基于系統工程框架的汽車電控系統可靠性方法研究與應用

韓 虎，李云霞，滑文山，王震華，段 楠

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

0 引言

汽車工業發展歷經百余年，從最初的純機械系統逐步演變成機電一體化系統，到當今的軟件定義汽車技術［1-2］。隨著汽車產業以智能化、網聯化、電動化、共享化為代表的“新四化”發展趨勢要求，汽車電控系統的功能邏輯、架構設計以及容錯設計逐漸變得復雜化，這樣就會給系統可靠性的保證帶來諸多問題與挑戰，尤其是在電控系統領域方面。

系統可靠性分析一直是可靠性工程研究中的關鍵點與難點［3］。對于汽車系統來說，高安全性和高可靠性一直是汽車領域研究者孜孜不倦追求的目標。FMEA 是一種公認的汽車可靠性分析工具，已經被廣泛應用于汽車機械結構和電子控制單元硬件設計中［4-9］，對于如何應用在側重汽車軟件級電控系統，鮮有文獻進行報道。本文立足于系統工程思維角度，結合系統可靠性分析工具FMEA，對汽車電控系統的可靠性方法進行研究與應用，提供一種識別復雜系統風險因素的新思路，增強汽車電控系統可靠性設計。

1 系統工程思想

1.1 系統工程概要

汽車電控系統在汽車技術革命過程中扮演著不可替代的作用，其在整個汽車系統所處的位置如圖1 所示，通常由傳感器、電子控制單元和執行器組成，集成度高且復雜，汽車電控系統開發是一項兼具挑戰與復雜的系統工程。它所涉及的零部件數量眾多，所使用的工程學科領域知識寬廣，設計復雜性及難度極高。電控系統作為整體所產生的價值主要來自各組成部分的相互聯系和相互作用關系，而且遠遠超過各組成部分的單獨貢獻之和。系統工程是分析解決復雜系統的論證、設計、生產和使用中評價決策和權衡優化問題有效方法和手段［10］。系統工程是一種有邏輯的思維方法。

圖1 汽車電控系統的位置

系統工程有多種定義，文獻［11］將系統工程定義為“系統工程是一個正式的流程，用于開發一個復雜的系統，由一組既定需求驅動，這些需求源自系統在整個生命周期內的預期任務”。國際系統工程協會（INCOSE）

將系統工程定義為［12］“系統工程是一種使系統能夠成功實現的跨學科的方法和手段”。系統工程專注于：在開發周期的早期階段定義客戶需要與所要求的功能性，將需求文件化，然后再進行設計綜合和系統確認，并同時考慮完整問題，即運行、成本、進度、性能、培訓、支持、試驗、制造和退出。系統工程把所有學科和專業群體綜合為一種團隊的努力，形成從概念到生產再到運行的結構化開發流程。系統工程以提供滿足用戶需要的高質量產品為目的，同時考慮所有客戶的業務和技術需要。

遵循系統工程要求，依據對汽車電控系統的規格要求，識別構成電控系統的各要素及工作機理，對電控系統進行邊界劃定及架構設計，識別出各個子系統核心接口，同時，對系統可能存在的失效模式進行分析，并根據結果對車輛運行影響的失效嚴重度、發生度和探測度，識別出關鍵失效模式，并定義相應的改進或防止措施，并指定責任人在系統開發和測試時采取措施并制定落實計劃［13］。汽車電控系統開發的最終目標是滿足利益相關者的要求和需求。

1.2 汽車電控開發V流程

在系統工程生命周期領域，常見的模型有瀑布模型［14］、螺旋模型［15］和“V”形模型［16］。在汽車行業，V模式開發是一個已經公認的高效模式，汽車電控系統開發過程也遵循這個過程。圖2 所示為經典的V 模式開發流程，涵蓋了從系統層面到軟件層面以及集成后的功能測試和系統測試等流程，其理念就是通過協同合作，使得電控系統設計達到高效與高質兼得目的。

