含統(tǒng)計(jì)不確定性的多態(tài)系統(tǒng)可靠性估計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、可靠性一直是衡量大型能源系統(tǒng)(比如核電和火力發(fā)電系統(tǒng))性能的一個(gè)重要指標(biāo)。由于其部件設(shè)備發(fā)生故障的隨機(jī)性和故障類型的多樣性，此類系統(tǒng)本身具有明顯的多態(tài)性，其可靠性評(píng)價(jià)結(jié)果也伴隨有一定的統(tǒng)計(jì)不確定性。根據(jù)可靠性評(píng)價(jià)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和部件冗余分配是可靠性工程理論中一個(gè)重要的組合優(yōu)化問(wèn)題，它旨在構(gòu)造一個(gè)具有高可靠性、低成本的最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對(duì)于傳統(tǒng)的二態(tài)系統(tǒng)，該優(yōu)化問(wèn)題已有很多文獻(xiàn)進(jìn)行了深入研究，但是目前對(duì)于多態(tài)系統(tǒng)的可靠性優(yōu)化研究仍然有限。本

2、論文的研究重點(diǎn)在于解決多態(tài)系統(tǒng)可靠性優(yōu)化中的如下三個(gè)基本問(wèn)題。
　　 第一，本論文提出一種新的、基于粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization, PSO)和局部搜索(LocAlSearch, LS)的混合算法，來(lái)解決串并聯(lián)和橋接多態(tài)系統(tǒng)可靠性異質(zhì)優(yōu)化問(wèn)題。該混合算法的目的是確定合適的部件類型以及冗余度，使所構(gòu)建的系統(tǒng)在滿足所需的可靠性要求的前提下，具有最低的成本。所開(kāi)發(fā)的新型局部搜索策略和動(dòng)態(tài)罰函數(shù)提高了

3、該混合算法的性能。本論文的第一部分主要工作采用了出現(xiàn)在文獻(xiàn)中的一個(gè)常見(jiàn)假設(shè)：部件的可靠性精確已知。通用生成函數(shù)(UniversAlGenerating Function, UGF)方法被用來(lái)精確計(jì)算系統(tǒng)的可靠性。為了評(píng)估該混合算法的有效性，本論文將其與現(xiàn)有的啟發(fā)式和元啟發(fā)式算法如遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)、禁忌搜索(Tabu Search, TS)、蟻群優(yōu)化(Ant Colony Optimization,

4、ACO)等進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示利用PSO/LS算法求解得到的系統(tǒng)構(gòu)架具有更低的成本。
　　 第二，在許多現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，部件的可靠性往往不能精確給出，而需要根據(jù)試驗(yàn)或歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)。在對(duì)部件可靠性進(jìn)行估計(jì)的過(guò)程中，由于試驗(yàn)或歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的有限性，估計(jì)出的部件可靠性往往具有統(tǒng)計(jì)意義上的不確定性。根據(jù)部件的可靠性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，這種不確定性會(huì)傳播至系統(tǒng)層面。在本論文的第二部分主要工作中，系統(tǒng)可靠性的計(jì)算已

5、從精確計(jì)算的概念轉(zhuǎn)換到了統(tǒng)計(jì)估計(jì)計(jì)算的概念。該統(tǒng)計(jì)估計(jì)計(jì)算模型是建立在推斷統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)上的。本論文通過(guò)一個(gè)迭代推導(dǎo)過(guò)程對(duì)不確定性傳播機(jī)制進(jìn)行了數(shù)學(xué)解釋，并求出了系統(tǒng)可靠性的無(wú)偏估計(jì)以及伴隨的方差和協(xié)方差的無(wú)偏估計(jì)。根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果，本論文又為系統(tǒng)可靠性的估計(jì)值提出了一個(gè)新的具有95％置信度的置信區(qū)間下界，并證明其優(yōu)于現(xiàn)有文獻(xiàn)中的兩個(gè)置信區(qū)間下界。推導(dǎo)結(jié)果也用于建立三個(gè)衡量部件重要度的指標(biāo)。
　　 第三，在第一部分和第二部分工作的基礎(chǔ)

6、上，本論文將可靠性優(yōu)化問(wèn)題的模型進(jìn)行了修改以集成統(tǒng)計(jì)不確定性，混合PSO/LS算法也進(jìn)行了相應(yīng)的修改。修改后的新模型旨在構(gòu)建一個(gè)最低成本的系統(tǒng)，同時(shí)該系統(tǒng)能以95％的置信度水平滿足所需的可靠性要求。對(duì)于同樣的可靠性要求，利用新模型求得的系統(tǒng)方案通常成本更高，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以強(qiáng)化，同時(shí)系統(tǒng)可靠性的期望值也得以提高。此外，新優(yōu)化模型提供至少95％的置信度確保求得的系統(tǒng)方案符合要求的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，而原來(lái)的優(yōu)化模型則無(wú)法提供這樣的保證。
　　

7、 本論文中使用了已有文獻(xiàn)中出現(xiàn)的各種數(shù)值算例來(lái)檢驗(yàn)所提出的混合PSO/LS優(yōu)化算法的有效性，與已有研究成果的對(duì)比突出了該混合算法的優(yōu)點(diǎn)。本論文同時(shí)實(shí)現(xiàn)了一些算例的蒙特卡羅仿真(Monte Carlo Simulation, MCS)，并將其作為輔助工具來(lái)驗(yàn)證可靠性估計(jì)推導(dǎo)的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)果吻合良好。本論文同時(shí)提供了一個(gè)600MW發(fā)電機(jī)組的簡(jiǎn)化汽水回路系統(tǒng)作為一個(gè)完整的實(shí)例，以驗(yàn)證所提出的算法、方法和模型的具體應(yīng)用