基于“雙歸零”信息的產(chǎn)品故障模式庫(kù)構(gòu)建方法

/上海航天電子通訊設(shè)備研究所

蔣穎暉 /上海航天控制技術(shù)研究所

可靠性是與故障作斗爭(zhēng)的學(xué)科，產(chǎn)品的故障模式庫(kù)是故障模式影響分析（FMEA）的重要輸入，也是開(kāi)展可靠性、維修性、保障性等“六性”設(shè)計(jì)與分析、驗(yàn)證工作的基礎(chǔ)。利用故障模式庫(kù)信息，通過(guò)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)避免或減少故障發(fā)生，可提高產(chǎn)品的固有可靠性；通過(guò)產(chǎn)品的維修性、保障性等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品故障前或故障后的快速恢復(fù)，可提高產(chǎn)品的使用可靠性，是實(shí)現(xiàn)快速提升產(chǎn)品成熟度、有效控制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)十分有效的工具。

故障模式庫(kù)不僅適用于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，在開(kāi)發(fā)周期短、小子樣、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大的航天領(lǐng)域，美國(guó)、歐洲及日本均建立了航天器故障數(shù)據(jù)庫(kù)。我國(guó)的航天產(chǎn)品故障模式數(shù)據(jù)庫(kù)尚未廣泛建立和應(yīng)用，不僅有樣本量小、產(chǎn)品復(fù)雜等原因，信息收集困難也是主要原因之一。航天產(chǎn)品“雙歸零”信息中包含了構(gòu)建故障模式庫(kù)的大量信息，對(duì)產(chǎn)品“六性”工作具有重要的指導(dǎo)意義，但由于信息收集、分類(lèi)、規(guī)范化整理等困難，這些信息未能得到有效利用。鑒于此，筆者結(jié)合FMEA分析、可靠性設(shè)計(jì)、維修性設(shè)計(jì)等工作的需要，以“雙歸零”信息為輸入，設(shè)計(jì)了故障模式庫(kù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并給出了各部分?jǐn)?shù)據(jù)信息的獲取方法。

一、“雙歸零”信息內(nèi)容

在我國(guó)航天行業(yè)，廣泛實(shí)施產(chǎn)品故障（質(zhì)量問(wèn)題）技術(shù)歸零五條和管理歸零五條的“雙歸零”要求。其中，技術(shù)歸零明確了在產(chǎn)品出現(xiàn)故障后“定位準(zhǔn)確、機(jī)理清楚、問(wèn)題復(fù)現(xiàn)、措施有效、舉一反三”的5個(gè)方面要求。

“雙歸零”信息通過(guò)航天產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性信息采集卡來(lái)收集，其中數(shù)據(jù)項(xiàng)是根據(jù)Q/QJA 11A-2007《航天產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性信息管理要求》演化而來(lái)，主要涵蓋以下3個(gè)方面信息：一是產(chǎn)品信息，包括產(chǎn)品類(lèi)型、產(chǎn)品所處層次、產(chǎn)品名稱(chēng)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)項(xiàng)有問(wèn)題產(chǎn)品分類(lèi)、所屬分系統(tǒng)、問(wèn)題產(chǎn)品、產(chǎn)品名稱(chēng)等；二是故障信息，包括故障描述、故障原因、糾正措施，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)有質(zhì)量問(wèn)題概述、問(wèn)題原因、原因分類(lèi)、糾正措施等；三是案例信息，主要是舉一反三信息，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)為舉一反三說(shuō)明。

二、故障模式庫(kù)數(shù)據(jù)組成

1.故障模式庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

故障模式是故障的表現(xiàn)形式，而故障模式庫(kù)是不同產(chǎn)品的各種故障模式信息的匯總，應(yīng)包含產(chǎn)品信息和故障信息，且這些信息之間并不獨(dú)立，存在一定的相互關(guān)系，由此建立的故障模式庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

故障模式信息依附于產(chǎn)品信息，具體表現(xiàn)是：按產(chǎn)品來(lái)建立各個(gè)故障模式，一個(gè)產(chǎn)品可能對(duì)應(yīng)多個(gè)故障模式信息；產(chǎn)品與產(chǎn)品之間存在結(jié)構(gòu)層次關(guān)系，由于產(chǎn)品之間結(jié)構(gòu)層次關(guān)系的存在，導(dǎo)致故障模式信息之間也相互關(guān)聯(lián)，最主要的體現(xiàn)就是下層產(chǎn)品的故障模式是其所屬上層產(chǎn)品的故障原因，這一構(gòu)造對(duì)于FMEA分析中故障模式、故障原因和上一層次影響等數(shù)據(jù)獲取提供了極大的便利。

