故障モード、影響、および重大度の分析

故障モード影響および致命度解析( FMECA ) は、故障モード影響解析(FMEA)の拡張版です。

FMEA は、機能レベルまたは部品レベルで実行できるボトムアップの帰納的分析方法です。FMECA は、FMEA を拡張して、故障モードの確率とその結果の重大度をグラフ化するために使用される重要度分析を含めます。その結果、比較的高い確率と結果の重大度を持つ故障モードが強調表示され、最大の価値を生み出す場所に改善努力を向けることができます。宇宙やNATO 軍事アプリケーションでは、FMEA よりも FMECA が好まれる傾向がありますが、他の業界ではさまざまな形式の FMEA が主流です。

歴史

FMECAはもともと1940年代に米軍によって開発され、1949年にMIL-P-1629を発行しました。^[1] 1960年代初頭までに、米国航空宇宙局（NASA）の請負業者は、さまざまな名前でFMECAのバリエーションを使用していました。^[2]^[3] 1966年、NASAはアポロ計画で使用するためにFMECA手順を発表しました。^{[4] FMECAはその後、}バイキング、ボイジャー、マゼラン、ガリレオなど、NASAの他のプログラムでも使用されました。^[5] おそらく1974年にMIL-P-1629がMIL-STD-1629（SHIPS）に置き換えられたため、FMECAの開発はNASAに誤って帰属されることがあります。^[6] 宇宙計画の発展と同時に、FMEAとFMECAの使用はすでに民間航空に広まりつつありました。 1967年、自動車技術者協会はFMECAを扱った最初の民間出版物を発表しました。^[7]民間航空業界では現在、 FMECAの代わりにSAE ARP4761に従ってFMEAとフォールトツリー解析を組み合わせて使用する傾向がありますが、一部のヘリコプター製造業者は民間回転翼航空機にFMECAを使用し続けています。

フォードモーターカンパニーは、ピントモデルで問題が発生した後、1970 年代に FMEA の使用を開始し、1980 年代までに FMEA は自動車業界で広く使用されるようになりました。ヨーロッパでは、国際電気標準会議が 1985 年に IEC 812 (現在の IEC 60812) を発行し、FMEA と FMECA の両方を一般向けに扱いました。^[8]英国規格協会は、同じ目的で 1991 年に BS 5760–5 を発行しました。^[9]

1980年に、MIL-STD-1629AはMIL-STD-1629と1977年の航空FMECA規格MIL-STD-2070の両方に取って代わりました。^[10] MIL-STD-1629Aは1998年に代替規格なしに廃止されましたが、それでも今日でも軍事および宇宙用途で広く使用されています。^[11]

方法論

さまざまな FMECA 規格にはわずかな違いがあります。RAC CRTA-FMECA では、FMECA 分析手順は通常、次の論理的なステップで構成されます。

システムを定義する
設計を推進するために基本ルールと前提を定義する
システムブロック図を作成する
故障モードを特定する（部品レベルまたは機能レベル）
障害の影響/原因を分析する
結果を設計プロセスにフィードバックする
障害の影響を重大度別に分類する
重要度計算を実行する
故障モードの重要度をランク付けする
重要な項目を決定する
結果を設計プロセスにフィードバックする
障害の検出、分離、補償の手段を特定する
保守性分析を実行する
分析を文書化し、修正不可能な設計領域を要約し、障害リスクを軽減するために必要な特別な制御を特定する
提案する
是正措置の実施と有効性のフォローアップ

FMECA は、機能レベルまたは部品レベルで実行できます。機能 FMECA は、電源やアンプなどの機能ブロックレベルでの障害の影響を考慮します。部品 FMECA は、抵抗器、トランジスタ、マイクロ回路、バルブなどの個々のコンポーネント障害の影響を考慮します。部品 FMECA は、はるかに多くの労力を必要としますが、発生確率をより正確に推定できるという利点があります。ただし、機能 FMEA は、はるかに早い段階で実行でき、完全なリスク評価をより適切に構造化し、軽減オプションに関する他の種類の洞察を提供するのに役立ちます。分析は補完的です。

重要度分析は、サポート部品の障害データの可用性に応じて、定量的または定性的に行われます。

システム定義

このステップでは、分析対象となる主要なシステムが定義され、システム、サブシステムまたは機器、ユニットまたはサブアセンブリ、部品などの階層に分割されます。システムの機能説明が作成され、すべての運用モードとミッションフェーズを網羅するサブシステムに割り当てられます。

