测试性试验的FMECA方法研究

曾利，汪小林

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川　绵阳　621000）



测试性试验的FMECA方法研究

曾利，汪小林

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳621000）

故障模式、影响及危害性分析 （FMECA）是开展测试性分析的重要基础之一。通过对某机载设备测试性验证试验实例中的FMECA的分析过程进行研究，提出了适用于测试性试验的FMECA方法，保证了FMECA分析工作的适用性和准确性，对于今后测试性试验的FMECA工作的开展具有一定的借鉴和指导意义。

约定层次；故障模式；故障原因；故障影响；测试性试验

0　引言

故障模式、影响及危害性分析 （FMECA：Fai1ure Mode，Effects and Critica1ity Ana1ysis）是开展测试性分析的重要基础之一。FMECA的结果，尤其是获得的故障模式等内容，能够为产品的测试性指标分配、测试性预计、故障注入或模拟、优选测试点和具体操作等方面提供支持［1］。FMECA是测试性试验的重点设计输入，有严格而系统的递进分析要求，分析的内容主要包括受试产品的结构信息、功能信息、测试性设计信息、外场试验故障数据和其他研制试验故障数据等，其结果的完备性与合理性，是确保测试性试验设计输入适用性的前提条件［2-3］。

1　基本构架

1.1约定层次需求

不同层别的FMECA，可获得不同约定层次的故障模式、影响和故障率数据等信息，根据分析结果，可进行测试性指标的分配、测试点的选取和固有测试性及机内测试 （BIT）的设计；若进行覆盖各层级 （包括元器件级别）的FMECA分析，结合可靠性预计的结果，不但可以通过建模预计出测试性检测率和各层级隔离率，同时依照一定的抽样算法，在此FMECA分析中抽取用例，模拟器件的故障，还可以完成测试性验证试验，为装备的测试性指标的达标情况提供科学的依据。

将FMECA用于测试性验证试验时，产品的构成已明确、其结构和设计图纸资料已确定，已经可以形成详细和严格的可靠性框图，硬件与功能能够对应，因此须采用硬件法分析，即对产品的实物硬件设计的缺陷及薄弱环节进行详细的分析，而非仅仅分析其功能。产品的约定层次即分析的对象，按照其复杂程度，可以分为元器件、功能电路、SRU、LRU/LRM、分机和整机等，当约定层次不同，其初始约定层次和最低约定层次也应作出相应的调整，分析的过程中需填写各个约定层次的故障模式、故障影响、检测方法和各级影响等，并由下往上按约定层次的级别不断地进行分析，即由元器件通过功能电路、SRU、LRU/LRM、分机、整机等逐级往上分析，直到初始约定层次相邻的下一个层次为止，进而构成完整产品的FMECA，以支撑测试性验证试验的开展。

1.2编码需求

以某机载设备为例，该设备整机由3个LRU组成，其中LRU1和LRU2为不可再划分的SRU，LRU3可划分为3个SRU，这3个SRU各自又可再划分为多个功能电路，直至近千个电子元器件。为了确定惟一的对应关系，首先应对分析对象逐层、逐个地进行编码，如表1所示。

2　FMECA分析要素

清楚地划分了设备的层级，按硬件的组成梳理清楚构架后，按照上述编码组成对元器件级别的故障模式逐一地进行分析，并填写相关的内容。需要填写的内容可分为4种：1）包括序号、器件编码、器件型号、名称和故障模式编码等，该类内容只需要按程序填写，不需要太多的技巧，仔细地梳理不出错即可；2）包括任务阶段或工作模式、严酷度、故障检测方法、设计改进措施和故障影响概率等，需根据设备的运行和维护的情况判断，因而只能由具有经验的填写者填写；3）包括故障率、数据来源、故障模式频数比、工作时间、故障模式危害度和产品危害度等，是设计师根据相关标准，并结合产品的情况计算推导而来的，有一定的难度但有算法可依循；4）包括功能、故障模式、故障原因和故障影响 （对本级的影响、对上一级的影响和最终影响），涉及到产品设计的核心构架和实现过程，内容庞大而复杂。FMECA工作的核心内容便是理清其传递关系。

