间歇故障

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间歇故障是指故障持续一段有限时间，不经任何修复性维护活动，随后又自行恢复执行所需功能能力的一种故障。

中文名:称间歇故障

英文名称:intermittent fault

定　　义故障持续一段有限时间，不经任何修复性维护活动，随后又自行恢复执行所需功能能力的一种故障。

应用学科:通信科技（一级学科），运行、维护与管理（二级学科）

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目录

定义

间歇故障是指故障持续一段有限时间，不经任何修复性维护活动，随后又自行恢复执行所需功能能力的一种故障。 间歇故障时随机出现的和消失的故障，它没有明确的模式或频率。重复出现和消失，主要由系统内部的缺陷（不稳定的硬件和软件）引起，而发生与否取决于某些特定的系统条件。间歇故障是一种间歇发生、难以预料的物理现象。一个有间歇故障的系统，在间歇故障活跃期时，系统会产生错误结果；在间歇故障不活跃时，系统故障又将输出正确结果。间接故障的特点是：在线检测能发现，而离线检测难以发现。

产生原因

系统中产生间歇故障的原因多种多样。机电系统中轴承和连杆机构的不均匀磨损、裂隙；齿轮装置中部分轮齿断裂、磨损；液压设备中阀门和汽缸的密闭性不严等均会导致间歇故障。在输配电系统中，开关和继电器的开合操作，机械应力、化学用腐蚀和人为破坏导致的绝缘层损坏会使得不同电缆之间以及电缆与大地间出现间歇电弧故障，在电子设备尤其是大规模集成电路中，由于制造工艺不佳和不规范使用等导致的芯片管脚和连线松动， 以及环境中不同器件之间的电磁辐射和干扰等均会导致间歇故障的发生。在计算机系统中，接口不牢、电磁干扰和软件缺陷，也会导致系统间歇故障。对于通信系统和传感器网络，信道帯宽约束、量化误差、网络拥塞和节点竞争等也会使信息传输过程出现间歇故障。另外，设备运行过程中温度、湿度和机械应力等环境条件的变化也会导致间歇故障的发生。

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研究意义

间歇故障现象在生产和生活中十分普通，对系统性能和设备安全构成了巨大的威胁。在机电系统中，机内测试(Built-in test，BIT)系统是保证系统可靠性、提高可维护性和降低维修成本的重要装置，而间歇故障是导致BIT系统出现虚警和影响设备可靠运行的主要原因。在机电动力装置中经常出现的故障行为也大都是间歇性故障，例如牵引机本的电机系统就经常出现间歇故障；另外，现代工业生产中感应电机的应用非常普遍，消耗了85% 左右的工业电力资源，而间歇故障是其主要的故障形式。另外，输配电系统中的电弧放电现象。集成电路中电信号不规则波动等均是常见的间歇故障，严重影响设备的正常运行。

在电子电路系统中，间歇故障严重影响设各性能。例如，数字电子设备功能紊乱主要由间歇故障引起，而异常表现通常会在系统重启后消失，给故障检测帯来困难。混合电路中间歇故障发生频率是永久故障的10~30倍，是造成系统失效的主要原因。数字电路系统中间歇故障占所有可能发生故障的90%，消耗了大部分维修费用，且随着技术和检测手段的进步，针对电子数字电路系统永久故障的检测和维修费用不断降低，但针对间歇故障的检测和维修费用却变化不大。研究中利用实验表明：在大规模集成电路中，平均每7700小时发生一次永久故障，而平均每100小时就会发生一次间歇故障。在通信系统中，间歇故障也非常普遍，是影响通信质量和缩短设备寿命的重要因素。来自美军装备和电子工业的统计数据表明，在战场维修中，非永久故障（主要是间歇故障）占所有故障的50%以上，是造成不必要的维修、过早的设备更换等，造成了巨大的资源浪费。 除了传统的机械和电子设备之外，在现代尖端科技领域中间歇故障也时有发生，对设备的可靠性运行造成严重影响。例如，在航天器系统中，间歇故障在控制器中时有发生，严重影响容错控制系统的正常工作，甚至导致航天器失稳；在高铁系统的牵引电机、配电设备和传感器系统中间歇故障也经常出现，对列车安全行驶构成严重威胁。

因此，对间歇故障的机理和特性进行深入分析，探究针对间歇故障特点的故障诊断方法对于提高系统的可靠性与安全性、降低维修成本具有重要意义。

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分类方法

根据上述对间歇故障发生机理和表现形式的分析，在此对间歇故障进行分类:

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1.按照照故障重复出现的方式可以分为：周期性间歇故障和非周期间歇故障；

2.按照故障幅值特点，可以分为：固定幅值故障和时变幅值间歇故障；

3.按照不同时刻故障之间的相关性可以分为：独立间歇故障和相关间歇故障。

诊断难点

间接故障诊断极具挑战性，一直是故障诊断领域国内学者极力想解决的难点问题之一。间歇故障的出现可用图1进行定性地描述。如图1所示，数字“1”表示间歇故障状态及持续时间，数字“0”表示恢复状态及持续时间。 和 分别表示第1次和第n次间歇故障爆发的时间、频率、概率及故障幅值或者说强度都具有一定的随机性，而且不同产品间歇故障的失效机理不尽相同，有的间歇故障是由接触不良引起的，而且有的是由于单粒子翻转引起等。正是由于间歇故障的随机性，给其诊断带来了极大的困难。

