01集成系統(tǒng)的可靠性

        什么是系統(tǒng)可靠性？

        按照一般的定義，可靠性是指在規(guī)定的時間和工況條件下，產(chǎn)品或系統(tǒng)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(hù)性和Safety安全性的簡稱）是評價集成系統(tǒng)的關(guān)鍵性指標(biāo)，而系統(tǒng)可靠性指標(biāo)是其它幾個指標(biāo)的基礎(chǔ)，因此也是評價一個系統(tǒng)最重要的指標(biāo)之一。越是復(fù)雜的系統(tǒng)，越是重要的系統(tǒng)，一旦失效所造成的損失就越大，有的甚至是無法承受的災(zāi)難性損失。因此，如何有效地對系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評估與分析，進(jìn)而提升系統(tǒng)的可靠性，減輕或排除系統(tǒng)潛在風(fēng)險，具有極其重要的社會和經(jīng)濟(jì)意義。

        一個產(chǎn)品或系統(tǒng)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(yīng)有的或者是設(shè)計時應(yīng)達(dá)到的可靠性，取決于產(chǎn)品的設(shè)計、制造、實驗等過程的控制，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)出來的產(chǎn)品，在經(jīng)過包裝、運輸、儲存、安裝、使用、維修等因素影響所表現(xiàn)出來的實際達(dá)到的可靠性。簡單來說，固有可靠性通過設(shè)計、制造的過程來保證，很大程度上受設(shè)計者和制造者先天的影響。而使用可靠性則依賴于產(chǎn)品或系統(tǒng)的運輸、安裝、調(diào)試等過程的質(zhì)量保障，也取決于使用環(huán)境，操作的正確性，保養(yǎng)與維修的及時性和正確性，所以它很大程度上受后天的影響。就像一個人，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(tǒng)的構(gòu)成決定了其固有可靠性，但對一個產(chǎn)品或集成系統(tǒng)，如物流系統(tǒng)，往往由很多子系統(tǒng)和設(shè)備構(gòu)成。那一般是如何計算其固有可靠性的呢？

        一個簡單的零件或產(chǎn)品，其可靠性的測量可以通過理論計算、模擬和實驗測試獲得。這是一個概率學(xué)問題。這里不做詳述。僅僅介紹一個平均壽命的概念。

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

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

        我們知道，一個復(fù)雜的產(chǎn)品或系統(tǒng)，是由無數(shù)個簡單的產(chǎn)品集成而來。典型的簡單系統(tǒng)如串聯(lián)系統(tǒng)、并列系統(tǒng)、混聯(lián)系統(tǒng)等。而復(fù)雜系統(tǒng)中部件數(shù)量較多且部件間存在錯綜復(fù)雜的關(guān)系，物流系統(tǒng)就是這樣一個系統(tǒng)。這給可靠性計算和評估帶來了很大困難。在經(jīng)典的系統(tǒng)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(tǒng)可靠性分析方法、狀態(tài)空間法、蒙特卡羅法（又稱為模擬法，它以概率統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)）、基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)可靠性分析方法等，牽涉到很多專門的知識，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。

        物流系統(tǒng)的可靠性研究目前還很少有專門的成果，這是未來發(fā)展的重要方向。

        02集成系統(tǒng)的可用度

        首先來了解一個概念：可修系統(tǒng)模型(models of repairable system)。

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

        在實際工程中，一個零件在其失效后可能是不可修復(fù)的，如一個光電開關(guān)損壞，一個軸承損壞，這個零件就失效了，但構(gòu)成系統(tǒng)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(tǒng)模型建立的現(xiàn)實基礎(chǔ)。

        由于引入了修理概念，這就使系統(tǒng)可靠性得到了顯著提高。對于可修系統(tǒng)，若運行過程中發(fā)生任何故障，可以引入維修，從而使系統(tǒng)變得可用。在數(shù)學(xué)描述上，維修時間M(t)并非一個固定值，也是服從概率分布的，這實際上就是增加了一個變量而已。但與不可修系統(tǒng)相比，可修系統(tǒng)會由于引入了新的變量，從而變得復(fù)雜很多。

