多层次结构化产品的分层FMECA方法和系统与流程

多层次结构化产品的分层fmeca方法和系统
技术领域
1.本发明涉及产品可靠性分析技术领域，尤其涉及一种多层次结构化产品的分层fmeca方法和系统。


背景技术：

2.fmeca(failure mode effects and criticality analysis，故障模式影响和危害性分析)分析，是分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的发生频率、对系统造成的影响、影响的严酷度等予以分类的一种归纳分析方法。它是运用归纳的方法全面分析产品设计可能存在的每一种故障模式及其产生的后果。通过全面分析找出设计薄弱环节，实施改进和控制。
3.通常，产品在各个层次进行设计研发，分别进行各产品层次的fmeca，fmeca的分析过程来源于产品的设计信息，分析该产品的故障模式及其影响。图1为传统方法下的fmeca分析表，可以看到分析人员需要填写代码、产品、功能、故障模式、故障原因、任务阶段与工作方式、故障影响、严酷度、检测方法、设计改进措施和使用补偿措施等。传统的分析方法可以对产品的每一个故障模式、严重程度及所产生的影响进行分类，对于结构不复杂的单一产品，该方法也可以较快的分析出所有可能出现的故障模式的影响。但是，对于结构复杂综合性强的产品，使用传统的fmeca方法，存在以下问题：
4.(1)各层次产品之间的fmeca大多是孤立的，没有建立有效的联系，不能进行集成化的风险分析，缺乏各产品之间的设计协同；
5.(2)产品设计的fmeca信息过于孤立分散，各产品层次的fmeca信息来源于各自的产品设计，每个产品层次间的数据信息无法形成一体化，缺乏一体化的数据集成思想。
6.因此，对于像tacs(train autonomous circumambulate system，基于车车通信的列车自主运行系统)这样复杂的大系统，集成了从元器件、pcb(printed circuit board、印制电路板)、机笼、大型机柜、多种不同类型的子系统等不同层次的硬件，并组成一个系统整体进行协同工作。对于该大系统而言，传统的fmeca方法已无法直观的分析出每一硬件的故障模式对大系统整体的影响。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种多层次结构化产品的分层fmeca方法，以使每个产品层次间的数据信息形成一体化，便于直观的分析出每一硬件的故障模式对大系统整体的影响，并提高产品fmeca分析的准确性。
8.为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
9.一种多层次结构化产品的分层fmeca方法，包括：获取所述多层次结构化产品的各级产品，并确定所述多层次结构化产品的分层fmeca的实施顺序与实施对象；根据所述实施顺序和所述实施对象构建所述各级产品的层次fmeca分析表格；自底向上对各级产品的所
述层次fmeca分析表格进行逐层分析，确定影响所述多层次结构化产品的故障传递关系；根据所述故障传递关系确定对所述多层次结构化产品运营造成影响的故障模式失效率；分析处理所述故障模式失效率得到ram指标，并通过所述ram指标对所述多层次结构化产品进行ram性能分析。
10.可选的，所述方法还包括：根据所述故障传递关系追溯对所述多层次结构化产品运营造成影响的关键产品，所述关键产品为所述多层次结构化产品的底级产品。
11.可选的，获取所述多层次结构化产品的各级产品，并确定所述多层次结构化产品的分层fmeca的实施顺序与实施对象的步骤包括：对所述多层次结构化产品进行结构化层次分解，以获取所述各级产品，并通过绘制产品物理结构层次结构图及功能分解图的方式确定所述实施顺序与所述实施对象。
12.可选的，所述各级产品按照顶层至底层层次递减的顺序包括但不限于：系统级产品、子系统级产品、设备级产品和组件级产品。
13.可选的，每一所述层次fmeca分析表格中的当前级产品包括至少一个下一级产品，所述下一级产品为组成所述当前级产品的底级产品。
14.可选的，对每一所述层次fmeca分析表格中的当前级产品进行fmeca分析的分析数据包括但不限于：各个下一级产品的故障模式、故障模式失效率、故障原因、维护措施和对当前级产品的影响结果。
15.可选的，对所述当前级产品进行fmeca分析时，对于所述当前级产品的任意一个下一级产品，将所述下一级产品的层次fmeca分析表格中的顶层影响结果作为所述下一级产品的故障模式。
16.可选的，所述顶层影响结果为所述下一级产品包括的若干个产品对所述下一级产品故障影响等级最高的故障结果。
