（机械制造及其自动化专业论文）基于知识的面向产品全生命周期的fmea系统.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 ， ：。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期j 塑延o 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，凯。、j ： 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学饺n 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：望! 兰! ：! 口 上海大学硕士学位论文 摘要 在市场竞争目益激烈的情况下，为适应快速变化的市场需求，缩短产品的开 发周期，符合医疗器械的行业安全标准，进行有效的风险分析，提高产品可靠性， 在医疗器械制造企业中实旌f m e a 分析，成为必然的趋势。由于中小型企业具有 的特点和现状，因此采用f m e a 系统对中小型企业的产品风险分析将起着重要的 作用。 结合先进的知识管理和产品全生命周期管理的思想，将f m e a 系统建立为基 于知识的面向产品全生命周期的f m e a 应用软件系统顺应企业的发展趋势。本文 论述了运用矩阵f m e a 的故障定义，在此基础上建立符合医疗行业标准的风险分 析过程的f m e a 管理模块。本文论述了基于f m e a 的知识来源，根据基于故障 树的层次模型，建立了已发生故障的树状结构，实现了故障树管理模块。本文论 述了基于案例推理在f m e a 系统中的应用，提高了系统的智能性。本文提出了基 于x m l 的面向产品生命周期f m e a 领域的知识表示模型，覆盖了产品生命周期 三个阶段对f m e a 知识的需求，为产品全生命周期其他领域知识的应用打下了基 础。 本文理论研究的结果，结合了先进性和实用性的特点，所开发的f m e a 系统 在上海医疗设备厂风险分析项目中进行了初步尝试，取得了较好的效果。 关键字：故障模式与影响分析；故障树；基于案例推理；产品生命周期 风险分析 第l 页簿7 最熏 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o l l o w i n g t h ed r a s t i cc o m p e t i t i o no f m a r k e t ，a d a p t i n g t or a p i dc h a n g eo fm a r k e t s n e e d s ，s h o r t i n gp r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，a c c o r d i n gw i t h s e c u r i t y s t a n d a r di n m e d i c a ld e v i c e s ，i ti sn e c e s s a r yo ft h em a n u f a c t u r ee n t e r p r i s et oi m p l e m e n tf m e a t o s u f f i c i e n t l yd e v e l o pt h er i s ka n a l y s i sa n di m p r o v ep r o d u c tr e l i a b i l i t y b a s e do f ft h e s t a t u sa n dc h a r a c t e r i s t i co fs m a l l - m e d i u mm a n u f a c t u r ee n t e r p r i s e s ，a p p r o p r i a t ef m e a s y s t e mh a sv e r yi m p o r t a n ti m p a c to nt h ep r o d u c t sr i s ka n a l y s i si ns m a l l m e d i u m m a n u f a c t u r e e n t e r p r i s e s c o m b i n e dw i t ha d v a n c e d t h e o r yo fk n o w l e d g em a n a g e m e n ta n da d v a n c e dp r o d u c t l i f ec y c l em a n a g e m e n t ，f m e a s y s t e mi sb a s e do nk n o w l e r ea n df a c e do np r o d u c t l i f e c y c l e ，a c c o r d i n g w i t h e n t e r p r i s ed e v e l o p m e n t t h ep a p e r d e s c r i e sf m e a m a n a g e m e n tm o d u l em e e