Виды резервирования

Резервирование – это применение дополнительных средств или возможности с целью сохранения работоспособного состояния устройства (или системы) при отказе одного или нескольких его элементов: Под элементом здесь, как и ранее, следует понимать первичный элемент, функциональный узел, блок и т.д. Резервирование сегодня – дно из основных средств обеспечения заданного уровня надежности (особенно безотказности) аппаратуры при недостаточно надежных ее элементах. К дополнительным средствам и возможностям, используемым при резервировании, относятся прежде всего элементы, вносимые в структуру (схему) устройства в качестве резервных.

При использовании резервирования различают основной и резервный элементы (узлы, блоки) структуры устройства (или системы). Резервный элемент устройства предназначен для выполнения функций основного элемента в случае отказа последнего, называемого резервируемым. Для одного резервируемого элемента может предусматриваться несколько резервных, и, наоборот, один резервный элемент может предусматриваться для нескольких основных (резервируемых). Кроме резервных элементов, в качестве резерва может использоваться запас времени на решение постатейной задачи, избыток обрабатываемой информации, дополнительные функциональные возможности, предусматриваемые в системе, и т.д. Соответственно, в зависимости от вида резерва различают структурное, временное, информационное и функциональное резервирование. Таким образом, резерв может представлять собой не только элементы материальной структуры объекта. Рассмотрим кратко основные виды резервирования.

Структурное резервирование. Этот вид резервирования является материальным и предполагает введение резервных элементов (узлов, блоков) в структуру устройств (систем). При этом различают общее и раздельное резервирование. При общем резервировании резервируемым элементом является все устройство (или система) в целом: передатчик, бортовой вычислитель и т.д. Раздельное резервирование предполагает использование отдельных резервных элементов в устройстве (или системе). Например, для устройства это может быть резерв на уровне микросхем, для системы – на уровне блоков. Раздельное резервирование обычно является встроенным в устройство.

При замене основного элемента резервным необходимо придерживаться определенной стратегии. Если при этом не происходит перестройка структуры устройства (системы), то резервирование называется постоянным. В простейшем случае оно представляет собой параллельное соединение элементов без переключающих устройств (рис. 9.1, а – общее резервирование, б - раздельное).

При наличии переключающих устройств, реагирующих на отказы элементов, имеет место динамическое резервирование. При этом происходит замещение отказавшего элемента резервным (рис. 9.1, в ). Динамическое резервирование может быть и более сложным, когда отказ одного элемента приводит не к его замещению таким же элементом, а к изменению структуры устройства (системы). Например, изменяется схема прохождения информации при отказе линии коммуникации.

Распространенным видом резервирования замещением является скользящее резервирование, которое иногда называют резервированием «с дробной кратностью». Суть его состоит в том, что для группы одинаковых основных элементов изделия предусматривается один или несколько таких же резервных элементов, замещающих основные в группе по мере возникновения их отказов. На рис. 9.1, г показаны элементы у11 и У13 – основные (резервируемые), элемент У2 (1, 3) – «скользящий» резервный, замещающий либо элемент У11, либо У19.

Рис. 9.1 Виды структурного резервирования

Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых или основных, выраженное несокращенной дробью, называется кратностью резервирования. В частном случае при кратности, равной единице, резервирование называют дублированием.

С точки зрения энергопотребления резервные элементы могут находиться в трех состояниях: 1) состояние нагруженного резерва, когда резервные элементы находятся в режиме основного элемента; 2) облегченный резерв, когда резервные элементы менее нагружены по сравнению с основными элементами; например, в резервном передатчике может быть подано напряжение; 3) ненагруженный резерв, когда резервные элементы находятся полностью в нагруженном режиме до начала выполнения ими функций основного элемента. С точки зрения надежности элементы нагруженного резерва имеют тот же уровень безотказности, долговечности и сохраняемости, что и резервируемые ими основные элементы, так как условия их эксплуатации одинаковы. Элементы облегченного резерва обладают боле высоким уровнем безотказности, а для элементов ненагруженного резерва условно полагают, что они никогда не отказывают и при замещении отказавших основных элементов всегда работоспособны.

Ремонт или замена отказавших резервных элементов позволяет поддерживать очень высокий уровень надежности системы при ее функционировании. Резерв, невосстанавливаемый в процессе функционирования системы, может относиться к восстанавливаемому во время перерывов функционирования или во время хранения. Восстанавливаемость резерва, как и системы в целом, обеспечивается при наличии работоспособности. При резервировании это особенноважно, так как надо своевременно обнаруживать скрытые отказы основных и резервных элементов.

Временное резервирование. При данном резервировании резервы времени могут создаваться за счет повышения скорости обработки информации, за счет специально выделяемого временного резерва. Для этой цели в проектируемой системе, например, может быть использован вычислитель с производительностью, в два раза превышающей заданную. Тогда для повышения надежности решения поставленных задач он их может решать дважды за отведенное время, сопоставляя результаты решения. Или при передаче сообщения по каналу связи может быть выделено дополнительное время для повторения сообщения, чтобы повысить надежность его правильного приема. В резервное время можно исправлять поломки.

Информационное резервирование. Применяется в системах, в которых возникновение отказа приводит к потере или искажению части обрабатываемой или передаваемой информации. Избыток данных позволяет компенсировать эти потери или устранить возникающие искажения. Для информационных систем такой вид резервирования очень важен, но не всегда эффективно используется. В качестве примера информационного резервирования может служить добавление избыточных символов в двоичные кодовые посылки в цифровых системах для повышения их помехозащищенности. Можно передать по каналу связи одни и те же данные дважды, вне зависимости от качества их приема после первой передачи. В этом существенное отличие информационного резервирования от временного. При временном резервировании второй раз данные не следует передавать, если они правильно приняты при первой передаче.

Функциональное резервирование. Этот вид резервирования характерен для электронных систем и устройств многофункционального назначения (измеряющих различные координаты различными методами, обрабатывающих измерения, передающих и отражающих сообщения и т.д.). ЭУ, образующие такую систему, так же могут быть многофункциональными. Если такое ЭУ отказало и не обеспечивает решение какой-то задачи, то оно может быть еще полезным для решения других задач и, таким образом, является функциональным резервом. Функции же отказавшего ЭУ может принять на себя другое ЭУ в дополнение к своим основным функциям.