17.为达到上述目的，本发明第二方面提供了一种多层次结构化产品的分层fmeca系统，包括：
18.获取模块10，用于获取所述多层次结构化产品的各级产品，并确定所述多层次结构化产品的分层fmeca的实施顺序与实施对象；
19.构建模块20，与所述获取模块10连接，所述构建模块20用于根据所述实施顺序和所述实施对象构建所述各级产品的层次fmeca分析表格；
20.分析处理模块30，与所述构建模块20连接，所述分析处理模块30用于自底向上对各级产品的所述层次fmeca分析表格进行逐层分析，确定影响所述多层次结构化产品的故障传递关系，并根据所述故障传递关系确定对所述多层次结构化产品运营造成影响的故障模式失效率，以及用于分析处理所述故障模式失效率得到ram指标，并通过所述ram指标对所述多层次结构化产品进行ram性能分析。
21.可选的，所述系统还包括：溯源模块40，与所述分析处理模块30连接，所述溯源模块40用于根据所述故障传递关系追溯对所述多层次结构化产品运营造成影响的关键产品，所述关键产品为所述多层次结构化产品的底级产品。
22.可选的，所述获取模块10具体用于：对所述多层次结构化产品进行结构化层次分解，以获取所述各级产品，并通过绘制产品物理结构层次结构图及功能分解图的方式确定所述实施顺序与所述实施对象。
23.可选的，所述获取模块10获取的各级产品按照顶层至底层层次递减的顺序包括但不限于：系统级产品、子系统级产品、设备级产品和组件级产品。
24.可选的，所述构建模块20构建的每一所述层次fmeca分析表格中的当前级产品包括至少一个下一级产品，所述下一级产品为组成所述当前级产品的底级产品。
25.可选的，所述分析处理模块30对每一所述层次fmeca分析表格中的当前级产品进行fmeca分析的分析数据包括但不限于：各个下一级产品的故障模式、故障模式失效率、故障原因、维护措施和对当前级产品的影响结果。
26.可选的，所述分析处理模块30对所述当前级产品进行fmeca分析时，对于所述当前级产品的任意一个下一级产品，将所述下一级产品的层次fmeca分析表格中的顶层影响结果作为所述下一级产品的故障模式。
27.可选的，所述顶层影响结果为下一级产品包括的若干个产品对所述下一级产品故障影响等级最高的故障结果。
28.本发明至少具有以下技术效果：
29.(1)本发明适用于复杂综合系统的分层fmeca分析，将复杂综合的大系统结构进行分解，并逐层进行fmeca分析，刻画故障传递脉络，克服了现有fmeca技术在产品研发中的孤立性、不直观等不足；
30.(2)本发明将不同层级产品的fmeca表格进行了一体化的适应性设计，使得产品的fmeca不单是立足于独立的产品研发，而是在复杂综合系统的整体研发中形成了一体化的布局，为系统的ram性能分析提供了强有力的支撑；
31.(3)本发明所归纳的分层fmeca分析思想，也为类似tacs这类复杂系统的ram分析提供了借鉴作用，发挥fmeca的系统化分析思想，实现了fmeca应有的工程价值，如提高了对于故障、危害的风险分析和优先级判断的准确性；为产品可靠性分配的准确性提供了依据；便于清晰的识别复杂系统中的短板，如：影响系统故障的敏感组件，如：关键板卡、关键元器件等，从而便于采取有针对性的措施加以控制。
32.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
33.图1为采用传统方法对产品进行fmeca分析的示意图；
34.图2为本发明一实施例提供的故障引起的危害传递脉络示意图；
35.图3为本发明一实施例提供的多层次结构化产品的分层fmeca方法的流程图；
36.图4为本发明一实施例提供的tacs系统各级产品的分解示意图；
37.图5为本发明一实施例提供的tacs系统各级产品的功能分解示意图；
38.图6为本发明一实施例提供的各级产品故障传递关系示意图；
39.图7为本发明一实施例提供的多层次结构化产品的分层fmeca系统的结构框图；
40.图8为本发明另一实施例提供的多层次结构化产品的分层fmeca系统的结构框图。
具体实施方式
41.下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或
类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
42.承如背景技术中所述，传统的分析方法可以对产品的每一个故障模式、严重程度及所产生的影响进行分类，对于结构不复杂的单一产品，该方法可以较快的分析出所有可能出现的故障模式的影响。但是，其无法适用于结构复杂综合性强的产品。
