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船舶系统风险评估FMEA解决方案
- 【导读】
- 在船舶系统风险评估中，FMEA(故障模式与影响分析)技术是一种较为有效和常用的风险分析方法，己被国内外的船舶规范所采用。从风险评估的角度，着重介绍FMEA技术、其扩展FMECA(故障模
在船舶系统风险评估中，FMEA(故障模式与影响分析)技术是一种较为有效和常用的风险分析方法，己被国内外的船舶规范所采用。从风险评估的角度，着重介绍FMEA技术、其扩展FMECA(故障模式、影响及危害度分析)技术，及其在船舶系统中的应用。
概述
安全是航运界关注的焦点，特别是有新的海事技术应用其中时。传统的船舶设计规范是以己有的设计方法和航行记录为基础的，对于这些新海事技术具有一定的风险性。一旦某条船发生海上灾难或系统失效，这些规范即会被认为是不安全的。为了提高船舶的安全性，设计规范便要做出相应的修改，但这样的风险控制方式是非常被动和烦琐的，而且风险控制的效果并不理想。
如果某些船舶设计采用了相对较新的技术或较复杂的系统，却又缺乏该项技术或者系统的安全运行的历史记录或可靠的工程系统，便会产生对其安全性的置疑。为了能更好地掌握新船设计的安全性能，研究人员从航天领域引入并提出了几种评估船舶设计安全性的风险分析方法。FMEA(故障模式与影响分析)就是其中一种被海事组织采用了的对船舶系统进行可靠性或安全性分析的方法，如《2000高速船安全规则))(HSC (ode)明确要求对高速船进行FMEA。
目前，在国内FMEA、FMECA(故障模式、影响及危害性分析)己经成功运用于不同的工业领域。由于近几年我国海上交通事故频发，海事局和船级社也开始重视FMEA/FMECA在船舶领域的运用，并且在最新的高速船安全规则和规范中规定需对之进行FMEA。对船舶进行FMEA的主要目的是确认在船上任何重要机械和安全设备可能损坏时，船舶仍能保持航行能力。
1 FMEA/FMECA在船舶中应用的程序
故障模式影响分析可分为两个层次，即FMEA和FMECA。FMEA是故障模式影响分析第一层次，主要包括确定系统(或设备)的潜在故障模式以及定性分析其对系统的影响。FMECA是在FMEA基础上再增加一层任务，即判断这种故障模式影响的危险度有多大，定量分析其对系统的影响。后者是前者的一种扩展和深化，但后者必须要以一定的数据为前提。在条件允许的情况下，应尽可能进行FMECA分析，使分析工作深入、准确。在缺乏足够数据的情况下，可先采用FMEA，待条件允许时再进行FMECA。由于目前国内船舶领域缺少FMEA的经验，而且也难以找到准确的概率资料，特别是灾难性数据，因此难以进行FMECA的定量分析。
1.1 FMEA概述
FMEA是在系统或设备设计过程中，通过对其组成单元的各种潜在故障模式及其对系统或设备的影响进行分析，并把每一个故障模式按它的严重性予以分类，提出可以采取的设计、预防、改进措施，以提高系统或设备的可靠性的一种可靠性分析方法。
FMEA应用于系统设计中是一个反复和逐步深化的过程:然而，由于工程系统(如船舶)设计的复杂性和投资巨大，越到后来纠正错误越困难，损失也就越惨重，所以在工程系统设计过程中应当尽可能早地强调可靠性了安全性考虑。
1.2 FMEA在船舶系统中应用的程序
(1)定义系统。①明确定义系统和收集尽可能多的与系统风险相关的信息(包括设计、运行等)是做好FMEA的基础。②定义分析系统的功能。因为所有的风险评估都关系到系统是如何无法达到预期的功能的，所以明确定义系统的功能是重要的第一步。③定义分析系统的边界条件。很少有几个系统是独立的，大多数系统(如电力、液压、气控系统)都和其他系统相互联系或者相互作用，清楚地定义边界，可以防止边界的关键因素被漏掉或错误地重复考虑。
(2)确定任务剖面。有的产品任务剖面不止一个，必须根据任务剖面的定义加以划分。因为在不同的任务剖面中，由于环境条件、产品状态、经历的事件不同，故障模式及影响也不相同。因此，在进行FMEA时，必须明确指出分析工作是在什么任务剖面中进行的。一般对船舶系统进行FMEA时，可划分为正常情况下全速航行、靠码头操纵等。
(3)建立系统的可靠性框图。对于像船舶这样复杂的系统，在研制初期，建立可靠性模型是相当困难的。可以先建立可靠性框图来描述系统各功能单元间的逻辑关系，把系统分割成具有独立功能的子系统，以便可以逐层分析故障模式产生的影响。
(4)确定故障模式及其原因。故障模式就是故障的表现形式，指在系统、子系统和部件中发生的故障或潜在的故障。故障模式与具体的系统、组成和运作环境密切相关。可以参考系统、子系统和部件的历史记录来确定故障模式。比较常见的故障模式有:功能全部丧失、功能部分丧失和提前/滞后运行。故障原因是指直接导致故障或引起性能降低进一步发展为故障的那些物理或化学作用、设计缺陷、质量缺陷、部分误操作及其他故障原因。应当注意的是:一个故障模式可能由多个故障原因引起，故障原因也应包括人为失误。国际海事组织的《2000年高速船安全规则》明确指出需要考虑操作失误。