元器件级的FMECA分析内容示例如表2所示。

对于每个器件的每种故障模式，表格中都应有单独的一列，逐一地进行分析。假设任一失效为单一失效，无从属失效和多重失效。

下面就上述填写内容中几个容易发生偏颇的要点进行阐述。

2.1故障模式编码

器件的故障模式编码为该器件的编码加后缀（01、02、03…）组成，例如：某器件的编码为01-01-00-01-01，则该器件的第1种故障模式编码为01-01-00-01-01.01，第2种故障模式编码为01-01-00-01-01.02，以此类推进行排序，以便在功能电路级别的FMECA表格分析中可传递、可追溯。完成器件级分析后，进入上一级功能电路的分析，其编码原则与元器件级别的相同。按照表1编码表确定的原则，依次向上分析，直至整机为止。

2.2故障模式

故障模式的定义应准确、清晰，应根据对象的功能和硬件，进行细化和量化分析，失效形式应尽量地多样。分级阐述如下。

a）器件级故障模式可以参考GJB/Z 299C-2006［4］和MIL-HDBK-217F，但需要对其中的故障模式进行适当的剪裁和补充，例如：污染、漏电和腐蚀等故障模式须酌情地删减，剪裁或补充后的故障模式频数比需重新进行归一化处理。对于大规模集成电路，应首先按功能将其划分成不同的功能区 （例如：时钟、IO等），然后对不同的功能区分别进行分析；对于多通道器件，应对每一个通道分别进行分析；功能板间对插的电连接器和功能板与母板间的电连接器应按元器件进行分析，电连接器的故障模式应细化到针，且要体现到功能电路级（无功能电路的体现到SRU级）故障模式应对的故障原因中。

表1　编码表

b）对于功能电路级/SRU/LRU/LRM/子系统级/系统级故障模式，应根据实际的情况来考虑整体失效和部分失效，应按各功能区细化分析故障模式。对于有余度的功能电路SRU/LRU/LRM/子系统级/系统级，如果故障模式为主功能丧失，其故障模式应定义为“××失效，转为××备份”；如果故障模式为备份功能丧失，则定义为“××备份失效”。

c）对于母板等SRU，如果无法划分功能电路，则其故障模式按照SRU级故障模式分析，即对电连接器的插针进行功能区域划分，按照功能进行故障模式分析，其故障模式为电连接器插针故障模式。

初始约定层：XXX设备约定层次：元器件

表2　元器件级FMECA分析表

d）在各级故障模式分析中，相似产品发生过的故障模式也必须纳入其中。

2.3故障原因

除元器件级别的故障原因外，FMECA表中的故障原因均由下一层次的故障模式传递而来，应在故障原因一栏中填写所有导致本故障模式的下一层次的故障模式及其编码。如果一个故障模式有多个故障原因，必须将这些原因逐一罗列，不得漏项。功能电路级 （无功能电路的体现到SRU级）故障模式对应的故障原因中应体现所包含的电连接器管脚的故障模式。

2.4故障影响的传递关系

在器件级FMEA中，器件级故障的影响主要考虑两种：1）器件发生故障后对与其直接互联的相关器件的影响，对于这类故障影响，应在FMECA表格中填写出相关器件的故障模式编码及名称；2）对上一级的影响，即故障模式发生后会对器件所属的功能电路 （电连接器则对应SRU）的影响或部件所属的SRU级的影响，对于此类影响，应在FMECA表格中填写出功能电路/SRU故障模式编码及名称。

功能电路级、SRU级、LRU/LRM级和整机级的故障影响的写法与器件级类似，均采用提升层级、类推完成的方式进行。原则上，一种故障模式对上一级产品只有一种影响，而下一级传递来的故障原因则可能有多个，即故障原因-故障模式-故障影响的传递方式是一种故障从多到少、原因到模式可多对一，但模式到影响不可一对多的收敛式传递。下一级对上一级的故障影响，就是上一级的故障原因，在各级FMECA表格中可以追溯地查询。如果某种故障模式有多个故障原因，则应将这些故障原因全部罗列出来，不能漏项，并且应注明编码和描述，以换行符将这些故障原因隔开，即一个故障原因一行。

