FMECA技术在舰船装备RMS一体化设计中的应用

汪雪莲 赵海江 黄 君

1中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

2海军装备部，北京 100084

FMECA技术在舰船装备RMS一体化设计中的应用

汪雪莲1赵海江2黄 君1

1中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

2海军装备部，北京 100084

为充分发挥FMECA（故障模式、影响及危害性分析）的作用，使其既能为装备设计、改进提供有效的建议，又能为装备RCMA（以可靠性为中心的维修分析）、MTA（维修工作分析）提供输入信息，对传统的FMECA方法进行改进，增加维修方式的分析，利用RPN（风险优先数）方法的计算结果给出初步的补偿措施，实现对FMECA结果的重复利用。在应用案例中量化了故障发生度和危害度的评分标准，并引入EAGLE软件作为开展FMECA工作的平台，以便工程人员操作。工程实践表明，该方法推动了FMECA技术的深入应用，为实现舰船装备RMS一体化设计奠定了基础。

FMECA；RMS；一体化设计；舰船装备

1 引言

可靠性（R）、可维修性（M）、保障性（S）设计与分析在武器装备研制中的地位和作用已为广大设计和管理人员所公认［1］。然而，RMS设计与分析工作在工程实践中开展的情况却并不理想，一些项目的RMS设计与工程设计脱节，RMS流于形式。其原因是多方面的，对于多数工程项目而言，RMS设计与分析各自成体系导致工作多而乱，是重要原因之一。打破RMS设计与分析自成系统，进行RMS一体化设计与分析将减少不必要的重复工作，有利于提高RMS设计分析工作的效率。而要达到这一目的，除管理因素外，最重要的是研究RMS一体化设计分析技术、方法和手段。

国内外可靠性工作的经验都认为，故障模式、影响及危害性分析（FMECA）是工程实践中最为经济有效的可靠性设计分析技术［2］。实际上，FMECA也是维修性设计分析中最重要的分析技术，包括对于装备战场抢修特性的考虑，它都是非常重要的信息来源。在保障性分析 （LSA）中，FMECA是以可靠性为中心的维修分析（RCMA）和维修工作分析（MTA）的基础，而这2项分析正是保障性分析技术中的核心［3］。另外，在可靠性、维修性和保障性标准中，都将FMECA作为工作项目，而且在绝大多数工程项目合同中都选择了这个工作项目。可以说，FMECA是可靠性、维修性和保障性设计中都必须开展的工作项目。RMS一体化设计正是围绕消除和减少故障、预防和排除故障及其维修保障进行的。因此，我们可以充分应用FMECA技术，以产品的故障模式为纽带，把可靠性、维修性、保障性紧密联系起来，进行RMS一体化设计和分析。

FMECA技术已经相当成熟，国军标《故障模式、 影响及危害性分析指南》（GJB／Z 1391－2006）对其方法进行了详尽规定。然而，目前舰船装备FMECA工作通常只考虑了可靠性设计的需要，未考虑到维修性和保障性的要求，导致分析重复或维修性、保障性分析没有基础，影响FMECA技术在RMS一体化设计中的应用。针对舰船装备FMECA的工作现状，本文对传统的FMECA方法进行改进，使其能为产品设计的改进和维修对策的制定提供依据，并借助计算机辅助FMECA软件工具提高FMECA工作效率，促进FMECA工作的深入化、规范化、系统化。

2 FMECA技术简介

2.1 FMECA 定义

FMECA由两部分工作构成，即故障模式、影响分析（FMEA）和危害性分析（CA），其中 FMEA用于确定产品所有可能的故障模式、原因、影响及最终影响的严重程度（严酷度）；CA用于在确定产品故障模式的发生概率（故障率）的基础上，和严酷度类别（或等级）一起确定故障模式的危害性程度（危害度），以发现产品设计、生产、使用中的薄弱环节，提出预防改进措施。

2.2 FMECA 方法分类

FMEA可划分2类，即设计FMEA和过程FMEA。其中，设计FMEA是目前工程中普遍使用的分析类型，也是本文研究的内容。通常，设计FMEA有2种基本方法，即功能FMEA（功能法）和硬件 FMEA（硬件法）［4］。

