基于条件规则的故障树分析法的研究与应用

陈成春

CHEN Cheng-chun

（福建船政交通职业学院 汽车系，福州 350007）

0 引言

近年来，随着汽车工业的发展，尤其是汽车电子技术的快速更新，人们对汽车故障诊断的研究进入了快速的发展阶段，尤其是汽车电控技术故障诊断方法的研究越来越受到国内外专家和学者的普遍关注。

随着研究的深入，人们总结出多种汽车电控系统的故障诊断方法，包括有：故障树分析法、小波分析法、混沌与分形诊断方法、神经网络诊断法、模糊诊断法等诊断方法。目前，这些方法有的是独立使用于不同的故障现象和故障部位，有的需要进行复杂的公式推导和程序编辑。这就要求故障诊断技术员要掌握多种的故障诊断方法和多种的数据分析能力，甚至需要进行复杂程序编辑，难度较大。另外，有些故障诊断方法在进行复杂故障诊断时，诊断结果会出现多个故障原因和故障发生部位，给汽车维修技术员增加维修时间。

因此，要想快速准确地进行汽车电控系统的故障诊断，维修技术人员必须要有一套较理想的故障诊断方法，使得技术人员能够进行正确的故障分析和推理，并方便的确定故障的准确部位，以便进行汽车电控系统的快速维修。因此，探索一种适合于汽车电控系统的故障诊断方法，具有极大的社会效益和经济效益。

1 故障树分析方法

由于汽车电控系统的故障特点与汽车机械故障特点存在很大的不同，汽车电控部件之间表面上看起来并没有太大的联系，存在较大的抽象性；另外，汽车电控系统的故障具有很大的随机性和间歇性。故障树分析法能够根据故障特征进行故障树分析，得到系统所有的故障原因和故障发生部位，因此，故障树分析法比较适合于汽车电控系统的故障特点。

故障树分析法（Fault Tree Analysis）简称FTA法，是一种将系统故障形成的原因由总体至部分按树枝状逐渐细化的分析方法。因而，它是对复杂系统进行可靠性分析的有效工具，其目的在于判明基本故障，确定故障的原因、影响和发生的概率。

故障树分析法就是把所研究系统的最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，然后寻找直接导致这一故障发生的全部因素，在找出造成下一级事件发生的全部直接因素，一直追查到那些原始的、无需再深究的因素为止。通常把最不希望发生的事件称为顶端事件，无需再深究的事件称为底端事件，介于顶端事件和底端事件的一切事件为中间事件。用相应的符号代表这些事件，再用适当的逻辑门把顶端事件、中间事件和底端事件连接成树形图。这样的树形图称为故障树，用以表示系统或设备的特定事件与它的各个子系统或各个部件故障事件之间的逻辑关系（如图1所示）。以故障树为工具，分析系统发生故障的各种途径，计算各个可靠性特征量，对系统的安全性或可靠性进行评价的方法称为故障树分析法。

图1 故障树结构图

故障树特点就是故障树的所有底端事件都没有发生，则故障树的顶端事件就不会发生，即：故障树的每个底端事件的发生都是一种故障树顶端事件的可能。因此，采用故障树分析法进行故障诊断分析，会出现多个故障诊断结果。维修技术员在进行维修操作时，就需要拆装多个部件进行判断，甚至很多技术员是通过部件更换进行故障验证的方式来进行故障排除，大大地增加了维修难度和维修时间。

现在的汽车故障诊断技术是在不解体之前，通过相关检测，得到技术数据，进行分析推理，确定汽车技术状况，查明故障发生部位和原因的过程。因此，能够准确判断故障发生部位，缩小故障诊断结果范围的故障诊断方法才是最有实际经济和社会意义的。

2 基于条件规则的故障树分析法及其应用

如果能够在故障树分析法的基础上，增加条件规则判断，不断缩小诊断范围，最后得出的故障诊断结果就比较确定，范围也比较小，这样就可以大大地提高故障维修效率。

2.1 基于条件规则的故障树分析法

基于条件规则的故障树分析法就是在故障树分析法的故障树的中间事件和底端事件上，增加一定的条件规则，进行物理和逻辑判断，确定故障树每个的分支的选择，以便准确地进行故障诊断分析，得出准确的故障发生的原因和故障部位（如图2所示）。

