Резервирование (инжиниринг) - Redundancy (engineering)

Общий резервный источник питания

Резервная подсистема "B"

Установка задних фонарей с большим резервированием на Тайский туристический автобус

В инженерное дело, избыточность дублирование критических компонентов или функций системы с целью повышения надежности система, обычно в виде резервной копии или безотказный, или для повышения реальной производительности системы, например, в случае GNSS приемники, или многопоточный компьютерная обработка.

Во многих критические системы безопасности, Такие как по проводам и гидравлический системы в самолет, некоторые части системы управления могут быть дублированы,^[1] который формально называется тройное модульное резервирование (ПМР). Ошибка в одном компоненте может быть проигнорирована двумя другими. В системе с тройным резервированием система состоит из трех субкомпонентов, все три из которых должны выйти из строя до того, как система выйдет из строя. Поскольку каждый из них выходит из строя редко, и предполагается, что подкомпоненты откажутся независимо, вероятность отказа всех трех вычисляется как чрезвычайно мала; часто перевешивается другими факторами риска, такими как человеческая ошибка. Избыточность также может называться «системой мажоритарного голосования».^[2] или «логика голосования».^[3]

А подвесной мост многочисленные кабели являются формой резервирования.

Избыточность иногда дает меньше, а не большую надежность - это создает более сложную систему, подверженную различным проблемам, это может привести к игнорированию человеком своих обязанностей и может привести к более высоким производственным требованиям, которые из-за чрезмерной нагрузки на систему могут сделать ее менее безопасной.^[4]

Формы резервирования

В информатике существует четыре основных формы избыточности:^[5] это:

• Аппаратное резервирование, например двойное модульное резервирование и тройное модульное резервирование
• Информационная избыточность, например обнаружение и исправление ошибок методы
• Резервирование по времени, выполнение одной и той же операции несколько раз, например, многократное выполнение программы или несколько копий переданных данных
• Резервирование программного обеспечения, например Программирование N-версии

Модифицированная форма программного обеспечения избыточности, применяемая к оборудованию, может быть:

• Явное функциональное резервирование, например механическое и гидравлическое торможение в автомобиле. Применяется в случае программного обеспечения, когда код написан независимо и явно отличается, но дает одинаковые результаты для одних и тех же входных данных.

Структуры обычно проектируются также с дублирующими частями, что гарантирует, что в случае выхода из строя одной части вся конструкция не разрушится. Структура без избыточности называется критический, что означает, что один сломанный компонент может вызвать обрушение всей конструкции. Мосты, вышедшие из строя из-за отсутствия избыточности, включают Серебряный мост и Межгосударственный мост 5 через реку Скагит.

Параллельные и комбинированные системы демонстрируют разный уровень резервирования. Модели являются предметом исследований в области техники безопасности и безопасности.

Функция резервирования

Две функции резервирования - это пассивное резервирование и активное резервирование. Обе функции предотвращают превышение пределов спецификации без вмешательства человека с использованием дополнительной емкости.

Пассивное резервирование использует избыточную емкость, чтобы уменьшить влияние отказов компонентов. Одна из распространенных форм пассивного резервирования - это дополнительная прочность кабелей и стоек, используемых в мостах. Эта дополнительная прочность позволяет некоторым структурным компонентам выходить из строя без разрушения моста. Дополнительная прочность, использованная в конструкции, называется запасом прочности.

Глаза и уши представляют собой работающие примеры пассивной избыточности. Потеря зрения на один глаз вызывает не слепоту, а восприятие глубины нарушен. Потеря слуха на одно ухо не вызывает глухоты, но теряется направленность. Снижение производительности обычно связано с пассивным резервированием, когда происходит ограниченное количество отказов.

Активное резервирование устраняет снижение производительности за счет мониторинга производительности отдельных устройств, и этот мониторинг используется в логике голосования. Логика голосования связана с переключением, которое автоматически изменяет конфигурацию компонентов. Обнаружение и исправление ошибок и Глобальная система позиционирования (GPS) являются двумя примерами активного резервирования.

