FMEA故障模型在計算機維護中的應用研究*

秦蓮童，常新宇

（沈陽工業大學網絡管理及電化教育中心，遼陽111003）

·微機應用·

FMEA故障模型在計算機維護中的應用研究*

秦蓮童，常新宇

（沈陽工業大學網絡管理及電化教育中心，遼陽111003）

針對目前計算機維護還處在先故障后維修的亡羊補牢式的維修方式，導致即使故障修復，但損失已釀的結果，提出了建立有預測功能的FMEA故障模型解決方案。先對計算機硬件設備故障進行分類，建立FMEA故障模型。然后，綜合各部件故障數據生成FMEA分析表，通過分析表了解各故障部件之間的聯系，預測故障機率，從而得出可能出現故障的預測結果，進而采取相應措施消除故障隱患，同時可以對易損部位做充分準備。通過分析研究和實際應用表明，對計算機硬件設備建立FMEA故障模型，可大幅度降低故障發生率，且對不可規避的故障也可以有準備地最快最簡便的排除，減少損失。

計算機；FMEA模型；硬件；故障；預測；分析

1 引 言

隨著計算機技術在各領域中的廣泛應用，它對人們的工作生活學習各個方面影響越來越大，同時對其依賴程度也越來越深。人們在享受其給我們帶來的巨大利益和方便的同時，也無法回避的要面對并承擔它發生故障時給我們帶來的不便和損失。目前國內的計算機設備維護人員還處在把維護重點放在發生故障之后對故障的處理和總結階段，并未對故障的預測給予足夠的重視。因此，以計算機硬件設備中的I／O設備為例，對其建立一個具有預測功能的故障模型——FMEA故障模型［1］，通過該模型達到預測故障，進而在故障發生前排除潛在威脅，或是在突發故障時有有效的應對措施，避免或減少由于故障帶來的損失。

2 FMEA簡述

2．1 定義

FMEA（Failure Mode and Effect Analysis），即失效模式和效果分析或故障模式和影響分析，是一種用來確定潛在故障模式及其原因的分析方法，主要包括三個方面［2］：

1）分析系統潛在的故障模式；

2）分析故障對系統造成的影響；

3）如何糾正系統的故障和延緩故障對系統造成的影響。

2．2 作用

FMEA是一種可靠性分析的重要手段，能對系統的內部關系和潛在故障提供詳細的預見，通常廣泛應用于系統開發的概要和初期設計階段［3］，它能保證每個可能的故障模式都被考慮到，以便提供對潛在故障的準確估計。具體來說，通過實行FMEA，可在產品設計或生產工藝真正實現之前發現產品的弱點。而被設備維護員看好的正是其對故障的預測性，可以利用FMEA模型分析的這個特點，在故障發生之前，進行合理且有目的性的維護，排除故障隱患，并做好應對突發故障的技術準備和零部件的備件工作。這樣就可以將故障的發生率和危害程度降到最低。

2．3 發展和現狀

最初FMEA思想于上世紀五十年代由美國提出并用于軍事航天，到八十年代引入微電子工業［4］。由于其作為一種策劃用途的預防措施工具，其主要目的是發現、評價產品／過程中潛在的故障和缺陷及其后果，找到能夠避免或減少潛在故障和缺陷發生的措施并且不斷地完善［5］。

1）能夠容易、低成本地對產品或過程進行修改，從而減輕事后修改的危機；

2）找到能夠避免或減少這些潛在故障和缺陷發生的措施；

3）故障未發生，但可能會發生，又不一定會發生。

故此，目前FMEA故障模型的運用大都是在工程或系統的研發設計階段，目的是預測新建工程或新開發的系統中可能出現的故障點和故障誘因，從而在最初的設計階段就將故障隱患消除掉。其實FMEA模型的運用不應局限于設計階段，在生產和維護過程中都可以發揮重要的實際作用。而對于一個工程和系統來說，使用周期要遠遠大于它的設計周期，所以在其生產和維護階段采用FMEA模型同樣具有實際意義，這樣可以使FMEA模型的應用更為靈活和廣泛。

