Approximate computing of reliability characteristics of some reserved systems
Full text
(2) Припускається , що інтенсивність відмов 1 1 елементів мала в порівнянні з і , TB Ti 1 ≤ i ≤ L , і може бути представлена в виді λ (i ) * ε для основних елементів і a * λ (i ) * ε - для резервних, де ε - деякий малий параметр , 0 ≤ a ≤ 1 , 0 ≤ i ≤ L - номер проміжка між контролями. В цих припущеннях для коефіцієнта готов-. ності системи була виведена формула: ⎛ KГ =1− ⎜ ⎝. с. ⎞ k +1 k +1 ⎟ * ε + ο(ε ) . (1) T ∑ i =0 i ⎠ L. Коефіцієнт c в (1) оцінюється за методом Монте-Карло на основі алгоритму, який задається формулою. k +1 (k + 2) ⎛ T0 ⎪⎧ ⎞ (0) T0 λ + β0 ⎟ + c = M ⎨ I (ν 0 = k + 1)λ (0) ... 0 k ⎜ ( k + 1)! ⎝ k + 2 ⎠ ⎪⎩ L. + ∑ I (ν 0 < k + 1, ν1 < k + 1 − ν 0 ,...,ν s −1 < k + 1 − ν s − 2 , α1 = T1 ,..., α s −1 = Ts −1 ) × s =1. (0) (1) (1) (s) (s) ×λ (0) 0 ...λ ν0 −1λ ν 0 ...λ ν1 −1 ...λ ν s −1 ...λ k. ×. T0ν0 ( k + 2) T1ν1 −ν0 (k + 2 − ν 0 ) Tsν−s1−1 −ν s−2 (k + 2 − ν s − 2 ) * ... × ν0 ! (ν1 − ν 0 )! (ν s −1 − ν s − 2 )!. ⎛ ⎞ α ks +1−ν s−1 (k + 2 − ν s −1 ) ⎡ αs α ks + 2 −ν s−1 ⎤ ⎫⎪ ν = + − ν α = + β + α < I ( k 1 , T ) I ( T ) ⎢ s ⎥⎬ .(2) s −1 s s ⎜ s⎟ s s ( k + 1 − ν s −1 )! (k + 2 − ν s −1 )!⎥⎦ ⎪⎭ ⎢⎣ ⎝ k + 2 − ν s −1 ⎠. Тут I ( A) – індикатор події A , ν 0 – випадко- вірностями значень ν r −1 , ν r −1 +1, ... , k+1- ν r −1 , ва величина, що набуває з рівними ймовірнос- якщо α r = Tr , , і ν r = k + 1 − ν r −1 в протилежному тями значень 0,1,..., k + 1, ν r ,1 ≤ r ≤ L − 1 - випавипадку, ν L ≡ k + 1 − ν L −1, дкові величини, що набувають з рівними ймоr −1 r −1 r −1 r −1 ⎧ ⎫ (3) α r = min ⎨Tr , η1 − ∑ Tl ,...,ηµ0 − ∑ Tl , ηµ0 +1 − ∑ Tl ,..., ηµ1 − ∑ Tl ,..., ηµr −2 +1 ,..., ηµr −1 ⎬ , 1 ≤ r ≤ L, l =1 l =1 l =2 l =2 ⎩ ⎭ β0 = min {η1 ,..., ηm } , r r r r ⎧ ⎫ βr = min ⎨η1 − ∑ Tl ,...,ηµ0 − ∑ Tl , ηµ0 +1 − ∑ Tl ,..., ηµ1 − ∑ Tl ,..., ηµr −2 +1 − Tr ,..., ηµr −1 − Tr , ηµr −1 +1 ,..., ηm ⎬ , l =1 l =1 l =2 l =2 ⎩ ⎭. 1 ≤ r ≤ L − 1,. (4). β L ≡ 0, де λ i( r ) = [(n − k ) + a(k − i )]λ ( r ) , 0 ≤ i ≤ k , дку результат реалізації випадкової величини, що стоїть під знаком математичного сподівання 0 ≤ r ≤ L ; ηi , 1 ≤ i ≤ m - незалежні випадкові в (2), буде дорівнювати першому доданку. величини з розподілом G ( x) ; µi = min(ν i , m), Якщо ж ν 0 < k + 1 , то результат реалізації 0 ≤ i ≤ L − 1 ; якщо при деякому i буде µi = m , (початково рівний одиниці) помножається на то ηr з номерами r > µi в формулах (3) і (4) (0) T0 λ (0) (k +2) реалізується µ0 = min(ν 0 , m) 0 ...