01集成系統的(Of)可靠性

        什麽是系統可靠性？

        按照一(One)般的(Of)定義，可靠性是指在(Exist)規定的(Of)時(Hour)間和(And)工況條件下，産品或系統完成既定功能的(Of)能力或概率。RAMS（即Reliability可靠性, Aviliailabty可用(Use)性, Maintainability可維護性和(And)Safety安全性的(Of)簡稱）是評價集成系統的(Of)關鍵性指标，而系統可靠性指标是其它幾個(Indivual)指标的(Of)基礎，因此也是評價一(One)個(Indivual)系統最重要(Want)的(Of)指标之一(One)。越是複雜的(Of)系統，越是重要(Want)的(Of)系統，一(One)旦失效所造成的(Of)損失就越大(Big)，有的(Of)甚至是無法承受的(Of)災難性損失。因此，如何有效地對系統的(Of)可靠性進行評估與分析，進而提升系統的(Of)可靠性，減輕或排除系統潛在(Exist)風險，具有極其重要(Want)的(Of)社會和(And)經濟意義。

        一(One)個(Indivual)産品或系統的(Of)可靠性可分爲(For)固有可靠性和(And)使用(Use)可靠性。所謂固有可靠性是産品所應有的(Of)或者是設計時(Hour)應達到(Arrive)的(Of)可靠性，取決于(At)産品的(Of)設計、制造、實驗等過程的(Of)控制，也取決于(At)原材料、零部件的(Of)選型和(And)質量。所謂使用(Use)可靠性則是指已生(Born)産出(Out)來(Come)的(Of)産品，在(Exist)經過包裝、運輸、儲存、安裝、使用(Use)、維修等因素影響所表現出(Out)來(Come)的(Of)實際達到(Arrive)的(Of)可靠性。簡單來(Come)說，固有可靠性通過設計、制造的(Of)過程來(Come)保證，很大(Big)程度上受設計者和(And)制造者先天的(Of)影響。而使用(Use)可靠性則依賴于(At)産品或系統的(Of)運輸、安裝、調試等過程的(Of)質量保障，也取決于(At)使用(Use)環境，操作(Do)的(Of)正确性，保養與維修的(Of)及時(Hour)性和(And)正确性，所以(By)它很大(Big)程度上受後天的(Of)影響。就像一(One)個(Indivual)人(People)，他(He)有先天的(Of)素質、遺傳基因，又有後天的(Of)教育、努力。

        我(I)們知道産品或系統的(Of)構成決定了其固有可靠性，但對一(One)個(Indivual)産品或集成系統，如物流系統，往往由很多子系統和(And)設備構成。那一(One)般是如何計算其固有可靠性的(Of)呢？

        一(One)個(Indivual)簡單的(Of)零件或産品，其可靠性的(Of)測量可以(By)通過理論計算、模拟和(And)實驗測試獲得。這(This)是一(One)個(Indivual)概率學問題。這(This)裏不(No)做詳述。僅僅介紹一(One)個(Indivual)平均壽命的(Of)概念。

        簡單理解，一(One)個(Indivual)産品或零件的(Of)平均壽命，就是指在(Exist)正常使用(Use)和(And)維護環境下，産品的(Of)表現出(Out)來(Come)壽命的(Of)平均值。每一(One)個(Indivual)産品的(Of)實際使用(Use)壽命都會與平均壽命有一(One)定偏差。對于(At)不(No)可修複的(Of)産品，其壽命是指産品發生(Born)失效前的(Of)工作(Do)時(Hour)間或工作(Do)次數。即産品在(Exist)失效前的(Of)工作(Do)時(Hour)間，通常記作(Do)MTTF（mean time to failure）。對可修複的(Of)産品，壽命是指兩次相鄰故障間的(Of)工作(Do)時(Hour)間，即平均無故障工作(Do)時(Hour)間，或稱平均故障間隔時(Hour)間，記作(Do)MTBF（mean time between failures）。

