复杂系统可靠性与可用性仿真 epub pdf mobi txt 电子书 下载 2024

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内容简介

现代人类社会已经离不开大量互联互通的复杂系统，而这些复杂系统在运行中的可靠性和可用性问题，直接关系到人们的日常生活、经济活动、人身安全甚至社会稳定。复杂系统可靠性和可用性的分析与研究一直是各个行业领域专家们关注的热点问题。传统的解析计算模型和方法越来越难于满足人们对复杂系统研究的需求，而仿真技术在复杂系统的分析方面却体现出越来越大的优势。本书由西班牙纳瓦拉公立大学的Javier Faulin教授等人联合编著。本书内容主要分为三部分：第一部分介绍了系统可靠性、可用性仿真的基本方法；第二部分主要关注于仿真方法在解决系统可靠性问题中的应用；第三部分则重点介绍了仿真方法在分析复杂系统的可用性和维修问题方面的有关应用。本书内容既包含了基本理论和方法，也汇集了大量不同行业领域的应用案例，具有非常好的理论性和示范性，为从事复杂系统可靠性和可用性领域研究的学者们提供了非常有价值的参考。

作者简介

曹军海老师是一名从事有关质量与可靠性、产品检测、认证等方面的研究工作，现在工作于中国人民解放军装甲兵工程学院。

Javier Faulin 是纳瓦拉公立大学（西班牙，潘普洛纳）运筹学和统计学副教授。他还是西班牙国家远程教育大学潘普洛纳中心的助理教授。他拥有纳瓦拉公立大学（西班牙，潘普洛纳）的管理科学和经济学博士学位、西班牙国家远程教育大学（西班牙，马德里）的运营管理、物流和运输硕士学位、以及萨拉戈萨大学（西班牙，萨拉戈萨）的数学硕士学位。他曾在纳瓦拉公立大学、西班牙国家远程教育大学（西班牙，马德里）、加泰罗尼亚开放大学（西班牙，巴塞罗那）和萨里大学（英国，萨里，吉尔福德）推广远程网络教学经验。他的研究兴趣包括物流、车辆路径问题及仿真建模和分析，特别是提高仿真分析在实际应用中的技术。他在国际性期刊、书籍和会刊上出版了50多篇有关物流、路径和仿真方面的期刊论文。同样，他曾教了很多有关运筹学和决策方面的课程，并且是20多名学生的硕士论文学术顾问。另外，他还是100多篇运筹学会议著作的作者。他是《应用管理科学国际杂志》编委会成员以及运筹学和管理学研究协会成员。他的电子邮件地址是：javier.faulin@unavarra.es。

