轨道交通供电系统结构复杂、规模庞大，是典型的复杂系统。为提高轨道交通供电复杂系统的可靠性建模分析技术，《复杂系统可靠性分析在轨道交通供电系统中的应用Complex System Reliability Analysis and Application in Rail Transit Power Supply System》作者提炼多年研究成果，总结并著成《复杂系统可靠性分析在轨道交通供电系统中的应用Complex System Reliability Analysis and Application in Rail Transit Power Supply System》。
《复杂系统可靠性分析在轨道交通供电系统中的应用Complex System Reliability Analysis and Application in Rail Transit Power Supply System》共13章，主要内容包括复杂系统可靠性分析模型的建立和方法的选择，地铁牵引供电系统、磁浮牵引供电系统、地铁综合监控系统、高速铁路“四电系统”等的可靠性分析，以及高速铁路系统的健康风险评估。《复杂系

第1章可靠性分析概论
可靠性分析是伴随航空工业和军事技术的应用而发展起来的，随着人类社会经济和科技的发展，可靠性技术指标作为产品质量*重要的指标之一，早已受到世界各国的高度重视。任何产品和技术都是以可靠性为基础的，因为科学技术的发展要求高可靠性，现代工业生产过程需要贯穿可靠性，维修使用阶段依赖可靠性。系统的不��靠会造成经济和人员的重大损失，也可能对**的军事、政治声誉产生严重后果。因此，目前现代可靠性分析技术已经逐步渗透社会生产和生活的多个领域，除了在家用电器、汽车工业等发生故障不会造成很大社会经济影响的领域中得到了应用，还在核工业、电力工业、大型重工业等发生故障后会带来严重社会经济影响的领域中得到了广泛应用。
随着科学技术的进步，各类系统的结构日趋复杂、功能日臻完善，对可靠性的要求也越来越高，但达到高可靠性的难度却大大增加。同时，大规模重要系统的大量涌现，以及运行环境的多样化等现状决定了迫切需要从系统的角度研究可靠性，这是可靠性发展的必然结果，也是从经验教训中总结出的规律。钱学森教授曾明确指出：不论是技术领域或经济领域，若研究一个大而复杂的系统，就不能不考虑它的可靠性，不仅要研究其各个组成部分的可靠性，更要研究系统整体的可靠性。可见，系统可靠性已成为不可忽视的重要问题。
1.1可靠性定义及可靠性分析
可靠性是指产品或系统在规定的条件下、规定的时间内，完成规定功能的能力。其中，产品可以泛指任何系统、设备和元器件。规定条件、规定时间和规定功能构成产品可靠性定义的三个要素。
规定条件包括使用时的环境条件和工作条件。例如，同一型号的列车在不同地区和不同季节条件下行驶，其可靠性的表现就有所不同，要谈论产品可靠性就必须指明其规定的条件。
规定时间是指产品规定的任务时间。可靠性分析贯穿于产品的全寿命周期，在产品不同阶段进行可靠性分析的途径和方法是不同的。随着产品任务时间的增加，产品出现故障的概率将增加，而产品的可靠性将下降。例如，一台机车用了10年后和刚刚出厂时相比，它发生故障的概率显然会大很多。因此，谈论产品的可靠性离不开规定的任务时间。
规定功能是指产品规定的必须具备的功能及其技术指标。要求产品功能的多少和其技术指标的高低，直接影响产品可靠性指标的高低。例如，轨道交通系统的主要功能有加大运输力量、提升运输速度和缓解交通拥堵，那么规定的功能是三者都要，还是仅需要列车能够载运乘客就行，得出的可靠性指标是完全不同的。
可靠性分析包括定性的可靠性分析和定量的可靠性分析。定性的可靠性分析包括故障模式影响危害性分析法（Failure Mode、Effect and Criticality Analysis，FMECA）、故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）、事件树分析法（Event Tree Analysis，ETA）和可靠性框图法（Reliability Block Diagrams，RBD）；定量的可靠性分析包括可靠性模型和可靠性统计数据分析。