Например, для обработки измерительных данных в системе имеется несколько различных процессоров, каждый из которых решает только определенный круг задач. Если отказывает какой-то из процессоров, то его задачи начинает решать один (или несколько) из оставшихся исправных. При этом если нет возможности решать все задачи, то решаются только наиболее важные в данный момент (задачи высшего приоритета).

ГЛАВА V. РЕЗЕРВИРОВАНИЕ СИСТЕМ

Одной из фундаментальных задач теории надежности является задача разработки методов повышения надежности систем. Таким методом являются резервирование систем.

Резервирование - метод повышения надежности объекта путем введения избыточности.

Избыточность - дополнительные средства или возможности сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций.

Различают следующие виды избыточности:

1.Временная избыточность . Предусматривает использование объектом избыточного времени для выполнения заданных функций. То есть при этом виде избыточности заданные функции могут быть выполнены объектом, вообще говоря, за более короткий промежуток времени. Пример : ЭЦВМ может непрерывно выполнять ряд задач, но с целью повышения надежности можно проводить диагностику отказов.

2.Информационная избыточность . Предусматривает использование избыточной информации. Например:

а) повторение посылок сообщения в канале с помехами с целью повышения достоверности передачи информации,

б) удержание лишнего числа значащих цифр при расчетах,

в) помехоустойчивое избыточное кодирование,

3.Нагрузочная избыточность имеет место в том случае, когда объект функционирует в режиме более легком, чем нормальный. Например : коэффициент нагрузки элемента Kn < I.

4.Структурная избыточность состоит в том, что объект включает избыточные элементы. Например, ЭЦВМ обычно включает несколько устройств ввода и вывода.

§ 5.1 Классификация методов резервирования

Условимся для удобства в дальнейшем говорить резервировании элемента, понимая под словом как сам элемент, так и любую часть системы, в том числе и всю систему.

Дадим следующие определения.

Основной элемент - элемент минимально необходимый для обеспечения работоспособности системы.

Резервный элемент - элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности системы в случае отказа основного элемента. Совокупность основного и его резервных элементов будем называть резервной группой.

Пример: ЭЦВМ с несколькими устройствами ввода и вывода. Одно устройство ввода и одно вывода - основные элементы, другие устройства ввода и вывода - резервные. Все устройства ввода и устройства вывода представляют собой две резервные группы.

Резервная группа - это совокупность основного элемента и всех его резервных.

	Признак классификации		Вид резервирования
	Использование отказавшего элемента (основного или резервного)		Резервирование с восстановлением
	Резервирование без восстановления
	Способ включения резервного элемента		Общее резервирование
	Раздельное резервирование
	Схема включения резервного элемента		Постоянное резервирование (пассивное)
	Резервирование замещением (активное)
	Состояние резерва (для методов активного резервирования		Ненагруженный (холодный) резерв
	Нагруженный (горячий) резерв
	Облегченный (теплый) резерв
	Распределение нагрузки между не отказавшими элементами (для методов пассивного резервирования)		С неизменной нагрузкой
	С перераспределением нагрузки
	Фиксация резерва (для методов активного резервирования)		Фиксированное резервирование
	Скользящее резервирование
	Однородность резервирования		Однородное резервирование
	Смешанное резервирование

Если основной или резервный элемент после отказа подвергается восстановлению, то резервирование будет с восстановлением. В противном случае - без восстановления.

Общее резервирование - когда резерв предусматривается на случай отказа всей системы в целом (рис. 40).

Раздельное резервирование - когда резерв предусматривается на случай отказа отдельных элементов объекта или их групп (см. рис. 41).

Пример: ЭЦВМ+ЭЦВМ - общее резервирование.

устройство ввода+ устройство ввода, АУ+АУ, УУ+УУ,ЗУ+ЗУ,

устройство вывода+ устройство вывода - раздельное резервирование.

Постоянное резервирование - резервирование, при котором резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основными. Структурная схема постоянного резервирования изображена на рис. 40

Резервирование замещением - резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента. Структурная схема приведена на рис.42 (вариант а) - раздельное резервирование, вариант б) - общее резервирование).

Пример: ЭЦВМ имеет несколько устройств вывода(АЦПУ). Если информация выводится сразу на все (АЦПУ), то имеем постоянное резервирование. Если резервные АЦПУ подключается только после отказа основного, то имеем резервирование замещением.

При резервировании замещением появление отказа элемента вызывает перестройку системы. Эта перестройка осуществляется с помощью переключателей, которые отключают отказавшие элементы и подключают работоспособные.

Различают два вида постоянного резервирования:

1. С неизменной нагрузкой , когда при отказе одного или нескольких элементов резервной группы нагрузка на оставшиеся исправными элементы не меняется.

Пример: Когда АЦПУ основное и резервные все время подключены и на каждый из них выводится один и тот же материал, устройства отображения.

2. С перераспределением нагрузки , когда при отказе хотя бы одного элемента резервной группы изменяется нагрузка на элементы, оставшиеся исправными.

Пример: В отсутствии отказов перфокарты вводятся равномерно с нескольких устройств ввода. При отказе хотя бы одного устройства ввода нагрузка на оставшиеся возрастает.

В зависимости от того, в каком состоянии находятся резервные элементы до момента включения их в работу, активное резервирование подразделяется на несколько видов:

1. Нагруженный резерв - когда резервные элементы находятся в том же режиме, что и основной элемент.

2. Ненагруженный резерв - когда резервные элементы находятся в выключенном состоянии. До момента включения резервные не могут отказать.

3. Облегченный резерв - когда резервные элементы находятся в менее нагруженном, чем основной. Во время ожидания резервные элементы могут отказать, но с вероятностью меньшей, чем вероятность основного элемента.

Очевидно, облегченный резерв является наиболее общим видом активных резервов, т. к. 1-й и 2-й получаются как частные из облегченных.

Фиксированное резервирование - резервирование замещением, при котором место подключения каждого резервного элемента строго определено заранее (рис.42а).

Скользящее резервирование - резервирование замещением, при котором группа основных элементов резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент (рис.43). Применяется только для однородных систем.

https://pandia.ru/text/78/494/images/image005_73.gif" width="77" height="25 src=">

система невосстанавливаемая

элементы (основные и резервные) равнонадежны и функция надежности =

Сравнение надежности резервированной и нерезервированной систем будем производить по показателю

https://pandia.ru/text/78/494/images/image008_44.gif" width="114" height="28 src="> - функции надежности резервированной и нерезервированной системы.

