事前分析，降低风险

这周末，公司请外部的质量专家（鲜万世）给我们做了一次FMEA的培训，收获颇丰，在此分享一下我的学习心得，一方面为了加深印象，也希望对你有启发。

虽然课程是关于质量管理方法的培训(FMEA主要用于质量管理)，但是它背后的几个思路很有启发：

首先，逻辑性，整个FMEA过程是以功能为核心，通过层层推导来建立失效模式的分析和预防；

其次，预防性，FMEA的分析主要发生在失效发生之前，是通过“事前反思”的方式，识别和管控风险；

最后，集成性。本次我影响最深的是FMEA中提到的“1树2网”，它指的是“结构树”，“功能网”和“失效模式网”，在《系统架构》中，我们分享了系统架构的核心是“形式-功能”，而在FMEA中的“结构树”，“功能网”分别对应的就是“形式” 和“功能”，“失效模式网”其实对应的就是分析“系统架构”可能失效的方面，从而通过设计改善，来提高功能的可靠性。

本文结合听课的内容，从如3个方面介绍：

什么是FMEA？

为什么需要FMEA？

如何通过7步法进行FMEA的分析？

1 什么是FMEA？

FMEA的全称是Faillure mode and effects analysis，按照【1】提到的定义，它指的是：

通过系统的方法的方法和步骤，对可能造成产品或流程失效的潜在风险进行识别，进而给出有针对性的改进措施，降低失效的风险。

FMEA最开始起源于1944年，洛克希德公司的Kelly Johnson在P80战斗机的开发上，使用FMEA分析后，缩短了开发周期节约153天；随后，美国国防部在1949年制定了MIL-P-1629来系统介绍失效模式和原因分析；1977年福特公司将FMEA作为其对零件设计和生产制造的评审项目一部分；1993年，美国三大汽车公司和美国汽车工业行动集团（AIAG）等组织编制和出版了《FMEA参考手册》；1996年，德国汽车工业协会（VDA）对FMEA进行了改进，也发布了《Quality Managment in the automotive industry》，在这个过程中，也有公司提出了自己的版本，比如Toyota的DRBFM（Design review based on failure mode）。而现在最新的FMEA是将AIAG和VDA的版本进行结合，形成的红蓝书。

而从使用的过程来看，FMEA主要分为针对产品设计的DFMEA（Design FMEA），和针对过程的PFMEA(Process FMEA)，本文重点分享的是DFMEA。

2 为什么进行FMEA？

进行FMEA分析，我理解最核心的目的是降低产品产生问题的概率，提高产品的质量和可靠性，随之而来的是提高开发的成功率、降低开发成本和周期，下图很形象的说明采用良好的FMEA控制后，问题的出现和变化趋势。

3 FMEA分析的7步骤

既然FMEA这么有效，应该如何做呢？这次培训最大的收获是基本了解了FMEA的分析框架，最核心的分为7个步骤，这里逐一进行介绍，其中重点介绍结构分析、功能分析和失效分析。 

3.1策划准备

在这个阶段，最重要的是定义5个T：inTent（意图），Team（团队），Timing（时间），Task（任务），Tools（工具），其实可以将其和我么常常用的5W2H关联起来：

inTent-Why：我们为什么要做？目的是什么？

Team-Who：谁来做？培训中特别强调，在这个团队中至少要有两类人，协调员和技术专家，其中协调员就是类似于《天龙八部》中的王语嫣，要对FMEA的方法论非常熟悉，而技术专家是对具体领域的技术要很懂，因为FMEA本质是技术活动，而不是头脑风暴。

Timing-When:什么时间开始和结束，对于DFMEA而言，应该开始于立项之初，而结束于生产磨具开始之前，因为开模后就改动成本就很高了，而且DFMEA的主要价值也主要体现在预防性上的。

Task-What：就是要定义好进行FMEA的分析对象和边界。后面我们会知道，分析的对象和边界不同，我们进行原因的归属和影响的识别也是不同的，而且对于复杂产品，通常有成千上万个部件，如果都进行FMEA分析，资源和精力肯定不够，必须进行取舍。