基本ルールと前提

詳細な分析を行う前に、通常は基本ルールと仮定を定義して合意します。これには、たとえば次のような内容が含まれます。

特定の固定期間ミッションフェーズを含む標準化されたミッションプロファイル
故障率と故障モードデータのソース
システム組み込みテストが実現する障害検出範囲
分析は機能的か部分的か
考慮すべき基準（ミッション中止、安全性、メンテナンスなど）
部品や機能を一意に識別するシステム
重大度カテゴリの定義

ブロック図

次に、システムとサブシステムが機能ブロック図に描かれます。信頼性ブロック図またはフォールトツリーは通常、同時に作成されます。これらの図は、システム階層のさまざまなレベルでの情報フローをトレースし、重要なパスとインターフェイスを特定し、下位レベルの障害が上位レベルに与える影響を特定するために使用されます。

故障モードの特定

分析の対象となる各部品または各機能について、完全な故障モードのリストが作成されます。機能的 FMECA の場合、一般的な故障モードには次のものがあります。

予定外の手術
必要なときに動作しない
出力の損失
断続的な出力
誤った出力（現在の状況による）
無効な出力（任意の条件）

^{ピースパーツFMECAの場合、故障モードデータはRAC FMD–91 [12]}やRAC FMD–97 ^[13]などのデータベースから取得できます。これらのデータベースは、故障モードだけでなく、故障モード比も提供します。たとえば、

各機能または部品は、各故障モードごとに 1 行ずつ、マトリックス形式でリストされます。FMECA では通常、非常に大きなデータセットが使用されるため、各アイテム (機能または部品) と各アイテムの各故障モードに一意の識別子を割り当てる必要があります。

故障影響分析

障害の影響は、基本ルールで特定された基準を考慮して、FMECA マトリックスの各行ごとに決定され、入力されます。影響は、ローカルレベル、次の上位レベル、および終了 (システム) レベルごとに個別に記述されます。システムレベルの影響には、次のものが含まれます。

システム障害
操作性の低下
システムステータス障害
即時効果なし

さまざまな階層レベルで使用される障害影響カテゴリは、エンジニアリングの判断に基づいてアナリストによって調整されます。

重症度分類

重大度分類は、各固有アイテムの各故障モードに割り当てられ、システムレベルの結果に基づいてFMECAマトリックスに入力されます。通常、3〜10の重大度レベルを持つ分類の小さなセットが使用されます。たとえば、MIL-STD-1629Aを使用して準備された場合、故障または事故の重大度分類は通常MIL-STD-882に従います。^[14]

米国連邦航空局（FAA）、NASA、欧州宇宙機関の宇宙用途における現在のFMECAの厳しさカテゴリーは、MIL-STD-882から派生しています。^[15]^[16]^[17]

障害検出方法

各コンポーネントと故障モードについて、問題の故障を検出して報告するシステムの能力が分析されます。FMECA マトリックスの各行には、次のいずれかが入力されます。

正常: システムは乗組員に安全状態を正しく通知します
異常: システムが乗務員の対応を必要とする故障を正しく表示します
誤り: システムが故障時に誤って安全な状態を示す、または存在しない故障を乗務員に警告する (誤報)

重要度ランキング

故障モードの重大度評価は、定性的または定量的に行うことができます。定性的評価では、事故確率コードまたは番号が割り当てられ、マトリックスに入力されます。たとえば、MIL-STD-882 では 5 つの確率レベルが使用されます。

次に、重大度コードを 1 つの軸、確率レベルコードをもう 1 つの軸として使用して、障害モードを重要度マトリックス上にグラフ化できます。定量的評価では、各アイテムの各障害モードのモード重要度番号 が計算され、各アイテムのアイテム重要度番号が計算されます。重要度番号は、次の値を使用して計算されます。 $C_{m}$ $C_{r}$

基本故障率 $\lambda_{p}$
故障モード比 $\alpha$
条件付き確率 $\beta$
ミッションフェーズの期間 $t$

重要度番号は、およびとして計算されます。基本故障率は通常、MIL–HDBK–217、PRISM、RIAC 217Plus、または同様のモデルに基づく故障率予測から FMECA に入力されます。故障モード比は、RAC FMD–97 などのデータベースソースから取得できます。機能レベルの FMECA では、故障モード比を割り当てるためにエンジニアリングの判断が必要になる場合があります。条件付き確率番号は、故障モードが発生した場合に、故障の影響が特定の重大度分類につながる条件付き確率を表します。これは、損失が発生する可能性に関するアナリストの最善の判断を表します。グラフィカル分析の場合、重要度マトリックスは、一方の軸にまたはを使用し、もう一方の軸に重大度コードを使用してグラフ化できます。 $C_{m}=\lambda _{p}\alpha \beta t$ $C_{r}=\sum _{n=1}^{N}(C_{m})_{n}$ $\lambda_{p}$ $\beta$ $C_{m}$ $C_{r}$