可靠性分析指标可使用概率指标或时间指标，具体包括可靠度、失效率、平均无故障工作时间、平均失效前时间、有效度等。例如，典型的失效率曲线是浴盆曲线，分为三个阶段：早期失效期、偶然失效期和耗损失效期。早期失效期的失效率为递减形式，即新产品失效率很高，但经过磨合期，失效率会迅速下降；偶然失效期的失效率为一个平稳值，意味着产品进入了一个稳定的使用期；耗损失效期的失效率为递增形式，即产品进入老年期，失效率呈递增状态，产品需要更新。
可靠性分析研究的基础是可靠性数据。通过可靠性数据分析技术，从可靠性数据中有效挖掘出关于产品可靠性的多层面和多角度的状态信息。可靠性数据分析是一种既包含数学理论又包含工程实际的分析方法，是通过收集系统或者单元产品在研制、试验、生产和维修中产生的可靠性数据，并依据系统的功能或可靠性结构，利用概率统计方法，给出系统可靠性指标的定性和定量估计。
1.2可靠性发展及我国研究进展1.2.1可靠性发展可靠性的提出至今已有60余年，其发展可分为以下三个阶段。
（1） **阶段，20世纪30~40年代，可靠性研究初期发展阶段。这一时期经历了两次世界大战，战争中运输工具和武器装备的大比例因意外事故而失效，使得人们注意到并开始研究这些意外事故发生规律，这就是可靠性问题的提出。到第二次世界大战末期，德国火箭专家Lussen**把Ⅴ-Ⅱ火箭诱导装置作为串联系统，利用概率乘法，求出其可靠度为75%，标志着对系统可靠性研究的开始。
（2） 第二阶段，20世纪50~60年代，可靠性技术发展形成阶段。这一时期世界上不少发达**都注意到产品可靠性问题，并对可靠性问题进行了深入的研究，大体上确定了可靠性研究的理论基础和研究方向。
1952年，美国军事部门、工业部门和有关学术部门联合成立了“电子设备可靠性咨询组”（Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment，AGREE）；1975年提出了《军用电子设备可靠性报告》，该报告**比较完整地阐述了可靠性理论及研究方向，从此可靠性研究的方向大体被确定下来。1954年，美国召开了**次可靠性和管理学术会议。1962年，召开了**届可靠性与可维修性学术会议及**届设备故障物理学术会议，将对可靠性的研究发展到对可维修性的研究，进而深入产品故障机理方面的研究。20世纪60年代以后美国大约40%的大学开设了可靠性工程课程。
日本是在1956年从美国引进可靠性技术的。1958年日本科技联盟（Japanese Union of Scientists and Ergineers，JUSE）成立了可靠性研究委员会，1971年日本召开了**届可靠性学术会议。日本虽然开展可靠性工作较晚，但其注意到将可靠性技术推广运用到民用工业部门，取得了很大的成功，大大提高了其产品的可靠度，使其高可靠性产品（如汽车、彩电、冰箱、收录机、照相机等）畅销全世界，也正是日本人率先预见了今后产品竞争在于可靠性的竞争。
1962年英国出版了《可靠性与微电子学》杂志。同时法国国立通信研究所也成立了“可靠性**”，进行可靠性数据的收集与分析，并于1963年出版了《可靠性杂志》。
苏联从1950年开始注意到可靠性问题，并开始对可靠性理论及其运用进行研究。20世纪60年代初开始从技术、组织上采取措施，提高产品可靠性，促进了可靠性技术的发展。
（3） 第三阶段，20世纪70年代以后，可靠性进一步发展的国际化时代。可靠性引起国际的高度重视，1977年国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）设立了可靠性与可维修性技术委员会，负责协调各国的可靠性用语及定义、可靠性管理、数据的收集等。可靠性研究已经由电子、航空、宇航、核能等**工业部门扩展到电机与电力系统、机械、动力、土木等一般产业部门，扩展到工业产品的各个领域。如今，提高产品的可靠性已经成为提高产品质量的关键。在全球化的趋势下，只有那些高可靠性的产品才能在日趋激烈的市场竞争中幸存下来。不仅如此，现在国外还把对可靠性的研究工作提高到节约资源和能源的高度来认识，力求通过可靠性研究来延长使用期，通过有效的可靠性分析设计达到有效利用材料、减少工时和产品轻便化。
1.2.2我国可靠性研究进展
我国对可靠性问题的研究起步较晚，20世纪60年代进行了有关可靠性研究的开拓性工作，但直到70年代末、80年代初可靠性研究才重新受到重视。特别是80年代初，伴随着全面质量管理的兴起和质量意识的深入，可靠性研究的重要性逐渐被人们所意识。同时，人们也认识到提高产品的可靠性必须从设计、制造等方面开始，虽然会使产品的设计费用、元件成本和制造成本增加，但是因产品减少了维修、提高了使用寿命，总的经济效益将得到大幅度提高。可靠性研究在我国的发展主要表现在以下几个方面。
