陳　榮，劉　富

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京　100088)

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芯片信息加載故障診斷的故障樹分析法

陳榮，劉富

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100088)

針對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)芯片信息加載故障診斷中出現(xiàn)的依賴技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)、診斷效率低下等問(wèn)題，采用故障樹分析法對(duì)芯片信息加載故障進(jìn)行分析；通過(guò)芯片信息加載故障特性分析，建立故障樹；進(jìn)行定性、定量分析，根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果給出各底事件的發(fā)生概率，計(jì)算得出頂事件發(fā)生的概率；并給出芯片信息加載故障的預(yù)防和診斷方法。結(jié)果表明該方法能夠有效提高故障診斷效率，并減少故障發(fā)生率。

導(dǎo)航接收機(jī)；故障樹分析法；芯片信息加載；故障診斷；故障預(yù)防

0　引言

導(dǎo)航接收機(jī)芯片信息加載涉及到眾多的環(huán)節(jié)。一方面導(dǎo)航接收機(jī)生產(chǎn)廠家較多較雜，部分廠家未嚴(yán)格按照協(xié)議實(shí)現(xiàn)；另一方面由于信息加載設(shè)備不夠完善，芯片狀態(tài)多變等原因，芯片信息加載過(guò)程時(shí)有故障發(fā)生，輕則無(wú)法加載，影響正常使用，重則造成芯片損壞，接收機(jī)返廠。特別是對(duì)異地接收機(jī)的芯片信息加載故障往往需要多次往返，不僅影響正常使用，而且會(huì)造成人員、經(jīng)費(fèi)、時(shí)間的極大浪費(fèi)：因此對(duì)芯片信息加載的故障診斷顯得尤為重要。

目前對(duì)芯片信息加載的故障診斷主要依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，診斷效率較低且依賴少數(shù)有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員。本文采用故障樹分析法對(duì)芯片信息加載故障進(jìn)行定性和定量分析，以期提高故障診斷效率，并且找出容易造成芯片信息加載故障的薄弱環(huán)節(jié)，減少故障發(fā)生的概率。

1　故障樹分析法

故障樹分析(fault tree analysis，F(xiàn)TA )法是故障診斷技術(shù)中的一種有效方法。FTA法是將系統(tǒng)的各種故障原因(包括硬件、環(huán)境、人為因素)由總體至部分、按樹枝狀結(jié)構(gòu)自上而下逐層細(xì)化的分析方法，是用于大型復(fù)雜系統(tǒng)可靠性、安全性分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的一種普遍、有效的方法[1-4]。20 世紀(jì) 60 年代初，文獻(xiàn)[5]首先使用故障樹分析方法，對(duì)民兵式導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)的隨機(jī)失效問(wèn)題成功地做出了預(yù)測(cè)?；诠收蠘涞目煽啃苑治鲋饕峭ㄟ^(guò)定性和定量分析找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)確定故障源。

對(duì)故障樹進(jìn)行定性和定量分析的目的是找出其所有最小割集，確定頂事件和底事件的發(fā)生概率。故障樹的1個(gè)最小割集代表系統(tǒng)的1個(gè)故障模式，只要有1個(gè)最小割集存在，系統(tǒng)就處于故障狀態(tài)。在對(duì)故障樹進(jìn)行可靠性分析之前，作以下假設(shè)：1)底事件之間相互獨(dú)立；2)底事件和頂事件只考慮2種狀態(tài)，即正?；蚬收稀?/p>

設(shè)系統(tǒng)有K個(gè)最小割集K=(K1，K2，…，Kk)，在K個(gè)最小割集中，只要有1個(gè)最小割集發(fā)生，頂事件就發(fā)生。為了便于對(duì)故障樹作定性和定量分析，常采用結(jié)構(gòu)函數(shù)對(duì)故障樹進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)可表示為

(1)

式中每個(gè)最小割集Kj(1≤j≤k)是底事件Xi(1≤i≤n)(n：底事件數(shù)目)的積事件。通過(guò)結(jié)構(gòu)函數(shù)可以分析故障樹頂事件的發(fā)生概率 (系統(tǒng)不可靠度為FS，頂事件為T)為

