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(guó)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(chē)載機(jī)動(dòng)式系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛。車(chē)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(chē)載底盤(pán)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(guò)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(chǎng)產(chǎn)生電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）問(wèn)題，從而導(dǎo)致系統(tǒng)總體性能降低。電磁兼容性問(wèn)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(chē)載系統(tǒng)電磁兼容故障樹(shù)的建樹(shù)原則并對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行分析，進(jìn)而診斷可能的故障原因。基于以上方法對(duì)車(chē)載系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(shù)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(kāi)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(guò)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(guò)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(cè)方法，為系統(tǒng)的故障檢測(cè)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(shù)分析理論

故障樹(shù)分析（（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是以故障樹(shù)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(kāi)的圖形演繹的分析方法［3］。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)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(huà)出邏輯框圖（故障樹(shù)），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(shù)；求出故障樹(shù)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(shù)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(jiǎn)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(guò)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(chē)載系統(tǒng)電磁兼容問(wèn)題的故障模式分析

車(chē)載系統(tǒng)整車(chē)電磁兼容主要是指環(huán)境對(duì)車(chē)載系統(tǒng)的影響、車(chē)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(chē)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(chē)載系統(tǒng)設(shè)備組件之間的相互干擾關(guān)系。因此在車(chē)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(chē)載系統(tǒng)電磁兼容性故障的分析［6］。

3.1 干擾源系統(tǒng)

車(chē)載電磁干擾源大致分為三類(lèi)：自然干擾源、人為干擾源和車(chē)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(chē)外部產(chǎn)生電磁干擾的人工裝置，主要包括其他車(chē)輛點(diǎn)火系統(tǒng)的輻射干擾，車(chē)外的雷達(dá)、無(wú)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(chē)載干擾源主要是指車(chē)上產(chǎn)生各種電磁干擾的車(chē)載電器，其故障指的是這些車(chē)載電器產(chǎn)生的電磁干擾超過(guò)忍受限值［7］。

對(duì)于車(chē)載系統(tǒng)而言，車(chē)載電磁干擾源對(duì)汽車(chē)內(nèi)部電子裝置工作可靠性造成的影響比來(lái)自車(chē)外的自然和人為電磁干擾源大一些。本文主要研究車(chē)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(chē)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(guò)金屬導(dǎo)線或其它無(wú)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(chǎng)能量的形式通過(guò)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(chē)載系統(tǒng)中的電磁干擾通過(guò)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)載系統(tǒng)電磁兼容問(wèn)題的故障樹(shù)分析

根據(jù)電磁兼容三要素定義的車(chē)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(shù)具有不同意義［11］。研究干擾源子系統(tǒng)故障樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)進(jìn)行研究。

基于故障樹(shù)的建樹(shù)原則及其車(chē)載系統(tǒng)電磁兼容的特殊性提出車(chē)載系統(tǒng)電磁兼容故障樹(shù)建樹(shù)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(shù)

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(shù)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(guò)程；

4）干擾源系統(tǒng)中分析了車(chē)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(shù)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(shuō)明電磁兼容故障樹(shù)的建立及分析過(guò)程。ECU帶孔縫屏蔽腔體耦合故障樹(shù)如圖4所示。

由下行法求解最小割集見(jiàn)下文。根據(jù)圖4故障樹(shù)可得布爾表達(dá)式：

將式（1）展開(kāi)并化簡(jiǎn)，得到故障樹(shù)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(shù)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(lái)源仍較繁瑣?；谥匾雀拍?，對(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(shù)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(shù)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(wèn)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(wèn)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(yǔ)

本文基于故障模式與故障樹(shù)分析理論提出車(chē)載系統(tǒng)電磁兼容問(wèn)題分析方法，以車(chē)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(shù)，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(wèn)題進(jìn)行研究，此方法可在很大程度上提高車(chē)載系統(tǒng)電磁兼容故障診斷的效率，避免了問(wèn)題分析的盲目性。