Reservation

Redundans er en metode til at øge pålideligheden af systemer og objekter. Det er et universelt princip for at sikre pålidelighed, som er meget udbredt i naturen, teknik og teknologi, som efterfølgende spredte sig til andre aspekter af menneskelivet.

Reservationstyper

Der er fire hovedtyper af reservation :

Hardwareredundans, såsom redundans
Informationsredundans, for eksempel - metoder til at opdage og rette fejl
Midlertidig redundans, såsom alternative logiske metoder.
Softwareredundans, brug af uafhængige funktionelt ækvivalente programmer

Redundans i tekniske systemer

Redundans i teknik er en metode til at forbedre pålideligheden af tekniske enheder eller vedligeholde dem på det krævede niveau ved at indføre hardwareredundans ved at inkludere reserveelementer og links, der er yderligere sammenlignet med det minimum, der er nødvendigt for at udføre de specificerede funktioner under given drift betingelser.

Redundans bruges i vid udstrækning på farlige produktionsanlæg , i mange tilfælde er nødvendigheden dikteret af kravene til industriel sikkerhed eller offentlige regler og standarder . Nogle tekniske anordninger sørger i begyndelsen for redundans i deres design , for eksempel indirekte virkende sikkerhedsventiler - impulssikkerhedsanordninger . Redundans er også meget brugt i militært udstyr.

Redundans er et af hovedprincipperne for at sikre kernekraftværkers sikkerhed sammen med den fysiske adskillelse og mangfoldighed af udstyr, ansvarlig for den praktiske implementering af det vigtigste enkeltfejlsprincip . Systemer, der er vigtige for sikkerheden af atomkraftværker (det vil sige rigtig mange) har en tredobbelt redundans, og i de seneste russiske projekter implementeret under opførelsen af Tianwan NPP i Kina - en firedobbelt redundans [1] [2] .

Elementerne i enhedens minimerede struktur, der sikrer dens ydeevne , kaldes grundlæggende elementer ; reserveelementer kaldes elementer designet til at sikre enhedens funktionsdygtighed i tilfælde af svigt af hovedelementerne. Redundans i teknologiske systemer klassificeres efter en række kriterier, hvoraf de vigtigste er redundansniveauet, antallet af redundans, tilstanden af reserveelementerne indtil de sættes i drift, muligheden for fælles drift af hoved- og reserveelementer med en fælles belastning, metoden til at forbinde hoved- og reserveelementerne. I et redundant produkt opstår der en fejl, når hovedenheden (elementet) og alle backup-enheder (elementerne) fejler. En gruppe af elementer betragtes som redundante, hvis fejlen i et eller flere af dens elementer ikke forstyrrer den normale drift af kredsløbet (systemet), og de resterende brugbare elementer udfører den samme specificerede funktion. Sådan redundans kaldes funktionel redundans .

Redundansforholdet er forholdet mellem antallet af redundante elementer og antallet af hovedelementer i enheden. Mangfoldigheden af redundans betegnes normalt m . For eksempel, hvis m = 3, betyder det, at: hovedenheden er én, antallet af backup-enheder er tre, og det samlede antal enheder er (tre plus én) fire. Hvis m = 4/2, betyder det fraktioneret redundans, hvor antallet af standby-enheder er fire, antallet af primære enheder er to, og det samlede antal enheder er seks. Det er umuligt at reducere brøken, da hvis m = 4/2 = 2, så er dette en redundans med en heltal multiplicitet, hvor antallet af backup-enheder er to, den vigtigste er en og det samlede antal enheder er tre. En engangsreservation kaldes duplikering .

I henhold til tilstanden af reserveelementerne, indtil de sættes i drift, skelnes de:
- indlæst (varm) reserve - reserveelementer indlæses på samme måde som de vigtigste;
- let (ventende) reserve - reserveelementer belastes mindre end de vigtigste;
- aflastede (kolde) reserve -reserveelementer bærer praktisk talt ikke belastninger [3] .

Brugen af en let eller ubelastet reserve gør det muligt at reducere det energiforbrug, der forbruges af det redundante system og øge udstyrets pålidelighed (T av p unload > T av p reg > T av p load ), da pålideligheden af backup enheder er højere end de vigtigste. Det skal dog huskes, at en pause for at skifte fra hovedenheden til backup ikke er tilladt i alle ordninger.

