波動模式影響分析在軍用通信系統中的應用

歐方明+羅敏+韋其敏

【摘 要】由于大多數故障都是由不利波動引起的，所以有必要在產品設計早期關注波動因素，并對波動因素進行識別、評估與管控。為了解決這一問題，提出了VMEA方法，且將該方法應用于分析某型移動終端，以產品關鍵特性通信距離為導向，自頂向下分析產品的子關鍵特性，進而分析出影響這些特性的波動因素，并應用專家評分法對波動因素進行了評估，從而對影響較大的波動因素提出了設計改進措施。

【關鍵詞】VMEA FMEA 波動因素 可靠性

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.24.006 中圖分類號：E962 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2016）24-0025-05

1 引言

影響產品特性的未知和不利的波動，是導致花費高、引起顧客對需求不滿的主要因素。長久以來，當涉及到波動問題時，更多的組織機構都試圖完善6σ項目。然而，6σ的方法集中在生產階段管理波動。一些學者提出使用DFSS（Design For Six Sigma，六西格瑪設計），其核心是通過在產品早期開發階段，利用完善的統計工具并以大量的數據來證明初步設計的可行性和優越性。6σ和DFSS項目使用SPC（Statistical Process Control，統計過程控制）在生產過程和穩健性設計過程中監測波動，使得產品對生產和使用過程中出現的波動不敏感。傳統的FMEA（Failure Mode and Effect Analysis，失效模式與影響分析）工作實際上也包含了6σ和DFSS項目，2004年瑞典Alexander Chakhunashvili、Per M. Johansson和Bo L.S. Bergman首次提出的波動模式影響分析[1-3]，是一個較系統的能夠用于不利波動的識別、評估和管理的有效工具。

2 波動模式影響分析方法

產品在設計、研發、制造、生產和使用等過程中往往存在很多不利的波動因素，這些波動可能對產品造成不良的影響，進而影響質量與可靠性。VMEA（Variation Mode and Effect Analysis，波動模式影響分析）建立在FMEA基礎上，通過對影響關鍵產品質量特性的波動模式及影響程度進行分析，在產品研發階段識別綜合影響大的主要波動并根據VRPN（Variation Risk Priority Number，波動風險優先數）進行排序，為提前預防波動提供了定性或定量的信息。

VMEA方法從確認KPC（Key Product Characte-ristics，關鍵產品特性）著手，KPC可以是某一種或多種產品特性，這些特性需要特別關注，因其過度的波動可能影響產品功能、安全性、質量等。KPC可以通過質量功能展開的方法得到或由經驗豐富的交叉學科工程師通過頭腦風暴的方法得到[2]。

VMEA方法的基本步驟如下：

（1）確定KPC并將其分解為子關鍵產品特性（Sub-KPC）；

（2）波動因素識別與大小評估；

（3）靈敏度評估，評估KPC對Sub-KPCs的靈敏度大小以及Sub-KPCs對NFs的靈敏度大??；

（4）計算VRPN。

選擇關鍵產品特性以及開展VMEA的流程如圖1所示：

一個選定的KPC可以分解為多個Sub-KPC，Sub-KPC是可知且可控的影響KPC的子產品特性。根據分析需要，還可以進一步將Sub-KPC分解為Sub-Sub-KPC。對于每個Sub-KPC，能夠確定影響它的一個或多個波動因素稱為噪聲因素（NFs）。噪聲因素源于不同的生產和使用過程中設計參數波動、產品退化和環境因素等的影響。

KPC分解過程如圖2所示。在實際應用中，可以根據需要進行多級分解。

依據產品設計的不同階段，設計師提出了基礎型VMEA、提高型VMEA、概率型VMEA[2]。這三種類型的VMEA的分析步驟相同，不同之處在于評估方法。

在產品設計初始階段，由于無法知道傳遞函數，無法定量的知道波動對產品關鍵特性的影響，因此提出了基礎型VMEA的方法。該方法由經驗豐富的專家采用評分的方法進行（1～10分的評分等級），對相關的靈敏度和波動大小進行打分，分值越大就表示靈敏度和波動越大。雖然該方法比較主觀，但是能夠粗略表明哪些方面受到波動的影響較大，為波動風險管理工作開展打下了基礎，同時也為下一步工作提供了依據。隨著設計的推移，能夠獲得更多的信息，工程師可以更加準確地對相關靈敏度和波動大小進行評估，進而驗證前期關于KPC、Sub-KPC和NFs的假設的準確性，并加以校核，這樣進行評估的結果能夠更加準確地反映實際情況。在設計后期，隨著一些能夠定量的數據的獲得（如試驗數據、測量數據等），可以采用提高型VMEA、概率型VMEA方法進行更加準確地評估，從而較準確客觀地評估波動對產品特性的影響，以達到在產品設計階段對波動進行識別、評估和管控的目的。