2.5检测手段

检测手段的填写，应考虑设备的测试性指标要求在哪个约定层次进行验证。对于前述某机载设备，根据要求，故障检测率需验证所有受试成品的周期BIT检测率和所有BIT模式下 （含周期BIT、上电BIT和启动BIT等，以下部分不再解释）的检测率；故障隔离率需验证BIT下整机隔离到LRU/ LRM的隔离率和规定的受试设备 （LRU/LRM级产品）BIT下隔离到SRU/功能电路级的隔离率。

在故障检测手段中，BIT方式包括上电BIT（简写为PUBIT，其他名称包括加电BIT和通电BIT）、周期BIT（简写为PEBIT，其他名称包括在线BIT）和启动BIT（简写为IBIT）。

综上所述，测试性试验验证的是所有受试成品的周期BIT检测率、所有BIT模式下检测率、整机级受试成品的所有BIT模式下隔离到LRU/LRM级产品的隔离率和LRU/LRM级受试设备在所有BIT模式下隔离到SRU/功能电路级的隔离率。

根据测试性的考核需求，在FMECA的检测手段分析过程中，故障模式的检测手段需要在初始约定层次上考虑，主要包括：上电BIT、周期BIT、启动BIT、采用测试设备和人工检测等。如果针对某一故障模式有多种检测手段，则应将这些检测手段同时列出。如果检测手段定义了BIT或者测试设备，则可以不考虑人工检测。如果故障模式的BIT检测可以依靠初始约定层次的上一级完成，则应在备注中写明检测方法。

2.6数据来源

FMECA表格中故障模式危害度Cmj表示在特定的严酷度下，某一故障模式发生的概率，其是特定的严酷度下产品危害度的一部分，同时也是最终的危害度分析的关键指标。其组成为Cmj=λpβjαjt，其中，各参数在FMECA表格中的算法也应适用于测试性验证试验的要求。

a）故障率λp

λp来源于产品的可靠性预计报告。器件级故障模式的故障率和频数比可以参考GJB/Z 299C-2006和MIL-HDBK-217F获得。

其他约定层次的故障率由元器件级别依托故障模式向上传递后相加计算而得到。

b）故障率影响概率β

β值表示如果故障模式发生，对相应严酷度的影响概率。其取值由分析人员根据实际情况，参考表3的有关规定确定。大多数情况下，β=1，表示故障模式一旦发生就会导致相应的严酷度；如果为了强调故障模式发生的特定状态或需要确定故障模式的实际影响时，则β值应根据性能、装配、特定的工作方式和外部因素等确定。在此情况下，应在FMECA报告中单独说明β取值的原因。

表3　β的取值

c）故障模式频数比α

故障模式频数比α值表示产品按某一故障模式发生的百分比，等于产品某一故障模式发生的次数与该产品总故障发生的次数之比。产品所有的故障模式频数比α之和为1。

元器件的故障模式及频数比来源于GJB/Z 299C中的表7-1《元器件及组件失效模式及其频数比》；功能单元的故障模式及频数比由元器件高一层次的影响及频数比汇总计算得出；SRU的故障模式及频数比由功能单元高一层次的影响及频数比汇总计算得出；LRU的故障模式及频数比由SRU高一层次的影响及频数比汇总计算得出；设备的故障模式及频数比由LRU高一层次的影响及频数比汇总计算得出。

当得到器件级的故障模式和频数比后，通过相乘，可以得到该器件某一种故障模式的失效率，而该故障模式是会向上一级 （即功能电路级别）传递的，引起功能电路级别的某一种故障模式，将导致该功能电路此故障模式的所有下一级故障模式的失效率相加 （传递关系是收敛的），即可得到该功能电路该种故障模式的失效率A，将此功能电路的所有故障模式的失效率相加，即可得到此功能电路的失效率。由此可见，在测试性试验的FMECA中，功能电路的失效率并非其全部元器件的种种故障模式的失效率之和，而是传递上来的元器件各种故障模式的失效率之和，由于存在“无影响”的情况，其数值有可能小于功能电路的可靠性预计值。通过将功能电路的失效率A反向除以此功能电路的失效率，即可得到此功能电路该种故障模式的频数比。

