基于TRIZ的復雜系統FMECA分析流程和方法研究

□陳光宇 蘇亮夫 祁凌云 [電子科技大學 成都 611731]

引言

復雜系統通常由多個具有交聯關系的功能模塊組成，各個模塊之間通過相互作用組織起來，使系統具備特定的整體屬性[1]。例如近期發射成功的天宮一號大型飛行器，技術密集度高，結構復雜，主要用于空間交會對接試驗；歐洲的大型強子對撞機，是世界上最大的粒子加速器，其精確周長是2.6659萬米，內部總共有9300個磁體，用于研究地球起源和進行各種物理試驗；神光系列裝置，是當前我國規模最大、國際上為數不多的高性能高功率釹玻璃激光裝置，用于慣性約束核聚變激光驅動研究，其規模龐大，包括機、電、液、氣等多種設備，并且構成設備的各部分之間相互聯系、相互作用，是一個典型的復雜系統。大多數的復雜系統在使用過程中一旦出現故障，由于故障模式的多樣性，影響不確定性高，危害度往往超出人們的預期，例如2011年8月18日，長征二號丙運載火箭發射衛星失敗，導致衛星未能進入預定軌道，而造成失敗的原因是連接部位的可靠性存在薄弱環節。因此故障原因及影響分析顯得尤其重要。同時，由于對大型復雜系統的故障認識存在不足，所以需要對其模式、影響及危害性分析管理流程和方法進行完善。

故障模式、影響及危害性分析（Failure Mode、Effects and Criticality Analysis，FMECA）是一種為開展質量設計，生產及服務的最廣泛使用的分析方法和有效工具。可以用于找出潛在的故障和可能的故障原因，識別故障的影響，達到減小影響和滿足預定功能的目的[2]。它包括故障模式及影響分析（FMEA）和危害性分析（CA），可以對可能發生的故障模式進行描述和分析。對于大型復雜系統來說，不同階段的FMECA分析方法有多種選擇，要根據實際的需要來確定，如表1所示。本文主要側重于工程的安裝集成階段對于故障問題的處理過程和管理。

表1 不同階段FMECA分析過程

國內很多的大型復雜系統對于故障問題的處理通常選擇試錯法進行，不斷的驗證改進的效果。這種做法不但影響了解決的效率，并且僅僅依靠經驗難以獲取完善的解決方案。本文針對FMECA方法中不同階段的側重方向，在危害性分析階段通過使用模糊綜合評價方法對故障模式進行危害度排序，在故障模式及影響分析階段引入TRIZ理論，將FMECA中所提供的故障問題轉化為TRIZ標準問題模型，然后利用TRIZ解決工具尋找應對措施，從而提出新的綜合管理流程。最后，以神光裝置中的氙燈為例進行實例分析。

一、基于TRIZ理論的FMECA管理過程分析

（一）TRIZ理論簡介

TRIZ(theory of inventive problem solving)是發明解決問題理論的俄文首字母的縮寫，由前蘇聯天才發明家G.S.Altshuller教授及其團隊在研究了世界上各個國家近250萬件專利的基礎上提出并形成的一套解決復雜技術的系統化方法，包括有技術系統、矛盾矩陣、物場分析模型等工具，主要目的是幫助研究人員進行發明創造、解決技術中遇到的難題[3]。

該理論主要針對待解決的問題，分析問題、形成新設想、產生新方案、解決問題[4]。矛盾矩陣是TRIZ理論中重要的解決問題的工具，在大型復雜系統的分析過程中，一旦出現技術問題的沖突時，為便于對這些沖突進行理論分析，TRIZ理論提出用39個通用工程參數描述沖突問題，并建立對應關系以構建沖突解決矩陣，確定改善的工程參數和隨之惡化的工程參數，將實際工程設計中的矛盾問題轉化為一般的或標準的技術矛盾，再通過查詢獲得推薦的解決問題的40個發明原理，逐個應用到具體問題上，獲得每個原理的解決方案。

（二）模糊綜合評價方法

針對FMECA風險評價和排序方法的研究主要集中在模糊數學方法的處理上，Bowles將模糊數學引入到危害性分析中，提出了基于模糊理論的FMECA評價方法[5]。鞠魯粵針對傳統FMECA工作繁雜、工作量大的缺點，在同一級故障模式中采用了框圖分析法，同時在FMECA中采用模糊致命度分析，節省了人力、物力和時間，提高了分析的準確性[6]。崔文彬等利用模糊理論對影響故障模式危害性的各因素進行了模糊處理，建立了故障模式危害性評定的模糊評判模型，闡述了模糊評判方法的基本步驟[7]。劉娜等提出了基于故障發生頻率、嚴重程度以及檢測難度三因素的模糊危害度評價模型，以評分方式解決實際工作中精確值難以獲取的困難[8]。

