Виды резервирования. Резервирование - это что такое
Лекция 6
Тема: Структурное резервирование и его виды
План
1. Классификация структурного резервирования, основные определения.
2. Основные схемы расчета надёжности по способу включения резервных элементов: постоянное, раздельное, замещением, скользящее.
3. Виды резервных элементов и режимы работы при нагруженном, облегченном и ненагруженном резервах.
4. Расчетно-логическая схема структурного резервирования сложной системы.
5. Организация резерва на уровне элементов, устройств и систем ИС.
Ключевые слова
Резервирование, избыточность, схема расчета, цифровое устройство, постоянное резервирование, раздельное резервирование, резервирование замещением, нагруженный резерв, ненагруженый резерв, режимы работы, скользящий резерв, переключающая схема, надёжность, безотказность.
Резервированием называют метод повышения надежности объекта путем введения избыточности. Задача введения избыточности – обеспечить нормальное функционирование системы после возникновения отказов в ее элементах.
Резервирование может быть структурным, информационным, временным, программным. Информационное резервирование предусматривает использование избыточной информации. Временное резервирование – использование избыточного времени. Программное резервирование – избыточных программ.
Структурное резервирование заключается в том, что в минимально необходимый вариант системы, элементы которой называются основными, вводятся дополнительные элементы и устройства, либо вместо одной системы предусматривается использование нескольких идентичных систем. При этом избыточные резервные структурные элементы берут на себя выполнение рабочих функций при отказе основных элементов .
Перечисленные виды резервирования могут быть применены либо к системе в целом, либо к отдельным ее элементам или их группам.
На практике большое распространение получило структурное резервирование (рис. 1).
Рис. 1. Способы резервирования КС
По схеме включения резервных элементов различают постоянное, раздельное резервирование, резервирование с замещением и скользящее резервирование.
Постоянное резервирование – это такое резервирование, при котором резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основными (рис. 2).
Для постоянного резервирования в случае отказа основного элемента не требуется специальных устройств, вводящих в действие резервный элемент, так как он вводится в действие одновременно с основными.
Основным параметром резервирования является его кратность (степень избыточности). Под кратностью резервирования m понимается отношение числа резервных объектов к числу резервируемых (основных).
Раздельным резервированием называется метод повышения надежности, при котором резервируются отдельные части объекта (рис. 2.3).
Рис. 2. Общее резервирование и постоянное включение резерва с постоянно включенным резервом.
Рис. 3. Раздельное резервирование с постоянно включенным резервом
Резервирование замещением – это резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного (рис. 4 а, б). При использовании резервирования замещением необходимы контролирующие и переключающие устройства для обнаружения факта отказа основного элемента и переключения его с основного на резервный.
Рис. 4. а) Общее резервирование с включением резерва замещением.
б) Раздельное резервирование с включением резерва замещением.
Скользящее резервирование – это резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными, каждый из которых может заменить любой отказавший элемент в данной группе.
Скользящее резервирование всегда является активным, всегда имеется переключающее устройство, определяющее наличие отказа и включающее резервный элемент (рис. 5).
Рис. 5. Схема скользящего резервирования
Виды резервных элементов в зависимости от режима работы
В зависимости от режима работы различают:
Нагруженный резерв – резервный элемент находится в том режиме работы, что и основной. При этом принимается, что характеристики надежности резервных элементов в период их пребывания в качестве резервных и в период использования вместо основных после отказа последних, остаются неизменными.
Облегченный резерв – резервный элемент находится в менее нагруженном режиме, чем основной. Принимается, что характеристики надежности резервных элементов в период их пребывания в качестве резервных выше, чем в период их использования вместо основных после отказа последних.
Ненагруженный резерв – резервный элемент практически не несет нагрузки. Такой резервный элемент, находясь в резерве, отказывать не должен, т.е. обладает в этот период идеальной надежностью. В период же использования этого элемента вместо основного после отказа последнего надежность становится равной надежности основного.
Различают резервирование с целой и дробной кратностью. Для их различия на схеме указывают кратность резервирования m (рис. 6, а, б) .
Рис. 6. Резервирование: а) постоянное резервирование с дробной кратностью (m =4/2);
б) раздельное резервирование с дробной кратностью (m =2/4)
При резервировании с целой кратностью величина m есть целое число, при резервировании с дробной кратностью m есть дробное несокращаемое число. Например, m =4/2 означает наличие резервирования с дробной кратностью, при котором число резервных элементов равно 4, число основных 2, а общее число элементов равно 6. Сокращать дробь нельзя, так как если m =4/2=2, то это означает, что имеет место резервирование с целой кратностью, при котором число резервных элементов равно 2, а общее число 3.
Для резервирования объектов, состоящих из одинаковых элементов, можно использовать небольшое число резервных элементов взамен любых отказавших основных элементов (скользящее резервирование).
Мажоритарное и комбинированное резервирование
Частным случаем резервирования с дробной кратностью является мажоритарное резервирование, часто используемое в устройствах дискретного действия (рис. 7). При мажоритарном резервировании вместо одного элемента (канала) включается три идентичных элемента, выходы, которых подаются на мажоритарный орган М (элемент голосования). Если все элементы этой резервной группы исправны, то на вход М поступают три одинаковых сигнала и такой же сигнал поступает во внешнюю цепь с выхода М .
Рис. 7. Мажоритарное резервирование (выбор по большинству)
Если один из трех резервных элементов отказал, то на вход М поступают два одинаковых сигнала (истинных) и один сигнал ложный. На выходе М будет сигнал, совпадающий с большинством сигналов на его входе, т.е. мажоритарный орган, осуществляет операцию голосования или выбора по большинству. Таким образом, условием безотказной работы группы при мажоритарном резервирование является безотказная работа любых двух элементов из трех и мажоритарного органа в течение заданного времени.
Комбинированный резерв – на рис. 8 представлена резервированная группа, сочетающая преимущества нагруженного резерва (непрерывность работы) и ненагруженного резерва (обеспечение большого выигрыша в надежности). В данном случае два элемента образуют дублирующую группу (нагруженный резерв), а третий находится ненагруженном резерве. Такой резерв называют комбинированным.
В устройствах ИС ответственного назначения могут быть использованы все виды структурного резервирования (рис. 9).
Рис. 8. Комбинированный резерв
Рис. 9. Расчетно-логическая схема структурного резервирования подсистемы сложной ТС
Теоретически введением избыточности в структуру системы и выбором оптимальных режимов можно создать сколь угодно надежную КС. Но не всегда это практически выполнимо. Анализируя все виды резервирования, следует сделать практический вывод: обеспечить высокую надежность КС путем общего нагруженного резерва не представляется возможным по экономическим соображениям. Наибольший эффект дает поэлементное резервирование [ 1, 2, 3, 6].
Сравнивая между собой виды резервирования с нагруженным и ненагруженным резервом, можно заметить, что при прочих равных условиях система с ненагруженным резервом надежнее системы с нагруженным резервом.