P(T)=P(T)=p(k1+k2+...+kk)=

F1-F2+…+(-1)k-1Fk。

(2)

當(dāng)每個(gè)底事件發(fā)生概率<0.01時(shí)，可近似地認(rèn)為

FS≈F1-F2/2，

(3)

或者

(4)

2　芯片信息加載故障特性研究

影響芯片信息加載成敗的環(huán)節(jié)共有4個(gè)，分別是信息管理系統(tǒng)、便攜式信息加載設(shè)備、接收機(jī)、芯片。任何一個(gè)環(huán)節(jié)出問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致芯片信息加載失敗，如圖1所示。

信息管理系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致信息加載失敗的問(wèn)題，包括系統(tǒng)內(nèi)部錯(cuò)誤和人為操作失誤：系統(tǒng)內(nèi)部錯(cuò)誤指系統(tǒng)由于考慮不周、測(cè)試不充分導(dǎo)致的程序漏洞；人為操作失誤指各種會(huì)導(dǎo)致信息加載失敗的人為操作失誤，包括提交數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、錯(cuò)下數(shù)據(jù)和漏下數(shù)據(jù)。

圖1　芯片信息加載流程

便攜式信息加載設(shè)備會(huì)導(dǎo)致信息加載失敗的問(wèn)題，包括設(shè)備硬件故障、設(shè)備軟件故障和人為操作失誤(設(shè)備電量低導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法開機(jī))；設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的原因應(yīng)該歸因于信息管理系統(tǒng)，不屬于便攜式信息加載設(shè)備的錯(cuò)誤。安全存儲(chǔ)介質(zhì)在信息加載時(shí)通常和便攜式信息加載設(shè)備配合使用，會(huì)導(dǎo)致失敗的原因包括安全存儲(chǔ)介質(zhì)硬件故障和人為操作失誤(安全存儲(chǔ)介質(zhì)和便攜式信息加載設(shè)備不匹配)。

接收機(jī)會(huì)導(dǎo)致信息加載失敗的原因包括接收機(jī)硬件故障、接收機(jī)未按標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)(使用舊協(xié)議導(dǎo)致信息加載報(bào)錯(cuò)、使用舊軟件導(dǎo)致接收機(jī)顯示錯(cuò)誤、使用舊協(xié)議導(dǎo)致串口不通、未停止串口發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致報(bào)錯(cuò))。

芯片會(huì)導(dǎo)致加注失敗的原因包括原發(fā)性芯片硬件故障、芯片軟件出廠缺陷。

3　故障診斷方法比較

芯片信息加載不是一個(gè)像汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、運(yùn)載火箭之類的硬件系統(tǒng)，芯片信息加載涉及到4種硬件設(shè)備、1種軟件信息加載，以及一系列的人工操作。芯片信息加載成功的標(biāo)志是：信息成功加載，同時(shí)接收機(jī)能夠利用相關(guān)信息正常工作。由于芯片信息加載過(guò)程和一般硬件系統(tǒng)的差別，某些特定故障診斷方法，如基于物理化學(xué)現(xiàn)象的方法、基于信號(hào)處理的方法、基于傳感器的方法，明顯不適用于芯片信息加載的故障診斷。適合對(duì)其進(jìn)行故障診斷的方法主要包括基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法、基于案例推理機(jī)制(case-based reasoning，CBR)的方法、模糊診斷法、基于故障樹的方法。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法能夠?qū)崿F(xiàn)故障診斷的自動(dòng)化和智能化；但是該診斷方法屬于“黑箱”方法，不能揭示出系統(tǒng)內(nèi)部的一些潛在關(guān)系，無(wú)法對(duì)診斷過(guò)程給予明確解釋，無(wú)法給予清晰和一目了然的實(shí)踐指導(dǎo)，無(wú)法利用工程師的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)間較長(zhǎng)，并且對(duì)未在訓(xùn)練樣本中出現(xiàn)的故障無(wú)診斷能力[6-11]。