(1) 行业相继成立了可靠性学术组织。1979年，中国电子学会成立了可靠性与质量委员会。1981年，中国数学学会成立了可靠性专门委员会。1984年，中国汽车工程学会成立了汽车可靠性专门委员会。1987年，中国机械工程专业管理委员会成立了机械可靠性专门委员会。此外，还成立了“中国电子元器件质量认证委员会”和“电子电工产品可靠性与维修性标准化委员会”等机构。
(2) 制定和颁布了一批可靠性标准。1981年颁布了**个可靠性和实验系列标准国标GB 2689—81《寿命实验和加速寿命实验》，根据其编写的《可靠性实验及其统计分析》成为我国可靠性研究人员自行编制的具有较大影响的重要参考书目；1982年颁布了**个可靠性标准国标GB 3187—82《可靠性基本名词术语》。此外，还相续颁布了一系列**标准，如GB 4885—85《正态分布完全样本可靠度单侧置信下限》，GB 5085—86《设备可靠性实验有关标准》，GB/T 7289—1987《可靠性、维修性与有效性预计报告编写指南》，GB/T 3187—1994《可靠性、维修性术语》，DL/T 861—2004《电力可靠性基本名词术语》；以及一些可靠性的行业标准：DL/T 989—2005直流输电系统可靠性评价规程；GB/T 21194—2007通信设备用的光电子器件的可靠性通用要求；GB/T 21562—2008轨道交通可靠性、可用性、可维修性和**性规范及示例；GB/T 7163—2008核电厂**系统的可靠性分析要求；GB/T 14394—2008计算机软件可靠性和可维护性管理等。
(3) 召开可靠性相关会议。2000年，北京航空航天大学筹办了“**届发动机可靠性学术讨论会”；2001年，湖南省召开了“线损、无功电压、可靠性会议”；2002年，召开了“第二届全国结构**性与可靠性学术会议”；2002年10月，在大连召开了“全国可靠性学术交流会”；2009年7月，在成都召开了“第八届国际可靠性、维修性、**性会议（ICRMS’2009）”；2014年8月，在广州召开了“第十届国际可靠性、维修性、**性学术会议(ICRMS’2014)”；2014年11月，在上海召开了中国区首届“国际可靠性技术应用亚太区研讨会（ARS）”。此类学术交流会议主要集中在机械工程方面，可靠性分析的应用主要集中在航空、航天和军事方面。
从目前的可靠性研究现状来看，我国的可靠性研究发展较晚，在理论、实践和运用方面都有待于进一步深入研究探讨。
1.3可靠性建模和分析方法的研究现状
系统可靠性研究是对目标系统的可靠性水平进行综合分析，为系统可靠性设计、分配和改进等提供理论依据。对于功能、层次、属性较少的系统，系统可靠性研究是确定评价指标并求解的过程，即是可靠性建模和分析的过程，此时系统可靠性研究方法实际上也就是系统的可靠性建模和分析方法。现行通用的系统可靠性建模和分析求解方法主要包括解析法、模拟法及混合法。
解析法主要有故障模式影响及危害性分析法（FMECA）、可靠性框图法（RBD）、故障树分析法（FTA）、动态故障树（Dynamic Fault Tree， DFT）分析法、Markov过程分析法、Petri网分析法等；模拟法主要指Monte Carlo模拟法；而混合法是综合使用解析法与模拟法，充分利用解析法模型**、物理概念清楚的特点，以及利用Monte Carlo模拟法具有能够求解规模超出解析法求解能力的特点。
1) FMECA
FMECA可分为两步，即故障模式及影响分析（FMEA）和危害性分析（CA）。FMEA为自底而上的可靠性定性分析方法，通过对系统各组成单元潜在的故障模式及对系统功能的影响进行分析，可确定系统的薄弱环节，并为发现及消除故障提供依据；CA是按每一故障模式的严酷度类别及发生概率产生的影响进行分类，以便全面地评价各种可能故障模式的影响。CA仅可作为FMEA的补充和扩展，但若将FMECA单独应用于系统可靠性分析，则由于故障之间的因果关系表达不明确而不能体现系统与组件之间的信息传递，所以一般将其与FTA等其他方法相结合来使用。
故障模式影响后果分析法在体系上是一种提高系统和

目录
序
前言
第1章可靠性分析概论 1