Организация резерва на уровне компьютера и КС
Резервирование на уровне компьютера. В аппаратуре универсальных компьютеров резервирование встречается на различных уровнях. На уровне компьютера резервирование заключается в наличии большого числа однотипных машин, что необходимо для решения постановленных задач. В этом случае надежность системы оценивается как для систем со скользящим резервированием. В случае универсальных компьютеров целесообразно использовать производительность всех имеющихся процессоров. Тогда свойство системы удобнее характеризовать через эффективную производительность системы.
где П i – производительность (число задач выполняемых машиной в единицу времени) i -ой машины;
n – число машин в системе;
К i – коэффициент готовности i -ой машины.
Если отдельные системы компьютера, объединенные через адаптеры между каналами для периферийных устройств, через общее поле памяти или другим способом, образуют многомашинную (многопроцессорную) КС, то эффективная производительность такой системы
,
где m – количество состояний системы;
P j – вероятность того, что система находится j -м состоянии;
П j – производительность системы в j -м состоянии.
Вероятность P j определяют методом Марковских цепей. Поскольку конфигурация таких систем может быть самой различной, для оценки вероятности сохранения связности системы следует применять методы расчета надежности систем со сложной структурой, например метод минимальных путей и сечений.
Резервирование на уровне устройств . На более низких уровнях иерархии структуры в универсальных компьютерах резервирование встречается на уровне периферийных устройств (ПУ). Для решения задач требуется некоторое минимальное число ПУ.
Резервирование на уровне кодов – в компьютерах для повышения надежности ОЗУ и ПЗУ применяются коды с обнаружением и исправлением ошибок. Применение этих кодов дает возможность исправлять определенное число ошибок в каналах передачи или восстанавливать информацию в случае отказа некоторых ячеек в ОЗУ и ПЗУ или дорожек (то есть усилителей записи-считывания) в накопителях на магнитных дисках. Надежность таких устройств оценивается как надежность резервированных систем со скользящим резервом.
Резервирование в специализированных и управляющих компьютерах . В специализированных, а особенно в управляющих машинах резервирование применяется значительно шире в связи с высокими требованиями к надежности таких систем.
На уровне компьютера, а иногда на уровне программного обеспечения применяется троирование. Встречаются также системы, где используется несколько резервных машин. В целях повышения надежности часть из них может работать в режиме нагруженного резерва, часть в режиме ненагруженного. Однако резервирование на уровне компьютера не самое экономичное. Для повышения надежности при ограничении массы, стоимости и габаритных размеров КС используется резервирование отдельных устройств машин троированием или применением нескольких нагруженных или ненагруженных резервов. Для повышения надежности самых ответственных узлов применяется троирование или логика с переплетениями (представляется в виде избыточной логической схемы, где ошибки в одном слое корректируются в этом же или следующем слое логических элементов).
Все рассмотренные методы резервирования в КС относятся к пассивному резервированию, так как не предусматривают реконфигурацию системы. Способы резервирования, предусматривающие автоматическую реконфигурацию системы используются в отказоустойчивых компьютерных системах (ОКС). В ОКС используются средства обнаружения, локализации отказа и средства реконфигурации.
Отказы в ОКС обнаруживается при помощи средств контроля, а локализуются при помощи средств диагностики и устраняются автоматической реконфигурацией системы. Реконфигурация заключается в перестройке структуры вычислительных средств таким образом, чтобы ее отказавшие части были устранены от участия в работе.
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое резервирование?
2. Какие виды структурного резервирования широко распространены на практике?
3. Что такое постоянное (общее) резервирование?
4. Каково значение кратности резервирования при дублировании?
5. Приведите пример комбинированного резерва элементов КТ?
6. Составьте структурную схему надежности устройства состоящего из четырех основных элементов, включенных по схеме раздельного резервирования с нагруженным резервом (m = 1).
7. Как оценивается ВБР при мажоритарном резервировании?
8. Где чаще всего применяется динамическое резервирование?
9. Составьте структурную надежности устройства КС состоящего из 4-х основных элементов, включенных по схеме общего резервирования с нагруженным резервом при m = 2.
10. При каком способе резервирования устройств ИС всегда присутствуют переключающие устройства (коммутатор)?
Литература: 1,2,3,5,6, 7.
Как было сказано выше, надежность системы зависит от ее структуры (схемотехнического решения) и надежности элементов, входящих в систему. Поэтому для повышения надежности систем необходимо либо повысить надежность элементов, либо изменить схемотехническое решение, либо использовать комбинацию этих двух подходов.
Говоря о повышении надежности элементов, следует помнить, что требования к их надежности формулируются на этапе технического задания. Путем предварительных расчетов по структурной схеме системы (подробнее примеры расчетов будут приведены ниже) можно сформулировать требования к показателям надежности элементов, чтобы вероятность безотказной работы системы удовлетворяла заданным требованиям. Однако на практике не всегда существует возможность использования таких элементов. Это может быть связано, например, с тем, что они являются более дорогостоящими, занимают больший объем или, наконец, такие элементы просто не производятся. Вопросы создания новой элементной базы выходят за рамки данного курса и ниже обсуждаться не будут.
Если изменение структуры системы с целью повышения надежности связано с изменением схемотехнического решения, то при исходных ненадежных элементах это, как правило, не приводит к достижению нужных показателей надежности системы. Кроме того, такого рода изменения структуры требуют достаточно больших затрат ресурсов. Однако если под изменением структуры подразумевается введение в систему избыточных элементов, включающихся в работу при отказе основных, то такое изменение приводит к повышению надежности до требуемого уровня. Таким образом, приходим к понятию резервирования.
Резервирование (redundancy) - способ обеспечения надежности объекта за счет использования дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций. Таким образом, объект содержит основные, резервируемые и резервные элементы.
Основной элемент (major element) - элемент объекта, необходимый для выполнения требуемых функций без использования резерва.
Резервируемый элемент (element under redundancy) - основной элемент, на случай отказа которого в объекте предусмотрены одни или несколько резервных элементов. Резервный элемент (redundant element) - элемент, предназначенный для выполнения функции основного элемента в случае отказа последнего.
По способу включения в систему резервных элементов различают постоянное резервирование и резервирование замещением. Постоянное резервирование (continuous redundancy) - резервирование, при котором используется нагруженный резерв и при отказе любого элемента в резервированной группе выполнение объектом требуемых функций обеспечивается оставшимися элементами без переключений. Резервирование замещением (standby redundancy) - резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента. Следует заметить, что резервирование замещением требует дополнительных устройств для контроля за состоянием элементов, для выключения отказавших элементов и для включения резервных элементов. Такие устройства называются переключателями.
При постоянном резервировании резервные элементы соединены параллельно с основными элементами и во время функционирования объекта находятся в том же режиме, что и основной элемент. Такой режим работы называют нагруженный резерв. То есть под нагруженным резервом (active reserve, loaded reserve) понимают резерв, содержащий один или несколько резервных элементов, находящихся в режиме основного элемента. Поскольку при постоянном резервировании в случае отказа основного элемента перестройки схемы не происходит, а отказавший элемент не отключается, то в данном случае нет необходимости в переключающих устройствах. К достоинствам постоянного резервирования следует отнести простоту конструкции и отсутствие временных задержек при выходе из строя основного элемента и замене его на резервный. К недостаткам - расход ресурса резервных элементов, поскольку они находятся в нагруженном режиме.