§ 5.2 Надежность системы с нагруженным активным резервированием и пассивным резервированием без распределения нагрузки

Пусть система содержит N последовательно соединенных основных элементов.

1. Случай общего резервирования

https://pandia.ru/text/78/494/images/image010_42.gif" width="344" height="386 src="> Рассмотрим временную диаграмму функционирования резервированной системы на частном случае N=2, M=1. Она приведена на рис. 45. На ней - время работы до отказа n - го элемента в m - ой резервной группе, в общем случае

а) Рассмотрим случай активного резервирования .

Найдем функцию надежности системы. Видно, что ее структурная схема надежности является последовательно-параллельной и имеет M+1 параллельно соединенные группы, каждая из которых содержит N элементов. Тогда из (4.25) надежность резервированной системы

где https://pandia.ru/text/78/494/images/image015_29.gif" width="49" height="28 src="> будет определятся из (5.1)

Из (5.1) следует:

1. Надежность системы не зависит от порядка включения резервных элементов.

2. Надежность системы в момент времени t определяется величинами надежности элементов в этот же момент t и совершенно не зависит от того, как менялась надежность до момента времени.

3. Надежность резервированной системы выше надежности нерезервированной. Действительно, легко проверить

Где - время работы до отказа, m - номер резервной группы, n - номер элемента в резервной группе

Задача 1. Пусть задана надежность элемента и требуется определить такое M число групп резервных элементов, при котором надежность резервированной системы будет не меньше https://pandia.ru/text/78/494/images/image019_21.gif" width="87" height="28">

https://pandia.ru/text/78/494/images/image021_22.gif" width="212" height="31 src=">

https://pandia.ru/text/78/494/images/image023_20.gif" width="193" height="52 src=">

https://pandia.ru/text/78/494/images/image006_62.gif" width="52 height=29" height="29">.gif" width="87" height="28">

https://pandia.ru/text/78/494/images/image022_17.gif" width="303" height="31 src=">

https://pandia.ru/text/78/494/images/image026_18.gif" width="199" height="32 src=">

Система имеет N резервных групп, каждая из которых содержит 1 основной и N резервных элементов. Основной элемент далее будем условно считать нулевым резервным (в резервной группе). Рассмотрим временную диаграмму функционирования резервированной системы на частном случае N=2, M=1 (см. рис. 42-а). Она приведена на рис. 46.

а) Рассмотрим случай активного резервирования .

Найдем функцию надежности системы. Ее структурная схема надежности будет последовательно-параллельной, содержащей N последовательно соединенных групп, каждая из которых содержит M+1 параллельно соединенных элементов. Из (4.26)

https://pandia.ru/text/78/494/images/image006_62.gif" width="52" height="29 src="> функция надежности элементов.

б) Для случая пассивного резервирования без перераспределения нагрузки диаграммы будут аналогичны рис. 46 и будет определятся из (5.2). Из (5.2) следуют выводы аналогичные приведенным выше для случая общего резервирования. Выигрыш от резервирования

https://pandia.ru/text/78/494/images/image031_15.gif" width="236" height="35 src=">

5.3 Надежность системы с ненагруженным активным резервированием

Для ненагруженного резерва будем полагать, что надежность резервных элементов не уменьшается в нерабочем состоянии. Также будем помнить о введенных ранее предположениях.

1. Случай общего резервирования

Рассмотрим случай общего резервирования системы, состоящей из N последовательно соединенных основных элементов. Структура резервированной системы будет аналогична рис. 44. Рассмотрим временную диаграмму функционирования резервированной системы на частном случае N=2, M=1 (см. рис. 42-б). Она приведена на рис. 47.

Время отказа системы:

https://pandia.ru/text/78/494/images/image034_18.gif" width="124" height="33 src=">, которая не будет зависеть от M поскольку элементы (основные и резервные) равнонадежны и количество элементов в группе последовательно соединенных основных и резервных элементов одинаково и = N.

DIV_ADBLOCK289">

https://pandia.ru/text/78/494/images/image037_15.gif" width="397" height="39 src=">

где https://pandia.ru/text/78/494/images/image038_14.gif" width="399" height="52 src=">

Очевидно, что т. е.

и, следовательно, ненагруженный резерв надежнее нагруженного .

2. Случай раздельного резервирования

https://pandia.ru/text/78/494/images/image042_12.gif" width="104" height="35 src=">

Функция надежности резервированной системы:

https://pandia.ru/text/78/494/images/image044_12.gif" width="119" height="52 src=">

Т. е. поток отказов элементов в n - ой резервной группе аналогичен потоку отказов для МВЭ. Тогда из (3.7)

https://pandia.ru/text/78/494/images/image046_12.gif" width="52" height="29 src="> - функция распределения времени до отказа элемента.

Подставляя (5.7) в(5.6) получим

(5.8)

Произведем сравнение нагруженного и ненагруженного резервов на качественном уровне.

Время до отказа системы:

- для нагруженного активного резерва

https://pandia.ru/text/78/494/images/image011_38.gif" width="35" height="25 src="> - время до отказа m - ого элемента в n - ой резервной группе.

- для ненагруженного активного резерва

https://pandia.ru/text/78/494/images/image050_12.gif" width="215" height="52 src=">

т. е..gif" width="77" height="25">, если одинакова для нагруженного и ненагруженного резервов.

§ 5.4. Сравнение надежности систем с активным нагруженным и ненагруженным резервированием

Количественное сравнение функций надежности провести сложно, поэтому ограничимся качественными выводами, и проведем сравнение на уровне сравнения времен работы до отказа системы.

1. Общее резервирование

Для нагруженного резерва

Gif" width="251" height="61 src=">

Очевидно, что. а, следовательно, ненагруженный резерв надежнее нагруженного.

2.Раздельное резервирование

Для нагруженного резерва

Для ненагруженного резерва

Очевидно, что т. к. всегда т. е. ненагруженный резерв надежнее нагруженного.

