Общее резервирование. Постоянное резервирование
Повышение надежности за счет резервирования оборудования
Резервирование - один из самых распространенных и кардинальных способов повышения надежности и живучести вычислительных систем. Однако, за резервирование приходится расплачиваться значительным увеличением габаритов, массы и потребляемой мощности.
Так же при этом усложняется проверка аппаратуры и ее обслуживание. Так как количество отказов увеличивается из-за увеличения количества аппаратуры. Резервирование уменьшает полезную нагрузку на аппаратуру и увеличивает ее себестоимость.
Основным параметром резервирования является кратность резервирования. Это отношение числа резервных устройств к числу рабочих (основных) устройств. Кратность резервирования ограничена жесткими пределами в отношении массы, габаритов и потребляемой мощности БЦВС.
Различают общее и раздельное резервирование. Резервирование БЦВМ в целом – это общее резервирование. В этом случае параллельно работают основная и резервные БЦВМ.
При раздельном резервировании БЦВМ разбивается на отдельные подсистемы, каждая из которых или некоторые из них резервируются отдельно. При использовании раздельного резервирования можно выделить несколько уровней резервирования:
1. Резервирование на уровни деталей
2. Резервирование на уровне элементов
3. Резервирование на уровне устройств.
На данный момент наиболее распространенным раздельным резервированием является резервирование на уровне устройств (ОЗУ, процессор, жесткие диски и т.д.), так как современные БЦВМ имеют модульное построение, а резервирование на уровне модулей значительно повышает ремонтопригодность.
В зависимости от способа включения резервного элемента или БЦВМ различают горячее и холодное резервирование.
При горячем резервировании резервные элементы работают в одинаковых условиях с основными элементами и выполняют все их функции. При этом увеличивается потребляемая мощность и усложняется обслуживание, так как необходимо выявлять отказавшие элементы и своевременно их заменять.
При холодном резервировании резервные элементы не работают, либо работают в облегченных условиях. В этом случае резервный элемент включается в работу только в случае выхода из строя основного элемента. Холодное резервирование потребляет меньше мощности, легче в обслуживании, и резервное элементы не расходуют свой ресурс. Однако, при холодном резервировании необходимо использовать специальные переключатели, позволяющие резервному элементу вступить в работу. Включение резервных элементов может происходить, как вручную, так и автоматически.
Холодное резервирование используется только на уровне крупных элементов или целых БЦВМ с применением различных методов обнаружения неисправностей.
Горячее резервирование может применяться и на более глубоких уровнях с использованием избыточности на основе мажоритарной логикой.
В реальной аппаратуре холодное и горячее резервирование обычно применятся в различных сочетаниях.
Рассмотрим различные способы резервирования:
1. Резервирование на основе мажоритарной логики.
Этот тип резервирования используется при горячем резерве элементов или целых БЦВМ. Выходные сигналы с основного и всех резервных элементов преобразуются в один сигнал на мажоритарном элементе. При этом сравниваются все сигналы, и правильным считается тот, который совпал большее число раз (2 из 3, 3 из 5 и так далее).
Достоинства мажоритарной логики резервирования:
2. Не требуется обнаружение неисправного элемента и переключение на резервный.
3. Подавляются все сбои.
Недостатки:
1. Существенно увеличивается объем, масса и потребляемая мощность оборудования.
2. Снижается быстродействие, так как мажоритарные элементы включаются последовательно с основными элементами вычислительной системы.
3. Отсутствует индикация отказавших устройств, что уменьшает ремонтопригодность.
4. Система отказывает, когда еще есть исправные элементы, так как мажоритарный элемент не может принять верные решения, если отказавших элементов больше, чем исправных.
При таком виде резервирования после каждого резервируемого элемента стоит детектор ошибок, фиксирующий несовпадение результатов работы основного и резервного элемента. В случае обнаружение несовпадения запускается диагностическая программа, определяющая, какой именно блок отказал, и исключающая его из работы до устранения ошибки.
Схематично подобная схема включения выглядит следующим образом:
Здесь Ао и Ар составляют первый блок вычислительной системы, причем Ао – основной элемент, а Ар – резервный. Оба этих элемента, за исключением случая, когда один из них неисправен, имеют одинаковые выходы.
Во и Вр – составляют второй блок. Выходы этих элементов так же идентичны.
Сигналы с основных и резервных элементов объединяются с помощью логического элемента «или» для того, чтобы при исключении из работы неисправного элемента сигнал все равно поступал в оба канала.
Аналогично можно применять резервирование на три, четыре и так далее элементов. При этом увеличивается вероятность безотказной работы, однако, значительно повышается потребляемая мощность, габариты, вес, усложняется структура вычислительной системы и программирование для нее.
Преимущества резервирования дублированием с детектором отказов:
1. Значительно увеличивается вероятность безотказной работы вычислительной системы.
2. Меньше резервных элементов, чем при использовании мажоритарной логики резервирования.
3. Повышается ремонтопригодность, так как точно известно, какой элемент отказал
4. Детектор ошибок не влияет на информационные потоки и не снижает быстродействие вычислительной системы, так как подключается параллельно, относительно проверяемых устройств.
Недостатки:
1. В случае обнаружения ошибки необходимо прервать работу основного программного обеспечения для обнаружения неисправного элемента и исключения его из работы.
2. Усложняется программное обеспечение, так как требуется специальная программа обнаружения неисправных элементов.
3. Система не может обнаружить ошибку при отказе одновременно основного и резервного элемента.
3. Резервирование на основе постепенной деградации вычислительной системы.
В этом случае, если все элементы вычислительной системы исправны, они функционируют в полном объеме, и каждый элемент выполняет свою функцию. Однако, стоит выйти из строя хотя бы одному элементу, сразу же запускается диагностическая программа, определяющая, какой именно элемент вышел из строя, и исключающая его из работы. При этом функции, которые исполнял вышедший из строя элемент, перераспределяются между рабочими элементами с сохранением всех функциональных возможностей, за счет уменьшения объема обрабатываемой информации или с уменьшением функциональности при сохранении объема обрабатываемой информации.
