複雜系統彈性建模與評估

第1 章 概述
1.1 彈性的概念與內涵
1.2 彈性的度量
1.2.1 確定型度量
1.2.2 機率型度量
1.3 彈性建模與分析
1.3.1 彈性模型
1.3.2 彈性分析
參考文獻

第2 章 基於性能函數的系統彈性模型
2.1 研究背景
2.2 問題描述
2.3 彈性度量
2.4 串聯與並聯系統的彈性建模與分析
2.4.1 串聯系統彈性建模
2.4.2 並聯系統彈性建模
2.4.3 串聯與並聯系統彈性分析
2.5 網路系統彈性分析
2.5.1 網路系統彈性分析方法
2.5.2 網路系統彈性分析案例
2.6 應用： 分布式發電系統
參考文獻

第3 章 基於聚合隨機過程的多態系統彈性
建模
3.1 研究背景
3.2 聚合隨機過程及相關理論
3.2.1 聚合隨機過程的起源與發展
3.2.2 聚合隨機過程的本質與研究
3.2.3 相關概念與理論基礎
3.3 一般化多態系統彈性建模與分析
3.3.1 系統模型與假設
3.3.2 系統彈性建模與指標推導
3.3.3 數值算例
3.4 兩類具體多態系統彈性建模
3.4.1 基於負載-容量模型的多態系統彈性分析
3.4.2 恢復時間可忽略的多態系統彈性分析
參考文獻

第4 章 面向彈性的部件重要性分析
4.1 研究背景
4.2 彈性度量
4.2.1 系統彈性極限和塑性行為
4.2.2 考慮塑性的系統彈性度量
4.3 基於彈性的重要性分析
4.3.1 重要性指標定義
4.3.2 重要性分析方法
4.4 案例
參考文獻

第5 章 基於蒙特卡羅的系統彈性評估
5.1 研究背景
5.2 蒙特卡羅方法簡介
5.2.1 基本思想
5.2.2 求解過程
5.2.3 優點
5.3 問題描述
5.4 彈性度量
5.4.1 系統彈性度量
5.4.2 關鍵性能參數選取和歸一化
5.4.3 供應鏈網路的彈性度量
5.5 基於蒙特卡羅的彈性評估
5.5.1 仿真模型
5.5.2 基於蒙特卡羅的彈性評估流程
5.5.3 誤差分析
5.6 案例
5.6.1 案例描述
5.6.2 彈性計算過程
5.6.3 彈性評價結果
5.6.4 不同供應鏈網路彈性對比
參考文獻

第6 章 擾動識別與系統彈性測評
6.1 研究背景
6.2 彈性度量
6.2.1 確定型彈性度量方法
6.2.2 系統關鍵性能參數選取與性能歸一化
6.3 擾動識別
6.3.1 擾動資訊線索表
6.3.2 擾動識別過程
6.4 給定擾動下系統彈性測評方法
6.4.1 定義測試場景
6.4.2 正常情況下的性能監控
6.4.3 確定擾動注入方法
6.4.4 擾動注入與性能監控
6.4.5 彈性計算
6.5 案例
6.5.1 問題描述
6.5.2 擾動識別
6.5.3 彈性測評
6.5.4 影響分析
參考文獻

第7 章 複雜網路系統彈性規律研究
7.1 研究背景
7.1.1 基於網路拓撲參數的彈性度量
7.1.2 基於網路性能參數的彈性度量
7.1.3 複雜網路彈性規律研究
7.1.4 小結
7.2 彈性度量
7.3 彈性評估
7.3.1 流量模型建立
7.3.2 節點擾動策略
7.3.3 彈性仿真評估
7.4 案例分析
7.4.1 複雜網路拓撲生成
7.4.2 基於序參量的流量生成
7.4.3 基於擾動行為的彈性分析
7.4.4 基於恢復行為的彈性分析
參考文獻

 

序

　　在可靠性研究的初期，常常把系統簡化為「正常」和「故障」兩種狀態（即系統「二態性」），並在此基礎上開展可靠性建模、設計、分析、評估的理論和方法研究。隨著研究的不斷深入，人們發現複雜系統在「正常」和「故障」兩種狀態之間還存在1～n種性能降級狀態，「多態系統」的概念隨之被提出。這種離散多態系統的抽象，很大程度上擴展了可靠性研究範圍。然而，還有很多系統具有連續多態性，例如網路的流量、連續控制系統的輸出等。這一類系統僅僅靠現有的可靠性理論難以全面刻劃系統的整體特性。

　　系統彈性，關注系統對擾動的承受和恢復能力，其度量的基礎是系統性能在擾動前後的變化，尤其適用於連續多態系統。因此從最初接觸「彈性」這一概念開始，我們就認為它是系統可靠性概念在性能維度上的延展。我們的興趣油然而生：系統彈性有什麽表現規律？系統彈性由何而來？如何從解析、仿真、試驗的角度實現對系統的彈性評估？等等。在這些問題的牽引下，我們從2013年起開始開展系統彈性的研究工作，在國家自然科學基金項目和企業合作項目支持下取得了一些成果。

　　本書聚焦複雜系統的彈性建模與評估方法，第1章總結評述了關於系統彈性研究的大量已有成果；第2～3章論述了系統彈性模型，包括基於性能函數的系統彈性模型、基於聚合隨機過程的多態系統彈性建模；第4～7章論述了系統彈性分析與評估方法，包括面向彈性的部件重要性分析、基於蒙特卡羅的系統彈性評估、擾動識別與系統彈性測評、複雜網路系統彈性規律研究。本書的主要內容來源於國家自然科學基金項目61773044「彈性建模與分析：從部件到系統」和71601010「基於聚合隨機過程的多狀態可修系統彈性建模與分析」的研究成果。

　　本書第1～2章、第5～7章由李瑞瑩副教授撰寫，第3章由杜時佳博士撰寫，第4章由康銳教授撰寫，全書由康銳教授策劃和統稿。靳崇、張龔博、董強、馬文停等同學為本書的編寫提供了幫助。雖然作者在本書撰寫過程中盡了最大的努力，但是由於水準有限，不妥之處在所難免，敬請讀者不吝指正。