內容簡介

現代人類社會已經離不開大量互聯互通的復雜係統，而這些復雜係統在運行中的可靠性和可用性問題，直接關係到人們的日常生活、經濟活動、人身安全甚至社會穩定。復雜係統可靠性和可用性的分析與研究一直是各個行業領域專傢們關注的熱點問題。傳統的解析計算模型和方法越來越難於滿足人們對復雜係統研究的需求，而仿真技術在復雜係統的分析方麵卻體現齣越來越大的優勢。本書由西班牙納瓦拉公立大學的Javier Faulin教授等人聯閤編著。本書內容主要分為三部分：第一部分介紹瞭係統可靠性、可用性仿真的基本方法；第二部分主要關注於仿真方法在解決係統可靠性問題中的應用；第三部分則重點介紹瞭仿真方法在分析復雜係統的可用性和維修問題方麵的有關應用。本書內容既包含瞭基本理論和方法，也匯集瞭大量不同行業領域的應用案例，具有非常好的理論性和示範性，為從事復雜係統可靠性和可用性領域研究的學者們提供瞭非常有價值的參考。

作者簡介

曹軍海老師是一名從事有關質量與可靠性、産品檢測、認證等方麵的研究工作，現在工作於中國人民解放軍裝甲兵工程學院。

Javier Faulin 是納瓦拉公立大學（西班牙，潘普洛納）運籌學和統計學副教授。他還是西班牙國傢遠程教育大學潘普洛納中心的助理教授。他擁有納瓦拉公立大學（西班牙，潘普洛納）的管理科學和經濟學博士學位、西班牙國傢遠程教育大學（西班牙，馬德裏）的運營管理、物流和運輸碩士學位、以及薩拉戈薩大學（西班牙，薩拉戈薩）的數學碩士學位。他曾在納瓦拉公立大學、西班牙國傢遠程教育大學（西班牙，馬德裏）、加泰羅尼亞開放大學（西班牙，巴塞羅那）和薩裏大學（英國，薩裏，吉爾福德）推廣遠程網絡教學經驗。他的研究興趣包括物流、車輛路徑問題及仿真建模和分析，特彆是提高仿真分析在實際應用中的技術。他在國際性期刊、書籍和會刊上齣版瞭50多篇有關物流、路徑和仿真方麵的期刊論文。同樣，他曾教瞭很多有關運籌學和決策方麵的課程，並且是20多名學生的碩士論文學術顧問。另外，他還是100多篇運籌學會議著作的作者。他是《應用管理科學國際雜誌》編委會成員以及運籌學和管理學研究協會成員。他的電子郵件地址是：javier.faulin@unavarra.es。

