔ)了發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的相關(guān)信息，當(dāng)插入鑰匙點(diǎn)火后，防盜控制器會(huì)向鑰匙內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送一串隨機(jī)數(shù)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)器的運(yùn)算處理后將信息反饋給防盜控制器，收到反饋后防盜控制器會(huì)將得到的反饋信息與自身運(yùn)算結(jié)果相比較，若相同則驗(yàn)證通過(guò)，否則發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元將禁止供油、點(diǎn)火。

由上述工作原理可以看出，IMMO系統(tǒng)工作過(guò)程涉及多個(gè)電子模塊之間的信息加密傳輸，這明顯提高了汽車防盜能力，但同時(shí)也讓防盜系統(tǒng)的復(fù)雜度增加，這就對(duì)防盜匹配系統(tǒng)提出了更高的要求。

IMMO匹配過(guò)程中，主要將IMMO與ECM進(jìn)行綁定和鑰匙匹配2個(gè)步驟。首先，系統(tǒng)通過(guò)診斷儀與IMMO模塊建立通信，寫(xiě)入PIN碼（安全碼）、生成SK（密鑰碼）并將PIN碼和SK碼寫(xiě)入ECM完成綁定步驟；然后，由鑰匙發(fā)出KeyID被IMMO接收鎖定，再由IMMO向遙控鑰匙發(fā)送SK完成匹配。這一系列指令將三者綁定，詳細(xì)流程如圖2所示。若匹配系統(tǒng)沒(méi)有收到或收到錯(cuò)誤的模塊響應(yīng)會(huì)立即退出匹配過(guò)程，即匹配失敗。該系統(tǒng)所針對(duì)的車輛的IMMO模塊集成在BCM（車身控制模塊）中，因此匹配過(guò)程也涉及BCM的安全訪問(wèn)過(guò)程。

防盜匹配系統(tǒng)的操作復(fù)雜性，使得操作人員在使用過(guò)程中會(huì)有出現(xiàn)故障情況，在項(xiàng)目前期尤其頻繁，一般當(dāng)故障情況發(fā)生時(shí)，操作人員只有得到軟件工程師的支持才能找到故障原因并解決問(wèn)題，如果能向操作人員及時(shí)地提供解決方案，對(duì)于提高生產(chǎn)效率、防止錯(cuò)誤操作損壞設(shè)備具有重要意義。

2 IMMO匹配系統(tǒng)故障診斷方法

2.1 故障樹(shù)分析

故障樹(shù)分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA），又名因果樹(shù)分析法，它是一種特殊的樹(shù)狀邏輯關(guān)系圖，以圖形的方式表明，用規(guī)定的事件、邏輯門(mén)和其他符號(hào)描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系[4]。

根據(jù)IMMO匹配原理，為了便于線上人員定位故障原因，將匹配錯(cuò)誤分為模塊通信出錯(cuò)、模塊響應(yīng)錯(cuò)誤、模塊狀態(tài)異常、鑰匙狀態(tài)異常4種情況。所建立的故障樹(shù)如圖3所示。

由IMMO匹配系統(tǒng)的特點(diǎn)可知，基本事件與上一級(jí)事件都是“或”的關(guān)系，即任一基本事件都會(huì)造成頂事件發(fā)生。

2.2 診斷專家系統(tǒng)建立

專家系統(tǒng)通過(guò)存儲(chǔ)人類專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，在解決特定領(lǐng)域問(wèn)題時(shí)，根據(jù)問(wèn)題內(nèi)容在系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行推理，得出領(lǐng)域問(wèn)題的解。本文專家系統(tǒng)主要包括知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、交互界面幾個(gè)主要模塊。

2.2.1 基于產(chǎn)生式規(guī)則的知識(shí)表示

IMMO匹配系統(tǒng)是基于CAN總線診斷協(xié)議所開(kāi)發(fā)的診斷系統(tǒng)，其故障情況就系統(tǒng)內(nèi)部而言，有協(xié)議中規(guī)定的確定性的故障模式，也有由設(shè)備故障所導(dǎo)致的不確定性的故障模式，其系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)要同時(shí)考慮這2種規(guī)則的表達(dá)。

產(chǎn)生式規(guī)則滿足了確定性規(guī)則的特點(diǎn)，其基本形式如下：

IF[條件]THEN[結(jié)論]

對(duì)于具有不確定性的規(guī)則，需要進(jìn)行規(guī)則的不確定性處理，根據(jù)前述故障樹(shù)模型，知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則一般具有多個(gè)條件，采用規(guī)則因果關(guān)系不確定性處理，為規(guī)則賦予不確定因子。

通過(guò)設(shè)置當(dāng)前現(xiàn)象下結(jié)論發(fā)生概率，來(lái)表達(dá)規(guī)則條件與結(jié)論之間的關(guān)系強(qiáng)度，本文基于主觀Bayes方法來(lái)進(jìn)行推理。