Так как бортовые вычислительные системы рассчитаны на максимальную загрузку, которая происходит достаточно редко, подобный способ резервирования значительно повышает надежность, без серьезных затрат.
Достоинства:
1. Повышается живучесть вычислительной системы.
2. Не увеличиваются габариты, масса и потребляемая мощность.
3. Повышается ремонтопригодность, так как точно известно, какой элемент отказал.
4. Не требуются специализированные элементы, анализирующие сигналы элементов, а, следовательно, всю вычислительную систему можно разрабатывать на стандартизированном оборудовании.
Недостатки:
1. Усложняется программное обеспечение, так как необходимо реализовывать алгоритмы, отслеживающие исправность элементов вычислительной системы и перераспределяющие задачи после выхода из строя одного или нескольких элементов
2. При выходе из строя элементов вычислительной системы снижается объем обрабатываемой информации или функциональность.
3. Резервирование возможно только на уровне процессорных модулей и ЭВМ.
4. Обслуживание становится дороже, так как заменять надо целые блики и ЭВМ.
Это основные способы резервирования с помощью оборудования. Обычно, в реальной аппаратуре они применяются в различных комбинациях, в зависимости от требуемого результата, степени необходимой надежности и живучести отдельных элементов вычислительной системы и всего комплекса в целом.
ГЛАВА V. РЕЗЕРВИРОВАНИЕ СИСТЕМ
Одной из фундаментальных задач теории надежности является задача разработки методов повышения надежности систем. Таким методом являются резервирование систем.
Резервирование - метод повышения надежности объекта путем введения избыточности.
Избыточность - дополнительные средства или возможности сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций.
Различают следующие виды избыточности:
1.Временная избыточность . Предусматривает использование объектом избыточного времени для выполнения заданных функций. То есть при этом виде избыточности заданные функции могут быть выполнены объектом, вообще говоря, за более короткий промежуток времени. Пример : ЭЦВМ может непрерывно выполнять ряд задач, но с целью повышения надежности можно проводить диагностику отказов.
2.Информационная избыточность . Предусматривает использование избыточной информации. Например:
а) повторение посылок сообщения в канале с помехами с целью повышения достоверности передачи информации,
б) удержание лишнего числа значащих цифр при расчетах,
в) помехоустойчивое избыточное кодирование,
3.Нагрузочная избыточность имеет место в том случае, когда объект функционирует в режиме более легком, чем нормальный. Например : коэффициент нагрузки элемента Kn < I.
4.Структурная избыточность состоит в том, что объект включает избыточные элементы. Например, ЭЦВМ обычно включает несколько устройств ввода и вывода.
§ 5.1 Классификация методов резервирования
Условимся для удобства в дальнейшем говорить резервировании элемента, понимая под словом как сам элемент, так и любую часть системы, в том числе и всю систему.
Дадим следующие определения.
Основной элемент - элемент минимально необходимый для обеспечения работоспособности системы.
Резервный элемент - элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности системы в случае отказа основного элемента. Совокупность основного и его резервных элементов будем называть резервной группой.
Пример: ЭЦВМ с несколькими устройствами ввода и вывода. Одно устройство ввода и одно вывода - основные элементы, другие устройства ввода и вывода - резервные. Все устройства ввода и устройства вывода представляют собой две резервные группы.
Резервная группа - это совокупность основного элемента и всех его резервных.
Признак классификации | Вид резервирования |
||
Использование отказавшего элемента (основного или резервного) | Резервирование с восстановлением |
||
Резервирование без восстановления |
|||
Способ включения резервного элемента | Общее резервирование |
||
Раздельное резервирование |
|||
Схема включения резервного элемента | Постоянное резервирование (пассивное) |
||
Резервирование замещением (активное) |
|||
Состояние резерва (для методов активного резервирования | Ненагруженный (холодный) резерв |
||
Нагруженный (горячий) резерв |
|||
Облегченный (теплый) резерв |
|||
Распределение нагрузки между не отказавшими элементами (для методов пассивного резервирования) | С неизменной нагрузкой |
||
С перераспределением нагрузки |
|||
Фиксация резерва (для методов активного резервирования) | Фиксированное резервирование |
||
Скользящее резервирование |
|||
Однородность резервирования | Однородное резервирование |
||
Смешанное резервирование |
Если основной или резервный элемент после отказа подвергается восстановлению, то резервирование будет с восстановлением. В противном случае - без восстановления.
Общее резервирование - когда резерв предусматривается на случай отказа всей системы в целом (рис. 40).
Раздельное резервирование - когда резерв предусматривается на случай отказа отдельных элементов объекта или их групп (см. рис. 41).
Пример: ЭЦВМ+ЭЦВМ - общее резервирование.
устройство ввода+ устройство ввода, АУ+АУ, УУ+УУ,ЗУ+ЗУ,
устройство вывода+ устройство вывода - раздельное резервирование.
Постоянное резервирование - резервирование, при котором резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основными. Структурная схема постоянного резервирования изображена на рис. 40
Резервирование замещением - резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента. Структурная схема приведена на рис.42 (вариант а) - раздельное резервирование, вариант б) - общее резервирование).
Пример: ЭЦВМ имеет несколько устройств вывода(АЦПУ). Если информация выводится сразу на все (АЦПУ), то имеем постоянное резервирование. Если резервные АЦПУ подключается только после отказа основного, то имеем резервирование замещением.
При резервировании замещением появление отказа элемента вызывает перестройку системы. Эта перестройка осуществляется с помощью переключателей, которые отключают отказавшие элементы и подключают работоспособные.
Различают два вида постоянного резервирования:
1. С неизменной нагрузкой , когда при отказе одного или нескольких элементов резервной группы нагрузка на оставшиеся исправными элементы не меняется.
Пример: Когда АЦПУ основное и резервные все время подключены и на каждый из них выводится один и тот же материал, устройства отображения.
