高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷設(shè)計(jì)分析與改進(jìn)

陶聰凌，牛建超 ，鄺志禮 ，吳 棟 ，趙 靖

(1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所, 廣州 510610;2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610;3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，廣州 510610;4.電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測(cè)試技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程中心，廣州 510610)

0 引言

高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障頻發(fā)且安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)，檢測(cè)與維修定位較為困難，因此行業(yè)內(nèi)對(duì)提高其故障診斷能力有著迫切的需求。良好的故障診斷能力有助于使用方及時(shí)掌握設(shè)備的狀態(tài)，方便進(jìn)行維修活動(dòng)，從而降低壽命周期費(fèi)用。

目前國(guó)內(nèi)也有一些學(xué)者對(duì)高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)的軟件，實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)中對(duì)隧道系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控；文獻(xiàn)[2]采用全新組網(wǎng)方式并通過(guò)數(shù)據(jù)篩選器篩選有效數(shù)據(jù)將分布式光纖感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)集成到隧道監(jiān)控系統(tǒng)中；文獻(xiàn)[3]采用“互聯(lián)網(wǎng)+高速公路”方式，優(yōu)化隧道控制系統(tǒng)，構(gòu)建隧道智能管控平臺(tái)；以上文章為監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷軟件改進(jìn)提供了參考。但是，國(guó)內(nèi)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷分析方法和設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的研究尚屬空白。在設(shè)備故障診斷分析方法和設(shè)計(jì)優(yōu)化這方面，軍用產(chǎn)品開(kāi)展了大量的研究與應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]通過(guò)軍用產(chǎn)品飛行采集器開(kāi)展測(cè)試性分析，得出故障診斷信息分析表，為高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷方法提供了借鑒思路。文獻(xiàn)[5]通過(guò)介紹軍用產(chǎn)品雷達(dá)的測(cè)試性設(shè)計(jì)優(yōu)化，為高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了借鑒思路。本文結(jié)合軍用產(chǎn)品測(cè)試性分析流程提出一套針對(duì)高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷分析方法，并通過(guò)分析后的結(jié)果對(duì)其進(jìn)行故障診斷設(shè)計(jì)改進(jìn)，為高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷研究提供參考。

1 故障診斷分析及改進(jìn)工作流程

測(cè)試性是指系統(tǒng)或設(shè)備能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)(可工作，不可工作或性能下降)并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性[6]。測(cè)試性的概念最先應(yīng)用于軍用產(chǎn)品之中，美國(guó)最先將測(cè)試性分析及設(shè)計(jì)應(yīng)用于空軍的一代綜合航電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)航電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和故障隔離，極大提高了整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試性能力。近年來(lái)國(guó)內(nèi)軍工領(lǐng)域掀起了測(cè)試性技術(shù)應(yīng)用的熱潮，很多裝備在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用測(cè)試性分析、仿真、試驗(yàn)等手段，大大提高了裝備的故障診斷能力，從而減少對(duì)維修保障資源的依賴(lài)，降低全壽命周期費(fèi)用。

本文結(jié)合軍用產(chǎn)品的測(cè)試性工作流程方法[7]，針對(duì)高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)，提出了故障診斷設(shè)計(jì)分析及改進(jìn)的流程如圖1所示。整個(gè)流程是：

1)明確系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)和功能，為系統(tǒng)任務(wù)可靠性分析奠定基礎(chǔ)；

2)完成系統(tǒng)任務(wù)可靠性分析，為系統(tǒng)按照故障診斷層次劃分提供條件；

3)劃分清晰明確的系統(tǒng)故障診斷層次，為各層級(jí)進(jìn)行故障模式分析及故障嚴(yán)酷度劃分提供條件；

4)進(jìn)行故障模式及影響分析、故障嚴(yán)酷度劃分，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供指導(dǎo)和幫助；

5)依據(jù)故障診斷分析結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，提升系統(tǒng)故障診斷能力。

圖1 高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷設(shè)計(jì)分析及改進(jìn)流程圖