1）功能法

该方法列出产品的所有功能，分析每个功能可能的故障模式、原因及其影响，一般在产品构成尚不明确或不完全确定时采用。

2）硬件法

该方法列出每个独立的硬件产品，分析每个硬件可能的故障模式、原因及其影响，一般以自下而上的方式进行。通常适用于产品设计图纸或有关的工程资料已基本确定的情况。

CA是对FMEA的补充和扩展，其分析方法分为定性分析法和定量分析法。

1）定性分析法

当不能获得准确的产品故障数据时，产品故障率和严酷度可使用预先定义的级别来定性描述。常用的定性CA方法包括风险优先数（RPN）法和定性危害性矩阵法。

2）定量分析法

定量CA方法是使用产品具体的故障数据定量计算危害度数值的分析方法，如常用的定量危害性矩阵法。

2.3 FMECA 过程

FMECA是一个反复迭代、逐层递推的过程，基本上可以分为5个大的步骤 （共含17个小步骤），如图1所示。

在实际应用中，分析人员可根据具体产品的特点和任务要求对FMECA的分析步骤和内容进行补充、调整或删减。

3 RMS一体化设计方法

如前所述，FMECA可用于RMS各个方面，通过综合应用这项技术，可进行RMS一体化设计与分析。然而，GJB／Z 1391－2006推荐的FMECA方法是基于可靠性分析的，只叙述FMECA对产品改进的影响，而没有提到FMECA为产品保障要素提供信息这一重要功能［5］。因此，这种传统设计方法并不能直接采用，必须将其纳入RMS一体化设计过程。因此，需要对传统FMECA方法涉及的分析流程、分析用表等加以改进，并程序化。这里把它称为“以故障模式为中心的RMS一体化设计方法”，其基本流程如图2所示。

3.1 应用目的

FMECA在RMS一体化设计中应用的目的是，找出产品各种可能的故障模式、原因及影响，并针对原因和影响确定维修对策，为RCMA和MTA确定输入信息，同时为产品的设计改进提供依据。

图1 FMECA过程Fig.1 FMECA process

图2 以故障模式为中心的RMS一体化设计流程Fig.2 Flowchart of RMS i ntegrat ed design based on failuremode

3.2 分析过程

根据上述应用目的，对图1中的分析步骤和内容进行如下改进：

1）由于所有维修任务和保障要素需要与产品分解结构相关联，所以在“故障模式分析”之前增加“建立分解结构”这个项目，输出产品的分解结构作为FMECA的输入信息。产品分解结构是对产品自顶向下、逐层细分的结构化组织形式，通常采用树形结构。产品结构的分解方式有3种：按功能分解；按物理部件分解；按功能和物理部件相结合的方式分解。第1种方式有利于故障模式的分析，第2种方式有利于维修对象的确定，第3种方式可以保证分析到产品所有的故障模式，同时兼顾了维修的需要。进行RMS一体化设计必须使用物理分解结构，但将2种分解结构结合起来效果更好。

2）去掉“使用补偿措施分析”，同时增加“维修方式分析”项目，输出针对底层故障原因的维修工作类型，为RCMA、MTA提供输入，该项目与“设计改进措施分析”一起统称为 “补偿措施分析”，并将“补偿措施分析”项目调整到“CA实施”结束后进行。

3.3 分析方法

建立产品物理分解结构是将FMECA技术应用于产品RMS一体化设计的基础，而建立产品物理分解结构的前提就是该产品的硬件组成已基本明确，因此在RMS一体化设计过程中，可以采用硬件法进行FMEA。同时，由于计算故障模式危害度比较复杂，所以可采用RPN法进行CA，以便于工程人员操作。

3.4 分析表格

为了使FMECA在RMS一体化设计的工程实践中能够更加方便、容易地进行，本文对GJB／Z 1391-2006的传统FMECA进行了改进，改进后的FMECA表格如表1所示。

表1 FMECA工程用表Tab.1 FMECA table used for engineering practices

在表1中，约定层次为FMECA表格中正在被分析的产品紧邻的高一层次；产品编码为产品的分解结构码，即保障性分析控制号（LCN），它是标识产品的唯一编码，也是建立产品分解结构的核心编码，该编码可以反映产品各组成部分的层次和所属关系；故障模式为被分析产品故障的表现形式，而且必须是可以通过人工观察或借助仪器能检测到的故障现象［6］；故障原因为与被分析产品的故障模式有关的各种原因，包括产品内部原因（即其子零部件故障）和产品外部原因（如人为差错、外部环境、条件影响等）。底层原因是指无需进一步分析而直接可进行维修或更改设计的故障原因，由它产生维修或更改设计要求；故障影响为产品（除顶层产品外）故障模式对高一层次产品的影响。在只考虑产品内部故障的前提下，当前层次产品的故障模式对高一层次的影响就是高一层次产品的故障模式，而当前层次产品导致该故障影响的故障模式，则是高一层次产品该故障模式的故障原因［7］。通过这种迭代关系，可以将低层次产品的分析结果纳入到高层次产品的分析之中，并为故障诊断提供重要的思路；故障检测方法为操作或维修人员用来检测故障模式发生的手段，包括：人工观察（视觉、听觉、触觉等）、机内测试、外部测试等；风险优先数 （RPN）为故障发生度（O）、严重度（S）、检测度（D）3 项指标的乘积，用来表明故障的危险程度。O、S、D通常采用1～N级量化评分，具体的评分标准视实际情况而定［8］。O为故障原因的发生频率等级，其等级分值越大说明该原因发生的概率越高；S为故障原因的危害度等级，其等级分值越大说明该原因对产品正常工作所造成的影响就越大；D为故障原因的可检测性等级，其等级分值越大说明该原因越不容易被检测出来。