t i n g t h er i s k a n a l y s i sp r o c e s so fi n d u s t r ys t a n d a r d ，b a s e do n f a u l td e f i n i t i o ni nm a t r i xf m e a r e s o l v i n gt h ef m e a s k n o w l e d g es o u r c e ，t h ep a p e r b u i l d st h et r e es t r u c t u r eo ff a u l ta n d i m p l e m e n tf t am a n a g e m e n t m o d u l eb a s e do nt h e h i b e r a r c h ym o d e lo ff r a t h ep a p e re x p o u n d st h ec b ra p p l i c a t i o ni nf m e as y s t e m ， e n h a n c i n gs y s t e mi n t e l l i g e n t i z a t i o n t h ep a p e rp u t sf o r w a r dk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n m o d e li nt h ef m e af i e l df a c e do np r o d u c t “f cc y c l e ，b a s e do nx m l b e c a u s eo fi t ， f m e a s y s t e ms a t i s f i e st h ef m e ak n o w l e d g e sn e e di nt h r e ep r a s e so fp r o d u c tl i f e c y c l ea n dt a k et h eb a s i so ft h eo t h e rf i e l d s k n o w l e d g ea p p l i c a t i o ni np r o d u c tl i f e c y c l e i n p o s s e s s i o no fa d v a n c e m e n ta n dp r a c t i c a l i t y , t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ra n d f m e a s y s t e mh a sb e e nt e n t a t i v e l yu s e do nt h e r i s ka n a l y s i sp r o j e c ti ns h a n g h a i m e d i c a le q u i p m e n t f a c t o r y , a n dg o t t e nb e t t e re f f e c t k e yw o r d s ：f m e a ；f t a ；c b r ：p r o d u c t “f cc y c l e r i s ka n a l y s i s 第2 蔼菸蕊囊 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题简介 本课题是基于上海市科学技术发展基金项目基于面向对象数据模型的分 布式企业级产品数据管理系统项目，开发了面向中小型制造企业的p d m 系统后， 结合实施企业上海医疗设备厂的中小型企业的特点和现状，采用人工智能、 w e b 技术，建立基于知识的面向产品全生命周期的f m e a 系统，重点在于解决 企业进行风险分析的问题。 1 2 研究的目的与意义 随着我国市场竞争机制的逐步完善，制造企业正在实现与国际接轨。多年来 国营制造企业通过实施c a d c a m 工程及p d m 系统取得的很大的成绩，同时也 面临着新的挑战。为了及时满足用户不断变化的个性化需求。工程技术人员面i 临 更大的压力，新产品开发周期要缩短，加工维护的周期要缩短，产品成本不能提 高，他们所遇到的共同难题之一是如何实现新形势下的产品质量保证。他们迫切 需要获取与设计、加工、维护方面的已有经验和知识，而不仅仅是数字和信息。 特别在医疗设备制造行业，进入w t o 将面临零关税保护的严峻考验，国营 企业一方面要强强联合，利用人才等多种瓷源优势，缩短新产品的开发周期，以 抵御进入“w t o ”带来的冲击；另一方面从行业特点来说，必须要进一步提高国 产医疗产品的质量和服务，以满足医疗临床应用特殊要求。 企业在目前新的环境下遇到的新问题是： 1 企业为了保证医疗器械的安全性，除了要贯彻系列有关的安全标准以外 还要对医疗器械的风险进行管理，分析医疗器械的风险水平，判断其可接受 性：必要时，采取降低风险的措施，使其达到可接受的水平，并且不断监控 措施的有效性，直至医疗器械废弃不用为止。 2 在产品的整个生命周期信息流管理中，从设计到制造的正向信息流得到较多 的重视，如c a d c a p p c a m 等系统，自动化程度较高，而从制造到设计的 熬、彰薅? 