基于FMEA的汽車零部件質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量問題而導致的損失和種種負面影響巨大，構(gòu)建產(chǎn)品的全程質(zhì)量追溯體系已經(jīng)成為加強產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管的重要手段之一。但是，由于產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程涉及產(chǎn)品全生命周期的各類組織及各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其中存在著諸多不確定性因素,使得產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程具有高度的復雜性，因此加強對產(chǎn)品質(zhì)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(wǎng)為工具建立產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品生產(chǎn)過程的日益復雜化，企業(yè)對產(chǎn)品的生產(chǎn)、物流、存儲和產(chǎn)品質(zhì)量管理等環(huán)節(jié)的信息化管理難度不斷提高，對于可能造成產(chǎn)品質(zhì)量潛在缺陷的不穩(wěn)定因素或人為因素的控制難度也大大增加。這就要求企業(yè)必須對產(chǎn)品全生命周期中的各類生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量信息進行完整的采集，以保證能夠根據(jù)客戶需要及時對產(chǎn)品生產(chǎn)過程的各環(huán)節(jié)進行質(zhì)量追溯，以減少由于偶然因素對產(chǎn)品質(zhì)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(yīng)用情況或所處場所的能力”，即通過各種記錄和標志追溯產(chǎn)品的生產(chǎn)歷史、應(yīng)用現(xiàn)狀和放置場所的能力[2]。提出產(chǎn)品質(zhì)量可追溯性要求的目的，是在發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題之后，可以將同一批次的缺陷產(chǎn)品追回，以便采取補救和糾正措施，防止產(chǎn)生更大問題。

產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程是綜合利用信息技術(shù)及數(shù)據(jù)采集手段對產(chǎn)品在生產(chǎn)及物流等過程中的信息進行標識和記錄，跟蹤產(chǎn)品在其生命周期中流動的全過程，收集產(chǎn)品在物流和生產(chǎn)等過程各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程和物流過程的信息化管理，保證對各類過程數(shù)據(jù)和產(chǎn)品質(zhì)量信息的完整采集，以便能夠根據(jù)需要對產(chǎn)品的整個流程進行質(zhì)量追溯。目前,條形碼技術(shù)及RFID技術(shù)是其中較常用的方法，被廣泛用于食品、電器、汽車生產(chǎn)等行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量信息追溯中[3-4]。其中的信息采集、標識及數(shù)據(jù)管理等若干技術(shù)問題得到了高度重視并進行了深入的研究。但是在產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程中，除了產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)生，對于產(chǎn)品的制造企業(yè)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(chǎn)過程研究如何建立產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)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(wǎng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯模型的建立

1.產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程分析

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

建立產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程模型是為了直觀地描述產(chǎn)品質(zhì)量信息的傳遞和追溯過程，既要考慮到生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)流、信息流，同時還應(yīng)反映出其中各個節(jié)點質(zhì)量信息的采集、存儲和傳遞方式。本文以Petri網(wǎng)為工具建立產(chǎn)品質(zhì)量追溯模型，描述生產(chǎn)系統(tǒng)的物質(zhì)流以及產(chǎn)品質(zhì)量信息流動過程中的標識、記錄、綁定和更新等內(nèi)容。

Petri網(wǎng)（Petri nets)是由德國Carl Adam Petri于1962年在其博士論文中首先使用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模擬通信系統(tǒng)，用庫所、變遷等描述了一種新的建模工具。由于Petri網(wǎng)能簡潔、深刻地描述生產(chǎn)系統(tǒng)以及并發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并能對它的動態(tài)性質(zhì)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(yīng)用于生產(chǎn)系統(tǒng)的作業(yè)流程的設(shè)計、分析中，既可描述生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部的信息流，又可描述系統(tǒng)內(nèi)部的物流[5]。