重要項目/障害モードリスト

各アイテムの各故障モードの重要度評価が完了すると、FMECA マトリックスは、重大度と定性的な確率レベル、または定量的な重要度番号で並べ替えることができます。これにより、設計緩和が望まれる重要なアイテムと重要な故障モードを分析で特定できます。

推奨事項

FMECA を実行した後、重大な障害の影響を軽減するための設計に関する推奨事項が作成されます。これには、信頼性の高いコンポーネントの選択、重要なアイテムが動作する際のストレスレベルの低減、またはシステムへの冗長性や監視の追加が含まれる場合があります。

保守性分析

FMECAは通常、保守性分析とロジスティクスサポート分析の両方にフィードされ、どちらもFMECAのデータを必要とします。FMECAは、パフォーマンス向上のためのシステムの故障および重大性分析のための最も一般的なツールです。インダストリー4.0の時代において、産業界は機械システムの予知保全戦略を実施しています。FMECAは、予知保全のための機械システムとそのサブシステムの故障モードの特定と優先順位付けに広く使用されています。^[18]

FMECAレポート

FMECA レポートは、システムの説明、基本ルールと仮定、結論と推奨事項、追跡する是正措置、およびスプレッドシート、ワークシート、またはデータベース形式の添付 FMECA マトリックスで構成されます。

リスク優先度計算

RAC CRTA–FMECA と MIL–HDBK–338 はどちらも、リスク優先度番号 (RPN) の計算を重要度分析の代替方法として特定しています。RPN は、検出可能性 (D) x 重大度 (S) x 発生頻度 (O) を掛け合わせた結果です。それぞれ 1 から 10 のスケールで、最も高い RPN は 10x10x10 = 1000 です。これは、この障害は検査では検出できず、非常に重大で、発生がほぼ確実であることを意味します。発生が非常にまれな場合、これは 1 になり、RPN は 100 に減少します。したがって、重要度分析により、最も高いリスクに焦点を当てることができます。

利点と欠点

FMECA の強みとしては、その包括性、故障の原因と結果の関係を体系的に確立できること、設計時に是正措置のために個々の故障モードを指摘できることなどが挙げられます。

弱点としては、膨大な労力が必要であること、多数の些細なケースが考慮されること、複数の障害シナリオやスニークサーキットなどの計画外のシステム間影響に対処できないことなどが挙げられます。

FAAの商業宇宙輸送に関する調査報告書によると、

故障モード、影響、および致命度分析は、優れた危険分析およびリスク評価ツールですが、他の制限があります。この代替手段は、複合故障を考慮しておらず、通常、ソフトウェアと人間の相互作用を考慮していません。また、通常は信頼性の楽観的な推定値を提供します。したがって、信頼性の推定値を作成するときは、FMECAを他の分析ツールと組み合わせて使用する必要があります。^[19]

参照

参考文献

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[1] 故障モード影響および致命度分析を実行するための手順。米国国防総省。1949 年。MIL–P–1629。

[2] Neal, RA (1962). Nerva B-2原子炉の故障モード解析概要(pdf) . Westinghouse Electric Corporation Astronuclear Laboratory. hdl :2060/19760069385. WANL–TNR–042 . 2010-03-13に閲覧。

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[7] 故障モード、影響、および致命度解析 (FMECA) のための設計解析手順。自動車技術者協会。1967 年。ARP926。

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[9] システム、機器、コンポーネントの信頼性パート5：故障モード、影響、致命度解析（FMEAおよびFMECA）ガイド。英国規格協会。1991年。BS 5760–5。

[10] 故障モード、影響、および致命度分析を実行するための手順。A.米国国防総省。1980年。MIL–HDBK–1629A。 2011年7月22日時点のオリジナル（pdf）からアーカイブ。 2010年3月14日閲覧。

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[13] 故障モード/メカニズム分布。信頼性解析センター。1997年。FMD–97。

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[17] 再使用型打上げ・再突入機システムの安全プロセス(PDF)。連邦航空局。2005年。AC 431.35–2A。2017年2月10日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2010年3月14日閲覧。

[18] Thoppil, Nikhil M.; Vasu, V.; Rao, CSP (2019年8月27日). 「FMECAを使用した故障モードの特定と優先順位付け：予知保全のためのコンピュータ数値制御旋盤に関する研究」.故障解析予防ジャーナル. 19 (4): 1153– 1157. doi :10.1007/s11668-019-00717-8. ISSN 1864-1245. S2CID 201750563.

[19] 2004 年度研究開発成果(PDF)連邦航空局 2004 . 2010 年 3 月 14 日閲覧。