摘 要：FMECA 通過識(shí)別裝備中的故障模式， 分析各種故障的原因、 影響及可能對系統(tǒng)造成的危害， 發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)并實(shí)施改進(jìn)， 是一種經(jīng)過驗(yàn)證的有效可靠性分析技術(shù)。但在實(shí)踐中， 一方面由于研制方等相關(guān)方對FMECA 對于裝備質(zhì)量保證的作用認(rèn)識(shí)不足， 另一方面由于FMECA 存在著參與人員多、 工作量大和占用科研周期長等問題， 使得一些裝備在研制過程中未能有效地開展FMECA。分析指出：FMECA 不僅對于裝備的可靠性的保證和提高有重要的作用， 對于維修性、 保障性、 測試性、 安全性和環(huán)境適應(yīng)性等其他通用質(zhì)量特性， 其也能夠提供必要的支撐信息， 同樣有著重要的價(jià)值。因此，應(yīng)該在裝備特別是復(fù)雜裝備的研制中更加及時(shí)而廣泛地開展FMECA 工作。
關(guān)鍵詞： 故障模式影響及危害性分析；可靠性；安全性；維修性；測試性；保障性；環(huán)境適應(yīng)性
0 引言
故障模式、 影響及危害性分析技術(shù)（FMECA：Failure Mode Effects and Critically Analysis） 包括兩部分：故障模式與影響分析（FMEA：Failure Mode and Effects Analysis） 和危害性分析（CA：Critrcality Analysis）。
FMEA 是指分析裝備中每一個(gè)可能的故障模式， 并確定其對該裝備和上層裝備所產(chǎn)生的影響， 以及把一個(gè)故障模式按其影響的嚴(yán)重程度予以分類的一種分析技術(shù)。FMECA 是指同時(shí)考慮故障發(fā)生概率與故障危害程度的FMEA[1]。
自從1950 年代美國提出將FMEA 方法應(yīng)用于飛行控制系統(tǒng)取得成功以來[2]， FMEA/FMECA 首先在航空航天領(lǐng)域得到了應(yīng)用， 隨后迅速擴(kuò)展到電子工業(yè)、 汽車工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域， 國際、 國內(nèi)的制訂了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[1，3-5]。
但是， FMEA/FMECA 在實(shí)際進(jìn)行時(shí)存在一些困難， 例如：
1） 各相關(guān)方關(guān)于FMECA 對質(zhì)量保證的重要性認(rèn)識(shí)不夠， 而且FMECA 分析結(jié)果的作用發(fā)揮得也不充分， 致使其工作的價(jià)值沒有得到充分的體現(xiàn)；
2） 由于FMECA 采用自底向上的工作方式， 需要分析每一種裝備或裝備組成部分的各種故障模式， 參與人員多，工作量大， 因而其成為了一項(xiàng)勞動(dòng)密集型任務(wù)， 而且不可避免地需占用科研周期。
由于以上原因， 當(dāng)面對需要大量的人力投入和需占用研制周期時(shí)， 對于非強(qiáng)制要求進(jìn)行FMECA 的裝備研制， 往往不系統(tǒng)地開展FMECA 工作。而由于缺乏全面的FMECA作為支撐， 許多質(zhì)量保證工作難以有效開展。
本文詳細(xì)地分析了FMECA 對于裝備的各種通用質(zhì)量特性的作用， 指出了對于裝備特別是復(fù)雜裝備系統(tǒng)全面地開展FMECA 工作的必要性。
1 FMECA 的原理分析
1.1 FMECA 的目的
FMEA 通過將裝備或過程分解為一組要素， 對于每個(gè)要素， 識(shí)別并分析其故障模式及影響。通過消除其不利影響或者降低其發(fā)生的可能性或嚴(yán)酷度， 來確定應(yīng)該進(jìn)行哪些改進(jìn)。增加CA， 目的是為了確定對故障模式采取應(yīng)對措施時(shí)的優(yōu)先順序[3]。