43.为此，在传统fmeca方法的基础上，本发明提出了一种适用于复杂综合系统的多层次结构化产品的分层fmeca方法和系统，并将上述方法和系统应用在复杂综合系统tacs中进行实现。通过对tacs架构进行层次划分，不同层次的产品研发人员进行协同工作，逐层迭代，最终分析出每一硬件故障的传递脉络，由故障引起的危害传递脉络如图2所示。并且，基于所述传递脉络梳理出每一故障对于tacs运行的影响，最终确定tacs的运营ram(reliability availability maintainability，可靠度可用度可维修度)指标及关键产品。
44.下面参考附图描述本实施例的多层次结构化产品的分层fmeca方法和系统。
45.图3为本发明一实施例提供的多层次结构化产品的分层fmeca方法的流程图。如图3所示，该方法包括：
46.步骤s1：获取多层次结构化产品的各级产品，并确定多层次结构化产品的分层fmeca的实施顺序与实施对象。
47.其中，获取多层次结构化产品的各级产品，并确定多层次结构化产品的分层fmeca的实施顺序与实施对象的步骤包括：对多层次结构化产品进行结构化层次分解，以获取各级产品，并通过绘制产品物理结构层次结构图及功能分解图的方式确定实施顺序与实施对象。其中，各级产品按照顶层至底层层次递减的顺序包括但不限于：系统级产品、子系统级产品、设备级产品和组件级产品。
48.具体的，如图4所示，可将复杂综合系统tacs即多层次结构化产品按照层次递减的顺序分解成系统级产品(tacs系统)、子系统级产品(若干个子系统)、设备级产品(若干个设备)和组件级产品(若干个组件)。其中，子系统产品可包括atc(automatic train control，列车自动控制系统)子系统、ats(automatic train supervision，列车自动监控系统)子系统、oc(object controller，目标控制器)子系统、dcs(data communication system，数据通信系统)子系统和其它子系统。
49.请继续参考图4，每一个子系统级产品可包括若干个设备级产品。以oc子系统为例，oc子系统可包括但不限于包括如下设备级产品：通信模块、继电器信号驱动模块、信号机采驱模块和交流转辙机采驱模块。进一步的，每一设备级产品可包括若干个组件级产品。以继电器信号驱动模块为例，继电器信号驱动模块可包括但不限于包括：电路板voob16-2、12v直流电源模块、24v直流电源模块和空气开关。
50.如图5所示，还可根据产品的功能进行各级产品的逐层分解。例如，tacs系统功能可分解为如下若干个系统级功能：提供自动列车保护、确保用户安全、提供列车移动指令、通知用户等。而每一系统级功能又包括若干个子系统级功能，如提供自动列车保护这一系统级功能又包括提供列车移动测量功能、控制速度限制功能、执行线路资源管理功能、执行倒车保护功能和提供安全列车间隔功能。其中，对于实现执行线路资源管理功能的产品可包括oc子系统和atc子系统这两种子系统级产品。
51.由此，根据产品功能可分解出子系统级产品，并进一步可分解出对应的设备级产品和组件级产品，从而可确定出分层fmeca的实施顺序与实施对象。例如，先分析组件级产品，再分析设备级产品、子系统级产品和系统级产品。在分析每一级产品时，可对每一级产品中所确定的实施对象进行fmeca分析。
52.作为一个示例，可对组件级产品如继电器信号驱动模块中的实施对象如电路板voob16-2、12v直流电源模块、24v直流电源模块和空气开关分别进行fmeca分析。
53.步骤s2：根据实施顺序和实施对象构建各级产品的层次fmeca分析表格。
54.具体的，如图4所示，可根据实施顺序如系统级产品-子系统级产品-设备级产品-组件级产品，以及每一级产品中所确定的实施对象构建各级产品的层次fmeca分析表格。
55.其中，每一层次fmeca分析表格中的当前级产品包括至少一个下一级产品，下一级产品为组成当前级产品的底级产品。
56.具体的，以系统级产品tacs为例，其对应的层次fmeca分析表格中的当前级产品为tacs，其包括的至少一个下一级产品为atc子系统、ats子系统、oc子系统、dcs子系统和其它子系统。以组件级产品电路板voob16-2为例，其包括的至少一个下一级产品为mos管，全称mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)、滤波器等元器件。
57.在本发明的一个实施例中，对每一层次fmeca分析表格中的当前级产品进行fmeca分析的分析数据包括但不限于：各个下一级产品的故障模式、故障模式失效率、故障原因、维护措施和对当前级产品的影响结果。
