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故障排查的“方法論”

經(jīng)驗(yàn)分享篇

機(jī)器人是一個(gè)綜合性比較高的產(chǎn)品，涉及多種學(xué)科的知識(shí)，如果沒(méi)有受過(guò)系統(tǒng)的機(jī)器人培訓(xùn)，面對(duì)故障時(shí)很可能一點(diǎn)頭緒都沒(méi)有。

我們?cè)跈C(jī)器人行業(yè)有些年頭了，自己做機(jī)器人，集成機(jī)器人，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試機(jī)器人，同時(shí)還負(fù)責(zé)給客戶們做技術(shù)支持。這么多年過(guò)去了我們也算是有了些設(shè)備調(diào)試、排錯(cuò)的經(jīng)驗(yàn)，所以想寫(xiě)下來(lái)給剛進(jìn)入機(jī)器人行業(yè)的研究者以及同學(xué)們參考，幫助大家少走些彎路。

不要著急歸因

故障發(fā)生時(shí)，很容易犯的一個(gè)錯(cuò)誤是，不對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)的排查，憑經(jīng)驗(yàn)直接下結(jié)論。確實(shí)憑經(jīng)驗(yàn)有時(shí)可以快速的解決問(wèn)題，但是一旦方向錯(cuò)誤了，花費(fèi)的時(shí)間可能比按照標(biāo)準(zhǔn)方法排查還要長(zhǎng)。所以我的建議是要嚴(yán)格遵循故障排查的基本原則，憑借經(jīng)驗(yàn)加速故障排查過(guò)程，而非省略某些過(guò)程。當(dāng)你確認(rèn)了現(xiàn)象與故障點(diǎn)之間的因果關(guān)系后，再進(jìn)行后續(xù)的步驟。

注意：緊盯系統(tǒng)給出的故障提示

很多人會(huì)因?yàn)殄e(cuò)誤碼太多，或者看不懂英文而忽視系統(tǒng)給出的錯(cuò)誤，憑借自己的推測(cè)進(jìn)行排查。這是不可取的，系統(tǒng)錯(cuò)誤信息往往包含故障的關(guān)鍵原因，有時(shí)候憑借故障碼手冊(cè)可以快速的定位到問(wèn)題。所以不論系統(tǒng)拋出的故障信息多么繁雜，一定要仔細(xì)查閱。

尋找故障的規(guī)律

有些故障可能是間歇性的、時(shí)有時(shí)無(wú)的。找到故障的規(guī)律，對(duì)問(wèn)題復(fù)現(xiàn)以及測(cè)試都是非常有利的。規(guī)律可能體現(xiàn)在時(shí)間維度上，比如在固定的時(shí)間點(diǎn)，或者固定的時(shí)間間隔；也有可能體現(xiàn)在其它維度上，比如機(jī)器人的關(guān)節(jié)在某個(gè)特定角度下，或者特定的運(yùn)動(dòng)模式下，或者在特定的環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)故障。在尋找規(guī)律時(shí)要仔細(xì)思考故障發(fā)生的時(shí)與平時(shí)正常運(yùn)行時(shí)的差別，任何細(xì)節(jié)都不放過(guò)。

構(gòu)建復(fù)現(xiàn)故障的最小系統(tǒng)

有效的故障排除法是在故障發(fā)生時(shí)，逐步關(guān)閉沒(méi)有問(wèn)題的模塊，直至找到復(fù)現(xiàn)故障的最小系統(tǒng)形態(tài)。我在開(kāi)頭也說(shuō)過(guò)，機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜度很高的產(chǎn)品，由多個(gè)組件多個(gè)軟件模塊構(gòu)成。要明白的是，不同的模塊出問(wèn)題時(shí)，機(jī)器人的現(xiàn)象有可能一致的，起碼在經(jīng)驗(yàn)不豐富的時(shí)候是很難分辨出來(lái)到底是什么地方出了問(wèn)題。所以我們要通過(guò)削減系統(tǒng)的方式，排除掉正常的功能模塊，將故障點(diǎn)凸顯出來(lái)，為后續(xù)的故障分析做準(zhǔn)備。

