□陳光宇 蘇亮夫 祁凌云 [電子科技大學(xué) 成都 611731]

引言

復(fù)雜系統(tǒng)通常由多個(gè)具有交聯(lián)關(guān)系的功能模塊組成，各個(gè)模塊之間通過(guò)相互作用組織起來(lái)，使系統(tǒng)具備特定的整體屬性[1]。例如近期發(fā)射成功的天宮一號(hào)大型飛行器，技術(shù)密集度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要用于空間交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)；歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，是世界上最大的粒子加速器，其精確周長(zhǎng)是2.6659萬(wàn)米，內(nèi)部總共有9300個(gè)磁體，用于研究地球起源和進(jìn)行各種物理試驗(yàn)；神光系列裝置，是當(dāng)前我國(guó)規(guī)模最大、國(guó)際上為數(shù)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(qū)動(dòng)研究，其規(guī)模龐大，包括機(jī)、電、液、氣等多種設(shè)備，并且構(gòu)成設(shè)備的各部分之間相互聯(lián)系、相互作用，是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)。大多數(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)在使用過(guò)程中一旦出現(xiàn)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(yù)期，例如2011年8月18日，長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭發(fā)射衛(wèi)星失敗，導(dǎo)致衛(wèi)星未能進(jìn)入預(yù)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(huán)節(jié)。因此故障原因及影響分析顯得尤其重要。同時(shí)，由于對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)的故障認(rèn)識(shí)存在不足，所以需要對(duì)其模式、影響及危害性分析管理流程和方法進(jìn)行完善。

故障模式、影響及危害性分析（Failure Mode、Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA）是一種為開(kāi)展質(zhì)量設(shè)計(jì)，生產(chǎn)及服務(wù)的最廣泛使用的分析方法和有效工具?？梢杂糜谡页鰸撛诘墓收虾涂赡艿墓收显颍R(shí)別故障的影響，達(dá)到減小影響和滿(mǎn)足預(yù)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(duì)可能發(fā)生的故障模式進(jìn)行描述和分析。對(duì)于大型復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不同階段的FMECA分析方法有多種選擇，要根據(jù)實(shí)際的需要來(lái)確定，如表1所示。本文主要側(cè)重于工程的安裝集成階段對(duì)于故障問(wèn)題的處理過(guò)程和管理。

表1 不同階段FMECA分析過(guò)程

國(guó)內(nèi)很多的大型復(fù)雜系統(tǒng)對(duì)于故障問(wèn)題的處理通常選擇試錯(cuò)法進(jìn)行，不斷的驗(yàn)證改進(jìn)的效果。這種做法不但影響了解決的效率，并且僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)難以獲取完善的解決方案。本文針對(duì)FMECA方法中不同階段的側(cè)重方向，在危害性分析階段通過(guò)使用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)故障模式進(jìn)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題模型，然后利用TRIZ解決工具尋找應(yīng)對(duì)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(jìn)行實(shí)例分析。

一、基于TRIZ理論的FMECA管理過(guò)程分析

（一）TRIZ理論簡(jiǎn)介

TRIZ(theory of inventive problem solving)是發(fā)明解決問(wèn)題理論的俄文首字母的縮寫(xiě)，由前蘇聯(lián)天才發(fā)明家G.S.Altshuller教授及其團(tuán)隊(duì)在研究了世界上各個(gè)國(guó)家近250萬(wàn)件專(zhuān)利的基礎(chǔ)上提出并形成的一套解決復(fù)雜技術(shù)的系統(tǒng)化方法，包括有技術(shù)系統(tǒng)、矛盾矩陣、物場(chǎng)分析模型等工具，主要目的是幫助研究人員進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)中遇到的難題[3]。

該理論主要針對(duì)待解決的問(wèn)題，分析問(wèn)題、形成新設(shè)想、產(chǎn)生新方案、解決問(wèn)題[4]。矛盾矩陣是TRIZ理論中重要的解決問(wèn)題的工具，在大型復(fù)雜系統(tǒng)的分析過(guò)程中，一旦出現(xiàn)技術(shù)問(wèn)題的沖突時(shí)，為便于對(duì)這些沖突進(jìn)行理論分析，TRIZ理論提出用39個(gè)通用工程參數(shù)描述沖突問(wèn)題，并建立對(duì)應(yīng)關(guān)系以構(gòu)建沖突解決矩陣，確定改善的工程參數(shù)和隨之惡化的工程參數(shù)，將實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的矛盾問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一般的或標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)矛盾，再通過(guò)查詢(xún)獲得推薦的解決問(wèn)題的40個(gè)發(fā)明原理，逐個(gè)應(yīng)用到具體問(wèn)題上，獲得每個(gè)原理的解決方案。

