Виды резервирования, применяемые в АСОИУ, оценка их эффективности и применимость

Одним из основных методов обеспечения надежности объекта при недостаточно надежных элементах является резервирование. Оно заключается в применении дополнительных средств и возможностей, с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов.

В зависимости от назначения объекта и особенности его работы в качестве резерва могу быть использованы разнообразные средства. Так, например, резервом могут служить запасы объекта по способности выдерживать перегрузки. В качестве резерва могут использоваться дополнительные элементы, вводимые в структуру, запасы времени на выполнение определенной задачи, дополнительные функциональные возможности элементов, избыток информации. Соответственно этому различают такие виды резервирования: нагрузочное, структурное, временное, функциональное, информационное.

Нагрузочный резерв заключается в обеспечении облегченных режимов работы элементов путем применения элементов больших номиналов, габаритов, чем требуется по расчетам на номинальный режим. Его цель - увеличить способность объекта работать с возможными перегрузками.

Нагрузочный резерв предусматривает и введение дополнительных защитных и разгрузочных элементов для защиты основных элементов от действующих на них перегрузок, например, установка радиаторов, параллельное включение диодов. Нагрузочный резерв применяется, когда нет жестких ограничений на потребляемую мощность и габариты.

Структурный резерв заключается во введении в структуру объекта дополнительных элементов или звеньев, которые обеспечивают работоспособность объекту при отказе основных элементов или звеньев. Каждая структурно резервированная система имеет основное соединение элементов и резервное. Основным соединением элементов называют такое их минимальное количество, которое обеспечивает выполнение заданных функций, и отказ любого элемента ведет к отказу всего соединения.

Резервированным соединением называют такое, в котором его отказ наступает только в случае отказа основного и всех его резервных соединений.

Структурное резервирование может быть введено на трех уровнях организации системы: на уровне элементов, на уровне функциональных блоков, на уровне всей системы.

Временной резерв заключается в выделении заранее из общего фонда времени работы объекта некоторого резерва времени, который можно использовать для восстановления его работоспособности.

Резерв времени можно создать за счет следующих средств:

1) Увеличение времени работы, выделяемого системе для выполнения заданной работы. В этом случае средняя производительность системы уменьшается.

2) Путем организации внутренних запасов деталей, полуфабрикатов, готовых изделий, предварительно обработанной информации.

Для хранения запасов необходимы соответствующие накопители: склады, бункеры, буферные запоминающие устройства.

3) Использование перерывов в работе для восстановления работоспособности и контроля состояния.

4) Использование запаса по производительности отдельных звеньев.

При обработке данных необходимо предусматривать резерв времени и на исправление обнаруженных ошибок.

Таким образом, резерв времени можно использовать на обнаружение отказов, восстановление или переключение отказавших звеньев на резервные.

Функциональный резерв заключается в использовании таких функциональных элементов и звеньев, которые могут выполнять функции двух или более элементов звеньев. В этом случае при отказе j -го звена или элемента его функции будет выполнять i -е звено (элемент). При этом i -е звено может выполнять и свои функции. Такое совмещение функций аналогично принципу совмещения профессий и может существенно повысить надежность работы.

Информационный резерв применяется в системах, где возможна потеря информации или искажение части обрабатываемой или передаваемой информации. Информационный резерв позволяет компенсировать эти потери или устранить искажение.

Информационное резервирование обычно сопряжено с увеличением длины передаваемой или обрабатываемой информационной последовательности. Существует два основных способа информационного резервирования: многократное повторение информации и использование корректирующих кодов - введение в информационную последовательность дополнительных знаков или символов, позволяющих обнаружить ошибки или исправить их.

Применение корректирующих кодов требует дополнительных аппаратных или программных средств для кодирования и декодирования информации, а также дополнительного времени на операции кодирования и декодирования.

Многократное повторение информации может быть реализовано несколькими способами:

1. Путем повторения передачи блока данных. При этом время передачи увеличивается пропорционально числу повторений.

2. Путем одновременной передачи каждого бита несущими нескольких частот. Для этого требуется расширение полосы частот канала связи, что ограничивает количество одновременно передаваемых по каналу сообщений.

3. Путем одновременной передачи битов данных гармоническими несущими одной частоты, но сдвинутыми по фазе друг относительно друга, например, путем двукратной или многократной относительной фазовой модуляции или фазосдвинутых несущих.

Способы структурного резервирования

Каждое основное соединение можно зарезервировать полностью или частично: каждый элемент или группу элементов. По способу введения резервных соединений резервирование делится на общее и раздельное (поэлементное). Общий резерв характеризуется тем, что резервируется весь объект в целом.

Резервное соединение может работать одновременно с основным или включаться в работу после отказа основного. Поэтому по способу включения резервных соединений в работу резервирование делится на нагруженное, облегченное и ненагруженное.

Ненагруженный резерв содержит одно или несколько резервных соединений, которые работают в режиме основного соединения.

Облегченный резерв содержит одно или несколько резервных соединений, но менее нагруженных, чем основное.

Ненагруженный резерв содержит одно или несколько ре­зервных соединений, которые не выполняют свои функции до момента их переключения в работу в качестве основного соединения

В зависимости от способа введения резервных соединений и их включения в работу, резервные соединения могут образовывать комбинации перечисленных способов, например общий нагруженный резерв, общий ненагруженный резерв и т.п.

Раздельный нагруженный резерв, оценка его эффективности в нормальных условиях эксплуатации, применимость в АС.

