冗余設計是提升自動化物流系統(tǒng)可靠性、可用性的主要方法之一，本文通過對大型自動化物流系統(tǒng)的特點進行分析，從冗余設計的六個方面說明提升自動化物流系統(tǒng)可靠性和可用性的方法。經(jīng)實踐證明，冗余設計可提升自動化物流系統(tǒng)可靠性、可用性，實現(xiàn)物流系統(tǒng)不間斷運行的目標。

　　一、概述

　　在關系國計民生和經(jīng)濟社會發(fā)展的大型自動化物流系統(tǒng)中，系統(tǒng)的高可靠、高可用等不間斷運行特性是系統(tǒng)建設的主要目標之一。此類大型物流系統(tǒng)一般具有如下特點：

　　1.規(guī)模大

　　設備數(shù)超千套，貨物輸送線路總長達數(shù)十公里。

　　2.技術復雜

　　系統(tǒng)包括機械、自動化控制、計算機等硬件設備;采用自動檢測與控制，信息識別、處理與交換等技術;涉及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等高新技術領域，具有很高的技術難度和技術復雜度。

　　3.集成度高

　　系統(tǒng)集成多種功能性輸送設備(帶式輸送機、收集輸送機等)、分揀設備(交叉帶式分揀機或傾翻式托盤分揀機、垂直分流器、水平分流器等)、裝卸設備(機器人、AGV等)、存儲設備(堆垛機、多層穿梭車等)，集成多種物聯(lián)網(wǎng)設備(條碼掃描器、RFID識讀器、圖像識讀器、工業(yè)照相機等)等;系統(tǒng)需要與多個控制和信息系統(tǒng)接口，完成數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)相關業(yè)務流程。

　　4.可靠性、可用性要求高，系統(tǒng)須支持不間斷運行

　　為了降低系統(tǒng)的平均故障停機時間，保障貨物的持續(xù)收發(fā)，讓物流系統(tǒng)相關方的經(jīng)濟效益和社會效益最大化，“冗余”是設計師常用的方法之一。

　　二、冗余設計的思路

　　冗余設計，是利用系統(tǒng)思維模式對系統(tǒng)進行設計規(guī)劃。系統(tǒng)的總體工藝、單機控制、管理控制軟件等都應該遵循冗余思路完成規(guī)劃設計，讓系統(tǒng)所有關鍵組件都有冗余，任何單點發(fā)生故障都不會影響系統(tǒng)正常運行。即使是關鍵節(jié)點出現(xiàn)故障，系統(tǒng)中其他部分也應具備熱備和應急功能，確保系統(tǒng)的持續(xù)運行。

　　大型自動化物流系統(tǒng)中的冗余設計可以從六個方面考慮：

　　1.布局冗余

　　大型物流系統(tǒng)一般分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)業(yè)務功能，在總體規(guī)劃中應區(qū)內(nèi)高集合、區(qū)間低耦合。設計時需對關鍵區(qū)域?qū)崿F(xiàn)冗余備份，避免因某個區(qū)出現(xiàn)故障導致整個系統(tǒng)或物流園區(qū)的作業(yè)受到影響。

　　2.功能組冗余

　　對實現(xiàn)系統(tǒng)的關鍵功能組進行冗余設計。也可以采用一些柔性自動化搬運設備，替代傳統(tǒng)的輸送機鏈接模式。在采用穿梭車、AGV、KIVA等柔性設備時，需要預留好剛性輸送設備與柔性設備的接駁接口，實現(xiàn)功能組冗余。

　　3.物流路徑冗余

　　物流關鍵輸送路徑中避免單節(jié)點設計，源到目的地至少有兩條以上路徑。

　　4.控制系統(tǒng)硬件冗余

　　計算機系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)中的硬件關鍵組件應有冗余設計。

　　5.支撐軟件冗余

　　通過選擇適當?shù)闹诬浖瑢崿F(xiàn)計算機系統(tǒng)的集群化。

　　6.應用軟件冗余

　　應用軟件要在支撐軟件的集群中運行，也須進行相應的冗余設計。應用軟件不僅需要實現(xiàn)分布式部署，通過負載均衡的技術來滿足系統(tǒng)的可靠性，同時還需要具備某一節(jié)點輸送設備故障時，自動切換物流路徑、操作模式或者采用人機調(diào)度結合的模式來達到系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行目的。