λ k ν0 ! відсутні. Алгоритм моделювання більш детально по- незалежних випадкових величин η ,..., η і пе1 µ0 лягає в наступному: розігрується випадкова величина ν 0 – число відмов елементів на проміж- ревіряється умова α1 < T1 , що означає, що хоча ку (0; T0 ) . Якщо ν 0 = k + 1 , тобто система від- б один з елементів, які відмовили на проміжку (0; T0 ) , встигне відновитися за час T1 . Якщо мовила до моменту T0 , то реалізується m випаα1 < T1 , то результат реалізації помножається на дкових величин η1 ,..., ηm (тривалості відновлення елементів, що відмовили). В цьому випа187.
(3) α1k + 2−ν0 , і реалізація закінчується. В про(k + 2 − ν 0 )! тилежному випадку розігрується випадкова величина ν1 (ν1-ν0 – число елементів, що відмовили на проміжку (T0 ; T0 + T1 ) ) і т. д. до тих пір, поки на ( j -му) проміжку не відбудеться подія. {α. j. < T j } ∪ {ν j = k + 1 − ν j −1} (на L -му проміжку. покладаємо ν L = k + 1 − ν L −1 ), і результат реалізації кожного разу помножаємо на відповідний множник. Описаний алгоритм представляє собою не що інше, як реалізацію події, що відповідає відмові системи «по монотонному ланцюгу», прийом, який вперше був застосований Коваленком І. М. Процес функціонування системи представляє собою регенеруючий процес [6], моменти відновлення якого співпадають з моментами профілактики. На основі цього алгоритму було створено програмне забезпечення для наближеного обчислення коефіцієнта готовності на мові C + + у випадках, коли час відновлення елементів має розподіл Ерланга k -го порядку, рівномірний, нормальний та Вейбулла. Окрім того, для математичної моделі функціонування системи з плинним гарячим резервом і довільним характером відновлення елементів [3], яка основана на побудові відповідного вкладеного ланцюга Маркова і для якої з’ясовані умови, що допускають використання граничних теорем теорії ймовірностей для отримання асимптотичних оцінок різних характеристик надійності [4, 5], створено програмне забезпечення, яке дозволяє наближено обчислювати граничні ймовірності попадання процесу, який описує роботу системи, в множину станів відмови. В [3] припускається, що система складається із m − l основних і l резервних елементів. Якщо в момент часу t в системі є νt = ν (ν = 0,..., l ) , елементів, що відмовили, то з ймовірністю p (ν, ν + 1; ∆t ) = Λ ν ∆t + ο(∆t ) система за час (t , t + ∆t ), ∆t → 0 , переходить у стан ν + 1 ( ν(t − 0) = ν (t ) ). Одночасно можуть відновлюватися не більш ніж k , k ≤ l , елементів, що відмовили; тривалості відновлення кожного з елементів η1 , η2 ,... взаємно незалежні і однаково розподілені з P{ηs ≤ x} = G ( x), s = 1, 2,... , причому функція розподілу G ( x) має скінченні моменти. ∞. mi = ∫ xi dG ( x), i = 1, 2.. Нехай. 