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(shí)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(jià)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(gè)指標(biāo)的基礎(chǔ)，因此也是評價(jià)一個(gè)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(xiǎn)，具有極其重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義,。

        一個(gè)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(jì)時(shí)應(yīng)達(dá)到的可靠性，取決于產(chǎn)品的設(shè)計(jì),、制造,、實(shí)驗(yàn)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(yùn)輸,、儲(chǔ)存、安裝,、使用,、維修等因素影響所表現(xiàn)出來的實(shí)際達(dá)到的可靠性。簡單來說,，固有可靠性通過設(shè)計(jì),、制造的過程來保證，很大程度上受設(shè)計(jì)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(yùn)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(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(tǒng)的構(gòu)成決定了其固有可靠性,，但對一個(gè)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(jì)算其固有可靠性的呢？

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

        簡單理解,，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(hù)環(huán)境下，產(chǎn)品的表現(xiàn)出來壽命的平均值,。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(fù)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(shù),。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(fù)的產(chǎn)品,，壽命是指兩次相鄰故障間的工作時(shí)間,，即平均無故障工作時(shí)間，或稱平均故障間隔時(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(shù),，決定了產(chǎn)品的可靠性,。用一個(gè)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(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(nèi)完好的概率，且R(0)=1,，R（+∞)=0,。

        我們知道,，一個(gè)復(fù)雜的產(chǎn)品或系統(tǒng)，是由無數(shù)個(gè)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(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系,，物流系統(tǒng)就是這樣一個(gè)系統(tǒng)。這給可靠性計(jì)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(jì)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(gè)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(shí)際工程中,，一個(gè)零件在其失效后可能是不可修復(fù)的,，如一個(gè)光電開關(guān)損壞，一個(gè)軸承損壞,，這個(gè)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(shí)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(yùn)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(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(tǒng)相比,，可修系統(tǒng)會(huì)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(shí)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(shí)可用度,。理論上，系統(tǒng)的穩(wěn)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(yùn)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(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(shí)間長度,，MDT為產(chǎn)品或系統(tǒng)平均不可用時(shí)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(jì)算的復(fù)雜公式和復(fù)雜計(jì)算過程,，可用度的測量會(huì)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(yàn)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(jià)系統(tǒng)性能和進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)收的重要指標(biāo),。

        一個(gè)大型的物流系統(tǒng),，它會(huì)由許多并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)的子系統(tǒng)組成,。如一個(gè)AS/RS子系統(tǒng)中,，可能會(huì)有多臺堆垛機(jī)在同時(shí)工作，一個(gè)多層穿梭車系統(tǒng)中,，會(huì)有幾十臺甚至幾百臺穿梭車在同時(shí)工作,，一個(gè)kiva組成的揀選系統(tǒng)，會(huì)有上千臺kiva小車在同時(shí)工作,，這是典型的并聯(lián)系統(tǒng),；又如一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(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(jì)算系統(tǒng)的可用度時(shí),，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(shí)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(shí)間的權(quán)重為1。

計(jì)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(shí)間,，Ni表示權(quán)重，T表示測量的總時(shí)間,。

        FEM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,，T的測量時(shí)間一般設(shè)定為3~5個(gè)連續(xù)系統(tǒng)工作日，每個(gè)工作日工作時(shí)間為8小時(shí),，系統(tǒng)試運(yùn)行應(yīng)達(dá)到的可用度應(yīng)不小于93%,，正式運(yùn)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(jì),，如果一個(gè)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(gè)例子說明更為簡單,。假設(shè)一個(gè)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(jì)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(shí)際測試運(yùn)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(tǒng)可用度為94.325%,，基本達(dá)到了試運(yùn)行的要求,。

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