01集成系統的(de)可(kě)靠性

        什(shén)麽是系統可(kě)靠性？

        按照(zhào)一般的(de)定義，可(kě)靠性是指在規定的(de)時(shí)間和(hé)工況條件下(xià)，産品或系統完成既定功能的(de)能力或概率。RAMS（即Reliability可(kě)靠性, Aviliailabty可(kě)用(yòng)性, Maintainability可(kě)維護性和(hé)Safety安全性的(de)簡稱）是評價集成系統的(de)關鍵性指标，而系統可(kě)靠性指标是其它幾個(gè)指标的(de)基礎，因此也(yě)是評價一個(gè)系統最重要的(de)指标之一。越是複雜(zá)的(de)系統，越是重要的(de)系統，一旦失效所造成的(de)損失就越大(dà)，有的(de)甚至是無法承受的(de)災難性損失。因此，如何有效地對(duì)系統的(de)可(kě)靠性進行評估與分(fēn)析，進而提升系統的(de)可(kě)靠性，減輕或排除系統潛在風險，具有極其重要的(de)社會和(hé)經濟意義。

        一個(gè)産品或系統的(de)可(kě)靠性可(kě)分(fēn)爲固有可(kě)靠性和(hé)使用(yòng)可(kě)靠性。所謂固有可(kě)靠性是産品所應有的(de)或者是設計時(shí)應達到的(de)可(kě)靠性，取決于産品的(de)設計、制造、實驗等過程的(de)控制，也(yě)取決于原材料、零部件的(de)選型和(hé)質量。所謂使用(yòng)可(kě)靠性則是指已生産出來(lái)的(de)産品，在經過包裝、運輸、儲存、安裝、使用(yòng)、維修等因素影(yǐng)響所表現出來(lái)的(de)實際達到的(de)可(kě)靠性。簡單來(lái)說，固有可(kě)靠性通(tōng)過設計、制造的(de)過程來(lái)保證，很大(dà)程度上受設計者和(hé)制造者先天的(de)影(yǐng)響。而使用(yòng)可(kě)靠性則依賴于産品或系統的(de)運輸、安裝、調試等過程的(de)質量保障，也(yě)取決于使用(yòng)環境，操作的(de)正确性，保養與維修的(de)及時(shí)性和(hé)正确性，所以它很大(dà)程度上受後天的(de)影(yǐng)響。就像一個(gè)人(rén)，他(tā)有先天的(de)素質、遺傳基因，又有後天的(de)教育、努力。

        我們知道産品或系統的(de)構成決定了(le)其固有可(kě)靠性，但對(duì)一個(gè)産品或集成系統，如物(wù)流系統，往往由很多(duō)子系統和(hé)設備構成。那一般是如何計算(suàn)其固有可(kě)靠性的(de)呢(ne)？

        一個(gè)簡單的(de)零件或産品，其可(kě)靠性的(de)測量可(kě)以通(tōng)過理(lǐ)論計算(suàn)、模拟和(hé)實驗測試獲得(de)。這(zhè)是一個(gè)概率學問題。這(zhè)裏不做(zuò)詳述。僅僅介紹一個(gè)平均壽命的(de)概念。

        簡單理(lǐ)解，一個(gè)産品或零件的(de)平均壽命，就是指在正常使用(yòng)和(hé)維護環境下(xià)，産品的(de)表現出來(lái)壽命的(de)平均值。每一個(gè)産品的(de)實際使用(yòng)壽命都會與平均壽命有一定偏差。對(duì)于不可(kě)修複的(de)産品，其壽命是指産品發生失效前的(de)工作時(shí)間或工作次數。即産品在失效前的(de)工作時(shí)間，通(tōng)常記作MTTF（mean time to failure）。對(duì)可(kě)修複的(de)産品，壽命是指兩次相鄰故障間的(de)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）。

産品實際壽命與平均壽命偏差的(de)概率分(fēn)布，或密度函數，決定了(le)産品的(de)可(kě)靠性。用(yòng)一個(gè)公式來(lái)表示即：R(t)=P(T>t)，其中，R(t)爲可(kě)靠度，t 爲規定的(de)時(shí)間，T表示産品的(de)平均壽命。R(t)描述了(le)産品在（0，t）時(shí)間内完好的(de)概率，且R(0)=1，R（+∞)=0。

