基于故障模式与故障树的车载系统电磁兼容问题分析方法∗

常 歌 孙艳超 林 健

（1.海军研究院系统工程所 北京 100036）（2.中国船舶重工集团公司第722研究所 武汉 430205）

1 引言

随着现代电气电子技术的高速发展，当今世界涌现出了多种电子信息装备平台，其中车载机动式系统的应用最为广泛。车载系统在有限的空间范围内集成了众多设备，包括车载底盘供电用电设备、ECU单元、传感器、上装通信设备、办公自动化设备等，其电磁环境非常复杂，各电子设备可能会通过天线、接地系统、电源系统、互连总线系统及空间中的辐射场产生电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）问题，从而导致系统总体性能降低。电磁兼容性问题根源的隐蔽性极大地增加了故障诊断和定位的难度。

本文以故障模式分析为基础，提出车载系统电磁兼容故障树的建树原则并对故障树进行分析，进而诊断可能的故障原因。基于以上方法对车载系统的电磁兼容问题进行分析，能够系统、有方向性、有逻辑地对出现的电磁兼容问题进行分析研究，很大程度提高了电磁兼容故障的诊断效率，节省了解决问题的时间，对确保系统高效工作大有裨益。

2 故障模式与故障树分析理论

2.1 故障模式分析理论

故障模式影响分析（Failure Mode and Effects Analysis，FMEA）［1］是一种定性分析方法，采用的是“自下而上”的逻辑归纳法，从系统结构的最低级开始，根据对每个功能单元故障模式的了解跟踪到系统级，从而决定每个故障模式对系统功能的影响［2］。其目的是通过分析，了解影响系统功能的关键性零部件的故障情况，以便采取措施改进设计。

FMEA分析过程为：根据系统的复杂程度、重要程度、技术成熟性、分析工作的进度和费用约束等，确定系统中进行FMEA的产品范围；分析明确系统中的产品在完成不同的任务时所应具备的功能、工作方式及工作时间等；制定与分析判断系统及系统中的产品正常与故障的准则；找出系统中每一产品所有可能出现的故障模式，并确定相应故障模式所产生的影响及严重度；确定每一个故障模式产生的原因；分析故障模式的特定检测方法，为系统的故障检测与隔离设计提供依据；对影响严重的故障模式，提出设计改进和使用补偿的措施；根据FMEA结果，找出系统的缺陷和薄弱环节，并制定和实施各种改进与控制措施，以提高产品的可靠性。

2.2 故障树分析理论

故障树分析（（Fault Tree Analysis，FTA）是以故障树作为模型对系统进行可靠性分析的一种方法，是应用最广泛的一种自上而下逐层展开的图形演绎的分析方法［3］。在系统设计过程中通过对可能造成系统失效的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素）进行分析，画出逻辑框图（故障树），从而确定系统失效原因的各种可能组合方式或其发生概率，以计算的系统失效概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法。

FTA一般实施步骤为：选择合理的顶事件和系统的分析边界和定义范围，并且确定成功与失败的准则；基于已知技术资料，建立故障树；求出故障树的全部最小割集，用于指导故障诊断；根据底事件的故障概率，确定顶事件的发生概率，确定每个最小割集的发生概率，从而确定每个最小割集的发生对引起顶事件发生的重要程度。

2.3 故障模式与故障树的关系

对于大型系统而言，常将FTA与FMEA配合使用。FMEA分析虽然简单易行，却比较繁琐，在实际应用中容易出现疏漏。FTA分析从故障后果寻找原因，通过割集分析可以计算出各个底事件也就是各故障事件的重要度，按照重要度的大小进行排列，相比起FMEA更加精确，并在很大程度上提高分析效率。FTA可以作为FMEA的一种补充，弥补FMEA 的缺陷［4］。

3 车载系统电磁兼容问题的故障模式分析

车载系统整车电磁兼容主要是指环境对车载系统的影响、车载系统各个功能子系统之间的相互干扰、各系统内部设备之间的相互干扰等。鉴于车载系统电磁兼容的特殊性，对其进行FMEA分析时，采用常规的硬件法或功能法都不能完全体现车载系统设备组件之间的相互干扰关系。因此在车载系统的系统划分中，本文从电磁兼容三要素［5］出发划分系统定义，这有利于实现对车载系统电磁兼容性故障的分析［6］。

3.1 干扰源系统

车载电磁干扰源大致分为三类：自然干扰源、人为干扰源和车载干扰源。自然干扰源主要包括雷电、静电和自然辐射等；人为干扰源是指汽车外部产生电磁干扰的人工装置，主要包括其他车辆点火系统的辐射干扰，车外的雷达、无线电台发射机、移动通信设备等发射的电磁波干扰，以及高压输电线的电晕放电等；车载干扰源主要是指车上产生各种电磁干扰的车载电器，其故障指的是这些车载电器产生的电磁干扰超过忍受限值［7］。

对于车载系统而言，车载电磁干扰源对汽车内部电子装置工作可靠性造成的影响比来自车外的自然和人为电磁干扰源大一些。本文主要研究车载干扰源系统。其示意图（只列部分示例）如图1所示。

