Резервирование

[править]
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
У этого термина существуют и другие значения, см. Резервирование (значения).
Резервирование подсистемы «B»

Резервирование является универсальным принципом обеспечения надёжности, широко применяемым в природе, технике и технологии, впоследствии распространившемся и на другие стороны человеческой жизни.

Содержание

[убрать]

[править] Виды резервирования

Применяются четыре основных вида резервирования:

[править] Резервирование в технических системах

Резервирование блока питания (дублирование).
Резервирование сервера промышленной задачи.
Резервирование жёстких дисков для построения «зеркального» RAID 1.

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 требованиями промышленной безопасности или государственных правил и стандартов. Некоторые технические устройства изначально в своей конструкции предусматривают 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 строительстве Тяньваньской 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 резервированом 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.

Целесообразность применения резервирования определяется следующими факторами:

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 требованй 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, P(t) и Q(t) — вероятность безотказной работы и вероятность отказа для резервируемой и нерезервируемой систем соответственно.

[править] Общее резервирование системы

При общем резервировании резервируется вся система в целом. Общее резервирование, в зависимости от способа включения резервных устройств можно разделить на постоянное резервирование и резервирование замещением, при котором резервные изделия замещают основные только после отказа. При общем постоянном резервировании резервные устройства подключены к основному в течение всего времени работы и находятся в одинаковом с ним режиме работы.

[править] Постоянное резервирование

К преимуществам постоянного общего резервирования относятся:

Очевидные недостатки нагруженного резерва — кроме увеличения габаритов и массы системы, повышенный расход энегрии, а также то, что резервные элементы «стареют» одновременно с основными элементами системы. В случае общего резервирования системы, требуется полный состав записанных элементов. При общем постоянном резервировании может использоваться только нагруженный резерв.

Характеристики для случая резервированной системы при общем постоянном резервировании

Вероятность безотказной работы резервированной системы при общем постоянном резервировании с целой кратностью рассчитывается по формуле:

P(t)p = 1 − [1 − P(t)]m + 1,

где P(t)р — вероятность безотказной работы резервированной системы

P(t) = e-λtр — вероятность безотказной работы нерезервированной системы при экспоненциальном законе распределения надёжности,
m — кратность резервирования.


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

где Tср р — средняя наработка на отказ резервированной системы,

Tср — средняя наработка на отказ нерезервированной системы.


Для наиболее простого случая, когда m = 1, получаем:

P(t)p = 1 − [1 − P(t)]2,
T _{cp\,p} = 1,5T _{cp\,p}.

Таким образом, при дублировании (одно основное устройство резервируется одним резервным устройством), средняя наработка на отказ увеличивается в 1,5 раза.

[править] Резервирование замещением

При резервировании замещением резервное устройство включается в работу системы при помощи автоматических устройств либо человеком-оператором вручную. При автоматическом включении требуется чрезвычайно высокая надёжность переключающих элементов. При большом количестве и невысокой надёжности этих дополнительных элементов, входящих в резервированную систему, её надёжность может понизиться по сравнению с надёжностью нерезервируемой системы. Кроме того, существует кратковременный перерыв, на время переключения на резервные устройства. При ручной замене отказавших элементов возрастает время переключения, но надежность человека-оператора, производящего переключение, может быть принята в расчётах за единицу.

При использовании нагруженного резерва запасные резервные элементы находятся в том же режиме работы, что и основные элементы (независимо от того, участвуют они в работе схемы или нет) и если при этом основной и резервный элемент идентичны, то интенсивности их отказов совпадают и надёжность основного и резервного устройств одинакова, и поэтому, если не учитывать надёжность автоматических переключающих устройств, характеристики надёжности рассчитываются по тем же формулам, что и для общего постоянного резервирования.

При использовании ненагруженного резерва, запасные резервные элементы до момента их включения в работу системы полностью отключены. В этом случае резервные устройства имеют самую высокую надёжность по сравнению с основными элементами, поэтому общее резервирование замещением с использованием ненагруженного резерва обеспечивают наилучшие показатели надёжности для случая общего резервирования.

Характеристики для случая общего резервирования замещением с использованием ненагруженного резерва.
{P(t)_p} = P(t)\sum^{m}_{i=0}(\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 ],

где P(t)р — вероятность безотказной работы резервированной системы

P(t) — вероятность безотказной работы нерезервированной системы,
m — кратность резервирования.


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

где P(t)р и P(t)р — средняя наработка на отказ резервированной и нерезервированной систем,

Tср р и Tср — средняя наработка на отказ резервированной и нерезервированной систем,
m — кратность резервирования.


Для наиболее простого случая, когда m = 1, получаем:

{P(t)_p} = P(t)(1 + \frac{t_p}{T_{cp}}),
T _{cp\,p} = 2T_{cp}.

Таким образом, при использовании ненагруженного резерва средняя наработка на отказ увеличивается минимум в два раза.

[править] Раздельное резервирование

При раздельном способе резервирования, вводится индивидуальный резерв для каждой части неизбыточной системы. Раздельное резервирование бывает общим и замещением. При раздельном замещении отказ системы может произойти только тогда, когда отказ дважды подряд произойдёт в одном и том же устройстве (m=1), что маловероятно. Для оценки надёжности при раздельном резервировании используется сложный, специфический математический аппарат. В целом, математический анализ показывает, что наиболее высокие показатели надёжности можно получить в случае построения систем с использованием раздельного резервирования замещением ненагруженным резервом.

[править] Резервирование в биологических системах

Изучением резервирования в биологических системах занимается прикладная наука бионика.[4]

[править] Резервирование в организационных системах

[править] Расчет вероятности отказа системы

Каждый элемент резервирования уменьшает вероятность отказа узла в соответствии с формулой:

{Q}= \prod_{i=0}^{m} q_{i} , где:

Формула предполагает независимый отказ элементов. Это значит, что вероятность отказа элемента i одинаковая как при отказавшем элементе j, так и при исправном для всех i ≠ j. Эта формула не всегда применима, например, в случае параллельного подключения двух источников питания вероятности отличаются.

Также предполагается, что для работы узла достаточно одного (любого) элемента. В случае, если для работоспособности узла необходимо m элементов из имеющихся n, вероятность отказа равна:

{Q} = q^{n-m+1} C^{n-m+1}_n , при условии, что все элементы имеют одинаковую вероятность отказа q.

Число сочетаний из a по b равно биномиальному коэффициенту

{a\choose b} = C_a^b = \frac{a!}{b!\left(a-b\right)!}.

Модель подразумевает, что отказавшие элементы не заменяются, а устройство обеспечения резервирования имеет нулевую вероятность отказа.

[править] См. также

[править] Примечания

  1. ↑ В.А.Острейковский, Ю.В.Швыряев Безопасность Атомных Станций. Вероятностный анализ. — Москва: Физматлит, 2008. — С. 352. — ISBN 978 5 9221 0998 7
  2. ↑ Безопасность атомных станций. — EDF-EPN-DSN-PARIS, 1994. — ISBN 2 7240 0090 0
  3. ↑ Резервирование в БСЭ
  4. ↑ Бионика — синтез биологии и техники
  5. ↑ Абубакар Самбиев. Технический анализ Социальных Систем. (Научно-популярная литература)

[править] Ссылки

Источник — «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B7%D0%B5%D1%80%D0%B2%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5»
Личные инструменты
Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Участие
Печать/экспорт
На других языках