0. Λ ν =aν λ(ν=0,..., l +1) , де Λ l +1 = 0, aν = const. Асимптотичні значення показників надійності системи знаходяться при λ → 0 . Зміна станів νt системи описується кусковолінійним процесом ξt = {ν t , ηνt 1 , ηνt 2 ,..., ηνt νt } , t ≥ 0 , де ηνt 1 – перший після моменту t момент зміни компоненти νu за умови, що після t відмови в системі припиняться (при νt = 0 компоненти ηνt 1 , ηνt 2 не визначені). Еволюція розподілу ймовірностей випадкового процесу ξt визначається наступною схемою зміни компонент. На інтервалі [t , t + ηνt 1 ) компоненти ηνt 1 , ηνt 2 ,..., ηνt min( νt , k ) спадають з одиничною швидкістю, а компоненти ηνt i (i = min(ν t , k ),..., ν t ) представляють собою взаємо незалежні і однаково розподілені випадкові величини з P{ηνt i ≤ x} = G ( x) , розподіл яких на [t , t + ηνt 1 ) не зміниться. Якщо за час [t , t + ηνt 1 ) не виникають додаткові відмови, то при νt ≥ k + 1 в момент τ , τ = t + ηνt 1 ) система з ймовірністю 1 переходить в стан ξτ = {ν τ , ην τ 1 , ηντ 2 ,..., ηντντ } , де ν τ = νt − 1; ηντ 1 = min{η1 , min{ηνt 2 ,..., ηνt k } − ηνt 1};. (5). P{η1 ≤ x} = G ( x) , а сукупність випадкових величин ηντ 2 ,..., ηντ k співпадає з сукупністю η1 , ηνt 2 − ηνt 1 ,..., ηνt k − ηνt 1 , в яку не входить. компонента з номером i , що визначається умовою (5); компоненти ηντ k ,..., ηντν τ - взаємо незалежні випадкові величини з P{ηντ j ≤ x} = G ( x), j = k + 1,..., ν t .При νt ≤ k компоненти випадкового вектора ξτ визначаються аналогічно, різниця в тому, що в ξτ відсутні компоненти з номерами k , k + 1,...: ηντ j = ηνt j +1 − ηνt 1 . Якщо в момент τ, t < τ < t + ηνt 1 сталася відмова, то система з. ймовірністю 1 переходить в стан ξτ = {ν t + 1, ηντ 1 , ηντ 2 ,..., ηντντ } , де ν τ = ν t + 1 , а компоненти ηντ 1,... наступним чином виража-. 188.
(4) ються через компоненти вектора νt ≤ k − 1 ηνt 1 = min{η1 , ηνt 1 − τ + t} ,. ξt : при де. P{η1 ≤ x} = G ( x), а значення інших компонент ηντi ,..., i ≥ 2 співпадають з відповідними зна-. ченнями компонент max(η1 , ηνt 1 − τ + t ), ηνt i − τ + t , i ≥ 2 ; при k ≤ νt вектор ξτ визначається рівністю. ξτ = {ν t + 1, ηντ 1 − τ + t , ηντ 2 − τ + t ,..., ηντ k − τ + t , ηντ k +1 ,..., ην τν τ , η1},. де P{ηνt k + j ≤ x} = P{η1 ≤ x} = G ( x), j = 1,..., ν t − k . В силу експоненціальності розподілу часу безвідмовної роботи елементів умовний розподіл ймовірностей випадкового вектора ξt при відомому значенні вектора ξt −t0 не залежить відзначень векторів ξt −t1 ,..., ξt −tn при t0 < t1 < ... < tn і. нерації якого можуть бути прийняті моменти tm переходу