Afhængigt af omfanget og den accepterede reservationsenhed er der:
- generel reserve , hvori reserven stilles til rådighed i tilfælde af svigt af objektet som helhed, og
- separat (element-for-element) reserve , hvor separate dele af objektet (blokke, noder, elementer) er reserveret.
  Et særligt tilfælde af element-for-element reservation er glidende reservation, som kan bruges, hvis du reserverer en gruppe af identiske elementer.
- Det er også muligt at kombinere generel og separat redundans - den såkaldte blandet redundans .

Hensigtsmæssigheden af at bruge redundans bestemmes af følgende faktorer:

det oprindelige niveau af pålidelighed af komponenter;
indstille driftstid;
tilstedeværelsen af et effektivt kontrolsystem og hyppigheden af forebyggelse;
muligheden for at bruge mindre overflødige metoder til at forbedre pålideligheden.

Analysen af redundante systemer viser, at fejlraten for et redundant system stiger hurtigt over tid, selvom fejlprocenten for et ikke-redundant system ikke afhænger af tid, hvilket indebærer, at der kommer et tidspunkt, hvorefter brugen af en overflødigt system retfærdiggør ikke sig selv. Derfor, hvis du ikke tager højde for funktionerne i systemforebyggelse, så er det fordelagtigt at bruge redundans til systemer til kortvarig brug, og for kritiske systemer og systemer til langvarig brug, bruge andre metoder til at øge pålideligheden. Redundansmetoder, der er effektive for digitale systemer af kontinuerlig type, kan være af ringe nytte for systemer med analoge enheder, for hvilke en erstatningsredundansordning er at foretrække på grund af fraværet af gensidig påvirkning af hoved- og backupkanalerne. Den eksisterende mangfoldighed af systemer gør det således vanskeligt at opbygge fælles designtilgange og ensartede krav til pålidelighed.

Det er sædvanligt at evaluere redundanseffektiviteten ved hjælp af pålidelighedsforøgelsesfaktoren γ , som bestemmes af pålidelighedsindikatorerne fra forholdet:

γ p = P ( t ) p / P ( t ) γ Q = Q ( t ) / Q ( t ) p

hvor P ( t ) r , Q ( t ) r , er sandsynligheden for fejlfri drift og sandsynligheden for fejl for det redundante system,

P ( t ) og Q ( t ) er sandsynligheden for fejlfri drift og sandsynligheden for fejl for et ikke-redundant system.

Generel systemredundans

Med generel redundans bliver hele systemet sikkerhedskopieret. Generel redundans, afhængigt af måden backup-enhederne er tændt på, kan opdeles i permanent redundans og erstatningsredundans, hvor backup-produkter kun erstatter de vigtigste efter en fejl. Med en generel permanent redundans er backup-enhederne forbundet til den primære under hele driftstiden og er i samme driftsform som den er.

Permanent reservation

Fordelene ved permanent delt afskedigelse omfatter:

den relative enkelhed ved at konstruere kredsløb;
fraværet af selv en kort pause i driften i tilfælde af fejl på en til m -1 elementer i systemet;
fraværet af yderligere tilsluttede elementer, der reducerer kredsløbets samlede pålidelighed.

De åbenlyse ulemper ved en belastet reserve er, udover en stigning i størrelsen og massen af systemet, øget energiforbrug, samt det faktum, at reserveelementerne "ældes" samtidig med systemets hovedelementer. I tilfælde af et generelt redundant system kræves en fuldstændig sammensætning af de registrerede elementer. Ved generel permanent redundans kan kun den belastede reserve bruges.

Karakteristika for tilfælde af et redundant system med total permanent redundans

Sandsynligheden for fejlfri drift af et redundant system med en total konstant redundans med en heltal multiplicitet beregnes med formlen:

{P(t)_{p}}=1-[1-P(t)]^{m+1}

hvor P ( t ) р er sandsynligheden for ikke-fejldrift af det redundante system

P ( t ) \u003d e -λ t p - sandsynlighed for fejlfri drift

ikke-redundant system med en eksponentiel lov om fordeling af pålidelighed,

m er multipliciteten af redundans.