産品實際壽命與平均壽命偏差的(Of)概率分布，或密度函數，決定了産品的(Of)可靠性。用(Use)一(One)個(Indivual)公式來(Come)表示即：R(t)=P(T>t)，其中，R(t)爲(For)可靠度，t 爲(For)規定的(Of)時(Hour)間，T表示産品的(Of)平均壽命。R(t)描述了産品在(Exist)（0，t）時(Hour)間内完好的(Of)概率，且R(0)=1，R（+∞)=0。

        我(I)們知道，一(One)個(Indivual)複雜的(Of)産品或系統，是由無數個(Indivual)簡單的(Of)産品集成而來(Come)。典型的(Of)簡單系統如串聯系統、并列系統、混聯系統等。而複雜系統中部件數量較多且部件間存在(Exist)錯綜複雜的(Of)關系，物流系統就是這(This)樣一(One)個(Indivual)系統。這(This)給可靠性計算和(And)評估帶來(Come)了很大(Big)困難。在(Exist)經典的(Of)系統可靠性分析方法中，有很多成功的(Of)方法，如解析法、基于(At) FTA的(Of)系統可靠性分析方法、狀态空間法、蒙特卡羅法（又稱爲(For)模拟法，它以(By)概率統計理論爲(For)基礎）、基于(At)貝葉斯網絡的(Of)系統可靠性分析方法等，牽涉到(Arrive)很多專門的(Of)知識，這(This)裏不(No)一(One)一(One)介紹，有興趣的(Of)讀者可以(By)參考有關可靠性的(Of)教材或參考書。

        物流系統的(Of)可靠性研究目前還很少有專門的(Of)成果，這(This)是未來(Come)發展的(Of)重要(Want)方向。

        02集成系統的(Of)可用(Use)度

        首先來(Come)了解一(One)個(Indivual)概念：可修系統模型(models of repairable system)。

        可修系統模型是一(One)種可靠性分析模型，它是允許系統對失效部件進行修理，使其恢複功能的(Of)可靠性分析模型。

        在(Exist)實際工程中，一(One)個(Indivual)零件在(Exist)其失效後可能是不(No)可修複的(Of)，如一(One)個(Indivual)光電開關損壞，一(One)個(Indivual)軸承損壞，這(This)個(Indivual)零件就失效了，但構成系統的(Of)其它部分仍然是可工作(Do)的(Of)，因此，隻要(Want)将失效的(Of)零件更換即可。這(This)就是可修系統模型建立的(Of)現實基礎。

        由于(At)引入了修理概念，這(This)就使系統可靠性得到(Arrive)了顯著提高。對于(At)可修系統，若運行過程中發生(Born)任何故障，可以(By)引入維修，從而使系統變得可用(Use)。在(Exist)數學描述上，維修時(Hour)間M(t)并非一(One)個(Indivual)固定值，也是服從概率分布的(Of)，這(This)實際上就是增加了一(One)個(Indivual)變量而已。但與不(No)可修系統相比，可修系統會由于(At)引入了新的(Of)變量，從而變得複雜很多。

        可用(Use)度是可修系統重要(Want)的(Of)可靠性指标之一(One)。若A(t)是産品或系統在(Exist)規定的(Of)條件下和(And)規定的(Of)時(Hour)刻 t 處于(At)能執行規定功能狀态的(Of)概率，則稱A(t)爲(For)可用(Use)度函數，或瞬時(Hour)可用(Use)度。理論上，系統的(Of)穩态可用(Use)度 A 是瞬時(Hour)可用(Use)度的(Of)極限：

        在(Exist)實際工程中，隻要(Want)t足夠長即可。在(Exist)物流工程等許多許多工程應用(Use)中特别受到(Arrive)關注的(Of)是系統的(Of)穩态可用(Use)度，它表示經長期運行後，産品處于(At)正常狀态所占的(Of)時(Hour)間比例。在(Exist)某些條件下，穩态可用(Use)度可表示爲(For)：

        其中MUT爲(For)産品或系統平均可用(Use)時(Hour)間長度，MDT爲(For)産品或系統平均不(No)可用(Use)時(Hour)間長度。A即爲(For)産品或系統的(Of)可用(Use)度，一(One)般采用(Use)百分比來(Come)表示。