图1 车载干扰源系统示意图

对干扰源系统中子系统进行故障分析［8］，列出子系统故障模式表（只列部分示例）如表1所示。

根据故障模式分析理论列出发电机FMEA表［9～10］（示例）如表2所示。

表1 干扰源系统故障模式表

3.2 耦合途径系统

干扰源和受扰设备在一起，就有从一方到另一方的潜在干扰路径，这就是电磁干扰的耦合途径。干扰源和受扰设备间的耦合方式有两种：传导耦合和辐射耦合。传导耦合是指电磁噪声在电路中以电流或电压形式，通过金属导线或其它无源器件（如电容、电感、变压器）耦合至被干扰设备（电路）；辐射耦合是指电磁噪声的能量，以电磁场能量的形式通过空间传播，耦合到被干扰设备（电路）。

本文所述的耦合途径系统是指车载系统中的电磁干扰通过某种方式耦合到敏感设备而导致设备损坏或不能正常工作，其故障指的是切断耦合途径的措施失效。这些具体方式共同构成耦合途径系统，这些方式包括电源线、搭铁线、信号线、地址线、数据线、CAN总线、控制线等。其示意图如图2所示。

图2 车载耦合途径系统示意图

对耦合途径系统进行故障分析，列出故障模式表（只列部分示例）如表3所示。

表2 发电机FMEA表

表3 耦合途径系统故障模式表

根据故障模式分析理论列出电源线FMEA表（示例）如表4所示。

表4 电源线FMEA表

3.3 敏感设备系统

敏感设备是指受干扰影响的系统、设备或电路。车载敏感设备系统示意图如图3所示。

对敏感设备系统进行故障分析，列出故障模式表（只列部分示例）如表5所示。

图3 车载敏感设备系统示意图

表5 敏感设备系统故障模式表

根据故障模式分析理论列出ECU的FMEA表（示例）如表6所示。

4 车载系统电磁兼容问题的故障树分析

根据电磁兼容三要素定义的车载系统干扰源子系统、耦合途径子系统、敏感设备子系统分别对应相应的故障树具有不同意义［11］。研究干扰源子系统故障树的主要目的在于找出导致该电子设备产生干扰的原因，从而利用故障模式分析得出的补偿措施加以改进，减小或消除干扰；研究耦合途径子系统故障树的主要目的在于找出电磁干扰传输至敏感设备的途径，从而利用故障模式分析得出的补偿措施加以改进，减小或隔离干扰；研究敏感设备子系统故障树的主要目的在于找出导致该设备失效的干扰源，从而利用故障模式分析得出的补偿措施加以改进，阻隔该干扰源的影响。敏感设备系统故障处于三个系统的最外层，只有对敏感设备系统进行了故障树分析，才能找到导致故障的干扰源与耦合途径，进而分析干扰源系统与耦合途径系统［12］。本文主要针对敏感设备系统故障树进行研究。

基于故障树的建树原则及其车载系统电磁兼容的特殊性提出车载系统电磁兼容故障树建树原则，包括内容如下。

表6 ECU FMEA表

1）顶事件由电磁兼容故障模式分析中故障模式担任；

图4 ECU带孔缝屏蔽腔体耦合电磁兼容故障树

2）电磁干扰发生则必然存在干扰源、耦合途径、敏感设备，以电磁兼容三要素作为引起顶事件发生直接原因的第二级；

3）鉴于敏感设备系统故障模式表中故障模式是以耦合途径划分的，因此在敏感设备系统故障树分析中，第二级已经确定了两个要素，唯一需要确定的是干扰源查找的过程；

4）干扰源系统中分析了车载系统中主要干扰源特性及其可能的影响，可为敏感设备系统故障树分析的第二级干扰源要素提供继续划分的依据。

以ECU的带孔缝屏蔽腔体耦合故障模式为例说明电磁兼容故障树的建立及分析过程。ECU带孔缝屏蔽腔体耦合故障树如图4所示。

由下行法求解最小割集见下文。根据图4故障树可得布尔表达式：

将式（1）展开并化简，得到故障树最小割集表达式为

根据式（2），带孔缝屏蔽腔体耦合故障子树共27个最小割集，任何割集的发生都有可能导致ECU故障，若用试验方法确定故障来源仍较繁琐。基于重要度概念，对最小割集的重要度进行排序，选择重要度较高的割集进行分析，可极大提高故障定位效率。

最小割集重要度表示各个最小割集对设备故障（顶事件）的贡献［13］，定义为

其中P(Ci)为最小割集Ci的发生概率，PT为故障树顶事件的发生概率。

根据实际工程经验统计可得各底事件的发生概率如表7所示。

根据带孔缝屏蔽腔体耦合故障树及上表可计算得到顶事件的概率为PT=0.13。

根据式（3）可计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个，从最小割集的重要度分析，其它22个最小割集发生的可能性较小。在电磁兼容问题分析及故障定位时，可以依据重要度排序，依次进行相关试验，这可以极大提高故障诊断的效率，避免了问题分析的盲目性。

表7 底事件的发生概率表

表8 最小割集的重要度表

5 结语

本文基于故障模式与故障树分析理论提出车载系统电磁兼容问题分析方法，以车载系统电磁兼容故障模式分析表为基础建立电磁兼容故障树，并分析得到其最小割集及其重要度，根据重要度顺序依次进行电磁兼容试验，对出现的电磁兼容问题进行研究，此方法可在很大程度上提高车载系统电磁兼容故障诊断的效率，避免了问题分析的盲目性。