При резервировании замещением основной элемент при выходе из строя отключается и включается резервный элемент. При этом функции основного элемента передаются заранее установленному резервному элементу. Переключение может выполняться автоматически или вручную. В зависимости от способа функционирования резервных элементов до момента их включения в работу различают три типа резервирования: режим нагруженного (горячего) резерва, режим облегченного (теплого) резерва и режим ненагруженного (холодного) резерва.
Как было сказано ранее, при нагруженном резерве резервные элементы находятся в том же режиме функционирования, что и основной элемент. В этом случае показатели надежности резервного элемента такие же, как и у основного элемента.
Облегченный резерв (reduced reserve) - резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в менее нагруженном режиме, чем основной элемент. Предполагается, что в этом случае надежность резервного элемента выше надежности основного элемента.
Ненагруженный резерв (standby reserve, unloaded reserve) - резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функции основного элемента, т. е. резервные элементы до момента их использования находятся в обесточенном состоянии и их надежность до момента включения не изменяется по сравнению с первоначальной.
Кроме того, для проведения расчетов следует иметь в виду, что переключатели, используемые при резервировании замещением, не обладают абсолютной надежностью.
Разновидностью ненагруженного резервирования является скользящее резервирование (sliding redundancy) , при котором группа основных элементов резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой из отказавших основных элементов.
Рассмотрим еще одно понятие - кратность резервирования (redundancy ratio) - отношение числа резервных элементов к числу основных элементов. Резервирование с целой кратностью возникает, когда один основной элемент резервируется одним или несколькими резервными элементами. Резервирование с дробной кратностью возникает, когда два и более однотипных элементов резервируются одним или несколькими резервными элементами. Чаще всего дробная кратность возникает в тех случаях, когда число основных элементов превышает число резервных элементов.
С использованием последовательной и параллельной моделей надежности строятся общее и раздельное резервирование объекта. Общее резервирование (whole system redundancy) - резервирование, при котором резервируется объект в целом. Раздельное резервирование (segregated redundancy) - резервирование, при котором резервируются отдельные элементы объекта или их группы.
Подводя итоги сказанному выше, приведем возможные типы резервирования (рис. 5.6).
Рис. 5.6.
Ниже будут рассмотрены основные способы резервирования объекта.
На стадии проектирования СЭС для обеспечения требуемой надежности приходится во многих случаях как минимум дублировать отдельные элементы и даже отдельные системы, т.е. использовать резервирование.
Резервирование характерно тем, что оно позволяет повысить надежность системы по сравнению с надежностью составляющих ее элементов. Повышение надежности отдельно взятых элементов требует больших материальных затрат. В этих условиях резервирование, например, за счет введения дополнительных элементов является эффективным средством обеспечения требуемой надежности систем.
Если при последовательном соединении элементов общая надежность системы (т.е. вероятность безотказной работы) ниже надежности самого ненадежного элемента, то при резервировании общая надежность системы может быть выше надежности самого надежного элемента.
Резервирование осуществляется путем введения избыточности. В зависимости от природы последней резервирование бывает:
Структурное (аппаратное);
Информационное;
Временное.
Структурное резервирование заключается в том, что в минимально необходимый вариант системы, состоящей из основных элементов, вводятся дополнительные элементы, устройства или даже вместо одной системы предусматривается использование нескольких одинаковых систем.
Информационное резервирование предусматривает использование избыточной информации. Его простейшим примером является многократная передача одного и того же сообщения по каналу связи. Другим примером являются коды, применяемые в управляющих ЭВМ для обнаружения и исправления ошибок, возникающих в результате сбоев и отказов аппаратуры.
Временное резервирование предусматривает использование избыточного времени. Возобновление прерванного в результате отказа функционирования системы происходит путем ее восстановления, если имеется определенный запас времени.
Существует два метода повышения надежности систем путем структурного резервирования:
1) общее резервирование, при котором резервируется система в целом;
2) раздельное (поэлементное) резервирование, при котором резервируются отдельные части (элементы) системы.
Схемы общего и раздельного структурного резервирования представлены соответственно на рис. 5.3 и 5.4, где n число последовательных элементов в цепи, m – число резервных цепей (при общем резервировании) или резервных элементов для каждого основного (при раздельном резервировании)
При m=1 имеет место дублирование, а при m=2 – троирование. Обычно стремятся по возможности применять раздельное резервирование, т к при этом выигрыш в надежности часто достигается значительно меньшими затратами, чем при общем резервировании.
В зависимости от способа включения резервных элементов различают постоянное резервирование, резервирование замещением и скользящее резервирование.
Постоянное резервирование – это такое резервирование, при котором резервные элементы участвуют в работе объекта наравне с основными. В случае отказа основного элемента не требуется специальных устройств, вводящих в действие резервный элемент, поскольку он включается в работу одновременно с основным.
Резервирование замещением – это такое резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного. При резервировании замещением необходимы контролирующие и переключающие устройства для обнаружения факта отказа основного элемента и переключения с основного на резервный.
Скользящее резервирование – представляет собой разновидность резервирования замещением, при котором основные элементы объекта резервируются элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший элемент.
Оба вида резервирования (постоянное и замещением) имеют свои преимущества и недостатки.
Достоинством постоянного резервирования является простота, т.к. в этом случае не требуются контролирующие и переключающие устройства, понижающие надежность системы в целом, и, самое главное, отсутствует перерыв в работе. Недостатком постоянного резервирования является нарушение режима работы резервных элементов при отказе основных.
Включение резерва замещением обладает следующим преимуществом: не нарушает режима работы резервных элементов, сохраняет в большей степени надежность резервных элементов, позволяет использовать один резервный элемент на несколько рабочих (при скользящем резервировании).
В зависимости от режима работы резервных элементов различают нагруженный (горячий) и ненагруженный (холодный) резерв.
Нагруженный (горячий) резерв в энергетике называют также вращающимся или включенным. В данном режиме резервный элемент находится в том же режиме, что и основной. Ресурс резервных элементов начинает расходоваться с момента включения в работу всей системы, и вероятность безотказной работы резервных элементов в этом случае не зависит от того, в какой момент времени они включаются в работу.
Облегченный (теплый) резерв характеризуется тем, что резервный элемент находится в менее нагруженном режиме, чем основной. Поэтому, хотя ресурс резервных элементов также начинает расходоваться с момента включения всей системы в целом, интенсивность расхода ресурса резервных элементов до момента их включения вместо отказавших значительно ниже, чем в рабочих условиях. Этот вид резерва обычно размещается на агрегатах, работающих на холостом ходу, и, следовательно, в данном случае ресурс резервных элементов срабатывается меньше по сравнению с рабочими условиями когда агрегаты несут нагрузку Вероятность безотказной работы резервных элементов в случае этого вида резерва будет зависеть как от момента их включения в работу, так и от того, насколько отличаются законы распределения вероятности безотказной работы их в рабочем и резервном условиях.