2. С перераспределением нагрузки , когда при отказе хотя бы одного элемента резервной группы изменяется нагрузка на элементы, оставшиеся исправными.
Пример: В отсутствии отказов перфокарты вводятся равномерно с нескольких устройств ввода. При отказе хотя бы одного устройства ввода нагрузка на оставшиеся возрастает.
В зависимости от того, в каком состоянии находятся резервные элементы до момента включения их в работу, активное резервирование подразделяется на несколько видов:
1. Нагруженный резерв - когда резервные элементы находятся в том же режиме, что и основной элемент.
2. Ненагруженный резерв - когда резервные элементы находятся в выключенном состоянии. До момента включения резервные не могут отказать.
3. Облегченный резерв - когда резервные элементы находятся в менее нагруженном, чем основной. Во время ожидания резервные элементы могут отказать, но с вероятностью меньшей, чем вероятность основного элемента.
Очевидно, облегченный резерв является наиболее общим видом активных резервов, т. к. 1-й и 2-й получаются как частные из облегченных.
Фиксированное резервирование - резервирование замещением, при котором место подключения каждого резервного элемента строго определено заранее (рис.42а).
https://pandia.ru/text/78/494/images/image005_73.gif" width="77" height="25 src=">
система невосстанавливаемая
элементы (основные и резервные) равнонадежны и функция надежности =
Сравнение надежности резервированной и нерезервированной систем будем производить по показателю
https://pandia.ru/text/78/494/images/image008_44.gif" width="114" height="28 src="> - функции надежности резервированной и нерезервированной системы.
§ 5.2 Надежность системы с нагруженным активным резервированием и пассивным резервированием без распределения нагрузки
Пусть система содержит N последовательно соединенных основных элементов.
1. Случай общего резервирования
https://pandia.ru/text/78/494/images/image010_42.gif" width="344" height="386 src="> Рассмотрим временную диаграмму функционирования резервированной системы на частном случае N=2, M=1. Она приведена на рис. 45. На ней - время работы до отказа n - го элемента в m - ой резервной группе, в общем случае 
а) Рассмотрим случай активного резервирования .
Найдем функцию надежности системы. Видно, что ее структурная схема надежности является последовательно-параллельной и имеет M+1 параллельно соединенные группы, каждая из которых содержит N элементов. Тогда из (4.25) надежность резервированной системы
где https://pandia.ru/text/78/494/images/image015_29.gif" width="49" height="28 src="> будет определятся из (5.1)
Из (5.1) следует:
1. Надежность системы не зависит от порядка включения резервных элементов.
2. Надежность системы в момент времени t определяется величинами надежности элементов в этот же момент t и совершенно не зависит от того, как менялась надежность до момента времени.
3. Надежность резервированной системы выше надежности нерезервированной. Действительно, легко проверить
Где - время работы до отказа, m - номер резервной группы, n - номер элемента в резервной группе
Задача 1. Пусть задана надежность элемента и требуется определить такое M число групп резервных элементов, при котором надежность резервированной системы будет не меньше https://pandia.ru/text/78/494/images/image019_21.gif" width="87" height="28">
https://pandia.ru/text/78/494/images/image021_22.gif" width="212" height="31 src=">
https://pandia.ru/text/78/494/images/image023_20.gif" width="193" height="52 src=">
https://pandia.ru/text/78/494/images/image006_62.gif" width="52 height=29" height="29">.gif" width="87" height="28">
https://pandia.ru/text/78/494/images/image022_17.gif" width="303" height="31 src=">
https://pandia.ru/text/78/494/images/image026_18.gif" width="199" height="32 src=">
Система имеет N резервных групп, каждая из которых содержит 1 основной и N резервных элементов. Основной элемент далее будем условно считать нулевым резервным (в резервной группе). Рассмотрим временную диаграмму функционирования резервированной системы на частном случае N=2, M=1 (см. рис. 42-а). Она приведена на рис. 46.
 |
а) Рассмотрим случай активного резервирования .
Найдем функцию надежности системы. Ее структурная схема надежности будет последовательно-параллельной, содержащей N последовательно соединенных групп, каждая из которых содержит M+1 параллельно соединенных элементов. Из (4.26)
https://pandia.ru/text/78/494/images/image006_62.gif" width="52" height="29 src="> функция надежности элементов.
б) Для случая пассивного резервирования без перераспределения нагрузки диаграммы будут аналогичны рис. 46 и будет определятся из (5.2). Из (5.2) следуют выводы аналогичные приведенным выше для случая общего резервирования. Выигрыш от резервирования
https://pandia.ru/text/78/494/images/image031_15.gif" width="236" height="35 src=">
5.3 Надежность системы с ненагруженным активным резервированием
Для ненагруженного резерва будем полагать, что надежность резервных элементов не уменьшается в нерабочем состоянии. Также будем помнить о введенных ранее предположениях.
1. Случай общего резервирования
Рассмотрим случай общего резервирования системы, состоящей из N последовательно соединенных основных элементов. Структура резервированной системы будет аналогична рис. 44. Рассмотрим временную диаграмму функционирования резервированной системы на частном случае N=2, M=1 (см. рис. 42-б). Она приведена на рис. 47.
 |
Время отказа системы:
https://pandia.ru/text/78/494/images/image034_18.gif" width="124" height="33 src=">, которая не будет зависеть от M поскольку элементы (основные и резервные) равнонадежны и количество элементов в группе последовательно соединенных основных и резервных элементов одинаково и = N.
https://pandia.ru/text/78/494/images/image036_16.gif" width="495" height="33 src="> (5.5)
1. выигрыш в надежности
2. не зависят от порядка подключаемых резервных групп
3. из (5.5) следует, что для случая ненагруженного резерва в противоположность нагруженному функция надежности резервированной системы в момент времени t определяется значениями функций надежности элементов на интервале , т. е. предисторией функционирования.
Произведем сравнение нагруженного и ненагруженного активных резервов. Количественное сравнение (5.1) и (5.5) произвести трудно, поэтому ограничимся качественными выводами.
