梁曉鈺

（上海鐵路通信有限公司，上海 200071）

?

危害分析PFMEA應(yīng)用研究

梁曉鈺

（上海鐵路通信有限公司，上海 200071）

摘要：通過研究PFMEA的分析方法，并結(jié)合本企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用情況，分析PFMEA在生產(chǎn)制造型企業(yè)運(yùn)用過程中所存在的問題，深入剖析了其原因，最終提出了解決方案并以實(shí)例驗(yàn)證了解決方案的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：危害分析；DFMEA；PFMEA；生產(chǎn)型企業(yè)；故障模式；影響分析；過程管理

Abstract:Combined with our enterprise's actual situation, the author analyzes the problems of PFMEA in the process of practical application in manufacture enterprises based on the study on PFMEA analysis methods and puts forward the solutions. It is proved that the solutions are feasible and available with actual cases.

Keywords:hazard analysis; DFMEA; PFMEA; manufacture enterprise; fault mode; effect analysis; process management

“危害”在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50129:2003中的定義為可能導(dǎo)致事故的一種狀況。而危害分析是指通過識(shí)別危害并且分析其產(chǎn)生的原因，最終將危害發(fā)生的可能性和后果降低到可容忍范圍的過程。

目前，在產(chǎn)品可靠性和安全性設(shè)計(jì)過程中，故障模式影響分析 （Failure Mode Effect Analysis，F(xiàn)MEA）成為廣泛使用的一種危害分析方法，在多個(gè)行業(yè)（如軍工、鐵路、汽車）和多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域（如可靠性管理、質(zhì)量管理、風(fēng)險(xiǎn)管理）得到了應(yīng)用。近年來隨著鐵路的提速和發(fā)展，鐵路系統(tǒng)的可靠性和安全性受到高度重視，目前FMEA分析也逐步引入到鐵路領(lǐng)域的安全分析和質(zhì)量管理中。FMEA雖然運(yùn)用廣泛，不同行業(yè)或企業(yè)使用的側(cè)重點(diǎn)亦不同，有些在實(shí)際運(yùn)用過程中往往重視方法而不注重使用的有效性和繼承性，使得FMEA分析有如紙上談兵，難以發(fā)揮其顯著作用。

1　FMEA概述

1.1FMEA起源

FMEA起源于美國。20世紀(jì)50年代初，美國飛機(jī)公司在研制飛機(jī)主操縱系統(tǒng)時(shí)采用FMEA方法，取得良好效果。60年代初，美國National Aeronautics and Space Administration（NASA）將FMEA用于航天飛行器。到了60年代后期和70年代初期，F(xiàn)MEA方法開始廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、兵器等軍用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制中，并逐漸滲透到機(jī)械、汽車、醫(yī)療設(shè)備等民用工業(yè)領(lǐng)域。

國內(nèi)在80年代初期，隨著可靠性技術(shù)在工程中的應(yīng)用，F(xiàn)MEA的概念和方法也逐漸被接受。1985年和1992年，我國相繼頒布了進(jìn)行FMEA和FMECA的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7826）和國家軍用標(biāo)準(zhǔn)（GJB1391）。目前在航空、航天、兵器、艦船等軍工領(lǐng)域，F(xiàn)MEA方法均獲得一定程度的普及，為保證軍工產(chǎn)品的可靠性發(fā)揮了重要作用。

1.2FMEA概念

FMEA實(shí)際上是故障模式分析（FMA）和故障影響分析（FEA）的組合。通?？煞譃镈FMEA與PFMEA，D（Design）是針對(duì)產(chǎn)品硬件、功能、系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能產(chǎn)生的失效或故障的危害進(jìn)行因果和風(fēng)險(xiǎn)分析并采取措施，P（Process）是針對(duì)流程、步驟上的危害進(jìn)行因果和風(fēng)險(xiǎn)分析并采取措施，分析目的都是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上消除這些風(fēng)險(xiǎn)或?qū)L(fēng)險(xiǎn)減小到可接受的水平。由于FMEA分析更側(cè)重于“事前行為”，而不是“事后行為”，所以為達(dá)到最佳效益，F(xiàn)MEA分析一般應(yīng)用于設(shè)計(jì)初期和產(chǎn)品定型之前。