2 高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷設(shè)計(jì)分析

2.1 高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)主要由信息收集模塊(攝像頭、車(chē)檢器、聲音傳感器)、控制模塊(控制電路、屏顯器、PC機(jī))、執(zhí)行模塊(燈具、報(bào)警器)和電纜等部分組成。整個(gè)高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)中核心的部分為控制模塊，該模塊主要由收集信息電路、電源電路、控制電路組成。其中，收集信息電路通過(guò)信息收集部件采集各類(lèi)高速公路上的車(chē)輛狀態(tài)信息，電源電路為系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模塊供電，控制電路通過(guò)收集模塊傳遞的相關(guān)信息對(duì)執(zhí)行部件進(jìn)行管理。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)功能是通過(guò)信息收集模塊接收到車(chē)輛駛?cè)胨淼佬畔⒑螅l(fā)送至控制模塊，控制模塊收集電路接收到相關(guān)信息，傳送至PC機(jī)、屏顯器，控制模塊控制電路根據(jù)PC機(jī)下發(fā)的指令或內(nèi)部編制好的指令控制執(zhí)行模塊完成一系列開(kāi)關(guān)燈、火災(zāi)報(bào)警等操作。

2.2 高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)可靠性框圖

對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能分析后，下一步故障診斷分析是把監(jiān)控系統(tǒng)劃分為具有獨(dú)立功能的模塊并做出整個(gè)系統(tǒng)及各個(gè)模塊的任務(wù)可靠性框圖。由于任何一個(gè)模塊失效都將引起整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的失效，所以監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)可靠性框圖為串聯(lián)關(guān)系。以控制模塊為例，整個(gè)任務(wù)可靠性框圖流程依次是電源電路板(201)→收集電路板(202)→控制電路板(203)→PC機(jī)(204)→屏顯器組件(205)。監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖如圖2所示。控制模塊任務(wù)可靠性框圖如圖3所示。

圖2 高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖

圖3 控制模塊任務(wù)可靠性框圖

2.3 高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷層次劃分

對(duì)高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)及任務(wù)可靠性分析后，其工作原理和影響任務(wù)完成的因素得以提煉出來(lái)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行故障診斷層次劃分。整個(gè)系統(tǒng)的故障診斷層次劃分是確保故障診斷分析的正確性和有效性的關(guān)鍵，直接影響到高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷和隔離。

故障診斷層次的劃分遵循一定的原則。這些原則[8]是：

1)采用自頂向下的原則，依次進(jìn)行劃分；

2)適應(yīng)故障診斷分析的要求；

3)各層級(jí)根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)特性分別定義故障模式；

4)符合系統(tǒng)各部分功能結(jié)構(gòu)之間邏輯關(guān)系。

依照故障診斷層次劃分原則，將高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)劃分為5個(gè)層次。即初始約定層次(系統(tǒng)層級(jí))：高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)；約定層次3(模塊層級(jí))：信息收集模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊；約定層次2(電路板層級(jí))：控制電路板等；約定層次1(功能電路層級(jí))：電源濾波、轉(zhuǎn)換電路等；最低約定層次(元器件層級(jí))：電阻、電容等。高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷層次劃分如圖4所示。故障診斷層次劃分的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)就在于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的故障發(fā)生層級(jí)的定位和對(duì)各層級(jí)影響的歸類(lèi)，只有明確劃分清楚才能為各層級(jí)故障模式及影響分析提供良好的支撐。

圖4 高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷層次劃分

2.4 高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)故障模式及影響分析

高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)完成故障診斷層次的劃分之后，下一步就是要得出元器件層、功能電路層、電路板層、模塊層以及系統(tǒng)層的故障模式及影響分析并對(duì)故障模式進(jìn)行嚴(yán)酷度劃分。系統(tǒng)故障模式及影響分析可參照GJB/Z 1391-2006《故障模式、影響及危害性分析指南》[9]，結(jié)合實(shí)際情況開(kāi)展。