黪稳黢嚣。 上海大学硕士学位论文 反向信息流得到较少的重视，自动化程度较低，信息时常断“流”，难以形成 闭环的反馈控制。而来自制造、测试、使用的信息以及知识对产品设计的f 确性是极其重要的。 3 在已有的技术信息系统中，如p d m ( 产品数据管理系统) ，我们发现产品信 息利用率并不高，原因是信息系统只是工程人员的“技术助手”，而工程技术 人员往往在浩瀚的信息海洋中更需要的经验丰富的“技术顾问”多领域的 设计制造知识。 4 企业中有许多非结构化的电子文档，其中包含大量信息与知识，虽然在p d m 的管理下整个文档得到共享，但由于粗糙的管理而得不到广泛的重用。文档 整体存储于文件系统中，简单地按编号标志，没有自动的途径去核实资料的 完整性和去更新在分散的文件中相同信息的例子，用户也无法按某个关键特 征在分散的多个文档中检索得到他所关心问题的正确的解决方案。 5 多样化的自由文档格式不便于在企业各部门间交流，更不用说在企业i 剖交流 了。 由于以上原因，本课题定位于中小企业制造系统基于知识的f m e a 系统，即 在企业已有的c a d c a m 环境下开发基于x m l ( x m l ，e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e 可扩展标记语言) 技术的智能f m e a 系统。 课题的目标是建立起套基于知识库的，贯穿于产品设计、制造、质保、售 后服务等各环节的f m e a 系统，其主要功能有以下几个方面与特点： 1 1 系统是运用f m e a 的分析方法。 f m e a ( 故障模式和效应分析) 是q s 9 0 0 0 、i s 0 9 0 0 0 和医疗领域标准规 定的风险管理的统一方法，具有权威性。用f m e a 表格的形式统一产品全牛 命周期的关于质量的信息。 2 ) 系统是基于p d m 的。 本系统是基于p d m 信息层上的应用模块。p d m 在本系统中是一个信息 的平台。系统是基于知识的。知识将随产品的开发过程一起建立，因此，能 随着产品的开发过程一起，将上游的设计意图，特别是产品质量保障方面的 设计意图较完整地体现出来，从而为整个质保过程的实施提供有效的技术保 障。 第7 篱燕熊蒺 上海大学硕士学位论文 3 ) 面向产品全生命周期知识库的初步建立。 目前，现有的p d m 、f t a 等系统，足有是针对产品全生命周期中某些阶 段的解决方案，形成的是每阶段或领域的知识，难以支持企业作为一个整 体来获得产品全生命的各种知识。本系统的知识库的技术定位是为企业中的 产品各个生命阶段提供统一f m e a 知识的支撑。 4 ) 系统将运用相关的知识推理工具对知识进行抽取和积累。 近几年来，人们逐渐认识到知识在企业业务中的重要地位，逐渐把知识 看作保持企业竞争力的唯一的永久性资源。但是，对知识的抽取和积累始终 是人工智能领域的难题。本系统希望运用一些相关的知识推理工具的方法在 此方面有所突破。 1 _ 3 国内外的研究概况与发展趋势 1 3 1 风险分析 当今的世界，在实现产品制造敏捷化的时候，不能放松质量的管理，质量得 不到保证的产品只能在市场上昙花一现。传统的质量保证实际上只是质量检验， 它的作用是在产品生产出来后进行次品剔除。传统的产品开发模式是“市场分析 到设计到制造到测试到修改设计”的串行过程，上游的活动不能很好地考虑下游 活动的要求。因此，开发前期的缺陷对后续的工作造成很大的影响，引起丌发阁 期的加长、成本的提高和产品质量的不稳定。在现代先进企业中，必须将质量管 理活动贯彻到企业的每个活动中，实现全面质量管理。以i s 0 9 0 0 0 为基础的质 量保证体系是世界上许多发达国家多年来质量管理方面的经验总结，带有通用性 和指导性。质量保证体系的核心是：把用户需求( 包括对产品的性能、产品的功 能、产品的质量、产品的价格、产品的开发或生产周期等的要求) 转变为企业能 够对其实施管理和控制的工程参数( 如产品功能的量化指标、性能参数的量化指 标、产品可靠性的量化指标等) 和生产管理参数( 如产品设计开发周期、产品生 产配套周期、产品的总成本等) ，以期保证用户需求。 对于医疗器械行业，根据世界各国的经验，为了保证医疗器械的安全性，除 了要贯彻一系列有关的安全标准以外，还要对医疗器械的风险进行管理，分析医 - l _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ - _ - _ _ _ _ 一i m _ - - _ _ _ _ _ _ i - _ _ l _ 。- l _ ： 1 1 1 第8 羲。羲倦嚣 上海大学硕士学位论文 疗器械的风险水平，判断其可接受性：必要时，采取降低风险的措施，使其达到 可按受的水平，并且不断监控措施的有效性，直至医疗器械废弃不用为止。因此， 风险分析标准和安全标准是相辅相成的。 作为提高安全性的重要措施，国家药品监督管理局于2 0 0 0 年1 月3 1 日批准 发布了医药行业标准y y 厂r 0 3 1 6 2 0 0 0 医疗器械一风险一第一部分：风险的应 用，并决定于2 0 0 0 年7 月1 日开始实施。