基于故障树理论的CAN网络系统故障诊断分析与研究（上）

文：马明芳

CAN网络系统技术目前是汽车电子技术发展中的普遍成果，而且还在不断地发展中。不同的厂家、不同的车型上配备的CAN网络系统不尽相同。CAN网络系统的出现对于汽车发展来说有诸多优点，汽车上的各种电子装置与设备通过总线技术连接成一个网络环境，彼此之间进行数据交换和信息资源共享，减少和优化了汽车电子控制传感器和执行器的数量和配置，大大减少和优化了全车线束的数量和布局等等，使汽车的动力性、经济性和环保性等达到最佳。但是，对于汽车后市场服务的维修诊断技术提出了更高的要求，增加了难度系数和工作量。本文研究CAN网络系统的故障诊断，目的是建立起来关于汽车CAN网络系统的故障诊断模型，对其进行可靠性分析，分析CAN总线技术的典型故障的故障原因和故障部位，梳理其故障现象和故障原因之间的因果关系，使其复杂性和难度有所降低，对汽车维修后市场从业人员给予技术支持。

1.CAN网络系统故障诊断研究的国内外现状

对于国外CAN网络系统的故障诊断技术而言，大致采取2种方式：一种是通过故障诊断仪读取故障波形进行故障分析，另一种是通过检测电阻值进行故障分析。在很多专用的诊断设备里，已经存储了CAN总线的典型故障波形，只需技术人员能够分析对比，即可分析故障类型。但是，对于国外CAN网络故障诊断技术而言，它们还没有建立起来CAN总线技术的故障树，还缺少系统的综合研究和对比研究，只是处于个例和案例研究阶段，还有很大的研究空间。

在国内，对于CAN网络系统故障诊断技术的研究，相对于CAN网络系统的开发而言得到了足够的重视，很多一线技术人员和培训人员已经开始逐渐研究CAN网络系统的故障类别，力求把CAN总线的典型故障整理出来。本文也正是在这样的背景下产生的。

2.CAN网络系统故障诊断存在的问题

CAN网络系统无论是在国外还是在国内都处于快速发展的新兴技术领域，很多专家集中精力致力于其故障诊断技术的研究，虽然总结了一定的规律，也取得了一定的成绩，但是由于其系统的复杂性和技术难度大，对于CAN网络系统故障诊断在故障树理论研究方面一直处于空白阶段。CAN网络系统故障诊断研究方面还存在一定的困难和问题。

（1）CAN网络系统总线的结构组成和原理特性增大了进行故障诊断研究的难度系数。CAN网络系统涉及电子技术、计算机技术、自动化控制技术和机械技术等等，在一个网络结构中往往涉及多个电子控制单元，一个故障现象也往往涉及多个系统的故障原因，错综复杂的网络关系增大了CAN网络系统故障诊断研究的难度系数。

（2）CAN网络系统总线拓扑结构的复杂性决定了故障诊断与分析的艰巨性。现有车型的CAN网络系统多种总线联合运用，互相之间的彼此控制或者协调关系，使得故障分析相比较没有网络的车型而言难度加大，任务艰巨。

（3）CAN网络系统的故障诊断研究目前还处于起步阶段，没有大量的实际案例或者是数据的支撑，难以形成系统性和规范性。研究结论的准确性和可靠性取决于大量数据的分析和支撑，而CAN网络系统的故障诊断案例还比较少，还是处于发展阶段，缺乏系统的数据事实，给研究工作带来很大的困难，需要进行大量的实验积累。

（4）对于CAN网络系统故障诊断而言，到底采用什么样的研究方法才可以系统、真实、科学的形成研究结论，换句话说，采用什么样的分析方法更适合CAN网络系统故障诊断的研究，还有待于进一步分析确认。

尽管CAN网络系统故障诊断的研究存在一定的困难和问题，但是鉴于在汽车其他系统的故障诊断方面已经有了成熟的经验和积累，采用合适的研究方法也一定适用于CAN网络系统的故障诊断。

3.CAN网络系统故障诊断的研究方法

对于CAN网络系统故障诊断研究，针对故障现象分析最重要的就是对故障原因进行分析。而对于故障分析目前比较常见的分析方法有：故障树分析(FTA)、故障模式和影响分析(FMEA)、共同原因故障分析(CCFA) 方法等。

综合对比这几种常用的分析方法，故障树分析法—FTA（Fault Tree Analysis）是一种对复杂系统可靠性和安全性分析的有效方法。故障树分析法不仅可以分析单一故障原因所引起的系统故障，而且还可以分析由2个或多个部件同时损坏时才发生的系统故障，因此在复杂系统中被广泛应用。考虑到CAN网络系统的复杂性，采用故障树分析法比较合适。CAN网络系统故障比较典型，其相互之间的逻辑层次关系根据网络拓扑结构图分析，脉路分明，非常适合用故障树分析法进行层层分析演绎展开。故障树分析法是利用逻辑树状图形，把每一层事件相互之间的逻辑因果关系逐渐推理出来。树尖是顶事件，即所谓的故障现象，最底层是每一个具体不能再细分的故障原因，中间是承上启下的过渡原因。通过一层层的展开梳理，故障树分析法把导致顶事件的所有影响因素按照一定的工艺顺序、发生顺序或重要程度绘制出因果逻辑图，一目了然的分析出所有的故障原因，并且能够进行定性分析和定量分析，知道哪些原因或部件损坏会导致哪些故障出现，哪些故障的发生概率是多少。通过故障树分析，根据分析结果采取相应的措施，从而提高CAN网络系统的使用可靠性，减少故障率。

