基于故障模式與故障樹的車載系統(tǒng)電磁兼容問題分析方法?

常 歌 孫艷超 林 健

（1.海軍研究院系統(tǒng)工程所 北京 100036）（2.中國船舶重工集團(tuán)公司第722研究所 武漢 430205）

1 引言

隨著現(xiàn)代電氣電子技術(shù)的高速發(fā)展，當(dāng)今世界涌現(xiàn)出了多種電子信息裝備平臺(tái)，其中車載機(jī)動(dòng)式系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛。車載系統(tǒng)在有限的空間范圍內(nèi)集成了眾多設(shè)備，包括車載底盤供電用電設(shè)備、ECU單元、傳感器、上裝通信設(shè)備、辦公自動(dòng)化設(shè)備等，其電磁環(huán)境非常復(fù)雜，各電子設(shè)備可能會(huì)通過天線、接地系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、互連總線系統(tǒng)及空間中的輻射場產(chǎn)生電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）問題，從而導(dǎo)致系統(tǒng)總體性能降低。電磁兼容性問題根源的隱蔽性極大地增加了故障診斷和定位的難度。

本文以故障模式分析為基礎(chǔ)，提出車載系統(tǒng)電磁兼容故障樹的建樹原則并對(duì)故障樹進(jìn)行分析，進(jìn)而診斷可能的故障原因?；谝陨戏椒▽?duì)車載系統(tǒng)的電磁兼容問題進(jìn)行分析，能夠系統(tǒng)、有方向性、有邏輯地對(duì)出現(xiàn)的電磁兼容問題進(jìn)行分析研究，很大程度提高了電磁兼容故障的診斷效率，節(jié)省了解決問題的時(shí)間，對(duì)確保系統(tǒng)高效工作大有裨益。

2 故障模式與故障樹分析理論

2.1 故障模式分析理論

故障模式影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）［1］是一種定性分析方法，采用的是“自下而上”的邏輯歸納法，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最低級(jí)開始，根據(jù)對(duì)每個(gè)功能單元故障模式的了解跟蹤到系統(tǒng)級(jí)，從而決定每個(gè)故障模式對(duì)系統(tǒng)功能的影響［2］。其目的是通過分析，了解影響系統(tǒng)功能的關(guān)鍵性零部件的故障情況，以便采取措施改進(jìn)設(shè)計(jì)。

FMEA分析過程為：根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度、重要程度、技術(shù)成熟性、分析工作的進(jìn)度和費(fèi)用約束等，確定系統(tǒng)中進(jìn)行FMEA的產(chǎn)品范圍；分析明確系統(tǒng)中的產(chǎn)品在完成不同的任務(wù)時(shí)所應(yīng)具備的功能、工作方式及工作時(shí)間等；制定與分析判斷系統(tǒng)及系統(tǒng)中的產(chǎn)品正常與故障的準(zhǔn)則；找出系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能出現(xiàn)的故障模式，并確定相應(yīng)故障模式所產(chǎn)生的影響及嚴(yán)重度；確定每一個(gè)故障模式產(chǎn)生的原因；分析故障模式的特定檢測方法，為系統(tǒng)的故障檢測與隔離設(shè)計(jì)提供依據(jù)；對(duì)影響嚴(yán)重的故障模式，提出設(shè)計(jì)改進(jìn)和使用補(bǔ)償?shù)拇胧?；根?jù)FMEA結(jié)果，找出系統(tǒng)的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，并制定和實(shí)施各種改進(jìn)與控制措施，以提高產(chǎn)品的可靠性。

2.2 故障樹分析理論

故障樹分析（（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是以故障樹作為模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析的一種方法，是應(yīng)用最廣泛的一種自上而下逐層展開的圖形演繹的分析方法［3］。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中通過對(duì)可能造成系統(tǒng)失效的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素）進(jìn)行分析，畫出邏輯框圖（故障樹），從而確定系統(tǒng)失效原因的各種可能組合方式或其發(fā)生概率，以計(jì)算的系統(tǒng)失效概率，采取相應(yīng)的糾正措施，以提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計(jì)分析方法。

FTA一般實(shí)施步驟為：選擇合理的頂事件和系統(tǒng)的分析邊界和定義范圍，并且確定成功與失敗的準(zhǔn)則；基于已知技術(shù)資料，建立故障樹；求出故障樹的全部最小割集，用于指導(dǎo)故障診斷；根據(jù)底事件的故障概率，確定頂事件的發(fā)生概率，確定每個(gè)最小割集的發(fā)生概率，從而確定每個(gè)最小割集的發(fā)生對(duì)引起頂事件發(fā)生的重要程度。