圖1 產(chǎn)品生產(chǎn)過程示意圖

圖1所示為一個普通的從原材料入庫、生產(chǎn)制造、零部件裝配到成品出庫的生產(chǎn)過程示意圖。通過對整個生產(chǎn)過程進行分析，可以把產(chǎn)品質(zhì)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(jié)點；在控制節(jié)點中的變遷Tij對應(yīng)于產(chǎn)品質(zhì)量信息在第i個控制節(jié)點中所進行的第j個采集、存儲和傳遞等具體操作內(nèi)容，為該控制節(jié)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(zhì)流過程中生產(chǎn)系統(tǒng)所處的狀態(tài)，當Pij中 接受令牌（token）時才能觸發(fā)Tij；所有的控制節(jié)點和其中的控制要素共同構(gòu)成一個完整的產(chǎn)品質(zhì)量信息追溯過程。在此基礎(chǔ)上，可形成如圖2所示的基于Petri網(wǎng)的產(chǎn)品質(zhì)量信息追溯過程模型。

圖2 基于Petri的產(chǎn)品質(zhì)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(tài)對象，只有當庫所中擁有令牌時才能發(fā)生變遷且從一個庫所移動至另一個庫所；在P1控制節(jié)點同時進行的操作內(nèi)容用并行的變遷T11…T1i來表示；在P2控制節(jié)點順序發(fā)生的操作內(nèi)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(jié) 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(wǎng)為工具建立的產(chǎn)品質(zhì)量追溯模型，能夠較好地整合及體現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量信息和物質(zhì)流動過程的信息，明確其中的關(guān)鍵控制節(jié)點及控制要素，為產(chǎn)品質(zhì)量信息追溯過程的分析創(chuàng)造了條件。

2.基于Petri網(wǎng)的產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程建模實例

本文以汽車變速器裝配生產(chǎn)過程為例進行了實證研究。在汽車變速器裝配生產(chǎn)過程中，包括零件存儲、部裝、總裝、成品入庫四大環(huán)節(jié)，涉及生產(chǎn)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(guān)部門，如圖3所示。

圖3 汽車變速器產(chǎn)品質(zhì)量追溯流程圖

分別對汽車變速器裝配生產(chǎn)過程中在不同的地點所進行的具體操作內(nèi)容進行分析：

（1）在配套件倉庫中所進行的操作內(nèi)容：零件入庫、將零件質(zhì)量信息寫入RFID標簽并貼上→生產(chǎn)部門列出清單→庫存區(qū)工作人員根據(jù)清單領(lǐng)料→發(fā)料到裝配車間。

（2）在部裝車間進行的操作內(nèi)容：裝配車間清洗零件→用周轉(zhuǎn)容器將零件轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)容：成品入庫→根據(jù)銷售部門提供的客戶訂單發(fā)貨→客戶。

通過上述分析，建立基于Petri網(wǎng)的汽車變速器產(chǎn)品質(zhì)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(shù)據(jù)庫、客戶等）；變遷Tij表示在該地點進行的若干項具體操作內(nèi)容；庫所Pij表示進行每個變遷Tij前信息流或物質(zhì)流過程中生產(chǎn)系統(tǒng)所處的狀態(tài)。從方向上來講，產(chǎn)品的物質(zhì)流動過程和產(chǎn)品質(zhì)量的追溯過程相反。

圖4 基于Petri的汽車變速器產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程

表1 汽車變速器產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程的控制節(jié)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(chǎn)品的物流過程、從零件到部件及成品所經(jīng)歷的裝配流程中的控制節(jié)點及其中進行產(chǎn)品質(zhì)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(wǎng)Coloured Petri Net（CPN）以圖形的方式深刻簡潔地描述系統(tǒng)的動態(tài)過程精確描述事件的時序關(guān)系[6]。有色Petri網(wǎng)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(gòu)建模型能形象地體現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)過程并能驗證其有效性[7]。