Отметим, что данный вывод сохраняется для всех способов активного резервирования в том числе и при неабсолютно надежных переключателях, если DIV_ADBLOCK291">

Найдем функцию надежности системы для случая общего резервирования системы, содержащей N последовательно соединенных элементов (рис. 44)

Диаграмма работы системы для случая N=2 и M=1 будет такой же, как на рис. 47, только до момента подключения работоспособной группы резервных элементов на место отказавшей группы основных или резервных элементов она будет находится в облегченном состоянии, в котором элементы отказывают с меньшей вероятностью, чем в рабочем состоянии.

Ради простоты рассуждений, но не в ущерб общности (в силу того, что основные и резервные элементы равнонадежны), положим, что номера групп резервных элементов соответствует порядку их подключения.

Обозначим:

Время отказа (M - 1)- ой группы резервных элементов

Время отказа M - ой группы резервных элементов = времени отказа системы.

Отметим, что временазависимы, т. к. зависит от момента перехода m-ой группы m=1,M резервных элементов из облегченного состояния в рабочее, т. е. от

Функция надежности системы:

https://pandia.ru/text/78/494/images/image070_8.gif" width="363" height="42 src="> (5.7)

https://pandia.ru/text/78/494/images/image072_8.gif" width="226" height="44 src=">

https://pandia.ru/text/78/494/images/image074_7.gif" width="314" height="38 src="> (5.8)

где https://pandia.ru/text/78/494/images/image076_6.gif" width="39" height="19">

- вероятности того, что соответственно M-я группа и элемент этой группы не откажут на интервале ,при условии, что до момента отказа не было.

Т. е. (5.7), (5.8) определяет через . Аналогично определяется через и т. д. через - функцию распределения группы основных элементов.

§ 5.5. Влияние масштаба резервирования на надежность системы

Резервом могут охватываться либо отдельные основные элементы, либо по несколько основных элементов, либо все основные элементы системы. Уровень, на котором производится резервирование, называется масштабом резервирования. Чем большая часть основных элементов системы охватывается одним резервом, тем больше масштаб резервирования. Чем больше резервных групп, тем меньше масштаб резервирования.

Рассмотрим вопросы влияния масштаба резервирования на надежность системы при абсолютно надежном и абсолютно ненадежном переключателе.

1. Абсолютно надежный переключатель .

Покажем, что при увеличение масштаба резервирования ведет к понижению надежности системы. Т. е. последовательное объединение резервных элементов, принадлежащих различным резервным группам (рис. 49 а, б), приводит к уменьшению надежности.

Прежде, чем перейти к доказательству, заметим, что сформулированное утверждение достаточно доказать для случая резервирования двух основных элементов двумя резервными с разными масштабами (рис.48-б).Действительно, при последовательном объединении m-ых элементов резервных групп, группы основных и резервных элементов, полученные на предыдущем шаге объединения, могут рассматриваться как один элемент. Т. е. нам необходимо и достаточно показать, что поэлементное резервирование (рис.49-а) обеспечивает большую надежность, чем общее (рис. 49-б).

а) активное нагруженное резервирование

Для поэлементного резервирования (рис.49а) из (5.2)

https://pandia.ru/text/78/494/images/image089_7.gif" width="12" height="23 src=">.gif" width="384" height="37 src=">.gif" width="478" height="38 src=">

https://pandia.ru/text/78/494/images/image095_7.gif" width="212" height="38 src=">

T. е. увеличение масштаба резервирования ведет к уменьшению надежности.

б) активное ненагруженное резервирование

Для поэлементного резервирования (рис.49а)

https://pandia.ru/text/78/494/images/image097_5.gif" width="349" height="41 src=">

Для сравнительного анализа и следует рассмотреть все возможные соотношения между временами отказов основных и резервных элементов.

Пусть https://pandia.ru/text/78/494/images/image101_6.gif" width="239" height="25">

Пусть DIV_ADBLOCK293">

https://pandia.ru/text/78/494/images/image105_5.gif" width="115" height="25 src=">

и т. д. Если проанализировать все случаи, то получим

Откуда следует, что раздельное резервирование является более надежным .

Отметим, что доказанный результат справедлив при любом законе надежности. Он может быть физически пояснен тем, что при раздельном резервировании отказ основного элемента компенсируется только одним резервным элементом, а не группой резервных элементов, как в случае общего резервирования, т. е. имеет место более рациональный расход резервных элементов.

2. Неабсолютно надежный переключатель.

а) Рассмотрим случай общего активного нагруженного резерва (рис.50)

По отношению к каждому элементу резервных групп переключатели будут вести себя как последовательно соединенный элемент. Полагая, что все N переключателей в резервных группах равнонадежных, получим

Сравнивая (5.2) и (5.12),получим аналогичный вывод.

Выше нами был получен вывод, что при абсолютно надежном переключателе наибольшая надежность резервирования обеспечивается при наименьшем масштабе резервирования..gif" width="48" height="33 src="> резервирования системы при и изменение масштаба резервирования. Пусть, например, система состоит из 5 последовательно соединенных элементов.

С уменьшением масштаба резервирования ненадежность системы из-за неабсолютной надежности переключателя будет увеличиваться, а ненадежность системы собственно из-за уменьшения масштаба резервирования будет уменьшаться. Поэтому будет существовать некий оптимальный масштаб резервирования, при котором left">

1. Нагруженный резерв . Рассмотрим временную диаграмму функционирования резервированной системы на частном случае N=2, M=1. Она приведена на рис. 53.

Функция надежности

https://pandia.ru/text/78/494/images/image118_4.gif" width="47" height="28 src="> - число отказавших элементов на .

2. https://pandia.ru/text/78/494/images/image120_4.gif" width="136" height="29">. Это следует из того, что при скользящем резервировании все резервные элементы используются полностью, т. е. отказ системы происходит после того, как не осталось ни одного резервного элемента и откажет основной. В случае раздельного резервирования может быть недорасходование резервных элементов, ввиду того, что отказ резервной группы вызывает отказ системы. При этом часть резервных элементов в других резервных группах может недоиспользоваться.

Применение скользящего резервирования в практике ограничивается сложностью переключающих устройств.

При абсолютно надежном переключателе и при одинаковом количестве резервных элементов скользящее резервирование имеет большую надежность, чем раздельное и тем более общее, следовательно, необходимо стремиться применять скользящее резервирование.

Ограничения:

При программной реализации ограничений на переключатели нет;

При аппаратной реализации есть, т. к. на переключатель помимо функции переключения дополнительно возлагается функция идентификации отказавшего элемента.

