01集成系統的可靠性

        什么是系統可靠性？

        按照一般的定義，可靠性是指在規定的時(shí)間和工況條件下，產(chǎn)品或系統完成既定功能的能力或概率。RAMS（即Reliability可靠性, Aviliailabty可用性, Maintainability可維護性和Safety安全性的簡(jiǎn)稱(chēng)）是評價(jià)集成系統的關(guān)鍵性指標，而系統可靠性指標是其它幾個(gè)指標的基礎，因此也是評價(jià)一個(gè)系統最重要的指標之一。越是復雜的系統，越是重要的系統，一旦失效所造成的損失就越大，有的甚至是無(wú)法承受的災難性損失。因此，如何有效地對系統的可靠性進(jìn)行評估與分析，進(jìn)而提升系統的可靠性，減輕或排除系統潛在風(fēng)險，具有極其重要的社會(huì )和經(jīng)濟意義。

        一個(gè)產(chǎn)品或系統的可靠性可分為固有可靠性和使用可靠性。所謂固有可靠性是產(chǎn)品所應有的或者是設計時(shí)應達到的可靠性，取決于產(chǎn)品的設計、制造、實(shí)驗等過(guò)程的控制，也取決于原材料、零部件的選型和質(zhì)量。所謂使用可靠性則是指已生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品，在經(jīng)過(guò)包裝、運輸、儲存、安裝、使用、維修等因素影響所表現出來(lái)的實(shí)際達到的可靠性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，固有可靠性通過(guò)設計、制造的過(guò)程來(lái)保證，很大程度上受設計者和制造者先天的影響。而使用可靠性則依賴(lài)于產(chǎn)品或系統的運輸、安裝、調試等過(guò)程的質(zhì)量保障，也取決于使用環(huán)境，操作的正確性，保養與維修的及時(shí)性和正確性，所以它很大程度上受后天的影響。就像一個(gè)人，他有先天的素質(zhì)、遺傳基因，又有后天的教育、努力。

        我們知道產(chǎn)品或系統的構成決定了其固有可靠性，但對一個(gè)產(chǎn)品或集成系統，如物流系統，往往由很多子系統和設備構成。那一般是如何計算其固有可靠性的呢？

        一個(gè)簡(jiǎn)單的零件或產(chǎn)品，其可靠性的測量可以通過(guò)理論計算、模擬和實(shí)驗測試獲得。這是一個(gè)概率學(xué)問(wèn)題。這里不做詳述。僅僅介紹一個(gè)平均壽命的概念。

        簡(jiǎn)單理解，一個(gè)產(chǎn)品或零件的平均壽命，就是指在正常使用和維護環(huán)境下，產(chǎn)品的表現出來(lái)壽命的平均值。每一個(gè)產(chǎn)品的實(shí)際使用壽命都會(huì )與平均壽命有一定偏差。對于不可修復的產(chǎn)品，其壽命是指產(chǎn)品發(fā)生失效前的工作時(shí)間或工作次數。即產(chǎn)品在失效前的工作時(shí)間，通常記作MTTF（mean time to failure）。對可修復的產(chǎn)品，壽命是指兩次相鄰故障間的工作時(shí)間，即平均無(wú)故障工作時(shí)間，或稱(chēng)平均故障間隔時(shí)間，記作MTBF（mean time between failures）。

產(chǎn)品實(shí)際壽命與平均壽命偏差的概率分布，或密度函數，決定了產(chǎn)品的可靠性。用一個(gè)公式來(lái)表示即：R(t)=P(T>t)，其中，R(t)為可靠度，t 為規定的時(shí)間，T表示產(chǎn)品的平均壽命。R(t)描述了產(chǎn)品在（0，t）時(shí)間內完好的概率，且R(0)=1，R（+∞)=0。

        我們知道，一個(gè)復雜的產(chǎn)品或系統，是由無(wú)數個(gè)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品集成而來(lái)。典型的簡(jiǎn)單系統如串聯(lián)系統、并列系統、混聯(lián)系統等。而復雜系統中部件數量較多且部件間存在錯綜復雜的關(guān)系，物流系統就是這樣一個(gè)系統。這給可靠性計算和評估帶來(lái)了很大困難。在經(jīng)典的系統可靠性分析方法中，有很多成功的方法，如解析法、基于 FTA的系統可靠性分析方法、狀態(tài)空間法、蒙特卡羅法（又稱(chēng)為模擬法，它以概率統計理論為基礎）、基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò )的系統可靠性分析方法等，牽涉到很多專(zhuān)門(mén)的知識，這里不一一介紹，有興趣的讀者可以參考有關(guān)可靠性的教材或參考書(shū)。

        物流系統的可靠性研究目前還很少有專(zhuān)門(mén)的成果，這是未來(lái)發(fā)展的重要方向。

        02集成系統的可用度

        首先來(lái)了解一個(gè)概念：可修系統模型(models of repairable system)。

        可修系統模型是一種可靠性分析模型，它是允許系統對失效部件進(jìn)行修理，使其恢復功能的可靠性分析模型。

        在實(shí)際工程中，一個(gè)零件在其失效后可能是不可修復的，如一個(gè)光電開(kāi)關(guān)損壞，一個(gè)軸承損壞，這個(gè)零件就失效了，但構成系統的其它部分仍然是可工作的，因此，只要將失效的零件更換即可。這就是可修系統模型建立的現實(shí)基礎。