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

通過建立基于Petri網(wǎng)的產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量追溯流程的組成及動態(tài)過程，其中的每一節(jié)點都可以向上追溯或向下追蹤到鏈中的任一節(jié)點；而且還可確定其中的關(guān)鍵控制點，以便對關(guān)鍵控制點加強控制。

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程的有效性，即在整個產(chǎn)品的物流過程中產(chǎn)品的質(zhì)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(yīng)關(guān)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(chǎn)品質(zhì)量追溯過程有效性分析

1.FMEA概述

根據(jù)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(fā)現(xiàn)、評價產(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(fā)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(zhì)量缺陷預防功能，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于宇航、核工業(yè)、電子設(shè)備、機械制造業(yè)等領(lǐng)域。

根據(jù)C.I/I.C-6.8.2中對FMEA的描述，F(xiàn)MEA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(jié)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(yīng)的S值從10依次變化至1；頻度(O)指具體的失效原因發(fā)生的可能性，由十種可能性組成，對應(yīng)的O值從10依次變化至1；探測度(D)描述了現(xiàn)行的系統(tǒng)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(yīng)的D值從10依次變化至1；風險順序數(shù)(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(yōu)先級，RPN值越高，意味著發(fā)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(guān)鍵的項目加以預防[11]。

圖5 汽車變速器產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程CPN模型（仿真初始）

如圖5是汽車變速器產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程CPN仿真模型初始狀態(tài)，仿真運行開始，變遷T1觸發(fā)后，token A、B分別通過弧開始傳遞，經(jīng)過一系列并行結(jié)構(gòu)、串行結(jié)構(gòu)的執(zhí)行過程，token按正確弧路線傳遞，變遷有序正常發(fā)生。

圖6 汽車變速器產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程CPN模型（仿真結(jié)束）

圖7 FMEA的實施過程

2.基于FMEA的產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程分析

在建立產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程模型的基礎(chǔ)上，本文按照FMEA的分析步驟對汽車變速器產(chǎn)品質(zhì)量信息追溯過程中的關(guān)鍵控制點進行分析，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)品質(zhì)量追溯過程，通過對質(zhì)量追溯過程模型中的每個控制環(huán)節(jié)及其中每個環(huán)節(jié)中所有的控制要素以及對應(yīng)控制要素中的控制點進行分析，找出可能出現(xiàn)失效模式的信息流環(huán)節(jié)。

第二步：進行系統(tǒng)分析?；贔MEA的產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程系統(tǒng)分析過程是對汽車零配件生產(chǎn)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(fā)生頻率、可探測度，計算出風險順序數(shù)，提出相應(yīng)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(jié)論，制作成標準的過程FMEA表，形成書面文件并發(fā)放相關(guān)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(shù)（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(jié)果表。按表7中給出的實施改進建議措施，進行驗證的結(jié)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(shù)（RPN）

對于P1節(jié)點內(nèi)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(guī)范導致數(shù)據(jù)丟失的可能，在數(shù)據(jù)追蹤上確保了零配件信息的可追溯性；對于P2節(jié)點內(nèi)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(yīng)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(jié)點內(nèi)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(yīng)，避免了引部裝時未區(qū)分不同批次零件產(chǎn)生的失效后果，使追溯信息的準確性得到提高。

驗證結(jié)果后，汽車變速器產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量追溯過程FMEA實施結(jié)果

結(jié)語

以Petri網(wǎng)為工具建立產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程模型，能直觀地反映整個產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量信息流動過程和物質(zhì)流動過程的集成，同時，還可明確其中的控制節(jié)點及控制要素。通過采用FMEA方法對產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程模型進行分析，能夠識別產(chǎn)品質(zhì)量追溯過程中的潛在失效點，發(fā)現(xiàn)其中可能潛在的問題，同時，還可提出適當?shù)拇胧ζ渲袧撛诘膯栴}加以預防，保證產(chǎn)品質(zhì)量信息追溯過程的可靠性。本文通過汽車零部件的產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量追溯過程模型

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