y y t 0 3 1 6 2 0 0 0 等同采用了i s 0 1 4 9 7 1 m 1 ：1 9 9 8 ，该标准是国际先进经验的总结，它的发布和实施，必将进一步促进我 国医疗器械安全性和有效性的提高，推动医疗器械行业更快地和国际接轨。l 】1 目前，我国很多医疗器械生产企业尚未进行风险分析，进行过风险分析的企业 中，绝大多数的风险分析报告不符合标准要求。其主要表现是：只是简单地罗列 一些可能的危害，然后说明采取了防护措施，最后表示可以满足要求，医疗器械 是安全的。由于风险是导致损害发生概率及损害严重程度的结合，这是标准给出的 定义：为了说明风险的大小，发生概率和严重程度缺一不可。从目前看到的国外( 如 美国、德国、法国、日本等) 风险分析材料来看，无一不是考虑了两个因素。也 只有这样，才能得出风险的量化数据，从而判断其是否可以接受。另外，从内容 上看，也没有上面要求的七项基本内容。1 2 这说明：医疗器械生产企业对标准的 贯彻存在较大的困难，对医疗器械实际存在风险的认识还有很大的差距。为此， 必须加强学习和尽早开展标准的培训工作，以解燃眉之急。但是，y y 厂r 0 3 1 6 2 0 0 0 只规定了风险分析的程序，并未介绍风险分析的具体方法，特别是估计发生概率 的具体方法：只是在附录中以一页的篇幅简单地提到了故障模式和影响分析 f m e a ( f a i l u r em o d e e f f e c ta n a l y s i s ) 、故障树分析f t a ( f a u l tt r e ea n a l y s i s ) 和危害 与可运行性研究h a z o p ( h a z a r do p e m t i o n b i l i t y ) 各自特点。【1 1 暂近发布的 i s o f d i s 9 0 0 4 2 0 0 0 的第七章：产品实现中指出：风险评估工具包括： 失效模式和影响分析 故障树分析 可靠性评价 其它 第争囊撼衢瑟。 上海大学硕士学位论文 _ _ i _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ l _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - - _ _ - _ _ - - 一 1 3 2 故障模式和影响分析( f m e a ) f m e a 主要是一种定性分析的方法，它要求在医疗器械设计过程中，通过对 产品各组成单元的各种潜在的故障模式及其对产品的影响进行分析，提出可以采 取的预防措施，提高可靠性，以减轻风险的分析方法。过去，往往依赖于经验和 知识来判断元、部件失效对系统的影响：而且是等到产品使用以后，利用发生的 故障信息来改进设计。这样反馈周期过长，往往已经造成经济损失和人身伤亡。因 此应力求在设计阶段就进行f m e a ，一旦发现某设计方案有可能造成，不能允许 的后果，应立即研究，作出相应的设计修改或预防措施，以提高医疗器械的安全 性。 3 】 f m e a 技术的应用发展十分迅速。5 0 年代初，美国第一次将f m e a 思想用 于一种战斗机操作系统的设计分析，到了6 0 年代中期，f m e a 技术正式用于航 天工业( a p o l l o 计划) 。1 9 7 6 年，美国国防部颁布了f m e a 的军用标准，但仅限 于设计方面。7 0 年代末，f m e a 技术开始进入汽车工业和医疗设备工业。8 0 年 代初，进入微电子工业。8 0 年代中期，汽车工业开始应用过程f m e a 确认其制 造过程。到了1 9 8 8 年，美国联邦航空局发布咨询通报要求所有航空系统的设计及 分析都必须使用f m e a 。1 9 9 1 年，i s o 9 0 0 0 推荐使用f m e a 提高产品和过程的 设计。1 9 9 4 年，f m e a 又成为q s 。9 0 0 0 的认证要求。目前，f m e a 已在工程实践 中形成了一套科学而完整的分析方法。1 4 1 目前，有许多公司设计的f m e a 软件，这些公司大多数是一些德国公司。以下 是一些软件的介绍： c o m p u t e ra i d e dq u a l i t ym a n a g e m e n t 该系统是德国的c a qa gf a c t o r ys y s t e m s 公司9 7 年的产品，近几年系统 有了突飞猛进的发展，已成为当代的大型f m e a 系统。现在的c a 0 中f m e a 的部 分是一个基于知识库的f m e a 系统，有相应的与质量相关的文档管理功能，与质 量计划和规划功能。 p l a t of m e as y s t e m i ii 该系统是德国p l a t o 公司的产品，拥有六大功能：f m e a ，f t a ，f i s ( 系统 可视化模块) ，i l m s ( 工作流模块) ，c o n t r o lp l a n ( 质量计划模块) ，x e r i 上海大学硕士学位论文 ( 文档管理系统) 。该系统对f m e a 表有创建和编辑，与f t a 完全的集成，对f m e a 知识进行管理，对f m e a 文档管理，并且运用可视化技术有良好的用户界面。 i t e mq a 该系统是德国i t e m s o f t w a r e 公司的产品，该系统拥有对新建，分类查询，故 障模式统计，分类分库管理，日志管理，可视化输出。 