Bokning

Redundans är en metod för att öka tillförlitligheten hos system och objekt. Det är en universell princip för att säkerställa tillförlitlighet, allmänt använd i naturen, teknik och teknik, som sedan spred sig till andra aspekter av mänskligt liv.

Typer av reservationer

Det finns fyra huvudtyper av reservationer :

Maskinvaruredundans, såsom redundans
Informationsredundans, till exempel - metoder för att upptäcka och korrigera fel
Tillfällig redundans, såsom alternativa logiska metoder.
Programvaruredundans, användning av oberoende funktionellt likvärdiga program

Redundans i tekniska system

Redundans inom teknik är en metod för att förbättra tillförlitlighetsegenskaperna hos tekniska enheter eller bibehålla dem på den nivå som krävs genom att införa hårdvaruredundans genom att inkludera reservdelar (reserv) och länkar som är ytterligare jämfört med det minimum som krävs för att utföra de specificerade funktionerna under given drift betingelser.

Redundans används i stor utsträckning vid farliga produktionsanläggningar , i många fall dikteras dess nödvändighet av kraven på industrisäkerhet eller statliga regler och standarder . Vissa tekniska anordningar ger initialt redundans i sin konstruktion , till exempel indirektverkande säkerhetsventiler - impulssäkerhetsanordningar . Redundans används också i stor utsträckning inom militär utrustning.

Redundans är en av huvudprinciperna för att säkerställa säkerheten för kärnkraftverk , tillsammans med den fysiska separationen och mångfalden av utrustning, ansvarig för den praktiska implementeringen av den viktigaste principen om enstaka fel . System som är viktiga för säkerheten i kärnkraftverk (det vill säga väldigt många) har en trefaldig redundans, och i de senaste ryska projekten som genomfördes under byggandet av kärnkraftverket i Tianwan i Kina - en fyrfaldig redundans [1] [2] .

Elementen i enhetens minimerade struktur, som säkerställer dess prestanda , kallas grundläggande element ; reservelement kallas element utformade för att säkerställa enhetens funktion i händelse av fel på huvudelementen. Redundans i tekniska system klassificeras enligt ett antal kriterier, varav de viktigaste är redundansnivån, mångfalden av redundans, statusen för reservelementen tills de tas i drift, möjligheten till gemensam drift av huvud- och reservelement med en gemensam belastning, metoden för att ansluta huvud- och reservelementen. I en redundant produkt uppstår ett fel när huvudenheten (elementet) och alla backupenheter (elementen) misslyckas. En grupp av element anses vara redundant om felet i ett eller flera av dess element inte stör den normala driften av kretsen (systemet), och de återstående servicebara elementen utför samma specificerade funktion. Sådan redundans kallas funktionell redundans .

Redundansförhållandet är förhållandet mellan antalet redundanta element och antalet huvudelement i enheten. Mångfalden av redundans betecknas vanligtvis m . Till exempel, om m = 3, betyder detta att: huvudenheten är en, antalet backupenheter är tre och det totala antalet enheter är (tre plus en) fyra. Om m = 4/2 betyder detta fraktionerad redundans, där antalet standby-enheter är fyra, antalet primära enheter är två och det totala antalet enheter är sex. Det är omöjligt att minska bråkdelen, eftersom om m = 4/2 = 2, så är detta en redundans med en heltalsmultiplicitet, där antalet säkerhetskopieringsenheter är två, den viktigaste är en och det totala antalet enheter är tre. En engångsbokning kallas dubbelarbete .

Enligt tillståndet för reservelementen tills de tas i drift särskiljs de:
- laddad (het) reserv - reservelement laddas på samma sätt som de viktigaste;
- lätt (väntande) reserv - reservelement laddas mindre än de viktigaste;
- olastade (kalla) reserv -reservelement bär praktiskt taget inga laster [3] .

Användningen av en lätt eller avlastad reserv gör det möjligt att minska energiförbrukningen som förbrukas av det redundanta systemet och öka tillförlitligheten hos utrustningen (T av p unload > T av p reg > T av p load ), eftersom tillförlitligheten av backup enheter är högre än för de viktigaste. Det bör dock komma ihåg att en paus för att byta från huvudenheten till säkerhetskopian inte är tillåten i alla system.

Beroende på omfattning och accepterad reservationsenhet finns det:
- allmän reserv , där reserven tillhandahålls i händelse av fel på objektet som helhet, och
- separat (element-för-element) reserve , där separata delar av objektet (block, noder, element) är reserverade.
  Ett specialfall av element-för-element-reservation är glidande reservation, som kan användas om du reserverar en grupp identiska element.
- Det är också möjligt att kombinera generell och separat redundans - den så kallade blandade redundansen .

Lämpligheten av att använda redundans bestäms av följande faktorer:

komponenternas initiala tillförlitlighetsnivå;
ställ in drifttid;
förekomsten av ett effektivt kontrollsystem och förebyggande frekvens;
möjligheten att använda mindre redundanta metoder för att förbättra tillförlitligheten.