產品設計不同階段的VMEA方法[2]如圖3所示：

開展VMEA工作有以下兩個基本的假設：

假設一：各個Sub-KPC之間是相互獨立的；

假設二：忽略多個波動共同導致的對產品特性的交互影響。

VMEA作為一種自頂向下的演繹分析方法，目的是從關鍵產品特性入手，逐級分解，找出影響產品特性的噪聲因素。與FMEA方法類似，在產品壽命全周期均有必要開展VMEA工作。

VMEA中所關注的波動因素一般分為五類[4]，具體如下：

（1）隨時間變化：長周期退化因素，如磨損、裂紋擴展等；

（2）零件的波動：如容差以及制造、裝配和運輸等過程導致的波動；

（3）外部環境條件：如溫度、濕度、風速、路況等；

（4）顧客的使用：如超速、誤用、刮傷等；

（5）系統間相互作用：如相鄰子系統間熱、振動傳遞等。

3 案例分析

本文以某移動終端為例，根據VMEA分析方法，先確定一個關鍵產品特性——通信距離，接收靈敏度、發射功率、抗干擾性等為子關鍵產品特性，并確定影響產品特性的波動因素，如圖4所示。

確定了KPC、Sub-KPC及其波動因素之間的關系后，將對波動大小和靈敏度進行分析。根據專家經驗及調研到的大量現場試驗數據和相關文獻，采用評分法對波動因素及其影響大小進行粗略的定性評估，分析結果如表1所示。

其中，σi表示波動大??；λl表示波動對子關鍵產品特性的靈敏度；ηj表示子關鍵產品特性對關鍵產品特性的靈敏度。

根據VRPN數值大小可對波動因素進行優先排序，從而能夠更好地指導設計的開展。由表1可知，溫度過高導致功放故障（VRPN為448）、存在同頻段干擾源（VRPN為448）、建筑物阻隔（VRPN為448）、移動終端運動過快（VRPN為378）、溫度濕度導致電源供電不足（VRPN為392）等對移動終端通信距離影響較大。

識別出關鍵波動因素，即可在設計階段重點關注并采取改進措施，例如：將功放模塊放置在系統最外層，加快熱量散發、加裝散熱風扇，使用強風對流散熱、減小功放模塊本身消耗功率等措施可改善溫度過高導致的功放故障（VRPN為448）；在通信誤碼率升高時，重新檢測電磁環境，更換合適的頻點、使用自適應跳頻技術，跳頻頻點自動繞開干擾源所在頻點、增加發射功率，以較強的無線信號覆蓋較低的干擾源等措施可有效改善同頻段干擾源問題（VRPN為448）；增加天線高度，在建筑物上方建立直傳通路、使用頻率較低的頻點，頻率較低的電磁波波動性強，繞開阻隔物能力更強，在較大的關鍵建筑附近增加中繼節點可改善建筑物阻隔問題（VRPN為448）；增加無線信道帶寬、增加頻點容差，對于需要快速運動的無線終端，使用支持動中通無線通信系統解決移動終端運動過快帶來的不良影響（VRPN為378）。改進系統電源設計，降低電源供電對環境溫濕度的依賴性、增加電源模塊環境調節系統，加裝散熱風扇，避免水淋日曬，為射頻電路、功放模塊設計獨立的電源，增加極端環境下電源供電能力，可改善溫度濕度導致電源供電不足（VRPN為392）。

4 結束語

本文給出了VMEA方法的目的、意義、分析流程，并將該方法應用于軍用通信系統中的某型移動終端。VMEA分析方法清晰地展示了關鍵產品特性、波動因素分類、關鍵波動因素以及靈敏度分析的結果。該方法建立在FMEA基礎上，是FMEA的延拓，可以從產品設計階段就有效、全面、科學地關注影響質量特性的波動因素，從而有效地提出設計改進措施。

參考文獻：

[1] Chakhunashvili A， Johansson P M， Bergman B L S. Variation mode and effect analysis[Z]. 2004： 364-369.

[2] Johansson P， Chakhunashvili A， Barone S， et al. Variation Mode and Effect Analysis： a Practical Tool for Quality Improvement[J]. Quality and Reliability Engineering International， 2006，22（8）： 865-876.

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