Резервирование на основе мажоритарной логики.
Этот тип резервирования используется при горячем резерве элементов или целых БЦВМ. Выходные сигналы с основного и всех резервных элементов преобразуются в один сигнал на мажоритарном элементе. При этом сравниваются все сигналы, и правильным считается тот, который совпал большее число раз (2 из 3, 3 из 5 и так далее).
Достоинства мажоритарной логики резервирования:
1. Значительно увеличивается вероятность безотказной работы вычислительной системы.
2. Не требуется обнаружение неисправного элемента и переключение на резервный.
3. Подавляются все сбои.
Недостатки:
1. Существенно увеличивается объем, масса и потребляемая мощность оборудования.
2. Снижается быстродействие, так как мажоритарные элементы включаются последовательно с основными элементами вычислительной системы.
3. Отсутствует индикация отказавших устройств, что уменьшает ремонтопригодность.
4. Система отказывает, когда еще есть исправные элементы, так как мажоритарный элемент не может принять верные решения, если отказавших элементов больше, чем исправных.
Резервирование на основе дублирования подсистем с детектором ошибок.
При таком виде резервирования после каждого резервируемого элемента стоит детектор ошибок, фиксирующий несовпадение результатов работы основного и резервного элемента. В случае обнаружение несовпадения запускается диагностическая программа, определяющая, какой именно блок отказал, и исключающая его из работы до устранения ошибки.
Схематично подобная схема включения выглядит следующим образом:
Здесь Ао и Ар составляют первый блок вычислительной системы, причем Ао – основной элемент, а Ар – резервный. Оба этих элемента, за исключением случая, когда один из них неисправен, имеют одинаковые выходы.
Во и Вр – составляют второй блок. Выходы этих элементов так же идентичны.
Сигналы с основных и резервных элементов объединяются с помощью логического элемента «или» для того, чтобы при исключении из работы неисправного элемента сигнал все равно поступал в оба канала.
Аналогично можно применять резервирование на три, четыре и так далее элементов. При этом увеличивается вероятность безотказной работы, однако, значительно повышается потребляемая мощность, габариты, вес, усложняется структура вычислительной системы и программирование для нее.
Преимущества резервирования дублированием с детектором отказов:
1. Значительно увеличивается вероятность безотказной работы вычислительной системы.
2. Меньше резервных элементов, чем при использовании мажоритарной логики резервирования.
3. Повышается ремонтопригодность, так как точно известно, какой элемент отказал
4. Детектор ошибок не влияет на информационные потоки и не снижает быстродействие вычислительной системы, так как подключается параллельно, относительно проверяемых устройств.
Недостатки:
1. В случае обнаружения ошибки необходимо прервать работу основного программного обеспечения для обнаружения неисправного элемента и исключения его из работы.
2. Усложняется программное обеспечение, так как требуется специальная программа обнаружения неисправных элементов.
3. Система не может обнаружить ошибку при отказе одновременно основного и резервного элемента.
Резервирование на основе постепенной деградации вычислительной системы.
В этом случае, если все элементы вычислительной системы исправны, они функционируют в полном объеме, и каждый элемент выполняет свою функцию. Однако, стоит выйти из строя хотя бы одному элементу, сразу же запускается диагностическая программа, определяющая, какой именно элемент вышел из строя, и исключающая его из работы. При этом функции, которые исполнял вышедший из строя элемент, перераспределяются между рабочими элементами с сохранением всех функциональных возможностей, за счет уменьшения объема обрабатываемой информации или с уменьшением функциональности при сохранении объема обрабатываемой информации.
Так как бортовые вычислительные системы рассчитаны на максимальную загрузку, которая происходит достаточно редко, подобный способ резервирования значительно повышает надежность, без серьезных затрат.
Достоинства:
1. Повышается живучесть вычислительной системы.
2. Не увеличиваются габариты, масса и потребляемая мощность.
3. Повышается ремонтопригодность, так как точно известно, какой элемент отказал.
4. Не требуются специализированные элементы, анализирующие сигналы элементов, а, следовательно, всю вычислительную систему можно разрабатывать на стандартизированном оборудовании.
Недостатки:
1. Усложняется программное обеспечение, так как необходимо реализовывать алгоритмы, отслеживающие исправность элементов вычислительной системы и перераспределяющие задачи после выхода из строя одного или нескольких элементов
2. При выходе из строя элементов вычислительной системы снижается объем обрабатываемой информации или функциональность.
3. Резервирование возможно только на уровне процессорных модулей и ЭВМ.
4. Обслуживание становится дороже, так как заменять надо целые блоки и ЭВМ.
Это основные способы резервирования с помощью оборудования. Обычно, в реальной аппаратуре они применяются в различных комбинациях, в зависимости от требуемого результата, степени необходимой надежности и живучести отдельных элементов вычислительной системы и всего комплекса в целом.
Применяются четыре основных вида резервирования:
· Аппаратное резервирование, например, дублирование
· Информационное резервирование, например — методы обнаружения и коррекции ошибок
· Временное резервирование, например, методы альтернативной логики.
· Программное резервирование, применение независимых функционально равноценных программ
Резервирование в технических системах
Резервирование блока питания (дублирование).