компоненти в нульовий стан: ν(tm − 0) > 0, ν (tm + 0) = 0, tm < tm +1 , m = 1, 2,... Регенеруючий процес ξt задовольняє умовам відомої теореми Сміта [6], що забезпечує існування ергодичного розподілу ймовірностей. тому випадковий процес ξt є однорідним марківським випадковим процесом, в якості регеP0 = lim P{ν (t ) = 0}, Pi ( x1 ,..., xi ) = lim P{ν t = i, ηνt j ≤ x j , j = 1,..., i}, i = 1,..., l + 1,0 < x1 ,..., xi < ∞. t →∞. t →∞. При λ → 0 для будь-якої множини A станів відмови рівномірно по t , t > 0 виконуються наступні граничні співвідношення:. із стану ν j в стан ν j+1 в результаті відмови i-го. P ( A, t ) → exp(− a (λ)t ); P0 ( A, t ) → exp(−a(λ )t );. відмовним. Для кожних двох послідовних станів ν j , ν j+1 визначається функція. (6). i0. P ( A) → d 0 λ , де P ( A, t ) – ймовірність того, що в стаціонарному режимі на інтервалі часу (t0 , t0 + t ) система жодного разу не попала в стан множини A ; P0 ( A, t ) – ймовірність тієї ж події при умові, що ν 0 = 0; P ( A) = lim P (ν t ∈ A). t →∞. Показник a(λ) (6) і ймовірність P ( A) допускають розклад в степеневі ряди по параметру λ ( 0 < λ < λ 0 = const, де λ 0 = (m1 max aν ) −1 ): ν. a(λ ) = c0 λ i0 + c1λ i0 +1 + ...; P ( A) = d 0 λ i0 + d1λ i0 + ...,. (7). при цьому для будь-яких двох станів ν j , ν j +1 або ймовірність pν j ν j+1 переходу із стану ν j в стан ν j +1 за час ην j 1 додатна , або хоча б для одного i додатна ймовірність. pν j ν j +1 > 0, ⎧0, якщо ⎪ ρ j = ρ(ν j , ν j +1 ) = ⎨ pν(ij)ν j+1 > 0. ⎪⎩1, якщо max i Якщо для вибраного значення i0 множина ланцюгів S , що задовольняють умовам 1 і 2 і n. умові [∑ ρ j = i0 ], пуста, то це означає, що j =0. a(λ ) = ο(λ i0 ) і необхідно перевірити, чи виконуються для числа i0 + 1 умови 1 і 2 і умова n. де коефіцієнти c0 , d 0 і ціле додатне число i0 визначаються за наступним алгоритмом. Вибираються ланцюги S = (ν 0 , ν1 ,..., ν n ν n +1 ) станів компоненти νt випадкового процесу ξt , t ≥ 0, що задовольняють наступним умовам: 1) ν 0 = ν n +1 = 0, ν j ≠ 0 для всіх j ,1 ≤ j ≤ n. pν(ij)ν j +1. з елементів; 2) хоча б однин із станів ν j ,1 ≤ j ≤ n, є. переходу. ∑ ρ j = i0 + 1. j =0. Показник i0 в розкладі (7) дорів-. нює мінімальному цілому числу, для якого існує хоча б один ланцюг станів S = (ν 0 , ν1 ,..., ν n , ν n +1 ), що задовольняє умовам n. 1,2 і умові i0 = ∑ ρ j . Нехай Vn ( n = 1, 2,... ) суj =0. купність усіх ланцюгів S = (ν 0 , ν1 ,..., ν n , ν n +1 ) довжини n + 2 , для яких при визначеному вище значенні i0 виконуються умови 1,2 і умова n. i0 = ∑ ρ j . j =0. Для кожного ланцюга S = (ν 0 , ν1 ,..., ν n , ν n +1 ) покладемо. 189.
