张志强，莫建军

（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳，621900）

关键字：FMECA;关联故障;危害性分析;提高方法

0 引言

FMECA（Failure Mode Effects and Criticality Analysis）是一种系统分析产品的失效模式、影响和危害分析的一种方法，可应用于产品研发的各个阶段，包括功能FMECA、硬件 FMECA、软件FMECA、过程FMECA等。FMECA分析方法最早源于1950年代美国格鲁门飞机公司，在研制飞机主操纵系统时取得了巨大成功，之后开始被各国工业界所接受和广泛应用。20世纪80年代初，我国开始在国防军工行业引进FMECA技术[1]，通过多年的实践应用和发展，在航空航天、常规武器、汽车等行业取得了广泛应用[3]，并先后形成了GJB 391-92《失效模式、影响和危害分析程序》和GJB/Z 1391-2006《失效模式、影响和危害分析指南》两个标准[2]。

大多数现代设备都是由机械和电子等多个系统耦合而成的复杂机电系统。每个部件单元的功能和故障之间的关联是复杂的。一个设备或子系统的故障可能导致系统其他部分的故障，造成多米诺效应，形成故障序列和故障“雪崩”[4-5]。传统的FMECA方法存在明显的不足，即没有考虑不同故障模式之间的相互作用对系统可靠性的影响，导致分析结果不能反映系统潜在故障模式的真实情况。

本文充分考虑了同一系统、同一产品不同失效模式之间的相关特性，建立了一套能够较好处理系统各失效模式之间相关性的风险评估方法，从而能够对系统失效模式的风险程度进行更准确、合理的排序。

1 风险优先数法

风险分析（CA）是根据可能发生的故障及其危害程度造成的影响，对系统部件进行分类，以便对系统部件可能发生的故障及其影响进行全面分析。CA是在FMEA分析结果的基础上进行的，是FMEA研究的延伸和延续；CA研究是基于每种故障模式的可能性及其危害的综合评估。主要方法有危害矩阵法和风险优先数法。其中风险优先数法由于操作简单、计算简便，在工程中取得了广泛应用[6-7]。

风险优先数法(RPN，Risk Priority Number)是通过计算产品各种失效模式的RPN值，并行排序，从而采取相应措施改进RPN值较高的失效模式，改进后达到最低可接受水平。RPN值计算方法如下：

式中：RPN为产品某一故障模式的风险优先数计算结果，介于0～1000之间；S为该故障模式的严重程度；O表示故障模式发生的概率大小；D表示故障的不易检测度。式（1）中，RPN值越高，表明危害性越大。

根据GJB1391-2006[2]，严酷度定义为产品失效所造成的最严重后果的严重程度，其各个严酷度等级见表1。

表1 严酷度等级表

7、8 (致命的) 将导致人员重伤、重大经济损失或系统严重损坏、任务失败4、5、6 (中等的)将对人员造成轻微伤害、系统轻微损坏，或导致一定的经济损失，最终导致任务延迟或降级1、2、3 (轻度的)虽然不足以造成人身伤害、某些经济损失或系统损坏，但会导致计划外维护或维修

根据GJB1391-2006[2]，发生概率表示产品失效的可能性水平，如表2所示。

表2 发生概率等级表

不易检测度量的是产品失效或潜在的故障是否容易被测试设备检测出来，其定义如表3所示。

表3 不易检测度等级表

2 可靠性屋HoR模型

传统RPN计算方法虽然简单易行，但也存在一些缺点。例如，对S、O、D三个要素只是简单的相乘运算，这样的处理难以区分每个评分准则的重要程度的差异性；各个失效模式之间往往存在一定的关联关系，但传统方法忽略了这些影响[8-9]；等等。尽管国内外一些学者开展了深入研究、提出了一些改进方法，但大多都是假定失效模式之间是相互独立的。因此，当失效模式之间存在相关性时如何更科学合理地评估危害性仍是一个值得深入研究的内容。

目前，Braglia[10]提出的可靠性屋（HoR）为考虑失效模式之间的相关性的可靠性分析提供了一种可行的方法。本文将HoR引入到FMECA分析中，用于处理失效模式之间的相关性问题。

如图1所示，可靠性屋HoR的基本结构由8个部分组成：

图1 可靠性屋HoR的基本结构

1） “次级严酷度”室：根据产品类型，结合当地法规和国际标准，将次级严酷度分为几个次级严酷度指标，如安全性、可靠性、维修性等方面的严酷度的影响；

2） “重要性”：指严重性二级指标的权重，如安全性、可靠性、维修性影响严重性的权重分别为0.3、0.45、0.25；

3） “故障模式”室：包括各种潜在的故障模式；

4） 关系矩阵：矩阵中的元素表显示故障模式对二级严重性指数的影响程度，参考FMECA中的严重性评分等级表，用1～10表示 ；

5） “发生程度”房间：表示故障模式发生的概率。参见FMECA中的严重性等级表，用1～10表示；

6） “难以检测”房间：指故障模式发生前无法检测到的房间。

7） “自相关矩阵”：表示故障模式之间相互作用关系的大小。第i个故障模式的发生对第k个故障模式的发生的影响可以用αik表示，并为αik值建立评分标准表，如表4所示；

