2. 设备故障机理与场景分类

要对设备做虚拟故障注入，第一步不是写脚本，而是把“设备可能怎么坏”讲清楚。故障机理回答的是“为什么会坏、坏在哪里、以什么形式表现出来”，场景分类回答的是“这些坏法如何被组织成可注入、可观测、可判定的测试场景”。两者结合，才能形成一份真正能驱动测试的故障清单。

一、五个维度的典型故障模式

工业设备通常可拆成机械、电气、控制、通信、软件五个维度。每个维度的失效物理不同，注入手段和观测点也不同。

• 机械维度：磨损、疲劳、卡滞、松动、偏心、润滑失效。典型表现是振动频谱出现转频或倍频分量、温升、噪声、位置偏差。例如某输送辊轴承内圈剥落，会在振动信号中出现约 1×转频及其谐波，并伴随包络谱中的轴承故障特征频率（BPFO/BPFI）。
• 电气维度：绝缘老化、接触不良、短路、断路、过压欠压、三相不平衡。表现为电流异常、温升、保护动作。例如接触器触点氧化导致接触电阻从 20 mΩ 升至 300 mΩ，负载电流下降、触点温升上升。
• 控制维度：传感器漂移、执行器响应迟滞、PID 参数失配、限幅饱和、逻辑互锁失效。表现为设定值与反馈值持续偏差、超调、振荡或响应变慢。
• 通信维度：丢包、延迟抖动、错帧、总线负载过高、节点掉线。表现为周期报文超时、数据跳变、从站离线。
• 软件维度：内存泄漏、任务阻塞、状态机死锁、配置错误、版本不兼容。表现为响应变慢、任务周期抖动、异常重启。

需要强调的是，真实故障常是跨维度的因果链：机械卡滞导致电机电流升高，进而触发过流保护，最终表现为通信中断。因此故障清单不能只按维度孤立罗列，还要记录耦合关系。

二、故障场景分类方法

把故障模式转成测试场景，建议按四个正交维度分类，便于组合与去重：

1. 故障类型：突变型（如断线、掉电）、渐变型（如漂移、磨损）、间歇型（如接触不良、偶发丢包）。
2. 发生位置：传感器、执行器、控制器、通信链路、供电、机械本体。
3. 时间特征：发生时刻、持续时间、是否周期性重复、是否与工况相关。
4. 严重程度：轻微偏差、功能降级、保护动作、停机。

例如“温度传感器在运行 30 分钟后以 0.5 ℃/min 速率漂移 +8 ℃，持续 20 分钟”就是一个完整场景描述：渐变型、传感器位置、延迟发生、功能降级。这种描述可直接映射为注入参数。

三、从故障模式到可注入场景的映射

下图给出五维度故障模式、分类维度与注入/观测手段之间的对应关系，帮助把“机理”落到“可执行的注入点”。

四、建立故障清单与优先级

故障清单不是简单列表，而是一张可执行的工作表。建议字段包括：场景编号、维度、故障模式、注入位置、注入参数、观测点、判定阈值、严重度、发生概率、可检测性、优先级。其中优先级可用风险优先数 RPN = 严重度 S × 发生概率 O × 可检测性 D 计算，S/O/D 各取 1～5 分。

以某伺服驱动单元为例，示例参数如下（属教学假设，非实测）：

RPN 越高，越应优先注入。F-001 虽然 RPN 不高，但严重度满分且可检测性极好，适合作为冒烟场景先跑通注入链路；F-002 的 RPN 最高，因为漂移不易被立即发现，需要长时间观测趋势。

五、实操要点

建立清单时，先按维度穷举故障模式，再用四维分类法去重和补全时间/程度信息，最后逐条填写注入参数与观测点。注入参数必须可量化，例如“丢包率 10 %”而不是“通信变差”；观测点必须可采集，例如“伺服状态字 bit3 过流标志”而不是“看是否异常”。

对于跨维度耦合链，建议在清单中增加“上游场景”和“下游影响”两列，把机械→电气→控制的传播路径显式记录下来。这样在注入上游故障时，可以同步观测下游是否按预期连锁，从而验证保护逻辑和诊断算法的有效性。

完成后的清单应能直接回答三个问题：这条故障怎么注入、注入后看哪里、看到什么算通过或失败。若某条场景无法回答其中任一问题，说明它还不具备可执行性，需要继续细化参数或补充观测手段。