要有質(zhì)疑一切的心態(tài)

不怕系統(tǒng)發(fā)生大問(wèn)題，就怕系統(tǒng)發(fā)生小問(wèn)題。原因是大問(wèn)題的特征極其明顯，故障排查非常好做，但是小問(wèn)題的根源總是藏的非常深，很難找到。在故障發(fā)生后，要對(duì)所有技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)疑和驗(yàn)證，尤其是那些看似不容易出錯(cuò)的地方。有人可能會(huì)說(shuō)這樣做太浪費(fèi)時(shí)間了，但是要明白，如果真的是這些不容易出錯(cuò)的地方發(fā)生了錯(cuò)誤而你沒(méi)察覺(jué)，調(diào)試的時(shí)間可能要漲好幾倍。所以充分的質(zhì)疑是有必要的。推薦的做法是，對(duì)最小復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)中理應(yīng)正常的模塊進(jìn)行快速的驗(yàn)證，然后再排查那些不太容易排查的模塊，這其實(shí)也是在幫助我們進(jìn)一步獲得復(fù)現(xiàn)故障的最小系統(tǒng)。

等效替換與極限測(cè)試

最常用的故障排查方式是等效替換與極限測(cè)試。等效替換指的是將你認(rèn)為可能出問(wèn)題的地方進(jìn)行等效替換，然后觀察整個(gè)系統(tǒng)是否恢復(fù)了預(yù)期。替換包括實(shí)物的替換，軟件版本的替換，以及使用假的合理數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真。極限測(cè)試指的是在一些現(xiàn)象不是很明顯時(shí)，可以通過(guò)賦予系統(tǒng)參數(shù)極值的方法，放大某些現(xiàn)象從而尋找規(guī)律。不過(guò)使用時(shí)要注意極值帶來(lái)的系統(tǒng)的不穩(wěn)定，所以要做提前好保護(hù)措施，例如架空機(jī)器人，建立隔離區(qū)，以及準(zhǔn)備多種緊急停止的方案等，避免造成其它損壞。

系統(tǒng)性的知識(shí)體系

上面提到的故障排查方法其實(shí)都是方法論，決定方法論執(zhí)行好壞的是個(gè)人的知識(shí)體系是否健全。故障排查考察的是一個(gè)人對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)知的完整度，你是否明白系統(tǒng)是如何構(gòu)成的，是否知道各部分之間的關(guān)聯(lián)形式，以及你是否知道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)，都會(huì)對(duì)你排查故障起決定性作用。我們公司在對(duì)客戶進(jìn)行售后培訓(xùn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)和客戶強(qiáng)調(diào)不論研究重點(diǎn)是什么，都應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)性的了解機(jī)器人相關(guān)知識(shí)，了解機(jī)器人的構(gòu)造、控制模型以及各種限制，這不僅僅是為了排查故障，更是為了讓客戶充分發(fā)揮機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)服務(wù)于他們自己的研究。