表4 αik取值评分准则表格

8） “关键风险编号”房间：故障模式的关键性由关键风险编号C表示。

在hor中，每个故障模式的关键性可通过以下方面确定：

考虑每个次级严重度指标的客户优先权；

Si=∑J=1nwjsji hor关系矩阵中包含的次要严重性评估信息；

3 风险优先数计算中失效模式相关性的处理

在HoR中，每个故障模式的危害性可通过以下方面综合评定：

(1)优先权值：客户对每个次级严酷度指标重要性的评判；

(2)次级严重程度的评估信息：该信息在HoR中关系矩阵中表达；

(3)发生度和不易检查信息；

(4)故障模式之间的相关性：若存在相关性，则要考虑相关系数。

第i个故障模式的严酷度为：

其中：

wj表示第j个严酷度次级指标的权值；

sji表示第i个故障模式关于第j个严酷度次级指标的评分。

这样，就可以计算第i个故障模式的关键风险数CR，即：

其中：

Oi, Si, Di分别表示第i个故障模式的发生度、严酷度和不易检测度；

m表示故障模式的数量；

αiz为故障模式之间的相关系数。

从式（1）、（2）对风险关键数 CR的计算公式可知，CR和传统的RRPN的差别主要在于两方面：一是对严酷度指标的进一步细化，定义其二级指标；二是考虑了故障模式之间的相关性。

考虑到工程项目实际的可操作性，本项目将仍然沿用传统的FMECA中对严酷度的定义，不再对其进行细化。为了不增加新的概念，即保留原有FMECA中关于风险优先数的定义，因此将式（2）改写为考虑故障模式相关性时RRPN的计算公式：

其中：

Oi, Si, Di表示第i个故障模式的发生度、严酷度和不易检测度；

m表示故障模式的数量；

αiz为故障模式之间的相关系数。

根 据 图 1和 式（3），可以将可靠性屋表达成矩阵形式，便于后续计算，如图2所示。值得注意的是，为便于工程推广实施，图2中严酷度未再进一步细化，这是和经典HoR不同之处。

图2 矩阵形式的HoR

4 案例分析

沉船打捞方法按照不同打捞形式，可以分为双船打捞、顶抬打捞、驮抬打捞、大梁式打捞等[11]。对双船抬钓打捞法进行故障分析，分析其主要有7个故障模式，分别记为：

FM1，电控系统失效 ；FM2，系固系统失效；FM3，压载系统失效；FM4，缓冲系统失效；FM5，提升系统失效；FM6，管理系统失效；FM7，系泊系统失效。根据设计师、可靠性工程师的综合分析，故障模式之间的相关性信息如下：

1）电子控制系统在故障模式1下的故障有90%的概率会导致紧固系统在故障模式2下的故障；

2）故障模式1电控系统失效有40%的概率、故障模式2系固系统有50%的概率、故障模式3压载系统失效有70%的概率、故障模式4缓冲系统失效有50%的概率、故障模式6管理系统失效有40%的概率都会导致故障模式5提升系统失效的发生；

3）故障模式6管理系统失效有60%的概率导致故障模式7发生。

将故障模式的相关性信息及其他评价信息填入可靠性屋，如图3所示。

图3 某产品的可靠性屋

根据上图和式（3），可得该产品RPN计算结果，如下表所示。表中还给出了未考虑相关性的计算结果。

表5 某产品故障模式RPN计算结果

从表2可见，考虑和不考虑相关性分析结果差异很大。例如，未考虑相关性时FM1、FM2的RPN值最小，表明这两个故障模式危害性相对最小。然而考虑了相关性以后，FM2的RPN值上升将近一倍，它是产品危害性故障模式直接超越了FM3以及FM4，FM5危害性更是上升了一倍不止。对比两个计算结果可知，故障模式间的相关性对危害性分析结果的影响很大，在计算时是不可忽略的重要因素。

5 结论

提出一套考虑故障模式之间相关性的风险评价方法，并将其应用在实际工程双船打捞危害度分析中，主要得到以下结论。通过引入故障模式关联性评分准则建立故障模式自相关矩阵，依据该矩阵确定故障模式间相关性，以克服故障模式间关联度难以量化的问题。建立可靠性屋HoR表达的矩阵形式，聚合精化的严酷度S，使理论更适用于工程推广实施。考虑关联故障模式的危害性影响，提升风险优先数结果值的准确性，从而提升FMECA分析结论的合理性。