06-5 马尔科夫可修系统

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第六章 马尔可夫型可修系统 §1 马尔可夫型可修系统的一般模型 §2. 单部件可修系统 单部件组成的可修系统是最简单的可修系统,为了有助于理解§1中一般结果的实际背景, 我们在这节中将详细地讨论这个系统,并求出各种可靠性指标. 假设系统由一个部件构成.当部件工作时系统工作,当部件故障时系统故障.部件的寿命X服从指数分布 {}1,0,0tPXtet 部件故障后的修理时间Y服从指数分布 {}1,0,0tPYtet 假定X和Y相互独立,故障部件修复后的寿命分布与新的部件相同,简称为修复如新.初始时刻系统处于工作状态. 上述系统可由工作和故障两个状态不断交替的过程来描述.假定用状态0表示系统正常,用状态1表示系统故障,因此 E = {0, 1}, W = {0}, F = {1} 令

系统故障若时刻系统工作若时刻tttX,1,0)(

显然{X (t), t  0}是一个连续时间t  0, 有限状态空间E={0, 1}的随机过程.由于指数分布的无记忆性,可以证明,{X (t), t  0}是一个齐次马尔可夫过程.事实上, 若已知X (t) = 0(时刻t系统工作)或X (t) = 1 (时刻t系统故障),由于部件的寿命分布和修理时间分布是指数分布,因此时刻t以后系统发展的概率规律完全由时刻t系统是工作还是故障所完全决定,而与该部件在时刻t已工作了多长时间或已修理了多长时间无关.即时刻t以后系统发展的概率规律, 完全由X (t) = 0还是X (t) = 1所决定,而与时刻t以前的历史无关. 还可类似地说明过程的齐次性. 系统的状态及其转移情况由下图所示. [[进而可写出系统的转移率矩阵 



A]]

由上图可得系统状态的微分方程组: 011001

()()()()()()(0)1,(0)0dPtPtdtdPtPtdtPP







(1)

对方程(1)的两端关于t作Laplace变换可得 ***0001

***1110

()(0)()()()(0)()()sPsPPsPssPsPPsPs



(2)

利用初始条件01(0)1,(0)0PP,由(2)解出

0 1 

工作状态 故障状态 *0

*1

11()()()()sPsssssPsss



反演上式,得到

()0()10()()1()ttPtePtPte









(3)

1) 系统的可用度 复习: 定理1.1 当给定初始状态分布 P0(0), P1(0), … , PN (0) 则系统的瞬时可用度为 WjjtPtA)()(

其中Pj (t), j  W是下列微分方程组的解





)0(,...),0(),0(,)()(10NEkkikiPPPEiatPtP

初始条件 由定理1.1和上图可知, 系统的瞬时可用度就是系统在时刻t处于工作状态的概率, 即

tetPtA)(0)()(

(4)

系统的稳态可用度 ()lim()lim[]tttAAte



注 系统的稳态可用度也可以利用Laplace变换极限定理求出: **0000lim()lim()lim()lim()tsssAAtsAssPsssss





(5)

2) 系统的故障频度 复习: 定理1.7 当时刻0系统的初始分布为 ))0(,...),0(()0(0NPPP 则时刻t系统的瞬时故障频度为

0 1 

工作状态 故障状态 ()()kkjkWjFmtPta

其中WktPk),(是方程组





)0(,...),0(),0(,)()(10NEkkikiPPPEiatPtP

初始条件 的解.

由定理1.7和上图可知, 系统在时刻t的瞬时故障频度

0()()()()tmtPte



(6)

系统在(0, t]中的平均故障次数为 02()2()()[1]()ttMtmudute



 (7)

系统稳态故障额度

0 1 

工作状态 故障状态 ()lim()limttMtMmtt

(8)

注 系统的稳态可用度也可以利用Laplace变换的极限定理求出: **0000lim()lim()lim()lim()tsssMmtsmssPsssss





3) 修理设备忙的概率 修理设备忙的状态只有状态1,即U={1}, 故时刻t修理设备忙的概率及其稳态概率分别为

()1()()lim()ttBtPteBBt









(9)

4) 系统平均开工时间、平均停工时间 和平均周期 复习: 定理1.9 在系统已经处于稳态的条件下,系统平均开工时间、平均停工时间和平均周期分别为 



MMCTMAMDT

MAMUT

1 其中A和M分别由定理1.3和定理1.8而得,AA1. 由定理1.9和1), 3)的结果, 立得在系统已经处于稳态的条件下,系统的

111111AMUTMAMDTMMCTM平均工作时间

平均故障时间平均周期 5) 系统可靠度 下面求系统的可靠度R (t). 我们令系统的故障状态1为吸收状态,即令0.这就构成一个

新的马尔可夫过程.这个过程的状态转移图如下:

由上图可得新系统状态的微分方程组: 00

()()0(0)1dPtdtP



(10)

将式(10)的第一式两端作Laplace变换,并利用初始条件,可得线性方程 **00()1()0sPsPs

容易解出

*0

1

()Pss

反演上式,得到

0()tPte (11) 系统的可靠度就是系统在时刻仍然处于工作

0 1 状态的概率, 即 0()()tRtPte (12) 系统首次故障前平均时间是

001()tMTTFFRtdtedt (13)

注 系统的首次故障前平均时间也可以利用Laplace变换求出:

**0011(0)(0)sMTTFFRPs



公式(10)和(11)是十分显然的,因为系统由一个部件构成,所以,系统的首次故障前时间分布也就是部件的寿命分布.用上述求法只是为了说明§1.5中的方法.

§3 串联系统 设系统由n个部件串联而成.第i个部件的寿命X i的分布为0,1teti,故障后的修理时间Yi的分布为0,1teti,其中 0,ii

, i = 1, 2,  , n

若n个部件都正常工作,则系统处于工作状态.当