2.3 故障模式與故障樹的關(guān)系

對(duì)于大型系統(tǒng)而言，常將FTA與FMEA配合使用。FMEA分析雖然簡單易行，卻比較繁瑣，在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)疏漏。FTA分析從故障后果尋找原因，通過割集分析可以計(jì)算出各個(gè)底事件也就是各故障事件的重要度，按照重要度的大小進(jìn)行排列，相比起FMEA更加精確，并在很大程度上提高分析效率。FTA可以作為FMEA的一種補(bǔ)充，彌補(bǔ)FMEA 的缺陷［4］。

3 車載系統(tǒng)電磁兼容問題的故障模式分析

車載系統(tǒng)整車電磁兼容主要是指環(huán)境對(duì)車載系統(tǒng)的影響、車載系統(tǒng)各個(gè)功能子系統(tǒng)之間的相互干擾、各系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備之間的相互干擾等。鑒于車載系統(tǒng)電磁兼容的特殊性，對(duì)其進(jìn)行FMEA分析時(shí)，采用常規(guī)的硬件法或功能法都不能完全體現(xiàn)車載系統(tǒng)設(shè)備組件之間的相互干擾關(guān)系。因此在車載系統(tǒng)的系統(tǒng)劃分中，本文從電磁兼容三要素［5］出發(fā)劃分系統(tǒng)定義，這有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)車載系統(tǒng)電磁兼容性故障的分析［6］。

3.1 干擾源系統(tǒng)

車載電磁干擾源大致分為三類：自然干擾源、人為干擾源和車載干擾源。自然干擾源主要包括雷電、靜電和自然輻射等；人為干擾源是指汽車外部產(chǎn)生電磁干擾的人工裝置，主要包括其他車輛點(diǎn)火系統(tǒng)的輻射干擾，車外的雷達(dá)、無線電臺(tái)發(fā)射機(jī)、移動(dòng)通信設(shè)備等發(fā)射的電磁波干擾，以及高壓輸電線的電暈放電等；車載干擾源主要是指車上產(chǎn)生各種電磁干擾的車載電器，其故障指的是這些車載電器產(chǎn)生的電磁干擾超過忍受限值［7］。

對(duì)于車載系統(tǒng)而言，車載電磁干擾源對(duì)汽車內(nèi)部電子裝置工作可靠性造成的影響比來自車外的自然和人為電磁干擾源大一些。本文主要研究車載干擾源系統(tǒng)。其示意圖（只列部分示例）如圖1所示。

圖1 車載干擾源系統(tǒng)示意圖

對(duì)干擾源系統(tǒng)中子系統(tǒng)進(jìn)行故障分析［8］，列出子系統(tǒng)故障模式表（只列部分示例）如表1所示。

根據(jù)故障模式分析理論列出發(fā)電機(jī)FMEA表［9～10］（示例）如表2所示。

表1 干擾源系統(tǒng)故障模式表

3.2 耦合途徑系統(tǒng)

干擾源和受擾設(shè)備在一起，就有從一方到另一方的潛在干擾路徑，這就是電磁干擾的耦合途徑。干擾源和受擾設(shè)備間的耦合方式有兩種：傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。傳導(dǎo)耦合是指電磁噪聲在電路中以電流或電壓形式，通過金屬導(dǎo)線或其它無源器件（如電容、電感、變壓器）耦合至被干擾設(shè)備（電路）；輻射耦合是指電磁噪聲的能量，以電磁場能量的形式通過空間傳播，耦合到被干擾設(shè)備（電路）。

本文所述的耦合途徑系統(tǒng)是指車載系統(tǒng)中的電磁干擾通過某種方式耦合到敏感設(shè)備而導(dǎo)致設(shè)備損壞或不能正常工作，其故障指的是切斷耦合途徑的措施失效。這些具體方式共同構(gòu)成耦合途徑系統(tǒng)，這些方式包括電源線、搭鐵線、信號(hào)線、地址線、數(shù)據(jù)線、CAN總線、控制線等。其示意圖如圖2所示。

圖2 車載耦合途徑系統(tǒng)示意圖

對(duì)耦合途徑系統(tǒng)進(jìn)行故障分析，列出故障模式表（只列部分示例）如表3所示。

表2 發(fā)電機(jī)FMEA表

表3 耦合途徑系統(tǒng)故障模式表

根據(jù)故障模式分析理論列出電源線FMEA表（示例）如表4所示。

表4 電源線FMEA表

3.3 敏感設(shè)備系統(tǒng)

敏感設(shè)備是指受干擾影響的系統(tǒng)、設(shè)備或電路。車載敏感設(shè)備系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

對(duì)敏感設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行故障分析，列出故障模式表（只列部分示例）如表5所示。