Время до отказа системы:
-
https://pandia.ru/text/78/494/images/image011_38.gif" width="35" height="25 src="> время до отказа n - ого элемента m - ой группы резервных элементов.
-
https://pandia.ru/text/78/494/images/image039_13.gif" width="223 height=52" height="52"> т. е.
и, следовательно, ненагруженный резерв надежнее нагруженного .
2. Случай раздельного резервирования
https://pandia.ru/text/78/494/images/image042_12.gif" width="104" height="35 src=">
Функция надежности резервированной системы:
https://pandia.ru/text/78/494/images/image044_12.gif" width="119" height="52 src=">
Т. е. поток отказов элементов в n - ой резервной группе аналогичен потоку отказов для МВЭ. Тогда из (3.7)
https://pandia.ru/text/78/494/images/image046_12.gif" width="52" height="29 src="> - функция распределения времени до отказа элемента.
Подставляя (5.7) в(5.6) получим
(5.8)
Произведем сравнение нагруженного и ненагруженного резервов на качественном уровне.
Время до отказа системы:
- для нагруженного активного резерва
https://pandia.ru/text/78/494/images/image011_38.gif" width="35" height="25 src="> - время до отказа m - ого элемента в n - ой резервной группе.
- для ненагруженного активного резерва
https://pandia.ru/text/78/494/images/image050_12.gif" width="215" height="52 src=">
т. е..gif" width="77" height="25">, если одинакова для нагруженного и ненагруженного резервов.
§ 5.4. Сравнение надежности систем с активным нагруженным и ненагруженным резервированием
Количественное сравнение функций надежности провести сложно, поэтому ограничимся качественными выводами, и проведем сравнение на уровне сравнения времен работы до отказа системы.
1. Общее резервирование
Для нагруженного резерва
Gif" width="251" height="61 src=">
Очевидно, что. а, следовательно, ненагруженный резерв надежнее нагруженного.
2.Раздельное резервирование
Для нагруженного резерва
Для ненагруженного резерва
Очевидно, что т. к. всегда 
т. е. ненагруженный резерв надежнее нагруженного.
Отметим, что данный вывод сохраняется для всех способов активного резервирования в том числе и при неабсолютно надежных переключателях, если DIV_ADBLOCK253">
Найдем функцию надежности системы для случая общего резервирования системы, содержащей N последовательно соединенных элементов (рис. 44)
Диаграмма работы системы для случая N=2 и M=1 будет такой же, как на рис. 47, только до момента подключения работоспособной группы резервных элементов на место отказавшей группы основных или резервных элементов она будет находится в облегченном состоянии, в котором элементы отказывают с меньшей вероятностью, чем в рабочем состоянии.
Ради простоты рассуждений, но не в ущерб общности (в силу того, что основные и резервные элементы равнонадежны), положим, что номера групп резервных элементов соответствует порядку их подключения.
Обозначим:
Время отказа (M - 1)- ой группы резервных элементов
Время отказа M - ой группы резервных элементов = времени отказа системы.
Отметим, что временазависимы, т. к. зависит от момента перехода m-ой группы m=1,M резервных элементов из облегченного состояния в рабочее, т. е. от
Функция надежности системы:
https://pandia.ru/text/78/494/images/image070_8.gif" width="363" height="42 src="> (5.7)
https://pandia.ru/text/78/494/images/image072_8.gif" width="226" height="44 src=">
https://pandia.ru/text/78/494/images/image074_7.gif" width="314" height="38 src="> (5.8)
где https://pandia.ru/text/78/494/images/image076_6.gif" width="39" height="19">
- вероятности того, что соответственно M-я группа и элемент этой группы не откажут на интервале ,при условии, что до момента отказа не было.
Т. е. (5.7), (5.8) определяет через . Аналогично определяется через и т. д. через - функцию распределения группы основных элементов.
§ 5.5. Влияние масштаба резервирования на надежность системы
Резервом могут охватываться либо отдельные основные элементы, либо по несколько основных элементов, либо все основные элементы системы. Уровень, на котором производится резервирование, называется масштабом резервирования. Чем большая часть основных элементов системы охватывается одним резервом, тем больше масштаб резервирования. Чем больше резервных групп, тем меньше масштаб резервирования.
Рассмотрим вопросы влияния масштаба резервирования на надежность системы при абсолютно надежном и абсолютно ненадежном переключателе.
1. Абсолютно надежный переключатель
.
Покажем, что при увеличение масштаба резервирования ведет к понижению надежности системы. Т. е. последовательное объединение резервных элементов, принадлежащих различным резервным группам (рис. 49 а, б), приводит к уменьшению надежности.
 |
Прежде, чем перейти к доказательству, заметим, что сформулированное утверждение достаточно доказать для случая резервирования двух основных элементов двумя резервными с разными масштабами (рис.48-б).Действительно, при последовательном объединении m-ых элементов резервных групп, группы основных и резервных элементов, полученные на предыдущем шаге объединения, могут рассматриваться как один элемент. Т. е. нам необходимо и достаточно показать, что поэлементное резервирование (рис.49-а) обеспечивает большую надежность, чем общее (рис. 49-б).
а) активное нагруженное резервирование
Для поэлементного резервирования (рис.49а) из (5.2)
https://pandia.ru/text/78/494/images/image089_7.gif" width="12" height="23 src=">.gif" width="384" height="37 src=">.gif" width="478" height="38 src=">
https://pandia.ru/text/78/494/images/image095_7.gif" width="212" height="38 src=">
T. е. увеличение масштаба резервирования ведет к уменьшению надежности.
б) активное ненагруженное резервирование
Для поэлементного резервирования (рис.49а)
https://pandia.ru/text/78/494/images/image097_5.gif" width="349" height="41 src=">
Для сравнительного анализа и следует рассмотреть все возможные соотношения между временами отказов основных и резервных элементов.