　　三、應用案例

　　某大型自動化物流系統(tǒng)，集成約4000臺(套)設備、貨物輸送線總長達15公里，各類線纜長度400公里、急停控制點超1500個、交叉安全區(qū)域近200個，貨物信息識別比率高于99%，高峰小時貨物分揀量大于5000件，系統(tǒng)建設要求實現(xiàn)不間斷運行。此物流系統(tǒng)設計方案遵循了上述的冗余設計思想。

　　1.布局冗余

　　如圖 1，此布局中包含東、西兩區(qū)，兩個區(qū)互為鏡像。在系統(tǒng)調(diào)試階段，可一個區(qū)運行、一個區(qū)調(diào)試，實現(xiàn)整個物流系統(tǒng)分區(qū)上線的“熱插拔”功能，踐行“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施”的科學發(fā)展觀。高峰時段兩個區(qū)同時運行，高效處理貨物的分揀收發(fā);非高峰時段可以根據(jù)實際需要關閉某個區(qū)，實現(xiàn)物流中心節(jié)能環(huán)保的目標。若某區(qū)故障完全實效時，另外一區(qū)可繼續(xù)運行，不受故障區(qū)的影響。

　　2.功能組冗余

　　圖1中，系統(tǒng)中的關鍵功能組實現(xiàn)了冗余，每個區(qū)配置了兩套分揀機，若其中一套分揀機故障，另外一套分揀機可接收該區(qū)內(nèi)所有的貨物進行分揀。在該系統(tǒng)中，人工處理站臺、信息識讀檢測設備等也進行了冗余配置。設備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA與PLC主控柜上的本地監(jiān)控功能互為冗余，若SCADA與PLC失去連接或完全宕機，可以使用PLC主控柜上的監(jiān)控功能繼續(xù)對系統(tǒng)進行監(jiān)控。

　　3.物流路徑冗余

　　如圖2，所有導入貨物有兩條以上的路徑到達冗余分揀機，經(jīng)分揀機分揀后達到目的地，避免了因設備故障導致貨物不能被及時分揀風險。

　　4.控制系統(tǒng)硬件冗余

　　如圖3，可編程控制器PLC的CPU采用冗余的多處理器結構。各個處理器之間相互監(jiān)控，若一CPU出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)立刻切換至另一個CPU運行，并且發(fā)出報警信息。同時可編程控制器PLC還對內(nèi)部的RAM、EPROM、輸入輸出寄存器等元件進行實時監(jiān)控，并且采用特殊的測試脈沖對輸入信號和輸出被控元件進行檢測，如出現(xiàn)任何異常，控制器立刻切換至安全保護狀態(tài)并且發(fā)出報警信息。

　　PLC配置如表1。

　　PLC系統(tǒng)在主流的工業(yè)現(xiàn)場總線基礎上，采用了一系列的時間檢測、地址檢測、連接檢測和冗余校驗等措施，達到更高的可靠性和安全等級。

　　對于整個系統(tǒng)的核心管理部分，計算機系統(tǒng)配置兩個UPS，兩個UPS分別給每個機柜的兩個PDU供電。所有服務器主機均配置有兩個電源模塊，兩個電源模塊連接至不同的PDU，當某個電源模塊故障時，主機自動切換至另一電源模塊，不會造成服務器斷電停機。

　　計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡結構中配置有冗余的接入層交換機、核心交換機、防火墻以及區(qū)域存儲網(wǎng)SAN。計算機主機(服務器、工作站等)配置兩塊以上網(wǎng)卡，通過使用網(wǎng)卡綁定策略將多塊網(wǎng)卡轉(zhuǎn)換成一塊邏輯網(wǎng)卡接入網(wǎng)絡，當計算機主機的某塊網(wǎng)卡故障或某個網(wǎng)絡設備故障時，不會因網(wǎng)卡導致系統(tǒng)單點通訊故障，影響系統(tǒng)運行。如圖4。

