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是指同時考慮故障發(fā)生概率與故障危害程度的FMEA。
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， 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)等各個領(lǐng)域，國際、國內(nèi)的制訂了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。
但是，F(xiàn)MEA/FMECA在實(shí)際進(jìn)行時存在一些困難，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，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，對于每個要素，識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)對措施時的優(yōu)先順序。
FMEA或FMECA作為一種通用的分析方法，既可用于各層級產(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階段，F(xiàn)MECA方法均可發(fā)揮作用。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步驟的主要工作。工作流程如圖1所示，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。
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。
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。嚴(yán)酷度（severity）是指故障模式所產(chǎn)生后果的嚴(yán)重程度。
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， 在每個層次進(jìn)行故障模式影響分析時， 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)生時檢測故障的方法，例如：機(jī)內(nèi)測試（BIT）、聲光電告警或自動感應(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時嚴(yán)酷度為I 類、II 類） 或高風(fēng)險（例如開展FMECA 時風(fēng)險指數(shù)為1～9） 的故障模式， 在確定設(shè)計(jì)方案時， 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，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故障模式進(jìn)行危害性分類，從而全面評價所有可能出現(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。
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，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。例如：在風(fēng)險優(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)一步評分（OPR），對故障模式嚴(yán)酷度進(jìn)行評分（ESR），OPR與ESR的乘積即為該故障模式的風(fēng)險優(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，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。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)時間，或者減輕故障造成的危害，提高裝備的可靠性。
d）及時的、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間壓縮方式，設(shè)計(jì)出節(jié)省試驗(yàn)時間的可靠性加速試驗(yàn)方法。
f）在生命周期的各個階段，產(chǎn)品發(fā)生故障后運(yùn)行故障報告、分析和糾正措施系統(tǒng)（FRACAS）或技術(shù)歸零時，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自頂事件向下逐級遞進(jìn)展開分析時，可以利用FMECA的故障模式，并且進(jìn)行故障排查時，可以按照FMECA的分析識別的發(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，可利用FMECA識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，針對FMECA識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。
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。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間。
根據(jù)FMECA報告，針對一些具有高嚴(yán)酷度等級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，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，F(xiàn)MECA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，F(xiàn)MECA 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、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。FMECA可識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)和測試性分析評價等工作，均以FMECA結(jié)果為基礎(chǔ)。
另外，在進(jìn)行FMECA時，已經(jīng)識別并形成隱藏故障（dormantfailure）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
裝備安全性識別潛在危險，采取措施防止危險的發(fā)生，或者降低危險可能帶來的危害。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，識別裝備在全壽命周期中可能存在的危險。只有識別了危險，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，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)?？梢詫MECA識別的故障按照其對特定層級裝備的影響進(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，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，F(xiàn)MECA 識別的故障模式及相應(yīng)的檢測方法，可為這種檢測或監(jiān)視的完備性評價提供支撐。
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，F(xiàn)EMCA 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，F(xiàn)MECA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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