圖3 車載敏感設(shè)備系統(tǒng)示意圖

表5 敏感設(shè)備系統(tǒng)故障模式表

根據(jù)故障模式分析理論列出ECU的FMEA表（示例）如表6所示。

4 車載系統(tǒng)電磁兼容問題的故障樹分析

根據(jù)電磁兼容三要素定義的車載系統(tǒng)干擾源子系統(tǒng)、耦合途徑子系統(tǒng)、敏感設(shè)備子系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的故障樹具有不同意義［11］。研究干擾源子系統(tǒng)故障樹的主要目的在于找出導(dǎo)致該電子設(shè)備產(chǎn)生干擾的原因，從而利用故障模式分析得出的補(bǔ)償措施加以改進(jìn)，減小或消除干擾；研究耦合途徑子系統(tǒng)故障樹的主要目的在于找出電磁干擾傳輸至敏感設(shè)備的途徑，從而利用故障模式分析得出的補(bǔ)償措施加以改進(jìn)，減小或隔離干擾；研究敏感設(shè)備子系統(tǒng)故障樹的主要目的在于找出導(dǎo)致該設(shè)備失效的干擾源，從而利用故障模式分析得出的補(bǔ)償措施加以改進(jìn)，阻隔該干擾源的影響。敏感設(shè)備系統(tǒng)故障處于三個(gè)系統(tǒng)的最外層，只有對(duì)敏感設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行了故障樹分析，才能找到導(dǎo)致故障的干擾源與耦合途徑，進(jìn)而分析干擾源系統(tǒng)與耦合途徑系統(tǒng)［12］。本文主要針對(duì)敏感設(shè)備系統(tǒng)故障樹進(jìn)行研究。

基于故障樹的建樹原則及其車載系統(tǒng)電磁兼容的特殊性提出車載系統(tǒng)電磁兼容故障樹建樹原則，包括內(nèi)容如下。

表6 ECU FMEA表

1）頂事件由電磁兼容故障模式分析中故障模式擔(dān)任；

圖4 ECU帶孔縫屏蔽腔體耦合電磁兼容故障樹

2）電磁干擾發(fā)生則必然存在干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備，以電磁兼容三要素作為引起頂事件發(fā)生直接原因的第二級(jí)；

3）鑒于敏感設(shè)備系統(tǒng)故障模式表中故障模式是以耦合途徑劃分的，因此在敏感設(shè)備系統(tǒng)故障樹分析中，第二級(jí)已經(jīng)確定了兩個(gè)要素，唯一需要確定的是干擾源查找的過程；

4）干擾源系統(tǒng)中分析了車載系統(tǒng)中主要干擾源特性及其可能的影響，可為敏感設(shè)備系統(tǒng)故障樹分析的第二級(jí)干擾源要素提供繼續(xù)劃分的依據(jù)。

以ECU的帶孔縫屏蔽腔體耦合故障模式為例說明電磁兼容故障樹的建立及分析過程。ECU帶孔縫屏蔽腔體耦合故障樹如圖4所示。

由下行法求解最小割集見下文。根據(jù)圖4故障樹可得布爾表達(dá)式：

將式（1）展開并化簡，得到故障樹最小割集表達(dá)式為

根據(jù)式（2），帶孔縫屏蔽腔體耦合故障子樹共27個(gè)最小割集，任何割集的發(fā)生都有可能導(dǎo)致ECU故障，若用試驗(yàn)方法確定故障來源仍較繁瑣?；谥匾雀拍睿瑢?duì)最小割集的重要度進(jìn)行排序，選擇重要度較高的割集進(jìn)行分析，可極大提高故障定位效率。

最小割集重要度表示各個(gè)最小割集對(duì)設(shè)備故障（頂事件）的貢獻(xiàn)［13］，定義為

其中P(Ci)為最小割集Ci的發(fā)生概率，PT為故障樹頂事件的發(fā)生概率。

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)可得各底事件的發(fā)生概率如表7所示。

根據(jù)帶孔縫屏蔽腔體耦合故障樹及上表可計(jì)算得到頂事件的概率為PT=0.13。

根據(jù)式（3）可計(jì)算得到最小割集的重要度如表8所示。

由表8可知，最小割集的重要度相差很大，重要度大于0.1的最小割集只有5個(gè)，從最小割集的重要度分析，其它22個(gè)最小割集發(fā)生的可能性較小。在電磁兼容問題分析及故障定位時(shí)，可以依據(jù)重要度排序，依次進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，這可以極大提高故障診斷的效率，避免了問題分析的盲目性。

表7 底事件的發(fā)生概率表

表8 最小割集的重要度表

5 結(jié)語

本文基于故障模式與故障樹分析理論提出車載系統(tǒng)電磁兼容問題分析方法，以車載系統(tǒng)電磁兼容故障模式分析表為基礎(chǔ)建立電磁兼容故障樹，并分析得到其最小割集及其重要度，根據(jù)重要度順序依次進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)，對(duì)出現(xiàn)的電磁兼容問題進(jìn)行研究，此方法可在很大程度上提高車載系統(tǒng)電磁兼容故障診斷的效率，避免了問題分析的盲目性。