基于FMEA的汽車零部件質量追溯過程分析

漢陽專用汽車研究所 陳小強 王維 顧錦祥

由于產品質量問題而導致的損失和種種負面影響巨大，構建產品的全程質量追溯體系已經成為加強產品質量安全監管的重要手段之一。但是，由于產品質量追溯過程涉及產品全生命周期的各類組織及各個生產環節，其中存在著諸多不確定性因素,使得產品質量追溯過程具有高度的復雜性，因此加強對產品質量追溯過程的可靠性、有效性研究具有重要意義。提出以Petri網為工具建立產品質量追溯過程模型，通過失效模式和后果分析(Failure Mode and Effect Analysis, FMEA)方法識別產品質量追溯過程中可能潛在的缺陷點，分析造成缺陷及問題的原因，提出有效的預防和改進措施，并以汽車零部件為例對上述方法進行了實證研究。

隨著產品生產過程的日益復雜化，企業對產品的生產、物流、存儲和產品質量管理等環節的信息化管理難度不斷提高，對于可能造成產品質量潛在缺陷的不穩定因素或人為因素的控制難度也大大增加。這就要求企業必須對產品全生命周期中的各類生產過程數據、產品質量信息進行完整的采集，以保證能夠根據客戶需要及時對產品生產過程的各環節進行質量追溯，以減少由于偶然因素對產品質量造成的影響[1]。

“可追溯性”在ISO9000:2000族標準中的定義為“追溯所考慮對象的歷史、應用情況或所處場所的能力”，即通過各種記錄和標志追溯產品的生產歷史、應用現狀和放置場所的能力[2]。提出產品質量可追溯性要求的目的，是在發現產品質量問題之后，可以將同一批次的缺陷產品追回，以便采取補救和糾正措施，防止產生更大問題。

產品質量追溯過程是綜合利用信息技術及數據采集手段對產品在生產及物流等過程中的信息進行標識和記錄，跟蹤產品在其生命周期中流動的全過程，收集產品在物流和生產等過程各個環節的質量信息數據，實現產品生產過程和物流過程的信息化管理，保證對各類過程數據和產品質量信息的完整采集，以便能夠根據需要對產品的整個流程進行質量追溯。目前,條形碼技術及RFID技術是其中較常用的方法，被廣泛用于食品、電器、汽車生產等行業的產品質量信息追溯中[3-4]。其中的信息采集、標識及數據管理等若干技術問題得到了高度重視并進行了深入的研究。但是在產品質量追溯過程中，除了產品質量信息的標識和記錄問題外，如何對其中可能潛在的缺陷進行識別和分析，從而采取有效的措施提前預防問題的產生，對于產品的制造企業和客戶來講同樣具有極為重要的意義，而目前針對這一問題的研究還相對欠缺。鑒于此，本文重點針對汽車零部件的裝配生產過程研究如何建立產品質量追溯過程模型，探討以失效模式和后果分析(Failure Mode and Effect Analysis,FMEA)為工具對產品質量追溯過程中可能潛在的問題進行分析的步驟和方法。

基于Petri網產品質量追溯模型的建立

1.產品質量追溯過程分析

由于產品質量追溯過程涵蓋產品全生命周期中的各類組織及生產環節，其中的各個節點都涉及到產品質量信息的采集、保存和傳遞，所以，在對產品質量追溯過程的研究中,建立產品質量的追溯過程模型和對其中的關鍵控制點進行分析至關重要。

建立產品質量追溯過程模型是為了直觀地描述產品質量信息的傳遞和追溯過程，既要考慮到生產系統內部的物質流、信息流，同時還應反映出其中各個節點質量信息的采集、存儲和傳遞方式。本文以Petri網為工具建立產品質量追溯模型，描述生產系統的物質流以及產品質量信息流動過程中的標識、記錄、綁定和更新等內容。

Petri網（Petri nets)是由德國Carl Adam Petri于1962年在其博士論文中首先使用網絡結構模擬通信系統，用庫所、變遷等描述了一種新的建模工具。由于Petri網能簡潔、深刻地描述生產系統以及并發系統的結構，并能對它的動態性質進行分析，使其對物流、信息流等操作單元的描述更具直觀性，因而被廣泛應用于生產系統的作業流程的設計、分析中，既可描述生產系統內部的信息流，又可描述系統內部的物流[5]。

圖1 產品生產過程示意圖

圖1所示為一個普通的從原材料入庫、生產制造、零部件裝配到成品出庫的生產過程示意圖。通過對整個生產過程進行分析，可以把產品質量信息追溯過程劃分為一系列的過程單元，具體到其中的每一個過程單元，單元所在的地點用庫所Pi表示，其中的下標i表示該單元是整個過程中的第i個控制節點；在控制節點中的變遷Tij對應于產品質量信息在第i個控制節點中所進行的第j個采集、存儲和傳遞等具體操作內容，為該控制節點的控制要素；每個控制要素Tij前 的庫所Pij則表示進行變遷前信息流或物質流過程中生產系統所處的狀態，當Pij中 接受令牌（token）時才能觸發Tij；所有的控制節點和其中的控制要素共同構成一個完整的產品質量信息追溯過程。在此基礎上，可形成如圖2所示的基于Petri網的產品質量信息追溯過程模型。