Резервирование — метод повышения характеристик надёжности технических устройств или поддержания их на требуемом уровне посредством введения аппаратной избыточности за счет включения запасных (резервных) элементов и связей, дополнительных по сравнению с минимально необходимым для выполнения заданных функций в данных условиях работы.
Резервирование широко применяется на опасных производственных объектах, во многих случаях его необходимость диктуется требованиямипромышленной безопасности или государственных правил и стандартов. Некоторые технические устройства изначально в своей конструкциипредусматривают резервирование, например предохранительные клапаны непрямого действия — импульсные предохранительные устройства. Также резервирование широко используется в военной технике.
Резервирование — один из главных принципов обеспечения безопасности АЭС, наряду с физическим разделением и разнотипностью оборудования отвечающий за практическую реализацию важнейшего принципа единичного отказа. Системы, важные для безопасности АЭС(то есть очень многие), имеют трёхкратное резервирование, а в последних российских проектах, реализованных при строительствеТяньваньской АЭС в Китае — четырёхкратное резервирование[1][2].
Элементы минимизированной структуры устройства, обеспечивающей его работоспособность, называются основными элементами; резервными элементами называются элементы, предназначенные для обеспечения работоспособности устройства в случае отказа основных элементов. Резервирование в технологических системах классифицируют по ряду признаков, основные из которых — уровень резервирования, кратность резервирования, состояние резервных элементов до момента включения их в работу, возможность совместной работы основных и резервных элементов с общей нагрузкой, способ соединения основных и резервных элементов. В резервированном изделии отказ наступает тогда, когда выйдут из строя основное устройство (элемент) и все резервные устройства (элементы). Группа элементов считается резервированной, если отказ одного или нескольких её элементов не нарушает нормальной работы схемы (системы), а оставшиеся исправные элементы выполняют ту же заданную функцию. Такое резервирование называется функциональным резервированием.
· Кратность резервирования — отношение числа резервных элементов к числу основных элементов устройства. Кратность резервирования принято обзначать m. Например, если m =3, то это означает что: основное устройство — одно, число резервных устройств — три, а общее число устройств равно (три плюс один) четырём. Если m =4/2, то это означает резервирование с дробной кратностью, при котором число резервных устройста равно четырём, число основных — двум, а общее количество устройств — шести. Сократить дробь нельзя, так как если m =4/2=2, то это резервирование с целой кратностью, при котором число резервных устройств — два, основое — одно, а общее количество устройств — три!
Однократное резервирование называется дублированием.
· По состоянию резервных элементов до момента включения их в работу различают:
· нагруженный (горячий) резерв — резервные элементы нагружены так же, как и основные;
· облегчённый (ждущий) резерв — резервные элементы нагружены меньше, чем основные;
· ненагруженный (холодный) резерв — резервные элементы практически не несут нагрузки[3].
Использование облегчённого или ненагруженного резерва даёт возможность снизить расход энергии, потребляемой резервируемой системой и увеличить надежность аппаратуры (Tсррненагр >Tср р обл >Tср р нагр), так как надёжность резервных устройств выше, чем основных. Однако следует учитывать, что перерыв на переключение с основного устройства на резервное допустим не во всех схемах.
· В зависимости от масштаба и принятой единицы резервирования различают:
· общий резерв, при котором резерв предусматривается на случай отказа объекта в целом, и
· раздельный (поэлементный) резерв, при котором резервируются отдельные части объекта (блоки, узлы, элементы).
Частным случаем поэлементного резервирования является скользящее резервирование, которое можно использовать, если резервировать группу одинаковых элементов.
· Возможно также сочетание общего и раздельного резервирования — так называемое смешанное резервирование.
Целесообразность применения резервирования определяется следующими факторами:
· исходным уровнем надёжности комплектующих изделий;
· заданным временем эксплуатации;
· наличием эффективной системы контроля и периодичностью проведения профилактики;
· возможностями использования менее избыточных методов повышения надёжности.
Анализ резервированных систем показывает, что интенсивность отказов резервированной системы быстро возрастает с течением времени, хотя интенсивность отказов нерезервированной системы от времени не зависит, из чего следует что наступает такой момент времени, после которого использование резервированной системы себя не оправдывает. Поэтому, если не учитывать особенности профилактики систем, то резервирование выгодно применять для систем кратковременого использования, а для критически важных систем и систем длительного использования использовать другие методы повышения надёжности. Методы резервирования, эффективные для цифровых систем непрерывного типа, могут оказаться малопригодными для систем с устройствами аналогового типа, для которых вследствие отсутствия взаимного влияния основного и резервного канала предпочтительна схема резервирования замещением. Таким образом, существующее разнообразие систем обуславливает затруднения построения общих конструктивных подходов и единых требований по надёжности.
Эффективность резервирования принято оценивать при помощи коэффициента повышения надёжности γ, который определяют по показателям безотказности из соотношений:
γp = P (t)р / P (t)
γQ = Q (t) / Q (t)р
где P (t)р, Q (t)р, — вероятность безотказной работы и вероятность отказа для резервируемой системы,
P (t) и Q (t) — вероятность безотказной работы и вероятность отказа для нерезервируемой системы.