В случае ненагруженного (холодного) резерва резервные элементы начинают расходовать свой ресурс с момента их включения в работу вместо основных. В энергетике этим видом резерва служат обычно отключенные агрегаты.
Расчеты надежности систем с параллельно включенными элементами зависят от способа резервирования.
НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЩЕМ РЕЗЕРВИРОВАНИИ
Будем
считать, что резервируемые и резервные
элементы равнонадежны, т.е.
и
.
Для удобства вероятности безотказной
работы и появления отказов отдельных
элементов обозначаем в этом и последующем
разделах прописными буквами.
С учетом схемы замещения (рис 5.5) и формулы (5.18) вероятность отказа системы с m резервными цепями можно рассчитать следующим образом:
, (5.22)
где
(t)
– вероятность отказа основной цепи,
– вероятность отказаi-й
резервной цепи.
Соответственно вероятность безотказной работы системы
(5.23)
В соответствии с формулой (5 8) имеем
(5.24)
При
одинаковых вероятностях отказов
основной и резервной цепей
формулы (5 22) и (5 23) принимают вид:
, (5.25)
(5.26)
Среднее время безотказной работы системы при общем резервировании
(5.27)
где
– интенсивность отказов системы,
,
– интенсивность отказов любой из (m+1)
цепей,
– интенсивность отказовi-го
элемента
Для системы из двух параллельных цепей (m=1) формула (5.27) принимает вид:
(5.28)
Среднее время восстановления системы в общем случае определяется по формуле
(5.29)
где
– среднее время восстановленияi-ой
цепи.
Для частного случая m=1 формула (5.29) принимает вид:
Пример 5.2.
Рассчитать вероятность безотказной работы в течение 3 месяцев, интенсивность отказов, среднюю наработку на отказ одноцепной ВЛ длиной l=35км вместе с понижающим трансформатором 110/10кВ и коммутационной аппаратурой (рис 5.6).
Схема замещения по надежности рассматриваемой СЭС представляет собой последовательную структуру (рис 5.7)
Интенсивности отказов элементов взяты из табл 3.2:
; 
; 
Согласно формуле (5.7) определяем интенсивность отказов схемы питания
Этот расчет показывает, что доминирующее влияние на выход схемы из строя оказывает повреждаемость воздушной линии. Средняя наработка на отказ схемы питания
Вероятность безотказной работы схемы в течение t=0,25года
Пример 5.3.
Определить, насколько выше показатели надежности понизительной трансформаторной подстанции 110/10кВ при постоянной совместной работе обоих трансформаторов в течение 6 месяцев по сравнению с однотрансформаторной подстанцией. Отказами коммутационных аппаратов и преднамеренными отключениями пренебрегаем.
Исходные данные, взятые из табл. 3.2, следующие:
; 
Вероятность безотказной работы в течение 6 месяцев одного трансформатора
Средняя наработка на отказ одного трансформатора
Вероятность безотказной работы двухтрансформаторной подстанции, рассчитанная по формуле (5.20):
Средняя наработка на отказ двухтрансформаторной подстанции, рассчитанная по формуле (5.28):
лет
Интенсивность отказов двухтрансформаторной подстанции
Среднее время восстановления двухтрансформаторной подстанции (см. формулу (5.30))
Анализ результатов показывает, что надежность двухтрансформаторной подстанции намного превышает надежность однотрансформаторной подстанции.
Пример 5.4.
Рассмотрим
секцию РУ 6кВ, от которой питаются 18
отходящих линий (рис. 5.8) Интенсивность
отказов выключателей, сопровождающихся
короткими замыканиями, оценивается
величиной
= 0,003
,
интенсивность отказов с
короткими
замыканиями для сборных шин на одно
присоединение
(см. табл. 3 2). Определить интенсивность
кратковременных погашений секции РУ,
предполагая абсолютную надежность
автоматического ввода резерва (АВР) и
выключателяQ2,
резервирующего питание секции.
Резервированием называют способ обеспечения надёжности системы за счёт использования дополнительных средств и возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым при выполнении требуемых функций. Резервирование может использоваться не только для повышения надёжности, но и для повышения точности, устойчивости, достоверности и др. Иногда вместо термина «резервирование» используется словосочетание «введение избыточности». Между этими понятиями есть много общего, но есть и различия, поэтому их нельзя воспринимать как синонимы. Под избыточностью понимают превышение веса, габаритов, производительности, стоимости и других технико-экономических показателях изделия над минимально необходимыми. Ясно, что введение избыточности не означает автоматического улучшения показателей надёжности, достоверности и др. Чтобы улучшение произошло, необходимо соответствующим образом управлять избыточными ресурсами, создать определённые условия и правила их использования, а в некоторых случаях и предусмотреть специальные технические и программные средства актуализации этих ресурсов. Если это выполнено, то введение избыточности становится резервированием, и тогда оба понятия можно рассматривать как синонимы.
Виды и методы резервирования довольно разнообразны и зависят как от типа характеристик, которые должны быть улучшены, так и от класса систем, в которых резервирование используется. Для повышения надёжности систем управления применяют структурное, функциональное, временное, информационное, алгоритмическое резервирование. Рассмотрим подробно эти виды резервирования.
Структурное резервирование. Структурным резервированием (СР) называют способ повышения надёжности технических средств, состоящий в применении в системе дополнительных (резервных) элементов, которые не являются необходимыми для выполнения возложенных на систему функций, но используются системой после отказа основных элементов. Характерной особенностью СР является то, что в идеально надёжной системе все резервные элементы могут быть удалены из системы без какого-либо ухудшения качества её функционирования. Они необходимы только тогда, когда появляется принципиальная возможность отказа основных элементов.
В отличие от последовательной системы, в системе со СР не любой отказ элемента приводит к отказу системы, так как работа системы поддерживается за счёт перестройки (реконфигурации) структуры и подключения резервных элементов. Отказ системы наступает только тогда, когда нарушение работоспособности в одном из основных элементов не удаётся компенсировать своевременным подключением работоспособного резервного элемента (группы элементов).
Замечательным свойством СР, объясняющим его широкое применение, является то, что введение резервной аппаратуры, увеличивая суммарную интенсивность отказов элементов (основных и резервных), существенно уменьшает интенсивность отказов системы. Как следствие, улучшаются и другие показатели надёжности. И, наоборот, в отличие от последовательной системы, где любое упрощение полезно с точки зрения надёжности, в резервированной системе упрощение путём удаления резервных элементов ухудшает показатели надёжности. При наличии потока отказов элементов СР позволяет обеспечит непрерывную работу системы в течение промежутка времени, во много раз превосходящего среднюю наработку до отказа нерезервированной системы. В системах, состоящих из нескольких одновременно работающих устройств одинаковой производительности, в которых отказ одного из устройств снижает общую производительность системы, СР стабилизирует производительность системы.