Распределение электроэнергии представляет собой пример активного резервирования. Несколько линий электропередач соединяют каждый объект генерации с потребителями. Каждая линия электропередачи включает в себя мониторы, обнаруживающие перегрузку. Каждая линия электропередачи также включает автоматические выключатели. Комбинация линий электропередачи обеспечивает избыточную мощность. Автоматические выключатели отключают линию питания, когда мониторы обнаруживают перегрузку. Мощность перераспределяется по оставшимся линиям.^{[нужна цитата ]}

Недостатки

Чарльз Перроу, автор Нормальные аварии, сказал, что иногда избыточность дает обратный эффект и обеспечивает меньшую, а не большую надежность. Это может произойти тремя способами. Во-первых, избыточные устройства безопасности приводят к более сложной системе, более подверженной ошибкам и авариям. Во-вторых, увольнение может привести к уходу работников от ответственности. В-третьих, избыточность может привести к увеличению производственного давления, в результате чего система будет работать на более высоких скоростях, но менее безопасно.^[4]

Логика голосования

Логика голосования использует мониторинг производительности, чтобы определить, как перенастроить отдельные компоненты, чтобы работа продолжалась без нарушения ограничений спецификации всей системы. Логика голосования часто включает компьютеры, но системы, состоящие из элементов, отличных от компьютеров, можно перенастроить с помощью логики голосования. Автоматические выключатели являются примером некомпьютерной логики голосования.

Использование электроэнергетических систем планирование мощности для перенастройки активного резервирования. Вычислительные системы корректируют объем производства каждого генерирующего объекта, когда другие генерирующие объекты внезапно теряются. Это предотвращает отключение электроэнергии во время крупных событий, таких как землетрясение.

Простейшая логика голосования в вычислительных системах включает два компонента: основной и дополнительный. Оба они работают с одинаковым программным обеспечением, но выходной сигнал от альтернативного остается неактивным во время нормальной работы. Основной контролирует себя и периодически отправляет сообщение об активности альтернативному, пока все в порядке. Все выходы от основного останова, включая сообщение об активности, когда основной обнаруживает неисправность. Альтернативный активизирует свой выход и переходит к главному после короткой задержки, когда сообщение об активности прекращается. Ошибки в логике голосования могут привести к тому, что оба выхода будут активными или неактивными одновременно, или вызвать мигание выходов.

Более надежная форма логики голосования включает нечетное количество трех или более устройств. Все они выполняют идентичные функции, а выходы сравниваются логикой голосования. Логика голосования устанавливает большинство, когда есть разногласия, и большинство будет действовать, чтобы деактивировать вывод другого устройства (устройств), которые не согласны. Одиночная неисправность не прервет нормальную работу. Этот метод используется с авионика системы, например, ответственные за работу Космический шатл.

Расчет вероятности отказа системы

Каждый дублирующий компонент, добавляемый в систему, снижает вероятность отказа системы в соответствии с формулой:

${ displaystyle {p} = prod _ {i = 1} ^ {n} p_ {i}}$

куда:

• ${ displaystyle n}$ - количество компонентов
• ${ displaystyle p_ {i}}$ - вероятность отказа компонента i
• ${ displaystyle p}$ - вероятность отказа всех компонентов (отказ системы)

Эта формула предполагает независимость от событий отказа. Это означает, что вероятность отказа компонента B при условии, что компонент A уже отказал, такая же, как вероятность отказа B, когда A не отказал. Бывают ситуации, когда это неразумно, например, использование двух Источники питания подключен к той же розетке таким образом, что если один источник питания потерпел неудачу, другой тоже.

Также предполагается, что для работы системы необходим только один компонент.

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

• Безопасное движение с помощью Advanced Redundant Control
• Использование Powerline в качестве резервного канала связи
• Фламмини, Франческо; Марроне, Стефано; Маццокка, Никола; Витторини, Валерия (2009). «Новый подход к моделированию для оценки безопасности N-модульных компьютерных систем с резервированием при несовершенном обслуживании». Надежность и безопасность системы. 94 (9): 1422–1432. arXiv:1304.6656. Дои:10.1016 / j.ress.2009.02.014.