如何做系统功能FMEA

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2021年9月27日07:00:00评论382 views字数 2874阅读9分34秒阅读模式

故障模式及影响分析（FMEA）是一种系统性分析方法，用于识别潜在失效模式、失效原因及其对系统性能的影响。FMEA可以在系统设计的不同阶段应用，随着设计的不断深入，反复更新。当系统可以用功能框图表示时，FMEA就可以开始。
FMEA的适用范围非常广泛，可以有不同的分类：
从产品开发的阶段上可以分为：
  • 对产品设计进行分析的DFMEA
  • 对制造、装配和运输过程进行分析的PFMEA
从系统的不同层次和分析对象可以分为：
  • 系统功能级的FMEA；
  • 软件FMEA；
  • 电子元器件FMEA；
  • 机械FMEA；
从FMEA方法的不同用途可以分为：
  • 对故障影响的严重度进行分析的FMECA；
  • 用于以可靠性为中心制定维护策略的FMEA；
  • 用于功能安全风险识别和评估的FMEA，以及对可诊断性进行量化的FMEDA；
在功能安全系统设计初期中，FMEA可以用于系统危害的识别和分析，风险评估。轨道交通EN50129标准中，规定了危害识别和分析必须要用到的两种分析方法是FMEA和HAZOP，两者选一。
工作中应用成熟度比较高的是硬件元器件级FMEA，因为每种电子元器件的故障模式通常来源于标准，对失效模式、失效率的定义都很明确，实施起来难度不大。但在其它方面的应用，由于没有详细的规定，导致实际可操作性不强。
本文介绍系统级FMEA分析的一种：系统功能FMEA
首先建立一个FMEA表格，参考IEC60812，需要考虑的字段有：
参考ID标识：为了可追溯性的目的分配一个参考ID，并将其输入FMEA工作表中。
功能项：对系统功能的分类
故障模式：故障模式将通过检查系统的功能和架构中规定的所有要求来确定，典型故障模式包括未能执行功能、输出功能的性能偏差、输出功能的不正确时序等。
通信可参考的引导词有：
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数字量I/O的引导词有：
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故障原因：对于每个故障模式，将确定一个或多个故障原因，将故障原因与最有可能成为故障源的部件关联起来。如果故障原因被确定为来自于被评估的独立部件，那么将参考独特的FMEA参考标识号，对该部件进行进一步的分析。
运行模式：每一种故障模式的影响，如果具体的操作时间或位置信息与故障有关，这些信息将被记录下来。
故障的影响：
  • Local本地：该故障对本功能的影响
  • Intermediate次级：该故障模式对中间层面的影响，比如子系统级
  • Initial最终：该故障对列车运行、功能或状态的最终影响，最终影响应与初步危害分析出的风险一致
外部缓解措施：定义系统之外的措施，以保护或减轻故障的影响。例如，这些措施可以包括外部具体的保护功能、冗余系统、操作规则、操作人员的行动等
严重度：为每个最终影响分配一个严重度等级，并对与之相关的每个故障模式进行关联。轨道交通从安全角度可以是：
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失效率：如果有，所考虑的故障模式的故障率将被记录下来，并注明数据的来源。
内部控制措施：对该失效的内部控制措施。
下面将以实例来谈谈如何进行系统级功能的FMEA分析，用于根据系统架构去识别系统功能的安全要求，该实例来自于ETCS subset080（对信号车载系统中的列车接口单元TIU失效模式及影响分析），感兴趣的读者可以看原文。
TIU在ETCS系统中如下图所示，实现车载信号系统与车辆之间的接口（下图灰色部分）
如何做系统功能FMEA

确定系统的功能项是关键的第一步，系统功能的识别不全面或功能描述不准确，都会影响FMEA分析的效果，如果在系统初步分析时，功能需求还不能完全确定，应该随着需求的细化，FMEA分析反复进行直至明确。TIU的功能有：
模式控制功能：
  • 休眠；
  • 切除；
  • LZB故障开关；
  • Indusi故障开关；
制动控制功能：
  • 常用制动；
  • 紧急制动；
  • 再生制动；
  • 磁靴制动；
  • 涡流制动
  • 制动压力；
  • 司机手柄制动状态；
  • 乘客拉下紧急制动手柄
列车控制功能：
  • 牵引力控制；
  • 过分相控制；
  • 气密性/襟翼控制；
  • 门控制；
  • 倾斜状态；
  • 主断开关；
  • 牵引切除；
  • ATO使能；
  • 连挂；
  • 冷移动状态监测。
系统功能还包括司机室状态、列车完整性和无线通信功能，ETCS与国内应用有所不同，本文目的在于说明分析方法，不具体解释每项功能。以两个功能的FMEA分析为例：
TIU紧急制动功能要求：在应用紧急制动的情况下，应将“应用紧急制动”命令传送到列车。当车载设备不再请求应用紧急制动时，应撤销“应用紧急制动”命令。这是车载信号系统的输出信息。如果列车中的状态信息可用，那么它也将是记录的输入信息。在任何情况下，如果有关紧急制动器反应的信息可以从其他已经可用的信息中获得，则不需要使用此附加信息。注意：如果撤销会触发刹车释放，或者司机是否必须释放刹车，功能差异取决于列车的刹车系统。
紧急制动功能FMEA分析：紧急制动功能的失效模式，分为要求时未正常施加，未要求时施加两种情况，分别属于严重度最高的安全风险和运营可用性问题。
如何做系统功能FMEA

牵引切除功能要求：这是车载信号设备向列车发出的命令，该数据流是制动模型的一部分。
牵引切除功能的分析过程，当 ETCS/ERTMS 车载设备被配置为“在实施警告限制时牵引力切断”时，故障有安全严重后果。如 ETCS/ERTMS 车载设备配置为“未实施警告限制牵引力切断”，则故障可被视为影响运营可用性。
如何做系统功能FMEA

对于系统的子功能之间，存在相互关联性的情况，比较好的方法是画出系统的功能框图，然后做进一步的分析，下面是一个功能框图分解的示例：
如何做系统功能FMEA
功能框图分解示例
然后根据系统功能框图中每个组件功能要求和功能之间的关联性，识别系统的失效模式、失效原因和对应的控制措施。

如何做系统功能FMEA

不同层次的功能FMEA

最后做个小结：
  1. 首先，FMEA实施的效果好坏与实施的人的能力紧密相关，必须匹配合适的资源，让不懂业务的工程师来做必然浮于表面，产品和过程所有者的积极参与和高层管理者的承诺对成功实施FMEA很重要；
  2. 其次，建立一套FMEA分析的流程，如标准的FMEA模板，实施的各个步骤规定，参与者职责，FMEA表的迭代更新；
  3. 在做系统功能FMEA中，定义系统的功能，其完整性、正确性、相互之间的关联性，系统架构确定后要能细化出功能框图；
  4. 采用合适的引导词进行分析，引导词选择的合理性事半功倍；
  5. 对FMEA识别的结果（危害事件、安全要求）进行跟踪管理，确认安全要求的验证结果，分析后的成果束之高阁不会有任何作用。


参考资料：

  1. IEC60812 Failure modes and effects analysis (FMEA and FMECA)；

  2. SUBSET 080-1/2 Failure Modes and Effects Analysis for TIU in Application Level 1 and Level 2

  3. SUBSET-077 UNISIG Causal Analysis Process

  4. Cold Movement Detection And Train Awakening FMEA Report


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