Для эффективного использования СР иногда необходимо привлекать другие виды резервирования, например временное, для того чтобы гарантировать своевременное обнаружение отказов и своевременное подключение резервной аппаратуры. Для этих же целей используются информационное и алгоритмическое резервирование.
Методы структурного резервирования.
МСР различаются:
По масштабу резервирования;
Соотношению количества основных и резервных элементов;
Способу включения резерва;
Режиму работы резервных элементов;
Способам подключения резервной аппаратуры.
Резервирование называют общим, если резервируется вся последовательная система, раздельным (поэлементным), если резервируются отдельные элементы последовательной системы, и групповым, если резервируется группа элементов системы. Совокупность основных и резервных элементов, замещающих друг друга при отказе одного из элементов, называют резервированной группой. При общем резервировании в системе имеется только одна резервированная группа, при раздельном - столько резервированных групп, сколько элементов в последовательной системе. При групповом резервировании число резервированных групп имеет промежуточное значение. Система со структурным резервом отказывает тогда, когда отказывает хотя бы одна её резервированная группа. В структурной надёжностной схеме резервированные группы соединены последовательно, значит вероятность возникновения отказа резервированной группы может быть определена как:
Скользящее резервирование или с неоднозначным соответствием применят тогда, когда все основные элементы системы одинаковы. Резервные элементы не закрепляются за определёнными основными элементами, а могут заменить любой из них.
Основным параметром структурного резервирования является кратность k, представляющая собой соотношение между общим числом однотипных элементов n и числом r необходимых для функционирования системы работающих элементов:
Значение k может быть целым, если, и дробным, если В последнем случае дробь сокращать нельзя.
По способу включения резерва различают:
Резервирование с постоянно включённым резервом;
Резервирование с включением замещением.
Рис. 4
Схемы общего (а) и поэлементного (б) постоянного резервирования приведены на рис. 4. При постоянном включении основные и резервные элементы (подсистемы) функционируют одновременно, начиная с момента включения системы (рис. 4, а и б). Постоянное резервирование является пассивным. При включении замещением (рис. 4, в и г), которое является активным резервированием, резервные элементы (подсистемы) включаются в работу только после отказа основных. До этого они находятся в состоянии хранения (ненагруженный резерв), частично включены (облегчённый резерв) или полностью включены (нагруженный резерв). При нагруженном резерве резервные элементы имеют интенсивность отказов такую же, как и основные элементы, т.е.
При ненагруженном резерве интенсивность отказов резервных элементов во много раз меньше, чем интенсивность отказов основных элементов, так что в расчётах можно считать. Облегчённый резерв занимает промежуточное положение, когда
Замещение отказавшего основного элемента резервным можно проводить вручную, полуавтоматически и автоматически. В первом случае не требуется никакой аппаратуры переключения, но время переключения довольно велико. При автоматическом переключении используют специальный автомат переключения резерва. Он уменьшает время переключения до нескольких секунд или долей секунд, однако сам обладает конечной надёжностью. При полуавтоматическом переключении часть функций выполняет автомат, а другую - оператор.
Поскольку структурное резервирование сопряжено с дополнительными затратами на резервные элементы, то последние должны окупаться за счёт повышения надёжности системы и снижения потерь от её отказов. Наиболее простыми для определения показателями эффективности резервирования являются следующие:
где - выигрыш за счёт повышения средней наработки до отказа резервированной системы по сравнению с наработкой нерезервированной системы; - аналогичные показатели по повышению вероятности безотказной работы и снижению вероятности отказа. Резервирование эффективно, если значение показателей дольше единицы.
Временное резервирование (резервирование времени)
Временное резервирование (ВР) - это способ повышения надёжности, при котором системе в процессе функционирования предоставляется возможность израсходовать некоторое время, называемое резервным, для восстановления технических характеристик. Резерв времени можно израсходовать на переключение структурного резерва, обнаружение и устранение отказов, повторение работ, обесцененных отказами, ожидание загрузки в работоспособном состоянии. Можно указать несколько источников резервного времени.
Резерв времени может создаваться за счёт увеличения времени, выделяемого системе для выполнения задания и называемого оперативным временем. Он возникает и при создании запаса производительности всей системы или её отдельных устройств, причём без увеличения оперативного времени. Запас производительности, в свою очередь, возникает при увеличении быстродействия элементов или при комплексировании нескольких устройств (систем) одинаковой или различной производительности для выполнения общего задания.
В системах, результат работы которых оценивается объёмом производимого (обрабатываемого) продукта, резерв времени можно создать за счёт внутренних запасов выходной продукции. В АСОИУ такой продукцией является информация, в системах энергоснабжения - электрическая энергия, в системах водоснабжения - водные ресурсы, на машиностроительных предприятиях - детали, узлы, приборы и т.д. Для хранения запасов предусматриваются специальные накопители: запоминающие устройства, аккумуляторные батарее, резервуары, бункеры и др. Пока запас не исчерпан, продукция поступает на выход системы, и смежные с ней системы, не «замечая» частичного или даже полного прекращения её функционирования, считают её работоспособной.
Ещё одним источником резерва времени является функциональная инерционность протекающих в системе процессов. В работе многих технических систем допускаются незначительные перерывы, протекающие без потери качества функционирования (пока управляемые параметры находятся в пределах допусков), которые можно использовать для восстановления её работоспособности. Такими свойствами обладают АСУ ТП, системы термостатирования, диспетчерского управления, жизнеобеспечения летательных и других подвижных аппаратов и др.
Для систем с ВР нарушение работоспособности не обязательно сопровождается отказом системы даже при последовательном соединении её элементов, так как есть возможность восстановить работоспособность за резервное время. Отказ СВР - событие, заключающееся в нарушении работоспособности, вызывающем недопустимые последствия или неустранённом за допустимое время. Надёжность СВР оценивается по результатам выполнения установленных временных ограничений по всей траектории функционирования или по результатам выполнения некоторого задания.
Задание задаётся:
Последовательностью и объёмом работ;
Установленными моментами начала и завершения этапов работ;
Ограничениями на использование различных ресурсов, которыми располагает система;
Ограничениями на взаимопомощь и взаимодействие различных устройств.
Поэтому различают задания:
Одноэтапные;
Многоэтапные;
Бригадные;
Индивидуальные (автономные);
Групповые;
Поступающие до начала работы системы (по расписанию);
Поступающие в процессе работы системы (в случайные моменты времени по заявкам). Выполнение задания - это событие, заключающееся в завершении заданного объёма работ с установленными ограничениями на время выполнения всех работ и отдельных их этапов и при выполнении требований к качеству и ритмичности работы системы. Нарушение установленных требований и ограничений рассматривается как срыв функционирования. Поэтому, отказ СВР можно определить как событие, приводящее немедленно или с некоторой задержкой к срыву выполнения задания, к срыву функционирования.
Для установления признаков отказа СВР необходимо вести статистику потерь времени, проводить специальные измерения, например, запасов продукции в накопителях. Структурно в обобщённой форме СВР может рассматриваться как совокупность исходного объекта и резерва времени (рис. 5).