q s es o f t w a r e 该系统是q u a l i t ys y s t e me n g i n e e r i n gc o m p a n y 公司的产品。该系统拥有改 进措施的跟踪功能，输出e x c e l 功能，与文档的版本管理。 f m e af a c i l i t a t o rv 1 5 6 该系统是f m e af a c i l i t a t o r 公司的产品。该系统是一个很简单的文档管理 软件，功能不多，只能以产品的功能进行查询，是低级的f m e a 软件。 1 3 3 知识平台 科学技术对人类社会的各个方面的影响越来越大，已经是不争的事实。知识 经济虽然还不是眼前的现实，但也不是遥远的空想了。当前已经感觉到的，是社 会对具有专业知识的劳动者的需求日益强烈。知识工程概念于1 9 7 7 年提出，j 下 是因为计算机技术的发展和社会需求的显露为它提供了可能与必要。知识工程研 究的主要论题，如知识模型、知识获取、知识传输，还涉及知识在软件工程和计 算机艺术中的应用。目前，知识工程中知识平台的研究很多。 在某一知识领域内一定层次上，能够满足人们引用知识、运用知识、传播知 识、学习知识和发展知识的需求的计算机系统，称之为一个智能知识平台。下而 介绍两个具有代表性的知识平台。 i b m 公司的i n t e l l i g e n t m i n e r 1 i b m 公司的i n t e l l i g e n tm i n e r 具有典型数据集自动生成、关联发现、 序列规律发现、概念性分类和可视化显示等功能。它可以自动实现数 据选择、数据转换、数据发掘和结果显示。若有必要，对结果数据集 还可以重复这一过程，直至得至满意的结果为止。 s o l u t i o n 公司的c l e m e n t i n e 扣j s o l u t i o n 公司的c l e m e n t i n e 提供了一个可视化的快速建立模型的环 第1 l 蘸、抟黪蔫黪。 上海大学硕士学位论文 境。它由数据获取( d a t aa c c e s s ) 、探查( i n v e s t i g a t e ) 、整理 ( m a n i p u l a t i o n ) 、建模( m o d e l i n g ) 和报告( r e p o r t i n g ) 等部分组成。 都使用一些有效、易用的按钮表示，用户只需用鼠标将这些组件连接 起来建立一个数据流，可视化的界面使得数据挖掘更加直观交叉，从 而可以将用户的商业知识在每一步中更好的利用。 这些平台的优点有强大的建模技术、提供多种算法和友好的可视化界面等。 但是这些知识平台还是有其不足之处： 开放性差。 集成性差。这些知识平台与其他系统，特别是与企业正在使用的系统 很难实现集成，以至于企业知识无法实现共享。 由于这些知识平台通用性差，以至于它们不能满足企业的特殊需要。 价格昂贵。这些知识平台不符合中小型企业的经济条件。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题的主要研究内容包括： 1 参与f m e a 系统的系统规划。 2 规划、设计并实现对中小型企业已有数据信息的收集、管理，实现 f m e a 系统与p d m 系统的集成。 3 规划面向故障树的构建。 4 定义面向产品全生命周期的基于知识的x m l 结构。 5 探索基于案例推理在f m e a 系统中的应用，实现基于f m e a 的知 j _ l 系统。 6 初步建立基于f m e a 的知识平台。 薰潞瀛。鼋麟懑羲灞黔 上海大学硕士学位论文 第二章f m e a 系统的关键技术研究 2 1 故障模式影响分析( f m e a ) 由于世界范围高技术产业的兴起，质量观念的改变，目前，产品质量的竞争 焦点集中到了产品开发设计阶段和售后服务阶段。在产品的设计和制造过程中， 通常有三道控制缺陷的防线：避免或消除故障起因、预先确定或检测故障、减少 故障的影响和后果。f m e a ( f a i l u r em o d ea n d a f i e c ta n a l y s i s ，故障模式及影响 分析) 技术正是帮助我们从第一道防线就将缺陷消灭在摇篮之中的有效工具。 f m e a 是一种可靠性设计的重要方法。它实际上是f m a ( 故障模式分析) 和 f e a ( 故障影响分析) 的组合。它对各种可能的风险进行评价、分析，以便在现 有技术的基础上消除这些风险或将这些风险减小到可接受的水平。及时性是成功 实施f m e a 的最重要因素之一，它是一个“事前的行为”，而不是“事后的行为”。 为达到最佳效益，f m e a 必须在故障模式被纳入产品之前进行。 f m e a 实际是一组系列化的活动，其过程包括：找出产品，过程中潜在的故障 模式：根据相应的评价体系对找出的潜在故障模式进行风险量化评估；列出故障 起因机理，寻找预防或改进措施。 