失效模式效应与关键性分析法

失误模式效应与关键性分析法（failure mode, effects and criticality analysis; FMECA）为风险管理的先驱，也叫故障模式、影响及严重性分析，是失误模式与影响分析（FMEA）的延伸。失效模式与影响分析是一个由下往上的归纳法分析方式，可以分析机能或是零组件。FMECA是在FMEA以外增加了关键性分析，将各失效模式的几率对应不同严重性的后果来列表，因此会突显几率较高且有后果较严重的失效模式，因此让失效模式的补救行动可以有最大的效果。

该分析模式创始于1950年代美国空军。该模式本用来试验战斗机驾驶员弹射装置失效的几率与其主因，经由以负面风险思维反复测试后，相当有效的提高美国空军战机的性能。

1961年，美国贝尔实验室沃森（Watson）等人，在民兵导弹发射控制系统也将此管理概念应用于硬件设施。除此，该分析法稍后更成为美国国家航空航天局（NASA）执行阿波罗计划时，可靠度及安全管理契约中的重要条款。自此，在美对于武器系统可靠性及安全性的重视与要求之下，风险概念或风险管理迈入新境地。在太空及北约军事计划中已开始用FMECA取代FMEA，不过其他工业领域仍使用FMEA或是其变体。

FMECA最早在1940年代由美军发展，在1949年提出MIL–P–1629。在1990年代早期，美国国家航空航天局的承包商开始使用FMECA的变体，也有许多不同的名称。1966年NASA发行其FMECA程序，用在阿波罗计划上。之后FMECA也用在其他的NASA计划中，包括海盗号、航海家计划、麦哲伦号金星探测器及伽利略号探测器等。可能是因为MIL–P–1629在1974年被MIL–STD–1629 （SHIPS）取代，因此许多人以为FMECA是由NASA所发展的。在太空计划发展的同时，FMEA及FMECA的应用也扩展到民航业。1967年国际汽车工程师协（英语：SAE International）发行第一份有关FMECA的民用规范。民航业现在倾向使用FMEA及故障树分析的技术再配合SAE ARP4761（英语：ARP4761），较少使用FMECA，不过有些直升机制造商将FMECA用在民用的旋翼机上。

福特公司在其平托汽车系列的问题后，在1970年代开始使用FMEA，1980年代时越来越多汽车厂开始使用FMEA。欧洲的国际电工委员会在1985年发布了IEC 812（现在的 IEC 60812），提到FMEA及FMECA在各领域的应用。英国标准协会（英语：British Standards Institute）在1991年为了类似的目的发行了BS 5760–5。

1980年时，MIL–STD–1629A取代了MIL–STD–1629及1977年的航空 FMECA 标准 MIL–STD–2070。MIL–STD–1629A在1998年取消，没有其他替代的标准。不过在军事及太空领域仍广为使用。

不同的FMECA，其方法论会有细微的不同。根据RAC CRTA–FMECA，FMECA一般会包括以下的步骤：

FMECA可以依机能或是零件来进行，依机能的FMECA考虑每个机能方块（例如电源或是放大器）失效时的影响，而依零件的FMECA考虑每个零件（例如电阻、电晶器、微电路或是阀）失效时的影响。依零件的FMECA所需要的人力较多，但比较可以知道失效出现的几率。相对而言，依机能的FMECA比较容易进行，可以有助于完整的风险评估，也比较可以看出其他减缓风险的可能性，若能配合定量危害分析方法中的失误树FTA分析法，两者具有相辅相成的效果。

关键性分析可以是定量的，也可以是定性的，依照可取得的元件失效资料而定。

在这个步骤，需定义要分析的主要系统，并且将其分解为像系统、子系统或是设备、单元或是子组件以及零件等层级。针对系统以及其子系统作机能的描述，包括所有的工作模式以及任务阶段。

在开始细部分析之前，需定义基本原则及假设。可能包括以下的项目：

接下来，系统及子系统都会用方块图来表示。可靠度方块图（英语：Reliability block diagram）或是故障树大约也是此一阶段建立。这些图是用来追踪资讯在不同的系统阶层中是如何流动、识别关键路径以及界面，找出较低阶失效会对系统较高阶部分的影响。