2.4.1 故障模式故障率計(jì)算及傳遞

對(duì)各個(gè)層級(jí)故障模式故障率具體計(jì)算原則如下：

1)根據(jù)系統(tǒng)劃分框圖，依據(jù)從下至上的原則進(jìn)行各層級(jí)產(chǎn)品的故障率計(jì)算；

2)元器件級(jí)各個(gè)故障模式故障率計(jì)算參照GJB/Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》[10]進(jìn)行。

3)若選用的供應(yīng)商提供了元器件故障模式信息，可不參照GJB/Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行故障率計(jì)算；

4)根據(jù)GJB/Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》對(duì)各個(gè)元器件進(jìn)行元器件失效模式及其頻數(shù)比分析；

5)完成元器件級(jí)各個(gè)故障模式分析后，依據(jù)故障模式的分類(lèi)，分析對(duì)上一層功能電路級(jí)的影響，形成故障模式的收斂與傳遞，得出功能電路級(jí)的故障模式。后續(xù)電路板級(jí)、模塊級(jí)以及系統(tǒng)層級(jí)的故障模式依據(jù)這一方法逐步得到。以電源電路功能層級(jí)為例，如表1所示。

6)完善整個(gè)層級(jí)鏈路的功能輸入輸出關(guān)系表，從而得出整個(gè)高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)更加具體清晰的輸入輸出分析。以模塊層級(jí)功能輸入輸出為例，如表2所示。

2.4.2 故障模式嚴(yán)酷度分類(lèi)

完成故障模式及影響分析后，需要對(duì)故障模式嚴(yán)酷度進(jìn)行劃分。故障模式嚴(yán)酷度分類(lèi)具體的定義如下：

表1 控制模塊電源電路故障模式表

表2 模塊級(jí)功能輸入輸出關(guān)系表

1)Ⅰ類(lèi)(災(zāi)難的)：引起系統(tǒng)的主要或關(guān)鍵功能全部喪失，或?qū)臻g環(huán)境、工作環(huán)境或工作人員造成危害的故障模式；

2)Ⅱ類(lèi)(致命的)：?jiǎn)适到y(tǒng)部分主要功能或部分關(guān)鍵功能；

3)Ⅲ類(lèi)(臨界的)：引起系統(tǒng)部分功能喪失，但不影響主要功能的執(zhí)行；

4)Ⅳ類(lèi)(輕度的)：引起系統(tǒng)的性能降低及設(shè)備的非計(jì)劃性維護(hù)或維修。

按照上面嚴(yán)酷度劃分準(zhǔn)則，結(jié)合系統(tǒng)層級(jí)故障模式，將整個(gè)單元的故障嚴(yán)酷度等級(jí)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 故障嚴(yán)酷度分類(lèi)表

通過(guò)上述的故障診斷設(shè)計(jì)分析，得出清晰明確的系統(tǒng)層次、各層次的故障模式故障率、影響以及嚴(yán)酷度等級(jí)。為系統(tǒng)故障診斷設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了依據(jù)，具有重大意義。在高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，考慮到工程的成本以及難易程度等問(wèn)題，并不是所有的故障都需要進(jìn)行故障診斷的設(shè)計(jì)，因此其故障診斷設(shè)計(jì)改進(jìn)應(yīng)綜合權(quán)衡故障模式故障率、影響和嚴(yán)酷度來(lái)進(jìn)行。

3 高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷改進(jìn)

通過(guò)對(duì)高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷分析，得知控制模塊中控制電路的電源故障、采集數(shù)據(jù)故障和控制執(zhí)行部件故障的故障率較高且對(duì)系統(tǒng)的影響巨大，涵蓋了所有的Ⅰ、Ⅱ類(lèi)嚴(yán)酷度的故障模式。因此，針對(duì)這三方面的故障進(jìn)行故障診斷的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