T_{cp\,p}=T_{cp}\sum _{i=0}^{m}{\frac {1}{(i+1)))=T_{cp}(1+{ \frac {1}{2}}+...+{\frac {1}{m+1}})

hvor T av p er middeltiden mellem fejl i det redundante system,

Tav er den gennemsnitlige tid mellem fejl i et ikke-redundant system.

For det enkleste tilfælde, når m = 1, får vi:

{\displaystyle P(t)_{p}=1-[1-P(t)]^{2))

T_{cp\,p}=1.5T_{cp\,}

Med duplikering (én hovedenhed er sikkerhedskopieret af én backup-enhed) øges den gennemsnitlige tid mellem fejl med 1,5 gange.

Reservation ved udskiftning

Når den er redundant ved udskiftning, er backup-enheden inkluderet i driften af systemet ved hjælp af automatiske enheder eller manuelt af en menneskelig operatør. Ved automatisk kobling kræves en ekstrem høj pålidelighed af koblingselementerne. Med et stort antal og lav pålidelighed af disse yderligere elementer inkluderet i et redundant system, kan dets pålidelighed falde sammenlignet med pålideligheden af et ikke-redundant system. Derudover er der en kort pause, mens der skiftes til backup-enheder. Ved manuel udskiftning af fejlbehæftede elementer øges koblingstiden, men pålideligheden af den menneskelige operatør, der udfører skiftet, kan tages som en enhed i beregninger.

Når du bruger en belastet reserve, er reservereserveelementer i samme funktionsmåde som hovedelementerne (uanset om de deltager i driften af kredsløbet eller ej), og hvis hoved- og reserveelementerne er identiske, er deres fejlrate er de samme, og pålideligheden af hoved- og backup-enheden er den samme, og derfor, hvis pålideligheden af automatiske koblingsenheder ikke tages i betragtning, beregnes pålidelighedsegenskaberne ved hjælp af de samme formler som for den generelle permanente redundans.

Ved brug af en aflastet reserve er reservereserveelementer fuldstændigt deaktiveret, indtil de sættes i drift af systemet. I dette tilfælde har de redundante enheder den højeste pålidelighed sammenlignet med hovedelementerne, så den samlede erstatningsredundans ved brug af en aflastet reserve giver den bedste pålidelighed i tilfælde af en generel redundans.

Karakteristika for tilfælde af generel redundans ved udskiftning ved hjælp af en losset reserve.

{P(t)_{p}}=P(t)\sum _{i=0}^{m}({\frac {t_{p}}{T_{cp}}})^{ i}{\frac {1}{i!}}=P(t)\venstre[1+{\frac {t_{p}}{T_{cp}}}+{\frac {1}{2!} }{({\frac {t_{p}}{T_{cp}}})}^{2}+...+{\frac {1}{m!)}}{({\frac {t_{ p }}{T_{cp}}})}^{m}\right]

hvor P ( t ) р er sandsynligheden for ikke-fejldrift af det redundante system

P ( t ) er sandsynligheden for fejlfri drift af et ikke-redundant system,
m er multipliciteten af redundans.

T_{cp\,p}=T_{cp}(m+1)

hvor P ( t ) р og P ( t ) er sandsynligheden for fejlfri drift af redundante og ikke-redundante systemer,

T av p og T av - betyder tid mellem fejl i redundante og ikke-redundante systemer, m er multipliciteten af redundans.

For det enkleste tilfælde, når m = 1, får vi:

{P(t)_{p}}=P(t)(1+{\frac {t_{p}}{T_{cp}}})

{\displaystyle T_{cp\,p}=2T_{cp))

Når man bruger en aflastet reserve, øges middeltiden mellem fejl mindst to gange.

