基于FMEA法的预评估失效模式分析及改进方法

胡定，于潇，郑永泉，施佩宏

（钦州市气象局， 广西 钦州535000）

0 引 言

FMEA是失效模式和效应分析 （Failure Mode and Effect Analysis）的简称，是用来识别组件或系统未能达到设计意图的方法。FMEA在创建的初期被应用于航天和军事领域，目前世界上许多汽车生产商和电子制造服务商都已经采用FMEA法进行设计和生产过程的管理和监控。FMEA法可用于识别：系统各部分所有潜在的失效模式、这些失效对系统的影响、失效原因、如何避免失效或减弱失效对系统的影响。

1 FMEA法的使用方法

FMEA的步骤包括：将评估系统分成组件或步骤、各部分出现明显失效的方式、造成这些失效模式的具体机制、失效可能产生的影响、组件失效对最终结果的影响程度、组件失效情况如何证实。

传统的失效模式和效应分析（FMEA）进行定量计算所需要的三个要素为：“发生失效产生的后果——严重度 （S）”，“失效发生的频率程度——发生度 （O）”，“发现失效的可能性大小——探测度（D）”。危险性等级——风险优先指数（RPN）＝严重度（S）×发生度（O）×探测度（D）［1－3］。其中 S、O、D 各项评分为1～5分，PRN数值在 1～125分，PRN数值越大表示此因素对失效的影响越大，需要对其导致失效模式的因素采取优先改进措施。

2 预评估失效的原因分析

雷电灾害风险评估在风险识别、分析、风险应对过程中，人为的因素起到非常重要的作用，评估人员一旦对参数的赋值发生偏差，将造成评估结果的严重失实，因此，评估人员应使用合适的手段努力克服偏离预期的人为及组织因素。预评估阶段可能出现的偏离预期的原因包括：评估资料的不准确性、参数偏差对结果的影响、防雷措施的维护不利［4－7］。

内部LPS系统的各级电涌保护器（SPD）的详细参数决定了防雷系统是否采用了能量匹配的电涌保护器（SPD），与雷评参数 PC、PU、PV、PW、PZ 密切相关。对于设计阶段的项目没有详尽参数的防雷装置，评估人员难以获得准确的参数，极易对评估结果造成偏差。另一方面，由于参数相邻参考值之间相差很大，比如参数PA在给出的4个参考值中，相邻参考值之间相差10倍，评估人员一旦因为主观原因错选将对结果RA造成10倍甚至更大的影响。设计方所采用的防雷设计方案的维护难度以及防雷设施维护人员的专业素养也会影响到防雷设施的使用寿命，例如采用建筑物的钢筋或构架作为引下线时，维护难度比明敷的引下线低得多，维护难度越高意味着在项目评估完成之后若干年防雷设施失效的概率越高，在若干年后防雷设施的实际工作效率与预评估时的差别也就越大。一旦上述偏离雷评预期的情况发生，雷评结果就可能失效。

3 实例分析

3．1 对FMEA方法的改进

鉴于雷电灾害风险评估预评估的特点，本文将FMEA法的定量计算三要素重新定义为：参数的可靠性（D）、严重性（S）、防雷设施的维护难度（M）。RPN＝D×S×M即：优先风险指数＝参数的可靠性×严重性×维护难度。由于评估的结果是由各个参数经计算得到的，所以将雷评系统的各个参数定义为FMEA方法的“组件”。

参数的可靠性（D）分为3个等级：可靠、可靠性一般、不可靠，分别赋值为：2分、5分、10分。影响参数可靠性的因素有：雷评资料的完整度、评估人员对参数选取的熟练程度。在预评估阶段，如果资料的完整度越高，并且评估人员对参数选取、评估过程的理解越深刻，则参数的可靠性就越高，反之亦然。

严重性（S）即为参数偏差对结果的影响程度，意为评估人员对参数的赋值与相邻参考值之间的比值，本方法取相邻赋值之间倍数的最大值，例如在GB／T21714－2 中对参数 ra、ru 的推荐值为：10－2、10－3、10－4、10－5，若评估人员给 ra 赋值为 10－3，由于其与相邻的参考值相差10倍，所以可取S＝10。