由图2中可以看出，从顶事件出发，在每个节点的地方，分别添加相应的规则条件，用来识别故障树分析的具体分支走向，就可以缩小诊断范围，减少诊断步骤和条件规则判断次数。

图2 基于条件规则的故障树结构图

条件规则一般为：数值范围（电压、电阻、频率、油压和角度等数值）是否变化、是否出现、是否偏高、偏低、偏大、偏小，以及各种的性质特征现象等。条件规则需要技术员进行相应的检测和实验过程，并且通过检测得到相应的检测数据和特征，以便进行相应的分析判断，从而进一步进行诊断推理。

故障树的结构设计必须通过查找大量的维修资料，结合具体车型，构建逻辑推理思维，进行故障树的设计。一般汽车故障诊断员所从事的工作对象只是较少的车型，因此，对于诊断员来说，掌握某一种具体车型的故障树的设计并没有太大的困难，甚至现在的汽车诊断技术员都能够自行设计一些简单的故障树。

通过设计好的具有条件规则的故障树，诊断技术员就可以进行相应的检测获得诊断数据和信息，确定准确的故障发生部位。

2.2 具体应用

下面以丰田8A-FE电控发动机的点火系统故障为例，进行电控点火系统故障诊断分析。

丰田8A-FE电控发动机的电控点火系统主要有：电磁感应式曲轴和凸轮轴位置传感器、点火器、点火线圈、分电器、火花塞和相关的高压导线等组成。控制点火提前角的传感器主要有：水温传感器、进气温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、节气门位置传感器等（如图3所示）。

图3 8A-FE电控发动机点火系统控制原理图

丰田8A-FE电控发动机的点火系统中的电控单元ECU，通过检测各个传感器的信号，进行分析计算，输出点火控制信号IGT，控制点火器。点火器促使内部的控制三极管导通和截止，使得点火线圈的初级绕组导通和切断，使得点火线圈的磁场强度发生变化，从而点火线圈发生磁场互感，在次级绕组上产生高压电动势，并传给分电器分火头，再通过高压导线传给火花塞，使火花塞两极击穿并产生火花。火花大小决定于点火线圈的匝数，以及点火线圈的充放电的时间长短。点火正时主要是由电控单元ECU输出的点火控制指令IGT的时刻决定，IGT信号输出的时间越早，点火发生时间越早，点火提前角越大。

图4 8A-FE型发动机点火系统带有条件规则的故障树图

根据该型发动机的控制理论，设计出相应的带有条件规则的故障树（如图4所示）。从图中的故障树顶端事件电控点火系统故障，到最底端的故障具体发生部位，中间又增加了中间事件，每个中间事件通过条件规则的判断，就可以少了一个由该中间事件产生的分支，这个分支直到底端事件可以无需诊断。所以，在实际的诊断过程中，可以省去了很多不必要的诊断，提高了诊断效率。另外，由于汽车电控系统的电路复杂的原因，对于每个电控部件出现故障时，有可能会跟电路以及电控单元有关，因此，在维修过程中，可以再进一步进行子故障树设计，进一步区分电控元件损坏、电路故障以及电控单元损坏的故障原因。

通过基于条件规则的故障树设计，并结合每个电控元件的子故障树设计，进行诊断分析，可以精确地找出故障发生的准确部位，节省了维修人员的维修时间，提高维修效率。

另外，在实际生产中，汽车电控系统故障诊断过程基本不占用维修工位，提高了维修作业空间利用率。

3 结论

实践证明，采用基于条件规则的故障树分析法，可以有效地提高汽车电控系统的故障诊断效率，减少维修时间，提高汽车维修作业的经济效益与社会效益。其次，采用此办法，可以防止误诊和漏诊，提高了诊断的准确率。再次，采用此办法所设计的故障树，具有很高的适用性和针对性，大大地减轻了故障诊断和维修技术难度。另外，采用此办法设计的故障树构建成诊断数据库，结合现代网络技术，就可以尝试进行远程故障辅助诊断。

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