2 1 1f m e a 的工作内容 图2 1f m e a 的工作流程图 f m e a 分析的工作流程图如图2 1 所示 以过程f m e a 为例，其工作流程可详细说明如下：【7 】 ( 1 ) 缺陷的名称，即潜在故障模式，是指过程可能发生的不满足过程要求和设 l _ _ - _ _ - - _ i i i ii i _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ l _ _ i _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 黪。蛰饕黪黪，黪， 上海大学硕士学位论文 计意图的形式。 ( 2 ) 潜在故障影响，是指故障模式对系统的影响。 ( 3 ) 严重度( s ) ，严重度是潜在故障模式对顾客的影响后果的严重程度的评价 指标。如果顾客是下一道工序，应站在操作人员的立场上评价。严重度仅适用于 失效的后果。一般严重度评估分为“l ”至“1 0 ”级。 ( 4 ) 故障模式产生的原因，即潜在故障起因机理，是指故障是怎么发生的， 并依据可以纠正或控制的原则来描述。针对每一个潜在故障模式，在尽可能广的 范围内，列出每个可以想到的故障原因。不论缺陷是何种类，只有找到原因，才 能找出解决的措施。失效的许多起因并不是相互独立的、唯一的，要纠正或控制 一个起因需要考虑诸如试验设计方法等，以便针对那些相关的因素采取纠f 措 施。典型的失效起因包括：扭矩过大、焊接不正确、零件漏装或错装等。 ( 5 ) 故障产生的频度( o ) ，是指具体的失效起因机理发生的频度。频度的分 级数着重在其含义而不是数值。评价准则和分级规则应意见一致。 ( 6 ) 缺陷被发现的概率( d ) ，指在现行的过程控制中，零部件离开制造工序或 装配工位之前，缺陷有可能被发现并阻止失效发生的可能性。这些控制方法可以 是防止错放夹具之类的过程控制方法，或者统计过程控制( s p c ) 。评价的基础是： 产品末达到用户手中，缺陷已经存在，能否及时地发现缺陷的存在，缺陷越容易 发现，其消除的可能性越大，风险越小。 ( 7 ) 计算风险顺序( r p n ) 和建议纠正措施。风险顺序( 砒 n ) = 严重度数( s ) + 故 障产生频度数( o ) 缺陷被发现的概率( d ) 。风险顺序是f m e a 分析中的一个重要 参数，r p n 越大，说明所产生缺陷的影响越大。 当故障模式按r p n 值排出先后次序后，应首先对排列在最前面的事和最关键 的项目采取纠正措施。如果故障模式的后果会危害制造、装配人员，就应采取纠 正措施通过消除或控制其起因来阻止故障模式的发生。 f m e a 分析的最终目的就是要采取措施，消除缺陷，降低风险顺序。 2 1 2 开展f m e a 的作用与意义 由上述f m e a 分析的过程我们知道，f m e a 是制造( 设计) 工程师用来在最大 范围内保证自己在设计或制造过程中能够充分考虑并指明潜在失效模式及其相关 蘩| 4 彰黪黪麓 上海大学硕士学位论文 的后果起因或机理的分析方法。f m e a 以其最严密的形式总结7 t 程师进行工艺 过程设计( 零部件、子系统和系统设计) 时的设计思想。这种系统化的方法与一个 工程师在任何制造计划过程( 设计过程) 中正常经历的思维过程是一致的，并使之 规范化、文件化。 在产品设计之前或工艺过程设计之前应用f m e a 技术的作用和意义如下 8 1 ： 1 ) f m e a 分析与质量的预防为主的原则相一致。 最好的控制是在问题发生之前，而不是问题发生之时或之后，预防性控 制是同有效的计划起开始的，从准确的预测，决定正确的策略，到建立有 效的标5 d 都要有控制的观点，运用控制的方法。预防性控制的原则就是要把 问题消灭在发生之前。 。 2 ) f m e a 分析与质量经济性原则一致。下图2 2 是质量成本构成图。 从图2 2 中可以当初，预防成本和鉴别成本随合格串的提高而不断增加， 相反，内、外部故障成本随着合格率的提高而不断降低。质曩成本就是这两 部分叠加的结果。两条曲线的交点叠加处所对应的就是质量成本最低点，称 适宜的质量成本。f m e a 分析在产品( 工艺) 设计中根据潜在失效模式对“顾客” 的影响，对其进行排序列表，进而建立一套改进设计和丌发试验的优先控制 系统。为实现质量成本的最优化，提供更多的信息。 豳2 2 质量成本构成圈 3 ) f m e a 分析是企业内员工的知识和经验的综合应用。 由f m e a 的工作流程图可以看出，f m e a 分析是一项很繁杂、很细致的 工作，它涉及到生产设计中的每个指标，包括尺寸的确定、材料的选择、性 能试验的确定、寿命试验的制定等等项目，也涉及到生产加工、装配过程中 的每道工序的定位、装夹、加工方式等等内容。因而，开展f m e a 得依靠集 纂1 5 黔+ 羲礴黪 龠格肇位恿奉 上海大学硕士学位论文 体协作，必须综合每个人的智慧，需要有设计、制造、装配、售后服务、质 量及可靠性等各方面的专业人才。f m e a 可以成为促进有关部门间充分交换 意见的催化剂，从而提高集体的工作水平。 4 ) 所有的f m e a 分析最后都要求制作f m e a 分析表，它是f m e a 分析结果 的书面总结。 因而f m e a 分析为设计部门、生产规划部门、生产部门、质保部门等有 关技术部门提供了共享的信息资源，另一方面，f m e a 为以后同类产品进行 设计提供了不可多得的借鉴资料。 2 1 3f m e a 系统 目前，有许多公司设计的f m e a 软件，这些公司丈多数是一些德国公司。