Varaus

Redundanssi on tapa lisätä järjestelmien ja objektien luotettavuutta . Se on luotettavuuden takaava yleinen periaate, jota käytetään laajalti luonnossa, tekniikassa ja tekniikassa ja joka levisi myöhemmin ihmiselämän muille osa-alueille.

Varaustyypit

Varauksia on neljä päätyyppiä :

Laitteiston redundanssi, kuten redundanssi
Tietojen redundanssi, esimerkiksi - menetelmät virheiden havaitsemiseksi ja korjaamiseksi
Väliaikainen redundanssi, kuten vaihtoehtoiset logiikkamenetelmät.
Ohjelmiston redundanssi, itsenäisten toiminnallisesti vastaavien ohjelmien käyttö

Redundanssi teknisissä järjestelmissä

Suunnittelun redundanssi on menetelmä teknisten laitteiden luotettavuusominaisuuksien parantamiseksi tai niiden ylläpitämiseksi vaaditulla tasolla ottamalla käyttöön laitteiston redundanssia sisällyttämällä varaelementtejä ja linkkejä, jotka ovat ylimääräisiä verrattuna vähimmäismäärään, joka tarvitaan tiettyjen toimintojen suorittamiseen tietyn toiminnan aikana. ehdot.

Redundanssia käytetään laajalti vaarallisissa tuotantolaitoksissa , monissa tapauksissa sen välttämättömyyden sanelevat työturvallisuusvaatimukset tai valtion säännökset ja standardit . Joidenkin teknisten laitteiden suunnittelussa on aluksi käytössä redundanssia , esimerkiksi epäsuorasti toimivat varoventtiilit - impulssiturvalaitteet . Redundanssia käytetään laajalti myös sotilasvarusteissa.

Redundanssi on yksi ydinvoimalaitosten turvallisuuden varmistamisen pääperiaatteista laitteiden fyysisen erottelun ja monimuotoisuuden ohella, mikä vastaa tärkeimmän yksittäisvian periaatteen käytännön toteutuksesta . Ydinvoimalaitosten turvallisuuden kannalta tärkeillä järjestelmillä (eli hyvin monilla) on kolminkertainen redundanssi ja viimeisimmissä Venäjän Tianwanin ydinvoimalan rakentamisen yhteydessä Kiinassa toteutetuissa hankkeissa - nelinkertainen redundanssi [1] [2] .

Laitteen minimoidun rakenteen elementtejä, jotka varmistavat sen suorituskyvyn , kutsutaan peruselementeiksi ; varaelementtejä kutsutaan elementeiksi, jotka on suunniteltu varmistamaan laitteen toimintakyky pääelementtien vikaantuessa . Teknisten järjestelmien redundanssi luokitellaan useiden kriteerien mukaan, joista tärkeimmät ovat redundanssin taso, redundanssin moninkertaisuus, varaelementtien tila siihen asti, kunnes ne otetaan käyttöön, mahdollisuus pää- ja yhteiskäyttöön. varaelementit yhteisellä kuormalla, pää- ja varaelementtien kytkentätapa. Redundantissa tuotteessa vika ilmenee, kun päälaite (elementti) ja kaikki varalaitteet (elementit) epäonnistuvat. Elementtiryhmää pidetään redundanttina, jos yhden tai useamman sen elementin vika ei häiritse piirin (järjestelmän) normaalia toimintaa ja loput käyttökelpoiset elementit suorittavat saman määritellyn toiminnon. Tällaista redundanssia kutsutaan toiminnalliseksi redundanssiksi .

Redundanssisuhde on redundanttien elementtien lukumäärän suhde laitteen pääelementtien lukumäärään. Redundanssin moninkertaisuutta merkitään yleensä m . Jos esimerkiksi m = 3, tämä tarkoittaa, että: päälaite on yksi, varalaitteiden määrä on kolme ja laitteiden kokonaismäärä on (kolme plus yksi) neljä. Jos m = 4/2, niin tämä tarkoittaa murto-redundanssia, jossa valmiustilassa olevia laitteita on neljä, ensisijaisia laitteita kaksi ja laitteita yhteensä kuusi. Murtolukua on mahdotonta pienentää, koska jos m = 4/2 = 2, niin tämä on redundanssi kokonaislukukertoimella, jossa varalaitteiden lukumäärä on kaksi, päälaite on yksi ja laitteiden kokonaismäärä on kolme. Kertavarausta kutsutaan päällekkäisyydeksi .