针对分析中的每一个零件或是每一个机能，都会有完整的失效模式列表。对于机能型的FMECA，常见的失效有：

针对零件型的FMECA，失效模式可以参考像RAC FMD–91或是RAC FMD–97之类的数据库。这些数据库不但可以提供失效模式，也可以提供各失效模式几率，例如

每个机能或是零件会列在一个大矩阵，每个失效模式是一栏。因为FMECA会包括很多的资料，因此需针对每一个零件或是机能有一个唯一的代号，也需针对每一个失效模式有唯一的代号。

在FMECA矩阵中的每一个失效都需配合基本原则所订定的准则，加以确认其影响，再填入矩阵中。影响会分为对本身的、对上一层的，以及对整个系统的。系统级的影响可能包括：

不同层级中使用的失效影响分类可以配合工程的判断方式，由分析者针对系统规划。

需针对每一个失效模式，依其系统级的影响指定对应严重性分类，再填入FMECA矩阵中。一般会用较少量的分类，多半会分为3至10个严重性分类。若是用MIL–STD–1629A进行FMECA，一般会依照MIL–STD–882进失效严重性的分类。

目前美国联邦航空管理局（FAA）、NASA及欧洲空间局的FMECA严重分类都是以MIL–STD–882为其基础。

针对每个元件及每个失效模式，需要分析系统侦测及回报此项失效的能力。需针对每个失效模式在FMECA矩阵中填入以下三项中的其中一项：

失效模式的关键性评估可以是定性的，也可以是定量的。若是定性的评估，会针对失效模式评估其错误可能性的代码或是编号。根据MIL–STD–882定义了五个可能性的等级：

失效模式可以画在关键性矩阵中，一轴是严重性等级，另一轴是可能性等级。

若是定量的评估，可以针对每一个项目的每一个失效模式计算模式关键性系数${\displaystyle C_m}$及项目关键性系数 ${\displaystyle C_r}$。关键性系数可以用以下的数值来计算：

模式关键性系数为${\displaystyle C_m={\mathrm{\lambda <!--\; \lambda \; -->}}_p\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}\mathrm{\beta <!--\; \beta \; -->}t}$，而项目关键性系数为${\displaystyle C_r=\underset{n=1}{\overset{N}{\sum <!--\; \sum \; -->}}(C_m{)}_n}$。

若是绘图式的分析方式，关键性矩阵可以用${\displaystyle C_m}$或${\displaystyle C_r}$为其中一个轴，严重性代码为另一轴。

一旦针对每一个失效模式评估了其关键性，就可以依严重性及关键性系数来将FMECA矩阵中的项目进行排序，可以找出关键的项目以及关键的失效模式，希望可以进一步可以针对失效模式设计补救行动。

在完成FMECA后，需针对设计提出可以减少关键失效影响的建议，可能包括使用可靠度更高的材料、减少关键零件运作时的应力程度，或者增加系统冗余或是监控的机制。

FMECA产出的资料一般会作为可维护性分析及物流支援分析（英语：Logistics Support Analysis）的基础。

FMECA报告包括系统描述、基本原则及假设、结论及建议、需追踪的纠正措施（英语：corrective action），以及对应的FMECA矩阵。

RAC CRTA–FMECA及MIL–HDBK–338都定义了风险优先级数（RPN）的计算，作为代替关键性分析的一种方式。风险优先级数是由发现指数（D）、严重程度值（S）和出现频率（O）相乘，每个的计分是从1至10分，最高的风险优先级数为10x10x10 = 1000，表示这个失效无法由检测而发现，非常严重，而且几乎都会出现。若发生几率非常低，可以将O改为1，风险优先级数就降为100，这可助于针对风险最高的失效问题先进行改善。

FMECA的优点包括可全面性、有系统的建立失效原因以及其影响之间的关系，而且可以点出个别的失效模式，以便在设计中规划纠正措施。其缺点包括耗时费力及需考虑许多琐碎的情形，以及无法考虑一些未考虑到的跨系统效应即多重故障（例如潜行电路Sneak circuit，也就是系统中有一些不希望出现的路径或是逻辑，在特定情形下会触发不应出现的机能，或是使应正常动作的机能失效），或是多个失效同时出现的情形。

根据FAA针对商业太空运输的研究报告