（三）FMECA管理流程構建

FMECA方法是可以推動設計和制造過程進行深層次質量改進的分析方法，用于明確各種潛在的故障模式及影響，它按照一定的格式與步驟對每一個部件進行定性和定量分析。因其易于掌握，使用價值高，在國內大型工程領域得到廣泛的推廣及應用[11]。其基本步驟如下：

1.確定子系統的最終分析層次；

2.在各分析層次中，分析功能與故障的對應關系，建立故障與系統構成元素之間的關聯索引；

3.以系統構成元素與故障的一個關聯為分析單元，分析系統構成元素的主要故障模式和故障直接原因及故障后果；

4.將具有安全性后果、隱蔽性后果和對整個系統有使用性后果的故障分析結果列入重要故障模式匯總表。

由此可以看出，FMECA是一種系統性、持續性和預防性的活動，其系統化的思想實質上是包含著持續質量改進的管理流程思想，傳統的FMECA方法僅僅是作為一種工程分析的工具在使用，忽略了其管理流程控制的本質，基本流程見圖1所示。

圖1 FMECA流程控制圖

二、基于TRIZ理論的FMECA管理流程

大型復雜系統的FMECA控制流程就是要對出現過的問題進行評估與量化，將這些結果反饋給設計人員用于指導改進過程。在系統的設計研發過程中，故障的識別和評價常常是相互重疊的，需要反復交替進行[12]。國內外學者通常在FMECA分析方法或者風險評價和排序方法兩個方面上進行研究，很少同時將兩者進行結合分析，對故障模式最終方案的解決方案也沒有明確的指出思路，導致效率低下。

為了完善FMECA方法在工程安裝集成階段中的使用，本文重點討論了如何根據大型復雜系統的特點去構建基于TRIZ理論的FMECA分析管理的完整流程。如圖2所示，在工程安裝集成階段，故障模式存在多樣性，FMECA方法首先根據各種數據表格提取主要的故障模式，再通過進行模糊綜合評價進行危害度排序，集成TRIZ解決問題的矛盾矩陣或效應庫等方法尋找標準解，然后再根據設計人員的判斷做出決定，最后通過方案驗證尋找最終問題的理想解，實現故障的有效改進。

圖2 基于TRIZ理論的FMECA管理流程

基于TRIZ的FMECA管理流程如下：

1.制定FMECA計劃，制定各種表格，安排相關的工作人員進行數據收集與整理；

2.對于故障模式進行有效的識別和歸類分析，提取適當的故障模式；

3.采用模糊綜合評價方法與專家一起開展故障模式RPN評價，確定因素集包括故障發生率、嚴酷度、探測度和維修難度四個指標，并且確定因素水平等級（見表2所示），計算出綜合危害度，以此類推獲取主要故障模式；

表2 因素水平等級表

4.針對主要故障模式，構建TRIZ標準問題模型，運用矛盾矩陣表或效應庫尋找較完整的標準解；

5.依據標準解，協同工程師尋找完善的糾正措施方案。

三、實例分析

神光Ⅲ激光裝置（以下簡稱神光裝置）是根據我國慣性約束聚變研究（ICF）的總體規劃在建的國家大型光學工程裝置，其作用是為物理相關實驗提供強度足夠高、均勻、干凈、可調控的輻照場，建成之后將是世界上第三大的巨型高功率激光驅動器。

（一）改進FMECA方法分析

脈沖氙燈屬于神光裝置的關鍵器件之一，數量眾多，有很好的研究價值。根據現場運行和維護的記錄來看，氙燈發生過多次運行故障，根據系統特點對其進行FMECA分析，并歸納出了主要的三種故障類型：1）觸發故障；2）引線或基座的電絕緣故障；3）氙燈爆炸[13]。如表3所示。

顯然，氙燈故障模式存在多樣性，同時，其影響也存在多樣性的特點。例如觸發故障可能導致漏氣或者爆炸兩種結果。首先通過現場專家根據相應的運行記錄對這些故障模式進行模糊綜合評價，作為危害性分析的判據。其步驟如下：