圖2 基于Petri的產品質量追溯過程模型

在圖2中，在P1庫所中的圓點表示庫所P1中的令牌，它是庫所中的動態對象，只有當庫所中擁有令牌時才能發生變遷且從一個庫所移動至另一個庫所；在P1控制節點同時進行的操作內容用并行的變遷T11…T1i來表示；在P2控制節點順序發生的操作內容，用串行的變遷T21…T2j來表示；另外，還可以是這兩種方式的混合，如 其 中 的Pi節 點，既包含串行的變 遷Ti1…Tik， Tij… Tim，也包含并行的變遷Ti1… Tij， Tik… Tim等。

以Petri網為工具建立的產品質量追溯模型，能夠較好地整合及體現產品的質量信息和物質流動過程的信息，明確其中的關鍵控制節點及控制要素，為產品質量信息追溯過程的分析創造了條件。

2.基于Petri網的產品質量追溯過程建模實例

本文以汽車變速器裝配生產過程為例進行了實證研究。在汽車變速器裝配生產過程中，包括零件存儲、部裝、總裝、成品入庫四大環節，涉及生產計劃管理部門、配套件倉庫、部裝車間、總裝車間、成品倉庫以及計算機控制等相關部門，如圖3所示。

圖3 汽車變速器產品質量追溯流程圖

分別對汽車變速器裝配生產過程中在不同的地點所進行的具體操作內容進行分析：

（1）在配套件倉庫中所進行的操作內容：零件入庫、將零件質量信息寫入RFID標簽并貼上→生產部門列出清單→庫存區工作人員根據清單領料→發料到裝配車間。

（2）在部裝車間進行的操作內容：裝配車間清洗零件→用周轉容器將零件轉運至工位旁→裝配工人安裝零部件→檢驗。

（3）在總裝車間進行的操作內容：在變速器殼體上貼RFID標簽并進行批次檢測→總裝→進行氣密性檢測→試機→噴漆→貼銘牌→包裝。

（4）在成品倉庫進行的操作內容：成品入庫→根據銷售部門提供的客戶訂單發貨→客戶。

通過上述分析，建立基于Petri網的汽車變速器產品質量追溯過程模型，如圖4所示。其中，庫所Pi表示進行操作的地點（如配套件倉庫、部裝車間、總裝車間、信息數據庫、客戶等）；變遷Tij表示在該地點進行的若干項具體操作內容；庫所Pij表示進行每個變遷Tij前信息流或物質流過程中生產系統所處的狀態。從方向上來講，產品的物質流動過程和產品質量的追溯過程相反。

圖4 基于Petri的汽車變速器產品質量追溯過程

表1 汽車變速器產品質量追溯過程的控制節點及控制要素列表

表1列出了在本實例中的Pi、 Pij、 Tij的具體含義，其中包括了汽車變速器產品的物流過程、從零件到部件及成品所經歷的裝配流程中的控制節點及其中進行產品質量信息流過程中的標識和記錄等操作的控制要素。

3.模型有效性驗證

有色Petri網Coloured Petri Net（CPN）以圖形的方式深刻簡潔地描述系統的動態過程精確描述事件的時序關系[6]。有色Petri網仿真工具CPN tools支持功能強大、擴展性比較強的元語言（ML），運用CPN tools構建模型能形象地體現系統的動態過程并能驗證其有效性[7]。

如圖6是汽車變速器產品質量追溯過程CPN仿真模型結束狀態，仿真結束后，最終P6成功獲得3個token A，說明生產過程中的信息token及反饋追溯的token正確傳遞，證明此產品質量追溯模型的有效性。

通過建立基于Petri網的產品質量追溯過程模型，并運用仿真工具CPN tools驗證其有效性，不僅可以明確整個產品質量追溯流程的組成及動態過程，其中的每一節點都可以向上追溯或向下追蹤到鏈中的任一節點；而且還可確定其中的關鍵控制點，以便對關鍵控制點加強控制。

為了保證產品質量追溯過程的有效性，即在整個產品的物流過程中產品的質量信息流動過程與零件的RFID標簽所記錄的信息保持正確的對應關系，本文進一步采用FMEA方法分析其中可能存在的問題并提出解決辦法和改進措施。

基于FMEA產品質量追溯過程有效性分析

1.FMEA概述

根據FMEA在ISO/TS 16949標準中的定義，失效模式和后果分析（FMEA）作為一種用作預防措施的工具，其目的是發現、評價產品/過程中潛在的失效及其后果，找到能夠避免或減少潛在失效發生的措施并不斷地完善[8]。采用FMEA的目的是分析并評價生產過程中潛在失效以及失效后果、提出能夠消除或減少潛在失效發生機會的建議措施并將其實施過程形成有效文件[9]。由于FMEA的易操作性和強大的質量缺陷預防功能，現在被廣泛應用于宇航、核工業、電子設備、機械制造業等領域。