尋求幫助的技巧

如果問(wèn)題已經(jīng)超出了你能解決的能力，或者你需要在短時(shí)間內(nèi)完成排查，那么你可能會(huì)通過(guò)多種渠道尋求他人的幫助，比如在一些網(wǎng)站上發(fā)帖或者直接聯(lián)系設(shè)備商尋求幫助。需要注意的是這些渠道的溝通往往缺乏時(shí)效性。為了盡快的解決問(wèn)題，溝通的技巧非常的重要。如果你經(jīng)常訪問(wèn)Github或者StackOverflow之類的網(wǎng)站，你會(huì)發(fā)現(xiàn)他們提供了很好的提問(wèn)模板，請(qǐng)盡量遵從它們，這非常有利于減少溝通次數(shù)。原因其實(shí)和上述描述的技巧有非常大的關(guān)系，如果你能準(zhǔn)確的描述故障的現(xiàn)象和規(guī)律、使用設(shè)備的環(huán)境與方法以及你做過(guò)的嘗試，其他人能夠快速跟進(jìn)到故障排查工作中，而非從頭開(kāi)始做起。而且描述的越準(zhǔn)確，越有利于幫助者判斷你的技術(shù)能力，進(jìn)而使用你能聽(tīng)懂的方式進(jìn)行溝通。如果你有過(guò)消費(fèi)產(chǎn)品售后咨詢的經(jīng)驗(yàn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)他們最一開(kāi)始問(wèn)的問(wèn)題都非常的基礎(chǔ)，甚至?xí)屇阌X(jué)得他們把人當(dāng)傻瓜看，但是這是避免出現(xiàn)“聽(tīng)不懂”以及“誤判”現(xiàn)象的最好的方法，畢竟售后不能在你提問(wèn)前先查詢你的經(jīng)驗(yàn)和能力。

典型的案例

For human，F(xiàn)or fun 我們做到了！

這里我會(huì)舉幾個(gè)我們公司排查故障時(shí)遇到的典型案例，供大家理解上述內(nèi)容的使用方法。

機(jī)器人定位丟失案例

有一次在客戶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試機(jī)器人，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在導(dǎo)航的過(guò)程中定位會(huì)突然丟失，而且不是頻繁發(fā)生，而是偶發(fā)性的（沒(méi)有時(shí)間上的規(guī)律）。我們最一開(kāi)始推斷可能是和場(chǎng)景有關(guān)（從環(huán)境的角度尋找規(guī)律），但是定位跳變程度遠(yuǎn)超平常見(jiàn)到的定位丟失形式（推斷被否定，但未驗(yàn)證），所以我們開(kāi)始讓車(chē)頻繁的在場(chǎng)地中運(yùn)動(dòng)（極限測(cè)試），然后觀察其在什么情況下會(huì)發(fā)生定位丟失的問(wèn)題（試圖尋找其它維度的規(guī)律）。具體的做法是當(dāng)定位丟失發(fā)生時(shí)，使用手柄控制機(jī)器人倒著追尋原有的路徑重新走過(guò)定位丟失的地點(diǎn)，然后觀察機(jī)器人的現(xiàn)象（觀察其它維度的變化）。經(jīng)過(guò)幾次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)定位丟失現(xiàn)象也會(huì)在手動(dòng)控制機(jī)器人時(shí)發(fā)生（初步發(fā)現(xiàn)規(guī)律），然后我們嘗試了改變環(huán)境（等效替換，嘗試排除正常的功能以構(gòu)建最小復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)），發(fā)現(xiàn)定位丟失依舊發(fā)生（基本確定和環(huán)境無(wú)關(guān)系），然后又發(fā)現(xiàn)故障復(fù)現(xiàn)的方式是在定位丟失的時(shí)刻，反復(fù)用手柄操控車(chē)經(jīng)過(guò)丟失點(diǎn)（極限測(cè)試），但是這個(gè)丟失點(diǎn)位置并無(wú)規(guī)律，所以我們推測(cè)問(wèn)題與車(chē)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，和環(huán)境無(wú)關(guān)，結(jié)合機(jī)器人的定位方式（知識(shí)體系），我們推測(cè)車(chē)的里程計(jì)出了問(wèn)題（新推斷）。這個(gè)時(shí)候我們將定位導(dǎo)航功能關(guān)閉，僅保留車(chē)的里程計(jì)計(jì)算部分（嘗試構(gòu)建最小復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)），然后觀察里程計(jì)的信息是否會(huì)發(fā)生跳變（驗(yàn)證規(guī)律的假設(shè)），經(jīng)測(cè)試確實(shí)是里程計(jì)的信息發(fā)生了跳變（現(xiàn)象從定位丟失，縮小到了里程計(jì)跳變）。因?yàn)槔锍逃?jì)是通過(guò)輪編碼器獲得的，所以我們推測(cè)編碼器的數(shù)值有問(wèn)題（再一次嘗試縮小問(wèn)題，提出假設(shè)），然后我們將編碼器的數(shù)值進(jìn)行了記錄，觀察其在定位丟失時(shí)的變化情況。經(jīng)觀察確定了編碼器值有異常跳變的問(wèn)題。這里編碼器值跳變有可能是編碼器本身的問(wèn)題，也有可能是程序問(wèn)題。我們觀察到數(shù)值跳變的位置與變量類型的數(shù)值范圍有關(guān)（數(shù)值跳變的規(guī)律），然后通過(guò)排查驅(qū)動(dòng)器手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)我們?cè)诰帉?xiě)程序時(shí)編碼器變量數(shù)值類型選小了，導(dǎo)致了編碼器值溢出，進(jìn)而發(fā)生跳變（單元測(cè)試的重要性）。

