基于“雙歸零”信息的產品故障模式庫構建方法

/上海航天電子通訊設備研究所

蔣穎暉 /上海航天控制技術研究所

可靠性是與故障作斗爭的學科，產品的故障模式庫是故障模式影響分析（FMEA）的重要輸入，也是開展可靠性、維修性、保障性等“六性”設計與分析、驗證工作的基礎。利用故障模式庫信息，通過產品的可靠性設計避免或減少故障發生，可提高產品的固有可靠性；通過產品的維修性、保障性等設計實現產品故障前或故障后的快速恢復，可提高產品的使用可靠性，是實現快速提升產品成熟度、有效控制技術風險十分有效的工具。

故障模式庫不僅適用于大批量生產的產品，在開發周期短、小子樣、技術風險大的航天領域，美國、歐洲及日本均建立了航天器故障數據庫。我國的航天產品故障模式數據庫尚未廣泛建立和應用，不僅有樣本量小、產品復雜等原因，信息收集困難也是主要原因之一。航天產品“雙歸零”信息中包含了構建故障模式庫的大量信息，對產品“六性”工作具有重要的指導意義，但由于信息收集、分類、規范化整理等困難，這些信息未能得到有效利用。鑒于此，筆者結合FMEA分析、可靠性設計、維修性設計等工作的需要，以“雙歸零”信息為輸入，設計了故障模式庫的數據結構，并給出了各部分數據信息的獲取方法。

一、“雙歸零”信息內容

在我國航天行業，廣泛實施產品故障（質量問題）技術歸零五條和管理歸零五條的“雙歸零”要求。其中，技術歸零明確了在產品出現故障后“定位準確、機理清楚、問題復現、措施有效、舉一反三”的5個方面要求。

“雙歸零”信息通過航天產品質量與可靠性信息采集卡來收集，其中數據項是根據Q/QJA 11A-2007《航天產品質量與可靠性信息管理要求》演化而來，主要涵蓋以下3個方面信息：一是產品信息，包括產品類型、產品所處層次、產品名稱，對應數據項有問題產品分類、所屬分系統、問題產品、產品名稱等；二是故障信息，包括故障描述、故障原因、糾正措施，對應的數據項有質量問題概述、問題原因、原因分類、糾正措施等；三是案例信息，主要是舉一反三信息，對應的數據項為舉一反三說明。

二、故障模式庫數據組成

1.故障模式庫數據結構

故障模式是故障的表現形式，而故障模式庫是不同產品的各種故障模式信息的匯總，應包含產品信息和故障信息，且這些信息之間并不獨立，存在一定的相互關系，由此建立的故障模式庫數據結構如圖1所示。

故障模式信息依附于產品信息，具體表現是：按產品來建立各個故障模式，一個產品可能對應多個故障模式信息；產品與產品之間存在結構層次關系，由于產品之間結構層次關系的存在，導致故障模式信息之間也相互關聯，最主要的體現就是下層產品的故障模式是其所屬上層產品的故障原因，這一構造對于FMEA分析中故障模式、故障原因和上一層次影響等數據獲取提供了極大的便利。

圖1 故障模式庫的數據結構

2.故障模式信息內容

根據圖1中故障模式庫數據結構設計，故障模式信息應依附于產品，故以產品為主導來建立故障模式信息。通過對故障信息分析，以及開展“六性”設計與分析工作，尤其是FMEA工作的需要，每個故障模式信息至少應包括表1中的內容。

表1 某產品故障模式信息數據結構表

3.產品信息內容與關系

一個故障在模塊級、單機級、分系統級或系統級不同的產品層級上的表現形式是不同的，因此在不同層級的產品上會有不同的故障模式；不同產品的故障模式以及產生原因是不同的，但同類產品的故障模式及產生原因大多一致?？紤]到故障模式庫的通用性，按產品類型作為故障模式庫的數據單元比較合理，在GJB3386-98《航天系統質量與可靠性信息分類和編碼要求》、GJB3781-99《電子系統質量與可靠性信息分類和編碼要求》等標準中有類似的要求。由此，建立的產品信息要素及其相互關系如圖2所示。