(5) b j = ∑ pν(ij)ν j +1 , j = 0...n,. де індекс i пробігає всі номера справних в стані ν j елементів, в результаті відмови будьякого з них система переходить із стану ν j в стан ν j+1. Тепер покладають для кожного ланцюга S ∈ Vn ⎛ ⎞⎛ ⎞ c0 ( S ) = ⎜ ∏ b j ⎟⎜ ∏ ρν j ν j +1 ⎟ B ( S ) (9) ⎜ ρ >0 ⎟⎜ ρ =0 ⎟ ⎝ j ⎠⎝ j ⎠ [множник B ( S ) визначається рівністю (11)]. Тоді коефіцієнт c0 в розкладі (7) параметра a(λ ) визначається співвідношенням c0 = ∑ ∑ c0 ( S ),. (10). n ≥1 S∈Vn. В (10) свою чергу, величина B( S ) виражається як математичне сподівання добутку випадкових величин ην j ν j+1 , j = 1, 2,...: B ( S ) = M ∏ ην j ν j +1 ,. (11). j ≥1 ρ j >0. сумісний розподіл ймовірностей яких повністю визначається видом ланцюга S = (ν 0 , ν1 ,..., ν n , ν n +1 ) , S ∈ Vn . Послідовність випадкових величин ηi ,i +1 , i = 1, 2,..., l + 2, яка відповідає ланцюгу станів S = (0,1, 2,..., l , l + 1, l , l − 1,..., 2,1,0), будується за рекурентними формулами: η1,2 = η1 , ηi ,i +1 = min(ηi , ξi −1ηi −1,i ), i = 2...k ; ηk + j ,k + j +1 = ξ k − j +1ηk + j −1,k + j , j = 1,..., l + 1 − k ; ηl + 2,l +3 = min(ηl +1 , ηl ,l +1 − ηl +1,l + 2 ).. (12). В (12) ηi , i = 1,..., l + 1, взаємонезалежні однаково розподілені випадкові величини з P(ηi ≤ x) = G ( x); ξi , i = 1,..., l взаємно незалежні рівномірно розподілені на відрізку (0,1) випадкові величини. Величина d 0 визначається із співвідношень (13), (14): d 0 = ∑ d 0 ( S ), n ≥1. ⎛ ⎞⎛ ⎞ d 0 ( S ) = ⎜ ∏ b j ⎟⎜ ∏ pν j ν j +1 ⎟ T ( S ) , (13) ⎜ ρ >0 ⎟⎜ ρ =0 ⎟ ⎝ j ⎠⎝ j ⎠ ⎧⎪ ⎫⎪ (14) T ( S ) = ∑ M ⎨ην j ν j+1 ∏ ην s ν s+1 ⎬ . ν j ∈A ρs >0 ⎪⎩ ⎪⎭ В нашому випадку множина Vn містить лише один ланцюг S , при цьому i0 = l + 1 :. S = (ν 0 , ν1 ,..., ν l , ν l +1 , ν l + 2 ,..., ν 2l + 2 , ν 2l + 3 ) =. 190. = (0,1, 2,..., l , l + 1, l , l − 1,..., 2,1,0),. (8). i. (15). оскільки, по-перше, ланцюг (15) належить множині V2l +3 і, по-друге, кожному ланцюгу S `, що задовольняє одну із умов: а) ν j = ν j ` (для деяких індексів j , j `≠ j ), б) ν j ≥ l + 2 (хоча б для одного індексу j), відповідає значення ∑ ρ j ≥ l + 2. Звідси випливає, що i0 = l + 1 . ν j ∈S `. Для ланцюга (15), враховуючи (9), b j = ∑ pν(ij)ν j +1 = a j , j = 0...l , i. оскільки ν j → ν j+1 в. ймовірність результаті. pν(ij)ν j +1 переходу. відмови. i. -го. із. m − ν j = m − j справних в стані ν j елементів дорівнює 1 для усіх i, i = 1,..., m − j. Очевидно також, що pν j ν j +1 = 1 для всіх j = l + 1,..., 2l + 2. Із (8) та (9) випливає B ( S ) = M η1,2 η2,3 ...ηl ,l +1 = = M η1,2 η2,3 ...ηk −1,k ηlk−,kk+1+1M ξ k ξ k +1...ξl = = 2k −l −1 M η1,2 η2,3 ...ηk −1,k ηlk−,kk+1+ 2 . Аналогічно з (11) випливає T ( S ) = 2k −l − 2 M η1,2 η2,3 ...ηk −1, k ηlk−,kk+1+1 , де випадкові величини ηi ,i +1 , i = 1,..., l + 2, визначаються співвідношеннями (12). Створене програмне забезпечення дозволяє наближено обчислювати граничні ймовірності попадання процесу в множину станів відмови P ( A) = lim P (ν t ∈ A) , t →∞. де, як уже відмічалось, ν t - стан системи в момент часу t , A - множина станів відмови системи. Правильність роботи програмного забезпечення була перевірена на окремих випадках, для яких існують аналітичні оцінки ймовірності P( A) [3] (наприклад, час відновлення елементів, що вийшли з ладу, постійний або має рівномірний розподіл в деякому інтервалі). В програмному забезпеченні використовуються розподіли часу відновлення елементів Ерланга k -го порядку, Вейбулла, гаммарозподіл, бета-розподіл, але є можливість для споживача самому задати потрібний закон розподілу..
