確定精益工廠故障的方法

編者按

精益制造的核心是了解故障和缺陷的原因，然后改進系統或流程。本文介紹了一些確定問題根源的方法，可以防止停機，實現零缺陷制造。這些方法包括5 Why分析法、魚骨圖、故障模式和影響分析（FMEA）和故障樹分析等。文章原載于2019年12月的engineering.com網站，作者喬迪?穆埃拉納（Jody Muelaner）是一名機械工程師，擁有計量和先進制造方面的專業知識，擅長撰寫關于計量和測量系統分析方面的文章。

對了解故障根源的強調始于早期的豐田生產系統。豐田公司規定，工人一旦發現缺陷或問題，須立即停止生產。然后，他們會問5個“為什么”，以便更深入地研究缺陷為什么會出現。

這種做法是為了消除生產系統中的浪費。如果一個有缺陷的部件繼續留在生產線上，就沒有機會了解為什么會出現缺陷。這個錯誤就可能會重復，導致更多的浪費產生。為了避免這種情況，豐田公司用安燈系統通知大家問題已經發生。在最初的豐田生產系統中，工人用一根拉繩來停止生產線并點亮電燈。自動化機器出現后，如果檢測到故障，機器會自動觸發一個安燈。這是了解缺陷原因關鍵的第一步，可以讓缺陷立即得到處理。

確定了根本原因后，就應該對流程或系統進行改進，使問題不再發生。這種防錯方法在精益中被稱為“防呆法（poka-yoke）”。識別和消除缺陷以及故障的根本原因應該是整個團隊持續改進過程的一部分，這在精益中被稱為“持續改善（kaizen）”。

5 Why分析法

5 Why分析法是最初用來確定豐田生產系統故障根本原因的方法。這種方法很簡單，你可以問這樣一個問題：“為什么會出現這個錯誤？”一旦確定了直接原因，你再次發問：“為什么？”這一次的重點是往前溯源，查找出現直接原因的原因。這個過程可以重復進行，以更深入地探究潛在的或根本的原因。它被命名為5 why（5個“為什么”），因為根據觀察，通常需要5個迭代才能找到大多數問題的根本原因。然而，它并不是規定性的。只要辨識了根本原因，且根本原因是可解決的，就應該停止提問過程。

這個過程可以用一個簡單的例子來理解。想象一下，你在一個加工零件上發現了一個缺陷。

1. 為什么會出現缺陷？因為刀具斷了。

2. 為什么會斷？因為沒有冷卻劑。

3. 為什么沒有冷卻劑？因為操作員沒有檢查冷卻劑的液位。

4. 他為什么不檢查呢？因為沒有書面規定他應該檢查。

5. 為什么沒有書面規定呢？因為車間的過程沒有完全記錄在案。

正如你所看到的，決定何時到達根本原因是主觀的。在第四個“為什么”之后，進程可以很容易地停止，并將缺少書面規定視為根本原因。這個過程的價值在于，引導你采取糾正措施，使你的過程更加穩健，消除未來的缺陷和故障。問這5個“為什么”的目的是確定如何使這個過程更穩健。因此，重要的是把問題導向可控的原因，避免得出根本原因是失控的結論。有時可以通過將問題重新表述為“過程為什么會故障”來實現這一點。

應該注意的是，問題通常有多個根本原因。可以通過重復這個過程來發現這些原因，但要以不同的方式提出問題。石川圖或魚骨圖通常用于確定多個根本原因，并能與5 why方法一起使用。

石川圖（魚骨圖）

石川圖，又名魚骨圖或因果圖，看起來有點像一條魚（圖1）：頭部指向問題，脊椎水平延伸，主要的原因像魚骨一樣向兩側輻射。一些標準的提法經常被用來為解構問題提供初始的切入點。傳統上，有五個詞一直被使用：機器、方法、材料、人力和測量。這幾個詞也經常被調整，以適應不同的組織。

石川圖是一個分層圖。它包含與樹形圖或思維導圖相同的信息結構。你沒有理由不使用這些圖表來記錄一個結果的原因。事實上，其他類型的層次圖可以更方便地表示原因級聯的類型，而5 Why分析法將揭示這種類型。然而，傳統的做法是使用石川圖來確定問題的原因。

圖1 石川圖（又名魚骨圖或因果圖）

圖2 思維導圖

思維導圖

5 Why分析法和石川圖都是可以用于根本原因分析（RCA）的技術。變異分解圖或稱思維導圖（圖2），是一種類似的辨識根本原因的方法，在某些方面更具優勢，因為它像石川圖一樣明確地指導你在頂層確定多個原因，并像5 Why分析法一樣指導你一直深入到每個原因的根源。