Analysen av redundanta system visar att felfrekvensen i ett redundant system ökar snabbt över tiden, även om felfrekvensen för ett icke-redundant system inte är tidsberoende, vilket innebär att det kommer en tidpunkt efter vilken användningen av en överflödigt system motiverar inte sig självt. Därför, om du inte tar hänsyn till funktionerna i systemförebyggande, är det fördelaktigt att använda redundans för system för kortvarig användning, och för kritiska system och system för långvarig användning, använda andra metoder för att öka tillförlitligheten. Redundansmetoder som är effektiva för digitala system av kontinuerlig typ kan vara till liten användning för system med enheter av analog typ, för vilka, på grund av frånvaron av ömsesidig påverkan av huvud- och reservkanalerna, ett ersättningsredundansschema är att föredra. Den befintliga variationen av system gör det därför svårt att bygga gemensamma designmetoder och enhetliga krav på tillförlitlighet.

Det är vanligt att utvärdera redundanseffektiviteten med hjälp av tillförlitlighetsökningsfaktorn γ , som bestäms av tillförlitlighetsindikatorerna från förhållandena:

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

där P ( t ) r , Q ( t ) r , är sannolikheten för felfri drift och sannolikheten för fel för det redundanta systemet,

P ( t ) och Q ( t ) är sannolikheten för felfri drift och sannolikheten för fel för ett icke-redundant system.

Allmän systemredundans

Med generell redundans säkerhetskopieras hela systemet. Allmän redundans, beroende på hur säkerhetskopieringsenheterna är påslagna, kan delas upp i permanent redundans och ersättningsredundans, där backupprodukterna ersätter de viktigaste först efter ett fel. Med en generell permanent redundans är backupenheterna anslutna till huvudenheten under hela drifttiden och är i samma driftläge som de är.

Permanent reservation

Fördelarna med permanent delad övertalighet inkluderar:

den relativa enkelheten att konstruera kretsar;
frånvaron av ens en kort paus i driften i händelse av fel på en till m -1 element i systemet;
frånvaron av ytterligare anslutna element som minskar kretsens övergripande tillförlitlighet.

De uppenbara nackdelarna med en laddad reserv, förutom en ökning av systemets storlek och massa, är ökad energiförbrukning, liksom det faktum att reservelementen "åldras" samtidigt med huvudelementen i systemet. I fallet med ett allmänt redundant system krävs en fullständig sammansättning av de inspelade elementen. Med generell permanent redundans kan endast den laddade reserven användas.

Egenskaper för fallet med ett redundant system med total permanent redundans

Sannolikheten för felfri drift av ett redundant system med en total konstant redundans med en heltalsmultiplicitet beräknas med formeln:

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

där P ( t ) р är sannolikheten för att det redundanta systemet inte fungerar fel

P ( t ) \u003d e -λ t p - sannolikhet för felfri drift

icke-redundanta system med en exponentiell lag för distribution av tillförlitlighet,

m är mångfalden av redundans.

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

där T av p är medeltiden mellan fel i det redundanta systemet,

Tav är medeltiden mellan fel i ett icke-redundant system.

För det enklaste fallet, när m = 1, får vi:

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

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

Således, med duplicering (en huvudenhet säkerhetskopieras av en backup-enhet), ökar medeltiden mellan fel med 1,5 gånger.

Reservation genom ersättning

När den är redundant genom ersättning, ingår backup-enheten i driften av systemet med hjälp av automatiska enheter eller manuellt av en mänsklig operatör. Med automatisk växling krävs extremt hög tillförlitlighet hos kopplingselementen. Med ett stort antal och låg tillförlitlighet för dessa ytterligare element som ingår i ett redundant system, kan dess tillförlitlighet minska jämfört med tillförlitligheten hos ett icke-redundant system. Dessutom finns det en kort paus, medan du byter till backup-enheter. Vid manuellt utbyte av felaktiga element ökar kopplingstiden, men tillförlitligheten hos den mänskliga operatören som utför växlingen kan tas som en enhet i beräkningar.

När du använder en laddad reserv är reservreservelementen i samma funktionsläge som huvudelementen (oavsett om de deltar i driften av kretsen eller inte), och om huvud- och reservelementen är identiska, då deras felfrekvens är desamma och tillförlitligheten för huvud- och reservanordningen är densamma, och därför, om tillförlitligheten för automatiska omkopplingsanordningar inte beaktas, beräknas tillförlitlighetsegenskaperna med samma formler som för den allmänna permanenta redundansen.

Vid användning av en urladdad reserv är reservreservelementen helt inaktiverade tills de tas i drift av systemet. I det här fallet har de redundanta enheterna den högsta tillförlitligheten jämfört med huvudelementen, så den totala ersättningsredundansen med användning av en avlastad reserv ger den bästa tillförlitligheten i fallet med en allmän redundans.