        可用度是可修系統(tǒng)重要的可靠性指標(biāo)之一。若A(t)是產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時刻 t 處于能執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的概率，則稱A(t)為可用度函數(shù)，或瞬時可用度。理論上，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)可用度 A 是瞬時可用度的極限：

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

        其中MUT為產(chǎn)品或系統(tǒng)平均可用時間長度，MDT為產(chǎn)品或系統(tǒng)平均不可用時間長度。A即為產(chǎn)品或系統(tǒng)的可用度，一般采用百分比來表示。

        相比可靠性計算的復(fù)雜公式和復(fù)雜計算過程，可用度的測量會簡單得多。對于物流系統(tǒng)而言，其可靠性指標(biāo)正是應(yīng)用可用度來得到驗證的。

        03物流系統(tǒng)的可用度測量

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

        一個大型的物流系統(tǒng)，它會由許多并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)的子系統(tǒng)組成。如一個AS/RS子系統(tǒng)中，可能會有多臺堆垛機(jī)在同時工作，一個多層穿梭車系統(tǒng)中，會有幾十臺甚至幾百臺穿梭車在同時工作，一個kiva組成的揀選系統(tǒng)，會有上千臺kiva小車在同時工作，這是典型的并聯(lián)系統(tǒng)；又如一個物流系統(tǒng)中，AS/RS系統(tǒng)，輸送系統(tǒng)，分揀系統(tǒng)等，他們互相之間或直接連接，或間接連接，各居于系統(tǒng)的一個階段或區(qū)域，互不包含，則是一種串聯(lián)關(guān)系；WMS系統(tǒng)是一個貫穿始終的系統(tǒng)，它有許多的子模塊，模塊之間互相關(guān)聯(lián)，構(gòu)成為一個整體，它所管理的系統(tǒng)，有些是并聯(lián)的關(guān)系，有些是串聯(lián)的關(guān)系，呈現(xiàn)出一個網(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(tǒng)的可用度時，并聯(lián)子系統(tǒng)與串聯(lián)子系統(tǒng)的權(quán)重是不一樣的，歐洲起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)FEM對此做出了比較權(quán)威的規(guī)定。即屬于并聯(lián)的系統(tǒng)，其故障時間的權(quán)重是1/N，N表示并聯(lián)子系統(tǒng)的數(shù)量，而屬于串聯(lián)的系統(tǒng)，其故障時間的權(quán)重為1。

計算公式如下：

        式中，ti表示子系統(tǒng)或設(shè)備的故障修復(fù)時間，Ni表示權(quán)重，T表示測量的總時間。

        FEM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，T的測量時間一般設(shè)定為3~5個連續(xù)系統(tǒng)工作日，每個工作日工作時間為8小時，系統(tǒng)試運行應(yīng)達(dá)到的可用度應(yīng)不小于93%，正式運行的系統(tǒng)可用度應(yīng)不小于97%，此外，小于3分鐘的故障不計，如果一個故障重復(fù)出現(xiàn)，應(yīng)在該故障真正解決后重新測量。

        舉一個例子說明更為簡單。假設(shè)一個物流中心由1套AS/RS（5臺堆垛機(jī)），1套輸送系統(tǒng)，一套RF揀選系統(tǒng)（10套RF），1套包裝系統(tǒng)（20套帶包裝臺，每套均配置掃描器，計算機(jī)，和打印機(jī)），一套高速分揀系統(tǒng)，1套WMS系統(tǒng)，1套WCS系統(tǒng)等構(gòu)成。

        以下是5天實際測試運行的記錄（非實際案例）：

        A=(1-136.2/2400)*100%=94.325%

        即本次測試的系統(tǒng)可用度為94.325%，基本達(dá)到了試運行的要求。

        在上面的計算中，AS/RS堆垛機(jī)有5個并聯(lián)子系統(tǒng)，RF終端有10個并聯(lián)子系統(tǒng)，包裝臺有10個并聯(lián)子系統(tǒng)，所以，它們的當(dāng)量時間需要按照并聯(lián)系數(shù)折算。這是符合實際情況的。