Пусть https://pandia.ru/text/78/494/images/image101_6.gif" width="239" height="25">
Пусть DIV_ADBLOCK255">
https://pandia.ru/text/78/494/images/image105_5.gif" width="115" height="25 src=">
и т. д. Если проанализировать все случаи, то получим 
Откуда следует, что раздельное резервирование является более надежным .
Отметим, что доказанный результат справедлив при любом законе надежности. Он может быть физически пояснен тем, что при раздельном резервировании отказ основного элемента компенсируется только одним резервным элементом, а не группой резервных элементов, как в случае общего резервирования, т. е. имеет место более рациональный расход резервных элементов.
2. Неабсолютно надежный переключатель.
а) Рассмотрим случай общего активного нагруженного резерва (рис.50)
По отношению к каждому элементу резервных групп переключатели будут вести себя как последовательно соединенный элемент. Полагая, что все N переключателей в резервных группах равнонадежных, получим
Сравнивая (5.2) и (5.12),получим аналогичный вывод.
Выше нами был получен вывод, что при абсолютно надежном переключателе наибольшая надежность резервирования обеспечивается при наименьшем масштабе резервирования..gif" width="48" height="33 src="> резервирования системы при и изменение масштаба резервирования. Пусть, например, система состоит из 5 последовательно соединенных элементов.
С уменьшением масштаба резервирования ненадежность системы из-за неабсолютной надежности переключателя будет увеличиваться, а ненадежность системы собственно из-за уменьшения масштаба резервирования будет уменьшаться. Поэтому будет существовать некий оптимальный масштаб резервирования, при котором left">
1. Нагруженный резерв . Рассмотрим временную диаграмму функционирования резервированной системы на частном случае N=2, M=1. Она приведена на рис. 53.
 |
Функция надежности
https://pandia.ru/text/78/494/images/image118_4.gif" width="47" height="28 src="> - число отказавших элементов на .
2. https://pandia.ru/text/78/494/images/image120_4.gif" width="136" height="29">. Это следует из того, что при скользящем резервировании все резервные элементы используются полностью, т. е. отказ системы происходит после того, как не осталось ни одного резервного элемента и откажет основной. В случае раздельного резервирования может быть недорасходование резервных элементов, ввиду того, что отказ резервной группы вызывает отказ системы. При этом часть резервных элементов в других резервных группах может недоиспользоваться.
Применение скользящего резервирования в практике ограничивается сложностью переключающих устройств.
При абсолютно надежном переключателе и при одинаковом количестве резервных элементов скользящее резервирование имеет большую надежность, чем раздельное и тем более общее, следовательно, необходимо стремиться применять скользящее резервирование.
Ограничения:
При программной реализации ограничений на переключатели нет;
При аппаратной реализации есть, т. к. на переключатель помимо функции переключения дополнительно возлагается функция идентификации отказавшего элемента.
§5.8. Резервирование с восстановлением
На практике с целью повышения надежности часто прибегают к восстановлению резервированных систем. При этом для наиболее общей ситуации может быть приведена следующая схема системы (в обычном смысле)
https://pandia.ru/text/78/494/images/image122_4.gif" width="133" height="30">(Здесь полагаем, что не зависит от t.
Тогда граф переходов системы из состояния в состояние может быть представлен в виде рис.55. Он представляет собой направленный граф.
В общем случае (при произвольном числе резервных элементов)для описания поведения системы может быть использован процесс гибели и размножения (который является марковским). Здесь ограничение марковости не выводится.
По графу переходов составляется система дифференциальных уравнений с использованием следующего правила :
Система содержит столько дифференциальных уравнений, сколько состояний у анализируемой системы(вершин графа)
Левая часть i - ого уравнения системы содержит https://pandia.ru/text/78/494/images/image126_5.gif" width="39" height="29 src="> вероятность i - ого состояния, а правая - столько слагаемых, сколько дуг графа связано с i - м состоянием.
Каждое слагаемое представляет собой произведение интенсивности перехода в i - ое или из i - ого состояния на вероятность того состояния, из которого исходит дуга. Если дуга направлена в i - ое состояние то слагаемое берется со знаком "+" , если исходит из i - ого состояния - то со знаком " - ".
https://pandia.ru/text/78/494/images/image128_4.gif" width="33" height="23"> можно произвести, использовав преобразование Лапласа, сведя систему дифференциальных уравнений к системе алгебраических уравнений. Вероятность работоспособного состояния в момент или коэффициент готовности:
https://pandia.ru/text/78/494/images/image130_3.gif" width="157 height=23" height="23"> .И система дифференциальных уравнений переходит в систему алгебраических уравнений. Например, из (4.11)
https://pandia.ru/text/78/494/images/image132_3.gif" width="180" height="34 src="> (5.17)
§ 5.9 Мажоритарное резервирование
Этот способ также называют резервированием по методу голосования. Своим названием он обязан наличию в резервных группах специального элемента, называемого мажоритарным элементом или элементом голосования (кворум-элементом).
Мажоритарное резервирование широко используется в дискретных (цифровых) системах, в том числе и вычислительных.
Пусть резервируется система, состоящая из N последовательно соединенных в смысле надежности элементов (рис. 56-а). Каждый элемент системы - дискретный, вырабатывающий 0 или 1 в зависимости от 0 или 1 на выходе. Для определения положим, что в работоспособном состоянии 0 на выходе соответствует 0 на входе и 1 на выходе соответствует 1 на входе.
Примером такой системы может быть схема задержки фронта (заднего или переднего) импульса единичной амплитуды на время ³ t. Для малых t такая схема может быть реализована на логических элементах типа ’’И-НЕ’’, каждый из которых обеспечивает задержку на время t0. Тогда число элементов ’’И-НЕ’’ должно быть четным и подобрано из условия 1 класс" href="/text/category/1_klass/" rel="bookmark">1 класс : с однократными связями (рис.56 в)
Каждый основной элемент системы заменяется резервной группой, состоящей из нечетного числа M входных элементов и одного мажоритарного элемента (МЭ). В качестве входных элементов обычно используются элементы аналогичные основным.