        我們知道，一個(gè)複雜(zá)的(de)産品或系統，是由無數個(gè)簡單的(de)産品集成而來(lái)。典型的(de)簡單系統如串聯系統、并列系統、混聯系統等。而複雜(zá)系統中部件數量較多(duō)且部件間存在錯綜複雜(zá)的(de)關系，物(wù)流系統就是這(zhè)樣一個(gè)系統。這(zhè)給可(kě)靠性計算(suàn)和(hé)評估帶來(lái)了(le)很大(dà)困難。在經典的(de)系統可(kě)靠性分(fēn)析方法中，有很多(duō)成功的(de)方法，如解析法、基于 FTA的(de)系統可(kě)靠性分(fēn)析方法、狀态空間法、蒙特卡羅法（又稱爲模拟法，它以概率統計理(lǐ)論爲基礎）、基于貝葉斯網絡的(de)系統可(kě)靠性分(fēn)析方法等，牽涉到很多(duō)專門的(de)知識，這(zhè)裏不一一介紹，有興趣的(de)讀者可(kě)以參考有關可(kě)靠性的(de)教材或參考書(shū)。

        物(wù)流系統的(de)可(kě)靠性研究目前還(hái)很少有專門的(de)成果，這(zhè)是未來(lái)發展的(de)重要方向。

        02集成系統的(de)可(kě)用(yòng)度

        首先來(lái)了(le)解一個(gè)概念：可(kě)修系統模型(models of repairable system)。

        可(kě)修系統模型是一種可(kě)靠性分(fēn)析模型，它是允許系統對(duì)失效部件進行修理(lǐ)，使其恢複功能的(de)可(kě)靠性分(fēn)析模型。

        在實際工程中，一個(gè)零件在其失效後可(kě)能是不可(kě)修複的(de)，如一個(gè)光(guāng)電開關損壞，一個(gè)軸承損壞，這(zhè)個(gè)零件就失效了(le)，但構成系統的(de)其它部分(fēn)仍然是可(kě)工作的(de)，因此，隻要将失效的(de)零件更換即可(kě)。這(zhè)就是可(kě)修系統模型建立的(de)現實基礎。

        由于引入了(le)修理(lǐ)概念，這(zhè)就使系統可(kě)靠性得(de)到了(le)顯著提高(gāo)。對(duì)于可(kě)修系統，若運行過程中發生任何故障，可(kě)以引入維修，從而使系統變得(de)可(kě)用(yòng)。在數學描述上，維修時(shí)間M(t)并非一個(gè)固定值，也(yě)是服從概率分(fēn)布的(de)，這(zhè)實際上就是增加了(le)一個(gè)變量而已。但與不可(kě)修系統相比，可(kě)修系統會由于引入了(le)新的(de)變量，從而變得(de)複雜(zá)很多(duō)。

        可(kě)用(yòng)度是可(kě)修系統重要的(de)可(kě)靠性指标之一。若A(t)是産品或系統在規定的(de)條件下(xià)和(hé)規定的(de)時(shí)刻 t 處于能執行規定功能狀态的(de)概率，則稱A(t)爲可(kě)用(yòng)度函數，或瞬時(shí)可(kě)用(yòng)度。理(lǐ)論上，系統的(de)穩态可(kě)用(yòng)度 A 是瞬時(shí)可(kě)用(yòng)度的(de)極限：

        在實際工程中，隻要t足夠長(cháng)即可(kě)。在物(wù)流工程等許多(duō)許多(duō)工程應用(yòng)中特别受到關注的(de)是系統的(de)穩态可(kě)用(yòng)度，它表示經長(cháng)期運行後，産品處于正常狀态所占的(de)時(shí)間比例。在某些條件下(xià)，穩态可(kě)用(yòng)度可(kě)表示爲：