同理，上一级的SRU、LRU乃至整机的故障模式和频数比也是相同传递方式和算法。

d）工作时间t

t为产品任务阶段的工作时间。

e）严酷度等级

二审法院在判决叙明结论部分，主要按照最高人民法院司法批复的内容进行认定，认为：“该侵权是由陈晓琪、陈克政、腾州八中、腾州教委的故意和济宁商校的过失造成的。这种行为从形式上表现为侵犯齐玉苓的姓名权，其实质是侵犯齐玉苓依照宪法所享有的公民受教育的基本权利。”

分析人员可以依据严酷度等级划分标准，并根据故障影响中的重大影响确定每一种故障模式的严酷度等级 （Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）。当余度存在时，故障模式的严酷度等级的确定方法为：首先，分析其余度不存在时该故障模式对初始约定层次的影响，根据此影响和产品严酷度的定义来确定初步的严酷度等级；然后，初步确定的严酷度等级的下一级即为该故障模式在FMEA中的严酷度等级。

f）产品的危害度Cr

产品的危害度Cr是该产品在给定的严酷度类别和任务阶段下的各种模式危害度Cmj之和。

3　FMECA报告的适用性确认

3.1形成FMECA报告

图1　FMECA的流程

FMECA的流程如图1所示［5］。在完成了FMEA和CA后，根据Exce1分析表中的整机级、LRU级、SRU级、功能电路级、器件级故障模式和危害度汇总，可分别绘制对应层级的危害性矩阵图，对FMECA的结果做出定量的分析。若FMECA的目的仅是为设计提供改进措施的支撑，则添加相关文字描述后形成FMECA报告即可。

3.2FMECA报告的审查

同时，根据FMECA的故障模式，确定测试性试验的统计方案，即根据生产方风险、使用方风险、鉴别比、规定值和最低可接受值等参数计算定数试验或截尾序贯试验的相关参数，并进行试验样本抽样，确定故障样本库中各样本的注入次数或注入序列，同时确定评价方法。然后，制定故障注入方法，针对每一个故障样本，确定故障注入的位置和方法，同时制定相关测试方案，并确定故障注入成功判据和受试产品检测/隔离判据。

最终，确定上述要素后，明确试验组织机构、试验设备、环境条件、试验记录、试验实施、故障处理和试验评估等要求，最后编写形成测试性试验大纲，按照大纲实施测试性试验，为产品测试性设计水平做出鉴定。

4　结束语

本文通过对某机载设备测试性验证试验实例中的FMECA的分析过程进行研究，提出了适用于测试性试验的FMECA方法，保证了分析工作的适用性和准确性，解决了测试性鉴定试验用例的可操作性，完善了测试性试验开展的设计输入。

［1］中国人民解放军总装备部电子信息基础部.故障模式、影响及危害性分析指南：GJB/Z 1391-2006［S］.北京：总装备部军标出版发行部，2006.

［2］谢少锋，张增照，聂国建.可靠性设计 ［M］.北京：电子工业出版社，2015.

［3］中国航空工业总公司三○一所.装备测试性大纲：GJB 2547-1995［S］.北京：国防科技工业出版社，1995.

［4］中国人民解放军总装备部电子信息基础部.电子设备可靠性预计手册：GJB/Z 299C-2006［S］.北京：总装备部军标出版发行部，2006.

［5］李英勇.电子产品设计阶段的FMECA分析 ［J］.电子产品可靠性与环境试验，2008，26（5）：68-73.

Research on the FMECA Method Suitable for Testability Test

ZENG Li，WANG Xiao-1in
（Sichuan Jiuzhou E1ectric Group Co.，Ltd.，Mianyang 621000，China）

FMECA is one of the important bases for testabi1ity ana1ysis.By studing the ana1ysis process of FMECA in the testabi1ity verification test examp1e of an airborne equipment，a FMECA method suitable for testability verification test is proposed，which ensures the app1icabi1ity and correctness of FMECA，and has a certain reference and guiding significance for the future deve1opment of FMECA of testabi1ity verification.

indenture 1eve1；fai1ure mode；fai1ure cause；fau1t effect；testabi1ity test

TB 114.3

A

1672-5468（2016）03-0054-07

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.011

2016-01-15

2016-05-16

曾利 （1983-）女，四川成都人，四川九洲电器集团有限责任公司工程师，主要从事电子设备可靠性设计和元器件工程化工作。