一种电子系统的故障分析方法

技术领域

本发明涉及电子系统故障分析技术领域，具体是一种电子系统的故障分析方法。

背景技术

对于功能高度综合化、资源需求灵活化、应用环境多样化的大型复杂电子系统，进行所有可能的故障模式及其可能产生的影响分析，是寻找发现设计缺陷和薄弱环节，进而指导设计师有针对的采取改进和补偿措施，提高其可靠性水平的必要工作。但是，传统故障分析工作使用的FMECA(故障模式影响及危害性分析)、FTA(故障树分析)、ETA(事件树分析)等分析方法对于多资源、灵活调度架构下的电子系统的故障分析非常不完善，具体表现在：(1)FMECA分析层次和分析因素简单，传统的按产品约定层次分析的流程只能进行上下层次间的单一故障传递关系的递推，无法分析在多产品层次嵌套的电子系统中下层多重原因产生上层多重故障的网状故障传递情况；(2)在FMECA定量分析中，对故障模式影响概率β的确定，通常按经验设定，无有效的计算方法，偏差可能很大；(3)各层次产品的FMECA分析依赖该层次产品的基本失效率，未与产品的实际失效情况结合，由故障模式产生的失效率过于保守，定量分析偏差大；(4)FTA定量分析和ETA定量分析中计算的基础数据均需要依赖FMECA的各层级分析数据，囿于FMECA分析过程不完善、分析数据不准确的缺陷，导致FTA定量计算和ETA定量计算结果与实际情况偏差大。上述方法缺陷使得新研大型复杂电子系统开展故障定量分析非常困难，分析结果通常不能全面、准确反映设计现实，成为当今故障分析领域的难题。大型、复杂、多功能、多状态的包含多层级嵌套、多种产品形态的电子系统的故障分析和影响评价工作是一项繁复的工作，由于上述传统故障分析方法的局限性，进一步导致其工作结果未能与可靠性预计工作融合，削弱了传统故障分析工作在系统设计中的应用价值。

发明内容

为克服现有故障分析技术的不足，本发明提供了一种电子系统的故障分析方法，解决现有技术存在的定量分析偏差大、可信度低、应用场景狭窄等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种电子系统的故障分析方法，利用属性集族创建电子系统的初始属性模型，然后构建属性模型的初始计算参数集合，再基于初始计算参数集合递推完成故障分析参数集合的构建，最后利用故障分析参数集合开展故障影响评价，从而构建出最终属性模型、完成电子系统的故障分析。

