失效模式與效應分析 (FMEA)

何謂「FMEA、FMECA」？

FMEA﹝故障型式及其影響分析﹞
CA﹝Criticality Analysis, 嚴重度分析﹞

與失誤樹分析一樣，故障型式影響及嚴重度分析﹝failure modes, effects and criticality analysis, 簡稱 FMECA﹞，首先在美國國防科技中研究發展，且在國防部各機構中普遍應用﹝DOD, 1980﹞，後來漸應用於工業界。在核能、化工、石化、海上鑽油等高風險工業中，自不例外。工業界的設計工程師與可靠度﹝Reliability﹞工程師常運用 FMECA 以預測複雜的產品的可靠度，預估一件產品的零件在某特定的時間及情況下，如何失去其功能，故障的次數是多少，故障之後對其他零件或對整個系統會產生怎樣的影響等。FMECA 的功用不止於可靠度一端，其分析所得的資料，尚可作下列用途：

協助評估所設計的裝置，如複聯系統﹝Redundancy﹞、故障偵測，以及 fail-safe 特性等。
對測試、採購﹝Procurement﹞、檢查、改善措施等提供先後順序的參考資料。
提供失誤隔絕﹝Fault isolation﹞及維護性﹝Maintainability﹞分析的參考資料。
提供系統安全分析﹝如失誤樹分析﹞所需的硬體資料。

FMECA 可在系統週期的任一階段中，依計劃內容之需要，以不同深淺程度實施，但在設計階段的初期，一旦所需的設備確定之後，即應實施。FMECA 的對象是系統或子系統中的零組件，尤其對於複雜的系統中的設備零件，最能發揮其故障針砭的功效，此為其他系統安全分析技術不能望其項背之處。但因其分析對象大多限於硬體，故對於人為因素和作業環境因素較少納入分析考慮範圍。因此，如能將 FMECA 與失誤樹分析合併使用，必更能瞭解整個作業系統的危害，進而防範事故生。
摘於【環安 Q&A】。

什麼是 FMEA?

〝故障型式及其影響分析〞﹝Failure Mode and Effects Analysis, FMEA﹞是一種由下而上的歸納式系統分析或流程分析方法，用來評估潛在性的錯誤。包含找出什麼會造成錯誤，以及會發生錯誤的方法﹝失效模式﹞，決定每個失效模式對系統的影響。

FMEA 的主要部分包含分析關鍵因素，即失效模式對系統運作的影響危害情形。當在 FMEA 考量到關鍵因素時，此名稱轉換為失效模式、影響、關鍵因素分析﹝Failure Mode and Effects Criticality Analysis, FMECA﹞。

在進行FMEA時，要說明失效模式和潛在性項目失效的原因，以及決定對失效反映的結果。可以採取改變設計或流程步驟，來消除錯誤，減少衝擊，或對會發生的錯誤進行彌補。

在非常簡單的FMEA系統設計中，可以用電腦螢幕的電容器當作零件之一。檢視設計，決定如果電容器未能〝啟動〞﹝一個失效模式﹞，螢幕會顯示波浪紋﹝失效的影響﹞。如果電容器未能〝短路關閉〞﹝第二個失效模式﹞，螢幕會一片空白﹝失效影響﹞。你會將第二個失效模式排列在比第一個失效模式更重要關鍵的地方，因為螢幕完全不能用。在這個時候，你會想要找出避免失效或至少減輕嚴重度衝擊的方法。

在完善架構具可靠性的計劃中，FMEA是最具效益和生產力的作業之一。可以用來作為單獨的工具，或作為廣泛性的品質計劃一部份，例如ISO9000、QS-9000、進階產品品質計劃﹝APQP﹞，和 6 Sigma。

FMEA 標準

有幾種不同的標準有用到FMEA。一些例子是軍事標準﹝Mil-Std-1629A﹞、自動推進工程地面車輛評議測試協會﹝SAE J1739﹞，以及自動推進工程航空評議測試協會﹝ARP5580﹞。

Mil-Std-1629A是長久為人認定的標準，用來說明進行FMECA的方法。用在政府機構、軍隊、遍及全球的商業組織。Mil-Std-1629A提供關鍵因素的計算方式，以及依據重要性分類來排列失效模式。
SAE J1739是依據福特汽車公司的流程。來找出幾個主要汽車公司和其供應商的流程。
ARP5580是結合Mil-Std-1629A和自動推進標準的功能。此標準最值得注意的相異之處，是支持失效均等。失效均等讓你著重在失效結果的管理，而不是管理個別的失效模式。