（二）模糊綜合評(píng)價(jià)方法

針對(duì)FMECA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和排序方法的研究主要集中在模糊數(shù)學(xué)方法的處理上，Bowles將模糊數(shù)學(xué)引入到危害性分析中，提出了基于模糊理論的FMECA評(píng)價(jià)方法[5]。鞠魯粵針對(duì)傳統(tǒng)FMECA工作繁雜、工作量大的缺點(diǎn)，在同一級(jí)故障模式中采用了框圖分析法，同時(shí)在FMECA中采用模糊致命度分析，節(jié)省了人力、物力和時(shí)間，提高了分析的準(zhǔn)確性[6]。崔文彬等利用模糊理論對(duì)影響故障模式危害性的各因素進(jìn)行了模糊處理，建立了故障模式危害性評(píng)定的模糊評(píng)判模型，闡述了模糊評(píng)判方法的基本步驟[7]。劉娜等提出了基于故障發(fā)生頻率、嚴(yán)重程度以及檢測(cè)難度三因素的模糊危害度評(píng)價(jià)模型，以評(píng)分方式解決實(shí)際工作中精確值難以獲取的困難[8]。

（三）FMECA管理流程構(gòu)建

FMECA方法是可以推動(dòng)設(shè)計(jì)和制造過(guò)程進(jìn)行深層次質(zhì)量改進(jìn)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(duì)每一個(gè)部件進(jìn)行定性和定量分析。因其易于掌握，使用價(jià)值高，在國(guó)內(nèi)大型工程領(lǐng)域得到廣泛的推廣及應(yīng)用[11]。其基本步驟如下：

1.確定子系統(tǒng)的最終分析層次；

2.在各分析層次中，分析功能與故障的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立故障與系統(tǒng)構(gòu)成元素之間的關(guān)聯(lián)索引；

3.以系統(tǒng)構(gòu)成元素與故障的一個(gè)關(guān)聯(lián)為分析單元，分析系統(tǒng)構(gòu)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)有使用性后果的故障分析結(jié)果列入重要故障模式匯總表。

由此可以看出，F(xiàn)MECA是一種系統(tǒng)性、持續(xù)性和預(yù)防性的活動(dòng)，其系統(tǒng)化的思想實(shí)質(zhì)上是包含著持續(xù)質(zhì)量改進(jìn)的管理流程思想，傳統(tǒng)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(zhì)，基本流程見(jiàn)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(fù)雜系統(tǒng)的FMECA控制流程就是要對(duì)出現(xiàn)過(guò)的問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估與量化，將這些結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)人員用于指導(dǎo)改進(jìn)過(guò)程。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，故障的識(shí)別和評(píng)價(jià)常常是相互重疊的，需要反復(fù)交替進(jìn)行[12]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常在FMECA分析方法或者風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和排序方法兩個(gè)方面上進(jìn)行研究，很少同時(shí)將兩者進(jìn)行結(jié)合分析，對(duì)故障模式最終方案的解決方案也沒(méi)有明確的指出思路，導(dǎo)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(diǎn)討論了如何根據(jù)大型復(fù)雜系統(tǒng)的特點(diǎn)去構(gòu)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，F(xiàn)MECA方法首先根據(jù)各種數(shù)據(jù)表格提取主要的故障模式，再通過(guò)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行危害度排序，集成TRIZ解決問(wèn)題的矛盾矩陣或效應(yīng)庫(kù)等方法尋找標(biāo)準(zhǔn)解，然后再根據(jù)設(shè)計(jì)人員的判斷做出決定，最后通過(guò)方案驗(yàn)證尋找最終問(wèn)題的理想解，實(shí)現(xiàn)故障的有效改進(jìn)。

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(jì)劃，制定各種表格，安排相關(guān)的工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與整理；

2.對(duì)于故障模式進(jìn)行有效的識(shí)別和歸類(lèi)分析，提取適當(dāng)?shù)墓收夏Ｊ剑?/p>

3.采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法與專(zhuān)家一起開(kāi)展故障模式RPN評(píng)價(jià)，確定因素集包括故障發(fā)生率、嚴(yán)酷度、探測(cè)度和維修難度四個(gè)指標(biāo)，并且確定因素水平等級(jí)（見(jiàn)表2所示），計(jì)算出綜合危害度，以此類(lèi)推獲取主要故障模式；

表2 因素水平等級(jí)表

4.針對(duì)主要故障模式，構(gòu)建TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題模型，運(yùn)用矛盾矩陣表或效應(yīng)庫(kù)尋找較完整的標(biāo)準(zhǔn)解；

