Виды и способы резервирования

 

 Резервирование - метод повышения надежности объекта введением дополнительных элементов и функциональных возможностей сверх минимально необходимых для нормального выполнения объектом заданных функций. На рисунке 3.1 приведена классификация методов резервирования.

 

 

Рисунок 3.1 - Классификация методов резервирования

Наиболее часто используется структурное резервирование. Сущностью структурного резервирования является введение дополнительных элементов и устройств в рабочий (необходимый) вариант системы в дополнение к основным ее элементам (содержащиеся в системе изначально). Также часто используется вариант, при котором вводятся или заменяются не элементы, а системы. То есть вместо одной системы используется нескольких похожих систем. При этом назначением введенных в систему элементов (их еще называют резервными) является выполнение рабочих функций в том случае, если соответствующие основные элементы отказали [5].

Временное резервирование - это резервирование, предусматривающее для повышения надёжности использование избыточного времени. При этом на выполнение системой необходимой работы дается время, которое изначально больше необходимого времени, однако достаточное для её восстановления и возобновления функционирования после отказа [5].

Информационное резервирование - это резервирование, предусматривающее для повышения надёжности использование избыточной информации. Необходимо отметить, что при использовании информационного резервирования практически всегда необходимо введение избыточных элементов [5].

Функциональное резервирование- метод повышения надежности объекта, который предусматривает использование способности элементов выполнять совместно основные и дополнительные функции, а также только дополнительные функции [6].

Информационное резервирование -метод повышения надежности объекта, который предусматривает применение избыточной информации в целях выполнения необходимых задач [6].

С позиций расчета и обеспечения надежности технических систем в основном рассматривается структурное резервирование [6].

Существует два наиболее характерных случая смешанных систем: общееи раздельноерезервирование.

Общее резервирование – это резервирование, при котором резервируется объект в целом. При общем резервировании система состоит из M параллельных цепей по N элементов в каждой (рисунок 3.2). Предположим, что вероятность безотказной работы всех элементов, входящих в систему, одинакова и равна Р. Тогда надежность каждой последовательной цепочки определяется как 

,

а вероятность отказа такой цепочки

.

Тогда результирующая надежность всей системы определяется по формуле

[7].

 

Рисунок 3.2 - Общее резервирование элементов

Раздельное резервирование – это резервирование, при котором ре-зервируются отдельные элементы объекта или их группы. Рассмотрим систему, состоящую из из последовательно соединенных N групп, в которые входят M параллельно включенных элементов (рисунок 3.3). Считаем, что надежность всех элементов одинакова и равна Р (значит, вероятность отказа равна Q).

 

 

Рисунок 3.3 - Раздельное резервирование элементов

Сначала определяется надежность группы

.

Тогда надежность всей системы определяется следующим образом

.

Раздельное резервирование обеспечивает более высокую надежность, чем общее резервирование [7].

Как уже говорилось ранее, с позиции обеспечения надежности чаще всего рассматривается структурное резервирование. На рисунке 3.4 приведено резервирование с постоянным включением резервных элементов (поэлементное). Этот вид резервирования используется при несущественном изменении рабочего режима устройства в момент включения резервного элемента. Достоинством такого резервирования является постоянная готовность резервного элемента, то есть нет потери времени на подключение. Недостаток - резервный и основной элементы одинаково расходуют свой ресурс [8].

 

Рисунок 3.4 - Резервирование раздельное с постоянным включением резервных элементов

На рисунке 3.5 приведено резервирование раздельное с замещением отказавшего элемента одним резервным элементом. При таком способе резервируют группы элементов или элементы по отдельности.

 

Рисунок 3.5 - Резервирование раздельное с замещением отказавшего элемента

В отличие от предыдущего случая, в данном случае резервный элемент по отношению к основному находится в другой степени готовности к замене. Достоинствами этого способа резервирования являются: сохранение резервным элементом своего рабочего ресурса; использование резервного элемента для выполнения отдельной задачи; невозможность искажения рабочего режима основного устройства. Недостатком способа является необходимость траты времени на подключение элементов. Нужно отметить, что существуют варианты резервирования при условии, что резервных элементов меньше, чем основных [6].

Кратность резервирования определяется соотношением числа резервных элементов к числу основных элементов объекта. Кратность резервирования выражается несокращённой дробью.

Резервирование может быть с целой или дробной кратностью. Резервирование с целой кратностью применяется в тех случаях, если один основной элемент системы резервируется одним и более резервными элементами. Резервирование с дробной кратностью используется, если два и более похожих элемента резервируются одним и более резервными элементами.

Наиболее часто при расчетах используется такой вариант резервирования с дробной кратностью, когда число основных элементов больше числа резервных. Если резервирование имеет кратность, равную единице, то оно называется дублированием [5].

В зависимости от режима работы резервных элементов резерв может быть нагруженным, облегченным и ненагруженным.

Нагруженный резерв – резерв, содержащий один или несколько резервных элементов, находящихся в том же режиме, что и основной элемент.

Облегченный резерв – резерв, содержащий один или несколько резервных элементов. При этом основные элементы нагружены сильнее, чем резервные. При расчете облегченного резерва принимается, что характеристики надежности резервных элементов в момент их использования после отказа основных элементов ниже, чем во время нахождения в системе в качестве резервных элементов.

Ненагруженный резерв – резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функции основного элемента.

Таким образом, можно сказать, что при ненагруженном резерве нагрузка на резервном элементе практически отсутствует. При расчетах принимают во внимание идеальную надежность резервного элемента при нахождении в резерве, то есть резервный элемент не должен отказывать. При использовании резервного элемента вместо основного (после его отказа) надежность резервного элемента становится равной надежности основного [5].

На рисунке 3.6 представлено мажоритарное резервирование. Данный вид резервирования реализуется с помощью применения дополнительного элемента - он называется мажоритарным (логическим). С его помощью осуществляется сравнение сигналов, которые поступают от элементов, выполняющих одну и ту же функцию. При совпадении результатов происходит их передача на выход устройства. На рисунке 3.6 изображено резервирование по принципу «два из трех», то есть два любых результата из трех, которые совпадут считаются истинными и передаются на выход устройства. Также часто применяется соотношение «три из пяти» и другие. Наиболее важным достоинством данного способа резервирования является обеспечение увеличения надежности системы при любых видах отказов работающих элементов. При этом любой одиночный отказ какого-либо элемента не влияет на результат, получаемый на выходе [9].

 

 

Рисунок 3.6 - Мажоритарное резервирование элементов

Динамическим резервированием называется резервирование с перестроением структуры объекта при возникновении отказа его элемента. На рисунке 3.7 основной тракт передачи данных обозначен сплошной линией, возможные тракты - синей линией.

 

 

Рисунок 3.7 - Динамическое резервирование элементов

Скользящее резервирование-резервирование, при котором имеющаяся группа основных элементов резервируется одним или несколькими резервными элементами. При этом любой отказавший элемент можно заменить любым из резервных (рисунок 3.8) [9].

 

 

 

Рисунок 3.8 - Скользящее резервирование элементов