Мажоритарный элемент реализует в общем случае функцию
https://pandia.ru/text/78/494/images/image135_2.gif" width="91" height="24"> - сигнал на выходе m-ого входного элемента.
Uпор - порог срабатывания мажоритарного элемента.
Y - выходной сигнал резервной группы.
 |
.
 |
б) Адаптивное мажоритарное резервирование
Позволяет учесть отказы входных элементов. Это достигается тем, что в (5.13) am=var (0 или 1) и Uпор=var. Резервная группа при этом будет иметь вид рис.60. Отключение входных элементов происходит парами. При этом изменяется Uпор
2 класс" href="/text/category/2_klass/" rel="bookmark">2 класс (с многократными связями) рис.54 г.
Этот метод мажоритарного резервирования позволяет уменьшить требования по надежности к мажоритарному элементу, что необходимо выполнить при неадаптивном мажоритарном резервировании.
Приведем расчет надежности 1-ой резервной группы. Она работоспособна тогда (при условии работоспособности входных лементов 2-ой резервной группы), когда по крайней мере на
выходах мажоритарных элементов будет правильный сигнал
Для повышения надежности сложных систем и отдельных объектов имеются четыре основных пути:
1) повышение надежности элементов системы. Это обычный, легкий путь, но, чтобы им воспользоваться, нужны более надежные комплектующие элементы. Но даже если они имеются, они всегда значительно дороже прежних и нужен экономический расчет;
2) конструктивные мероприятия повышения надежности (к примеру, демпфирование возможных вибраций, переход от статически неопределимой конструкции к статически определимой, всевозможные защитные покрытия твердым металлом, полимерами и т.д.). Этот путь связан с технологией машиностроения и также может явиться предметом специального изучения в теории надежности;
3) коренное изменение принципа функционирования системы данного назначения. Связан с созданием новой техники, это качественный скачок в развитии данной отрасли - он возникает из экономической нецелесообразности прежних инженерных решений.
4) введение различного вида избыточности.
Избыточность - это дополнительные средства и возможности сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций
Методом повышения надежности объекта введением избыточности является резервирование .
Существует несколько методов повышения надежности за счет избыточности. Различают резервирование:
Структурное (избыточность в структуре - в количестве элементов системы);
Режимное (избыточность в режимах работы - в количестве элементов системы);
Временное,
Функциональное,
Информационное
И ряд других.
Наибольший интерес представляет структурное, или схемное, резервирование, предусматривающее использование избыточных элементов структуры объекта.
1) По способам резервирование может быть общим и раздельным (рисунок 6.1).
Рисунок 6.1 - Классификация способов резервирования
1.1) Общее резервирование - резервируется весь объект, аппарат или система в целом (рисунок 6.2):
Рисунок 6.2 - Общее резервирование
1.2) Раздельное резервирование - резервируются отдельные элементы системы (рисунок 6.3). Раздельное резервирование выгодно при большом числе аппаратов и увеличении кратности.
Рисунок 6.3 - Раздельное резервирование
Кратностью резервирования называется отношение числа резервных элементов к числу основных элементов объекта.
2) Различают резервирование с целой и дробной кратностью:
2.1) резервированием с целой кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения достаточно, чтобы исправным был хотя бы один аппарат (т.е. за основным насосом закреплены один или несколько резервных);
Рисунок 6.4 - Резервирование с целой кратностью
2.2) резервированием с дробной кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения может быть неисправным только один аппарат (т.е. на несколько насосов имеется только один резервный).
Рисунок 6.5 - Резервирование с дробной кратностью
Число кратности резервирования:
где m - общее число элементов в группе;
r - число элементов, необходимое для нормальной работы системы.
Например, проанализируем схемы (рисунок 6.6).
Рисунок 6.6 - Схемы с резервированием
По схеме рисунка 6.6,а имеем дублирование и число кратности
Целая кратность.
На схеме рисунка 8.6,б представлена схема с кратностью
Целая кратность.
На схеме рисунка 8.6,в показана система «2 из 3»
Дробная кратность.
3.1) При постоянном резервировании резервные аппараты присоединены к основным в течение всего времени работы и работают одновременно с ними.
3.2) При резервировании замещением резервные аппараты замещают основные после их отказа.
4) Различат три типа структурного резервирования : нагруженный резерв, облегченный резерв, ненагруженный резерв.
4.1) Нагруженный резерв - такой резерв, когда резервные элементы работают в том же режиме нагрузки, что и основной элемент, т.е. основной элемент и резервный теряют надежность в равном темпе.
4.1) Облегченный резерв - такой резерв, когда элементы функционируют в более слабом нагрузочном режиме, чем основной элемент, т.е. резервные элементы теряют надежность замедленно в сравнении с основным элементом.
4.1) Ненагруженный резерв - когда резервный элемент практически не несет никакой нагрузки и его надежность не падает вообще. Это запасные части на складе.
На рисунке 6.7 рассматривается надежность при нагруженном, облегченном и ненагруженном резервах для системы из 1 -го основного элемента и 1 -го резервного.
Рисунок 6.7 - Типы резервирования
Нагруженный резерв (рисунок 6.7а). При 0 < t < t 0 функционируют оба элемента и их надежность падает одинаково. После отказа при t > t 0 первый больше не работает, а второй продолжает работать с той же надежностью вдоль той же кривой.
Облегченный резерв (рисунок 6.7б). При 0 < t < t 0 функционируют оба, но основной (кривая 1) теряет надежность быстрее, чем второй (кривая 2) при пониженной нагрузке. При t > t 0 работает 2-й элемент при полной нагрузке, его надежность падает по кривой 2.
Ненагруженный резерв (рисунок 6.7в). При 0 < t < t 0 работает только 1-й элемент (кривая 1), а при t > t 0 только второй (кривая 2), но она начинается не от t = 0, а от t = t 0 .
Таким образом, надежность облегченного резерва выше нагруженного, а ненагруженного - выше, чем облегченного.