§5.8. Резервирование с восстановлением

На практике с целью повышения надежности часто прибегают к восстановлению резервированных систем. При этом для наиболее общей ситуации может быть приведена следующая схема системы (в обычном смысле)

https://pandia.ru/text/78/494/images/image122_4.gif" width="133" height="30">(Здесь полагаем, что не зависит от t.

Тогда граф переходов системы из состояния в состояние может быть представлен в виде рис.55. Он представляет собой направленный граф.

В общем случае (при произвольном числе резервных элементов)для описания поведения системы может быть использован процесс гибели и размножения (который является марковским). Здесь ограничение марковости не выводится.

По графу переходов составляется система дифференциальных уравнений с использованием следующего правила :

Система содержит столько дифференциальных уравнений, сколько состояний у анализируемой системы(вершин графа)

Левая часть i - ого уравнения системы содержит https://pandia.ru/text/78/494/images/image126_5.gif" width="39" height="29 src="> вероятность i - ого состояния, а правая - столько слагаемых, сколько дуг графа связано с i - м состоянием.

Каждое слагаемое представляет собой произведение интенсивности перехода в i - ое или из i - ого состояния на вероятность того состояния, из которого исходит дуга. Если дуга направлена в i - ое состояние то слагаемое берется со знаком "+" , если исходит из i - ого состояния - то со знаком " - ".

https://pandia.ru/text/78/494/images/image128_4.gif" width="33" height="23"> можно произвести, использовав преобразование Лапласа, сведя систему дифференциальных уравнений к системе алгебраических уравнений. Вероятность работоспособного состояния в момент или коэффициент готовности:

https://pandia.ru/text/78/494/images/image130_3.gif" width="157 height=23" height="23"> .И система дифференциальных уравнений переходит в систему алгебраических уравнений. Например, из (4.11)

https://pandia.ru/text/78/494/images/image132_3.gif" width="180" height="34 src="> (5.17)

§ 5.9 Мажоритарное резервирование

Этот способ также называют резервированием по методу голосования. Своим названием он обязан наличию в резервных группах специального элемента, называемого мажоритарным элементом или элементом голосования (кворум-элементом).

Мажоритарное резервирование широко используется в дискретных (цифровых) системах, в том числе и вычислительных.

Пусть резервируется система, состоящая из N последовательно соединенных в смысле надежности элементов (рис. 56-а). Каждый элемент системы - дискретный, вырабатывающий 0 или 1 в зависимости от 0 или 1 на выходе. Для определения положим, что в работоспособном состоянии 0 на выходе соответствует 0 на входе и 1 на выходе соответствует 1 на входе.

Примером такой системы может быть схема задержки фронта (заднего или переднего) импульса единичной амплитуды на время ³ t. Для малых t такая схема может быть реализована на логических элементах типа ’’И-НЕ’’, каждый из которых обеспечивает задержку на время t0. Тогда число элементов ’’И-НЕ’’ должно быть четным и подобрано из условия 1 класс" href="/text/category/1_klass/" rel="bookmark">1 класс : с однократными связями (рис.56 в)

Каждый основной элемент системы заменяется резервной группой, состоящей из нечетного числа M входных элементов и одного мажоритарного элемента (МЭ). В качестве входных элементов обычно используются элементы аналогичные основным.

https://pandia.ru/text/78/494/images/image144_2.gif" width="636" height="34 src=">

(5.21) дает возможность реализовать МЭ на однородной структуре из элементов ’’И-НЕ’’ (рис.56).

Система рис.54 б, резервированная по методу неадаптивного мажоритарного резервирования будет иметь вид рис.57 (для одной резервной группы).

Мажоритарные элементы выпускаются серийно в одном корпусе (серия ТТЛ 134 ЛПЗ) с инверсией, что позволяет в резервной группе рис.57 использовать только 3 элемента ’’И-НЕ’’.

Найдем функцию надежности резервированной системы по схеме рис.54 в:

https://pandia.ru/text/78/494/images/image146_2.gif" width="530" height="73 src=">

б) Адаптивное мажоритарное резервирование

Позволяет учесть отказы входных элементов. Это достигается тем, что в (5.13) am=var (0 или 1) и Uпор=var. Резервная группа при этом будет иметь вид рис.60. Отключение входных элементов происходит парами. При этом изменяется Uпор

2 класс" href="/text/category/2_klass/" rel="bookmark">2 класс (с многократными связями) рис.54 г.

Этот метод мажоритарного резервирования позволяет уменьшить требования по надежности к мажоритарному элементу, что необходимо выполнить при неадаптивном мажоритарном резервировании.

Приведем расчет надежности 1-ой резервной группы. Она работоспособна тогда (при условии работоспособности входных лементов 2-ой резервной группы), когда по крайней мере на

выходах мажоритарных элементов будет правильный сигнал

Многим известны различные системы создания образов дисков и резервного копирования данных, например Acronis True Image, Pagaron Drive Backup, Ghost, Time Machine для Mac-совместимых компьютеров и др. Компания Microsoft также внедрила в свои операционные системы систему резервного копирования данных, которая доступна как для обычных пользователей, так и для системных администраторов. До выпуска операционной системы Windows Vista компания Microsoft предлагала пользователям систему резервного копирования NTBackup и утилиту System Restore, которые имели массу недостатков. С выходом Windows Vista и переходом на формат хранения образов VHD появилась возможность более простого резервного копирования данных и создания образов операционной системы средствами нового комплекса утилит под названием Windows Backup and Restore. После выпуска новых операционных систем этот компонент совершенствовался и модифицировался. В данной статье мы рассмотрим, что предлагает компания Microsoft конечному пользователю для резервирования данных в недавно вышедшей операционной системе Windows 8. Но сначала вкратце расскажем об основных типах резервного копирования, которые реализованы в многочисленных продуктах различных компаний.