FMEA分析要對(duì)識(shí)別的失效模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，主要從發(fā)生的頻率和嚴(yán)重度兩個(gè)維度來進(jìn)行，通過降低嚴(yán)重度和頻率，把風(fēng)險(xiǎn)控制在盡可能低的范疇內(nèi)，但同時(shí)要結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)水平、成本和經(jīng)濟(jì)效益來綜合考量。降低嚴(yán)重度和頻度的手段一般通過設(shè)計(jì)模式的變化來消除或控制一個(gè)或多個(gè)失效模式的起因，譬如增加冗余、檢錯(cuò)模式等環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，無論是PFMEA或是DFMEA，其核心思想都是通過分析最終改變設(shè)計(jì)或增加設(shè)計(jì)來提高產(chǎn)品的可靠性和安全性。

2　生產(chǎn)型企業(yè)的PFMEA應(yīng)用

2.1背景介紹

根據(jù)目前中國鐵路通信信號(hào)集團(tuán)公司的組織架構(gòu)，大部分鐵路產(chǎn)品的原理設(shè)計(jì)包括架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)、集成設(shè)計(jì)都在北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司完成，而下屬的二級(jí)生產(chǎn)型企業(yè)都以加工制造為主，更多面向過程控制環(huán)節(jié)。

EN50126和EN50129標(biāo)準(zhǔn)明確要求對(duì)產(chǎn)品的全生命周期進(jìn)行控制，產(chǎn)品全生命周期的14個(gè)階段如圖1所示，生產(chǎn)型企業(yè)在全生命周期中的工作范圍主要定位于部分設(shè)計(jì)，主要包括工藝設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)制造、組裝測試等工作。

本公司自2011年頒布IRIS質(zhì)量管理體系后，F(xiàn)MEA作為設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的主要方法被廣泛使用和采納，而工藝設(shè)計(jì)是公司的優(yōu)勢環(huán)節(jié)，工藝技術(shù)人員要求在設(shè)計(jì)開發(fā)項(xiàng)目中均采用PFMEA對(duì)過程設(shè)計(jì)進(jìn)行危害分析。

2.2目前存在的問題分析

雖然PFMEA分析已運(yùn)用在各個(gè)項(xiàng)目中，可是仍存在著很多的問題，主要?dú)w納為以下幾點(diǎn)。

1）PFMEA是對(duì)工藝過程的危害分析，以往公司按照工序分解的PFMEA分析表如圖2所示，雖然已經(jīng)分配到板卡級(jí)，但分解顆粒度仍然不夠細(xì)。因?yàn)榧词故巧a(chǎn)加工不同類型的板卡，其加工的工藝流程基本上出入不大，而且對(duì)于工序分解最大的問題是無法準(zhǔn)確定義對(duì)于本級(jí)的影響以及對(duì)于系統(tǒng)最終的影響。譬如以K5B-10.1-001成型時(shí)彎曲半徑過小，引起引腳損傷舉例，可以明顯發(fā)現(xiàn)該過程失效對(duì)于不同器件造成影響的嚴(yán)重程度和發(fā)生的概率肯定是不一樣的，因此對(duì)該危害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，很難對(duì)該工序的嚴(yán)重度和頻率進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，因此以工序?yàn)榉治鲱w粒度的PFMEA對(duì)于實(shí)際的設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義不大。

2）雖然PFMEA強(qiáng)調(diào)過程，DFMEA強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)，但是這兩者之間是緊密聯(lián)系不可分割的，以往公司PFMEA定位于工藝工程師的職責(zé)，工藝人員單獨(dú)完成PFMEA的分析，其實(shí)這種方式和方法是有待考量的。不論是器件還是工序，最終失效的影響必須站在系統(tǒng)層級(jí)的高度上進(jìn)行分析才能得出，因此工藝工程師往往由于缺乏對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)層級(jí)的了解而無法準(zhǔn)確分析出對(duì)系統(tǒng)的最終影響，所以如圖2所示，大部分都填寫電路的可靠性不能保證、造成后續(xù)工序無法繼續(xù)這種比較籠統(tǒng)的結(jié)果。