作为一种优选的技术方案，电子系统的属性模型表示为属性集族S，S＝{P，G，FM，U，T，C，V}；

其中，

P是产品集合，P表示为：P＝{(P

G是产品功能集合，G表示为：G＝{G

FM是产品故障模式集合，FM表示为：FM＝{FM

U是产品故障分析参数集合，U表示为：U＝{(λ

T是产品工作时间集合，T表示为：T＝{t

C是产品危害度集合，C表示为：C＝{(C

V是产品故障传递关系集族，V表示为：V＝{VC，VE}，VC是产品的故障原因集合，VC表示为VC＝{VC

作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：

S1，创建电子系统初始属性模型：定义电子系统的属性模型为属性集族，确定电子系统的初始状态集；

S2，构建属性模型的初始计算参数集合：确定多嵌套网状故障传递属性模型的初始计算所需的参数集；

S3，构建属性模型的故障分析参数集合：对全电子系统层次产品的故障分析参数进行递推分析，确定多嵌套网状故障传递属性模型的影响概率；

S4，评价故障影响：基于步骤S1至S3，开展故障影响评价，确定危害度集合，从而构建出电子系统的最终属性模型S、完成电子系统故障分析。。

作为一种优选的技术方案，步骤S1包括以下步骤：

S11，定义电子系统的属性集族S；

S12，定义电子系统的属性模型的初始状态集族S

S13，构造电子系统的属性模型的产品集合P：从电子系统的顶层到电子系统的底层，逐级定义产品集合P的元素(P

S14，构造电子系统的属性模型的产品功能集合G：分析电子系统各层次产品的功能信息，遍历构造P

S15，构造电子系统的属性模型的产品故障模式集合FM：结合电子系统产品功能信息，分析电子系统各层次产品的故障模式，遍历构造P

S16，构造电子系统的属性模型的产品故障传递关系集合V：根据步骤S13得到的产品集合P、步骤S14得到的产品功能集合G、步骤S15得到的产品故障模式集合FM，确定多嵌套网状故障的传递关系。

作为一种优选的技术方案，步骤S16包括以下步骤：

S161，构建产品的故障原因集合VC：遍历产品集合P中产品层次为l(1≤l≤H)、节点序号为m的元素(P

S162，构建产品的故障影响集合VE：遍历产品集合P中产品层次为i(1≤i≤H)、节点序号为j的元素(P

作为一种优选的技术方案，步骤S4包括以下步骤：

S21，定义初始计算参数集合SA：表示为SA＝{U

S22，构建故障分析初始参数集合U

S23，构建产品工作时间集合T：通过分析各层次产品P

作为一种优选的技术方案，步骤S3包括以下步骤：

S31，确定递推计算层次：设相邻层次产品中当前层次为第i层次，高一层次为第l层次；其中，l＝i-1，初始递推计算时i＝H；

S32，构建高一层次影响概率集合β

S33，计算相邻层次中高一层次产品P

根据与FM

其中，

λ

X

λ

β

t

t

S34，计算相邻层次中高一层次产品P

在完成产品P

其中，λ

S35，计算相邻层次中高一层次产品P

根据以下公式遍历计算相邻层次中高一层次产品P

其中，α

S36，遍历计算高一层次全部产品的故障分析参数：重复步骤S33至步骤S35，直至遍历完成第l层次全部X

S37，遍历确定计算全部层次产品的故障分析参数：重复步骤S31至步骤S36，直至遍历完成计算全部H个层次产品的故障分析参数。

作为一种优选的技术方案，步骤S3中，当FM

β

局部单故障模式产生单故障影响时：

当FM

当FM

局部单故障模式产生多重故障影响时：

当FM

局部多故障模式产生单故障影响时：

当N(N≥2)个故障模式共同作用产生同一个高一层次影响FM

其中，

β

W

作为一种优选的技术方案，步骤S3中，局部多故障模式产生单故障影响时，

若单元工作状态为热备，λ

若单元工作状态为冷备，λ

作为一种优选的技术方案，步骤S4包括以下步骤：

S41，依据系统定义的严酷度类别集合Q定义各层次产品故障模式FM

S42，确定与VE

C

其中，

β

t

S43，确定各层次故障模式的危害度C

其中，

C

R表示VE

FM

C

S44，确定各层次产品危害度C

其中，

C

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

本发明提出一种电子系统的故障分析方法，提高该类故障传递系统的FMECA定量分析的完整性和准确度，将FMECA定量分析结果及枚举理念应用到可靠性预计工作中，丰富了可靠性定量预计方法；可广泛应用于可靠性工程领域(如：FTA分析，危险分析等)，提高了可靠性分析工作的全面性、充分性和有效性；适用于功能高度综合化、资源需求灵活化、应用环境多样化的大型复杂电子系统。