Tools-How:就是我们进行FMEA分析的时候，使用什么样的工具和方法，比如我们后面提到的结构树，边界图就是典型的工具，而且现在还有成熟的软件可以帮助我们完成这个事情。

3.2 结构分析

结构分析核心就是将我们的对象进行层级拆解，了解它的构成部分，关键还要识别不同部件之间的连接形式，这里有两种方式，一种是结构树图，一种是边界框图。

3.2.1 树状图

所谓结构树图，就是以树状结构，按照系统-子系统-组件-零件-特性的方式进行拆解。以汽车的底盘分析为例，就需要将这各系统分解为车轮、悬架和制动，车轮还可以拆解为轮毂和轮胎，轮胎可以进步分解为轮胎胶料配方和轮胎的尺寸（特性），在这个拆解中，通常按照上面提到的5级（或者更少),不易太多，一方面是层级过多不易分析和思考，另一方面我们更多关心的是我们自己进行设计的部分，就以轮胎为例，作为OEM（主机厂）而言，其实它不需要太关心轮胎的配方，只需要知道自己需要的特性，然后让供应商进行调试满足就行，这种分解方式可以参考系统架构3 ：如何用简洁图形描述系统架构？中提到的结构关系。

3.2.2 边界框图

结构树图的优点是层次清晰，但是缺点是对构成部分之间的接口关系表达不是很清楚。而这个时候，边界框图就可以很清晰的表达，在这次培训中，一个收获就是对连接关系有了更进一步完善，在FMEA中提到了5种连接关系：

物理接触：比如支架、螺栓、卡子和各种类型的连接器；

物质传递：比如空调系统中冷媒的流动；

能量传递：比如传热，摩擦和运动传递，例如齿轮的啮合转动；

信息交换：例如计算机中的输入和输出，汽车中的通信矩阵等；

人机交互：开关控制、提醒和警告等。

当我们通过连接图画好了各个部分的连接关系，再同构虚框划定边界后，接口就在连接被边界截断处形成，而50%的失效问题都来自于接口的失效，比如螺栓链接失效，信息传递中在接口处中断等。

3.3功能

什么是功能？在系统架构6 功能| 你能通过什么动作改变什么？，我们进行了定义，在FMEA中对其定义比较类似：

功能=动词+名词

比如“产生+热量”，“提高+速度”，“降低+温度”等。

3.3.1 功能分类、要求及约束

同时，在FMEA中将功能分为2类：基本功能、辅助功能。

基本功能，定义的就是一个系统最初设计师的功能，比如空调系统是用来制冷或者制热的；

辅助功能是为了让基本功能更好运行的功能，如可维修功能，例如空调系统的冷媒要好加注；

功能的设计常常是需要满足一定的需求，而是否满足了需求，就需要进行量化，这就形成了对功能的要求。这种要求一方面可以用来判断功能设计是否满足预期，更重要的是用于后面进行更好的失效分析，比如有一类失效叫“功能衰减”，如果不能进行量化要求，就很难判定功能是否衰减以及衰减的程度。

而这种功能的要求常常来自于四个方面：法规要求、行业标准和规范、客户要求、企业内部要求。

除了对功能有要求外，功能的设计实现还需要进行约束，比如设计空调系统的时候，压缩机的重要和空间布置限制。

3.3.2 参数图（P图）

在进行功能分析和设计时，有一个结构化的工具可以帮助我们识别影响系统的参数，这就是参数图。在这里，我们把系统看成是将输入转化为我们想要的输出的装置，但是在转化的效果受到两类因子的影响：噪声因子和控制因子。