3）PFMEA是一個(gè)自下而上分析的過程，因此它必須是一個(gè)基于層次分解，逐層遞進(jìn)的過程。以往公司PFMEA分解到板卡級(jí)，以板卡作為最小可替換單元進(jìn)行分析，這樣對(duì)于生產(chǎn)制造為主的企業(yè)來說有一定的合理性，但是僅僅分解板卡級(jí)，沒有上下層級(jí)之間的銜接就略顯不足了?？赡軐?duì)于一個(gè)小型系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠，但是鐵路領(lǐng)域多涉及到大的系統(tǒng)，往往一個(gè)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)多個(gè)子系統(tǒng)和單元，如果僅僅分析板卡，則缺乏系統(tǒng)性以及系統(tǒng)與子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性，在論證系統(tǒng)的可靠性和安全性方面論據(jù)不夠充分。

4）設(shè)計(jì)輸入的缺乏使得PFMEA缺少支撐。這個(gè)問題可能是個(gè)歷史遺留問題，主要原因還是上游設(shè)計(jì)企業(yè)和下游生產(chǎn)企業(yè)缺少銜接的通道，設(shè)計(jì)輸入不夠充分，這樣各家的PFMEA就有點(diǎn)各自為政。以往PFMEA在完全沒有設(shè)計(jì)輸入DFMEA的前提下，只能以工序?yàn)橹鬟M(jìn)行粗略的分析，對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的指導(dǎo)意義變得微乎其微。

2.3解決方案研究

針對(duì)上述提出的幾個(gè)關(guān)鍵問題，生產(chǎn)型企業(yè)如何改變目前的困難和現(xiàn)狀，更好的利用PFMEA進(jìn)行危害識(shí)別，使其行之有效，為可靠性和安全性分析打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此次以CBTC產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目作為試點(diǎn)，對(duì)PFMEA在風(fēng)險(xiǎn)分析各個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，取得了不錯(cuò)的成效，也得到了集團(tuán)公司安全專家的認(rèn)可，主要優(yōu)化包括以下幾點(diǎn)。

1）設(shè)計(jì)輸入是關(guān)鍵前提條件

正如前文所述，設(shè)計(jì)輸入是不可或缺的環(huán)節(jié)。生產(chǎn)型企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是以設(shè)計(jì)院為主體，所以設(shè)計(jì)輸入非常關(guān)鍵，包括DFMEA報(bào)告、安全相關(guān)應(yīng)用條件、RAMS報(bào)告、關(guān)鍵元器件清單等，這樣才能保持整個(gè)設(shè)計(jì)的一致性和繼承性。在CBTC產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中，項(xiàng)目組人員和設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了充分溝通，設(shè)計(jì)提供了《產(chǎn)品可靠性、維修性、可用性分析報(bào)告》、《FMEA分析報(bào)告》和《安全相關(guān)應(yīng)用條件》等設(shè)計(jì)輸入，為PFMEA提供了條件，奠定了基礎(chǔ)。

2）顆粒度定義為器件級(jí)

產(chǎn)品分解到什么樣的層級(jí)和顆粒度是FMEA分析的關(guān)鍵，也是此次優(yōu)化核心。既然單純板級(jí)的工序分解不足以明確其危害的影響，那進(jìn)一步細(xì)化到器件級(jí)是否就足夠呢？器件級(jí)是最小的顆粒度，原理上可行，但具體操作工作量巨大，每個(gè)板都涉及成百甚至上千的元器件，對(duì)于設(shè)計(jì)單位尚不能實(shí)施，更何況生產(chǎn)型企業(yè)，關(guān)注工藝過程而缺少對(duì)設(shè)計(jì)原理的了解，因此簡單定義到器件級(jí)缺乏可行性。