(6) БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК 1.. Коваленко, И. Н. Аналитико-статистический метод расчёта характеристик высоконадёжных систем [Текст] / И. Н. Коваленко // Кибернетика, 1976. – № 6. 2. Завадская, Л. А. Оценка надёжности системы с контролем и профилактикой аналитико-статистическим методом [Текст] / Л. А. Завадская // Кибернетика, 1981. – № 2. 3. Акулиничев, Н. М. Асимптотическая оценка надежности восстанавливаемой системы [Текст] / Н. М. Акулиничев. - В кн.: Теория надежности и массовое обслуживание. – М. : Наука, 1969. 4. Коваленко, И. Н. Асимптотический метод оценки надежности сложных систем [Текст] /. И. Н. Коваленко // Сб. «О надежности сложных технических систем». – М. : Советское радио, 1966. 5. Гнеденко, Б. В. Введение в теорию массового обслуживания [Текст] / Б. В. Гнеденко, И. Н. Коваленко. – М. : Наука, 1987. 6. Смит, В. Л. Теория востановления и смежные с ней вопросы [Текст] / В. Л. Смит // Сб. Переводов «Математика» – 5:3. М. : ИЛ, 1961.. Надійшла до редколегії 30.11.2012. Прийнята до друку 09.12.2012. .. Н. И. ПОСЛАЙКО (ДИИТ), М. В. КОРОЛЕВИЧ (ДНУ). ПРИБЛИЖЕННОЕ ВЫЧИСЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАДЕЖНОСТИ НЕКОТОРЫХ РЕЗЕРВИРОВАННЫХ СИСТЕМ В работе исследуются две резервированные системы с восстанавливаемыми элементами: с теплым скользящим резервом, контролями и профилактикой, и горячим скользящим резервом. Создано программное обеспечение для приближенного вычисления некоторых характеристик надежности этих систем. Ключевые слова: надежность, резерв, восстановление, статистическое моделирование, метод малого параметра.. N. I. POSLAJKO (DIIT), M. W. KOROLEWICH (DNU). APPROXIMATE COMPUTING OF RELIABILITY CHARACTERISTICS OF SOME RESERVED SYSTEMS In work two redundant systems with restored elements are investigated: with a warm sliding reserve, control and preventive maintenance, and a hot sliding reserve. The software for the approached calculation of some characteristics of reliability of these systems is created. Keywords: reliability, restored system, statistical modeling, small parameter method. 191.
(7)
Related documents
1 Mefinitive hosts are dogs and cats and wild carnivora 2 -an especially children are only accidental final hosts 3 Intermediate hosts are larval fleas of the dog, cat and human
$here are three main strategies that socially responsible investors can use. $he first, called screening, involves selecting investment options based on social
supervised and unsupervised techniques. Using supervised techniques, a web form was created so users could select fields of metadata they wished to query. They could find all
Tannen (2007) drawing on Bakhtin (1981) reminds us, that ‘ventriloquising’ is when a speaker animates an- other’s voice in the presence of that other – in this sense, when
This view guided the study in the analysis and interpretation of graffiti text as expressions by a marginalized group finding a voice to articulate their
7 e10 In terms of acute decompensated heart failure (HF), we have previously reported that the number of HF admissions in the tsunami- stricken area in our prefecture doubled
Крім того, роз'єм для навушників на задній частині телевізора є модульний і змінний, що є зручним фактом для подальшої
or language competition, (e.g. [131]) under the same theoretical umbrella. Many new questions arise concerning how far network properties at the neural