Forschungszentrum
Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7080
Adjoint Sensitivity Analysis Procedure of Markov Chains with
Application on Reliability of IFMIF Accelerator-System Facilities
Iulian Balan
Abstract
The Markov chain technique and its mathematical model have
been demonstrated over years to be a powerful tool to analyze the evolution and
performance of physical systems. The degree level of abstraction for the
physical system, the statistical data used in the mathematical model, the
numerical approximations used to solve the equations, are only some sources of
uncertainties in reliability results. By applying the sensitivity analysis, the
influence of uncertainty data in system components to the overall behavior of the
system reliability can be analyzed and the weak points in the model can be
identified. Using the sensitivity results the confidence level of reliability
results is obtained. Thus, new improvements or redesigning of the physical
system can be performed.
This work presents the implementation of the Adjoint Sensitivity Analysis
Procedure (ASAP) for the Continuous Time, Discrete Space Markov chains (CTMC),
as an alternative to the other computational expensive methods. In order to
develop this procedure as an end product in reliability studies, the
reliability of the physical systems is analyzed using a coupled Fault-Tree
– Markov chain technique, i.e. the abstraction of the physical system is performed
using as the high level interface the Fault-Tree and afterwards this one is automatically
converted into a Markov chain. The resulting differential equations based on the
Markov chain model are solved in order to evaluate the system reliability. Further
sensitivity analyses using ASAP applied to CTMC equations are performed to
study the influence of uncertainties in input data to the reliability measures
and to get the confidence in the final reliability results.
The methods to generate the Markov chain and the ASAP for the Markov chain
equations have been implemented into the new computer code system
QUEFT/MARKOMAGS/MCADJSEN for reliability and sensitivity analysis of physical
systems. The validation of this code system has been carried out by using
simple problems for which analytical solutions can be obtained. Typical
sensitivity results show that the numerical solution using ASAP is robust,
stable and accurate. The method and the code system developed during this work can
be used further as an efficient and flexible tool to evaluate the sensitivities
of reliability measures for any physical system analyzed using the Markov
chain.
Reliability and sensitivity analyses using these methods have been
performed during this work for the IFMIF Accelerator System Facilities. The
reliability studies using Markov chain have been concentrated around the
availability of the main subsystems of this complex physical system for a
typical mission time.
The sensitivity studies for two typical responses using ASAP have been
performed. The results given by ASAP with those obtained using the classical
methods have been compared, showing a good agreement but with the advantage of
computational time in the case of ASAP.
Adjungierte
Sensitivitätsanalyseverfahren für Markovketten mit Anwendung auf
Zuverlässigkeit von IFMIF Beschleuniger-System Anlagen
Zusammenfassung
Das Markovketten
Verfahren und sein mathematisches Modell wurde über Jahre als ein leistungsfähiges
Werkzeug benutzt, um die Entwicklung und das Verhalten physikalischer Systeme
zu analysieren. Der Grad der Abstraktion des physikalischen Systems, die im mathematischen
Modell verwendeten statistischen Daten, sowie die numerischen Näherungen zur
Lösung der Gleichungen sind nur einige Quellen von Unsicherheit, die in den
Zuverlässigkeitsresultaten enthalten sind.
Durch Verwenden der
Sensitivitätsanalyse kann der Einfluss von Unsicherheitsdaten in Systembauteilen
auf das Gesamtverhalten der Systemzuverlässigkeit analysiert werden und die
Schwachpunkte im Modell können identifiziert werden. Mit den Ergebnissen der Sensitivitätsanalyse
erhält man den Vertrauensgrad der Zuverlässigkeitsresultate. Somit können neue
Verbesserungen oder Neuentwürfe des physikalischen Systems durchgeführt werden.
Diese Arbeit stellt die
Implementierung der Adjungierten Sensitivitätsanalyseverfahren (Adjoint Sensitivity Analysis Procedure -
ASAP) für die Continuous Time Disctrete
Space Markovkette (CTMC) als eine Alternative zu anderen rechenintensiven
Methoden dar. Um dieses Verfahren als Endprodukt in Zuverlässigkeitsstudien zu
entwickeln, wird die Zuverlässigkeit der physikalischen Systeme mit einer
gekoppelten Fehlerbaum-Markovketten Technik analysiert, d.h. die Abstraktion
des physikalischen Systems erfolgt, indem als Schnittstelle der oberen Ebene
ein Fehlerbaum benutzt wird, der danach automatisch in eine Markovkette
umgewandelt wird. Die resultierenden Differenzialgleichungen, die auf Markovkettenmodellen
basieren, werden danach gelöst, um die Systemzuverlässigkeit zu erhalten.
Weitere Sensitivitätsanalysen mit ASAP, die auf die CTMC Gleichungen angewendet
werden, werden genutzt, um den Einfluss von Änderungen in den Eingabedaten auf
das Zuverlässigkeitsmaß zu erkennen und das Vertrauen in die abschließenden Zuverlässigkeitsresultate
zu erhalten.
Die Methoden zum Erzeugen der
Markovketten und der ASAP für die Markovkettengleichung sind in dem neuen
Computercodesystem QUEFT/MARKOMAG-S/MCADJSEN für Zuverlässigkeit und
Sensitivitätsanalyse von physikalischen Systemen eingeführt worden. Die
Validierung dieses Codesystems wurde mit einfachen Problemen durchgeführt, für
die es analytische Lösungen gibt. Typische Sensitivitätsresultate zeigen, dass
die mit ASAP erzielten numerischen Lösungen widerstandsfähig, stabil und genau
sind. Die Methode und das Codesystem, die während dieser Arbeit entwickelt
wurden, können als ein leistungsfähiges und stabiles Werkzeug weiter genutzt
werden, um die Sensitivität von Zuverlässigkeitsmaßen für jedes physikalische
System mit Markovketten zu analysieren.
Zuverlässigkeit und
Sensitivitätsanalyse sind für die IFMIF Beschleuniger-System Anlagen mit diesen
Methoden während dieser Arbeit durchgeführt worden. Die Zuverlässigkeitsresultate
werden um die Verfügbarkeit der Hauptuntersysteme dieses komplizierten
physikalischen Systems während einer typischen Missionszeit konzentriert. Die
Sensitivität Studien für zwei typische Antworten sind mit ASAP durchgeführt
worden. Der Vergleich der Sensitivitätsresultate zwischen ASAP und den
klassischen Methoden zeigt eine gute Übereinstimmung, aber mit dem Vorteil der
Berechnungszeit im Fall von ASAP.
VOLLTEXT
BIBLIOTHEK