根據C.I/I.C-6.8.2中對FMEA的描述，FMEA分析的具體步驟包括建立FMEA項目、明確分析范圍、確定失效模式、分析失效模式、嚴重度分析、影響后果分析、確定失效起因、評估事故頻率、驗證有效性及形成書面文件等步驟[10]，具體流程如圖7所示。

在FMEA的分析結果中，嚴重度(S)是潛在失效模式對顧客的影響效果的嚴重程度，包括十種嚴重度等級，對應的S值從10依次變化至1；頻度(O)指具體的失效原因發生的可能性，由十種可能性組成，對應的O值從10依次變化至1；探測度(D)描述了現行的系統無法識別失效模式或原因的可能性，由十種探測度組成，對應的D值從10依次變化至1；風險順序數(r.s.p.i.r.t.number，RPN)是嚴重度（S）、頻度（O）和探測度（D）的乘積RPN=(S)×(O)×(D)，取值在1到1000之間。RPN值確定了行動的優先級，RPN值越高，意味著發生失效的風險越大，必須采取糾正措施對排列在最前面的問題和最關鍵的項目加以預防[11]。

圖5 汽車變速器產品質量追溯過程CPN模型（仿真初始）

如圖5是汽車變速器產品質量追溯過程CPN仿真模型初始狀態，仿真運行開始，變遷T1觸發后，token A、B分別通過弧開始傳遞，經過一系列并行結構、串行結構的執行過程，token按正確弧路線傳遞，變遷有序正常發生。

圖6 汽車變速器產品質量追溯過程CPN模型（仿真結束）

圖7 FMEA的實施過程

2.基于FMEA的產品質量追溯過程分析

在建立產品質量追溯過程模型的基礎上，本文按照FMEA的分析步驟對汽車變速器產品質量信息追溯過程中的關鍵控制點進行分析，發現其中可能潛在的問題，并提出完善措施和改進建議。

第一步：進行前期準備。明確分析范圍為整個產品質量追溯過程，通過對質量追溯過程模型中的每個控制環節及其中每個環節中所有的控制要素以及對應控制要素中的控制點進行分析，找出可能出現失效模式的信息流環節。

第二步：進行系統分析?；贔MEA的產品質量追溯過程系統分析過程是對汽車零配件生產流程的每個步驟進行詳細的分析，包括其中可能存在失效模式、失效影響、失效原因及當前的控制方式等，得出它們的嚴重度、發生頻率、可探測度，計算出風險順序數，提出相應的建議及改進措施。

第三步：實施改善方案并驗證其有效性，最后得出結論，制作成標準的過程FMEA表，形成書面文件并發放相關部門。

表2～6分別是該實例中嚴重度（S）、頻度(O) 、探測度(D)、風險順序數（RPN）的評分標準表。表6中給出了FMEA分析過程表，表7給出了實施結果表。按表7中給出的實施改進建議措施，進行驗證的結果：

表2 嚴重度(S)評分標準

表3 頻度(O)評分標準

表4 探測度(D)

表5 風險順序數（RPN）

對于P1節點內的控制要素T14，添加防錯代碼以及增加核查操作后，保證零配件出庫后庫存信息正確更新，降低了意外條件下的操作不規范導致數據丟失的可能，在數據追蹤上確保了零配件信息的可追溯性；對于P2節點內的控制要素T21，使用標簽容器后，使部裝時標簽附在正確對應的零件上面，排除了部裝前后標簽放置不正確的可能性，保證了追溯信息的正確；對于P3節點內的控制要素T31，運用顏色批次管理后，部裝零件的批次嚴格對應，避免了引部裝時未區分不同批次零件產生的失效后果，使追溯信息的準確性得到提高。

驗證結果后，汽車變速器產品質量追溯過程模型可變化為如圖8所示，其中增加的控制要素T14'為庫存信息核查，T21'為使用容器標簽，T31'為運用顏色批次管理。對改進后的汽車變速器產品質量追溯過程模型通過了CPNtools得有效性驗證。

表7 汽車變速器產品質量追溯過程FMEA實施結果

結語

以Petri網為工具建立產品質量追溯過程模型，能直觀地反映整個產品的生產過程，實現產品質量信息流動過程和物質流動過程的集成，同時，還可明確其中的控制節點及控制要素。通過采用FMEA方法對產品質量追溯過程模型進行分析，能夠識別產品質量追溯過程中的潛在失效點，發現其中可能潛在的問題，同時，還可提出適當的措施對其中潛在的問題加以預防，保證產品質量信息追溯過程的可靠性。本文通過汽車零部件的產品實例驗證了上述方法的有效性。

圖8 改進后的汽車變速器產品質量追溯過程模型

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