FMEA 或FMECA 作為一種通用的分析方法， 既可用于各層級(jí)產(chǎn)品， 也可用于過程。根據(jù)作用的對象， 可以把FMECA 進(jìn)一步分為 功能FMECA、 硬 件FMECA、 軟件FMECA、 過程FMECA 和工藝FMECA 等表現(xiàn)形式。在裝備壽命周期的各個(gè)階段， FMECA 方法均可發(fā)揮作用[4]。例如：在論證與方案階段， 通過開展功能FMECA， 可以為產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)的改進(jìn)， 以及在多種方案中擇優(yōu)提供依據(jù)；在工程研制與定型階段， 可以為硬件、 軟件、 生產(chǎn)工藝、 生存性和易損性設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供依據(jù)；在生產(chǎn)階段， 可以為裝備生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供依據(jù)；在使用階段， 可以為提高裝備的使用可靠性， 進(jìn)行裝備的改進(jìn)、 改型、 新裝備的研制和使用維修決策提供依據(jù)。
1.2 主要工作及流程
以下將以硬件FMECA 為例， 介紹其工作流程及各個(gè)步驟的主要工作。工作流程如圖1 所示[4]， 具體內(nèi)容如下所述。
1.2.1 系統(tǒng)定義
圖1 硬件FMECA 的步驟
作為整個(gè)FMECA 的基礎(chǔ)， 它明確待分析的產(chǎn)品并規(guī)定其邊界或者范圍。分析產(chǎn)品的主要功能、 工作方式和組成；繪制功能框圖， 描述各個(gè)組成部分所承擔(dān)的任務(wù)或功能間的相互關(guān)系， 以及每個(gè)約定層次間的功能邏輯順序、數(shù)據(jù)（信息） 流和接口。繪制任務(wù)可靠性框圖， 描述產(chǎn)品整體可靠性與其組成部分的可靠性之間的關(guān)系。如果產(chǎn)品具有多項(xiàng)任務(wù)或多個(gè)工作模式， 則應(yīng)分別建立相應(yīng)的任務(wù)可靠性框圖。
產(chǎn)品是分層次的， 例如：從上到下可以分為系統(tǒng)、 分系統(tǒng)、 設(shè)備、 分機(jī)或板卡、 模塊和元器件等。需要規(guī)定FMECA 工作的約定層次、 最低約定層次和初始約定層次。約定層次是指當(dāng)前組織實(shí)施的FMECA 產(chǎn)品的層次， 例如某設(shè)備；最低約定層次是指要求最低從哪一裝備層次開始進(jìn)行分析， 例如某模塊；初始約定層次是指當(dāng)考慮故障造成的影響或危害時(shí)所關(guān)注的裝備層次， 例如某系統(tǒng)。
1.2.2 故障模式分析
故障模式是指故障的表現(xiàn)形式。例如：短路、 開路、斷裂和過度耗損等[1]。
采用自底向上的工作方式， 從最低約定層次的每一種產(chǎn)品開始進(jìn)行故障模式的識(shí)別。根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)， 確定其所有可能的故障模式。
1.2.3 故障原因分析
故障原因是指引起故障的設(shè)計(jì)、 制造、 使用和維修等有關(guān)因素[1]。
分析每一種故障模式的原因， 是為了分析可能的預(yù)防或糾正措施。導(dǎo)致故障發(fā)生的原因一般來自兩個(gè)方面：1）產(chǎn)品自身存在設(shè)計(jì)、 制造等方面的缺陷， 或由于物理、 化學(xué)或生物等的變化過程而導(dǎo)致的故障；2） 來自于外部因素， 例如其他產(chǎn)品故障以及使用、 環(huán)境或人為因素等導(dǎo)致故障。
需要注意的是， 下一約定層次產(chǎn)品的故障模式， 往往是上一約定層次產(chǎn)品的故障原因。因此， 不同約定層次產(chǎn)品的FMECA 是相互聯(lián)系的而不是孤立的。另外， 當(dāng)同一故障模式存在多種故障原因時(shí)應(yīng)全部列出。
1.2.4 故障影響及嚴(yán)酷度分析