诊断现状

定性分析的方法

基于定性分析的故障诊断主要依赖对系统运行机理、故障特性以及故障行为与成因之间因果关系等先验信息的分析，利用逻辑推理的方法检测和分离故障。目前，基于定性分析的间歇故障方法可以分为基于图论的方法、基于Petri网的方法、基于离散时间系统的方法等，另外还有少数从定性分析的角度对间歇故障的可诊断性进行描述的文献。

定量分析的方法

基于定量分析的故障诊断方法通过对研究对象构建数学模型或者利用系统运行过程的各种测量数据，得到能够表征故障对系统性能影响程度的残差信息，然后对残差进行相应的分析以达到故障诊断的目的。目前基于定量分析的间歇故障诊断方法可以分为基于模型的方法和基于数据的方法两大类，其中基于模型的方法包括基于解析模型的方法和基于统计模型的方法；基于数据的方法可以分为基于统计特征分析的方法和基于决策优化的方法等。除此之外，还有部分基于实验方法的间歇故障诊断研究成果也值得关注。

调试

交互式驱动程序调试器是个有效的工具，但是一些故障是依赖于时间的，当使用断点或单步运行时，这些故障可能会消失，下面介绍几种解决这种问题的技术。

计数器

可用一对计数器在驱动程序中执行几种检测。例如，计数器计算有多少个IRP到达驱动程序且有多少个被发送到IoCompleteRequest，或者在更高级别的驱动程序中，计算分配的IRP数目和能跟踪的IRP泄露数目。类似这样的检测有助于发现驱动程序中微妙的矛盾。这种方法唯一的缺点是它们不能提供问题的所在位置。

事件位

另一个有用的技术是收集位标志，位标志在驱动程序中跟踪重要事件的发生。每一位代表一个特定的事件、事件发生的时间，驱动程序令相应位置位，计数器全局跟踪驱动程序行为，事件位提供有关执行代码部分的信息。

跟踪缓冲器

事件位和计数器均不能提供有关执行代码序列的信息，作为备选方案，可添加一个简单的跟踪机制，当执行驱动程序的不同部分时，该机制在特殊缓冲器中制作项。在异步或双工驱动程序中，跟踪意外作用时，跟踪缓冲器非常有用。跟踪缓冲器比计数器和事件位占用更多的CPU时间，这对时间敏感的故障不是很理想。

执行跟踪缓冲器的基本步骤为：

（1）为驱动程序添加跟踪缓冲器数据结构，通常结构应出现在设备扩展中，以便在设备基础上发生跟踪；

（2）在跟踪缓冲器中定义宏来制作项，随着其它调试代码，把跟踪宏和条件编辑声明合在一起；

（3）在驱动程序的不同位置，插入跟踪宏的调用；

（4）书写调试器扩展来读出跟踪缓冲器的内容。

待解决问题

目前，对间歇故障诊断的研究还很不充分，理论研究尚处于探索阶段，缺乏系统性的研究成果；尚未提出针对间歇故障特点的专门故障诊断方法。在对间歇故障的研究中，存在一些亟待解决的问题：

（1）间歇故障的严格定义和衡量指标的问题。目前对于间歇故障只有定性的描述，一般把随机发生、时有时无、可自行消失的故障称为间歇故障，缺乏统一明确的严格定义和衡量指标。

（2）间歇故障特点对故障诊断效能的影响问题。目前的研究大都未考虑间歇故障的可检测条件，对间歇故障在什么条件可检测没有给出定量的评价指标；另外，现有的成果在间歇故障的随机性、间歇性等对故障检测速率和检测率等的影响方面也缺乏系统性的理论分析。

（3）间歇故障检测阈值的选取问题。不同于永久故障的检测，因为间歇故障时有时无的特点，其检测阈值的设定十分困难。目前尚未见到关于如何设计间歇故障检测阈值的研究结果。在后续研究中，可以考虑自适应阈值和基于能量的阈值设计方法。

（4）强干扰条件下间歇故障的检测。间歇故障对系统状态的影响与外界扰动和噪声对系统的影响极为相似，很容易被掩盖，从而导致诊断的失败。目前的研究主要利用概率分析的方法来区分外界扰动和间歇故障对系统性能的影响，但需要已知间歇故障发生的概率，这在很多情况下是不可能的。

（5）闭环系统中间歇故障的诊断。目前对间歇故障的研究大都是在开环系统的框架下进行的。而在闭环系统中，由于反馈的补偿作用，使得系统对故障具有一定的天然容错能力，因此闭环系统的故障诊断成为故障诊断领域的研究难点，而间歇故障因为闭环系统自身的容错能力而更加难以诊断。

（6）微小间歇故障的诊断。目前对间歇故障诊断的研究大都是基于故障幅值或能量在一定界限之上的假定。然而，间歇故障发生在初期，其幅值和能量很小，此时可以称其为微小间歇故障，既具有间歇性，随机性（周期性）和反复性的特点，又受到幅值低、能量小的限制，其检测和诊断更加困难。然而，微小间歇故障的准确诊断可以有效提高系统的可靠性与安全性，对实际工业过程具有重要意义。