以下 表2 1 是一些软件的f m e a 功能分析表分析： 软件名称， 开发国实现的主智能化特 智能化 家年要功能及f l v i e a 功能特点点，可视化 规模程度 代集成程度程度 i t e mq a美国新建与编辑，分类查询，故障模有一定程基本没 ( f m e a ) 9 0 正 集成化程 度一般 式统计，分类分库管理，日志管度的可视有智能 一般 代理，可视化输出。化化 f m e a 德国新建与编辑，简单的按功能查 f a c i l i t a t o r9 0 正 没有集成没有可视没有智 化 询。总体该产品功能简单，属于 化能化 v 1 5 6 代低档产品 q s e 德国 f m e a p p 新建与编辑，查询，改进措施的基本没 9 0 正 a p , a p q p基本没有 有智能 s o f t w a r e集成性很 跟踪功能，输出e x e c l 功能， 可视化 代与文档的版本管理 化 好 c o m p u t e r 拥有知识 a i d e d 德国管理功能，新建与编辑，知识管理，多语言 可视化程 有一定 q u a l i t y 9 0 芷与f t a 有 显示，重用功能，友好的显示界 度很高 程度的 m a n a g e m e代很好的集面智能化 n t 成性 鼙；瞧赛。舞黪穗峻! 鬣 上海大学硕士学位论文 数据输入( 创建与编辑f m e a 表，f m e a 结构编辑，输入功 新建，知识 能) ；分析评估能力( 差别分析， a p i s 德国 管理，多语 频率分析，排列分析) ，重用功 有一定程有一定 9 0 生 言显示重 能( 基于模板的团队管理，分类 度的可视稃度的 i o - f m e a用功能，友 查询数据查询全面查询) ， 代化智能化 好豹显示 用户界面，数据输出 界面 ( x m l ，h t m l ，w i n d o w s ，t e x t - m i c r o s o f t p r o j e c t , e x c e l ) 创建与编辑f m e a 表格：数据处 拥有六大 理( 面向对象数据库，基于局域 功能： 网多用户同步编辑。输入与输 f m e a ， 出界厩，认证) ；分析朋2 估能力 p l a t o德国 f t a ，系统 ( 一致与透明的r p n ，标准储 f m e at 9 0 芷 可视化模 存，结合d s d 。企业特征评估分 可视化稗 有一定 块。工作流 类，图表显示，依照f m e a 团队 度很高 程度的 s y s t e m l l i 代排列( p a r e t o ) ；f m e a 知识库 智能化 模块，质量 计划模块， ( 数据重用，内容与每一张表内 文档管理 容独立，f m e a 上下关系的构造 化模型，通配符，a s c i i 码交换 系统 支持多语言，一般团队定义支 持) 2 2 1f t a 的简介 表2 1f m e a 系统的功能分析比较表 2 2 故障树( n 渔) 故障树分析( f a u l t t r e ea n a l y s i s - - f t a ) 方法是2 0 世纪6 0 年代初由美国贝尔实 验室在预测民兵导弹发射成功率时提出的，其后波音公司研制出f t a 计算机程 序，进一步推动了f t a 的发展。现在这种方法已经被广泛应用在航天工业、电子 设备、化学工业、机械制造、核电站等的可靠性分析中，并取得了不少成果。f t a 是用逻辑或图表的方法对系统故障进行定性分析和定量计算的：而故障树则是用 相应的符号和逻辑门来描述顶事件、中间事件及基本事件之间的关系，以解决元 件失效和可观察到的故障征兆问题。 f t a 的国家标准是( g b 7 8 2 9 - - 8 7 故障树分析程度，f t a 是自上而下的分析 方法，可以较好地进行定量分析，它以不希望发生的医疗器械故障所造成的损害 第耵嚣j 繁j 撰= 漂j 上海大学硕士学位论文 作为顶事件，然后寻找引起这种故障的中间事件或原因，对医疗器械的分系统乃 至元器件和软件故障、环境和人为因素等进行分析，列出所有可能的底事件，面 出故障树逻辑框图：确定产生医疗器械故障的各种原因可能的组合方式及其发生 概率，以便进行风险分析。目前，已被国内外公认为是对安全性、可靠性进行分 析的好方法。 9 1 在我们的f m e a 系统中，为了解决f m e a 知识的采集的问题，我们定义故 障树是一个事后的行为，研究的是已有故障的各种原因的组合方式。由此我们的 f t a 是系统故障一零件故障的分析方法，它是从系统发生故障出发，作层层深入 的分析子系统、部件及零件的故障、对故障能进行定性分析和定量评价。 我们的f m e a 系统中的f t a 的特点： ( 1 ) 故障树是对系统故障作层层深入分析的基础上，表达了系统的内在联系， 并找出了系统全部故障模式。 ( 2 ) 能反映出造成系统故障的各种因素；可以分析零件故障对系统的影响，以 及软件、环境及人为因素对系统故障的影响。 ( 3 ) 对系统故障不仅可以作出定性分析，即寻找出所建故障树的全部最小割集 和最小路集，还可以定量计算复杂系统有关可靠性参数，为评估系统可靠性提供 定量数据。 ( 4 ) 故障树对于管理及维修人员相当于一个形象的管理及维修指南。