Egenskaper för fallet med allmän redundans genom ersättning med användning av en lossad reserv.

{P(t)_{p}}=P(t)\summa _{i=0}^{m}({\frac {t_{p}}{T_{cp}}})^{ i}{\frac {1}{i!}}=P(t)\left[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]

där P ( t ) р är sannolikheten för att det redundanta systemet inte fungerar fel

P ( t ) är sannolikheten för att ett icke-redundant system inte fungerar fel,
m är mångfalden av redundans.

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

där P ( t ) р och P ( t ) är sannolikheten för icke-fel drift av redundanta och icke-redundanta system,

T av p och T av - medeltiden mellan fel i redundanta och icke-redundanta system, m är mångfalden av redundans.

För det enklaste fallet, när m = 1, får vi:

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

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

Sålunda, vid användning av en lossad reserv, ökar medeltiden mellan fel minst två gånger.

Separata reservationer

Med den separata metoden för redundans införs en individuell reserv för varje del av det icke-redundanta systemet. Separat reservation är generell och ersättning. Med separat substitution kan ett systemfel bara inträffa när ett fel inträffar två gånger i rad i samma enhet ( ), vilket är osannolikt. För att bedöma tillförlitligheten med separat redundans används en komplex, specifik matematisk apparat. Generellt sett visar matematisk analys att de högsta tillförlitlighetsindikatorerna kan erhållas i fallet med byggnadssystem som använder separat redundans genom att ersätta en obelastad reserv. $m=1$

Redundans i biologiska system

Djur som är nära början av näringskedjan använder en reservationsmekanism som säkerställer artens reproduktion - många avkommor. Växtätare, som är mat för rovdjur, har vanligtvis fler avkommor än rovdjur.
Människokroppen ger ett ganska stort antal exempel på reservation av yttre och inre organ. Exempel på duplicering av yttre organ är ögon, öron, händer, näsborrar. Ett exempel på reservation av inre organ hos en person är duplicering av gonaderna, njurarna. Redundans skapar ny funktionalitet. Duplicering av ögonen (separerade med ett visst avstånd) gör att du kan implementera stereoskopisk syn , det vill säga att bestämma avståndet till objektet, duplicering av öronen - för att bestämma riktningen till ljudkällan ( binaural effekt ).

Bionikens tillämpade vetenskap handlar om studiet av redundans i biologiska system . [fyra]

Redundans i organisationssystem

Ett exempel på redundans i organisationsstrukturer [5] är förekomsten av suppleanter för chefer. Vanligtvis utför ställföreträdaren vissa funktioner som bara är speciella för varje specifik ställföreträdare, men vilken ställföreträdare som helst kan bli tillförordnad chef under perioden för hans frånvaro.
Försvarsmakten använder en reserv av personal - en reserv. Alla de som tjänstgjorde i armén överförs till reserven och blir reservister i händelse av fientligheter.

Beräkning av sannolikhet för systemfel

Varje element av redundans minskar sannolikheten för nodfel i enlighet med formeln:

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

var är antalet reservdelar (reservkvot);

m

q_{i}

— sannolikhet för elementfel ;

i

F

- sannolikhet för fel på en nod av element (sannolikhet för fel på alla element).

n

Formeln förutsätter oberoende fel hos elementen. Detta betyder att sannolikheten för att ett element går sönder är densamma både med ett felaktigt element och med ett bra för alla . Denna formel är inte alltid tillämplig, till exempel vid parallellkoppling av två strömförsörjningar, felsannolikheterna är olika. $i$ $j,$ $i\neq j.$

Det antas också att ett (valfritt) element räcker för att noden ska fungera. I händelse av att det för nodens funktion är nödvändigt att ha element från de tillgängliga , är sannolikheten för misslyckande lika med: $m$ $n$

${Q}=q^{n-m+1}C_{n}^{n-m+1},$ förutsatt att alla element har samma sannolikhet att misslyckas . $q$

Antalet kombinationer av by $a$ $b$ är lika med binomialkoefficienten :

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

Denna felmodell innebär att felaktiga element inte ersätts och redundansanordningen har en noll sannolikhet för fel.

Se även

Hot swap

Anteckningar

↑ Ostreykovsky V. A., Shvyryaev Yu. V. Kärnkraftverkens säkerhet. Probabilistisk analys. - Moskva: Fizmatlit, 2008. - S. 352. - ISBN 978 5 9221 0998 7 .
↑ Säkerhet för kärnkraftverk. - EDF-EPN-DSN-PARIS, 1994. - ISBN 2 7240 0090 0 .
↑ [bse.sci-lib.com/article096125.html Redundans i TSB]
↑ Bionics - syntesen av biologi och teknologi (otillgänglig länk) . Hämtad 28 april 2010. Arkiverad från originalet 10 oktober 2006. (obestämd)
↑ Abubakar Sambiev. Teknisk analys av sociala system. (populärvetenskaplig litteratur)

Länkar

Bokningar på Knols hemsida