        由于引入了修理概念，這就使系統可靠性得到了顯著(zhù)提高。對于可修系統，若運行過(guò)程中發(fā)生任何故障，可以引入維修，從而使系統變得可用。在數學(xué)描述上，維修時(shí)間M(t)并非一個(gè)固定值，也是服從概率分布的，這實(shí)際上就是增加了一個(gè)變量而已。但與不可修系統相比，可修系統會(huì )由于引入了新的變量，從而變得復雜很多。

        可用度是可修系統重要的可靠性指標之一。若A(t)是產(chǎn)品或系統在規定的條件下和規定的時(shí)刻 t 處于能執行規定功能狀態(tài)的概率，則稱(chēng)A(t)為可用度函數，或瞬時(shí)可用度。理論上，系統的穩態(tài)可用度 A 是瞬時(shí)可用度的極限：

        在實(shí)際工程中，只要t足夠長(cháng)即可。在物流工程等許多許多工程應用中特別受到關(guān)注的是系統的穩態(tài)可用度，它表示經(jīng)長(cháng)期運行后，產(chǎn)品處于正常狀態(tài)所占的時(shí)間比例。在某些條件下，穩態(tài)可用度可表示為：

        其中MUT為產(chǎn)品或系統平均可用時(shí)間長(cháng)度，MDT為產(chǎn)品或系統平均不可用時(shí)間長(cháng)度。A即為產(chǎn)品或系統的可用度，一般采用百分比來(lái)表示。

        相比可靠性計算的復雜公式和復雜計算過(guò)程，可用度的測量會(huì )簡(jiǎn)單得多。對于物流系統而言，其可靠性指標正是應用可用度來(lái)得到驗證的。

        03物流系統的可用度測量

        物流系統的可用度作為系統可靠性指標的一種表述方式，一直是評價(jià)系統性能和進(jìn)行系統驗收的重要指標。

        一個(gè)大型的物流系統，它會(huì )由許多并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)的子系統組成。如一個(gè)AS/RS子系統中，可能會(huì )有多臺堆垛機在同時(shí)工作，一個(gè)多層穿梭車(chē)系統中，會(huì )有幾十臺甚至幾百臺穿梭車(chē)在同時(shí)工作，一個(gè)kiva組成的揀選系統，會(huì )有上千臺kiva小車(chē)在同時(shí)工作，這是典型的并聯(lián)系統；又如一個(gè)物流系統中，AS/RS系統，輸送系統，分揀系統等，他們互相之間或直接連接，或間接連接，各居于系統的一個(gè)階段或區域，互不包含，則是一種串聯(lián)關(guān)系；WMS系統是一個(gè)貫穿始終的系統，它有許多的子模塊，模塊之間互相關(guān)聯(lián)，構成為一個(gè)整體，它所管理的系統，有些是并聯(lián)的關(guān)系，有些是串聯(lián)的關(guān)系，呈現出一個(gè)網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)格狀態(tài)，這則是一種混聯(lián)的狀態(tài)。

        在計算系統的可用度時(shí)，并聯(lián)子系統與串聯(lián)子系統的權重是不一樣的，歐洲起重機標準FEM對此做出了比較權威的規定。即屬于并聯(lián)的系統，其故障時(shí)間的權重是1/N，N表示并聯(lián)子系統的數量，而屬于串聯(lián)的系統，其故障時(shí)間的權重為1。

計算公式如下：

        式中，ti表示子系統或設備的故障修復時(shí)間，Ni表示權重，T表示測量的總時(shí)間。

        FEM標準規定，T的測量時(shí)間一般設定為3~5個(gè)連續系統工作日，每個(gè)工作日工作時(shí)間為8小時(shí)，系統試運行應達到的可用度應不小于93%，正式運行的系統可用度應不小于97%，此外，小于3分鐘的故障不計，如果一個(gè)故障重復出現，應在該故障真正解決后重新測量。

        舉一個(gè)例子說(shuō)明更為簡(jiǎn)單。假設一個(gè)物流中心由1套AS/RS（5臺堆垛機），1套輸送系統，一套RF揀選系統（10套RF），1套包裝系統（20套帶包裝臺，每套均配置掃描器，計算機，和打印機），一套高速分揀系統，1套WMS系統，1套WCS系統等構成。

        以下是5天實(shí)際測試運行的記錄（非實(shí)際案例）：

        A=(1-136.2/2400)*100%=94.325%

        即本次測試的系統可用度為94.325%，基本達到了試運行的要求。

        在上面的計算中，AS/RS堆垛機有5個(gè)并聯(lián)子系統，RF終端有10個(gè)并聯(lián)子系統，包裝臺有10個(gè)并聯(lián)子系統，所以，它們的當量時(shí)間需要按照并聯(lián)系數折算。這是符合實(shí)際情況的。