Виды резервного копирования

Резервное копирование подразделяется на различные виды в зависимости от задач, которые ставятся перед реализующим его программным обеспечением. В одних случаях пользователям необходимо лишь создавать копии важных файлов, хранящихся на диске, в других - создавать полноценные образы операционной системы с возможностью отката всех предыдущих изменений. При этом для системных администраторов предоставляются возможности централизованного хранения резервных копий данных, что упрощает контроль за версиями резервных копий и восстановление систем по мере необходимости. Естественно, в зависимости от выбранного типа резервного копирования задействуется тот или иной алгоритм сравнения и сохранения файлов - либо побайтовое, либо посекторное копирование с источника данных, когда информация в точности записывается на носитель с бекапом. Для восстановления файлов и данных также могут использоваться функции файловых систем, поддерживающих журналирование и протоколирование изменений, - вначале делается полный слепок файловой системы, а данные в резервную копию сохраняются по мере необходимости, если отдельные файлы помечены как измененные. Файловые системы с расширенной поддержкой контроля версии подходят для такого случая лучшего всего, поскольку существенно экономят место на резервном носителе. Кроме традиционного создания резервных копий файлов, которые не используются в данный момент, существуют алгоритмы резервирования в реальном времени. В этом случае резервное копирование происходит даже тогда, когда файл открыт в какой­либо программе. Такая возможность достигается благодаря использованию снапшотов (snapshot) файловых систем и активно применяется, например, в системах виртуализации для работы с виртуальными дисковыми накопителями. Процесс резервирования данных может происходить несколькими путями. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

Клонирование разделов и создание образов

Клонирование подразумевает копирование раздела или разделов диска со всеми файлами и директориями, а также файловыми системами на резервный носитель, то есть создание полной копии данных на другом носителе. Это требует большого количества пространства на резервном носителе, но в то же время позволяет добиться наиболее полного резервирования отдельного ПК или диска с данными. Также особо следует упомянуть о клонировании системы в виде специального образа - виртуального накопителя, то есть отдельного файла, который может содержать в себе несколько разделов диска. Такой образ может быть создан средствами самой операционной системы. Он позволяет сократить объем данных, а также предоставляет возможность впоследствии работать с ним, как с обычным диском, либо подключать его к виртуальным машинам, что упрощает перенос операционных систем с одного сервера или компьютера на другой. Сегодня виртуальные образы набирают популярность за счет гибкости подключения, а также кроссплатформенности и легкого переноса с одного компьютера на другой. Как правило, клонирование или создание образа для резервного копирования происходит достаточно редко, поскольку объем, занимаемый резервной копией, очень большой. Подобные процедуры применяются в большинстве случаев именно для создания копии операционной системы со всеми файлами, а не для резервирования отдельных данных на диске. Для резервирования пользовательских данных, которые часто меняются или задействуются в работе, повсеместно используется другой тип резервного копирования - полное файловое резервирование.

Полное файловое резервирование

Такой тип резервного копирования подразумевает создание дубликатов всех файлов на носителе простым методом - копированием из одного места в другое. Полное файловое резервирование вследствие длительности процесса обычно проводится в нерабочее время, что объясняется слишком большими объемами данных. Такой тип резервирования позволяет сохранить важную информацию, но из-за больших сроков резервирования он не очень подходит для восстановления быстро меняющихся данных. Полное файловое копирование рекомендуется проводить не реже раза в неделю, а еще лучше чередовать его с другими типами файлового копирования: дифференциальным и инкрементным.

Дифференциальное резервирование

Дифференциальное резервирование предполагает копирование только тех файлов, что были изменены с последнего полного резервного копирования. Это позволяет уменьшить объем данных на резервном носителе и при необходимости ускорить процесс восстановления данных. Поскольку дифференциальное копирование обычно производится гораздо чаще, чем полное резервное копирование, оно очень эффективно, так как позволяет восстанавливать те данные, которые подверглись изменению совсем недавно, и отслеживать историю изменения файлов с момента полного копирования.

Инкрементное резервирование (Incremental backup)

Инкрементное резервирование несколько отличается от дифференциального. Оно подразумевает, что при первом запуске происходит резервное копирование только тех файлов, которые были изменены с тех пор, как в последний раз выполнялось полное или дифференциальное резервное копирование. Последующие процессы инкрементного резервирования добавляют только те файлы, которые подверглись изменению с момента предыдущей процедуры резервирования. При этом изменившиеся или новые файлы не замещают старые, а добавляются на носитель независимо. Конечно, в этом случае история изменения файлов увеличивается с каждым этапом резервирования, а процесс восстановления данных для этого типа резервирования происходит гораздо дольше, поскольку необходимо восстановить всю историю изменений файлов, шаг за шагом. Однако при дифференциальном резервировании процесс восстановления более прост: восстанавливается основная копия и в нее добавляются последние данные дифференциального резервирования.

Многие программные пакеты для резервирования используют различные виды резервирования, а зачастую совмещают их с целью большей эффективности и экономии места. Системные утилиты Windows, о которых мы расскажем в этой статье, также задействуют различные виды резервирования, что позволяет более динамично и оперативно восстанавливать данные пользователей в зависимости от ситуации. Для серверных операционных систем Windows доступно большее количество утилит для восстановления, чем для настольных операционных систем Windows, но здесь мы рассмотрим лишь те, что доступны обычным пользователям. Более того, для разных редакций ОС Windows набор компонентов различается, что обусловлено разделением операционных систем на корпоративные и домашние. Для операционных систем Windows существуют две основные утилиты по резервному копированию данных, которые различаются видом резервирования.

Windows Backup And Restore

Компонент Windows Backup And Restore (Архивация и Восстановление) стал доступен пользователям начиная с выхода операционной системы Windows Vista и отвечает за создание полного бекапа операционной системы с возможностью инкрементного резервирования. С выходом операционной системы Windows 8 этот компонент сменил название на Windows 7 File Recovery. Хотя он ничего из своего функционала и не потерял, Microsoft рекомендует использовать для резервирования данных новую утилиту File History, которая включена в операционные системы Windows 8 и Server 2012, но о ней мы расскажем чуть позже. Windows Backup And Restore позволяет создавать автоматический полный бекап на сменный носитель, оптические диски или в специальное место на удаленном сервере.