目前故障診斷設(shè)計(jì)的測(cè)試方式分為自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)和機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)。自動(dòng)測(cè)試設(shè)備是指通過(guò)外部測(cè)試儀器、工具或設(shè)備對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)和隔離的測(cè)試；機(jī)內(nèi)測(cè)試又叫嵌入式測(cè)試，是指系統(tǒng)或設(shè)備能夠自己完成對(duì)系統(tǒng)、組件或功能模塊的狀態(tài)檢測(cè)、故障診斷以及性能測(cè)試。對(duì)高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷的改進(jìn)主要通過(guò)對(duì)系統(tǒng)增加BIT功能來(lái)完成。BIT按照測(cè)試時(shí)機(jī)，一般分為上電BIT、周期BIT和維護(hù)BIT。上電BIT為系統(tǒng)接通電源后自動(dòng)按規(guī)定的測(cè)試內(nèi)容，進(jìn)行檢測(cè)不需要外部提供信號(hào)；周期BIT為系統(tǒng)周期或持續(xù)地檢測(cè)關(guān)鍵功能特性；維護(hù)BIT為維護(hù)人員通過(guò)按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行的檢測(cè)。

3.1 控制模塊BIT電路改進(jìn)

由故障診斷分析得知：電源故障模式有無(wú)輸出，輸出超差；采集數(shù)據(jù)的故障模式有數(shù)據(jù)無(wú)輸出，輸出錯(cuò)誤；執(zhí)行部件的故障模式有執(zhí)行部件不受控制?？刂颇K在之前的設(shè)計(jì)中并沒(méi)有對(duì)這些故障進(jìn)行檢測(cè)，監(jiān)控系統(tǒng)也沒(méi)有相應(yīng)的措施處理。下面對(duì)這些故障檢測(cè)進(jìn)行BIT電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)故障診斷能力。

針對(duì)電源故障模式的BIT電路設(shè)計(jì)如圖5所示?？刂颇K中的電源是12 V的直流電源，通過(guò)利用LM393比較器搭建一個(gè)信號(hào)電壓比較電路，主控STM32F4實(shí)時(shí)檢測(cè)LM393輸出信號(hào)Vo，判斷控制模塊的電源電壓是否正常。

圖5 電源BIT電路改進(jìn)設(shè)計(jì)圖

針對(duì)采集數(shù)據(jù)故障模式BIT電路設(shè)計(jì)如圖6所示。采集數(shù)據(jù)進(jìn)入控制電路后，使同樣的數(shù)據(jù)分成兩路處理。一路數(shù)據(jù)通過(guò)光耦和阻容網(wǎng)絡(luò)隔離濾波電路處理，另一路數(shù)據(jù)采用開(kāi)關(guān)去抖電路處理。主控STM32F4先檢測(cè)濾波電路數(shù)據(jù)信息輸出信號(hào)Vo，然后檢測(cè)去抖電路數(shù)據(jù)信息輸出信號(hào)Vo，進(jìn)行一致性對(duì)比，判斷是否發(fā)生數(shù)據(jù)故障。

圖6 采集數(shù)據(jù)BIT電路改進(jìn)設(shè)計(jì)圖

針對(duì)執(zhí)行部件故障模式BIT電路設(shè)計(jì)如圖7所示。主控STM32F4對(duì)執(zhí)行部件的電流回采電路輸出信號(hào)Vo進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)電路電流回采值與設(shè)定的閾值偏差，判斷執(zhí)行部件是否受控。

圖7 電流回采BIT電路改進(jìn)設(shè)計(jì)圖

圖8 故障診斷BIT邏輯設(shè)計(jì)改進(jìn)流程圖

表4 系統(tǒng)故障診斷能力對(duì)比

故障模式對(duì)系統(tǒng)影響嚴(yán)酷度類(lèi)別原系統(tǒng)是否可檢改進(jìn)后系統(tǒng)是否可檢12V電源無(wú)輸出系統(tǒng)停止工作Ⅰ否上電BIT/周期BIT/維護(hù)BIT可檢12V電源輸出超差±10%系統(tǒng)停止工作Ⅰ否上電BIT/周期BIT/維護(hù)BIT可檢采集數(shù)據(jù)無(wú)輸出系統(tǒng)采集信息數(shù)據(jù)功能完全喪失Ⅱ否上電BIT/周期BIT/維護(hù)BIT可檢采集數(shù)據(jù)錯(cuò)誤系統(tǒng)采集信息數(shù)據(jù)功能完全喪失Ⅱ否上電BIT/周期BIT/維護(hù)BIT可檢執(zhí)行部件不受控系統(tǒng)喪失控制執(zhí)行部件能力Ⅱ否上電BIT/周期BIT/維護(hù)BIT可檢