ТЕМА: « Классификация методов резервирования»
ПЛАН:
1.Резервирование и избыточность
2.Классификация методов резервирования
В соответствии с ГОСТ 27.002-89 резервированием называется применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов. Таким образом, резервирование - это метод повышения надежности объекта путем введения избыточности.
В свою очередь, избыточность - это дополнительные средства и (или) возможности сверхминимально необходимые для выполнения объектом заданных функций. Задачей введения избыточности является обеспечение нормального функционирования объекта после возникновения отказа в его элементах.
Существуют разнообразные методы резервирования. Их целесообразно разделять по следующим признакам (рис. 1): вид резервирования, способ соединения элементов, кратность резервирования, способ включения резерва, режим работы резерва, восстанавливаемость резерва.
Определение основного элемента не связано с понятием минимальности основной структуры объекта, поскольку элемент, являющийся основным в одних режимах эксплуатации, может служить резервным в других условиях.
Резервируемый элемент - основной элемент, на случай отказа которого в объекте предусмотрен резервный элемент
Временное резервирование связано с использованием резервов времени. При этом предполагается, что на выполнение объектом необходимой работы отводится время, заведомо большее минимально необходимого. Резервы времени могут создаваться за счет повышения производительности объекта, инерционности его элементов и т.д.
Информационное резервирование - это резервирование с применением избыточности информации. Примерами информационного резервирования являются многократная передача одного и того же сообщения по каналу связи; применение при передаче информации по каналам связи различных кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки, которые появляются в результате отказов аппаратуры и влияния помех; введение избыточных информационных символов при обработке, передаче и отображении информации. Избыток информации позволяет в той или иной мере компенсировать искажения передаваемой информации или устранять их.
Функциональное резервирование - резервирование, при котором заданная функция может выполняться различными способами и техническими средствами. Например, функция быстрой остановки водо-во-дяного энергетического реактора может быть осуществлена вводом в активную зону стержней аварийной защиты СУЗ или впрыском борного раствора. Или функция передачи информации в АСУ может выполняться с использованием радиоканалов, телеграфа, телефона и других средств связи. Поэтому обычные усредненные показатели надежности (средняя наработка на отказ, вероятность безотказной работы и т.п.) становятся малоинформативными и недостаточно пригодными для использования в данном случае. Наиболее подходящие показатели для оценки функциональной надежности: вероятность выполнения данной функции, среднее время выполнения функции, коэффициент готовности для выполнения данной функции
Нагрузочное резервирование - это резервирование с применением нагрузочных резервов. Нагрузочное резервирование, прежде всего, заключается в обеспечении оптимальных запасов способности элементов выдерживать действующие на них нагрузки. При других способах нагрузочного резервирования возможно введение дополнительных защитных или разгружающих элементов
По способу включения резервных элементов различают постоянное, динамическое, резервирование замещением, скользящее и мажоритарное резервирование. Постоянное резервирование - это резервирование без перестройки структуры объекта при возникновении отказа его элемента. Для постоянного резервировании существенно, что в случае отказа основного элемента не требуется специальных устройств, вводящих в действие резервный элемент, а также отсутствует перерыв в работе (рис. 5.2 и 5.3).
Постоянное резервирование в простейшем случае представляет собой параллельное соединение элементов без переключающих устройств.
Динамическое резервирование - это резервирование с перестройкой структуры объекта при возникновении отказа его элемента. Динамическое резервирование имеет ряд разновидностей.
Классификация методов резервирования систем
Достигнутый в настоящее время уровень надежности элементной базы электроники, радиотехники, механических элементов, электротехники характеризуется значениями интенсивности отказов λ=10 -6 ...10 -7 1/ч. В ближайшем будущем следует ожидать повышения этого уровня до λ= 10 -8 1/ч. Это даст возможность поднять наработку на отказ системы, состоящей из N = 10 6 элементов, до значения 100 ч, что явно недостаточно. Необходимая надежность сложных систем может быть достигнута только при использовании различных видов резервирования .
Резервирование – это одно из основных средств обеспечения заданного уровня надежности (особенно безотказности) объекта при недостаточно надежных элементах.
В соответствии с ГОСТ 27.002-89 резервированием называется применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов. Таким образом, резервирование – это метод повышения надежности объекта путем введения избыточности. В свою очередь, избыточность - это дополнительные средства и (или) возможности, сверхминимально необходимые для выполнения объектом заданных функций. Задачей введения избыточности является обеспечение нормального функционирования объекта после возникновения отказа в его элементах.
Существуют разнообразные методы резервирования. Их целесообразно разделять по следующим признакам (рисунок 4.7): вид резервирования, способ соединения элементов, кратность резервирования, способ включения резерва, режим работы резерва, восстанавливаемость резерва.
Рисунок 4.7 – Классификация методов резервирования
Структурное резервирование, иногда называемое аппаратурным (элементным, схемным), предусматривает применение резервных элементов структуры объекта. Суть структурного резервирования заключается в том, что в минимально необходимый вариант объекта вводятся дополнительные элементы. Элементы резервированной системы носят следующие названия. Основной элемент - элемент структуры объекта, необходимый для выполнения объектом требуемых функций при отсутствии отказов его элементов. Резервный элемент - элемент объекта, предназначенный для выполнения функций основного элемента в случае отказа последнего.
Определение основного элемента не связано с понятием минимальности основной структуры объекта, поскольку элемент, являющийся основным в одних режимах эксплуатации, может служить резервным в других условиях.
Резервируемый элемент - основной элемент, на случай отказа, которого в объекте предусмотрен резервный элемент.
На рисунках 4.8 – 4.10 приведены схемы соединения основных и резервных элементов, так называемым параллельным соединением элементов. Системой с параллельным соединением элементов называется такая система, которая отказывает только в случае отказа всех ее элементов .
Рисунок 4.8 – Пример параллельного соединения элементов
а – принципиальная схема, б – расчетная схема
Рисунок 4.9 – Пример параллельно-последовательного соединения элементов СУХТП
а - функциональная схема, б – расчетная схема
Рисунок 4.10 – Пример мостового соединения элементов
Временное резервирование связано с использованием резервов времени. При этом предполагается, что на выполнение объектом необходимой работы отводится время, заведомо большее минимально необходимого. Резервы времени могут создаваться за счет повышения производительности объекта, инерционности его элементов и т.д.