目录

第一部分可靠性和可用性的仿真基本原理
第1章基于蒙特卡洛仿真的可用性评估
1．1引言
1．2仿真方法在研究中的应用
1．2．1子集模拟法
1．2．2线性抽样法
1．3仿真方法比较
1．3．1重要度抽样
1．3．2降维法
1．3．3正交轴线法
1．4应用案例1：断裂面模型
1．4．1力学模型
1．4．2结构可靠性模型
1．4．3案例分析
1．4．4结果分析
1．5应用案例2：热疲劳裂纹增长模型
1．5．1力学模型
1．5．2结构可靠性模型
1．5．3案例分析
1．5．4结果分析
1．6结论和方法的不足
附件1马尔科夫链蒙特卡洛仿真
附件2线性抽样算法
参考文献
第2章动态故障树分析：仿真方法
2．1故障树分析：静态与动态
2．2动态故障树门
2．3静态门向动态门的转换
2．4动态故障树的处理方法
2．5动态故障树模型
2．6数值分析方法
2．6．1PAND门
2．6．2SEQ门
2．6．3SPARE门
2．7动态故障树的蒙特卡洛仿真方法
2．7．1PAND门
2．7．2SPARE门
2．7．3FDEP门
2．7．4SEQ门
2．8应用案例1：典型核电站简易电力（交流）供应系统
2．8．1解析分析方法
2．8．2蒙特卡洛方法
2．9应用案例2：NPP中的反应调节系统
2．10总结
参考文献
第3章静态模型蒙特卡洛可靠性评估路径法的分析与改进
3．1概述
3．2传统蒙特卡洛可靠性的仿真评估
3．3路径法
3．4算法鲁棒性分析
3．5方法改进
3．6随机拟蒙特卡洛加速方法
3．6．1拟蒙特卡洛仿真方法
3．6．2随机拟蒙特卡洛方法
3．6．3静态可靠性问题的方法应用
3．6．4数据结果分析
3．7结论
参考文献
第4章可靠性中的变量生成
4．1随机寿命的生成
4．1．1基于密度算法
4．1．2基于风险分析的方法
4．2随机过程的生成
4．2．1计数过程
4．2．2泊松过程
4．2．3更新过程
4．2．4交替更新过程
4．2．5非齐次泊松过程
4．2．6马尔科夫模型
4．2．7其他转换
4．2．8随机过程生成
4．3协变量生存模型
4．3．1加速寿命模型
4．3．2比例风险模型
4．3．3随机寿命生成
4．4结论和进一步阅读文献
参考文献
第二部分可靠性中的仿真应用
第5章基于仿真的公共基础设施可靠性与预防性维修研究方法
5．1简介
5．2仿真的力量
5．3案例分析
5．3．1突发事件响应
5．3．2桥梁的预防性维修
5．4结论
参考文献
第6章数据集成系统的可靠性模型
6．1简介
6．2数据质量概念
6．2．1新鲜度和精确度定义
6．2．2数据集成系统
6．2．3数据集成系统质量评估
6．3数据集成系统质量管理的可靠性评估
6．3．1数据集成系统中的单一状态质量评估
6．3．2基于可靠性的质量行为模型
6．4用于评估数据集成系统可靠性的蒙特卡洛仿真
6．5总结
参考文献
第7章使用解析性可靠性网络等效技术与时间序列仿真方法的电力分配系统
可靠性评估
7．1简介
7．2基本的配电系统可靠性指标
7．2．1基本的负荷点指标
7．2．2基本的系统指标
7．3解析性可靠性网络等效技术
7．3．1通用供电器的定义
7．3．2通用供电器的基本方程
7．3．3网络可靠性等效
7．3．4评估程序
7．3．5举例
7．4时间序列仿真技术
7．4．1元素模型和参数
7．4．2元素参数的概率分布
7．4．3随机数的生成
7．4．4故障负荷点的确定
7．4．5对重叠时间的考虑
7．4．6可靠性指标及其分布
7．4．7仿真程序
7．4．8停止规则
7．4．9举例
7．4．10负荷点与系统指标
7．4．11负荷点指标的概率分布
7．4．12系统指标的概率分布
7．5总结
参考文献
第8章流程工业可靠性、可用性和维修性仿真的应用：案例分析
8．1简介
8．2可靠性、可用性和维修性分析
8．3流程工业中的可靠性工程
8．4流程工业RAM分析的适用性
8．5当前工作的特点及使用的软件
8．6案例分析
8．6．1天然气处理厂可靠性框图建模
8．6．2故障与修理数据
8．6．3阶段图和可变流量
8．6．4隐蔽与降级故障建模
8．6．5维修建模
8．6．6人员与备件资源
8．6．7结果
8．6．8“坏分子”确定
8．6．9费用分析
8．6．10灵敏度分析
8．7结论
参考文献
第9章离散事件仿真与基于模糊规则的系统在结构可靠性与可用性中的潜在应用
9．1简介
9．2结构可靠性的基本概念
9．3元件级与结构级可靠性
9．4基于概率方法的贡献
9．5解析法与基于仿真的方法
9．6仿真在结构可靠性中的应用
9．7对结构可靠性问题我们所采用的方法
9．8数值示例1：结构可靠性
9．9数值示例2：结构可用性
9．10未来工作：增加基于模糊规则的系统
9．11结论
参考文献
第三部分可用性和维修中的仿真应用
第10章维修人力建模：一个人力系统集成师用于估计人力、人员和培训
需求的工具
10．1简介
10．2IMPRINT人力系统集成和MANPRINT工具
10．3了解维修模块
10．3．1系统数据
10．3．2想定数据
10．4维修建模体系结构
10．4．1静态模型――这一切背后的大脑
10．4．2一个简单示例――汇总
10．5结果
10．6更多的强大功能
10．6．1系统数据导入功能
10．6．2性能调节对修复时间的影响
10．6．3可视化功能
10．7总结
参考文献
第11章蒙特卡洛仿真在海上设施的生产可用性分析中的应用
11．1简介
11．1．1海上设施
11．1．2海上设施的可靠性工程特性
11．1．3海上设施的生产可用性
11．2基于蒙特卡洛仿真的可用性估计
11．3案例研究：生产可用性估计
11．3．1系统功能性描述
11．3．2部件故障与修复率
11．3．3生产重新配置
11．3．4维修策略
11．3．5运行信息
11．3．6蒙特卡洛仿真模型
11．4商业化工具
11．5结论
参考文献
第12章仿真用于可维修多组件系统可靠性评估
12．1面向可用性评估的维修建模
12．2一个模拟复杂维修系统的通用方法
12．3Petri网用于可维修系统建模
12．3．1Petri网基础
12．3．2组件建模
12．3．3系统建模
12．4模型仿真与可靠性性能评估
12．5涡轮增压润滑系统性能评估
12．5．1案例研究的表达
12．5．2可维修系统不可用性的评估
12．5．3其他可靠性分析
12．6结论
参考文献
第13章基于仿真的光学无线通信可用性评估
13．1简介
13．2可用性
13．3可用性估计
13．3．1雾模型
13．3．2雨模型
13．3．3雪模型
13．3．4链路预算
13．3．5通过雾事件仿真进行测量设置和可用性估计
13．3．6通过雨事件仿真进行测量设置和可用性估计
13．3．7通过雪事件仿真进行可用性估计
13．3．8混合网络可用度估计：为了提高可用度
13．3．9仿真效果分析
13．4结论
参考文献
编辑简介
索引