　　服務器和磁盤整列配置有冗余硬盤，配置為RAID1或RAID5，可確保一塊硬盤故障時數(shù)據(jù)不會丟失。

　　5.支撐軟件冗余

　　針對如WEB服務等允許短時中斷的應用系統(tǒng)，設計部署在由VMWare管理的服務器虛擬化環(huán)境中，在這個環(huán)境下，WEB應用服務可以實現(xiàn)系統(tǒng)級高可用、應用級高可用、容錯、系統(tǒng)在線遷移、存儲在線遷移、資源動態(tài)負載均衡、虛擬機自動備份等功能。遷移通過重啟虛擬機的方式完成，在遷移的過程中，系統(tǒng)可能會中斷服務幾分鐘。負載均衡功能可以讓用戶的查詢業(yè)務、報表業(yè)務分布在不同虛擬機上執(zhí)行，可有效降低網(wǎng)絡負載，提高系統(tǒng)的可用性。

　　針對如物流控制核心服務等必須連續(xù)運行的應用系統(tǒng)，設計部署在由VMWare管理的服務器虛擬化環(huán)境中，并通過Veritas的InfoScale-Enterprise作為系統(tǒng)無縫切換的集群管理軟件， InfoScale-Enterprise由兩部分組成，一部分是主機及應用端的高可用系統(tǒng)VCS，另外一部分是存儲管理和虛擬化系統(tǒng)Store Foundation。兩者接合，就可以實現(xiàn)存儲到主機再到應用的無任何單一故障的高可用系統(tǒng)，結合VCS GCO選件和InfoScale-Enterprise 的VVR選件，整個系統(tǒng)可以擴展到國家規(guī)定的最高容災標準。

　　Veritas支持應用程序Singleton類型的服務，這些服務只能運行于一個節(jié)點上，當該節(jié)點出現(xiàn)故障時，它將遷移到其它節(jié)點上。例如：與MES的接口，它負責接受來自MES的指令，此類接口一般只活動于一個節(jié)點上。當接口節(jié)點故障，集群管理軟件Veritas能識別其故障，然后將其遷移至第二個節(jié)點上并激活，繼續(xù)接收MES的生產(chǎn)指令，不會造成系統(tǒng)整體故障。

　　針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，設計部署支撐軟件Oracle Real Application Cluster (RAC，實時應用集群)。用于在集群環(huán)境下實現(xiàn)多機共享數(shù)據(jù)，自動實現(xiàn)并行處理及負載均衡，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫在故障時的容錯和無斷點恢復。

　　6.應用軟件冗余

　　系統(tǒng)包含多個關鍵應用軟件，例如：設備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控SCADA，物流調(diào)度與控制系統(tǒng)等。關鍵應用軟件設計部署在多個虛擬機節(jié)點上，在這些虛擬機節(jié)點上，使用分布式緩存技術實時復制數(shù)據(jù)，達到數(shù)據(jù)在多個服務器上同步的目的。貨物的位置信息、設備的運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)在應用軟件部署的多個節(jié)點上實時更新，當某一個節(jié)點故障時，另外一個節(jié)點接管其工作，繼續(xù)處理業(yè)務。

　　四、結語

　　上述物流系統(tǒng)已平穩(wěn)運行近3年，無重大停機事故發(fā)生，實踐證明：在大型自動化物流系統(tǒng)中，通過布局冗余、功能冗余、路徑冗余、硬件冗余、支撐軟件冗余、應用軟件冗余等方法，可顯著提升系統(tǒng)的可靠性、可用性，實現(xiàn)不間斷運行的目標，使系統(tǒng)相關方經(jīng)濟、社會效益最大化。

　　文|紅云紅河煙草(集團)有限責任公司 徐躍明、王磊  昆明昆船物流信息產(chǎn)業(yè)有限公司 姚正亞、王響雷   昆明船舶設備集團有限公司 曾學