三、產品故障模式庫的構建

1.數據項獲取方法

故障模式庫中綜合產品信息和故障模式信息共有數據項12項，其中大部分數據項可以直接從航天產品質量與可靠性信息采集卡獲取，一部分數據需要人工分析、歸類，各類數據項獲取途徑及方法見表2。

可以從采集卡中直接獲取數據項，由于錄入人員語言習慣及文化背景存在個體差異，在導入故障模式庫后仍然需要進一步整理，以保證數據的規范化，其他需要人工設定的數據項可以采用以下方法獲得。

故障模式代碼。根據GJB3386-98、GJB3781-99等標準編制，每個故障模式庫應制定出對應的故障模式信息代碼手冊，如某類型顯示器在多個型號的地面控制裝備中應用，采集卡中共記錄了“顯示器黑屏”“顯示器無影像”“屏幕無顯示”3個質量問題。經確認，這3個質量問題均為相同故障模式，若參照GJB3386-98、GJB3781-99制定編碼規則，該產品的故障模式可規范化描述為“地面控制系統顯示器無顯示”，該產品故障模式代碼為“210161-180”，其中“210161”是產品編碼，“180”是通用故障模式代碼。

圖2 產品信息要素及關系示意圖

表2 故障模式庫數據項獲取途徑

故障模式名稱。采集卡中有該數據項，但錄入人員不同，同一個故障模式可能在采集卡中有不同的表達方式，因此需要參考GJB3386-98、GJB3781-99等標準進行歸一化處理。

故障模式描述。根據故障模式發生情況人工總結。

發生頻次。統計一段時間內故障模式發生的次數，計算MTBF。

產品類型。產品類型定義是建立故障模式庫的基礎工作之一，在故障模式庫建立之初就應該設定好，后續參考采集卡中數據項進行分類整理。

產品層次。根據分析級別設定為模塊級、單機級和分系統級等，在產品信息錄入時人工設定。

2.故障模式庫構建流程

在“雙歸零”信息基礎上生成故障模式庫，主要需要開展以下3個方面工作：一是對產品實施分類，建立產品（類）項目；二是按產品項目對質量問題數據庫中的所有質量問題進行分類；三是為每個產品項目指定產品保證工程師或可靠性保證工程師，作為該類產品故障模式信息管理人員，對質量問題數據庫中新發生的或已有的質量問題信息進行分析，由其根據故障模式信息代碼手冊確定故障模式及其編碼實現規范化，再導入故障模式庫。

生成故障模式庫的工作流程如圖3所示。

四、案例應用

統計某型顯示器近年來發生的質量問題，形成質量問題信息統計表，見表3。對質量問題信息進行簡化處理，只顯示用于故障模式分析確定的相關信息，參照 GJB3386-98、GJB3781-99標準制定編碼規則，對顯示器的故障模式進行標準化的處理，可以建立顯示器的故障模式庫，見表4。

圖3 故障模式庫建立的工作流程

表3 某型顯示器質量問題情況簡表

表4 某型顯示器的故障模式表

表4將表3中多種故障現象即填報的故障模式如“黑屏、不顯示、開裂、花屏、閃屏”等進行了歸一化處理，參照GJB3386-98、GJB3781-99標準，總結歸納為“無輸出”和“輸出異?！?種故障模式。當GJB3386-98、GJB3781-99標準中已經提供的故障模式不能表述產品的故障模式時，需要根據產品的故障表現來定義一種新的故障模式。同時，顯示器屬于單機級產品，其下層板級產品，如電源板、邏輯板、液晶屏等產品的失效導致了顯示器的故障，顯示器上層產品是通道臺，顯示器的故障也會導致通道臺出現質量問題。

基于“雙歸零”信息建立的故障模式庫，將從產品研制、生產、試驗、使用中采集來的各項原始故障信息經過分類和規范化整理，轉換成能直接用于產品FMEA、可靠性、維修性和保障性設計的故障模式信息，對產品可靠性提高具有重要意義。產品故障模式庫的建立是實現可靠性、維修性、保障性等“六性”信息數字化管理的基礎，圍繞基于“雙歸零”信息的產品故障模式庫逐步擴展和豐富產品在研制、使用、預防及修復性維修的各類信息，可以使質量與可靠性信息得到深度利用，進而實現產品全生命周期可靠性信息大數據綜合管理。