需要说明的是，O、S、D、RPN都是针对底层原因而言的。即对产品的每1种故障模式，只需要对其底层原因的O、S、D进行评分，并计算RPN，就可以决定采取何种补偿措施。RPN的理想值是1，此时故障的危险性最小，不需要采取补偿措施；随着RPN的增大，故障的危险性也增大，此时就越需要采取相应的补偿措施。那么，究竟RPN达到多少时需要采取何种补偿措施？这就涉及到如何确定RPN阈值的问题。如图3所示，r1，r2就是RPN阈值，当RPN≤r1时，建议采取修复性维修；当 r1＜RPN≤r2时，建议采取预防性维修；当RPN＞r2时，建议采取改进措施。

在图3中，改进措施指用来消除或减轻故障影响的在产品设计上的改进措施；维修方式指用来预防或排除产品故障的维修工作类型，包括预防性维修和修复性维修2大类［9］。对于初步选择的预防性维修方式，FMECA的结果还要作为RCMA的输入，进一步决定预防性维修的具体维修模式（包括保养、操作人员监控、功能检测、定时拆修、定时报废、使用检查、综合工作等7类），并将不适用预防性维修的故障原因改为进行改进设计或修复性维修［10］。

图3 按RPN计算结果选择补偿措施Fig.3 Choice of compensatorymeasures by RPN calculation result s

4 RMS一体化设计案例

本文以某电子设备作为应用案例，介绍FMECA技术在装备RMS一体化设计中的应用方法。

4.1 明确分析范围

根据该设备各组成部分的相对复杂程度和功能关系，将该设备划分为3个约定层次：设备、机箱、部件（板卡／模块）。该设备FMECA的初始约定层次定为“设备”。根据该设备的维修可更换单元层次，将最低约定层次定为“部件”。

4.2 建立编码体系

1）分解结构码

根据约定层次划分，该设备共分为3个层次，各层LCN的编码规则如下：

第1层（初始约定层次）3位字符，第1位字符表示该设备的分解结构类型码，本案例用P或F代表物理或功能结构，第2、3位字符表示该设备的代号，本案例用TS表示，如该设备的物理LCN为TSP；

第2层5位字符，由第1层次产品的编码和2位数字顺序号表示，如该设备中操作显示机箱本案例的分析对象的物理LCN为TSP01；

第3层（最低约定层次）7位字符，由其所属的第2层次产品的编码和2位数字顺序号表示，如操作显示机箱中部件A的物理LCN为TSP0101。

2）功能编码

功能编码用来唯一标识某一产品的某个功能，共2位，以F加1位数字来表示，如F1表示该产品的第1个功能。

3）故障模式编码

故障模式编码用来唯一标识某一产品的某个故障模式，共3位，以该产品的功能编码加1位数字来表示，如F11表示该产品第1个功能的第1个故障模式。

4）故障原因编码

故障原因编码用来唯一标识某一产品的某个故障原因，共4位，以该产品的故障模式编码加1位数字来表示，如F111表示该产品第1个功能的第1个故障模式的第1个故障原因。

4.3 选择软件工具

根据通用的FMECA技术要求，国内外已开发出辅助进行FMECA的软件工具，并通过在工程领域的推广应用，逐渐形成成熟的软件产品。这些软件的基本功能以分析数据的管理为主，目的是辅助分析，增强分析工作的条理性和规范性，减少数据和文字的编辑整理工作［11］。本案例采用EAGLE软件辅助设备的FMECA工作。EAGLE是美国Raytheon公司按美军标《装备保障性分析记录》（MIL－STD－1388－2B） 制作的综合保障数据集成管理软件，该软件的定位是将装备全寿期内综合保障相关工作（包括RMS设计与分析）产生的数据集成，从而避免或减小信息孤岛的产生。该设备使用此软件后生成的FMECA数据可以重复利用，例如用于设备交互式电子技术手册的制作。

