1. 引言
在我们实际生活中,一个系统性能的好坏往往通过这个系统的稳定性来判断,所以研究系统稳定性是很有必要的。文献 [1] [2] [3] 研究了并联可修系统。文献 [2] 首先得到系统非负解是0本征值对应的非负本向量,又得到系统算子的谱分布,从而证明系统的渐进稳定性。
可靠性理论的研究包含各种模型,其中冷贮备系统是很重要的一类。现在很多文献假设部件出现问题之后可以马上处理,如何讨论系统的可靠性以及稳定性,例如文献 [4] [5]。但是现实生活上当系统出现问题时因为各种客观因素,系统不能立马修复。所以把修理工休假等情况引入可修系统的模型中是有意义的。但是很多系统都只是运用传统方法得到可靠性指标而已,比如文献 [6] [7]。
所以本文运用C0半群理论来研究修理工带休假的冷贮备可修系统,通过分析系统动态解的性质来讨论系统的指数稳定性。
2. 系统模型
2.1. 基本假设
假设1:系统中有两个不同型部件分别为1和2,再加上一个修理工;
假设2:当部件1和2都处于正常状态时,部件1工作,部件2做冷贮备;
假设3:当部件1处于工作状态时,部件2冷贮备,修理工开始休假;
假设4:当部件出现问题时有以下情况(1) 如果这时修理工正处于休假状态,那么等休假完成后进行维修;(2) 如果这时修理工空闲,那么需要马上维修;(3) 如果这时修理工处于工作状态,那么这个有问题的部件必须等待维修;
假设5:修理工维修完成一个部件后,如果在系统中没有发现其他问题就开始休假,如果休假完成之后发现部件有问题,那么马上维修故障部件;如果系统仍然正常,那么必须待在系统里进入空闲状态,等待出现问题之后马上维修;
假设6:在初始状态时刻部件1和2都是新的,而且部件1比2优先使用和维修,维修后的部件和新的一样;
假设7:文中的随机变量是相互独立的。
2.2. 系统的状态描述如下
状态0:部件1工作,部件2贮备,修理工空闲;
状态1:部件1工作,部件2贮备,修理工休假;
状态2:部件1工作,部件2故障,修理工休假;
状态3:部件1工作,部件2在修理;
状态4:部件1和部件2都待修,修理工休假;
状态5:部件1在修理,部件2待修。
2.3. 系统的符号意义与数学方程
(1) 部件1的工作时间分布为:
,
(2) 部件的维修时间分布为:
(3) 部件2贮备时间分布为:
,
(4) 修理工休假时间分布为:
(5) 修理工空闲时间分布为:
,
设
是系统的状态集,
时系统正常运行,
时系统发生问题。X(t)指t时刻的状态变量,取值于E;Y(t)指t时刻故障时对应的修复时间。
系统方程如下
(1)
边界条件为
(2)
初始条件为:
,其余为0 (3)
再做一些假设来增加(1)的合理性
(1)
,
,
,
。
(2)
,
。
(3)
,
。
选择以下状态空间
范数定义为
很明显
是一个Banach空间。
在X中定义算子A,B及定义域
算子A的定义域
因此
,在
中
是绝对连续的,所以系统方程可以化为Banach空间X中的抽象Cauchy问题
3. 系统动态解的存在唯一性
定义1 E的子集C称为在E中共尾,若满足对每个
,存在
,使得
。
定理1
在X中稠密。
证明 由文献 [8] 有D(A)在X中是稠密的,又有
,所以有
在X中稠密。
定理2 [9] 算子A + B是预解正算子。
定理3 系统算子A + B的对偶算子
是
(4)
证明 任给
和
,有
定理4 算子A + B生成正压缩
-半群
。
证明 由文献 [10] 知A + B生成正
半群
。
定理5 系统存在唯一的非负时间依赖解
,满足
。
证明 由定理4可知系统存在这样的解
,它可以表示成
。又因为
满足方程组(1),所以有
,故
。
4. 系统的指数稳定性
定理6
包含于系统算子A + B的预解集
中。
证明 对任意
,考虑算子方程
,有以下的方程组
(5)
边界条件为
(6)
解方程组(5)可得
(7)
其中
令
将(7)代入
及边界条件(6)中,得到矩阵方程:
,
令
根据T的表达式知道矩阵T是不可约的,而且是按列对角占优的,
。所以方程组
有唯一解,即
是满射。由
是闭的,而且
在X中稠密,所以由逆算子定理可知
存在并且是线性有界的。因此当
时,有
。
定理7
是算子A + B的几何重数为1的本征值的充要条件是
。
证明 设
是A + B的一个本征值,P是一个本征向量,即
。从而这个问题相当于讨论以下方程组非零解的存在性
(8)
解微分方程组得到
(9)
于是得到如下代数方程组
(10)
故(10)有非零解的充分必要条件是系数行列式为零。计算(10)的系数行列式
当
时,
是A + B的本征值。反过来若
使得
,则方程(10)有非零解
(11)
所以
是方程(1)的一个解,从而(10)给出相应于r的A + B的本征函数。令
是A + B的非负本征向量,即非负稳定解。其中这个向量是本征值0所对应的。因此0在X中的几何重数是1。
定理8
的代数重数为1的本征值是0,且
为0的对应的特征向量。
证明 考虑方程
。由定理3有
(12)
解上述方程组有
。
显然
,所以0是
的本征值,而且几何重数是1,把
代入方程组(12)成立,因此
是0的对应特征向量。
定理9 系统(1)的时间依赖解是强收敛于稳定解的,即
,并且有
,这里的M是某一个合适的常数。