Varantoelementtien tilan mukaan, kunnes ne otetaan käyttöön, ne erotetaan:
- ladattu (kuuma) vara - varaelementit ladataan samalla tavalla kuin pääelementit;
- kevyt (odottava) reservi - varaelementtejä ladataan vähemmän kuin pääelementtejä;
- kuormittamaton (kylmä) vara - varaelementit eivät käytännössä kanna kuormia [3] .

Kevyen tai kuormittamattoman reservin käyttö mahdollistaa redundantin järjestelmän kuluttaman energiankulutuksen vähentämisen ja laitteiston luotettavuuden lisäämisen (T av p unload > T av p reg > T av p load ), koska varmuuskopioinnin luotettavuus on korkeampi kuin päälaitteiden. On kuitenkin pidettävä mielessä, että tauko päälaitteesta varmuuskopiointiin siirtymiseen ei ole sallittu kaikissa järjestelmissä.

Mittakaavasta ja hyväksytystä varausyksiköstä riippuen on:
- yleinen varaus , jossa varataan koko kohteen vikaantumisen varalta, ja
- erillinen (elementti kerrallaan) varaus , johon on varattu erilliset objektin osat (lohkot, solmut, elementit).
  Elementtikohtaisen varauksen erikoistapaus on liukuva varaus, jota voidaan käyttää, jos varaat ryhmän identtisiä elementtejä.
- On myös mahdollista yhdistää yleinen ja erillinen redundanssi - ns. sekoitettu redundanssi .

Redundanssin käytön tarkoituksenmukaisuuden määräävät seuraavat tekijät:

komponenttien alkuperäinen luotettavuustaso;
aseta käyttöaika;
tehokkaan valvontajärjestelmän olemassaolo ja ehkäisyn tiheys;
mahdollisuus käyttää vähemmän redundantteja menetelmiä luotettavuuden parantamiseksi.

Redundanttien järjestelmien analyysi osoittaa, että redundantin järjestelmän vikatiheys kasvaa nopeasti ajan myötä, vaikka ei-redundantin järjestelmän vikataajuus ei riipu ajasta, mikä tarkoittaa, että tulee hetki, jonka jälkeen ylimääräinen järjestelmä ei oikeuta itseään. Siksi, jos et ota huomioon järjestelmän ehkäisyn ominaisuuksia, on edullista käyttää redundanssia lyhytaikaisissa järjestelmissä ja kriittisissä järjestelmissä ja pitkäaikaisissa järjestelmissä käyttää muita menetelmiä luotettavuuden lisäämiseksi. Jatkuvan tyyppisille digitaalisille järjestelmille tehokkaista redundanssimenetelmistä voi olla vähän hyötyä järjestelmissä, joissa on analogisia laitteita, joissa pää- ja varakanavan keskinäisen vaikutuksen puuttumisen vuoksi korvaava redundanssijärjestelmä on parempi. Siten olemassa oleva järjestelmävalikoima vaikeuttaa yhteisten suunnittelulähestymistapojen ja yhtenäisten luotettavuusvaatimusten rakentamista.

Redundanssin tehokkuutta on tapana arvioida käyttämällä luotettavuuden lisäystekijää γ , joka määritetään luotettavuusindikaattoreiden avulla suhteista:

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

missä P ( t ) r , Q ( t ) r , ovat häiriöttömän toiminnan todennäköisyys ja redundantin järjestelmän vian todennäköisyys ,

P ( t ) ja Q ( t ) ovat häiriöttömän toiminnan todennäköisyys ja ei -redundantin järjestelmän vian todennäköisyys.

Yleinen järjestelmän redundanssi

Yleisellä redundanssilla koko järjestelmä varmuuskopioidaan. Yleinen redundanssi, riippuen varmuuskopiointilaitteiden käynnistystavasta, voidaan jakaa pysyvään redundanssiin ja korvaavaan redundanssiin, joissa varmuuskopiotuotteet korvaavat pääasialliset vasta vian jälkeen. Yleisellä pysyvällä redundanssilla varalaitteet on kytketty päälaitteeseen koko toiminta-ajan ja ovat samassa toimintatilassa kuin se on.

Pysyvä varaus

Pysyvän jaetun irtisanomisen etuja ovat:

piirien rakentamisen suhteellinen yksinkertaisuus;
edes lyhyen käyttökatkon puuttuminen, jos järjestelmän yhdestä m -1-elementtiin tulee vika;
ylimääräisten kytkettyjen elementtien puuttuminen, jotka vähentävät piirin yleistä luotettavuutta.

Ladatun reservin ilmeisiä haittoja järjestelmän koon ja massan kasvun lisäksi ovat lisääntynyt energiankulutus sekä se, että varaelementit "vanhenevat" samanaikaisesti järjestelmän pääelementtien kanssa. Yleisen redundantin järjestelmän tapauksessa vaaditaan tallennettujen elementtien täydellinen koostumus. Yleisessä pysyvässä redundanssissa vain ladattua reserviä voidaan käyttää.