基于案例推理機(jī)制的方法是通過(guò)訪問(wèn)知識(shí)庫(kù)中過(guò)去同類問(wèn)題的求解從而獲得當(dāng)前問(wèn)題解決的一種推理模式。該方法應(yīng)用于故障診斷有廣闊的前景，對(duì)曾出現(xiàn)過(guò)的故障的診斷有較高的效率；但是應(yīng)用該方法需要積累起大量的故障診斷實(shí)例，同時(shí)對(duì)新機(jī)理的故障難以給出正確診斷：因此需要和其他故障診斷方法結(jié)合進(jìn)行[12]。

模糊診斷法認(rèn)為復(fù)雜系統(tǒng)的故障原因和相應(yīng)癥狀之間的相互關(guān)系一般沒(méi)有明確的規(guī)律可循，很難甚至不可能用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述；只能利用模糊數(shù)學(xué)分析方法來(lái)分析和處理。模糊診斷法一般和其他故障診斷方法結(jié)合使用。

基于故障樹的方法的優(yōu)點(diǎn)是：能夠?qū)崿F(xiàn)快速診斷；知識(shí)庫(kù)很容易動(dòng)態(tài)修改，并能保持一致性；概率推理可在一定程度上被用于選擇規(guī)則的搜尋通道，提高診斷效率；診斷技術(shù)與領(lǐng)域無(wú)關(guān)，便于將工程師在工作和科研實(shí)踐中獲取的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)應(yīng)用起來(lái)；建立的故障樹可以給人清晰直觀的感受，便于指導(dǎo)實(shí)際的故障診斷。

基于各種故障診斷方法的分析比較，本文采用基于故障樹的方法對(duì)芯片信息加載進(jìn)行故障診斷。

4　芯片信息加載故障樹分析

4.1建立故障樹

根據(jù)故障樹頂事件的定義，確定“芯片信息加載失敗”作為頂事件。根據(jù)芯片信息加載故障特性，按照建立故障樹的基本規(guī)則和方法，依次列出中間事件，用或門連接各事件后從上而下推理出底事件，建立故障樹圖，如圖2所示?？梢钥闯鑫覀兘⒌墓收蠘涫菃握{(diào)關(guān)聯(lián)故障樹。

圖2　芯片信息加載故障樹圖

圖2中各符號(hào)含義如表1所示，共有 9 項(xiàng)中間事件、17 項(xiàng)底事件。根據(jù)芯片信息加載故障記錄，得出各底事件概率。

4.2故障樹分析

利用故障樹定性分析法中的上行法來(lái)求解故障樹的最小割集，經(jīng)簡(jiǎn)化、吸收，得到全部17 個(gè)最小割集分別為17個(gè)底事件{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、 {X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}。

由式(2)可以計(jì)算出頂事件概率P(T)=20.625%。頂事件概率偏大主要是由2項(xiàng)底事件“芯片軟件出廠缺陷”和“使用舊軟件導(dǎo)致顯示錯(cuò)誤”概率偏大造成的。其他各項(xiàng)底事件概率均在可接受范圍內(nèi)。

從各中間事件、底事件概率中可以看到，中間事件“接收機(jī)未按標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)”概率最高，這是符合目前芯片信息加載實(shí)際情況的。由于接收機(jī)廠家繁多，總會(huì)有部分廠家由于溝通原因未按標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)，或者錯(cuò)誤地使用了舊版本的協(xié)議和軟件，這些都會(huì)導(dǎo)致芯片信息加載故障。

表1　芯片信息加載故障樹圖含義　(%)

“芯片軟件出廠缺陷”概率較高，該事件雖是偶發(fā)事件，經(jīng)過(guò)整改后可以解決；但是生產(chǎn)廠家必須要注意生產(chǎn)質(zhì)量，否則影響范圍會(huì)很大。

“信息管理系統(tǒng)內(nèi)部錯(cuò)誤”故障概率雖不高，但一旦出錯(cuò)，影響就是全局性的；生產(chǎn)廠家要提高責(zé)任心，加強(qiáng)測(cè)試力度，保證提交產(chǎn)品的質(zhì)量。