2.2.2 基于主觀Bayes方法的知識(shí)表示

主觀Bayes方法是R. O. Duda、P. E. Hart等人于1976年在Bayes公式的基礎(chǔ)上經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)提出的方法，它是最早用于處理不確定性推理的方法之一[5]。

為闡明該方法，先引入以下概念。

系統(tǒng)的推理過(guò)程如下：由現(xiàn)象S下條件T發(fā)生概率P（T|S）計(jì)算結(jié)論發(fā)生概率P（R|S），經(jīng)反復(fù)推理可得最終故障原因發(fā)生的概率。對(duì)于初始推理過(guò)程，規(guī)則條件發(fā)生概率可能受生產(chǎn)環(huán)境與項(xiàng)目階段影響，故由車間人員提供可信度C（T|S）求得。

2.2.3 正反向混合推理策略

傳統(tǒng)專家系統(tǒng)推理策略可大致分為正向推理與反向推理。正向推理是把已知事實(shí)作為條件，搜索能夠匹配的規(guī)則，得出結(jié)論；反向推理從所有可能的最終結(jié)論開(kāi)始推理，分別對(duì)應(yīng)條件，并結(jié)合已知信息分析，若符合實(shí)際情況則該結(jié)論成立。

知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則是按照由故障樹(shù)上層事件（已知條件）被下層事件（結(jié)論）引發(fā)的形式表達(dá)。本文采用正反向混合推理策略首先從已知上層事件出發(fā)，依據(jù)規(guī)則正向推理檢索可引發(fā)此事件的下層事件；然后以每個(gè)下層事件作為假設(shè)，反向推理排除與已知情況不符的基本事件。診斷系統(tǒng)在反復(fù)進(jìn)行推理與排除后，得到可能的基本事件的最小集合。

例如，當(dāng)匹配流程在BCM安全訪問(wèn)處出錯(cuò)時(shí)，首先確定最終是否接收到指令，若接收到錯(cuò)誤指令，則此時(shí)推理?xiàng)l件為“模塊響應(yīng)錯(cuò)誤”，由正向推理得到4個(gè)結(jié)論，即“診斷程序指令錯(cuò)誤”“模塊標(biāo)定錯(cuò)誤”“模塊響應(yīng)慢”“安全算法缺失”，并分別計(jì)算本次故障現(xiàn)象下這4種情況發(fā)生的概率，即前述，隨后對(duì)這4種情況進(jìn)行反向推理，根據(jù)最終發(fā)送指令是否正確、退出匹配的流程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排除，若發(fā)送指令正確則排除“診斷程序指令錯(cuò)誤”的情況，剩下3種情況排除依據(jù)流程運(yùn)行情況（由各自最小節(jié)點(diǎn)判斷，后文詳述），若都符合則最終結(jié)果為“模塊標(biāo)定錯(cuò)誤”“模塊響應(yīng)慢”“安全算法缺失”，并按概率排序。

診斷系統(tǒng)在反復(fù)進(jìn)行推理與排除后，可根據(jù)軟件的實(shí)際故障情況，得到可能的基本事件的最小集合。

3 IMMO匹配自診斷系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

本文將IMMO匹配系統(tǒng)的特點(diǎn)與傳統(tǒng)診斷專家系統(tǒng)理論相結(jié)合，制定了詳細(xì)的自診斷策略，滿足生產(chǎn)實(shí)際需求。

3.1 自診斷功能結(jié)構(gòu)

3.1.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該匹配系統(tǒng)通過(guò)車輛通信接口裝置VCI（Vehicle Communication Interface）實(shí)現(xiàn)匹配軟件與防盜系統(tǒng)各模塊的通信。

VCI系統(tǒng)的硬件以Freescale公司的16位微處理器MC9S12DG128B為核心，其內(nèi)部集成了同步串行通信口SPI、異步串行通信接口SCI、脈寬調(diào)制模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、輸入捕捉/輸出比較定時(shí)器、I/O接口、CAN模塊、I2C總線等標(biāo)準(zhǔn)模塊；外圍電路有K線轉(zhuǎn)換模塊、CAN線轉(zhuǎn)換模塊、USB轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘模塊電路、電源模塊電路、SD存儲(chǔ)卡和LED狀態(tài)指示燈[6]。圖4為VCI硬件結(jié)構(gòu)示意圖，VCI系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)接口控制、通信鏈路控制及總線報(bào)文處理。

3.1.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該自診斷系統(tǒng)在軟件界面設(shè)有交互平臺(tái)，供領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)知識(shí)庫(kù)內(nèi)容進(jìn)行修正。診斷過(guò)程中，IMMO匹配系統(tǒng)產(chǎn)生相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，自診斷系統(tǒng)自動(dòng)截獲診斷所需數(shù)據(jù)內(nèi)容，同時(shí)調(diào)取知識(shí)庫(kù)中的相應(yīng)規(guī)則，在推理機(jī)中進(jìn)行故障推理，再由解釋機(jī)翻譯為故障描述，得到故障原因后系統(tǒng)還會(huì)給出返修建議，在軟件界面上顯示，輔助操作人員解決故障（如圖5所示）。