Ominaisuudet redundantille järjestelmälle, jossa on täydellinen pysyvä redundanssi

Redundantin järjestelmän virheettömän toiminnan todennäköisyys jatkuvalla kokonaisredundanssilla kokonaislukukerroin lasketaan kaavalla:

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

jossa P ( t ) р on redundantin järjestelmän häiriöttömän toiminnan todennäköisyys

P ( t ) \u003d e -λ t p - häiriöttömän toiminnan todennäköisyys

ei-redundantti järjestelmä, jossa on eksponentiaalinen luotettavuuden jakautumislaki,

m on redundanssin monikerta.

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

missä T av p on keskimääräinen aika redundantin järjestelmän vikojen välillä,

Tav on keskimääräinen aika ei-redundantin järjestelmän vikojen välillä.

Yksinkertaisimmassa tapauksessa, kun m = 1, saamme:

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

T_{cp\,p}=1,5T_{cp\,}

Näin ollen päällekkäisyydellä (yksi päälaite varmuuskopioidaan yhdellä varmuuskopiolaitteella) keskimääräinen vikojen välinen aika kasvaa 1,5-kertaiseksi.

Varaus korvaamalla

Vaihdettaessa redundantti varalaite sisällytetään järjestelmän toimintaan automaattilaitteilla tai manuaalisesti ihmisen toimesta. Automaattinen kytkentä edellyttää kytkinelementtien erittäin suurta luotettavuutta. Kun redundanttijärjestelmään sisältyy suuri määrä ja alhainen luotettavuus näitä lisäelementtejä, sen luotettavuus voi heikentyä ei-redundantin järjestelmän luotettavuuteen verrattuna. Lisäksi on lyhyt tauko varalaitteisiin vaihtaessa. Kun viallisia elementtejä vaihdetaan manuaalisesti, kytkentäaika pitenee, mutta kytkennän suorittavan ihmisoperaattorin luotettavuus voidaan ottaa laskelmissa yhtenä yksikkönä.

Kuormattua reserviä käytettäessä varavaraelementit ovat samassa toimintatilassa kuin pääelementit (riippumatta siitä osallistuvatko ne piirin toimintaan vai eivät), ja jos pää- ja varaelementit ovat identtiset, niin niiden vikaantuvuus. ovat samat ja pää- ja varalaitteen luotettavuus on sama, joten jos automaattisten kytkentälaitteiden luotettavuutta ei oteta huomioon, luotettavuusominaisuudet lasketaan samoilla kaavoilla kuin yleiselle pysyvälle redundanssille.

Kun käytetään kuormittamatonta reserviä, varavaraelementit poistetaan kokonaan käytöstä, kunnes ne otetaan käyttöön järjestelmään. Tässä tapauksessa redundanttisilla laitteilla on suurin luotettavuus verrattuna pääelementteihin, joten kokonaiskorvausredundanssi kuormittamattoman reservin avulla tarjoaa parhaan luotettavuuden yleisen redundanssin tapauksessa.

Ominaisuudet yleisen redundanssin tapauksessa korvaamalla kuormittamatonta reserviä käyttämällä.

{P(t)_{p}}=P(t)\sum _{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]

jossa P ( t ) р on redundantin järjestelmän häiriöttömän toiminnan todennäköisyys

P ( t ) on ei-redundantin järjestelmän häiriöttömän toiminnan todennäköisyys,
m on redundanssin monikerta.

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

jossa P ( t ) р ja P ( t ) ovat redundanttien ja ei-redundanttien järjestelmien häiriöttömän toiminnan todennäköisyys,

T av p ja T av - keskimääräinen aika redundanttien ja ei-redundanttien järjestelmien vikojen välillä, m on redundanssin monikerta.

Yksinkertaisimmassa tapauksessa, kun m = 1, saamme:

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

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

Siten kuormittamatonta reserviä käytettäessä keskimääräinen vikojen välinen aika kasvaa vähintään kaksinkertaiseksi.