附图说明

图1为电子系统的属性模型及构建方法的示意图；

图2为电子系统的初始属性模型创建流程图；

图3为电子系统的产品组成示意图；

图4为电子系统各层次产品的功能信息示意图；

图5为电子系统各层次产品的故障模式示意图；

图6为电子系统共因故障下的故障模式关系示意图；

图7为电子系统的初始属性模型示意图；

图8为电子系统属性模型的初始计算参数集合构建流程图；

图9为电子系统属性模型的故障分析参数集合构建流程图；

图10为多重故障影响传递属性模型示意图；

图11为多单元表决故障传递属性模型示意图；

图12为2单元并联故障传递属性模型示意图

图13为多因故障传递属性模型示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1至图13所示，本发明提供一种电子系统的故障分析方法，以电子系统为分析对象，采用属性模型进行FMECA定量分析，尤其适用于大型、复杂、多功能、多状态的包含多层级嵌套、多种产品形态的电子系统，尤其适用于多嵌套网状故障传递模式。本发明中，关于多嵌套网状故障传递模式的说明：多嵌套指存在多个层级的故障模式，网状指多个故障原因与多个故障影响的传递关系交叉，故障传递指故障从底层到顶层的传递过程。

本发明提出一种电子系统的故障分析方法，提高电子系统的FMECA定量分析的完整性和准确度，将FMECA定量分析结果及枚举理念应用到可靠性预计工作中，丰富了可靠性定量预计方法。

本发明公开了一种电子系统的故障分析方法，适用于功能高度综合化、资源需求灵活化、应用环境多样化的大型复杂电子系统。

包括以下步骤：

(一)定义电子系统的属性模型为属性集族，根据分析对象组成、功能、故障信息及故障信息传递关系等，采用功能-故障枚举法，确定电子系统的初始状态集，创建电子系统的初始属性模型；(二)结合可靠性工程数据，根据最低层次产品失效率、故障模式频数比、故障模式失效率和各层次产品的工作时间，构建多嵌套网状故障传递属性模型的初始计算参数集；(三)采用分解法和递推法，简化故障传递关系属性模型，递推确定全系统层次产品的故障分析参数，构建属性模型的故障分析参数集；(四)完成各层次产品故障影响评价，最终形成电子系统的属性模型。本发明不仅提高了电子系统的FMECA定量分析的完整性和准确度，而且将FMECA定量分析结果及功能-故障枚举理念应用到可靠性预计工作中，丰富了可靠性定量预计方法，提高了工作成果的应用价值。

为了便于理解，本实施例提出适用于电子系统的属性模型及构建方法的实施具体实例，具体如下：

1)电子系统的属性模型及构建方法

参阅图1。图1中给出了电子系统的属性模型及构建方法的示意图，该方法包括四个步骤：①创建电子系统初始属性模型→②构建属性模型的初始计算参数集合→③构建属性模型的故障分析参数集合→④评价故障影响，形成电子系统的属性模型。