Последняя возможность доступна только для определенных редакций Windows 7/8, так как позиционируется как решение для ИT-администраторов компаний. Полный бекап системы в случае использования этого компонента предполагает не только сохранение файлов пользователей, но и возможность создания образа всей операционной системы и резервирование отдельных дисков компьютера. Для пользователя также доступно создание исключительно образа системы, который впоследствии можно не только извлечь на новый носитель этого компьютера, но и использовать как виртуальный диск в системах виртуализации. В случае применения данного компонента пользователь может задать те папки, которые необходимо резервировать, а также указать те системные диски, которые нужно сохранять при полном бекапе. При резервировании только файлов пользователя Windows Backup And Restore использует инкрементное резервирование данных, что позволяет получить большее количество слепков файлов в различные моменты времени. Обычно полное резервирование выполняется раз в неделю и предполагает не только резервирование файлов пользователя, но и создание образа системы, а также копирование данных для точек восстановления компонента Windows System Recovery. Процесс восстановления файлов пользователей может происходить прямо из-под операционной системы - он достаточно прост и понятен для большинства пользователей. Восстановление системы при серьезном сбое может быть осуществлено с помощью встроенных утилит Windows Recovery. Для этого необходимо либо создать новый специальный диск восстановления, либо использовать установочный образ операционный системы, с которого она устанавливалась на ПК ранее. При загрузке в режиме восстановления Windows Recovery предложит пользователю на выбор следующие режимы восстановления: восстановление файлов, переход к определенной точке восстановления, извлечение резервного образа системы на основной системный диск. Данные для восстановления в этом случае могут быть взяты с оптического носителя, внешнего или внутреннего накопителя, а также с сетевого хранилища данных. Редакция операционной системы в этом случае роли не играет. Увы, несмотря на то, что Windows Backup And Restore - достаточно мощный и удобный компонент операционной системы, компания Microsoft заявила, что, согласно проведенным исследованиям, этой утилитой пользуются в лучшем случае 5% пользователей. В связи с этим для более простого и эффективного резервирования данных компания Microsoft разработала для пользователей следующее поколение резервирования системы - Windows File History.

Windows File History

Windows File History, новый компонент операционных систем Windows 8 и Server 2012, в некотором роде замещает своего предшественника - Windows Backup And Restore. Он призван заменить только инкрементное файловое резервирование, в то время как создание образов системы и режим полного резервного копирования могут быть выполнены исключительно с помощью Windows 7 File Recovery. Компонент Windows File History изначально разрабатывался как удобное и практичное решение для пользователей, которым необходим прозрачный способ резервирования своих важных данных. При разработке этой утилиты особое внимание было уделено простоте инициализации процесса в сочетании с возможностью удобного и быстрого просмотра всех сохраненных данных. Процесс резервирования с помощью новой утилиты происходит незаметно для пользователя в автоматическом режиме и не требует от него дополнительных действий. Нельзя не отметить модифицирования резервирования на сетевые устройства, что позволяет легко и удобно работать с сохраненными файлами, если используются мобильные подключения или слабые каналы связи.

За основу утилиты Windows File History была взята часть базового функционала Windows Backup And Restore, в которой переделана визуальная составляющая, ответственная за представление сохраненных пользовательских данных. Просмотр ранее сохраненных данных теперь доступен из файлового менеджера Windows Explorer с помощью отдельной вкладки History. Это позволяет быстро найти необходимые файлы и восстановить их в любое место в системе. Несмотря на то что процесс резервирования основывается на инкрементном резервировании, при работе с ним не возникает мысли, что это именно резервирование, это скорее история создания, модифицирования или удаления файлов пользователей, доступная в любой момент. Такой подход к резервированию данных, безусловно, подойдет большинству неискушенных пользователей, поскольку процесс удобен и более нагляден в применении, чем работа с Windows Backup And Restore.

Для резервирования данных с помощью Windows File History можно использовать оптические носители, внешние накопители либо сетевые хранилища данных. Конечно, хранение данных на оптических носителях - это скорее дань традициям, чем реальный метод применения инкрементного резервирования, ведь данные могут меняться очень часто. Оптимальным выбором для обычных пользователей является резервирование на внешний или внутренний накопитель.

Для простоты работы в Windows 8 каждый подключаемый внешний накопитель может использоваться в качестве средства для резервирования с помощью Windows File History. Так, если накопитель подключен, в опциях выпадающего при автозапуске меню теперь присутствует отдельная вкладка, позволяющая в один клик назначить подключенный диск как накопитель для резервирования. При этом даже в том случае, если диск был впоследствии отключен от системы, резервирование данных возобновится, как только он будет установлен обратно. Аналогичный подход применяется и в случае резервирования данных на сетевое хранилище. Отключение от локальной сети никак не повлияет на работу системы, а при появлении сетевого окружения операционная система автоматически начнет новый цикл резервирования согласно расписанию. Прозрачная система активации функций Windows File History - это действительно огромный плюс для пользователя.

По умолчанию резервирование посредством утилиты Windows File History происходит каждый час, однако при необходимости пользователь может сам выбрать промежутки времени между каждым резервированием данных. Пользователю доступна возможность установить промежутки между резервированием от 10 минут до 1 дня. Для Windows File History можно установить только одно текущее место для резервирования, однако, если добавить несколько накопителей в места для резервирования, они могут использоваться попеременно в зависимости от их доступности. Это удобно в случае применения сетевого хранилища и отдельного накопителя. Таким образом, данные будут сохраняться в несколько мест в зависимости от текущей конфигурации. Также нельзя не отметить функцию выбора количества глубины сохраненных копий. Например, по прошествии одного или нескольких месяцев система может автоматически затирать старые данные, заменяя их новыми. Это позволяет экономить пространство в том месте, куда происходит резервирование данных. Кроме того, пользователь может использовать до 25% пространства накопителя для резервирования данных.

Утилита Windows File History по умолчанию резервирует наиболее активно используемые папки, а именно - «Контакты», «Избранное» и «Рабочий стол». Кроме того, резервирование автоматически применяется ко всем используемым папкам «Библиотеки». Пользователь может создавать собственные библиотеки данных, которые, по сути, являются символьными ссылками на реальные папки компьютера. То есть если пользователю необходимо резервировать конкретную папку на ПК, ему перед установкой Windows File History необходимо добавить эту папку в библиотеки. К тому же если некоторые папки нужно исключить из резервирования, то пользователь может выборочно исключить все библиотеки пользователя или же набор часто применяемых папок. С учетом активной интеграции с функцией «облачного» хранения данных Windows Skydrive использование этого «облачного» сервиса может быть нацелено на резервирование важных пользовательских данных, хранящихся в «облаке». Для того чтобы такая связка работала, необходимо лишь установить Skydrive, - после этого он автоматически добавится в библиотеки и будет резервироваться по мере необходимости. Увы, функция резервирования данных на «облако» пока недоступна пользователям, но компания Microsoft уже планирует добавить определенную возможность по резервированию данных на «облачные» хранилища данных в будущих версиях своих ОС.

