Элементы математической теории надежности

P(X (t) s1) p11( t) P(X (t) s2) 21 t ... P(X (t) sn) n1 t o( t) ,

то есть

Вычтем p1(t) из обеих частей равенства (3), получим:

p1(t t) p1(t) p1(t) (1 p11( t)) p2(t) 21 t ... pn(t) n1 t o( t).

Разделим обе части на t и найдем предел при t 0 . При этом учитываем, что 1 p11( t) ( 12 ... 1n ) t o( t) . Получим дифференциальное уравнение для p1(t):

dp1(t) p2 (t) 21 ... pn (t) n1 p1(t)( 12 ... 1n ) . dt

Аналогичные уравнения верны для любого pi (t), i 1, ..., n , поэтому получаем систему уравнений (4).

Система уравнений (4) называется системой уравнений Колмогорова.

Ее решают при начальных данных ( p1(t), p2(t), ..., pn(t)) t 0 ( p1(0), p2(0), ..., pn(0)).

При этом любое одно из первых n уравнений можно отбросить, так как оно является следствием из остальных. Формально система (4) выписывается аналогично балансовым уравнениям (12) § 13.

Пример 1. Прибор может находится в одном из двух состояний:

На прибор в состоянии s1 действует поток отказов с интенсивностью

1 суткиотказ . На прибор в состоянии s2 действует поток восстановлений с

100

интенсивностью 3 восстсутки. . Составить граф состояний, систему Колмо-

горова и решить ее. В начальный момент прибор находится в состоянии s1. Решение. Граф состояний

3

По формулам (4):

и начальные данные ( p1(0), p2(0)) (1, 0) .

Из второго уравнения p2 1 p1. Подставляем это значение в первое уравнение системы:

p1 C1 e 4t 34 – общее решение уравнения (5);

p1(0) 1 p1(t) 34 14 e 4t – частное решение уравнения (5). Тогда

101

Замечание. В общем случае для процесса вида:

Получаем систему уравнений

и при начальных данных вида ( p1(0), p2(0)) (1, 0) решение будет:

102

Определение 2. Предположим, что для марковского процесса X(t) потоки событий, переводящие систему из состояния в состояние – простейшие, и из любого состояния можно попасть в любое другое за некоторое количество шагов. Такой процесс X(t) называется эргодическим.

Определение 3. Предельным режимом для процесса X(t) называется режим, установившийся в системе при t . Вектор q распределения ве-

роятностей состояний системы в предельном режиме называется вектором финальных вероятностей.

Теорема 1. Для эргодического марковского процесса X(t) с конечным числом состояний n предельный режим существует. При этом координаты

линейных уравнений (6).

Замечание. Любое одно из первых n уравнений можно отбросить, так как оно является следствием из остальных.

Пример 2. Дана логическая схема дублированной системы с постоянно включенным резервом:

1; 1

2; 2

где 1, 2 – интенсивности потока отказов элементов, 1, 2 – интенсив-

ности потока восстановлений. В начальный момент оба элемента в рабочем состоянии. Систему обслуживают две бригады. Выписать граф состояний, составить систему дифференциальных уравнений для вероятностей

103

104

Начальные данные: p(0) ( p1(0), p2(0), p3(0), p4(0)) (1, 0, 0, 0).

Решим систему для случая 1 2 1, 1 2 3:

Решаем в пакете Mathеmatica.

Группа ячеек ввода d=DSolve[{p1'[x]== -2*p1[x]+3*p2[x]+3*p3[x],p2'[x]== =p1[x]-4*p2[x]+3*p4[x],p3'[x]==p1[x]-

4*p3[x]+3*p4[x],p1[x]+p2[x]+p3[x]+p4[x]==1,p1[0]==1, p2[0]==0,p3[0]==0,p4[0]==0}, {p1,p2,p3,p4},x] FullSimplify[{p1[x],p2[x],p3[x],p4[x]}/.%] Plot[Evaluate[{p1[x],p2[x],p3[x],p4[x]}/.First[d]], {x,0,2}]

105

которая составляется аналогично системе балансовых уравнений цепи Маркова. Отбрасываем, например, четвертое уравнение, получим:

Замечание. Если все элементы системы имеют одинаковые показатели интенсивностей отказов и восстановлений, то во многих случаях система описывается процессом гибели и размножения.

Пример 3. Рассмотрим систему из примера 2:

1; 1

1; 1

Тогда описать систему можно с помощью графа:

При этом система уравнений (4) будет иметь вид:

107

Замечание. При описании систем часто приходится определять вероятность того, что за время t система попадет в какое-то, например si – е, из своих состояний. В этом случае это состояние делают поглощающим, убирая выходы из него во все остальные состояния. Далее для полученного графа состояний составляют систему уравнений Колмогорова и решение pi(t) будет задавать искомую вероятность.

Необходимо при этом заметить, что система перестает быть эргодической. Пример 4. Дана логическая схема дублированной системы с постоян-

но включенным резервом

1; 1

,

2; 2

где 1, 2 – интенсивности потока отказов элементов;1, 2 – интенсивности потока восстановлений.

В начальный момент оба элемента в рабочем состоянии. Систему обслуживает одна бригада с прямым приоритетом обслуживания (первым обслуживается элемент, который первым отказал).

1) Выписать граф состояний, составить систему дифференциальных уравнений для вероятностей состояний системы. Решить систему для слу-

108

2) Определить вероятность того, что на промежутке времени [0, t] система попадет в отказовое состояние: составить систему дифференциаль-

и ожидает ремонта, система отказала. Тогда граф состояний:

109