3 I／O設備的故障類型

I／O設備主要包括顯示器、鼠標、鍵盤等，是人機交互的主要途徑。而要準確地預測其故障，首先要將各種故障進行分類，然后建立FMEA故障模型，對其故障提出預期。要建立FMEA模型，就要先從各部件的故障現象、原因、后果等方面作以歸納，劃分故障類型。而由于角度不同，劃分故障類型的方法有很多種。

3．1 從故障影響來劃分

1）一般性故障

這種故障是系統中某個設備或設備的某個部分局部失效，但不影響整個系統實現其主要功能，仍可完成主要工作。

2）嚴重故障

該故障的發生導致系統或設備完全喪失其功能，不排除故障無法實現正常工作。

3．2 從故障可見度來劃分

1）可見性故障

可以直觀地通過故障現象，找到故障部位，確定故障原因的故障。

2）隱匿性故障

無法直觀發現，必須通過儀器檢測和逐步分析診斷，方能確定故障部位和原因的故障。

3．3 從故障的復雜度來劃分

1）簡單故障

通過簡單的操作或修理就可排除的故障。

2）復雜故障

通過多步驟和運用多部儀器設備才能診斷和修復的故障，這種故障處理起來往往耗時費力。

3．4 從故障對元器件損壞程度來劃分

1）可修復性故障

通過技術手段可以修復設備或元件的損壞處，使之繼續發揮其功能的故障。

2）不可修復性故障

無法通過修理來恢復設備或元件的功能，只能更換新的電子元件或設備的故障。

對故障類型進行了劃分之后就該建立FMEA模型來對故障進行分析了。

4 對I／0 設備FMEA模型分析

故障模式和故障影響分析不同于以往的故障發生后所做的分析，是貫穿于整個微機室組建設計、計算機運行、以及故障分析和排除階段的。在微機室組建最初或維護過程中都可以運用該方法，以便在故障發生之前對潛在的故障可能進行分析和預測，對計算機的I／O設備則可以進行有針對性的防護和配置，防止重大事故的發生。

FMEA可以對整個系統進行分析，也可以單獨對系統中的部件進行分析處理［6］。對I／O設備系統的FMEA分析包括常見設備的故障分析。其中對設備的分析，主要是對顯示器、鼠標、鍵盤進行FMEA分析，參考對應設備的故障數據，生成分析表1。通過該表能簡單地了解這些設備故障的因果聯系。通過分析每一個潛在的問題模式，確定其產生的影響程度，從而識別I／O設備系統組建、運行中的薄弱環節，為制定改進措施提供依據［7］。

分析表的結構是按照各設備預期故障的因果關系設置的：首先，故障模式，描述各種故障現象；其次，故障原因，將可能導致故障的原因一一羅列；再次，故障影響，將故障可以導致的結果預期出來，也可以看出故障的危害程度；最后，糾正措施，采用何種方法可以避免或修復故障。

5 故障應對策略

根據FMEA故障模型分析我們可以看出計算機I／O設備的常見故障現象及部件部位，進而采取相應措施避免和應對故障的發生。對于故障形成原因的不同，應該分別采取相應的措施。

5．1 對可預防的故障采取調整措施

表1所示，顯示器的故障分析中關于磁化的故障，可以在顯示器被磁化前通過清除磁源和加強管理等方法，杜絕顯示器被外界磁源干擾磁化的情況發生［8］；鼠標、鍵盤都有因為人為大力拉扯使USB或SP／2插頭松動或插針彎曲而導致設備接觸不良，進而發生故障；或是將飲料等具有腐蝕性液體灑進鍵盤，導致電路板被腐蝕發生斷路或短路［9］。這些就要通過加強上機管理，嚴格操作章程，采取嚴禁個人私自插拔USB或SP／2插頭和在操作計算機時飲食等行為的措施，來避免潛在故障的發生；由于操作臺擺放的過于緊密，通常會對I／O設備的數據線造成嚴重擠壓，導致數據線中金屬線斷裂而發生故障。如此可以在放置操作臺的時候保留數據線的空間，或是在操作臺易擠壓處放置一個堅硬的中空防護套，將所有數據線囊括其中，保護其不受到損傷。對于這些可以規避的潛在故障，應該預先采取措施，對管理制度和維護方式方法作以相應調整，避免發生設備失效。