圖2 汽車電控系統開發V流程

汽車機械、電子控制系統、電氣硬件和軟件開發間存在著千絲萬縷的相互聯系，使得我們必須要有一個綜合完整的開發過程。這個過程包含開發的各個步驟，從用戶需求分析到最終的電控系統的驗收測試。V 模型的特點是流程嚴格有序，一個階段必須在上一階段完成后才能進行，并且每個開發階段都對應一個測試階段，每個橫向層級形成一個閉環，每個縱向層級一環扣一環，這樣能有效保證汽車電控系統產品可靠性與質量。

1.3 FMEA使用背景

失效模式及影響分析FMEA 是在產品設計和過程設計早期階段采用的一種風險分析技術，是一種在產品和過程開發中對潛在問題予以事先考慮和闡述，并能采取預防措施和探測措施以避免發生問題或防止不合格產品流出的分析方法，旨在提高產品的可靠性和質量。

FMEA是對所關注的系統（這里指汽車電控系統）進行系統性分析，以識別系統潛在的失效模式、失效起因、失效影響的系統化程序［17］。成功實現FMEA方案的最重要因素之一是及時響應性。在產品的整個生命周期內，FMEA 的使用階段在產品質量先期策劃APQP 各階段安排如表1 所示，要求在開發周期的早期階段實施。

表1 產品質量先期策劃對應各階段的FMEA時間安排

2 電控系統FMEA開發方法

系統FMEA是一種設計FMEA，重點是整個系統特有的功能和關系，關注系統特有的功能以及系統與相鄰系統之間的接口。電控系統FMEA 側重于由電子電氣部件組成的系統FMEA分析，分析系統所處的上下文交互環境以及系統內部各要素之間交互的信息與關系，主要關心軟件的設計，希望通過軟件的設計，提前規避系統一些潛在發生失效風險。電控系統FMEA 的分析流程如圖3 所示，從分析思路來說，“V”形左半部分屬于系統分析，其主要目的是分析電控產品的組成以及功能和要求的實現方式，屬于正向分析過程；“V”形右半部分屬于系統分析之上的失效分析和風險降低，屬于反向分析過程；結果文件化屬于總結反饋及風險溝通。從技術和管理角度來說，策劃和準備、結果文件化都屬于管理過程，而中間的結構分析、功能分析、失效分析、風險分析、優化改進則是層層遞進的技術過程，理解它們的關鍵是：失效的因果關系來源于功能的因果關系。

圖3 電控系統FMEA分析流程

從7 步法的結構框架視角可以看出，電控系統FMEA更系統性的從輸入開始，經過一系列分析過程，將分析后的結果輸出，以達到產品質量和安全性的要求，是一個具有強邏輯嚴謹的系統思維過程。啟動電控系統FMEA工作，主要包括以下內容。

（1）策劃與準備階段。為電控系統FMEA 的開始和進行創造有利條件，通過所收集的要求，確定分析對象的類型為電控系統FMEA，以及分析的邊界及關注點。要求按來源可分為法律法規要求、行業要求、顧客要求和內部要求。收集包含這些要求的文件或信息是策劃和準備階段中的重要工作。

（2）結構分析階段。明確所關注系統結構上的框架以及內部構成要素。組成系統的要素可以是各種系統、子系統、零部件。針對電控系統而言，組成它的要素這里定義為系統、子系統和部件。建立了所關注系統可視化結構上的框架及構成，就為功能分析階段的展開建立了物質基礎。

（3）功能分析階段。在結構框架的基礎上把所關注系統的功能和要求依次進行展開，確保顧客／法規指定的功能和要求被合理的分配到對應的系統要素。產品或零部件的功能一般可以分為主要功能、次要功能、個體功能、防止損害功能和自我保護功能。掌握這些功能類型，可以減少在功能識別時的遺漏。

（4）失效分析階段。針對分析出的所關注系統功能，全面進行逐條功能失效分析，識別其潛在失效的因果關系，即失效影響、失效模式和失效起因。

（5）風險分析階段。針對分析出的每條失效鏈所涉及的失效起因，評估預防控制措施從而為確定發生度評級提供基礎。針對失效起因／失效模式，確定探測措施（比如，診斷處理方案、功能走查、代碼動靜態測試、臺架及整車測試等），為確定探測度評級提供基礎。每個失效鏈采取措施的優先級可通過嚴重度、發生度、探測度值進行判定。