經(jīng)過分析和討論，生產(chǎn)型企業(yè)要把立足點(diǎn)放在設(shè)計(jì)輸入上，以設(shè)計(jì)輸入為前提去分析，通過設(shè)計(jì)DFMEA或是RAM報(bào)告可以導(dǎo)出關(guān)鍵元器件，以關(guān)鍵元器件作為基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行工藝失效模式的分析，既可以把顆粒度降低到器件級(jí)，又容易判斷器件失效的影響性，從而進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，做到有的放矢。同時(shí)在繼承設(shè)計(jì)輸入的前提下，可以增加平時(shí)在工藝試制過程中容易失效的器件和模式，這部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)異常寶貴，往往被忽略難以形成記錄，經(jīng)過這種PFMEA分析，可以把這部分經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)累計(jì)起來運(yùn)用到分析過程中，增強(qiáng)分析的可靠性和有效性，也便于為將來工藝改進(jìn)提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)來源。

3）對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能分解，架構(gòu)清晰，層級(jí)分明

如前所述，PFMEA是自下向上的分析方法，它并不是孤立存在的，經(jīng)常需要和自上而下的分析方法結(jié)合使用譬如FTA，才能充分發(fā)揮其作用。而器件級(jí)的分析也并非一蹴而就，需要根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行層次分解，往往上一級(jí)分析出的原因就是下一層級(jí)的后果，這樣前后銜接，層次分明，架構(gòu)清晰，無論從哪個(gè)層級(jí)追溯，都易定位。

以CBTC系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化舉例，如圖3所示，采用了先將系統(tǒng)自上而下分解成為若干子系統(tǒng)，再將子系統(tǒng)劃分到板級(jí)，由板級(jí)定位到功能模塊，如圖4所示，然后通過功能模塊分解到器件功能的模式。這樣做的另一個(gè)優(yōu)勢在于產(chǎn)品的完整性等級(jí)也是根據(jù)功能劃分的，每一個(gè)功能都對(duì)應(yīng)于一個(gè)相應(yīng)的安全完整性等級(jí)， 通過功能的安全完整性等級(jí)更能清晰的定位關(guān)鍵器件。

按照上述方法完成的基于器件的PFMEA實(shí)例如圖5所示。通過圖5可以看出，分解到功能以后，根據(jù)器件進(jìn)行的工藝失效模式分析與以往單純進(jìn)行工藝過程分析比較起來，容易判斷其失效產(chǎn)生的后果，并且在做風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，能夠根據(jù)以往的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)來判斷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，從而有針對(duì)性的采取措施，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和安全設(shè)計(jì)。除此以外，這張表并不是分析設(shè)計(jì)以后就沒有價(jià)值了，它存在的意義在于未來產(chǎn)品在生產(chǎn)制造、組裝和測試、確認(rèn)、運(yùn)營和維護(hù)等其他生命周期階段內(nèi)，可以不斷收集反饋回來的數(shù)據(jù)對(duì)此表進(jìn)行更新，使得PFMEA得以驗(yàn)證，從而更好的指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，同時(shí)在新產(chǎn)品開發(fā)過程中得以借鑒和引用。

3　總結(jié)

任何一種好的分析方法和工具并不是掌握原理就能達(dá)到所期望的效果，而需要與實(shí)際使用環(huán)境相結(jié)合，這種環(huán)境包括要分析的對(duì)象、分析的人群以及分析的組織所想要達(dá)到的目的等，綜合這些去考慮。FMEA作為一種舶來品，并能逐步被設(shè)計(jì)者所接收，肯定有其先進(jìn)性，它不僅可以運(yùn)用在產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)中，也可以運(yùn)用于安全性設(shè)計(jì)中，對(duì)于它的分析和應(yīng)用研究絕不會(huì)止步，本文通過在企業(yè)中不斷對(duì)PFMEA應(yīng)用過程進(jìn)行研究與分析，結(jié)合本公司實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和改良，并在CBTC產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中得以驗(yàn)證，最終取得明顯的成效。

參考文獻(xiàn)

[1] EN50126：1999-Railway application-the Specification and demonstration of Reliability，Availability, Maintainability and Safety （RAMS）[S].

[2] EN50129：2003-Railway application -Communication，signaling and process systems-safety related electronic systems for signaling[S].

[3] IEC60812-Analysis techniques for system reliability-procedures for failure mode and effects analysis (FMEA）[S].

[4]奚立峰，徐剛.FMEA在過程管理中的應(yīng)用[J]，工業(yè)工程與管理，2002（1）：38-39.

收稿日期：（2014-08-06）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.025