        其中MUT爲産品或系統平均可(kě)用(yòng)時(shí)間長(cháng)度，MDT爲産品或系統平均不可(kě)用(yòng)時(shí)間長(cháng)度。A即爲産品或系統的(de)可(kě)用(yòng)度，一般采用(yòng)百分(fēn)比來(lái)表示。

        相比可(kě)靠性計算(suàn)的(de)複雜(zá)公式和(hé)複雜(zá)計算(suàn)過程，可(kě)用(yòng)度的(de)測量會簡單得(de)多(duō)。對(duì)于物(wù)流系統而言，其可(kě)靠性指标正是應用(yòng)可(kě)用(yòng)度來(lái)得(de)到驗證的(de)。

        03物(wù)流系統的(de)可(kě)用(yòng)度測量

        物(wù)流系統的(de)可(kě)用(yòng)度作爲系統可(kě)靠性指标的(de)一種表述方式，一直是評價系統性能和(hé)進行系統驗收的(de)重要指标。

        一個(gè)大(dà)型的(de)物(wù)流系統，它會由許多(duō)并聯、串聯和(hé)混聯的(de)子系統組成。如一個(gè)AS/RS子系統中，可(kě)能會有多(duō)台堆垛機在同時(shí)工作，一個(gè)多(duō)層穿梭車系統中，會有幾十台甚至幾百台穿梭車在同時(shí)工作，一個(gè)kiva組成的(de)揀選系統，會有上千台kiva小車在同時(shí)工作，這(zhè)是典型的(de)并聯系統；又如一個(gè)物(wù)流系統中，AS/RS系統，輸送系統，分(fēn)揀系統等，他(tā)們互相之間或直接連接，或間接連接，各居于系統的(de)一個(gè)階段或區(qū)域，互不包含，則是一種串聯關系；WMS系統是一個(gè)貫穿始終的(de)系統，它有許多(duō)的(de)子模塊，模塊之間互相關聯，構成爲一個(gè)整體，它所管理(lǐ)的(de)系統，有些是并聯的(de)關系，有些是串聯的(de)關系，呈現出一個(gè)網絡和(hé)網格狀态，這(zhè)則是一種混聯的(de)狀态。

        在計算(suàn)系統的(de)可(kě)用(yòng)度時(shí)，并聯子系統與串聯子系統的(de)權重是不一樣的(de)，歐洲起重機标準FEM對(duì)此做(zuò)出了(le)比較權威的(de)規定。即屬于并聯的(de)系統，其故障時(shí)間的(de)權重是1/N，N表示并聯子系統的(de)數量，而屬于串聯的(de)系統，其故障時(shí)間的(de)權重爲1。

計算(suàn)公式如下(xià)：

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

        FEM标準規定，T的(de)測量時(shí)間一般設定爲3~5個(gè)連續系統工作日，每個(gè)工作日工作時(shí)間爲8小時(shí)，系統試運行應達到的(de)可(kě)用(yòng)度應不小于93%，正式運行的(de)系統可(kě)用(yòng)度應不小于97%，此外，小于3分(fēn)鐘(zhōng)的(de)故障不計，如果一個(gè)故障重複出現，應在該故障真正解決後重新測量。

        舉一個(gè)例子說明(míng)更爲簡單。假設一個(gè)物(wù)流中心由1套AS/RS（5台堆垛機），1套輸送系統，一套RF揀選系統（10套RF），1套包裝系統（20套帶包裝台，每套均配置掃描器，計算(suàn)機，和(hé)打印機），一套高(gāo)速分(fēn)揀系統，1套WMS系統，1套WCS系統等構成。

        以下(xià)是5天實際測試運行的(de)記錄（非實際案例）：

        A=(1-136.2/2400)*100%=94.325%

        即本次測試的(de)系統可(kě)用(yòng)度爲94.325%，基本達到了(le)試運行的(de)要求。

        在上面的(de)計算(suàn)中，AS/RS堆垛機有5個(gè)并聯子系統，RF終端有10個(gè)并聯子系統，包裝台有10個(gè)并聯子系統，所以，它們的(de)當量時(shí)間需要按照(zhào)并聯系數折算(suàn)。這(zhè)是符合實際情況的(de)。