目錄

第一部分可靠性和可用性的仿真基本原理
第1章基於濛特卡洛仿真的可用性評估
1．1引言
1．2仿真方法在研究中的應用
1．2．1子集模擬法
1．2．2綫性抽樣法
1．3仿真方法比較
1．3．1重要度抽樣
1．3．2降維法
1．3．3正交軸綫法
1．4應用案例1：斷裂麵模型
1．4．1力學模型
1．4．2結構可靠性模型
1．4．3案例分析
1．4．4結果分析
1．5應用案例2：熱疲勞裂紋增長模型
1．5．1力學模型
1．5．2結構可靠性模型
1．5．3案例分析
1．5．4結果分析
1．6結論和方法的不足
附件1馬爾科夫鏈濛特卡洛仿真
附件2綫性抽樣算法
參考文獻
第2章動態故障樹分析：仿真方法
2．1故障樹分析：靜態與動態
2．2動態故障樹門
2．3靜態門嚮動態門的轉換
2．4動態故障樹的處理方法
2．5動態故障樹模型
2．6數值分析方法
2．6．1PAND門
2．6．2SEQ門
2．6．3SPARE門
2．7動態故障樹的濛特卡洛仿真方法
2．7．1PAND門
2．7．2SPARE門
2．7．3FDEP門
2．7．4SEQ門
2．8應用案例1：典型核電站簡易電力（交流）供應係統
2．8．1解析分析方法
2．8．2濛特卡洛方法
2．9應用案例2：NPP中的反應調節係統
2．10總結
參考文獻
第3章靜態模型濛特卡洛可靠性評估路徑法的分析與改進
3．1概述
3．2傳統濛特卡洛可靠性的仿真評估
3．3路徑法
3．4算法魯棒性分析
3．5方法改進
3．6隨機擬濛特卡洛加速方法
3．6．1擬濛特卡洛仿真方法
3．6．2隨機擬濛特卡洛方法
3．6．3靜態可靠性問題的方法應用
3．6．4數據結果分析
3．7結論
參考文獻
第4章可靠性中的變量生成
4．1隨機壽命的生成
4．1．1基於密度算法
4．1．2基於風險分析的方法
4．2隨機過程的生成
4．2．1計數過程
4．2．2泊鬆過程
4．2．3更新過程
4．2．4交替更新過程
4．2．5非齊次泊鬆過程
4．2．6馬爾科夫模型
4．2．7其他轉換
4．2．8隨機過程生成
4．3協變量生存模型
4．3．1加速壽命模型
4．3．2比例風險模型
4．3．3隨機壽命生成
4．4結論和進一步閱讀文獻
參考文獻
第二部分可靠性中的仿真應用
第5章基於仿真的公共基礎設施可靠性與預防性維修研究方法
5．1簡介
5．2仿真的力量
5．3案例分析
5．3．1突發事件響應
5．3．2橋梁的預防性維修
5．4結論
參考文獻
第6章數據集成係統的可靠性模型
6．1簡介
6．2數據質量概念
6．2．1新鮮度和精確度定義
6．2．2數據集成係統
6．2．3數據集成係統質量評估
6．3數據集成係統質量管理的可靠性評估
6．3．1數據集成係統中的單一狀態質量評估
6．3．2基於可靠性的質量行為模型
6．4用於評估數據集成係統可靠性的濛特卡洛仿真
6．5總結
參考文獻
第7章使用解析性可靠性網絡等效技術與時間序列仿真方法的電力分配係統
可靠性評估
7．1簡介
7．2基本的配電係統可靠性指標
7．2．1基本的負荷點指標
7．2．2基本的係統指標
7．3解析性可靠性網絡等效技術
7．3．1通用供電器的定義
7．3．2通用供電器的基本方程
7．3．3網絡可靠性等效
7．3．4評估程序
7．3．5舉例
7．4時間序列仿真技術
7．4．1元素模型和參數
7．4．2元素參數的概率分布
7．4．3隨機數的生成
7．4．4故障負荷點的確定
7．4．5對重疊時間的考慮
7．4．6可靠性指標及其分布
7．4．7仿真程序
7．4．8停止規則
7．4．9舉例
7．4．10負荷點與係統指標
7．4．11負荷點指標的概率分布
7．4．12係統指標的概率分布
7．5總結
參考文獻
第8章流程工業可靠性、可用性和維修性仿真的應用：案例分析
8．1簡介
8．2可靠性、可用性和維修性分析
8．3流程工業中的可靠性工程
8．4流程工業RAM分析的適用性
8．5當前工作的特點及使用的軟件
8．6案例分析
8．6．1天然氣處理廠可靠性框圖建模
8．6．2故障與修理數據
8．6．3階段圖和可變流量
8．6．4隱蔽與降級故障建模
8．6．5維修建模
8．6．6人員與備件資源
8．6．7結果
8．6．8“壞分子”確定
8．6．9費用分析
8．6．10靈敏度分析
8．7結論
參考文獻
第9章離散事件仿真與基於模糊規則的係統在結構可靠性與可用性中的潛在應用
9．1簡介
9．2結構可靠性的基本概念
9．3元件級與結構級可靠性
9．4基於概率方法的貢獻
9．5解析法與基於仿真的方法
9．6仿真在結構可靠性中的應用
9．7對結構可靠性問題我們所采用的方法
9．8數值示例1：結構可靠性
9．9數值示例2：結構可用性
9．10未來工作：增加基於模糊規則的係統
9．11結論
參考文獻
第三部分可用性和維修中的仿真應用
第10章維修人力建模：一個人力係統集成師用於估計人力、人員和培訓
需求的工具
10．1簡介
10．2IMPRINT人力係統集成和MANPRINT工具
10．3瞭解維修模塊
10．3．1係統數據
10．3．2想定數據
10．4維修建模體係結構
10．4．1靜態模型――這一切背後的大腦
10．4．2一個簡單示例――匯總
10．5結果
10．6更多的強大功能
10．6．1係統數據導入功能
10．6．2性能調節對修復時間的影響
10．6．3可視化功能
10．7總結
參考文獻
第11章濛特卡洛仿真在海上設施的生産可用性分析中的應用
11．1簡介
11．1．1海上設施
11．1．2海上設施的可靠性工程特性
11．1．3海上設施的生産可用性
11．2基於濛特卡洛仿真的可用性估計
11．3案例研究：生産可用性估計
11．3．1係統功能性描述
11．3．2部件故障與修復率
11．3．3生産重新配置
11．3．4維修策略
11．3．5運行信息
11．3．6濛特卡洛仿真模型
11．4商業化工具
11．5結論
參考文獻
第12章仿真用於可維修多組件係統可靠性評估
12．1麵嚮可用性評估的維修建模
12．2一個模擬復雜維修係統的通用方法
12．3Petri網用於可維修係統建模
12．3．1Petri網基礎
12．3．2組件建模
12．3．3係統建模
12．4模型仿真與可靠性性能評估
12．5渦輪增壓潤滑係統性能評估
12．5．1案例研究的錶達
12．5．2可維修係統不可用性的評估
12．5．3其他可靠性分析
12．6結論
參考文獻
第13章基於仿真的光學無綫通信可用性評估
13．1簡介
13．2可用性
13．3可用性估計
13．3．1霧模型
13．3．2雨模型
13．3．3雪模型
13．3．4鏈路預算
13．3．5通過霧事件仿真進行測量設置和可用性估計
13．3．6通過雨事件仿真進行測量設置和可用性估計
13．3．7通過雪事件仿真進行可用性估計
13．3．8混閤網絡可用度估計：為瞭提高可用度
13．3．9仿真效果分析
13．4結論
參考文獻
編輯簡介
索引