        相比可靠性計算的(Of)複雜公式和(And)複雜計算過程，可用(Use)度的(Of)測量會簡單得多。對于(At)物流系統而言，其可靠性指标正是應用(Use)可用(Use)度來(Come)得到(Arrive)驗證的(Of)。

        03物流系統的(Of)可用(Use)度測量

        物流系統的(Of)可用(Use)度作(Do)爲(For)系統可靠性指标的(Of)一(One)種表述方式，一(One)直是評價系統性能和(And)進行系統驗收的(Of)重要(Want)指标。

        一(One)個(Indivual)大(Big)型的(Of)物流系統，它會由許多并聯、串聯和(And)混聯的(Of)子系統組成。如一(One)個(Indivual)AS/RS子系統中，可能會有多台堆垛機在(Exist)同時(Hour)工作(Do)，一(One)個(Indivual)多層穿梭車系統中，會有幾十台甚至幾百台穿梭車在(Exist)同時(Hour)工作(Do)，一(One)個(Indivual)kiva組成的(Of)揀選系統，會有上千台kiva小車在(Exist)同時(Hour)工作(Do)，這(This)是典型的(Of)并聯系統；又如一(One)個(Indivual)物流系統中，AS/RS系統，輸送系統，分揀系統等，他(He)們互相之間或直接連接，或間接連接，各居于(At)系統的(Of)一(One)個(Indivual)階段或區域，互不(No)包含，則是一(One)種串聯關系；WMS系統是一(One)個(Indivual)貫穿始終的(Of)系統，它有許多的(Of)子模塊，模塊之間互相關聯，構成爲(For)一(One)個(Indivual)整體，它所管理的(Of)系統，有些是并聯的(Of)關系，有些是串聯的(Of)關系，呈現出(Out)一(One)個(Indivual)網絡和(And)網格狀态，這(This)則是一(One)種混聯的(Of)狀态。

        在(Exist)計算系統的(Of)可用(Use)度時(Hour)，并聯子系統與串聯子系統的(Of)權重是不(No)一(One)樣的(Of)，歐洲起重機标準FEM對此做出(Out)了比較權威的(Of)規定。即屬于(At)并聯的(Of)系統，其故障時(Hour)間的(Of)權重是1/N，N表示并聯子系統的(Of)數量，而屬于(At)串聯的(Of)系統，其故障時(Hour)間的(Of)權重爲(For)1。

計算公式如下：

        式中，ti表示子系統或設備的(Of)故障修複時(Hour)間，Ni表示權重，T表示測量的(Of)總時(Hour)間。

        FEM标準規定，T的(Of)測量時(Hour)間一(One)般設定爲(For)3~5個(Indivual)連續系統工作(Do)日，每個(Indivual)工作(Do)日工作(Do)時(Hour)間爲(For)8小時(Hour)，系統試運行應達到(Arrive)的(Of)可用(Use)度應不(No)小于(At)93%，正式運行的(Of)系統可用(Use)度應不(No)小于(At)97%，此外，小于(At)3分鍾的(Of)故障不(No)計，如果一(One)個(Indivual)故障重複出(Out)現，應在(Exist)該故障真正解決後重新測量。

        舉一(One)個(Indivual)例子說明更爲(For)簡單。假設一(One)個(Indivual)物流中心由1套AS/RS（5台堆垛機），1套輸送系統，一(One)套RF揀選系統（10套RF），1套包裝系統（20套帶包裝台，每套均配置掃描器，計算機，和(And)打印機），一(One)套高速分揀系統，1套WMS系統，1套WCS系統等構成。

        以(By)下是5天實際測試運行的(Of)記錄（非實際案例）：

        A=(1-136.2/2400)*100%=94.325%

        即本次測試的(Of)系統可用(Use)度爲(For)94.325%，基本達到(Arrive)了試運行的(Of)要(Want)求。

        在(Exist)上面的(Of)計算中，AS/RS堆垛機有5個(Indivual)并聯子系統，RF終端有10個(Indivual)并聯子系統，包裝台有10個(Indivual)并聯子系統，所以(By)，它們的(Of)當量時(Hour)間需要(Want)按照并聯系數折算。這(This)是符合實際情況的(Of)。