故障影響是指故障模式對產(chǎn)品的使用、 功能或狀態(tài)所導(dǎo)致的結(jié)果[1]。嚴(yán)酷度（severity） 是指故障模式所產(chǎn)生后果的嚴(yán)重程度[4]。
由于FMECA 的最終目的是為了分析初始約定層次的裝備的可靠性， 因此， 在每個(gè)層次進(jìn)行故障模式影響分析時(shí)， 不只是分析故障模式給所分析的產(chǎn)品自身可能造成的影響（局部影響）， 還要分析對上一約定層次造成的影響（高一層次影響） 和對初始約定層次造成的影響（最終影響）， 進(jìn)而根據(jù)最終影響有可能造成的最壞后果的嚴(yán)重程度確定嚴(yán)酷類別。嚴(yán)酷度類別通常分為4 個(gè)類別， I 類：災(zāi)難的；II 類：致命的；III 類：中等的；IV 類：輕度的。
1.2.5 故障檢測方法分析
故障檢測方法是指在故障發(fā)生時(shí)檢測故障的方法， 例如：機(jī)內(nèi)測試（BIT）、 聲光電告警或自動(dòng)感應(yīng)裝置等基本檢測方法。
1.2.6 設(shè)計(jì)改進(jìn)措施分析
主要針對高嚴(yán)酷度（例如開展FMEA 時(shí)嚴(yán)酷度為I 類、II 類） 或高風(fēng)險(xiǎn)（例如開展FMECA 時(shí)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為1～9） 的故障模式， 在確定設(shè)計(jì)方案時(shí)， 根據(jù)故障原因， 從設(shè)計(jì)、工藝、 元器件或材料選型、 試驗(yàn)和質(zhì)量控制等方面， 采取降低故障發(fā)生的可能性或減輕故障后果的預(yù)防或糾正措施。
1.2.7 使用補(bǔ)償措施分析
使用補(bǔ)償措施是指對于采取設(shè)計(jì)改進(jìn)措施后， 仍不能避免或減少故障對系統(tǒng)的影響時(shí)， 應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取的措施或操作行為， 例如：冗余、 保險(xiǎn)裝置、 使用備用設(shè)備或系統(tǒng)、 維修和人工切換工作方式等。
1.2.8 危害性分析
危害性（criticality） 是指對每個(gè)故障發(fā)生的概率及其危害程度的綜合度量。進(jìn)行CA 的目的是通過對每一個(gè)故障模式進(jìn)行危害性分類， 從而全面評(píng)價(jià)所有可能出現(xiàn)的故障模式的影響。CA 是在FMEA 的基礎(chǔ)上開展的， 通常其對象是嚴(yán)酷度為I 類和II 類的故障模式。
進(jìn)行CA 的方法， 分為定性法和定量法兩種[5]。
a） 定性法
一般在元器件或產(chǎn)品的故障率數(shù)據(jù)不能使用時(shí)， 用故障模式發(fā)生的頻度來表示故障模式發(fā)生的可能性， 結(jié)合故障FMEA 中得到的故障模式的嚴(yán)酷度， 綜合確定該故障模式的危害性等級(jí)。例如：在風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)法中， 將對于故障模式發(fā)生頻度的定性描述， 如“非常高、 高、 中等、 較低、極低”， 進(jìn)一步評(píng)分（OPR）， 對故障模式嚴(yán)酷度進(jìn)行評(píng)分（ESR）， OPR 與ESR 的乘積即為該故障模式的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）。對裝備的故障模式的RPN 進(jìn)行排序， 確定對故障模式采取措施的優(yōu)先順序， 以及確定某些故障模式是否可接受。
b） 定量法
當(dāng)有充分的故障率數(shù)據(jù)、 故障模式分布數(shù)據(jù)可用時(shí)，可通過確定的故障模式分布頻數(shù)比、 故障影響概率和故障率數(shù)據(jù)， 來計(jì)算每一個(gè)故障模式的危害度值， 計(jì)算產(chǎn)品的危害度值。
2 FMECA 對通用質(zhì)量特性的保證作用