表1 計算機I／O設備FMEA分析表

5．2 對不可預防或不確定發生的故障做充分準備

5．2．1 檢測和維修的專業工具設備必須齊備

表1所示，顯示器和鍵盤故障中，有很多是集成電路板或電子元件發生斷路這樣的隱匿性故障，因此可快速檢測電路和元器件故障點的專業檢測工具和設備是必不可少的。而找到發生斷路的故障點就需要將斷路重新連通，這時焊接設備也必須備齊。例如表1中顯示器行幅突然變窄的故障，必須用萬用表測量行管集電極電壓是否為正常（150V），然后再進一步檢查行寬度調整管沒有損壞，檢查S校正電容，發現其一引腳有虛焊現象，最后補焊修復［10］。所以，完備的檢測和維修設備是故障發生后，快速查找故障點，并排除故障的硬件必要保證。各種檢測和維修設備必須齊備，工欲善其事必先利其器。

5．2．2 易損設備或元件必須備件

對于不可恢復類型的故障我們只能更換新的設備或零部件。很多維護員認為購買備件是浪費，買少了可能出現故障部件備件沒買，而備件的部件還沒壞的情況。或是買的比較齊全，故障部件可以及時更換，還有很多沒發生故障的備件閑置浪費，增加了維護成本。現在FMEA故障模型正好解決了這個問題，可以通過FMEA對故障分析預測所生成的分析表看出，易發生故障部位和易損部件都有哪些，這樣就可以有針對性的進行備件，既避免了不必要的浪費又可以在故障發生時有件可換。同時在備件時還要建立節約意識，如鍵盤或鼠標等在更換新設備時可以將舊的設備入庫保留，在發生鍵盤按鍵因復位橡膠老化而失去復位功能或損壞、丟失時，以及鍵盤或鼠標數據線損壞時，可以將舊設備上的相應零件拆卸下來作以替換，這樣可以大大減低維護成本。

6 FMEA模型結果分析

FMEA分析表通過描述故障模式，分析故障原因，闡述故障影響這種故障因果關系對故障做出了全面詳細的預測，最后給出多種解決方案，根據具體情況可以選擇最適合的解決措施。

FMEA分析表的生成有其嚴格的要求，如表1所示：一定要按照部件、故障模式、故障原因、故障影響、糾正措施這種前后因果關系排列。這樣排列的好處可以使維護人員有章可循，容易掌握分析規律，提高維護效率。而表中各項也有相應的要求：故障模式，要求將故障現象表述的全面、準確；故障原因，要求分析的仔細、準確、具體；故障影響，要求預測的準確，不可夸大，也不可縮小；糾正措施，要求有可操作性和多樣性。

運用FMEA模型對故障進行分析預測，結果究竟如何？對計算機維護發揮了多大效果？我們通過表2具體分析。

表2 2010年－2013年微機室120臺計算機I／O設備故障統計表

表2是對微機室120臺計算機I／O設備故障四年的數據統計。從數據統計結果不難看出在未使用FMEA模型對故障進行預期分析以前，2010年－2012年的故障數是逐年遞增趨勢。而2013年采用了FMEA模型維護方法之后，故障數顯著下降。這里需要對表中的兩處數據進行一下說明；第一處是2013年在使用模型后故障數比起未使用的2010年的故障數似乎并未有所減少。眾所周知，計算機硬件設備是隨著使用期限的增加而老化磨損的，從而導致故障逐年增加。因此，按其發展規律，2013年如果未使用FMEA模型，那么故障率應該高于2012年，應為四年中最高的一年。但在采用FMEA模型維護之后卻將故障降至2010年機器剛投入使用時的狀態，可見其對計算機硬件維護的巨大實際作用；第二處是在使用FMEA模型后怎么還會發生故障，并未完全消除故障。故障分為可預見和不可預見兩種，FMEA模型是對可預見故障做預測分析，在故障發生前采取相應措施消除隱患，對不可規避的不可預見性故障只能采取相應的準備措施，無法消除。其實任何一種模型都有其局限性，目前為止沒有一種方法可以使計算機硬件的故障數為零。通過實際的數據對比，已經可以清楚的看到采用FMEA模型的維護方式比起以往盲目的維護方式有了很大的進步和實際意義，達到了預期目的，并且取得了巨大成果。

