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(guī)定的時間和工況條件下，產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安全性的簡稱）是評價集成系統的關鍵性指標，而系統可靠性指標是其它幾個指標的基礎，因此也是評價一個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，有的甚至是無法承受的災難性損失。因此，如何有效地對系統的可靠性進行評估與分析，進而提升系統的可靠性，減輕或排除系統潛在風險，具有極其重要的社會和經濟意義。

        一個產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品所應有的或者是設計時應達到的可靠性，取決于產品的設計、制造、實驗等過程的控制，也取決于原材料、零部件的選型和質量。所謂使用可靠性則是指已生產出來的產品，在經過包裝、運輸、儲存、安裝、使用、維修等因素影響所表現出來的實際達到的可靠性。簡單來說，固有可靠性通過設計、制造的過程來保證，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于產品或系統的運輸、安裝、調試等過程的質量保障，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、遺傳基因，又有后天的教育、努力。

        我們知道產品或系統的構成決定了其固有可靠性，但對一個產品或集成系統，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？

        一個簡單的零件或產品，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，產品的表現出來壽命的平均值。每一個產品的實際使用壽命都會與平均壽命有一定偏差。對于不可修復的產品，其壽命是指產品發(fā)生失效前的工作時間或工作次數。即產品在失效前的工作時間，通常記作MTTF（mean time to failure）。對可修復的產品，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）。

產品實際壽命與平均壽命偏差的概率分布，或密度函數，決定了產品的可靠性。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表示產品的平均壽命。R(t)描述了產品在（0，t）時間內完好的概率，且R(0)=1，R（+∞)=0。

        我們知道，一個復雜的產品或系統，是由無數個簡單的產品集成而來。典型的簡單系統如串聯系統、并列系統、混聯系統等。而復雜系統中部件數量較多且部件間存在錯綜復雜的關系，物流系統就是這樣一個系統。這給可靠性計算和評估帶來了很大困難。在經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（又稱為模擬法，它以概率統計理論為基礎）、基于貝葉斯網絡的系統可靠性分析方法等，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可靠性的教材或參考書。

        物流系統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集成系統的可用度

        首先來了解一個概念：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行修理，使其恢復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的，如一個光電開關損壞，一個軸承損壞，這個零件就失效了，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基礎。

        由于引入了修理概念，這就使系統可靠性得到了顯著提高。對于可修系統，若運行過程中發(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。但與不可修系統相比，可修系統會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)是產品或系統在規(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，或瞬時可用度。理論上，系統的穩(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用中特別受到關注的是系統的穩(wěn)態(tài)可用度，它表示經長期運行后，產品處于正常狀態(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為產品或系統平均可用時間長度，MDT為產品或系統平均不可用時間長度。A即為產品或系統的可用度，一般采用百分比來表示。

        相比可靠性計算的復雜公式和復雜計算過程，可用度的測量會簡單得多。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，一直是評價系統性能和進行系統驗收的重要指標。

        一個大型的物流系統，它會由許多并聯、串聯和混聯的子系統組成。如一個AS/RS子系統中，可能會有多臺堆垛機在同時工作，一個多層穿梭車系統中，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，會有上千臺kiva小車在同時工作，這是典型的并聯系統；又如一個物流系統中，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，各居于系統的一個階段或區(qū)域，互不包含，則是一種串聯關系；WMS系統是一個貫穿始終的系統，它有許多的子模塊，模塊之間互相關聯，構成為一個整體，它所管理的系統，有些是并聯的關系，有些是串聯的關系，呈現出一個網絡和網格狀態(tài)，這則是一種混聯的狀態(tài)。

        在計算系統的可用度時，并聯子系統與串聯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(guī)定。即屬于并聯的系統，其故障時間的權重是1/N，N表示并聯子系統的數量，而屬于串聯的系統，其故障時間的權重為1。

計算公式如下：

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

        FEM標準規(guī)定，T的測量時間一般設定為3~5個連續(xù)系統工作日，每個工作日工作時間為8小時，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，如果一個故障重復出現，應在該故障真正解決后重新測量。

        舉一個例子說明更為簡單。假設一個物流中心由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個并聯子系統，RF終端有10個并聯子系統，包裝臺有10個并聯子系統，所以，它們的當量時間需要按照并聯系數折算。這是符合實際情況的。