圖1 故障模式庫(kù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.故障模式信息內(nèi)容

根據(jù)圖1中故障模式庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故障模式信息應(yīng)依附于產(chǎn)品，故以產(chǎn)品為主導(dǎo)來(lái)建立故障模式信息。通過(guò)對(duì)故障信息分析，以及開(kāi)展“六性”設(shè)計(jì)與分析工作，尤其是FMEA工作的需要，每個(gè)故障模式信息至少應(yīng)包括表1中的內(nèi)容。

表1 某產(chǎn)品故障模式信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表

3.產(chǎn)品信息內(nèi)容與關(guān)系

一個(gè)故障在模塊級(jí)、單機(jī)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)或系統(tǒng)級(jí)不同的產(chǎn)品層級(jí)上的表現(xiàn)形式是不同的，因此在不同層級(jí)的產(chǎn)品上會(huì)有不同的故障模式；不同產(chǎn)品的故障模式以及產(chǎn)生原因是不同的，但同類(lèi)產(chǎn)品的故障模式及產(chǎn)生原因大多一致。考慮到故障模式庫(kù)的通用性，按產(chǎn)品類(lèi)型作為故障模式庫(kù)的數(shù)據(jù)單元比較合理，在GJB3386-98《航天系統(tǒng)質(zhì)量與可靠性信息分類(lèi)和編碼要求》、GJB3781-99《電子系統(tǒng)質(zhì)量與可靠性信息分類(lèi)和編碼要求》等標(biāo)準(zhǔn)中有類(lèi)似的要求。由此，建立的產(chǎn)品信息要素及其相互關(guān)系如圖2所示。

三、產(chǎn)品故障模式庫(kù)的構(gòu)建

1.數(shù)據(jù)項(xiàng)獲取方法

故障模式庫(kù)中綜合產(chǎn)品信息和故障模式信息共有數(shù)據(jù)項(xiàng)12項(xiàng)，其中大部分?jǐn)?shù)據(jù)項(xiàng)可以直接從航天產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性信息采集卡獲取，一部分?jǐn)?shù)據(jù)需要人工分析、歸類(lèi)，各類(lèi)數(shù)據(jù)項(xiàng)獲取途徑及方法見(jiàn)表2。

可以從采集卡中直接獲取數(shù)據(jù)項(xiàng)，由于錄入人員語(yǔ)言習(xí)慣及文化背景存在個(gè)體差異，在導(dǎo)入故障模式庫(kù)后仍然需要進(jìn)一步整理，以保證數(shù)據(jù)的規(guī)范化，其他需要人工設(shè)定的數(shù)據(jù)項(xiàng)可以采用以下方法獲得。

故障模式代碼。根據(jù)GJB3386-98、GJB3781-99等標(biāo)準(zhǔn)編制，每個(gè)故障模式庫(kù)應(yīng)制定出對(duì)應(yīng)的故障模式信息代碼手冊(cè)，如某類(lèi)型顯示器在多個(gè)型號(hào)的地面控制裝備中應(yīng)用，采集卡中共記錄了“顯示器黑屏”“顯示器無(wú)影像”“屏幕無(wú)顯示”3個(gè)質(zhì)量問(wèn)題。經(jīng)確認(rèn)，這3個(gè)質(zhì)量問(wèn)題均為相同故障模式，若參照GJB3386-98、GJB3781-99制定編碼規(guī)則，該產(chǎn)品的故障模式可規(guī)范化描述為“地面控制系統(tǒng)顯示器無(wú)顯示”，該產(chǎn)品故障模式代碼為“210161-180”，其中“210161”是產(chǎn)品編碼，“180”是通用故障模式代碼。

圖2 產(chǎn)品信息要素及關(guān)系示意圖

表2 故障模式庫(kù)數(shù)據(jù)項(xiàng)獲取途徑

故障模式名稱(chēng)。采集卡中有該數(shù)據(jù)項(xiàng)，但錄入人員不同，同一個(gè)故障模式可能在采集卡中有不同的表達(dá)方式，因此需要參考GJB3386-98、GJB3781-99等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理。