鼠標(biāo)行為異常案例

這是一個(gè)非常讓人哭笑不得的案例，但是可以體現(xiàn)故障排查中的某些小概率情況。我的同事在調(diào)試程序時(shí)發(fā)現(xiàn)他的電腦鼠標(biāo)經(jīng)常失靈，具體表現(xiàn)是只能做移動(dòng)操作，但是左右鍵都無(wú)法工作。同事在一開(kāi)始的時(shí)候以為是顯卡驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，認(rèn)為鼠標(biāo)在工作，但是系統(tǒng)界面發(fā)生了卡死（第一次假設(shè)）。但是在對(duì)上述假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)，鍵盤(pán)可以正確的觸發(fā)界面（等效替換驗(yàn)證界面是否卡死），可以切換程序也可以打字，所以可以證明界面并未發(fā)生卡死（假設(shè)不成立）。緊接著將問(wèn)題聚焦到了鼠標(biāo)控制這一功能上面，我們的推測(cè)可能是鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)有問(wèn)題，或者鼠標(biāo)本身有問(wèn)題。因?yàn)楹苌僖?jiàn)到鼠標(biāo)軟件驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，所以我們優(yōu)先排查鼠標(biāo)硬件問(wèn)題（根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的理解進(jìn)行模塊拆分，然后再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)排查順序進(jìn)行優(yōu)化）。鼠標(biāo)硬件的問(wèn)題可以分為按鍵本身、鼠標(biāo)整體以及接口問(wèn)題。我們決定先更換鼠標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)（等效替換進(jìn)行驗(yàn)證），然后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題依舊存在，所以鼠標(biāo)的問(wèn)題被排除了。接下來(lái)是USB接口的問(wèn)題，遵循最小復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的原則，開(kāi)始拔出所有無(wú)關(guān)的USB設(shè)備。搞笑的事情出現(xiàn)了，同事發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)還連接了另外一只有線鼠標(biāo)，且這只鼠標(biāo)被壓在了桌面的雜物堆下面（“懷疑一切”的重要性）。當(dāng)我們拔出這個(gè)鼠標(biāo)后，發(fā)現(xiàn)原有的鼠標(biāo)恢復(fù)了正常，我們推測(cè)是這只有線鼠標(biāo)被雜物壓到了鼠標(biāo)鍵，與同事正在使用的鼠標(biāo)發(fā)生了按鍵沖突。

這次故障排除進(jìn)一步說(shuō)明了，很多問(wèn)題的緣由并沒(méi)有多么的復(fù)雜，很可能是一個(gè)非常詭異的，意想不到的錯(cuò)誤導(dǎo)致的。如果一開(kāi)始就從復(fù)雜路線進(jìn)行修復(fù)，浪費(fèi)時(shí)間不說(shuō)，還解決不了問(wèn)題。

總結(jié)

方法論的東西在沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的情況下看著很沒(méi)意義，只有多試多總結(jié)才能真正得到提高。希望本文中的經(jīng)驗(yàn)?zāi)転楦魑谎芯空咛峁┬┰S幫助。最后祝大家在研究的路上披荊斬棘！無(wú)BUG！不加班！