3.2 控制模塊BIT邏輯改進(jìn)

在BIT電路設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行上電BIT、周期BIT和維護(hù)BIT邏輯設(shè)計(jì)。上電BIT(周期BIT或維護(hù)BIT)流程是：系統(tǒng)上電穩(wěn)定后(系統(tǒng)每運(yùn)行1小時(shí)或PC機(jī)下發(fā)巡檢指令)，主控STM32F4巡檢電壓，并將收集到的電壓與設(shè)計(jì)好的門(mén)限值進(jìn)行比對(duì)，如發(fā)現(xiàn)電壓超出設(shè)定門(mén)限的10%，則判定為電壓發(fā)生超差故障。如發(fā)現(xiàn)電壓超出設(shè)定門(mén)限的50%，則判定電壓發(fā)生無(wú)輸出故障。主控STM32F4巡檢數(shù)據(jù)，將兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如發(fā)現(xiàn)兩路數(shù)據(jù)不一致，則判定采集數(shù)據(jù)故障。主控STM32F4巡檢回采電流，并將收集到的電流與設(shè)計(jì)好的門(mén)限值進(jìn)行比對(duì)，如發(fā)現(xiàn)超出20%，則判定發(fā)生執(zhí)行部件不受控故障。各項(xiàng)數(shù)值狀態(tài)存入指定狀態(tài)寄存器，供上級(jí)PC機(jī)查詢(xún)，同時(shí)向PC機(jī)報(bào)送巡檢結(jié)果。PC機(jī)設(shè)計(jì)故障狀態(tài)和故障發(fā)生點(diǎn)報(bào)警機(jī)制，若巡檢發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)，PC機(jī)迅速得知發(fā)生故障的狀態(tài)和故障發(fā)生點(diǎn)。PC機(jī)還設(shè)計(jì)有查調(diào)主控模塊信息機(jī)制，隨時(shí)可以巡視主控模塊中的狀態(tài)寄存器，為后續(xù)維修保障工作開(kāi)展提供支撐。

整個(gè)上電BIT、周期BIT和維護(hù)BIT邏輯設(shè)計(jì)的流程圖如圖8所示。

4 高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷改進(jìn)結(jié)果分析

通過(guò)上述的設(shè)計(jì)改進(jìn)，故障診斷BIT設(shè)計(jì)覆蓋了故障率較高且嚴(yán)酷度為Ⅰ、Ⅱ類(lèi)的故障模式，提高了整個(gè)系統(tǒng)的故障診斷能力。系統(tǒng)故障診斷能力對(duì)比如表4所示，設(shè)計(jì)改進(jìn)后系統(tǒng)對(duì)故障率較高且嚴(yán)酷度為Ⅰ、Ⅱ類(lèi)的故障模式超過(guò)了80%，滿(mǎn)足了現(xiàn)階段對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的故障定位和維修的主要需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了故障診斷設(shè)計(jì)分析，提出一套針對(duì)高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷設(shè)計(jì)分析方法，理清了高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)、任務(wù)可靠性框圖、故障診斷層次、故障模式、影響以及故障嚴(yán)酷度，并以此開(kāi)展相應(yīng)故障診斷設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的故障檢測(cè)和隔離能力，滿(mǎn)足高速隧道監(jiān)控系統(tǒng)故障定位和維修的主要需求，可為類(lèi)似產(chǎn)品開(kāi)展故障診斷設(shè)計(jì)研究提供參考。