除了裝備的功能性會(huì)影響其可用性外， 通用質(zhì)量特性同樣對保證裝備的可用性起著重要的作用。通用質(zhì)量特性包括可靠性、 維修性、 保障性、 測試性、 安全性和環(huán)境適應(yīng)性， 簡稱為“六性”。FMECA 作為一種有效的可靠性分析方法， 不僅對于可靠性的提高與保證具有不可或缺的作用， 對于其他通用質(zhì)量特性的保證， 由于其能夠直接地或間接地提供信息或數(shù)據(jù)， 因而同樣具有重要的價(jià)值， 具體分析如下所述。
2.1 對可靠性的作用
FMECA 采用自底向上的方式， 按照產(chǎn)品層次逐層分析識(shí)別故障模式， 分析造成故障的根本原因， 分析故障模式對局部、 對上層和對最終系統(tǒng)造成的影響及危害性， 對于保證裝備的可靠性而言是一項(xiàng)必不可少的基礎(chǔ)工作。例如：FMECA 對于可靠性具有以下作用。
a） 找出產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、 加工制造和工藝中存在的薄弱環(huán)節(jié)， 并提出改進(jìn)措施， 從而提高裝備的可靠性。因此，F(xiàn)MECA 過程本身， 就是對裝備可靠性的提升過程。
b） 確定可靠性關(guān)鍵產(chǎn)品（或產(chǎn)品的組成部分）。確定和控制其故障對產(chǎn)品有重大影響的產(chǎn)品， 以及復(fù)雜性高、新技術(shù)含量高或費(fèi)用昂貴的產(chǎn)品[6]。對列入可靠性關(guān)鍵產(chǎn)品清單的產(chǎn)品， 專門提出控制方法和試驗(yàn)要求， 實(shí)施重點(diǎn)控制。
c） 通過FMECA 識(shí)別出改進(jìn)措施（包括預(yù)防措施、 糾正措施）， 使用補(bǔ)償措施， 可以降低故障發(fā)生的概率， 或者縮短故障持續(xù)時(shí)間， 或者減輕故障造成的危害， 提高裝備的可靠性。
d） 及時(shí)的、 透徹的FMECA， 可使得裝備的可靠性預(yù)計(jì)更加準(zhǔn)確。
e） 基于FMECA 分析結(jié)果， 可以提高可靠性試驗(yàn)的效率和有效性。例如：基于待試驗(yàn)產(chǎn)品的故障模式和故障原因， 可以采用事件壓縮或時(shí)間壓縮方式[7]， 設(shè)計(jì)出節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間的可靠性加速試驗(yàn)方法。
f） 在生命周期的各個(gè)階段， 產(chǎn)品發(fā)生故障后運(yùn)行故障報(bào)告、 分析和糾正措施系統(tǒng)（FRACAS） 或技術(shù)歸零時(shí)，F(xiàn)EMCA 分析結(jié)果可以為故障樹分析 （FTA） 提供支撐。FTA 是一種自頂向下的分析技術(shù)。FMECA 提供了從最低產(chǎn)品層次向最高產(chǎn)品層次故障模式原因與影響效果的傳遞，F(xiàn)TA 自頂事件向下逐級(jí)遞進(jìn)展開分析時(shí)， 可以利用FMECA的故障模式， 并且進(jìn)行故障排查時(shí)， 可以按照FMECA 的分析識(shí)別的發(fā)生概率， 優(yōu)先從眾多故障模式中選擇發(fā)生可能性大的故障模式；進(jìn)一步地， 進(jìn)行問題復(fù)現(xiàn)、 改進(jìn)效果驗(yàn)證時(shí)， 可利用FMECA 識(shí)別的檢測方法信息確定檢測方法；故障定位后采取糾正措施時(shí)， 針對FMECA 識(shí)別的根本原因采取措施， 以保證措施的有效性。
2.2 對維修性的作用
開展裝備維修性工作是為了確保研制、 生產(chǎn)或改型的裝備達(dá)到規(guī)定的維修性要求， 以提高裝備的完好性和任務(wù)成功性， 減少維修人力及其他維修保障資源要求[9]。
維修工程師進(jìn)行例行的和預(yù)防的維修性分析， 以延長系統(tǒng)的工作時(shí)間。無論例行的， 還是預(yù)防性的維修任務(wù)的分析方法， 都是以FMECA 結(jié)果作為基本的輸入[8]。維修性關(guān)注的是裝備可能發(fā)生的故障， 以及故障可能造成的影響或危害， 而這正是FMECA 的分析結(jié)果。