Общая схема раздельного нагруженного резерва приведена на рис. 3.5.1. Каждый из N элементов основного соединения резервируется [1, …, m ] такими же резервными элементами, включаемыми в работу параллельно основным.

В случае отказа одного из элементов основного соединения работу будут продолжать резервные. Такой способ прост в реализации. Однако габарит, вес, количество паек, потребляемая мощность резервированной системы значительно возрастают. Так, по данным журнала Electronics за 1985г., около 10% всех отказов электронных систем вызваны паянными соединениями. Поэтому раздельный нагруженный резерв целесообразно применять для повышения надежности отдельных малонадёжных элементов, когда недопустима остановка для переключения на резерв, например, работа двух процессоров в вычислительной системе центра коммутации сообщений.

Согласно общей схеме резервирования на рис. 3.5.1 отказ в ней будет иметь место, если откажут все m +1 элементы одного типа. Обозначим через q_ni(t), i =0,…, m вероятность отказа элементов n -го типа n= 1,…, N, а через p_ni(t) – вероятность их безотказной работы. Тогда вероятность отказа всех элементов соединения n -го типа очевидно будет

Q_n(t)= q_ni(t)= [1-p_ni(t)],

а вероятность безотказной работы соединения из m элементов n -го типа будет

P_n(t)=1- Q_n(t)=1- [1-p_ni(t)].

В случае равной надёжности основного и m резервных элементов, вероятность безотказной работы соединения одинаковых элементов выразится так

P_n(t)=1-[1-p_ni(t)] ^m+1.

Тогда вероятность безотказной работы резервированной системы определится произведением вероятностей P_n(t):

P_c(t)= P _n (t)= [1-(1-p _ni (t)] ^m+1. (3.5.1)

При известных интенсивностях отказов элементов l_ni=const=l_i получается следующее выражение вероятности безотказной работы при общем ненагруженном резерве

P_c(t)= P_n(t)= [1-(1-e ^-lit)^m+1]. (3.5.2)

Сравним это выражение с выражением (3.2.2) для вероятности безотказной работы при общем нагруженном резерве. Поскольку l_i<l_o всегда, то (1-e^-lit)< (1-e^-lot), и правая часть выражения (3.5.2) будет всегда больше, чем в (3.2.2). Таким образом, вероятность безотказной работы системы с раздельным резервом больше вероятности безотказной работы системы с общим резервом при одинаковом числе элементов N и резервных соединений m и одинаковой надёжности пайки.

В случае раздельного резерва требуемая кратность резервирования меньше, чем для общего резерва. Таким образом, раздельный резерв принципиально выгоднее общего.

Раздельный ненагруженный резерв, оценка его эффективности, применимость в АС.

В общем виде раздельный резерв предусматривает замену каждого отказавшего элемента основного соединения дополнительными элементами, способными выполнять функции отказавших элементов основного соединения.

Общая сxeма для расчета показателей надежности такого резерва приведена на рис.3.6.1. Она содержит основное соединение элементов и m резервных. Каждый из N элементов основного соединения в случае отказа переключается на один из m резервных.

P_1C(t) P_2C(t) P_NC(t)

m

Рис.3.6.1. Включение раздельного ненагруженного резерва.

В общем случае для такого резерва требуется (m+1)N переключателей.

Оценим надежность такого резерва. Для этого рассмотрим сначала резервированное соединение из (m+1) элементов первого типа. Пусть интенсивность отказов этого элемента _ = const. Согласно выражению (2.4.1) в [2] для общего ненагруженного резерва вероятность безотказной работы такого соединения определится выражением

Для резервированного соединения из (m+1) элементов n -го типа (n=1,…,N), аналогично можно записать

Резервированная система будет безотказно работать, если будут безотказны все N резервированных соединений. Следовательно, вероятность безотказной работы системы определится произведением вероятностей безотказной работы N резервированных соединений:

, где - интенсивность отказов основного соединения.

В этом выражении сумма слагаемых при m  1 всегда больше единицы. Следовательно, при одинаковых значениях выражение (3.6.1) для Pc(t) всегда будет больше, чем для случая общего ненагруженного резерва.

Оценим наработку на отказ системы. Согласно выражению (3.4.2) наработка на отказ n -го резервированного сое­динения (n=1,…,N) составит

Наработка на отказ резервированной системы определится отношением времени её наработки t к математическому ожиданию числа отказов (t) в течение этой наработки:

Т_с= t/(t). (3.6.2)

Величина (t) определяется суммой математических ожиданий числа отказов всех резервированных соединений H_n(t), то есть

В свою очередь математическое ожидание числа отказов для n -го резервированного соединения . После подставки Hn(t) в (t) и выражение Т_с получаем

(3.6.3)

Для реализации раздельного ненагруженного резерва в общем случае требуется N(m+1) высоконадежных переключателей, что практически нереально. Поэтому раздельный ненагруженный резерв применяют для наиболее ответственных звеньев с автоматическим переключением на резерв, если допустима остановка работы соединения на время переключения.

Сравним общий и раздельный резервы для основного соединения из N элементов. При общем резерве основное соединение резервируется в общем случае m такими же соединениями. Отказ в такой системе наступит, если откажут по одному любому элементу в каждом из (m +1) соединений, то есть если откажут (m+1) разных элементов. В случае раздельного резерва (рис.3.6.1) отказ резервированной системы наступит также при отказе (m +1) элементов, но одинаковых: основного и всех m его резервирующих. Вероятность возникновения (m+1) одинаковых отказов меньше вероятности возникновения (m+1) любых отказов. Поэтому раздельный резерв принципиально лучше общего.