После отказа системы начинает действовать резерв времени. Отказы системы могут различаться по последствиям. Если отказ вызывает лишь задержку выполнения задания, но не приводит к повторению работ, то его называют необесценивающим или неразрушающим. В противном случае его называют обесцениваищим или разрушающим. Обесценивание выполненных работ может быть полным или частичным. В связи с наличием обесценивающих отказов всю наработку системы разделяют на полезную и обесцененную. Полезной является наработка, не обесцененная отказами системы, а обесцененная наработка - это наработка, не включённая в полезную. Резервирование времени широко используется в компьютерах, вычислительных сетях, системах связи. Особенно эффективным является применение ВР для борьбы со сбоями и помехами. Его часто используют и для повышения эффективности других видов резервирования.
Рис. 5
Методы временного резервирования
На методы временного резервирования частично может быть распространена классификация методов структурного резервирования. Среди методов ВР можно выделить общее, раздельное, групповое, с целой и дробной кратностью. При общем резервировании созданный резерв времени может быть использован любым элементом системы. При раздельном ВР каждый элемент обеспечивается собственным резервом времени, который не может быть использован другими элементами. При групповом ВР резерв времени предназначается для любого элемента, входящего в данную группу, и не может быть использован элементами вне группы. Кратность ВР - это отношение величины резерва времени к минимальному времени выполнения задания. Оно может быть целым или дробным.
По возможности увеличения в процессе функционирования системы с резервом времени (СВР) различают непополняемый и пополняемый резерв времени. Непополняемый резерв времени создаётся заранее, до начала работы, и не возрастает при выполнении задания. При работоспособном состоянии всех элементов системы текущее значение резерва времени не меняется, а при отказах элементов может уменьшаться скачкообразно (при обесценивающих отказах) или в линейной зависимости от времени при неработоспособном состоянии системы. Пополняемый резерв возрастает по некоторому закону при работоспособном состоянии всей системы, а также во время восстановления работоспособности некоторых отказавших элементов. Мгновенно пополняемый резерв восстанавливается до исходного уровня скачком сразу же после окончания ремонта. В одной и той же системе могут использоваться оба вида резерва времени - тогда его называют комбинированным или смешанным. При раздельном или групповом резервировании возможны дополнительные ограничения на способ пополнения и использования резерва времени. В этом случае его называют резервом со сложными ограничениями.
Как и при структурном резервировании, по типу структуры различают СВР с последовательным, параллельным, последовательно-парал-лельным соединением элементов, а также СВР с сетевой структурой. Однако здесь имеются некоторые особенности. Так, существуют две разновидности последовательного соединения: основное и многофазное. При основном соединении в системе отсутствуют накопители продукции (рис. 6, а).
Рис. 6
При многофазном соединении в системе есть по крайней мере один накопитель. Число фаз определяют как число накопителей, увеличенное на единицу (рис. 6,б). Параллельное соединение также имеет две разновидности: резервное и многоканальное. При резервном соединении имеются чёткие различия основных и резервных элементов. Работоспособные основные элементы находятся в работе. Резервные элементы, вне зависимости от режима (нагруженного, ненагруженного, облегчённого), не включаются в работу, пока работоспособны основные элементы (рис. 6,в). При многоканальном соединении не различают основные и резервные элементы. Все параллельно включённые элементы участвуют в работе, и результаты их работы так или иначе используют при формировании результатов работы всей системы. Если элементы характеризуются производительностью (пропускной способностью, быстродействием, мощностью и пр.), то в системе с многоканальным соединением элементов может создаваться запас производительности, в отличие от системы с минимально необходимым числом элементов (рис. 6,г). Примеры СВР с последовательно-параллельным и параллельно-последовательным соединением элементов приведены на рис. 6, д-з. Рекурсивно могут быть построены и более сложные структуры.
Функциональное резервирование
Функциональным резервированием (ФР) называют способ повышения надёжности, использующий свойство технических систем (а также живых организмов, биологических и социальных систем) обеспечивать при отказах элементов безотказное функционирование за счёт перераспределения функций и более интенсивной работы элементов, выполнявших до отказа только свои основные функции. Выполнять дополнительные функции они способны лишь временно, и это может сопровождаться некоторым ухудшением общего качества работы, но в допустимых пределах. При ФР в системе нет «лишних» элементов - они все необходимы для выполнения требуемого набора функций. Характерной особенностью этого вида резервирования является как раз то, что даже из идеально надёжной системы нельзя удалить ни одного элемента, не вызвав перераспределения функций элементов и увеличения их функциональной нагрузки уже на постоянной основе, возможно, с переходом на более тяжёлые режимы работы.
Применение ФР обычно сопровождается введением информационной и алгоритмической избыточности.
Информационное резервирование
В современной технике управления и информационно-вычис-лительной технике информационная избыточность и информационное резервирование используются для улучшения многих характеристик. Оно влияет на показатели надёжности, достоверности обработки и передачи информации, точности вычислений, производительности. Способы введения информационной избыточности весьма разнообразны. Информационная избыточность существует в виде избыточности внутреннего информационного языка устройств обработки и передачи данных, в виде избыточности помехоустойчивых кодов. Её можно вводить и как избыточность массивов данных в составе файла данных, и как избыточность файловой структуры в памяти ЭВМ. Можно с уверенностью сказать, что без информационной избыточности в той или иной форме невозможно представить ни один информационный процесс в АСОИУ. Часто без информационной избыточности нельзя использовать другие виды резервирования. Не останавливаясь на косвенных способах влияния информационной избыточности на показатели надёжности, отметим лишь основные способы прямого влияния. Информационная избыточность (ИИ) уменьшает:
Поток отказов системы, так как на все отказы элементов становятся отказами системы; если последствия отказа элемента удаётся устранить за счёт ИИ, то он не считается отказом системы;
Время восстановления за счёт уменьшения объёма работ, обесцененных отказом; при этом уменьшается время, затрачиваемое на повторение обесцененной части работ, и увеличивается полезная наработка;
Время восстановления за счёт сокращения времени обнаружения и поиска неисправности.
Алгоритмическое резервирование (АР)
Для выполнения стоящих перед системой задач необходимо не только иметь некоторый объём информации о характере и условиях выполнения задачи, о процессах, происходящих в системе и окружающей среде, но и обеспечить обработку этой информации в соответствии с алгоритмами функционирования. Каждой системе можно сопоставить алгоритм минимальной сложности. Все прочие алгоритмы, содержащие дополнительное количество операторов, по сравнению с минимальным алгоритмом будут избыточными. АР вводится для преодоления помех и случайных возмущений, вызванных, в частности, отказами элементов аппаратуры. Оно используется во взаимодействии с другими видами резервирования и в ряде случаев является необходимым условием их реализации.
