基于性能共享的多态系统可靠性建模与优化

Previous research in multi-state systems assumes that each subsystem satisfies its own demand individually. Performance surplus from one subsystem cannot be shared by other deficient subsystems. However, the performance surplus can be shared by other subsystems in many real situations such as power, communication, and high performance computing systems. This project will study different performance sharing policies such as performance sharing with limited access, performance sharing with n different common buses and performance sharing with transmission loss. Joint optimization models considering maintenance strategies, protection policies, elements loading and redundancy allocation will be built and solved via some optimization algorithms. During the project, real industry data will be collected to justify the proposed mathematical models. Numerical experiments will be conducted to illustrate the applications of the suggested models and algorithms in the power and high performance computing systems.

现有文献在研究多态系统可靠性时都假设每个子系统的性能只能用来满足自己的需求而不能把盈余的性能传输给其它性能不足的子系统。但是在很多实际系统里，比如：电力、通讯和计算机系统，盈余的性能是可以通过共享总线在系统内部传输。本项目将以电力系统和高性能计算机系统为研究对象，深入研究基于有限共享机制的多态系统可靠性、存在多共享总线和多共享组的多态系统可靠性以及考虑性能共享过程中性能传输损耗的多态系统可靠性。以系统可靠性与冗余配置、维修、负载和保护策略的密切关系为基础，建立联合优化模型，进行更为先进有效的全局优化。本项目将与企事业单位密切合作，收集实际数据验证理论模型，并将理论成果推广电力系统以及高性能计算机系统等具有性能共享特征的多态系统里。

随着科技的发展，现代工业系统也日益复杂，传统的二态可靠性理论常常无法分析在实践中遇到的超过两态的元件或者系统。性能共享普遍存在于众多的现代工业系统中，例如电力系统，高性能计算机系统等，然而目前对于考虑性能共享的多态系统可靠性的研究却很少。如何对基于性能共享的多态系统进行可靠性建模及优化，提高此类系统的可靠性是目前可靠性工程领域亟待解决的重要问题。本项目结合多态元件的特征、性能共享机制（包括有限共享机制和多共享总线机制）、传输性能损耗等因素对多态系统的可靠性的影响，深入研究了基于性能共享的复杂多态系统的可靠性及优化设计，具体研究了四个内容：（1）有限共享机制下的可靠性建模与优化；（2）存在多个共享总线和共享组的多态可靠性系统；（3）考虑性能共享中存在传输损耗的多态可靠性系统；（4）可靠性与冗余配置、维修、负载及保护策略的联合优化。本项目取得的成果不仅进一步完善了现有的可靠性理论，而且对实践应用具有较强的指导意义。研究成果可以用来分析电力系统以及高性能计算机系统等具有性能共享特征的实际工业系统，提高系统的可靠性，在保证系统稳定且安全运行的情况下，优化系统设计，降低系统运行成本。除此之外，还对可靠性与冗余配置、维修、负载及保护策略进行了联合优化，用于分析上述工业系统在同时遭受内部失效和外部攻击下的最优防御策略。