前言/序言

前言

復雜係統和人們的生活息息相關，廣泛存在於通信網絡、計算機、交通運輸、海上設施、核電設施及電子電氣設備之中。産品可靠性和可用性（R＆A）對其他性能指標，如質量和安全性，有著重要影響，因此産品可靠性的設計及可用性的確定對於工程設計和管理人員都是一項十分重要的工作。除此之外，由於常用分析手段在處理實時係統時所錶現齣的復雜性、低效率及不適用性,使得這一問題的解決變得極其睏難。

對於復雜係統而言，在其使用過程中的各個階段，可靠度的精確計算可以使用不同的方法。但遺憾的是，對於高復雜性係統，在規定的時間內獲得係統可靠度的精確值將變得十分睏難，甚至是不可能完成的工作。同樣的問題也存在於特定維修保障方案下的復雜係統可用度的精確計算。對於上述問題，本書作者認為仿真技術，如濛特卡洛仿真（MCS）和離散事件仿真（DES）將是唯一可用於解決R＆A指標確定問題的有效手段。

本書的主題是通過計算機仿真技術和算法來確定復雜係統可靠性和可用性水平，從而為其在設計和使用階段的改進與提高提供技術支撐。

硬件或物理設備性能退化，不僅受其使用壽命的影響，而且與其使用強度和環境密切相關。上述硬件設備廣泛應用於核電設施、通信網絡、計算機係統、輪船和海上設施，以及航空航天等係統中，嚴酷工作環境所帶來的機械強度、化學腐蝕及輻射的影響，將是對産品完整性、穩定性和功能發揮的極大挑戰。係統性能的退化不僅存在於硬件係統，該過程也存在於無形係統，如計算軟件中。以計算機網絡為例，係統工作一段時間後需要定期停機維護，此時需要係統的重新安裝，至少係統重啓，在此時間段內，主機將暫停服務。最終，在此期間，若係統中任一産品單元（組件或係統、硬件或軟件）齣現故障，而且沒有采取有效的維修策略，係統進程將被取消，係統將停止工作。

可靠性的通常定義是係統或單元在規定條件下和規定時間內無故障地完成規定功能的概率。那麼，可用性可定義為係統或單元在一定時間內，在一定維修保障策略和使用條件下完成規定功能的概率。近幾十年內，大量與係統維修策略製定和實施相關的工作得到瞭開展，並且得到瞭實際應用。當係統某一部件發生故障或將要發生故障，而該部件故障不會對係統故障和狀態産生任何影響時，此部件仍將會被維修或者被替換。對於係統管理和設計人員而言，上述維修策略可有效用於短期、中期及長期時效係統可用度的預測，並可用於維修策略改進、單個部件可靠性提高或係統結構發生調整時對係統可用性水平的影響分析。上述過程所獲取的信息可確保數據的完整性和安全性，産品的保質期、使用壽命甚至是人的健康預測。總之，上述方法和軟件工具的研究具有重要意義，主要錶現在：用於支撐係統在某一特定時間內可用狀態的預測；為係統可用性的改進和提高提供數據和信息支持。