4 Расчет надежности невосстанавливаемых систем с постоянным резервом
Общее постоянное резервирование с целой кратностью. Вероятность отказа Q p параллельно работающих т элементов при r = 1 определяется выражением (2), откуда для равнонадежных элементов
Чем меньше вероятность отказа каждого из элементов, тем выше эффективность постоянного резервирования. Так, если q = 0,1 и 0,01, а k = 1, то выигрыш в снижении вероятности отказа при резервировании составит соответственно 10 и 100. Рассмотрим связь показателей надежности группы резервированных элементов, кратности резервирования k и длительности работы элементов t при экспоненциальном законе распределения времени их безотказной работы. Если интенсивность отказов каждого из элементов, то согласно (1.12), (1.21), (1.22) имеем
Графики изменения P P (t/) и р (t/)/ в зависимости от кратности резервирования и длительности работы системы представлены на рис. 7. Они показывают, что постоянное резервирование эффективно на начальном участке работы системы, когда t .
Для группы резервированных элементов средняя наработка до отказа
Рис. 7
Работа рассматриваемой группы резервированных элементов характеризуется последовательным переходом по мере возникновения отказов от т работающих элементов к т-1, т-2 и далее до одного, отказ последнего приводит к отказу всей группы. Эту последовательность переходов иллюстрирует график, представленный на рис. 8. В случайные моменты времени t 1 , t 2 и т. д. происходят отказы элементов, число работающих элементов n(t) постепенно снижается. Поскольку на каждом из участков T 1 = t 1 , T 2 = t 2 - t 1 и т. д. имеет место совместное функционирование т, т-1 и т. д. элементов, то случайные интервалы времени T 1 , Т 2 ,...,Т т имеют экспоненциальное распределение с интенсивностями отказов соответственно m, (т-1), ..., и средней продолжительностью 1 = 1/(m), 2 = 1/[(т-1)], = 1/. Поскольку, то значение средней наработки до отказа группы резервированных элементов определяется как 1/(m)+1/[(т-1)]+ 1/.
Рис. 8
Резервирование двухполюсных элементов. В большинстве случаев резервные элементы подключают параллельно основному. Однако при дифференциации видов отказов резервирование по каждому из них может осуществляться при различных способах включения резервных элементов. Наиболее характерным в этом отношении является резервирование элементов при отказах типа «обрыв» и «короткое замыкание» (КЗ). Для двухполюсных элементов релейного типа, имеющих два возможных состояния 1 и 0, этим отказам соответствует несрабатывание при наличии управляющего сигнала и ложное срабатывание при отсутствии последнего.
При последовательном соединении релейных элементов (рис. 9,а) несрабатывание любого из элементов приводит к отсутствию цепи между точками а и b. Таким образом, для этого вида отказов последовательное соединение релейных элементов является основным. Для отказов типа ложное срабатывание последовательное соединение является резервным, поскольку этот вид отказа цепи будет иметь место только при отказе двух элементов.
Рис. 9
Из рассмотренного вытекает, что одному и тому же соединению элементов для этих видов отказов соответствуют две структурные схемы. При последовательном соединении релейных элементов осуществляется резервирование по отказам типа КЗ. Если вероятность отказов этого типа для каждого элемента q, то B a = q/q 2 = q -1 . Для отказов типа обрыв, т. е. последовательное включение релейных элементов приводит к повышению вероятности возникновения отказов типа обрыв цепи. При параллельном соединении релейных элементов (рис. 9,б) осуществляется резервирование по отказам типа обрыв с эффективностью B Q = 1/q, а по отказам типа КЗ надежность снижается.
Резервирование с дробной кратностью. При резервировании с дробной кратностью система может функционировать, если из п однотипных работающих параллельно элементов в работоспособном состоянии находятся r. Система отказывает, если число отказавших элементов z составляет. Используя метод перебора состояний, определим вероятность отказа такой системы
В каждом из состояний число работоспособных элементов составляет п - z, а вероятность этого состояния, тогда
где C n z = n!/ - число сочетаний из п элементов по z, причем 0! = 1; =1. При <<1 .
При экспоненциальном законе распределения времени безотказной работы и интенсивностях отказов каждого из элементов
Поскольку без резерва система включает r работающих элементов, то вероятность отказа исходной системы при оценке эффективности резервирования составляет 1-(1-q) r . Так, если система включает три параллельно работающих элемента и r = 2, то при q = 0,1, k = 1/2, т = 2 согласно (11)
Разновидностью постоянного резервирования с дробной кратностью является резервирование с голосованием по большинству (мажоритарное). Структурная схема системы, использующей это способ резервирования, представлена на рис. 10. Параллельно работает нечетное число элементов, их выходные сигналы х 1 , х 2 ,..., х п поступают на вход элемента голосования Г (кворум-элемент), выходной сигнал которого совпадает с сигналом большинства элементов. В системах с таким способом резервирования обычно используются три элемента, реже пять. Для работоспособного состояния системы необходима правильная работа большинства элементов. Отказ системы наступает при числе отказов z m = (n + 1)/2.
Рис. 10
Рис. 11
Вероятность отказа системы с мажоритарным резервированием при n = 3 и n = 5 равнонадежных элементах согласно (10) составляет соответственно:
Q 3 = 3q 2 - 2q 3 ; Q 5 = 10q 3 - 15q 4 + 6q 5 . (12)
Эффективность этого способа резервирования при n=3 составляет B Q = q/(3q 2 - 2q 3) = 1/(3q - 2q 2). Если q < 0,5, резервирование эффективно, при q = 0,5 надежность системы при резервировании не изменяется, а при q > 0,5 резервирование приводит к снижению надежности.
Мажоритарное резервирование широко применяют в системах защиты реакторов и теплотехнического оборудования. Так, система защиты от превышения давления в барабане котла, изображенная на рис. 11,а, включает электроконтактные манометры M1, M2, M3, силовое реле СР и электрический клапан сброса давления К. Система защиты срабатывает при замыкании контактов любых двух манометров из трех. Схема соединения контактов манометров представлена на рис. 11,б. Ток через обмотку силового реле СР протекает при замыкании любых двух пар контактов, специального кворум-элемента в таких системах не требуется. Отказы вида «ложное срабатывание» или «несрабатывание» в системе возникают при соответствующих отказах двух манометров из трех, т. е. этот способ резервирования равнонадежен для обоих видов отказов.
Рис. 12
Поэлементное резервирование. Надежность системы, содержащей группы элементов или отдельные элементы с поэлементным резервированием, рассчитывают с использованием формул общего постоянного резервирования (1), (2), (10). Так, если система состоит из п участков с поэлементным резервированием целой кратностью k i , то вероятность безотказной работы системы
где q ij - вероятность отказа j-го элемента, входящего в i-й участок резервирования.
Для сопоставления эффективности общего и поэлементного резервирования сравним вероятности отказа двух систем, включающих одинаковое n(k+1) число равнонадежных элементов (рис. 12). В первом случае (рис. 12, а) осуществляется общее резервирование системы из п элементов кратностью k, во втором случае (рис. 1 2, б) при поэлементном резервировании каждый из п элементов системы имеет k резервных.