1.1 可靠性定义及可靠性分析 1
1.2可靠性发展及我国研究进展 2
1.2.1可靠性发展 2
1.2.2我国可靠性研究进展 3
1.3可靠性建模和分析方法的研究现状 4
1.4本章小结 11
1.5本书整体结构 11
参考文献 12
第2章复杂系统可靠性分析的背景与基础 15
2.1大规模重要系统可靠性研究的意义 15
2.2复杂系统可靠性概述 16
2.2.1复杂系统的定义和特点 16
2.2.2复杂系统可靠性分析的定义 16
2.2.3复杂系统可靠性分析的特点 17
2.2.4复杂系统可靠性的建模分析 18
2.3复杂系统可靠性研究的**和热点问题 20
2.3.1复杂系统可靠性分析的数据基础 20
2.3.2复杂系统可靠性信息的融合处理 25
2.3.3复杂系统可靠性建模分析 28
2.4复杂系统可靠性分析面临的主要问题 33
2.5本章小结 33
参考文献 33
第3章基于动态故障树的可靠性分析方法 38
3.1放障树分析法 38
3.1.1故障树的结构函数 38
3.1.2结构重要度和概率重要度 39
3.1.3传统故障树的其他指标 40
3.1.4传统故障树方法的不足 40
3.2动态故障树分析法 40
3.2.1动态故障树建模基本理论 40
3.2.2动态故障树可靠性模型的求解方法及局限 41
3.3基于Monte Carlo模拟的动态故障树仿真 42
3.3.1仿真过程描述 42
3.3.2底事件的状态数组 43
3.3.3逻辑门的MonteCarlo模拟 44
3.3.4动态故障树可靠性指标的计算 47
3.3.5方法可行性验证 48
3.4算例分析 50
3.4.1静态故障树*小割集的生成 50
3.4.2动态故障树*小顺序割集的生成 51
3.4.3实例分析 52
3.5本章小结 53
参考文献 54
第4章基于**Petri网的可靠性分析方法 55
4.1 Petri网基础理论 55
4.1.1 Petri网的定义 55
4.1.2 Petri网的推理 56
4.1.3 Petri网在可靠性分析中的应用 57
4.2基于模糊Petri网的可靠性分析 58
4.2.1模糊Petri网定义 58
4.2.2可靠性模糊产生式规则表示 58
4.3基于自适应模糊Petri网的可靠性分析 59
4.3.1 AFPN的表示方法 59
4.3.2 AFPN的模糊推理 61
4.3.3 AFPN的自适应训练方法 61
4.4基于粗糙Petri网的可靠性建模分析 63
4.4.1粗糙Petri网定义 63
4.4.2粗糙集理论相关的重要定义 63
4.4.3粗糙Petri网在可靠性分析中的应用 66
4.5基于随机Petri网的可靠性建模分析 66
4.5.1 随机Petri网的定义 67
4.5.2随机Petri网在可靠性分析中的应用 67
4.6本章小结 69
参考文献 69
第5章基于层次随机回报网的可靠性分析方法 70
5.1随机回报网理论基础 70
5.2层次随机回报网 72
5.2.1层次随机回报网的建模 72
5.2.2层次随机回报网的度量 72
5.2.3层次随机回报网的等效变换 73
5.2.4层次随机回报网的模型求解 75
5.3基于层次随机回报网的复杂系统可靠性建模分析 76
5.3.1子系统可靠性建模分析 77
5.3.2系统可靠性建模分析 81
5.4本章小结 83
参考文献 83
第6章基于Markov链的可靠性分析方法 84
6.1 Markov过程基本理论 84
6.2基于Markov链的可靠性分析方法 86
6.2.1齐次Markov可修系统可靠性特征量的计算 86
6.2.2可修复串并联系统的可靠性建模分析 90
6.2.3 Markov状态图法 92
6.2.4动态Markov过程 93
6.3基于Markov链的可靠性分析算例 94
6.3.1动态故障树的Markov模型 94
6.3.2动态Markov过程在可靠性分析中的应用 96
6.3.3基于Markov模型的硬件式容错计算机系统可靠性建模分析97
6.4本章小结 101
参考文献 101
第7章基于Kronecker代数的系统可靠性分析方法 102
7.1基于Kronecker代数的系统可靠性模型 102
7.1.1独立组件可靠性模型 103
7.1.2考虑状态相依的可靠性建模 103
7.1.3考虑功能相依的可靠性建模 104