2)创建电子系统的初始属性模型

参阅图2。图2中给出了电子系统的初始属性模型创建流程，该流程包括六个步骤：①定义电子系统的属性集族S→②定义属性模型的初始状态集族S

(1)定义电子系统的集族S

将电子系统表示为属性集族S，S＝{P，G，FM，U，T，C，V}

其中，

P是产品集合，表示为：P＝{(P

G是产品功能集合，表示为：G＝{G

FM是产品故障模式集合，表示为：FM＝{FM

U是产品故障分析参数集合，表示为：U＝{(λ

T是产品工作时间集合，表示为：T＝{t

C是产品危害度集合，表示为：C＝{(C

V是产品故障传递关系集族，表示为：V＝{VC，VE}，其中，VC是产品的故障原因集合，表示为VC＝{VC

(2)定义属性模型的初始状态集族S

根据初始故障分析需要，定义初始故障分析用的状态集族S

S

(3)构造属性模型的产品集合P

从分析对象电子系统的顶层到电子系统的底层，逐级定义产品集合P的元素(P

(4)构造属性模型的产品功能集合G

参阅图4，按照电子系统的产品组成，分析各层次产品的功能信息，遍历构造P

(5)构造属性模型的产品故障模式集合FM

参阅图5，结合产品功能集合G，分析电子系统各层次产品的故障模式，遍历构造P

参阅图6，对于产品P

当最低层次为元器件时，可优先利用GJB299获取产品的故障模式信息。

(6)构造属性模型的产品故障传递关系集合V

参阅图7，根据前述分析得到的产品集合P、产品功能集合G、产品故障模式集合FM，确定多嵌套网状故障的传递关系。

首先，分析产品的故障原因，构建产品的故障原因集合VC。遍历构建与产品P

然后，分析产品的故障影响，构建产品的故障影响集合VE。遍历构建与产品P

3)构建属性模型的初始计算参数集

参阅图8，图中给出了电子系统属性模型的初始计算参数集合构建流程，包括：定义初始计算参数集SA、构建故障分析初始参数集U

(1)定义初始计算参数集SA：表达为SA＝{U

(2)确定最低层次产品的定量分析可靠性参数，构建故障分析初始参数集U

通过收集产品组成最低层次(即第H层次)产品P

当最低层次为元器件时，可优先利用GJB299获取产品的失效率和故障模式频数比；当最低层次产品的上述参数不能通过GJB299获取时，可结合工程应用中的故障统计数据确定。

对于最低层次的某特定产品P

λ

(3)构建产品工作时间集合T

通过分析各层次产品P

4)构建属性模型的故障分析参数集

参阅图9，自底向上，通过相邻层次产品的故障传递关系递推确定全系统层次产品的故障分析参数，方法如下：

(1)确定递推计算层次

设相邻层次产品中当前层次为第i层次，高一层次为第l层次；其中，l＝i-1，初始递推计算时i＝H。

(2)构建高一层次影响概率集合β

根据与FM

当i≥2时，存在FM

对多嵌套网状故障传递属性模型，采用分解法将复杂的故障传递关系简化为基于局部故障模式的三种情况：局部单故障模式产生单故障影响、局部单故障模式产生多重故障影响、局部多故障模式产生单故障影响。

①局部单故障模式产生单故障影响

当FM

当FM

②局部单故障模式产生多重故障影响

参阅图10，当某故障模式FM

③局部多故障模式产生单故障影响

参阅图11，当N(N≥2)个故障模式共同作用产生同一个高一层次影响FM

其中，

β

W

对多单元表决属性模型故障传递属性模型，当单元工作状态为热备时，λ

特别地，对于2单元并联故障传递属性模型，参阅图12，两个故障模式FM

(3)计算相邻层次中高一层次产品P

对FM

参阅图13，根据与FM

其中，

λ

X

λ

β

t

t

(4)计算相邻层次中高一层次产品P

在完成产品P

其中，λ

(5)计算相邻层次中高一层次产品P

根据以下公式遍历计算相邻层次中高一层次产品P

其中，α

(6)重复(3)～(5)，直至遍历完成第l层次全部X

(7)重复(1)～(6)，直至遍历完成计算全部H个层次产品的故障分析参数。

5)评价故障影响，形成属性模型

(1)在故障传递属性模型中，依据产品危害度集合Q定义系统各层次产品故障模式FM

(2)确定与VE

C

其中，

β

t

确定各层次故障模式的危害度C

其中，

C

R表示VE

FM

C

(3)确定各层次产品危害度C

其中，

C

6)电子系统的属性模型及构建方法的应用拓展

根据4)提供的方法中由式(7)计算出的电子系统各层次产品的失效率，可视为通过功能-故障枚举法获取的各层次产品可靠性预计值，可广泛应用于可靠性工程领域(如：FTA分析，ETA分析等)，提高了可靠性分析工作的全面性、充分性和有效性。

本发明提出的分析流程和方法，不仅为产品设计人员开展功能高度综合化、资源需求灵活化、应用环境多样化的大型复杂电子系统的FMECA定量分析提供了完整和准确的处理方法，而且为采用计算机可读程序代码方式实现功能高度综合化、资源需求灵活化、应用环境多样化的大型复杂电子系统的FMECA定量分析提供了解决方案。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。