4.4 建立分解结构

本案例采用3.2节介绍的分解方式中的第3种，以产品物理结构为基础框架，将功能与之相关联，如图4所示。

图4 操作显示机箱物理与功能分解结构对应关系树Fig.4 Mapping tree of operation and display drawer’s function breakdown structure to physical breakdown structure

4.5 明确维修方式判定准则

1） 确定 O、S、D 评分标准

GJB／Z 1391－2006推荐的故障发生度、危害度、检测度评分标准比较模糊，因此本案例对原有评分标准进行了改进，使其更加客观清晰，具体评分标准如表2所示。其中，O用故障率λ（单位：10－6／h）作为量化评分指标，某个故障原因的λ值越大，该故障原因发生的频率就越高，则该原因的发生度等级分值也就越大；S用故障平均修复时间MTTR（单位：h）作为量化评分指标，某个故障原因的MTTR值越长，由该故障原因导致的设备停机时间就越长，则该原因的危害度等级分值也就越大。

表2 O、S、D评分标准Tab.2 Criteri a of grading O、S、D

2）确定RPN阈值

本案例确定 r1＝6、r2＝24，即 RPN≤6，建议采取修复性维修；6＜RPN≤24，建议采取预防性维修；RPN＞24，建议采取改进措施。

4.6 RMS一体化设计分析结果

由图5可见，通过FMECA，可以初步得到操作显示机箱需要进行改进设计的故障原因有1种，需要进入RCMA的故障原因有9种，直接进入MTA的故障原因有6种。通过对9项关键故障原因进行RCMA，得到对各关键故障原因的处理措施（包括预防性维修7项、修复性维修1项、改进设计1项）。综合FMECA和RCMA的结果，最终得到需要进行更改设计的故障原因2项，需要进入MTA的维修任务14项 （包括预防性维修7项、修复性维修7项）。通过MTA得到针对每一项维修任务的细节信息，包括维修类型、维修周期、维修级别、维修步骤、维修时间以及维修所需的保障资源要求，为制定维修方案和供应方案提供依据。

图5 操作显示机箱RMS一体化设计的数据流Fig.5 Data flow of RMS integrat ed design for the operation and display d rawer

5 结束语

本文以某电子设备为分析对象，研究FMECA技术在装备RMS一体化设计中的具体应用，包括分析流程、分析方法、分析用表、编码体系以及分析工具等。改进后的FMECA方法把RMS一体化设计分析深入到产品的主要零部件、可更换单元，让产品设计人员在进行功能、结构设计的同时就考虑RMS问题，进行以故障模式为中心的综合分析。同时，本文选用EAGLE软件作为FMECA的辅助分析工具，不仅提升了装备研制单位的RMS设计与分析水平，而且推动了RMS数据的集成和应用。对于RMS，除设计与分析一体化外，还有RMS管理一体化、指标分配一体化、设计准则一体化、试验与评价一体化等问题。本文只起到抛砖引玉的作用，仍需要后续对RMS相关专业学科进行深入研究，逐步建立统一的、规范的、适合产品研制需要的RMS一体化工作流程和相关制度，为实现装备RMS的真正集成提供支撑。

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Application of FMECA Technique in the RMS Integrated Design of Shipboard Equipm ent

Wang Xue－lian1 Zhao Hai-jiang2 Huang Jun1
1 China Ship Developmentand Design Center，Wuhan 430064，China
2 Naval Armament Departmentof PLAN，Beijing 100084，China

The applicat ion of FMECA technique in the equipment design notonly can provide useful suggestions for design works，but also input information for the RCMA and MTA analyses.To take full advantages of this technique， by incorporating the analysis ofmaintenance mode， the traditional FMECA method was improved.Based on the results of RPN calculation preliminary compensatory measures were derived， which made the FMECA results reusable.In the application case，the quantitative criteria of grading and severity due to failure occurence were also offered， moreover， EAGLE software was introduced to aid in the FMECA analysis of the equipment，enabling FMECA analysis to be easily operated by the engineering personnel.Engineering practices indicate that using thismethod can extend application of FMECA technique and provide a basis for RMS integrat ed design of shipboard equipment.

FMECA；RMS；integrat ed design；ship equipment

U662.9

A

1673－3185（2011）06－92－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.019

2010-07-23

国防科工局技术基础科研项目

汪雪莲（1978－），女，硕士，工程师。研究方向：舰载作战系统辅助设备。E-mail：lily1128＠126.com

汪雪莲。