以上三個標準提供一般性的FMEA格式和文件，找出潛在性失效風險量化的關鍵因素，以及提供完成FMEAs的技術性指導。

許多人使用上述不同標準的組合方式，修改這些標準來符合其特定應用需求。

FMEA 的形式

FMEA 有四種基本形式：

系統式 FMEA
設計式 FMEA
流程式 FMEA
功能式 FMEA

系統式 FMEA 可以用在任何層級分析系統，從零星的層級到系統層級。在最低層級，FMEA 的進行是藉由檢視系統每個組成來決定失效的方式，以及失效如何影響系統。最低層級的 FMEA 有時是指局部的 FMEA。系統式 FMEA 要向下推展到所需要的細部層級。

設計式 FMEA 是產品或服務在設計層級時進行。其目的是分析系統設計，以及決定失效模式如何影響系統作業。一但預期中的設計缺點被發現，解決方案可以用來修正設計或減少失效模式的衝擊。FMEA 一般在產品進入生產作業之前使用。

流程式 FMEA 在生產流程中進行。著重於生產流程中失效模式、設備限制、工具尺規、操作訓練、或錯誤潛在來源。此訊息可以用來決定需要採取的修正行動。

功能式 FMEA 也是眾所周知的 FMEA〝黑盒子〞。此FMEA的形式著重在所預期的功能，或者子系統的運用。例如：功能式 FMEA 會認為電容器是用來整流電壓，然後分析電容器無法整流電壓的影響，而不是考慮如果電容器如果無法啟動或短路關閉會發生什麼事。

FMEA 規劃

FMEA規劃牽涉一系列考慮因素，至少包含：

選擇適當的應用分析：FMEA 是在組織中不同層級為人所認可的分析方法，為 ISO9000, QS-9000, APQP, 或 6 Sigma手法所必須；內部品質計劃或顧客需求。是否認可或必須，FMEA 是要花錢來完成的；FMEA 應該僅在效益多於成本的案例中完成。
找出和安排資源：資源包含 FMEA 小組成員，進行分析的實體空間，文件的保管，硬體如用來溝通與進行分析的電腦，以及時間。
定義範圍：因為FMEA可以在高層級﹝系統層級﹞或非常細的階層﹝局部層級﹞進行，以及高層級FMEA可以導致額外的更細部層級的FMEAs，所以在開始FMEA分析之前要先設定好分析範圍是很重要的事。
期望和可以做到的事：FMEA 小組成員有多種的責任和報告架構。因為他們有與 FMEA 無關的其他工作，所以全部的 FMEA 小組成員要清楚定義及直接與監督管理者溝通期望的執行成效是要緊的事。管理者需要了解其成員所要進行的 FMEA 工作，以及做這些工作需要花多少時間。全部 FMEA 小組成員了解分析可以做到的程度，以及他們在進行這些作業時所扮演的角色也是同樣要緊的。
建立里程碑、到期日、截止期限：FMEA 主要的里程碑包含授權進行分析、報告架構的建立、資源分配、蒐集進行分析的輸入資料、分析的完成、採取與監控修正的行動、文件準備、產生最後報告、任務報告。確認有效性，FMEA 應該要像其他重要的專案來進行，意味著時程表應該建立到期日與特定的截止日期。

進行 FMEA 的基本步驟

複雜性和步驟數牽涉FMEA的進行，直接與FMEA進行的形式和層級相關。但是，所有FMEAs包含以下相同的步驟：

定義要分析的系統：完成系統定義包含找出內部與相接的功能，在所有契約層級期望的執行成效、系統限制、失效的定義。
建構區塊圖：功能性和可靠性區塊圖，指出操作、相互關係、功能性實體間的相互依賴關係，應該在系統中找到或建立每個項目的架構。
找到所有潛在性項目和相接的失效模式：找到失效模式在目前的功能、項目、系統或所進行的任務上的影響。
評估每個失效模式：分析失效模式會導致最差的潛在性結果，安排到嚴重度分類表中。
找出失效的偵測方法：找出每個失效模式的彌補方式。
找出修正行動：決定需要消除或控制風險的設計或其他行動。
找出修正行動的影響：確定實施修正行動所產生的結果。
逐步或重複分析直到所有潛在性錯誤呈現風險的〝可接受〞程度。什麼會造成可接受風險必須由 FMEA 所授權個人或中間人清楚定義。
分析書面化：彙總設計上所無法修正的問題，找出特別的管制降低失效風險。

FMEA 軟體工具

FMEA 以手工的方式進行會顯的冗長枯燥花費時間。幾種工具可以用來減少進行FMEA的整體成本。例如：失效模式分配標準例如 FMD97, NPRD3 模式, RADC-TR-84-244 M 模式, 和 MIL-HDBK-338 模式，可以用來分派相同的失效模式。標準報告和輸入格式可以設計來順暢資料蒐集和報告的流程。顧客失效模式資料庫可以進行設計和重複使用在以後的應用上。

FMEA 是一種協助跨功能性小組找出、消除、和/或減少潛在性錯誤發生前的負面影響工具。FMEA 廣泛的當作獨立的分析工具，或當作廣泛品質計劃的一部份。軟體工具可以大大地減低進行 FMEA 整體成本。