有不少學者指齣，在處理真正的復雜係統時，隻有仿真技術，比如MCS，特彆是DES，可以用於預測係統的R＆A指標。實際上，仿真已經成為解決許多工程難題的強大工具。相對於解析分析而言，仿真方法更為簡單。更為重要的是，仿真能夠對真實係統活動的細節進行建模描述。此外，仿真能夠準確反映係統內部活動和某一特定部件在此期間錶現齣的可靠性或可用性水平。但該方法也存在一定的不足，由仿真獲得的評估結果是由大量數據統計分析得到的，不是精確值。同時，仿真技術還可用於多階段係統、部件相關性、非完美維修、部件動態活動的係統R＆A建模分析。同時，基於仿真的復雜係統可用性研究已經開展。實際上，近年來一些用於復雜係統R＆A分析的商業仿真工具已經完成瞭開發。

任一係統將隨著使用期限的增加變得不可靠，而當其不能完成規定功能任務時就被認為係統失效。而緻命性的故障將導緻嚴重的經濟損失，對人類和環境帶來破壞性的影響。因此，係統故障的準確預測被認為是對復雜係統R＆A研究最大的挑戰。不管是從重要性還是難度上來看，仿真技術都是獨立於傳統精確R＆A分析方法之外的有效工具，對於復雜係統分析手段的擴展具有十分重要的意義。

因此，本書涉及瞭復雜係統的仿真與R＆A，這兩個主題通常不會放到一起研究。本書可分為三部分。

第一部分：可靠性和可用性的仿真基本原理。

第二部分：可靠性中的仿真應用。

第三部分：可用性和維修中的仿真應用。

每一部分都包括瞭不同內容，體現瞭以下意圖：

第一部分：在與R＆A相關的不同理論平颱上具體描述一些運行仿真的方法。

第二部分：展示仿真在研究和可靠性決策有關的不同情景中的一些有意義的應用。

第三部分：討論仿真在研究和可用性決策有關的不同案例中的一些有趣應用。

第一部分提齣瞭一些基於R＆A仿真原理的新應用理論成果，這一部分由四章組成。第1章由Zio和Pedroni撰寫，描述一些有趣的使用MCS進行可靠性精確估計的應用。第2章由K�盌urga Rao等撰寫，通過仿真建立動態決策診斷樹，同時給齣瞭實例。Cancela等在第3章改進瞭基於路徑的濛特卡洛可靠性評估法。第4章由Leemis撰寫，介紹瞭幾類生成變量的仿真方法。這一部分是全書的核心部分，讓讀者對基於R＆A的仿真有一個全麵的認識。

第二部分和第三部分是緊密聯係的，這兩部分展現瞭仿真在本書兩大主題領域（可靠性和可用性）中的應用。第二部分是關於可靠性的仿真應用，第三部分是關於可用性和維修仿真的一些其他應用。但是，這種分類並不是絕對的，因為這兩個方麵本來就聯係緊密。

第二部分由5章組成，包括一些可靠性仿真的實用案例。因此，第5章給齣瞭係統可靠性和預防性維修仿真的基本框架。在接下來的章節中，Marotta等討論瞭數據集成係統中的可靠性模型，對前幾章的觀點進行瞭總結歸納。第6章與第7章分彆利用解析法和仿真法對電力分配係統可靠性進行瞭研究，並對結果進行瞭對比分析。這是本書中最具有創新意義的應用嘗試。第8章介紹瞭用reliasoft軟件分析工業製造的過程。第9章主要介紹瞭使用離散事件仿真和模糊決策方法研究建築和民用工程領域中的係統可靠性。

第三部分包括4章。第10章介紹瞭維修保障人員仿真建模方法，相對於某些常規仿真工具描述的維修問題而言將是一個好的應用研究。Kwang Chang等在第11章中給齣瞭一個關於海上設施可用性評估案例應用。Zille等在第12章中闡述瞭仿真在研究多部件係統維護中的應用。最後，Farukh Nadeem和Erich Leitgeb在第13章中描述瞭一個可以用來研究光學無綫通信可用性的仿真模型。

本書適用於工業工程實踐人員（係統工程師和管理人員），以及R＆A領域的研究人員。此外，本書還適用於R＆A研究方嚮的研究生。

在這裏，我們要感謝各個章節的作者，正是他們的齊心協力和對我們谘詢的快速迴應，纔使得這本手冊按期完成。我們衷心感謝Springer齣版社編輯Anthony Doyle先生的幫助和鼓勵。同時，也要感謝包括Claire Protherough先生在內的所有為這本書的齣版做齣貢獻的員工。

Javier Faulin

納瓦拉公立大學，潘普洛納，西班牙

Angel A�盝uau

加泰羅尼亞開放大學，巴塞羅那，西班牙

Sebasti�~n Martorell

巴倫西亞理工大學，巴倫西亞，西班牙

Jos′e-Emmanuel Ramírez-M�~rquez

史蒂文斯理工大學，霍博肯，新澤西州，美國

非常棒~~~~~很好用的~~~~~~

學習～！！！

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