防雷设施的维护难度（M）分为3个等级，分别为：方便维护、不易维护、较难维护。分别赋值为：2分、5分、10分。维护难度参数应同时借鉴防雷装置设计方案、施工工艺方法、维护人员专业水平知识以及发现防雷装置失效的难易程度。参数D、S、M、RPN的分级及取值见表1。

3．2 实例基本情况及分析

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以一栋新建建筑物为例，此建筑物处在城区内，最高33．0m，北侧20米外有一栋50米高的建筑物，周围建筑物均低于待评估建筑物。电源进线处配电箱内安装I级实验的电涌保护器，但只给出型号未给出具体参数。一、二层是仓库、商铺，存放一定量的可燃性建材。

分析：位置因子cd取0．5，由于北侧有更高的建筑物，所以cd可取更低的数值。cd值的维护难度意为如果周围建筑物的高度发生变化 （有新建或拆迁），随之而来cd值发生变化，评估人员发现这种变化的难易程度。Pc暂取1，由于设计方未给出详细的参数，导致资料不完整，无法判断前后级电涌保护器能量是否配合，从而加大了电涌保护器的维护难度，一旦错选和相邻参数将有30倍的差距。rf暂取0．01，由于在预评估阶段只确认存放一定量的可燃建材，资料尚不完整，而且建筑物内存放物的性质若发生改变，评估人员很难察觉。FMEA分析表见表2，这里只选取了3个参数（组件）作为实例分析。

Pc、rf为本例中风险优先指数最高的2个组件，应采用的措施为：（1）、采用验收阶段评估可有效降低资料不完整性带来的评估结果失效，如表2所示：组件Pc的可靠性（D）可由原来的5（可靠性一般）变为2（可靠）。（2）、采用经过事先编写的SPD安全检查表、AHP法和专家打分法可使评估人员更准确的做出判断，不易错判或漏判，评估人员可使用上述方法将组件Pc的取值进一步丰富、细化，不必拘泥于GB/T21714．2标准中推荐的5个参考值，降低相邻参考值之间数值差距，从而减少评估人员因为主观原因错选对结果造成的影响。（3）、采用运行阶段评估可及时发现防雷措施失效，如表2所示：组件Pc的维护难度（M）可由原来的5（不易维护）变为2（容易维护）。本实例措施预计的结果可使组件Pc的RPN由原来的750下降为120以内。

表2 潜在的失效模式及效应分析表

4 结 论

FMEA法的特点在于事先预防，对可能出现的偏离预期的情况进行设防，先期进行FMEA分析，对系统组件进行改进，以较小的成本和风险减少失效带来的隐患。在预评估系统中使用FMEA法可识别潜在的失效模式，分析其原因及对策可降低评估失效带来的影响，对验收阶段评估和运行阶段评估有重要的指导意义。

［1］赵红，乔英杰．FMEA在实验室安全管理领域的应用［J］ ．实验室研究与探索， 2012， 31 （10）： 446－448．

［2］崔冉，王晓春，宫悦，等．失效模式和效应分析在医院药物安全管理过程中的应用 ［J］．中国医院药学杂志，2014， 34 （5）： 405－408．

［3］张悦，石超，方来华．基于FMEA和HAZOP的综合分析方法及应用研究 ［J］．中国安全生产科学技术，2011， 7 （7）： 146－150．

［4］赵洋，行鸿彦，刘非凡．多级SPD之间以及SPD与设备之间的配合实验 ［J］ ．电瓷避雷器，2014，261（5）：87－93．

［5］李宏景，甘宝，陆启东．雷电灾害风险评估在实际工作中的运用 ［J］ ．气象研究与应用， 2014， 35（3）： 105－107．

［6］侯安校．强雷区高层建筑雷电风险评估技术探讨 ［J］．气象研究与应用， 2014， 35 （3）： 99－102．

［7］朱传林，王学良，黄克俭，等．浅析雷电灾害风险评估标准中存在的问题 ［J］．电瓷避雷器，2013，251（1）：45－49．

［8］罗骕翾，杨仲江，华晨辉．基于模糊数学理论的既有普通建筑雷灾风险评估 ［J］．电瓷避雷器，2014，260（4）： 60－65．