FMECA 提供產(chǎn)品的故障條件、 故障影響的嚴(yán)酷度、 故障檢測方法（如果有的話） 和故障原因， 都為合理安排維修計(jì)劃提供了依據(jù)， 既能保證裝備的可用性， 又要兼顧維修成本及維修時(shí)間。
根據(jù)FMECA 報(bào)告， 針對一些具有高嚴(yán)酷度等級(jí)但是又沒有檢測方法的故障（稱為隱藏故障）， 作為維修工作的組成部分， 可以安排一些定期檢驗(yàn)， 預(yù)防故障的發(fā)生。
另外， 在進(jìn)行維修性驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)， 一般僅靠試驗(yàn)期間恰好自然發(fā)生的故障， 不能滿足試驗(yàn)所需的故障樣本量要求， 需要模擬故障。這時(shí)， FMECA 結(jié)果中故障模式及其相對發(fā)生頻率， 成為故障模擬及抽樣的依據(jù)。
2.3 對保障性的作用
FMECA 報(bào)告中的檢測方法字段， 體現(xiàn)了故障模式的檢測定位方式是由操作人員還是由維修人員來實(shí)施的。作為故障模式的補(bǔ)償措施， FMECA 還可以提出一些任務(wù)前/任務(wù)后的檢查要求。
據(jù)此， 保障工程師利用FMECA 結(jié)果， 可以準(zhǔn)備故障檢查清單， 執(zhí)行任務(wù)前/執(zhí)行任務(wù)后檢查工作， 科學(xué)合理地安排裝備維修所需的備品備件等。
2.4 對測試性的作用
測試性是指裝備能及時(shí)、 準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)（可工作、 不可工作或性能下降程度）， 并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性[10]。FMECA 可識(shí)別出可能的故障模式， 以及該故障模式能否被檢測， 并進(jìn)一步地給出用什么方法檢測。一旦故障被檢測到， 進(jìn)行故障隔離， 可將故障定位到規(guī)定的范圍。
裝備的測試性關(guān)注的是故障， 主要通過故障檢測率（FDR） 和故障隔離率（FIR） 兩個(gè)指標(biāo)來體現(xiàn)。
FDR 是指用規(guī)定的方法正確檢測到的故障總數(shù)與故障總數(shù)之比， 用百分?jǐn)?shù)表示。FIR 是指用規(guī)定的方法將檢測到的故障正確隔離到不大于規(guī)定模糊度的故障數(shù)與檢測到的故障數(shù)之比， 用百分?jǐn)?shù)表示。FDR 和FIR 通過FMECA 的“故障檢測方法” 和“故障率” 欄來計(jì)算。
裝備測試性包括測試性設(shè)計(jì)、 測試性核查、 測試性驗(yàn)證試驗(yàn)和測試性分析評(píng)價(jià)等工作， 均以FMECA 結(jié)果為基礎(chǔ)。
另外， 在進(jìn)行FMECA 時(shí)， 已經(jīng)識(shí)別并形成隱藏故障（dormant failure） 列表。測試性設(shè)計(jì)師應(yīng)該根據(jù)裝備的測試性要求， 綜合考慮技術(shù)可行性、 經(jīng)濟(jì)成本、 故障模式發(fā)生可能性、 影響及危害性等因素， 確定是否需要對特定故障模式增加檢測和隔離手段。
2.5 對安全性的作用
裝備安全性識(shí)別潛在危險(xiǎn)， 采取措施防止危險(xiǎn)的發(fā)生， 或者降低危險(xiǎn)可能帶來的危害。采用FMECA、 FTA 等方法， 結(jié)合以往事故信息和相似裝備的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)， 綜合考慮硬件、 軟件、 環(huán)境及使用與維修等因素， 識(shí)別裝備在全壽命周期中可能存在的危險(xiǎn)。只有識(shí)別了危險(xiǎn)， 才能采取相應(yīng)的措施。