（6）優化改進階段。根據評價的風險狀態，對措施優先級為中或高的失效鏈進行優化改進，降低至低風險。

（7）結果文件化階段。把前述的分析結果形成文件，進行總結與溝通。將分析過程中確定的失效預防措施和探測措施補充到相關技術規范／文檔和測試驗證計劃中，對電控系統開發過程形成迭代反饋促進。

3 后處理顆粒捕集器案例應用

汽車是一個非常復雜的系統，由于篇幅所限，案例以滿足國六排放法規的后處理柴油機顆粒捕集器DPF控制系統為例進行FMEA分析與應用。

3.1 策劃與準備

案例的分析對象是柴油機顆粒捕集器DPF 控制系統，如圖4 所示，用于滿足國六排放法規對顆粒物數量和質量的要求。它安裝在發動機排氣管路中，經過發動機燃燒室燃燒后的廢氣流經到DPF系統中，捕集廢氣中的顆粒物后，將處理后的廢氣流出，處理后的廢氣滿足法規要求。后處理DPF 系統涉及柴油氧化催化器DOC、柴油顆粒捕集器DPF、DOC入口／出口溫度傳感器、DPF壓差傳感器和HC噴射器。

圖4 后處理DPF系統

3.2 結構分析

“結構”定義為事物各個組成部分的搭配和排列。結構中各個組成部分稱為結構元素，與組織結構圖中的機構和崗位一樣，結構元素之間也存在著上下層次以及相同層次的邏輯關系。

分析產品實現時，首先要識別相關要求，然后再分析這些要求的實現方式。在項目策劃初期，已經收集了要求，現在要考慮實現。而考慮實現的第一步就是要明確由誰能夠實現這些要求。這時只看到產品的整體是不夠的，必須要深入到它們的內部結構，因為正是這些結構元素最終實現了這些要求。

作為結構分析的基本工具，運用方框圖和結構樹可以把結構元素識別得完整且清晰。方框圖是一種圖形化的分析工具，它可以把產品的內部組成部分宏觀地展現出來，進而描繪出它們之間以及它們和外部元素的交互作用。根據對DPF控制系統的分析，形成的DPF控制系統方框圖如圖5 所示。它的內部結構元素為排氣管路、DOC、DPF、燃油噴射器和DPF 碳載量感應器。與它交互的外部元素為發動機、燃油供給系統、駕駛員和外部環境。通過DPF控制系統方框圖可以更容易理解設計的結構以及功能的交互作用，進而減少DPF控制系統功能和失效分析的遺漏，而這些都是有效問題預防的基礎。

圖5 DPF控制系統方框圖

結構樹是一種簡單地表示產品結構的圖形化方法，它把產品按層次進行分解，然后把得到的結構元素按照層次分明的形式展現出來。圖6 為DPF 控制系統的結構樹展示，根層級為DPF控制系統，下一層級為構成DPF控制系統的各結構元素。

圖6 DPF控制系統方框圖

在對產品進行結構分解時，可以采用模塊化的思路，對于電控系統來說，不如機械零部件結構那樣層次分明，需要人為按照功能分類抽象模塊，直到較低層次的功能單元，完成電控系統的結構層次分解。結構分析具體要分解到多么詳細的層次，取決于實際的項目需求。

3.3 功能分析

功能分析過程要立足于所分析對象的不同層次結構元素，能夠識別它們的功能和要求，并連接這些具有因果邏輯關系的功能和要求。同時，頂層的功能和要求被拆解到各組成部分的功能和要求，并一直拆解到較低層元素的功能和要求。通過對DPF 控制系統的結構分析，可以總結出DPF控制系統的功能及要求如圖7 所示。就上下層具有因果關系的功能和要求來說，DPF 控制系統層級的功能和要求得以實現的原因是下層級DPF碳載量感知及DPF 再生控制兩部分相應功能和要求得以實現，而下層兩部分的功能和要求實現的目的是實現上層DPF控制系統層級的功能和要求。