3.2 自診斷功能原理

由圖2 IMMO匹配流程可知，匹配流程大致為一直線過(guò)程，匹配系統(tǒng)依次執(zhí)行相應(yīng)操作，成功則繼續(xù)，失敗則結(jié)束匹配過(guò)程。從本質(zhì)上來(lái)講，該匹配系統(tǒng)依據(jù)診斷協(xié)議規(guī)則向車載ECU模塊依次發(fā)送了指定診斷指令，當(dāng)?shù)玫街付憫?yīng)后可判斷此時(shí)模塊、診斷儀、點(diǎn)火鑰匙的狀態(tài)是否符合匹配要求。根據(jù)IMMO匹配的特點(diǎn)，本文選擇在匹配故障發(fā)生時(shí)，軟件正在執(zhí)行的流程節(jié)點(diǎn)和程序最終發(fā)送與接收的指令作為自診斷功能的推理依據(jù)。

匹配故障發(fā)生后，系統(tǒng)將流程節(jié)點(diǎn)指數(shù)（用于記錄軟件運(yùn)行節(jié)點(diǎn)）、發(fā)送與接收的指令、軟件提示信息、界面狀態(tài)信息輸入到自診斷功能內(nèi)，推理機(jī)依據(jù)流程節(jié)點(diǎn)指數(shù)定位到發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)，判斷該故障屬于模塊通信出錯(cuò)、模塊響應(yīng)錯(cuò)誤、模塊狀態(tài)異常、鑰匙狀態(tài)異常中的哪一種。對(duì)后兩者，推理機(jī)進(jìn)行確定性推理，在確定最終發(fā)送與接收的指令后，結(jié)合診斷協(xié)議，按正向推理方式直接確定引發(fā)此故障的底層故障；對(duì)前兩者，推理機(jī)進(jìn)行不確定性推理，由正向推理得到所有能導(dǎo)致已知故障的底層故障，再由反向推理結(jié)合軟件已成功運(yùn)行的流程節(jié)點(diǎn)作為依據(jù)，排除得到最終結(jié)果，經(jīng)解釋機(jī)轉(zhuǎn)換為故障描述語(yǔ)句并顯示，若最終結(jié)果為多個(gè)，則根據(jù)發(fā)生概率排序顯示。

3.3 軟件界面設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件主界面如圖6所示，操作人員輸入VIN碼、VSN碼后，系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行IMMO匹配工作，匹配出錯(cuò)時(shí)，彈出相應(yīng)的提示窗口。

3.3.1 自診斷功能界面

當(dāng)匹配出現(xiàn)錯(cuò)誤后，操作人員點(diǎn)擊確定，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行自診斷，相應(yīng)診斷信息與結(jié)果顯示在圖7界面上。從匹配記錄中可知，匹配流程運(yùn)行到“BCM一級(jí)安全訪問(wèn)”，指令發(fā)送成功，但模塊反饋信息為空，自診斷系統(tǒng)將這些信息與知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則結(jié)合推理，再經(jīng)排除即得到所有可能的故障原因，按其發(fā)生概率大小排序，并給出返修建議。

3.3.2 知識(shí)庫(kù)交互界面

系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)以數(shù)據(jù)庫(kù)的方式存儲(chǔ)，用于知識(shí)庫(kù)更新的交互界面如圖8所示。知識(shí)庫(kù)的每條規(guī)則包含條件、結(jié)論、最小節(jié)點(diǎn)、主觀Bayes參數(shù)等信息。結(jié)論概率由歷史故障記錄得出，LS、LN由領(lǐng)域?qū)＜以u(píng)估給出；最小節(jié)點(diǎn)表示若該故障存在時(shí)最初發(fā)生中斷的流程節(jié)點(diǎn)值，其具體功能是用于排除，如上例IMMO匹配之后，匹配節(jié)點(diǎn)值為7（匹配第7步為BCM一級(jí)安全訪問(wèn)），大于4，則可排除“車身控制模塊線束故障”。

界面中“檢索”通過(guò)條件和結(jié)論得到規(guī)則信息，“更改”用于將原規(guī)則修改為新規(guī)則，“添加”用于添加新規(guī)則。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合IMMO匹配系統(tǒng)特點(diǎn)，運(yùn)用故障樹(shù)分析、專家診斷系統(tǒng)原理，開(kāi)發(fā)了帶有自診斷功能的IMMO匹配系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用檢驗(yàn)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)IMMO匹配出錯(cuò)時(shí)的快速故障定位，縮短了問(wèn)題解決時(shí)間，提高了返修效率。

參 考 文 獻(xiàn)

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