(5)评价每一故障模式对系统的影响。故障影响就是指每一故障模式对系统使用、功能所导致的后果。故障的影响可能包括多个方面，诸如安全方面、环境方面、经济方面等。对于船舶规范来说，安全方面是最重要的，还应适当考虑环境问题。故障影响一般分为3个等级:自身的、上一级以及最终影响。故障模式产生的后果可用严重性级别进行定性描述。按照(2000高速船安全规则》附录三给出的概率数值评定资料，可将故障模式的严重性类别分为:Ⅰ-灾难性，Ⅱ-严重的，Ⅲ-一般的，Ⅳ-轻微的。
(6)确定故障探测方法及补偿措施。确定故障探测方法及补偿措施是FMEA中非常重要的一步，为系统的故障检测和采用补偿措施提供依据。故障探测方法主要有目测、音响报警、自动传感记录等。为了减轻或消除故障对系统的影响，可以采取一定的补偿措施，即增加备用设备、安装保险装置或对设备和人员可应急保护等。IMO HSC明确指出:如果故障的最终影响是灾难性的或危险的(严重的)，那么要求有备用设备和纠正操作程序。
(7)试验。根据分析结果编制一个初步报告，包括一些初步的建议性的分析和解决方法。对于需要通过试验验证的分硒改荃却桃会产生严重后果的系统制定试验程序，根据试验程序进行试验。
(8)FMEA表格
1.3 FMECA的应用程序
只由故障的严重程度来确定该故障模式的危害度是不够的，还必须了解这种故障模式发生的概率。FMECA是在FMEA墓础上的深化，包括FMEA和危害性分析(CA)。CA是从故障模式的严重程度及该故障模式的发生概率两方面对每一故障模式进行评价，是一项综合评价指标。根据FMECA的结果，找出船舶系统中的缺陷和薄弱环节，并制定和实施各种改进与控制措施，以提高船舶的可靠性。
CA有定性分析和定量分析两种方法。由于目前国内船舶领域缺少FMEA的经验，也难以找到准确的故障发生率和严重性数据，特别是灾难性数据，从而难以进行定量分析。在得不到故障率数据、严重性数据的情况下，可用定性分析法来评价FMEA中确定的故障模式的危害性，常用的方法是建立危害性矩阵，见图1。
图1 危害性矩阵
参考《2000高速船安全规则》附录三给出的概率数值评定资料，将故障模式发生的可能性分为经常的、相当可能的、很少可能的、极少可能的、极不可能的5类。
A级(经常发生):在产品工作期间，该故障模式发生的概率为高概率。即单一故障模式发生概率大于产品在该故障期间的总故障率的20%.
B级(很可能发生):在产品工作期间，该故障模式发生的概率为中等概率。即单一故障模式发生概率大于产品在该故障期间的总故障率的10%，但小于20%。
C级(偶然发生):在产品工作期间，该故障模式不常发生。即发生的概率大于产品在该期间的总故障率的1%，但小于10%。
D级〔很少发生):在产品工作期间，该故障模式不大可能发生。即发生的概率大于产品在该期间的总故障率的0.1%，但小于1%。
E级(极不可能发生):在产品工作期间，该故障模式发生的概率几乎为零。即发生的概率小于产品在该故障期间的总故障率的0.1%。
危害性矩阵可以用来确定和比较每一故障模式的危害程度，进而为确定改进措施的先后顺序提供依据。矩阵的横坐标表示故障模式的严重性类别，纵坐标表示故障模式发生的概率等级。将故障模式编码参照其严重性级别及发生概率标在矩阵的相应位置，可以表明各故障模式危害性的分布情况。从原点开始，故障模式分布点沿着对角线方向距原点越远，其危害性就越大，越需采取改进措施。IMO HSC规则规定了单个故障不能导致灾难性事件，除非发生的可能性是极其微小的。
2 结论
FMEA/FMECA是风险评估和风险管理的一种有效方法。它为系统安全的风险管理决策提供了依据。由于该方法简单、实用、费用低、效果明显，适用于各种产品的全寿命周期，在工程界受到了广泛的重视。
FMEA是从船舶初步设计阶段就可以开始使用的重要工具，它可被用来评价各种船上设备布置和备用系统设备的有效性和必要性，识别船舶系统的危险性，评估必需的改进措施，限制单一故障可能导致随后故障而需要采用的控制系统的要求，完善系统给出技术说明书等。它通过一个全面的、系统的和书面的调研，以建立船舶的重大故障情况，从而评价其对船舶及其乘员和环境的安全性的重要性。同时，亦为主管机关提供船。白故障特性的研究报告，以便对所建议的船舶操作安全性水平进行评定，为船舶营运方提供全面培训、操作和维护程序及说明的数据，为船东和系统设计者提供审核其建议的设计资料。
在船舶系统风险管理中，FMEA/FNIECA尽管是一种非常有效和常用的方法，但是当它应用于一个完整的船舶系统安全评估时也有其不足之处，如检查人为过失能力有限、重要的故障的组合可能被忽视、对外部影响的分析能力有限等。
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