圖7 DPF控制系統功能網

為了準確地把握產品設計的界限并減少失效識別的遺漏，需要精準地識別功能的期望范圍，所以，要求的各個方面也應該在功能分析過程中得到體現。很多功能都能體現為輸入和輸出的轉化關系，能把施加給所要分析對象的輸入轉化為它的輸出。對于這樣的功能，首先需要識別分析對象的輸入和輸出，然后把功能描述成把輸入轉化為輸出的關系。

3.4 失效分析

電控系統的結構和功能都確定后，對系統進行失效分析，圖8 展示了電控系統FMEA 的多層級關聯。電控系統級別的失效起因是下一級別（例如，子系統4）的失效模式，子系統級別的失效模式是電控系統級別的失效起因，部件級別的失效影響是子系統級別的失效模式。在這一步，識別出所有可能的潛在失效是關鍵。為了盡可能地識別出所有可能的失效，需要總結一下失效的類型。常見的失效類型有范圍失效、偏差失效、時間失效和夾帶失效等。不僅要用常見失效類型識別潛在失效，也需要考慮和引入相似產品和過程的經驗教訓。經驗教訓包含了歷史上發生過的問題描述以及原因分析，它不僅反思了問題沒有成功預防以及沒有被探測出來的原因，還包含了有效解決該問題的措施。

圖8 電控系統FMEA各層級失效關聯

分析完DPF 控制系統的功能后，基于分析出的功能，對DPF控制系統的潛在失效進行分析。圖9 為列舉的DPF控制系統潛在失效鏈，中間層級的功能失效模式（如，感知DPF內捕集的顆粒物含量過低）對上一層級功能失效產生影響（如，增加DPF再生燒裂風險，無法滿足PM和PN的法規要求），中間層級的失效模式是由下一層級的失效起因（如，轉換成電壓信號過低）導致，失效模式、失效影響與失效起因形成了一條邏輯性強的失效鏈。

圖9 DPF控制系統失效鏈（部分示例）

3.5 風險分析

風險應對措施主要分為預防措施和探測措施，前者的意義在于杜絕失效原因的發生或者降低其發生的概率，而后者的目的是發現問題的發生和發展，從而啟動反應措施。風險分析確定了當前的預防措施和探測措施，并評價了當前風險大小，作為接下來觸發優化改進的基礎，如果風險得不到正確評價，評價的風險就不能反映實際情況，優化改進的重點就會發生偏差。

用于評估風險等級的方法有很多，比如風險優先數RPN、風險矩陣和措施優先級AP 等。措施優先級AP 遵循了FMEA以失效預防為目的的方法，本文使用措施優先級AP作為風險等級評估。

作為風險分析的基本工具，圍繞失效鏈的措施分析可以把預防和探測措施識別得完整而有條理。為了把探測措施正確實施到位，需要對這些措施制定到驗證計劃中并追蹤執行。

3.6 優化改進

在優化改進步驟中需要仔細審視所分析的失效鏈以及當前的措施，然后基于風險的三個單項指標和措施優先級，努力思考改進的機會，策劃、執行、評估進一步的預防和／或探測措施來降低風險，優化改進所從事的電控系統設計。定義優化改進措施完成后，需要指定責任人和目標完成時間，然后執行和追蹤這些優化改進措施，完成后再評估措施的有效性，如果措施沒達到預期的效果，則需要重復此優化改進的過程，直到風險可以接受為止。

根據風險分析章節所得出的DPF控制系統措施優先級均為低，不需要對其進行優化改進。

3.7 結果文件化

在本環節，要把電控系統FMEA 形成文件，梳理分析內容，對功能的開發方式進行總結和交流，新增的功能分析內容可以納入到產品開發FMEA 庫里，為其他項目的FMEA分析提供復用和借鑒參考。

4 結束語

汽車是一個復雜系統綜合體，其安全與可靠性始終是汽車工程師矢志不渝地追求的高標準。汽車電控系統為汽車領域帶來技術革新的同時，也伴隨著系統失效風險的增加。本文提出的基于系統工程思維框架，將系統工程方法與FMEA方法進行結合，以一種新的視角去研究DFMEA邏輯要點，并進行電控系統DFMEA 操作解析，并以滿足國六排放法規的后處理DPF控制系統為案例進行應用，可為汽車電控系統安全性、可靠性分析工作提供借鑒參考，不斷提升電控產品開發質量。