前言/序言

前言

复杂系统和人们的生活息息相关，广泛存在于通信网络、计算机、交通运输、海上设施、核电设施及电子电气设备之中。产品可靠性和可用性（R＆A）对其他性能指标，如质量和安全性，有着重要影响，因此产品可靠性的设计及可用性的确定对于工程设计和管理人员都是一项十分重要的工作。除此之外，由于常用分析手段在处理实时系统时所表现出的复杂性、低效率及不适用性,使得这一问题的解决变得极其困难。

对于复杂系统而言，在其使用过程中的各个阶段，可靠度的精确计算可以使用不同的方法。但遗憾的是，对于高复杂性系统，在规定的时间内获得系统可靠度的精确值将变得十分困难，甚至是不可能完成的工作。同样的问题也存在于特定维修保障方案下的复杂系统可用度的精确计算。对于上述问题，本书作者认为仿真技术，如蒙特卡洛仿真（MCS）和离散事件仿真（DES）将是唯一可用于解决R＆A指标确定问题的有效手段。

本书的主题是通过计算机仿真技术和算法来确定复杂系统可靠性和可用性水平，从而为其在设计和使用阶段的改进与提高提供技术支撑。

硬件或物理设备性能退化，不仅受其使用寿命的影响，而且与其使用强度和环境密切相关。上述硬件设备广泛应用于核电设施、通信网络、计算机系统、轮船和海上设施，以及航空航天等系统中，严酷工作环境所带来的机械强度、化学腐蚀及辐射的影响，将是对产品完整性、稳定性和功能发挥的极大挑战。系统性能的退化不仅存在于硬件系统，该过程也存在于无形系统，如计算软件中。以计算机网络为例，系统工作一段时间后需要定期停机维护，此时需要系统的重新安装，至少系统重启，在此时间段内，主机将暂停服务。最终，在此期间，若系统中任一产品单元（组件或系统、硬件或软件）出现故障，而且没有采取有效的维修策略，系统进程将被取消，系统将停止工作。

可靠性的通常定义是系统或单元在规定条件下和规定时间内无故障地完成规定功能的概率。那么，可用性可定义为系统或单元在一定时间内，在一定维修保障策略和使用条件下完成规定功能的概率。近几十年内，大量与系统维修策略制定和实施相关的工作得到了开展，并且得到了实际应用。当系统某一部件发生故障或将要发生故障，而该部件故障不会对系统故障和状态产生任何影响时，此部件仍将会被维修或者被替换。对于系统管理和设计人员而言，上述维修策略可有效用于短期、中期及长期时效系统可用度的预测，并可用于维修策略改进、单个部件可靠性提高或系统结构发生调整时对系统可用性水平的影响分析。上述过程所获取的信息可确保数据的完整性和安全性，产品的保质期、使用寿命甚至是人的健康预测。总之，上述方法和软件工具的研究具有重要意义，主要表现在：用于支撑系统在某一特定时间内可用状态的预测；为系统可用性的改进和提高提供数据和信息支持。