58.如图6所示，组件级产品(如电路板voob16-2)fmeca分析的数据包括其下一级产品即元器件的故障模式(失效模式)、各个元器件对电路板卡的影响、各个元器件的失效率、故障原因和维护措施(检测维护)。
59.当然，如下表1所示，所述分析数据还可包括严酷度描述、发生频度、故障局部影响以及危害性等。
60.表1组件级产品fmeca分析表
[0061][0062]
步骤s3：自底向上对各级产品的层次fmeca分析表格进行逐层分析，确定影响多层次结构化产品的故障传递关系。
[0063]
其中，组件级产品、设备级产品、子系统级产品和系统级产品的层次fmeca分析表格分别如上表1和下表2-4所示。
[0064]
表2设备级产品fmeca分析表
[0065][0066]
表3子系统级产品fmeca分析表
[0067][0068]
表4系统级产品fmeca分析表
[0069][0070]
具体的，可按照组件级产品-设备级产品-子系统级产品-系统级产品的底层至顶层的顺序进行逐层分析，以确定影响多层次结构化产品的故障传递关系。
[0071]
其中，对当前级产品进行fmeca分析时，对于当前级产品的任意一个下一级产品，将下一级产品的层次fmeca分析表格中的顶层影响结果作为下一级产品的故障模式。本实施例中，顶层影响结果为下一级产品包括的若干个产品对下一级产品故障影响等级最高的故障结果。
[0072]
具体的，以设备级产品继电器信号驱动模块为例，如表2所示，当前级产品为继电器信号驱动模块，对于当前级产品即继电器信号驱动模块的任意一个下一级产品如电路板voob16-2，该电路板voob16-2的故障模式为电路板voob16-2的层次fmeca分析表格即表1中各个元器件如mos管、滤波器分别对电路板voob16-2故障影响等级最高的顶层影响结果。例如，mos管对电路板voob16-2故障影响等级最高，影响最大，则其影响结果即为电路板voob16-2的故障模式。
[0073]
作为一个具体示例，针对大系统tacs，根据图4和图5，分别逐层分解系统硬件结构和功能结构，自顶向下依次为：tacs系统、子系统(atc/ats/oc/dcs等)、继电器驱动模块(以oc子系统为例)、电路板voob16-2等。
[0074]
进一步的，分析人员自底向上实施分层fmeca分析。首先，针对组件级产品进行分析，以图4中的组件电路板voob16-2为例，组件级产品fmeca分析结果示例如表1所示。
[0075]
完成组件级产品fmeca分析后，向上一层传递，实施设备级产品fmeca分析，以设备级产品中各组件级产品fmeca表中的顶层影响结果作为各组件级产品的故障模式。以图4中的设备级产品继电器信号驱动模块为例，逐项进行fmeca分析，设备级产品fmeca分析结果示例如表2所示。
[0076]
完成设备级产品fmeca分析后，继续向上一层传递，实施子系统级产品fmeca分析，以子系统级产品中各设备级产品fmeca表中的顶层影响结果作为各设备级产品的故障模式，逐项进行fmeca分析。以图4中的子系统级产品oc子系统为例，子系统级产品fmeca分析结果示例如表3所示。
[0077]
完成子系统级产品fmeca分析后，继续向上一层传递，实施tacs系统级产品fmeca分析，以系统级产品中各子系统级产品fmeca表中的顶层影响作为各子系统级产品的故障模式，逐项进行分析。tacs系统级产品fmeca分析结果示例如表4所示。由此，经过表1-表4的逐层分析，可确定影响多层次结构化产品如tacs系统的故障传递关系。
[0078]
步骤s4：根据故障传递关系确定对多层次结构化产品运营造成影响的故障模式失效率。
[0079]
步骤s5：分析处理故障模式失效率得到ram指标，并通过ram指标对所述多层次结构化产品进行ram性能分析。
[0080]
具体的，完成了tacs系统级产品fmeca分析后，可根据tacs系统fmeca分析表中对系统运营产生影响的故障模式的失效率，推导计算出影响tacs系统运营的ram指标，如运营延误率、非期望eb率，无人自动折返失败率，分别为：运营延误率9.49
×
10-5
，非期望eb率0.00209次/万列车公里，无人自动折返失败率0.00949％，并通过该ram指标对tacs系统的ram性能进行分析。
[0081]
在本发明的一个实施例中，该方法还包括：根据故障传递关系追溯对多层次结构化产品运营造成影响的关键产品，关键产品为多层次结构化产品的底级产品。
[0082]