4.CAN网络系统的故障采集与分析

对CAN网络系统故障的数据采集是进行故障分析的前提，是建立故障树分析法研究故障率的第一步工作任务，也是确定故障原因的重要基础。只有对CAN网络系统进行准确、翔实、大量、深入和系统地故障分析，才能找出产生故障的所有原因，通过修理或者更换等后期补救措施，恢复CAN网络系统的正常性能。

（1）CAN网络系统故障分类

CAN网络系统的故障发生情况比较复杂，故障分类对于故障树的建立是必不可少的环节。CAN网络系统的故障发生情况不太固定，但是基本的故障类型是比较固定的。即使是混合故障发生时，只要遵循CAN总线基本故障的分析方法，依然能够准确分析混合网络故障类型。依照CAN总线网络故障的实际发生概率情况，CAN总线系统的典型故障分类如下。

CAN 总线网络系统故障分类为：CAN总线（CAN-H或CAN-L）对正极短路故障、CAN总线（CAN-H或CAN-L）对地短路故障、CAN总线CAN-H与CAN-L彼此之间短路故障、CAN总线（CAN-H或CAN-L）对某一控制单元断路故障、CAN总线CAN-H和CAN-L在某一段信号反向传输故障。

（2）CAN网络系统故障数据采集途径与记录

对CAN网络系统故障进行数据采集，把最为基础的、最为典型的、最为常见的故障信息采集出来，为故障树的建立采集第一手基础资料。因为CAN网络系统的故障追踪只能是来自企业一线实践积累，因此在采集信息时参照汽车维修企业和行业标准，制定CAN网络系统的故障记录表格，故障记录表格的主要内容详见图1。利用制定的故障记录表格，对CAN网络系统的实际故障进行跟踪记录。

本文中具体的CAN网络系统故障数据采集途径，主要来源于笔者本人亲自调研和实践采集和北京市的20家包括奔驰、宝马、奥迪在内的多个品牌连锁4S店。笔者对上述20家4S店关于CAN网络系统故障进行追踪，根据典型故障的归纳总结进行分析处理，填写图1所示的CAN网络系统故障记录表。通过3年时间的采集，笔者获取了110个关于CAN网络系统的典型真实故障，经过和企业专家的分类整理，归纳出17种故障事件。分总线类型对故障进行采集和分析。每种总线系统的故障均可以通过示波器调取信号波形，跟正常波形进行信号波形对比分析后得出典型故障的故障波形。在下文中涉及的所有用博世740调取的故障波形部分，均为本人在德国进修学习时获得的真实故障实验波形。

5.CAN总线系统诊断故障树模型

依据数据采集原则和途径，建立CAN总线系统诊断故障树模型如图2和表1所示。

图1 CAN网络系统故障记录表示例

图2 CAN总线系统诊断故障树模型

6.建立CAN网络系统故障树模型

通过前期对故障数据采集和分析，深入分析CAN总线系统的典型故障事件与故障原因之间的因果逻辑关系，建立CAN网络系统故障诊断的故障树模型，重点以CAN系统最为典型的故障“发动机不起动且仪表多项警告灯报警”的故障树为例进行分析和推理。

（1）CAN系统故障树各级事件的选取

CAN系统故障树顶事件就是系统分析最不希望发生的事件，也是显著影响CAN总线网络系统可靠性水平的重大故障事件。本文选取CAN网络系统瘫痪故障——发动机不起动且仪表多项警告灯报警（T）作为整体故障树的顶事件。依据CAN系统的网络拓扑结构原理图和故障原因分析结果，把此CAN网络系统中与本故障征兆相关的系统或电压分配器进一步逐层细分，依次选取为中间事件：N10/1带熔丝和继电器的前侧信号采集及促动控制SAM控制单元（A1）、X30/34车内控制器区域网络(CAN)/驾驶室电压分配器插座(A2)、X30/31底盘控制器区域网络(CAN)/驾驶室电压分配器插座(A3)、X30/30底盘控制器区域网络(CAN)/车架地板总成电压分配器插座(A4)、A13电动驻车制动器控制单元(A5)。底事件是导致发动机不起动且仪表多项报警的各系统发生的直接和不可再分的原因。本文所建立的CAN系统故障树分为5层：顶事件(T)、第2层（A1-A5）、第3层（B1-10）、第4层(C1-C4)、底层（X1-X45）。故障树中涉及的所有事件详见表4、表5。

表1 CAN总线系统故障事件代码及名称

表2 CAN系统故障树所用到的逻辑门和事件符号及含义

（2）CAN系统故障树的建立

在建立CAN系统故障树所用到的逻辑门和事件符号及含义见表2。

CAN的常见故障模式当前显性显示的故障征兆：“发动机不起动且仪表ESP、ABS、AB等多项警告灯报警”为顶事件，采取正向推理原理，一直搜索到底事件即故障原因。

CAN系统的网络拓扑结构如图3所示。发动机不起动且多项仪表报警灯报警，属于CAN系统网络瘫痪的典型故障表征。根据故障诊断仪进入N92网关初诊的结果并且结合图3可知，主要故障原因与N10/1（带熔丝和继电器的前侧信号采集及促动控制SAM控制单元）、X30/34（车内控制器区域网络 (CAN)/驾驶室电压分配器插座）、X30/31（底盘控制器区域网络 (CAN)/驾驶室电压分配器插座）、X30/30（底盘控制器区域网络 (CAN)/车架地板总成电压分配器插座）、A13（电动驻车制动器控制单元）等几方面有关系。

图3 CAN网络系统拓扑结构原理图

（待续）