1.確定因素集

對氙燈進行的危害性評價時根據專家經驗采用因 素 集 U={故障發生率，嚴酷度，探測度，維修難度} ；

2.確定評價集

分為4個等級，即 V = { 1,2,3， 4}，具體標準見表3所示。

3.建立觸發故障的模糊評價矩陣

4.觸發故障的因素權重集

5.對觸發故障的綜合模糊評價

說明觸發故障的危害度等級為1,2,3,4的隸屬度分別為0.3375,0.36,0.235和0.0675。

6.綜合危害度計算

觸發故障的綜合危害度C1=B1·VT=2.0325。

表3 氙燈模塊FMECA分析表的部分內容

然后再通過TRIZ理論檢視氙燈發生故障的形成原因，用可能涉及到的39個工程參數進行重新描述，并制作了對應的矛盾矩陣列表，如表4所示。提取各個故障模式所對應的改進工程參數和惡化工程參數，將發明原理進行組合集成（發明原理使用較多的放在前面），有利于盡快找到完整的糾正措施。

表4 氙燈模塊矛盾矩陣表

（二）解決方案

對于同一種故障模式，存在多個工程參數的矛盾，通過表格可以將其表現出來，例如針對氙燈的電絕緣故障和氙燈爆炸，可以選取3號發明原理：部分改變原理；40號發明原理：復合材料原理進行分析。具體措施如下：

1.部分改變原理的實現

導線的工藝和材料進行相應的改進，采用改進的新型導線，其絕緣層包含兩層，內部為絕緣保護層，外層則增強其耐磨能力，使得導線的耐壓性和耐磨性得到提高。

2.復合材料原理的實現

燈管的結構和材料的缺陷會影響氙燈的光效和抗爆性。以前國內氙燈采用摻鈰石英管（壁厚 2.5 mm），抗爆性能差，極易爆炸。目前改成復合摻鈰管（壁厚3.0mm），內部為石英管，外部為摻鈰管，在不影響光效的條件下抗爆性能明顯加強。

除上述糾正措施外，也可以按照表4中的發明原理尋找其他糾正措施。

上述方法有效地提高糾正措施的尋找效率，在應用中顯示出較好的實用性，實現了故障歸零率的提高，從而降低系統運行風險。案例分析結果驗證了本文提出的改進方法的有效性。我們將在工程中進一步研究和實踐。

四、結語

大型復雜系統故障數據的研究和使用越來越受到重視，那么如何對其進行有效的管理成為亟需解決的重要問題。FMECA方法作為一種系統化的可靠性分析技術，可以在系統的各個階段對故障問題的發生進行有效的管理。而TRIZ理論是一套普適性的發明理論，能幫助設計人員盡快地獲得解決問題的方案。本文針對復雜系統中FMECA方法的應用情況，通過引入模糊綜合評價法和TRIZ理論，提出了新的FMECA管理流程規范，并給出了神光裝置的實例。基于TRIZ理論的改進管理流程有助于系統工程師解決復雜系統的故障模式及影響的多樣性問題，有效提升系統的可靠性水平。

[1]解向軍，潘全文，等.復雜系統體系結構設計方法研究[J].飛機設計，2011(3)：71-74.

[2]EBRAHIMIPOUR, REZAIE K, SHOKRAVI S.Enhances FMECA by Multi-agent Engineering FIPA Based System to Analyze Failures[C].IEEE, 2010.

[3]SAVRANSKY S D.Engineering of Creativity-Introduction to TRIZ Methodology of Inventive Problem Solving[M].NewYork: CRC Press, 2000.

[4]邵云飛，謝健明，等.TRIZ與六西格瑪集成的創新方法框架與模式研究[J].電子科技大學學報（社科版），2010,12(6)：1-6.

[5]BOWLES J B, PELAEZ C E.Fuzzy logic prioritization of failures in a system failure mode effects and criticality analysis[J].Reliability Engineering and System Safety, 1995,50(2): 203-213.

[6]鞠魯粵.模糊致命度分析及其在矩陣FMECA中的應用[J].上海大學學報(自然科學版), 1999, 5(5): 463-466.

[7]崔文彬，吳桂濤，孫培廷.基于FMECA和模糊綜合判斷的船舶安全評估[J].哈爾濱工程大學學報, 2007, 28(3):263-267.

[8]劉娜，梁國棟，等.電力變壓器故障模式的分析及危害評估[J].高壓電技術, 2003, 29(2): 3-8.

[9]李鴻吉.模糊數學基礎及實用算法[M].北京: 科學出版社, 2005: 167-178.

[10]朱宗乾, 羅阿維，等.采用FMECA的ERP項目實施風險分析方法[J].工業工程, 2010, 13(6): 12-15.

[11]郭永基.可靠性工程原理[M].北京: 清華出版社,2002: 56-89.

[12]雷星暉，莫凡.基于FMECA方法的知識產權流程管理模式構建[J].科技管理研究, 2010(4): 202-205.

[13]陳光宇，楊東，等.激光裝置片狀放大器組件的氙燈可靠性分析[J].強激光與粒子束, 2007, 19(7): 1125-1128.