有不少学者指出，在处理真正的复杂系统时，只有仿真技术，比如MCS，特别是DES，可以用于预测系统的R＆A指标。实际上，仿真已经成为解决许多工程难题的强大工具。相对于解析分析而言，仿真方法更为简单。更为重要的是，仿真能够对真实系统活动的细节进行建模描述。此外，仿真能够准确反映系统内部活动和某一特定部件在此期间表现出的可靠性或可用性水平。但该方法也存在一定的不足，由仿真获得的评估结果是由大量数据统计分析得到的，不是精确值。同时，仿真技术还可用于多阶段系统、部件相关性、非完美维修、部件动态活动的系统R＆A建模分析。同时，基于仿真的复杂系统可用性研究已经开展。实际上，近年来一些用于复杂系统R＆A分析的商业仿真工具已经完成了开发。

任一系统将随着使用期限的增加变得不可靠，而当其不能完成规定功能任务时就被认为系统失效。而致命性的故障将导致严重的经济损失，对人类和环境带来破坏性的影响。因此，系统故障的准确预测被认为是对复杂系统R＆A研究最大的挑战。不管是从重要性还是难度上来看，仿真技术都是独立于传统精确R＆A分析方法之外的有效工具，对于复杂系统分析手段的扩展具有十分重要的意义。

因此，本书涉及了复杂系统的仿真与R＆A，这两个主题通常不会放到一起研究。本书可分为三部分。

第一部分：可靠性和可用性的仿真基本原理。

第二部分：可靠性中的仿真应用。

第三部分：可用性和维修中的仿真应用。

每一部分都包括了不同内容，体现了以下意图：

第一部分：在与R＆A相关的不同理论平台上具体描述一些运行仿真的方法。

第二部分：展示仿真在研究和可靠性决策有关的不同情景中的一些有意义的应用。

第三部分：讨论仿真在研究和可用性决策有关的不同案例中的一些有趣应用。

第一部分提出了一些基于R＆A仿真原理的新应用理论成果，这一部分由四章组成。第1章由Zio和Pedroni撰写，描述一些有趣的使用MCS进行可靠性精确估计的应用。第2章由K�盌urga Rao等撰写，通过仿真建立动态决策诊断树，同时给出了实例。Cancela等在第3章改进了基于路径的蒙特卡洛可靠性评估法。第4章由Leemis撰写，介绍了几类生成变量的仿真方法。这一部分是全书的核心部分，让读者对基于R＆A的仿真有一个全面的认识。

第二部分和第三部分是紧密联系的，这两部分展现了仿真在本书两大主题领域（可靠性和可用性）中的应用。第二部分是关于可靠性的仿真应用，第三部分是关于可用性和维修仿真的一些其他应用。但是，这种分类并不是绝对的，因为这两个方面本来就联系紧密。

第二部分由5章组成，包括一些可靠性仿真的实用案例。因此，第5章给出了系统可靠性和预防性维修仿真的基本框架。在接下来的章节中，Marotta等讨论了数据集成系统中的可靠性模型，对前几章的观点进行了总结归纳。第6章与第7章分别利用解析法和仿真法对电力分配系统可靠性进行了研究，并对结果进行了对比分析。这是本书中最具有创新意义的应用尝试。第8章介绍了用reliasoft软件分析工业制造的过程。第9章主要介绍了使用离散事件仿真和模糊决策方法研究建筑和民用工程领域中的系统可靠性。

第三部分包括4章。第10章介绍了维修保障人员仿真建模方法，相对于某些常规仿真工具描述的维修问题而言将是一个好的应用研究。Kwang Chang等在第11章中给出了一个关于海上设施可用性评估案例应用。Zille等在第12章中阐述了仿真在研究多部件系统维护中的应用。最后，Farukh Nadeem和Erich Leitgeb在第13章中描述了一个可以用来研究光学无线通信可用性的仿真模型。

本书适用于工业工程实践人员（系统工程师和管理人员），以及R＆A领域的研究人员。此外，本书还适用于R＆A研究方向的研究生。

在这里，我们要感谢各个章节的作者，正是他们的齐心协力和对我们咨询的快速回应，才使得这本手册按期完成。我们衷心感谢Springer出版社编辑Anthony Doyle先生的帮助和鼓励。同时，也要感谢包括Claire Protherough先生在内的所有为这本书的出版做出贡献的员工。

Javier Faulin

纳瓦拉公立大学，潘普洛纳，西班牙

Angel A�盝uau

加泰罗尼亚开放大学，巴塞罗那，西班牙

Sebasti�~n Martorell

巴伦西亚理工大学，巴伦西亚，西班牙

Jos′e-Emmanuel Ramírez-M�~rquez

史蒂文斯理工大学，霍博肯，新泽西州，美国

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