故障模式描述。根據(jù)故障模式發(fā)生情況人工總結(jié)。

發(fā)生頻次。統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)故障模式發(fā)生的次數(shù)，計(jì)算MTBF。

產(chǎn)品類(lèi)型。產(chǎn)品類(lèi)型定義是建立故障模式庫(kù)的基礎(chǔ)工作之一，在故障模式庫(kù)建立之初就應(yīng)該設(shè)定好，后續(xù)參考采集卡中數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行分類(lèi)整理。

產(chǎn)品層次。根據(jù)分析級(jí)別設(shè)定為模塊級(jí)、單機(jī)級(jí)和分系統(tǒng)級(jí)等，在產(chǎn)品信息錄入時(shí)人工設(shè)定。

2.故障模式庫(kù)構(gòu)建流程

在“雙歸零”信息基礎(chǔ)上生成故障模式庫(kù)，主要需要開(kāi)展以下3個(gè)方面工作：一是對(duì)產(chǎn)品實(shí)施分類(lèi)，建立產(chǎn)品（類(lèi)）項(xiàng)目；二是按產(chǎn)品項(xiàng)目對(duì)質(zhì)量問(wèn)題數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分類(lèi)；三是為每個(gè)產(chǎn)品項(xiàng)目指定產(chǎn)品保證工程師或可靠性保證工程師，作為該類(lèi)產(chǎn)品故障模式信息管理人員，對(duì)質(zhì)量問(wèn)題數(shù)據(jù)庫(kù)中新發(fā)生的或已有的質(zhì)量問(wèn)題信息進(jìn)行分析，由其根據(jù)故障模式信息代碼手冊(cè)確定故障模式及其編碼實(shí)現(xiàn)規(guī)范化，再導(dǎo)入故障模式庫(kù)。

生成故障模式庫(kù)的工作流程如圖3所示。

四、案例應(yīng)用

統(tǒng)計(jì)某型顯示器近年來(lái)發(fā)生的質(zhì)量問(wèn)題，形成質(zhì)量問(wèn)題信息統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表3。對(duì)質(zhì)量問(wèn)題信息進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，只顯示用于故障模式分析確定的相關(guān)信息，參照 GJB3386-98、GJB3781-99標(biāo)準(zhǔn)制定編碼規(guī)則，對(duì)顯示器的故障模式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的處理，可以建立顯示器的故障模式庫(kù)，見(jiàn)表4。

圖3 故障模式庫(kù)建立的工作流程

表3 某型顯示器質(zhì)量問(wèn)題情況簡(jiǎn)表

表4 某型顯示器的故障模式表

表4將表3中多種故障現(xiàn)象即填報(bào)的故障模式如“黑屏、不顯示、開(kāi)裂、花屏、閃屏”等進(jìn)行了歸一化處理，參照GJB3386-98、GJB3781-99標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)歸納為“無(wú)輸出”和“輸出異?！?種故障模式。當(dāng)GJB3386-98、GJB3781-99標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)提供的故障模式不能表述產(chǎn)品的故障模式時(shí)，需要根據(jù)產(chǎn)品的故障表現(xiàn)來(lái)定義一種新的故障模式。同時(shí)，顯示器屬于單機(jī)級(jí)產(chǎn)品，其下層板級(jí)產(chǎn)品，如電源板、邏輯板、液晶屏等產(chǎn)品的失效導(dǎo)致了顯示器的故障，顯示器上層產(chǎn)品是通道臺(tái)，顯示器的故障也會(huì)導(dǎo)致通道臺(tái)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

基于“雙歸零”信息建立的故障模式庫(kù)，將從產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、試驗(yàn)、使用中采集來(lái)的各項(xiàng)原始故障信息經(jīng)過(guò)分類(lèi)和規(guī)范化整理，轉(zhuǎn)換成能直接用于產(chǎn)品FMEA、可靠性、維修性和保障性設(shè)計(jì)的故障模式信息，對(duì)產(chǎn)品可靠性提高具有重要意義。產(chǎn)品故障模式庫(kù)的建立是實(shí)現(xiàn)可靠性、維修性、保障性等“六性”信息數(shù)字化管理的基礎(chǔ)，圍繞基于“雙歸零”信息的產(chǎn)品故障模式庫(kù)逐步擴(kuò)展和豐富產(chǎn)品在研制、使用、預(yù)防及修復(fù)性維修的各類(lèi)信息，可以使質(zhì)量與可靠性信息得到深度利用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期可靠性信息大數(shù)據(jù)綜合管理。