4.3芯片信息加載故障預(yù)防與診斷方法

芯片信息加載故障預(yù)防措施：1)加強(qiáng)宣貫力度，保證新版本的協(xié)議及時(shí)下發(fā)到每一家接收機(jī)廠家；2)在接收機(jī)測(cè)試環(huán)節(jié)增加接收機(jī)協(xié)議一致性測(cè)試，確保接收機(jī)嚴(yán)格按照協(xié)議實(shí)現(xiàn)；3)芯片和信息管理系統(tǒng)生產(chǎn)廠家要加強(qiáng)測(cè)試，保證提交產(chǎn)品的質(zhì)量。

芯片信息加載故障診斷方法：參照芯片信息加載故障樹圖，結(jié)合具體故障現(xiàn)象，逐項(xiàng)排查故障。排查順序?yàn)榻邮諜C(jī)、芯片、安全存儲(chǔ)介質(zhì)、便攜式信息加載設(shè)備、信息管理系統(tǒng)。

5　實(shí)際應(yīng)用

通過(guò)為期半年的實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明上述故障預(yù)防和診斷方法可以有效降低故障率、縮短故障診斷時(shí)間。通過(guò)實(shí)施故障診斷辦法，業(yè)務(wù)人員可以更快速地實(shí)施故障診斷，故障診斷從動(dòng)輒數(shù)小時(shí)乃至數(shù)天，到平均耗時(shí)控制在1 h以內(nèi)；通過(guò)實(shí)施改進(jìn)措施，故障率畸高的2項(xiàng)底事件“芯片軟件出廠缺陷”和“使用舊軟件導(dǎo)致顯示錯(cuò)誤”的概率大大降低；通過(guò)實(shí)施故障預(yù)防措施，底事件“未停止發(fā)送串口數(shù)據(jù)導(dǎo)致報(bào)錯(cuò)”和“使用舊協(xié)議舊軟件導(dǎo)致串口不通”的概率也得以降低，頂事件的概率從而得以顯著降低，達(dá)到了降低故障率的目的。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文采用故障樹法對(duì)芯片信息加載故障進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)芯片信息加載故障特性的分析，建立了芯片信息加載故障樹圖，并進(jìn)行了定性和定量分析，給出了芯片信息加載故障預(yù)防和診斷的方法。經(jīng)過(guò)為期半年的實(shí)際應(yīng)用證明，本文提出的故障診斷和故障預(yù)防措施是有效的，可以較好提高故障診斷效率，減少故障出現(xiàn)概率。下一步將開展故障樹和模糊診斷、基于案例推理機(jī)制方法相融合的故障診斷方法的研究。

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Fault tree analysis on fault-diagnosis of chip information loading

CHEN Rong，LIU Fu

(Beijing Satellite Navigation Center，Beijing100088，China)

Aiming at the problem of the experience dependency and diagnostic inefficiency in the process of the fault-diagnosis of chip information loading by the navigation receiver，this paper studied the fault-diagnosis of information loading based on the fault tree analysis：building the fault tree was built through analyzing the fault characteristics of chip information loading；the qualitative and quantitative analysis was carried out for fault-diagnosis，the bottom-event occurrence rate was given with the statistical results of faults and the top-event occurrence rate was calculated then；meanwhile，the prevention measure and diagnosis method were presented finally.Result showed that the proposed method could increase the fault diagnostic efficiency and decrease the fault incidence rate.

navigation receiver；fault tree analysis；chip information loading；fault-diagnosis；trouble-saving

2015-10-29

陳榮(1978—)，女，江蘇南通人，工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航和裝備可靠性及維修性。

10.16547/j.cnki.10-1096.20160302.

P228

A

2095-4999(2016)03-0006-04

引文格式：陳榮，劉富.芯片信息加載故障診斷的故障樹分析法[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2016，4(3)：6-9.(CHEN Rong，LIU Fu.Fault tree analysis on fault-diagnosis of chip information loading[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(3)：6-9.)