使用人员 可用故障树检查故障发生的原因，也可以绘制出专门用于维修问题的维修树。 2 2 2f t a 与f m e a 的比较 故障因果分析方法主要有两种。一种是故障模式及影响分析( f m e a ) ，它采 用“自下而上”的逻辑归纳法，对产品来说，即要从零件的各种故障模式追踪到 系统级，研究它的后果，决定它对于系统的致命度与重要性。另一种分析方法一 故障树分析( f t a ) 。它是采用“自上而下”的分析，即对各种值得重视的系统故 障进行全面的分析，列举出导致这些故障的各种故障组合，这种分析方法所要求 的技术水平较高。【i 叫 上海大学硕士学位论文 f m e af t a 含义 通过对系统各组成零部件可能出现的通过对造成系统故障的各种因素进 各种故障模式及其对系统功能所造成行分析，确定引起系统故障的各种 的影响进行分析，提出改进措施，提原因组合，即故障之间的关系，提 高系统可靠性的一种故障分析法高系统可靠性的故障分析方法。 特点是从零件故障一系统故障。即在分析 是系统故障一零件故障的分析方 系统每个零件的所有故障模式基础法。它是从系统发生故障出发，作 上再去分析部件的各种故障模式，层层深入的分析子系统、部件及零 由部件故障再去分析系统故障，是一件的故障、对故障能进行定性分析 种定性分析方法。采用此法对故障进和定量评价。在故障分析时能考虑 行分析时无需很多数据和复杂公式进人和环境因素。故障树对于维修管 彳亍计算，主要采用总体归纳方式分析，理人员来讲，是一种形象的维修管 分析者容易掌握，因而被广泛应用。理指南便于对系统进行维修和管 它只能分析组成零件较多的硬件系理。 统，分析时花费时间较多。 应用在新产品设计阶段，应根据零件、部在新产品研制阶段，对系统发生i 勺 件可能出现的故障模式，分析系统可故障作层层深入分析，提出对部件 能发生的故障，事前考虑预防对策。的改进措施；在产鼎使用阶段应根 在产品使用阶段通道对零件的故障调据系统发生的故障作为顶事件进行 查统计及英对系统故障所造成的影响分析，找出于系统、部件及零什全 进行分析，即根据f m e a 表，对零部部故障模式，建立故障树，进行定 件故璋发生频度、故障危害程度，及性和定量分析。 预防或排除故障难易程度，确定综合 评定指标r p n 。根据r p n 大小，确 定项目的重要程度，集中力量解决产 品重大质量问题。 表2 2 呲a 与f t a 的比较 2 2 3f m e a 与f t a 的结合 由以上分析可知，利用f m e a 很容易分析各分析层次之间的因果关系，而 f t a 很容易考虑人为因素、环境因素或多种因素相互组合对顶事件的影响。而对 于大型复杂系统，由于其故障机理交错多变，逻辑关系复杂，而且往往缺乏可靠 性数据，这就使得对其进行可靠性分析和评估变得非常困难。单独应用f m e a 和 f t a 技术，虽然也可以对大型复杂产品进行可靠性分析，但是需要花费大量的人 力和财力。采用f m e a 和f t a 相结合的方法，既可以抓住重点，又可以做到较 为全面、深入的分析，从而使对复杂产品的可靠性分析工作得到简化、能够实现 在工程上对复杂产品进行可靠性评定。f m e a 与f t a 综合分析方法，从而发挥两 者的优点。【l ” 在f m e a 系统中，f t a 的作用如下： 第娉菱”黉譬豁簧 上海大学硕士学位论文 1 故障数据的标准化需要，用f t a 系统对故障数据进行统一定义。 2 故障信息和知识的统一，提高了知识和信息的重用。 3 f t a 解决了f m e a 系统知识缺乏、不精确的特点，为系统提供了可靠的知识 来源。 4 维护阶段的真实故障信息和知识对于设计、制造阶段拥有重要的参考意义， 设计和制造阶段对故障信息和知识的需要不再是盲目的了 由f t a 的作用可以发现，利用混合f m e a 与f t a 综合分析方法建立复杂系 统的完整的故障树，吸取了f m e a 和f t a 分析方法的优点，加之计算机辅助功 能可以大大节省建树时间，减少可靠性分析工作量，并且提高可靠性分析水平。 2 3 1 知识系统 2 3f m e a 知识系统 知识系统技术是人工智能科学走向实用化研究中最引人注目的成就之一。近 年来，知识系统技术的研究和应用以前所未有的速度在故障诊断、模拟仿真、自 动控制、工艺编程、生产规划、产品设计等许多工程领域不断发展。随着研究工 作的深入，一些新的技术方法和先进制造技术正在融入机械工程知识系统技术的 研究和应用中，不仅使知识表示、知识库构建、知识获取和推理模式等关键技术 的研究取得了一定的成果，也出现了一些集成式的新型知识系统，如神经网络知 识系统、模糊知识系统、基于i n t e m e t 的知识系统、c a d 知识系统和c a p p 知识 系统等，它们综合利用了知识系统启发性、透明性、灵活性以及具有处理不确定 知识能力的特点，使工程知识系统的应用领域不断拓宽。【1 2 1 目前，知识系统的体系结构发生了深刻的变化： 单一的知识库及单一推理机发展为多知识库及多推理机： 集中式知识系统发展为分布式知识系统； 近些年随着机器学习研究的进展，逐渐用半自动方式取代原来的手工方 式，提高了知识获取的速度与质量。 我们把f m e a 系统引入基于知识的系统，不仅要把该领域中大量的知识用某 种模式表示出来存储到