Estimation de la disponibilité par simulation, pour des systèmes incluant des contraintes logistiques

RAM (Reliability, Availability and Maintainability) analysis forms an integral part in estimation of Life Cycle Costs (LCC) of passenger rail systems. These systems are highly reliable and include complex logistics. Standard Monte-Carlo simulations are rendered useless in efficient estimation of RAM metrics due to the issue of rare events. Systems failures of these complex passenger rail systems can include rare events and thus need efficient simulation techniques. Importance Sampling (IS) are an advanced class of variance reduction techniques that can overcome the limitations of standard simulations. IS techniques can provide acceleration of simulations, meaning, less variance in estimation of RAM metrics in same computational budget as a standard simulation. However, IS includes changing the probability laws (change of measure) that drive the mathematical models of the systems during simulations and the optimal IS change of measure is usually unknown, even though theroretically there exist a perfect one (zero-variance IS change of measure). In this thesis, we focus on the use of IS techniques and its application to estimate two RAM metrics : reliability (for static networks) and steady state availability (for dynamic systems). The thesis focuses on finding and/or approximating the optimal IS change of measure to efficiently estimate RAM metrics in rare events context. The contribution of the thesis is broadly divided into two main axis : first, we propose an adaptation of the approximate zero-variance IS method to estimate reliability of static networks and show the application on real passenger rail systems ; second, we propose a multi-level Cross-Entropy optimization scheme that can be used during pre-simulation to obtain CE optimized IS rates of Markovian Stochastic Petri Nets (SPNs) transitions and use them in main simulations to estimate steady state unavailability of highly reliably Markovian systems with complex logistics involved. Results from the methods show huge variance reduction and gain compared to MC simulations.L'analyse des FDM (Reliability, Availability and Maintainability en anglais) fait partie intégrante de l'estimation du coût du cycle de vie des systèmes ferroviaires. Ces systèmes sont hautement fiables et présentent une logistique complexe. Les simulations Monte Carlo dans leur forme standard sont inutiles dans l'estimation efficace des paramètres des FDM à cause de la problématique des événements rares. C'est ici que l'échantillonnage préférentiel joue son rôle. C'est une technique de réduction de la variance et d'accélération de simulations. Cependant, l'échantillonnage préférentiel inclut un changement de lois de probabilité (changement de mesure) du modèle mathématique. Le changement de mesure optimal est inconnu même si théoriquement il existe et fournit un estimateur avec une variance zéro. Dans cette thèse, l'objectif principal est d'estimer deux paramètres pour l'analyse des FDM: la fiabilité des réseaux statiques et l'indisponibilité asymptotique pour les systèmes dynamiques. Pour ce faire, la thèse propose des méthodes pour l'estimation et l'approximation du changement de mesure optimal et l'estimateur final. Les contributions se présentent en deux parties: la première partie étend la méthode de l'approximation du changement de mesure de l'estimateur à variance zéro pour l'échantillonnage préférentiel. La méthode estime la fiabilité des réseaux statiques et montre l'application à de réels systèmes ferroviaires. La seconde partie propose un algorithme en plusieurs étapes pour l'estimation de la distance de l'entropie croisée. Cela permet d'estimer l'indisponibilité asymptotique pour les systèmes markoviens hautement fiables avec des contraintes logistiques. Les résultats montrent une importante réduction de la variance et un gain par rapport aux simulations Monte Carlo