當(dāng)對某種不期望發(fā)生的事件（如以往類似裝備發(fā)生的事故） 進(jìn)行分析時(shí)， 往往采用FTA 方法。FMECA 以一種自底向上的方式進(jìn)行， 為完成FTA 提供必要的定量的與定性的數(shù)據(jù)。可以對FMECA 識(shí)別的故障按照其對特定層級(jí)裝備的影響進(jìn)行分組， 以此檢查FTA 是否覆蓋了各種故障模式。
另外， 應(yīng)從安全性角度對FMECA 結(jié)果中的隱藏故障清單進(jìn)行審查。應(yīng)根據(jù)裝備所屬行業(yè)、 用途和故障可能造成的后果等， 按照安全法規(guī)的要求或者具體裝備的安全性設(shè)計(jì)要求， 在裝備設(shè)計(jì)時(shí)盡可能地避免不可檢測的故障。
2.6 對環(huán)境適應(yīng)性的作用
為了驗(yàn)證裝備在其壽命周期內(nèi)預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境的作用下能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能和性能， 需要進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)， 需要對受試品進(jìn)行功能性能和工作狀態(tài)等檢測或監(jiān)視， FMECA 識(shí)別的故障模式及相應(yīng)的檢測方法， 可為這種檢測或監(jiān)視的完備性評(píng)價(jià)提供支撐。
另外， 當(dāng)各類環(huán)境試驗(yàn)中受試品發(fā)生故障后運(yùn)行FRACAS 時(shí)， FEMCA 可為故障分析、 定位和糾正提供必要的信息。
3 結(jié)束語
本文剖析了FMECA 的目的和主要工作內(nèi)容， 進(jìn)一步分析指出， FMECA 不僅對于裝備可靠性的保證和提高具有重要的作用， 而且對于維修性、 保障性、 測試性、 安全性和環(huán)境適應(yīng)性等其他通用質(zhì)量特性， 其也能夠提供必要的信息或數(shù)據(jù)， 同樣有著不可替代的價(jià)值。因此， 雖然存在參與人員多、 工作量大和占用科研生產(chǎn)周期長等困難， 但考慮到其對于裝備質(zhì)量通用特性的重要支撐作用， 在裝備特別是復(fù)雜裝備的全生命周期中， 應(yīng)更加廣泛地開展FMECA 工作， 并充分地利用其分析結(jié)果， 提高裝備的質(zhì)量。至于如何提高FMECA 工作的效率， 提高分析結(jié)果的完備性和準(zhǔn)確性， 則是今后需要進(jìn)一步研究的問題。
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Analysis of the Role of FMECA for Common Quality Characteristics of Equipment
KANG Jingshan
（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China）
Key words：FMECA；reliability；safety；maintainability；testability；supportability；environmental adaptability
中圖分類號(hào)：TB 114.3
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1672-5468 （2020） 05-0062-05
doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2020.05.015
收稿日期：2019-11-30
修回日期：2019-12-13
作者簡介： 康京山（1965-）， 男， 河北晉州人， 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所研究員， 碩士， 主要從事通信網(wǎng)絡(luò)、軟件開發(fā)與測試、 可靠性、 質(zhì)量檢驗(yàn)、 試驗(yàn)等方面的研究工作。