Информационное резервирование - это резервирование с применением избыточности информации. Примерами информационного резервирования являются многократная передача одного и того же сообщения по каналу связи; применение при передаче информации по каналам связи различных кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки, которые появляются в результате отказов аппаратуры и влияния помех; введение избыточных информационных символов при обработке, передаче и отображении информации. Избыток информации позволяет в той или иной мере компенсировать искажения передаваемой информации или устранять их.
Функциональное резервирование - резервирование, при котором заданная функция может выполняться различными способами и техническими средствами. Например, функция передачи информации в АСУ может выполняться с использованием радиоканалов, телеграфа, телефона и других средств связи. Поэтому обычные усредненные показатели надежности (средняя наработка на отказ, вероятность безотказной работы и т.п.) становятся малоинформативными и недостаточно пригодными для использования в данном случае. Наиболее подходящие показатели для оценки функциональной надежности: вероятность выполнения данной функции, среднее время выполнения функции, коэффициент готовности для выполнения данной функции.
Нагрузочное резервирование - это резервирование с применением нагрузочных резервов. Нагрузочное резервирование, прежде всего, заключается в обеспечении оптимальных запасов способности элементов выдерживать действующие на них нагрузки. При других способах нагрузочного резервирования возможно введение дополнительных защитных или разгружающих элементов.
Перечисленные виды резервирования могут быть применены либо к системе в целом, либо к отдельным элементам системы или к их группам. В первом случае резервирование называется общим, во втором – раздельным. Сочетание различных видов резервирования в одном и том же объекте называется смешанным.
По способу включения резервных элементов различают постоянное, динамическое, резервирование замещением, скользящее и мажоритарное резервирование. Постоянное резервирование - это резервирование без перестройки структуры объекта при возникновении отказа его элемента. Для постоянного резервировании существенно, что в случае отказа основного элемента не требуется специальных устройств, вводящих в действие резервный элемент, а также отсутствует перерыв в работе (рисунки 4.11 – 4.13). Постоянное резервирование в простейшем случае представляет собой параллельное соединение элементов без переключающих устройств .
Рисунок 4.13 – Смешанное резервирование с постоянно включенным резервом
Динамическое резервирование - это резервирование с перестройкой структуры объекта при возникновении отказа его элемента. Динамическое резервирование имеет ряд разновидностей.
Резервирование замещением - это динамическое резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента. Включение резерва замещением (рисунки 4.14, 4.15) обладает следующими преимуществами:
– не нарушает режима работы резерва;
– сохраняет в большей степени надежность резервных элементов, так как при работе основных элементов они находятся в нерабочем состоянии;
– позволяет использовать резервный элемент на несколько основных элементов.
Существенным недостатком резервирования замещением является необходимость наличия переключающих устройств. При раздельном резервировании число переключающих устройств равно числу основных элементов, что может сильно понизить надежность всей системы. Поэтому резервировать замещением выгодно крупные узлы или всю систему, а во всех других случаях - при высокой надежности переключающих устройств.
Скользящее резервирование - это резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе (рисунок 4.16) .
Рисунок 4.16 – Скользящее резервирование однотипными (а) и неоднотипными (б) элементами
В системах управления нашло широкое применение мажоритарное резервирование (с использованием «голосования»). Этот способ основан на применении дополнительного элемента, называемого мажоритарным, или логическим, элементом. Логический элемент позволяет вести сравнение сигналов, поступающих от элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Если результаты совпадают, то они передаются на выход устройства .
На рисунке 4.17 изображено резервирование по принципу «2 из 3», т.е. любые два совпадающих результата из трех считаются истинными и проходят на выход устройства. По такому принципу построены многие схемы подсистем систем управления и защиты (СУЗ). Можно применять соотношения «3 из 5» и др. Главное достоинство этого метода – обеспечение повышения надежности при любых видах отказов элементов и повышение достоверности информационно-логических объектов.
Рисунок 4.17 – Мажоритарное резервирование
Степень избыточности характеризуется кратностью резервирования. Кратность резерва - это отношение числа резервных элементов объекта к числу резервируемых ими основных элементов, выраженное несокращенной дробью. Резервирование с целой кратностью имеет место, когда один основной элемент резервируется одним или более резервными элементами.
Резервирование с дробной кратностью – это такое резервирование, когда два и более однотипных элементов резервируются одним и более резервными элементами. Наиболее распространенным вариантом резервирования с дробной кратностью является такой, когда число основных элементов превышает число резервных. Резервирование, кратность которого равна единице, называется дублированием.
В зависимости от режима работы резерва различают нагруженный, облегченный и ненагруженный резервы. Нагруженный резерв – это резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в режиме основного элемента. При этом принимается, что элементы нагруженного резерва имеют тот же уровень безотказности, долговечности и сохраняемости, что и резервируемые ими основные элементы объекта. Облегченный резерв – это резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в менее нагруженном режиме, чем основной. Элементы облегченного резерва обладают, как правило, более высоким уровнем безотказности, долговечности и сохраняемости, чем основные элементы. Ненагруженный резерв - это резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функций основного элемента. Для элементов ненагруженного резерва условно полагают, что они никогда не отказывают и не достигают предельного состояния.
Резервирование, при котором работоспособность любого одного или нескольких резервных элементов в случае возникновения отказов подлежит восстановлению при эксплуатации, называется резервированием с восстановлением, в противном случае имеет место резервирование без восстановления. Восстанавливаемость резерва обеспечивается при наличии контроля работоспособности элементов. При наличии резервирования это особенно важно, так как в этом случае число скрытых отказов может быть больше, чем при отсутствии резервирования. В идеальном варианте отказ любого элемента объекта обнаруживается без задержки, а отказавший элемент незамедлительно заменяется или ремонтируется.