7 結束語

以計算機I／O硬件為例，對其進行故障分類，然后建立FMEA故障模型，對其故障作分析預測，并且通過實際數據看到FMEA模型成功地規避掉相當一部分潛在的故障威脅，有效地降低了故障發生率。今后要更多更好地運用FMEA故障模型，將計算機硬件設備的維護意識轉變為防護意識，以防為主，預防加維護，這樣才能有效降低故障的發生機率，降低維護成本，提高維護效率。FMEA故障模型的功能和用途遠不止于此，在對計算機軟件和網絡維護方面同樣可以發揮巨大作用，希望廣大同仁可以繼續深入研究。

［1］ Goble，William．The FMEA method［J］．EN，2012，59（2）：14－16，18，20．

［2］ 祝庚．鐵路信號計算機聯鎖系統的故障模型建立及故障診斷方法的研究［D］．合肥：合肥工業大學，2003．ZHU Geng．Research on Fault Modeling ang Diagnosis of Microcomputer Interlock Sysytem in Railway Signals［D］．Hefei：Hefei University of Technology，2003．

［3］ Brian Gervais，Deirdre M．D＆rsquo，Arcy．Quality risk analysis in a cGMP environment：multiple models for comprehensive failure mode identification during the computer system lifecycle［J］．Drug Development and Industrial Pharmacy，2012，40（1）：46－60．

［4］ Srivastava，Nishit Kumar，Mondal，Sandeep．Development of a predictive maintenance model using modified FMEA approach［J］．IUP Journal of Operations Management，2014，13（2）：7－16．

［5］ Carlson，Carl S．Preventing Problems［J］．Appliance Design，2009，57（5）：26－29．

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［7］ 孫寶琛，賈希勝，程中華．基于FMEA和模糊Petri網推理的裝備保障過程診斷研究［J］．計算機應用研究，2013，26（8）：2973－2984．SUN Bao－chena，JIA Xi－shengb，CHENG Zhonghuaa．Study on diagnosis model for support process based on FMEA and fuzzy reasoning Petri nets［J］．Application Research of Computers，2013，26（8）：2973－2984．

［8］ 葉麗麗．略談計算機硬件維護原則與方法問題［J］．軟件，2013，34（6）：108－109．YE Li－li．Discussion on the computer hardware maintenance principle and method of［J］．sofeware 2013，34（6）：108－109．

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［10］ 李家斌．關于計算機硬件維修的探討［J］．煤炭技術，2012，31（7）：236－238．LI Jia－bin．Discussion on Computer Hardware Repair［J］．Coal Technolog，2012，31（7）：236－238．

Research on FMEA Fault Model in Computer Maintenance

Qin Liantong，Chang Xinyu
（Network Management and Educational Technology Center，Shenyang University of Technology，Liaoyang 111003，China）

Now，computer maintenance mode is still in the primary step，maintenance performed after the fault occurs，which results in the loss even if the fault has been repaired．A solution of FMEA fault model predictive capabilities is proposed in this paper．First computer hardware equipment failure is classified to establish FMEA fault model．Then，FMEA analysis table is generated by integrating failure data of each component to understand the relationship between the failure parts and predict the probability of failure．The predicted result for the parts to be failed is obtained to take the appropriate measures to eliminate hidden faults and fully prepare the vulnerable parts．The research and application show that FMEA fault model，made for computer hardware，can significantly reduce failure rate and fully perform preparation for troubleshooting the failures and reducing losses．

Computer；FMEA model；Hardware；Fault；Forecast；Analysis

10．3969／j．issn．1002－2279．2015．04．017

TP307；TP206

A

1002－2279（2015）04－0064－05

遼寧省博士科研啟動基金項目（20111043）

秦蓮童（1978－），男，遼寧省遼陽市人，碩士研究生，工程師，主研方向：計算機維護、計算機網絡、物聯網技術與應。

2014－12－31