Erilliset varaukset

Erillisellä redundanssimenetelmällä otetaan käyttöön oma varaus jokaiselle ei-redundantin järjestelmän osalle. Erillinen varaus on yleinen ja korvaava. Erillisellä korvauksella järjestelmävika voi tapahtua vain, kun vika ilmenee kahdesti peräkkäin samassa laitteessa ( ), mikä on epätodennäköistä. Luotettavuuden arvioimiseksi erillisellä redundanssilla käytetään monimutkaista, spesifistä matemaattista laitteistoa. Yleisesti ottaen matemaattinen analyysi osoittaa, että suurimmat luotettavuusindikaattorit voidaan saada erillistä redundanssia käyttävillä rakennusjärjestelmillä korvaamalla kuormittamaton reservi. $m = 1$

Redundanssi biologisissa järjestelmissä

Eläimet, jotka ovat lähellä ravintoketjun alkua, käyttävät varausmekanismia, joka varmistaa lajin lisääntymisen - lukuisat jälkeläiset. Kasvinsyöjät, jotka ovat petoeläinten ravintoa, saavat yleensä enemmän jälkeläisiä kuin saalistajat.
Ihmiskeho antaa melko suuren määrän esimerkkejä ulkoisten ja sisäisten elinten varaamisesta. Esimerkkejä ulkoisten elinten päällekkäisyydestä ovat silmät, korvat, kädet, sieraimet. Esimerkki ihmisen sisäelinten varaamisesta on sukurauhasten, munuaisten, päällekkäisyys. Redundanssi luo uusia toimintoja. Silmien kopioiminen (jota on erotettu tietyllä etäisyydellä) mahdollistaa stereoskooppisen näön toteuttamisen , eli etäisyyden määrittämisen kohteeseen, korvien kopioimisen - äänenlähteen suunnan määrittämisen ( binauraalinen vaikutus ).

Bioniikan soveltava tiede käsittelee biologisten järjestelmien redundanssin tutkimusta . [neljä]

Redundanssi organisaatiojärjestelmissä

Esimerkki organisaatiorakenteiden redundanssista [5] on johtajien sijaisten läsnäolo. Yleensä varajäsen suorittaa tiettyjä tehtäviä, jotka ovat ominaisia vain kullekin varajäsenelle, mutta kuka tahansa sijainen voi ryhtyä virkaatekeväksi johtajaksi poissaolonsa ajaksi.
Asevoimat käyttävät henkilöstöreserviä - reserviä. Kaikki armeijassa palvelleet siirretään reserviin ja heistä tulee reserviläisiä vihollisuuksien sattuessa.

Järjestelmävian todennäköisyyden laskeminen

Jokainen redundanssin elementti vähentää solmun epäonnistumisen todennäköisyyttä seuraavan kaavan mukaisesti:

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

missä on varanto-osien lukumäärä (varantosuhde);

m

q_{i}

— elementin vian todennäköisyys ;

i

K

- elementtien solmun epäonnistumisen todennäköisyys (kaikkien elementtien epäonnistumisen todennäköisyys).

n

Kaava olettaa elementtien riippumattoman epäonnistumisen. Tämä tarkoittaa, että elementin vian todennäköisyys on sama sekä viallisella elementillä että hyvällä kaikille Tämä kaava ei aina päde, esimerkiksi kahden virtalähteen rinnakkaisliitännässä vikatodennäköisyydet ovat erilaisia. $i$ $j,$ $i\neq j.$

Oletetaan myös, että yksi (mikä tahansa) elementti riittää solmun toimimiseen. Siinä tapauksessa, että solmun toimivuutta varten tarvitaan elementtejä saatavilla olevista , epäonnistumisen todennäköisyys on yhtä suuri: $m$ $n$

${Q}=q^{n-m+1}C_{n}^{n-m+1},$ edellyttäen, että kaikilla elementeillä on sama epäonnistumisen todennäköisyys . $q$

By :n yhdistelmien lukumäärä $a$ $b$ on yhtä suuri kuin binomikerroin :

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

Tämä vikamalli tarkoittaa, että viallisia elementtejä ei vaihdeta ja redundanssilaitteen vian todennäköisyys on nolla.

Katso myös

Hot swap

Muistiinpanot

↑ Ostreykovsky V. A., Shvyryaev Yu. V. Ydinvoimaloiden turvallisuus. Todennäköisyysanalyysi. - Moskova: Fizmatlit, 2008. - S. 352. - ISBN 978 5 9221 0998 7 .
↑ Ydinvoimalaitosten turvallisuus. - EDF-EPN-DSN-PARIS, 1994. - ISBN 2 7240 0090 0 .
↑ [bse.sci-lib.com/article096125.html Redundanssi TSB:ssä]
↑ Bioniikka - biologian ja tekniikan synteesi (pääsemätön linkki) . Haettu 28. huhtikuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 10. lokakuuta 2006. (määrätön)
↑ Abubakar Sambiev. Sosiaalisten järjestelmien tekninen analyysi. (Populaaritieteellinen kirjallisuus)

Linkit

Varaukset Knolin sivuilla