7.1.4可靠性模型求解 105
7.2基于Kronecker代数两组件系统可靠性分析示例 106
7.2.1组件1状态相依于组件2时的可靠性分析 106
7.2.2两组件串联系统可靠性分析 108
7.2.3两组件并联系统可靠性分析 l12
7.3本章小结 114
参考文献 114
第8章基于模糊理论的可靠性分析方法 116
8.1基于模糊理论的可靠性建模分析 116
8.1.1基于模糊状态的模糊可靠性模型 l16
8.1.2基于仿射算法的模糊可靠性分析 118
8.2基于模糊可靠性分析的工作站可靠性分析算例 123
8.3本章小结 125
参考文献 125
第9章城市轨道交通牵引供电系统的可靠性分析应用 127
9.1城市轨道交通牵引供电系统及其可靠性分析 127
9.1.1城市轨道交通供电系统基本结构 127
9.1.2城市轨道交通牵引供电系统可靠性分析特点及流程 128
9.1.3城市轨道交通牵引供电系统可靠性分析指标 129
9.2磁浮牵引供电系统可靠性建模分析 133
9.2.1磁浮牵引供电系统概述 l33
9.2.2磁浮牵引供电系统可靠性分析 134
9.2.3结论 148
9.3地铁牵引供电系统可靠性建模分析 149
9.3.1地铁牵引供电系统概述 149
9.3.2她铁牵引变电所可靠性分析 151
9.3.3结论 158
9.4本章小结 158
参考文献 158
第10章地铁综合监控系统的可靠性分析应用 159
10.1地铁综合监控系统概述 159
10.1.1地铁综合监控系统的系统结构 l60
10.1.2地铁综合监控系统的系统功能 161
10.2地铁综合监控系统可靠性分析概述 162
10.3地铁综合监控系统可靠性建模分析实例 165
10.3.1基于HSRN模型的地铁综合监控系统可靠性分析实例 165
10.3.2基于故障树混合法的地铁综合监控系统可靠性分析实例 169
10.3.3基于Kronecker代数的地铁综合监控系统可靠性分析实例 174
10.3.4基于模糊可靠性法的地铁综合监控系统可靠性分析实例 181
10.4本章小结 185
参考文献 185
第11章 高速铁路$四电系统%可靠性分析应用 187
11.1“四电系统”的体系概述 188
11.1.1“四电系统”的构成 188
11.1.2“四电系统”的接口 189
11.1.3“四电系统”子系统作用关系 190
11.2“四电系统”可靠性分析 191
11.2.1“四电系统”可靠性分析评定准则 192
11.2.2“四电系统”可靠性分析方法 193
11.3海南东环线“四电系统”可靠性分析实例 194
11.3.1海南东环线概述 194
11.3.2基于动态故障树的海南东环线“四电系统”可靠性分析 195
11.4本章小结 223
参考文献 223
第12章高速铁路牵引供电系统健康状态评估及应用 224
12.1高速铁路牵引供电系统健康评估方法 225
12.1.1牵引供电系统健康状态划分 226
12.1.2牵引供电系统健康状态的模糊综合评估 227
12.2高速铁路牵引供电系统健康评估实例 233
12.2.1牵引变电所的健康状态评估 233
12.2.2接触网的健康状态评估 233
12.2.3牵引供电系统的健康状态评估 237
12.3本章小结 242
参考文献 244
第13章 高速铁路牵引供电系统风险状态评估 245
13.1牵引供电系统故障的气象关联建模方法及 245
13.1.1牵引供电系统故障规律分析 245
13.1.2牵引供电系统气象规律统计 248
13.1.3牵引供电系统故障的气象关联建模 251
13.1.4牵引供电系统故障气象关联模型应用实例 253
13.2牵引供电系统雷击灾害风险评估方法及实例 254
13.2.1牵引供电系统的雷击风险 254
13.2.2雷击灾害风险评估方法 257
13.2.3雷击灾害风险评估实例 260
13.3本章小结 263
参考文献 263

《复杂系统可靠性分析在轨道交通供电系统中的应用Complex System Reliability Analysis and Application in Rail Transit Power Supply System》可作为高等院校电气工程、系统工程相关专业师生的参考书，亦可供从事复杂系统设计、轨道交通运营的技术人员和管理人员阅读。