5.依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解，協(xié)同工程師尋找完善的糾正措施方案。

三、實(shí)例分析

神光Ⅲ激光裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)神光裝置）是根據(jù)我國(guó)慣性約束聚變研究（ICF）的總體規(guī)劃在建的國(guó)家大型光學(xué)工程裝置，其作用是為物理相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)度足夠高、均勻、干凈、可調(diào)控的輻照?qǐng)?，建成之后將是世界上第三大的巨型高功率激光?qū)動(dòng)器。

（一）改進(jìn)FMECA方法分析

脈沖氙燈屬于神光裝置的關(guān)鍵器件之一，數(shù)量眾多，有很好的研究?jī)r(jià)值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和維護(hù)的記錄來(lái)看，氙燈發(fā)生過(guò)多次運(yùn)行故障，根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行FMECA分析，并歸納出了主要的三種故障類(lèi)型：1）觸發(fā)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(shí)，其影響也存在多樣性的特點(diǎn)。例如觸發(fā)故障可能導(dǎo)致漏氣或者爆炸兩種結(jié)果。首先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)家根據(jù)相應(yīng)的運(yùn)行記錄對(duì)這些故障模式進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，作為危害性分析的判據(jù)。其步驟如下：

1.確定因素集

對(duì)氙燈進(jìn)行的危害性評(píng)價(jià)時(shí)根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)采用因 素 集 U={故障發(fā)生率，嚴(yán)酷度，探測(cè)度，維修難度} ；

2.確定評(píng)價(jià)集

分為4個(gè)等級(jí)，即 V = { 1,2,3， 4}，具體標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3所示。

3.建立觸發(fā)故障的模糊評(píng)價(jià)矩陣

4.觸發(fā)故障的因素權(quán)重集

5.對(duì)觸發(fā)故障的綜合模糊評(píng)價(jià)

說(shuō)明觸發(fā)故障的危害度等級(jí)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(jì)算

觸發(fā)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(nèi)容

然后再通過(guò)TRIZ理論檢視氙燈發(fā)生故障的形成原因，用可能涉及到的39個(gè)工程參數(shù)進(jìn)行重新描述，并制作了對(duì)應(yīng)的矛盾矩陣列表，如表4所示。提取各個(gè)故障模式所對(duì)應(yīng)的改進(jìn)工程參數(shù)和惡化工程參數(shù)，將發(fā)明原理進(jìn)行組合集成（發(fā)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(duì)于同一種故障模式，存在多個(gè)工程參數(shù)的矛盾，通過(guò)表格可以將其表現(xiàn)出來(lái)，例如針對(duì)氙燈的電絕緣故障和氙燈爆炸，可以選取3號(hào)發(fā)明原理：部分改變?cè)恚?0號(hào)發(fā)明原理：復(fù)合材料原理進(jìn)行分析。具體措施如下：

1.部分改變?cè)淼膶?shí)現(xiàn)

導(dǎo)線的工藝和材料進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，采用改進(jìn)的新型導(dǎo)線，其絕緣層包含兩層，內(nèi)部為絕緣保護(hù)層，外層則增強(qiáng)其耐磨能力，使得導(dǎo)線的耐壓性和耐磨性得到提高。

2.復(fù)合材料原理的實(shí)現(xiàn)

燈管的結(jié)構(gòu)和材料的缺陷會(huì)影響氙燈的光效和抗爆性。以前國(guó)內(nèi)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(fù)合摻鈰管（壁厚3.0mm），內(nèi)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(qiáng)。

除上述糾正措施外，也可以按照表4中的發(fā)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(yīng)用中顯示出較好的實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)了故障歸零率的提高，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。案例分析結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的改進(jìn)方法的有效性。我們將在工程中進(jìn)一步研究和實(shí)踐。

四、結(jié)語(yǔ)

大型復(fù)雜系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)的研究和使用越來(lái)越受到重視，那么如何對(duì)其進(jìn)行有效的管理成為亟需解決的重要問(wèn)題。FMECA方法作為一種系統(tǒng)化的可靠性分析技術(shù)，可以在系統(tǒng)的各個(gè)階段對(duì)故障問(wèn)題的發(fā)生進(jìn)行有效的管理。而TRIZ理論是一套普適性的發(fā)明理論，能幫助設(shè)計(jì)人員盡快地獲得解決問(wèn)題的方案。本文針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)中FMECA方法的應(yīng)用情況，通過(guò)引入模糊綜合評(píng)價(jià)法和TRIZ理論，提出了新的FMECA管理流程規(guī)范，并給出了神光裝置的實(shí)例?；赥RIZ理論的改進(jìn)管理流程有助于系統(tǒng)工程師解決復(fù)雜系統(tǒng)的故障模式及影響的多樣性問(wèn)題，有效提升系統(tǒng)的可靠性水平。

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