Separate reservationer

Med den separate metode for redundans indføres en individuel reserve for hver del af det ikke-redundante system. Separat reservation er generel og erstatning. Med separat substitution kan en systemfejl kun opstå, når en fejl opstår to gange i træk i den samme enhed ( ), hvilket er usandsynligt. For at vurdere pålideligheden med separat redundans anvendes et komplekst, specifikt matematisk apparat. Generelt viser matematisk analyse, at de højeste pålidelighedsindikatorer kan opnås i tilfælde af bygningssystemer, der anvender separat redundans ved at erstatte en ubelastet reserve. $m=1$

Redundans i biologiske systemer

Dyr, der er tæt på begyndelsen af fødekæden, bruger en reservationsmekanisme, der sikrer artens reproduktion - talrige afkom. Planteædere, som er føde for rovdyr, har normalt flere afkom end rovdyr.
Den menneskelige krop giver et ret stort antal eksempler på reservation af ydre og indre organer. Eksempler på duplikering af ydre organer er øjne, ører, hænder, næsebor. Et eksempel på reservation af indre organer hos en person er duplikeringen af gonaderne, nyrerne. Redundans skaber ny funktionalitet. Duplikering af øjnene (adskilt af en vis afstand) giver dig mulighed for at implementere stereoskopisk syn , det vil sige at bestemme afstanden til objektet, duplikering af ørerne - for at bestemme retningen til lydkilden ( binaural effekt ).

Den anvendte videnskab om bionik beskæftiger sig med studiet af redundans i biologiske systemer . [fire]

Redundans i organisatoriske systemer

Et eksempel på redundans i organisationsstrukturer [5] er tilstedeværelsen af stedfortrædere for ledere. Sædvanligvis udfører stedfortræderen visse funktioner, der kun er særegne for hver specifik stedfortræder, men enhver stedfortræder kan blive fungerende leder i perioden for hans fravær.
De væbnede styrker bruger en reserve af personel - en reserve. Alle dem, der tjente i hæren, overføres til reserven og bliver reservister i tilfælde af fjendtligheder.

Beregning af systemfejlssandsynlighed

Hvert element af redundans reducerer sandsynligheden for knudefejl i overensstemmelse med formlen:

{Q}=1-\prod _{i=0}^{m}(1-q_{i}),

hvor er antallet af reserveelementer (reserveforhold);

m

{\displaystyle q_{i))

— sandsynlighed for elementsvigt ;

jeg

Q

- sandsynlighed for svigt af en knude af elementer (sandsynlighed for fejl af alle elementer).

n

Formlen forudsætter uafhængig svigt af elementerne. Det betyder, at sandsynligheden for svigt af et element er den samme både med et defekt element og med et godt for alle . Denne formel er ikke altid anvendelig, for eksempel i tilfælde af parallelforbindelse af to strømforsyninger, fejlsandsynlighederne er forskellige. $jeg$ $j,$ $i\neq j.$

Det antages også, at et (et hvilket som helst) element er nok til, at noden fungerer. I tilfælde af, at det for driften af noden er nødvendigt at have elementer fra de tilgængelige , er sandsynligheden for fejl lig med: $m$ $n$

${Q}=q^{n-m+1}C_{n}^{n-m+1},$ forudsat at alle elementer har samme sandsynlighed for fejl . $q$

Antallet af kombinationer af by $-en$ $b$ er lig med den binomiale koefficient :

{a \choose b}=C_{a}^{b}={\frac {a!}{b!\left(ab\right)!}}.

Denne fejlmodel indebærer, at fejlbehæftede elementer ikke erstattes, og redundansenheden har nul sandsynlighed for fejl.

Se også

Hot swap

Noter

↑ Ostreykovsky V. A., Shvyryaev Yu. V. Atomkraftværkers sikkerhed. Probabilistisk analyse. - Moskva: Fizmatlit, 2008. - S. 352. - ISBN 978 5 9221 0998 7 .
↑ Atomkraftværkers sikkerhed. - EDF-EPN-DSN-PARIS, 1994. - ISBN 2 7240 0090 0 .
↑ [bse.sci-lib.com/article096125.html Redundans i TSB]
↑ Bionics - syntesen af biologi og teknologi (utilgængeligt link) . Hentet 28. april 2010. Arkiveret fra originalen 10. oktober 2006. (ubestemt)
↑ Abubakar Sambiev. Teknisk analyse af sociale systemer. (populærvidenskabelig litteratur)