Вероятность отказа системы с общим резервированием
Считая, что вероятность отказа каждого из элементов q<<1 и (1- q) n 1 - nq, получаем. Для раздельного резервирования, используя (13) и считая q<<1, получаем
Эффективность поэлементного резервирования по сравнению с общим составит n k . С увеличением глубины п и кратности k резервирования его эффективность растет. Использование поэлементного резервирования сопряжено с введением дополнительных подключающих элементов, имеющих ограниченную надежность. В связи с этим имеется оптимальная глубина резервирования п опт, при n>п опт эффективность резервирования снижается.
Виды резервирования
Резервирование – это применение дополнительных средств или возможности с целью сохранения работоспособного состояния устройства (или системы) при отказе одного или нескольких его элементов: Под элементом здесь, как и ранее, следует понимать первичный элемент, функциональный узел, блок и т.д. Резервирование сегодня – дно из основных средств обеспечения заданного уровня надежности (особенно безотказности) аппаратуры при недостаточно надежных ее элементах. К дополнительным средствам и возможностям, используемым при резервировании, относятся прежде всего элементы, вносимые в структуру (схему) устройства в качестве резервных.
При использовании резервирования различают основной и резервный элементы (узлы, блоки) структуры устройства (или системы). Резервный элемент устройства предназначен для выполнения функций основного элемента в случае отказа последнего, называемого резервируемым. Для одного резервируемого элемента может предусматриваться несколько резервных, и, наоборот, один резервный элемент может предусматриваться для нескольких основных (резервируемых). Кроме резервных элементов, в качестве резерва может использоваться запас времени на решение постатейной задачи, избыток обрабатываемой информации, дополнительные функциональные возможности, предусматриваемые в системе, и т.д. Соответственно, в зависимости от вида резерва различают структурное, временное, информационное и функциональное резервирование. Таким образом, резерв может представлять собой не только элементы материальной структуры объекта. Рассмотрим кратко основные виды резервирования.
Структурное резервирование. Этот вид резервирования является материальным и предполагает введение резервных элементов (узлов, блоков) в структуру устройств (систем). При этом различают общее и раздельное резервирование. При общем резервировании резервируемым элементом является все устройство (или система) в целом: передатчик, бортовой вычислитель и т.д. Раздельное резервирование предполагает использование отдельных резервных элементов в устройстве (или системе). Например, для устройства это может быть резерв на уровне микросхем, для системы – на уровне блоков. Раздельное резервирование обычно является встроенным в устройство.
При замене основного элемента резервным необходимо придерживаться определенной стратегии. Если при этом не происходит перестройка структуры устройства (системы), то резервирование называется постоянным. В простейшем случае оно представляет собой параллельное соединение элементов без переключающих устройств (рис. 9.1, а – общее резервирование, б - раздельное).
При наличии переключающих устройств, реагирующих на отказы элементов, имеет место динамическое резервирование. При этом происходит замещение отказавшего элемента резервным (рис. 9.1, в ). Динамическое резервирование может быть и более сложным, когда отказ одного элемента приводит не к его замещению таким же элементом, а к изменению структуры устройства (системы). Например, изменяется схема прохождения информации при отказе линии коммуникации.
Распространенным видом резервирования замещением является скользящее резервирование, которое иногда называют резервированием «с дробной кратностью». Суть его состоит в том, что для группы одинаковых основных элементов изделия предусматривается один или несколько таких же резервных элементов, замещающих основные в группе по мере возникновения их отказов. На рис. 9.1, г показаны элементы у11 и У13 – основные (резервируемые), элемент У2 (1, 3) – «скользящий» резервный, замещающий либо элемент У11, либо У19.
Рис. 9.1 Виды структурного резервирования
Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых или основных, выраженное несокращенной дробью, называется кратностью резервирования. В частном случае при кратности, равной единице, резервирование называют дублированием.
С точки зрения энергопотребления резервные элементы могут находиться в трех состояниях: 1) состояние нагруженного резерва, когда резервные элементы находятся в режиме основного элемента; 2) облегченный резерв, когда резервные элементы менее нагружены по сравнению с основными элементами; например, в резервном передатчике может быть подано напряжение; 3) ненагруженный резерв, когда резервные элементы находятся полностью в нагруженном режиме до начала выполнения ими функций основного элемента. С точки зрения надежности элементы нагруженного резерва имеют тот же уровень безотказности, долговечности и сохраняемости, что и резервируемые ими основные элементы, так как условия их эксплуатации одинаковы. Элементы облегченного резерва обладают боле высоким уровнем безотказности, а для элементов ненагруженного резерва условно полагают, что они никогда не отказывают и при замещении отказавших основных элементов всегда работоспособны.
Ремонт или замена отказавших резервных элементов позволяет поддерживать очень высокий уровень надежности системы при ее функционировании. Резерв, невосстанавливаемый в процессе функционирования системы, может относиться к восстанавливаемому во время перерывов функционирования или во время хранения. Восстанавливаемость резерва, как и системы в целом, обеспечивается при наличии работоспособности. При резервировании это особенноважно, так как надо своевременно обнаруживать скрытые отказы основных и резервных элементов.
Временное резервирование. При данном резервировании резервы времени могут создаваться за счет повышения скорости обработки информации, за счет специально выделяемого временного резерва. Для этой цели в проектируемой системе, например, может быть использован вычислитель с производительностью, в два раза превышающей заданную. Тогда для повышения надежности решения поставленных задач он их может решать дважды за отведенное время, сопоставляя результаты решения. Или при передаче сообщения по каналу связи может быть выделено дополнительное время для повторения сообщения, чтобы повысить надежность его правильного приема. В резервное время можно исправлять поломки.
Информационное резервирование. Применяется в системах, в которых возникновение отказа приводит к потере или искажению части обрабатываемой или передаваемой информации. Избыток данных позволяет компенсировать эти потери или устранить возникающие искажения. Для информационных систем такой вид резервирования очень важен, но не всегда эффективно используется. В качестве примера информационного резервирования может служить добавление избыточных символов в двоичные кодовые посылки в цифровых системах для повышения их помехозащищенности. Можно передать по каналу связи одни и те же данные дважды, вне зависимости от качества их приема после первой передачи. В этом существенное отличие информационного резервирования от временного. При временном резервировании второй раз данные не следует передавать, если они правильно приняты при первой передаче.
Функциональное резервирование. Этот вид резервирования характерен для электронных систем и устройств многофункционального назначения (измеряющих различные координаты различными методами, обрабатывающих измерения, передающих и отражающих сообщения и т.д.). ЭУ, образующие такую систему, так же могут быть многофункциональными. Если такое ЭУ отказало и не обеспечивает решение какой-то задачи, то оно может быть еще полезным для решения других задач и, таким образом, является функциональным резервом. Функции же отказавшего ЭУ может принять на себя другое ЭУ в дополнение к своим основным функциям.
Например, для обработки измерительных данных в системе имеется несколько различных процессоров, каждый из которых решает только определенный круг задач. Если отказывает какой-то из процессоров, то его задачи начинает решать один (или несколько) из оставшихся исправных. При этом если нет возможности решать все задачи, то решаются только наиболее важные в данный момент (задачи высшего приоритета).