Таким образом, новая система резервирования Windows File History отлично подходит для большинства пользователей. Простой и понятный интерфейс с возможностью быстрого добавления и восстановления файлов гораздо ближе к современному пользователю, чем предыдущая версия инкрементного резервирования в Windows Backup And Restore.

Резервирование. Методы, способы и типы резервирования

Для повышения надежности сложных систем и отдельных объектов имеются четыре основных пути:

1) повышение надежности элементов системы. Это обычный, легкий путь, но, чтобы им воспользоваться, нужны более надежные комплектующие элементы. Но даже если они имеются, они всегда значительно дороже прежних и нужен экономический расчет;

2) конструктивные мероприятия повышения надежности (к примеру, демпфирование возможных вибраций, переход от статически неопределимой конструкции к статически определимой, всевозможные защитные покрытия твердым металлом, полимерами и т.д.). Этот путь связан с технологией машиностроения и также может явиться предметом специального изучения в теории надежности;

3) коренное изменение принципа функционирования системы данного назначения. Связан с созданием новой техники, это качественный скачок в развитии данной отрасли - он возникает из экономической нецелесообразности прежних инженерных решений.

4) введение различного вида избыточности.

Избыточность - это дополнительные средства и возможности сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций

Методом повышения надежности объекта введением избыточности является резервирование .

Существует несколько методов повышения надежности за счет избыточности. Различают резервирование:

Структурное (избыточность в структуре - в количестве элементов системы);

Режимное (избыточность в режимах работы - в количестве элементов системы);

Временное,

Функциональное,

Информационное

И ряд других.

Наибольший интерес представляет структурное, или схемное, резервирование, предусматривающее использование избыточных элементов структуры объекта.

1) По способам резервирование может быть общим и раздельным (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – Классификация способов резервирования

1.1) Общее резервирование - резервируется весь объект, аппарат или система в целом (рисунок 6.2):

Рисунок 6.2 – Общее резервирование

1.2) Раздельное резервирование - резервируются отдельные элементы системы (рисунок 6.3). Раздельное резервирование выгодно при большом числе аппаратов и увеличении кратности.

Рисунок 6.3 – Раздельное резервирование

Кратностью резервирования называется отношение числа резервных элементов к числу основных элементов объекта.

2) Различают резервирование с целой и дробной кратностью:

2.1) резервированием с целой кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения достаточно, чтобы исправным был хотя бы один аппарат (т.е. за основным насосом закреплены один или несколько резервных);

Рисунок 6.4 – Резервирование с целой кратностью

2.2) резервированием с дробной кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения может быть неисправным только один аппарат (т.е. на несколько насосов имеется только один резервный).

Рисунок 6.5 – Резервирование с дробной кратностью

Число кратности резервирования:

где m - общее число элементов в группе;

r - число элементов, необходимое для нормальной работы системы.

Например, проанализируем схемы (рисунок 6.6).

Рисунок 6.6 - Схемы с резервированием

По схеме рисунка 6.6,а имеем дублирование и число кратности

Целая кратность.

На схеме рисунка 8.6,б представлена схема с кратностью

Целая кратность.

На схеме рисунка 8.6,в показана система «2 из 3»

Дробная кратность.

3.1) При постоянном резервировании резервные аппараты присоединены к основным в течение всего времени работы и работают одновременно с ними.

3.2) При резервировании замещением резервные аппараты замещают основные после их отказа.

4) Различат три типа структурного резервирования : нагруженный резерв, облегченный резерв, ненагруженный резерв.

4.1) Нагруженный резерв - такой резерв, когда резервные элементы работают в том же режиме нагрузки, что и основной элемент, т.е. основной элемент и резервный теряют надежность в равном темпе.

4.1) Облегченный резерв - такой резерв, когда элементы функционируют в более слабом нагрузочном режиме, чем основной элемент, т.е. резервные элементы теряют надежность замедленно в сравнении с основным элементом.

4.1) Ненагруженный резерв - когда резервный элемент практически не несет никакой нагрузки и его надежность не падает вообще. Это запасные части на складе.

На рисунке 6.7 рассматривается надежность при нагруженном, облегченном и ненагруженном резервах для системы из 1 -го основного элемента и 1 -го резервного.

Рисунок 6.7 - Типы резервирования

Нагруженный резерв (рисунок 6.7а). При 0 < t < t 0 функционируют оба элемента и их надежность падает одинаково. После отказа при t > t 0 первый больше не работает, а второй продолжает работать с той же надежностью вдоль той же кривой.

Облегченный резерв (рисунок 6.7б). При 0 < t < t 0 функционируют оба, но основной (кривая 1) теряет надежность быстрее, чем второй (кривая 2) при пониженной нагрузке. При t > t 0 работает 2-й элемент при полной нагрузке, его надежность падает по кривой 2.

Ненагруженный резерв (рисунок 6.7в). При 0 < t < t 0 работает только 1-й элемент (кривая 1), а при t > t 0 только второй (кривая 2), но она начинается не от t = 0, а от t = t 0 .

Таким образом, надежность облегченного резерва выше нагруженного, а ненагруженного - выше, чем облегченного.

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

Виды

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 - 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.

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 обозначать 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 устройства равно четырём, число основных - двум, а общее количество устройств - шести.
  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.

Использование облегчённого или ненагруженного резерва даёт возможность снизить расход энергии, потребляемой резервируемой системой и увеличить надежность аппаратуры (T ср р ненагр > T ср р обл > T ср 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 кратковременного 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, который определяют по показателям безотказности.

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.

Постоянное резервирование

К преимуществам постоянного общего резервирования относятся:

• относительная простота построения схем;
• отсутствие даже кратковременного перерыва в работе при отказе от одного до m-1 элементов системы;
• отсутствие дополнительных подключаемых элементов, снижающих общую надёжность схемы.

Очевидные недостатки нагруженного резерва, кроме увеличения габаритов и массы системы, - повышенный расход энергии, 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.

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.

Раздельное резервирование

При раздельном способе резервирования вводится индивидуальный резерв для каждой части неизбыточной системы. Раздельное резервирование бывает общим и замещающим. При раздельном замещении отказ системы может произойти только тогда, когда отказ дважды подряд произойдёт в одном и том же устройстве, что маловероятно.