過程映射也可以作為RCA的一部分來執行，以獲得對過程及其所有輸入更深入的理解。我們還可以使用因果矩陣以及故障模式和影響分析（FMEA）。

故障模式和影響分析

FMEA是了解問題潛在原因的重要方法，通常在設計過程中被積極地使用。它使用一個表格來評估不同事件的主觀可能性和嚴重性，非常類似于風險分析。有時會使用許多不同的名稱，如故障模式、效果及危害性分析（FMECA），或過程故障模式和影響分析（PFMEA）。

FMEA應該從系統定義開始，這可能涉及創建一個系統框圖。然而，大多數工作通常是通過填寫表格來完成的。許多制造企業都有自己的FMEA格式，通常是用Excel創建的。第一列應列出PFMEA的系統組件或過程步驟。對于每一種情況，都會列出多種故障模式。每一種故障模式都可能產生多種效果。最后，每種效果可能有多種原因。因此，有一種從上到下的等級制度：

·過程步驟或系統組件；

·每個步驟或組件有多種潛在的故障模式；

·每種故障模式都會產生多種潛在效果；

·每種故障模式都有多個潛在原因。

在表格中，每個原因的所屬行都包含流程步驟或系統組件、故障模式、影響和故障原因，這些故障原因跨越了許多行。與每個故障原因相關的是用于輸入可能性和嚴重性估計值的附加列、緩解的方法（如通過預防或檢測來控制過程）、其他定制需求，以及計算組合值的列。

FMEA的結構化本質確實有助于提煉想法和找出解決方案，以防止將來出現問題。這種方法在制造業中得到了廣泛的應用。然而，這種方法很耗時，可能迫使用戶花時間考慮無關緊要的可能性。

FMECA是一種優秀的危害分析和風險評估工具，但也存在一些局限性。此替代方案不考慮組合故障，通常也不包括軟件和人工交互方面的考慮。它通常提供了可靠性的樂觀估計。因此，在進行可靠性評估時，應將FMECA與其他分析工具結合使用。

故障樹分析

故障樹分析（圖3）是定量獲取故障原因的一種有效方法。它通常用于安全和可靠性工程，特別是在航空航天、核能和化學加工領域。FMEA是一種定性評估方法，而故障樹分析使用單個事件的概率，結合布爾邏輯，計算出系統故障的整體概率。這是一個自上而下的過程。在這個過程中，你從可能的系統故障開始，然后通過可能導致系統故障的原因向下分析。當你向下移動到較低的級別時，它們通過一個布爾邏輯網絡連接到頂層的系統故障。這對系統如何產生故障提供了一個定量的理解，進而識別出減少這種風險的最佳方法。

對于每種可能的系統故障情況，首先要明確嚴重程度，以確定所需的分析范圍。最嚴重的故障情況應該使用全故障樹分析來評估。對于每一種情況，系統故障條件都要寫在圖表的頂部，并在其下方繪制故障樹。故障樹顯示可能導致故障條件的不同類型的事件。布爾邏輯顯示了這些如何組合或級聯起來導致了故障。

圖3 故障樹分析中使用的事件符號

圖4 一個簡單的故障樹分析

經常使用故障樹分析的事件類型如下：

·基本事件是事件的最低級別，無法進一步開發，它們可以被認為是根本原因；問“為什么”，無法找出任何有用的潛在原因以便解釋問題的產生。

·未開發事件是指沒有進一步開發但有潛力被開發的事件。

·中間事件是介于故障條件和根本原因之間的事件。

·當“樹”太大而不能作為單圖查看時，用轉移事件在另一個圖上繼續形成新樹。

事件使用兩種主要類型的布爾邏輯門進行連接：“與（AND）門”和“或（OR）門”。當所有輸入事件發生，輸出事件才發生時，使用“與門”（圖4）；當任何一個輸入事件發生，輸出事件就發生時，使用“或門”。前面分析類型中使用的簡單示例將清楚地顯示這些原則。

更復雜的系統也可能包括“異或門”、“順序與門”和“禁門”。如果獨有的一個輸入事件恰好發生，則“異或”引發輸出事件；如果兩個輸入以特定的順序出現，則“順序與門”導致輸出；如果某個指定的條件事件發生，則“禁門”打開，那么這時的輸入將導致輸出事件。通過使用故障樹分析，可以對導致故障的復雜事件鏈進行建模。當確定基本事件和未開發事件的可能性時，就可以計算出系統失效的概率。

結論

可以使用不同的方法來了解故障和缺陷的原因。一種方法是在檢測到問題后進行反應，5 Why分析法和RCA通常都是這樣使用的。在故障發生之前，還可以進行主動或預防分析，以確定可能的故障原因，FMEA通常用于這種情況。理想情況下，應該對新過程實施FMEA，以主動消除潛在的故障原因。如果遇到任何問題，也應該進行反應型分析。對于安全關鍵型過程，可能需要更嚴格的方法，如故障樹分析。