具体的，根据表1-表4的逐层fmeca分析，得到影响tacs系统的故障传递关系。由此，在tacs系统丧失主要功能后，可从上向下逐层溯源，如查询表4得到tacs系统丧失主要功能的原因为oc子系统功能失效、ats主要功能失效，从而可进一步查询子系统级产品fmeca分析表(如表3)，并进行逐层溯源，最终追溯造成运营影响的关键设备有：车载控制器、继电器信号驱动模块等，关键组件有：电路板voob16-2、电路板eiocom等，关键元器件有：滤波器、钽电容等。进一步的，设计人员可针上述产品制定改进措施，或者查询相应的fmeca分析表中的维护措施，以对相应产品进行维护。
[0083]
本实施例中，通过逐层开展各级产品的层次fmeca分析，可梳理故障自底向上的传递关系，归纳造成系统运营影响的故障的传递脉络，然后提取通过分层fmeca分析出来的故障条目，分析影响顶层系统的故障传递关系，通过分析，计算顶层系统的ram指标，并追溯造成运营影响的基本组件，从而提高了对于故障、危害的风险分析和优先级判断的准确性。
[0084]
图7为本发明一实施例提供的一种多层次结构化产品的分层fmeca系统的结构框图。如图6所示，该多层次结构化产品的分层fmeca系统1包括获取模块10、构建模块20和分析处理模块30。
[0085]
其中，获取模块10，用于获取多层次结构化产品的各级产品，并确定多层次结构化产品的分层fmeca的实施顺序与实施对象；构建模块20，与获取模块10连接，构建模块20用于根据实施顺序和实施对象构建各级产品的层次fmeca分析表格；分析处理模块30，与构建模块20连接，分析处理模块30用于自底向上对各级产品的层次fmeca分析表格进行逐层分析，确定影响多层次结构化产品的故障传递关系，并根据故障传递关系确定对多层次结构化产品运营造成影响的故障模式失效率，以及用于分析处理故障模式失效率得到ram指标，并通过ram指标对多层次结构化产品进行ram性能分析。
[0086]
在本发明的一个实施例中，如图8所示，该系统还包括：溯源模块40，其与分析处理模块30连接，溯源模块40用于根据故障传递关系追溯对多层次结构化产品运营造成影响的关键产品，所述关键产品为多层次结构化产品的底级产品。
[0087]
在本发明的一个实施例中，获取模块10具体用于：对多层次结构化产品进行结构化层次分解，以获取各级产品，并通过绘制产品物理结构层次结构图及功能分解图的方式确定实施顺序与实施对象。
[0088]
在本发明的一个实施例中，获取模块10获取的各级产品按照顶层至底层层次递减的顺序包括但不限于：系统级产品、子系统级产品、设备级产品和组件级产品。
[0089]
在本发明的一个实施例中，构建模块20构建的每一层次fmeca分析表格中的当前级产品包括至少一个下一级产品，所述下一级产品为组成当前级产品的底级产品。
[0090]
在本发明的一个实施例中，分析处理模块30对每一层次fmeca分析表格中的当前级产品进行fmeca分析的分析数据包括但不限于：各个下一级产品的故障模式、故障模式失效率、故障原因、维护措施和对当前级产品的影响结果。
[0091]
在本发明的一个实施例中，分析处理模块30对当前级产品进行fmeca分析时，对于当前级产品的任意一个下一级产品，将下一级产品的层次fmeca分析表格中的顶层影响结果作为下一级产品的故障模式。
[0092]
其中，顶层影响结果为下一级产品包括的若干个产品对下一级产品故障影响等级最高的故障结果。
[0093]
需要说明的是，本实施例的多层次结构化产品的分层fmeca系统的具体实施方式可参见上述多层次结构化产品的分层fmeca方法的具体实施方式，为避免冗余，此处不再赘述。
[0094]
综上所述，本发明通过将复杂综合的大系统结构进行分解，并逐层进行fmeca分析，刻画故障传递脉络，克服了现有fmeca技术在产品研发中的孤立性、不直观等不足，使得本发明能够适用于复杂综合系统的分层fmeca分析，并且通过将不同层级产品的fmeca表格进行一体化的适应性设计，使得产品的fmeca不单是立足于独立的产品研发，而是在复杂综合系统的整体研发中形成了一体化的布局，为系统的ram性能分析提供了强有力的支撑，以及本发明所归纳的分层fmeca分析思想，提高了对于故障、危害的风险分析和优先级判断的准确性，为产品可靠性分配的准确性提供了依据，并便于技术人员清晰的识别复杂系统中的短板。
[0095]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖
非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0096]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。