噪声因子：工程师很难控制和选择的，典型的如外部的使用环境（如气候，路面等），以及用户的使用习惯等；

控制因子：为了更好实现功能，工程师可以选择和控制的要素。

而为了使系统更加稳健，就是要调整设计因子，让系统对噪声因子的变化变得不那么敏感。

举个简单例子，比如在汽车行驶中舒适性，用户行驶在什么路面是很难选择和控制的噪声因子，而我们可以通过设计悬架和车身的响应，让车辆对不同路面的激励没有那么敏感，就能更好的满足用户对低噪声的要求。

3.3.3 功能网

类似于前面的树状结构，功能网其实更具体说应该是功能树，就是将功能的关系按照树状结构组织起来，这不过这种功能网不是单纯存在的，它可以和结构树结合起来，就是将每个功能和结构对应起来，这样的好处我们下面在介绍失效分析的时候会具体说明。

3.4失效

现在进入关键环节，前面的结构和功能的分析，主要的目的就是为了更加系统性进行失效分析，关键是定位失效类别、失效链、失效效果失效原因分析。

3.4.1 失效类别

在3.3.1中，我们说明了对功能进行量化的价值在于可以更好定义失效形式。所以，根据功能的表现，我们可以推导出如下的失效形式：

功能丧失：无法操作，突然失效，如电灯钨丝断了，无法照明；

部分功能：只有部分功能，比如空调只能制冷，不能制热；

功能退化：如性能随着时间损失和衰退，比如橡胶的老化带来密封性能的衰减；

过度功能：如操作超出可接受的阈值；

间歇性功能：如操作随其启动-停止-启动；

非预期功能：如错误的时间操作、意外方向；

延迟功能：如非预期时间间隔后操作，比如洗澡时，冷热水调节时的延迟。

3.4.2 失效链

所谓失效链就是在FMEA中分析的不同的层面：失效后果（FE）-失效模式（FM）-失效原因（FC）。但是这三者不是觉得，取决于我们分析的层次，如果我们分析聚焦的是零件失效（FM），那么的失效后果可能是带来系统的问题，而导致零件失效的原因可能是特性（材料和尺寸）。

失效后果推导最后一层，常常是和用户的感知相关，比如车辆无法启动，噪声、漏雨等。导致失效的原因，常常可以从零部件的设计要素、噪音干扰要素，DFM（Design for manufacturability）可制造性、软件问题等四个层次方面展开。

3.5 风险分析

3.5.1 SOD

进行失效模式分析的时候，设定了三个评估标准：

①严重度（S）：表示失效后的严重程度，通常涉及生命安全的，常常严重程度高，比如失效后噪声大和失效后安全问题，后者更严重；

②发生度（O)  ：表示发生的概率；

在培训中关于发生度的评估，有个总结让我印象深刻，如果按照1~10打分，分数越高，越容易发生的话，在产品开发中，如果：

使用成熟的技术，发生度1~2分；

使用和别人相同设计，发生度为3~4；

使用和别人相似设计，发生度为5~6；

使用新设计，发生度为7~8；

创新设计，发生度9~10。

③探测度（D）：表示探测失效模式的探测的探测度；

3.5.2 预防和探测

我们在进行风险的设计控制时，通常有两种方式：预防和探测。所谓预防，就是在设计阶段，就充分考虑设计的方法避免失效，最常见的就是通过模型的方式预测可能的风险，进行优化设计；另一种探测，主要是通过实验的手段，验证出可能出现的失效模式。

3.6 优化

就是针对识别出来的失效模式和风险，采取措施降低失效的后果和发生的概率，通常的顺序如下：

①变更设计消除或减少失效后果；

②变更设计，降低失效原因及发生的频次；

③增加探测失效原因或失效模式的手段；

④在进行设计变更后，在进行评估所有的受到影响的设计要素；

3.7 结果文件化

最后将FMEA的结果进行文件化，一方面是为了更好的汇报，更重要的是持续改进。

4 总结

失效模式及影响分析可以对系统功能的潜在失效风险进行提前识别，降低功能失效风险，提高开发质量。它以功能为核心，通过层层推导的方式，建立了结构清晰，逻辑完整的质量控制方法。

参考

【1】 https://asq.org/quality-resources/quality-glossary/f