Rezervace

Redundance je metoda zvyšování spolehlivosti systémů a objektů. Jde o univerzální princip zajištění spolehlivosti, hojně využívaný v přírodě, strojírenství a technice, který se následně rozšířil do dalších aspektů lidského života.

Typy rezervací

Existují čtyři hlavní typy rezervace :

Hardwarová redundance, jako je redundance
Informační redundance, například - metody pro odhalování a opravování chyb
Dočasná redundance, jako jsou alternativní logické metody.
Redundance softwaru, použití nezávislých funkčně ekvivalentních programů

Redundance v technických systémech

Redundance ve strojírenství je metoda zlepšování spolehlivostních charakteristik technických zařízení nebo jejich udržování na požadované úrovni zavedením hardwarové redundance zahrnutím náhradních (rezervních) prvků a spojů, které jsou dodatečné ve srovnání s minimem nezbytným pro provádění specifikovaných funkcí za daného provozu. podmínky.

Redundance je široce používána v nebezpečných výrobních zařízeních , v mnoha případech je její nutnost diktována požadavky průmyslové bezpečnosti nebo vládními pravidly a normami . Některá technická zařízení zpočátku počítají s redundancí ve své konstrukci , např. nepřímočinné pojistné ventily - impulsní bezpečnostní zařízení . Redundance je také široce používána ve vojenském vybavení.

Redundance je jedním z hlavních principů pro zajištění bezpečnosti jaderných elektráren , spolu s fyzickým oddělením a diverzitou zařízení, které jsou odpovědné za praktickou realizaci nejdůležitějšího principu jediné poruchy . Systémy, které jsou důležité pro bezpečnost jaderných elektráren (tedy velmi mnoho), mají trojnásobnou redundanci a v nejnovějších ruských projektech realizovaných při výstavbě JE Tianwan v Číně - čtyřnásobnou redundanci [1] [2] .

Prvky minimalizované konstrukce zařízení zajišťující jeho výkon se nazývají základní prvky ; záložní prvky se nazývají prvky určené k zajištění provozuschopnosti zařízení v případě poruchy hlavních prvků. Redundance v technologických systémech je klasifikována podle řady kritérií, z nichž hlavními jsou míra redundance, násobnost redundance, stav rezervních prvků do jejich uvedení do provozu, možnost společného provozu hlavního a záložní prvky se společnou zátěží, způsob spojení hlavního a záložního prvku. V redundantním produktu dojde k poruše, když selže hlavní zařízení (prvek) a všechna záložní zařízení (prvky). Skupina prvků je považována za nadbytečnou, pokud porucha jednoho nebo více jejích prvků nenaruší normální provoz obvodu (systému) a zbývající provozuschopné prvky plní stejnou specifikovanou funkci. Taková redundance se nazývá funkční redundance .

Redundantní poměr je poměr počtu redundantních prvků k počtu hlavních prvků zařízení. Mnohonásobnost redundance se obvykle označuje m . Pokud například m = 3, znamená to, že: hlavní zařízení je jedno, počet záložních zařízení je tři a celkový počet zařízení je (tři plus jedno) čtyři. Pokud m = 4/2, pak to znamená částečnou redundanci, ve které je počet pohotovostních zařízení čtyři, počet primárních zařízení jsou dvě a celkový počet zařízení je šest. Není možné snížit zlomek, protože pokud m = 4/2 = 2, pak se jedná o redundanci s celočíselnou násobností, ve které je počet záložních zařízení dvě, hlavní je jedno a celkový počet zařízení je tři. Jednorázová rezervace se nazývá duplikace .

Podle stavu záložních prvků až do jejich uvedení do provozu se rozlišují:
- zatížená (horká) rezerva - záložní prvky se zatěžují stejným způsobem jako hlavní;
- lehká (čekací) rezerva - záložní prvky jsou zatíženy méně než hlavní;
- nezatížená (studená) záloha - záložní prvky prakticky nenesou zatížení [3] .

Použití lehké nebo nezatížené rezervy umožňuje snížit spotřebu energie spotřebovávanou redundantním systémem a zvýšit spolehlivost zařízení ( Tav p unload > Tav p reg > Tav p load ), protože spolehlivost zálohování zařízení je vyšší než u hlavních. Je však třeba mít na paměti, že přestávka pro přechod z hlavního zařízení na záložní není ve všech schématech přípustná.

V závislosti na měřítku a přijaté jednotce rezervace existují:
- všeobecná záloha , ve které je poskytována rezerva pro případ poruchy objektu jako celku, a
- samostatná (element-by-element) Reserve , ve které jsou vyhrazeny samostatné části objektu (bloky, uzly, prvky).
  Speciálním případem rezervace element po elementu je posuvná rezervace, kterou lze použít, pokud rezervujete skupinu identických elementů.
- Je také možné kombinovat obecnou a samostatnou redundanci - tzv. smíšenou redundanci .

Účelnost použití redundance je určena následujícími faktory:

počáteční úroveň spolehlivosti součástí;
nastavit provozní dobu;
přítomnost účinného kontrolního systému a četnost prevence;
možnost použití méně redundantních metod ke zlepšení spolehlivosti.

Analýza redundantních systémů ukazuje, že míra poruchovosti redundantního systému se v průběhu času rychle zvyšuje, ačkoli míra poruchovosti neredundantního systému nezávisí na čase, což znamená, že nastává okamžik, po kterém se začne používat redundantní systém se neospravedlňuje. Pokud tedy neberete v úvahu vlastnosti systémové prevence, pak je výhodné u systémů krátkodobého používání využít redundanci a u kritických systémů a systémů dlouhodobého používání použít jiné metody pro zvýšení spolehlivosti. Metody redundance, které jsou účinné pro digitální systémy spojitého typu, mohou být málo použitelné pro systémy se zařízeními analogového typu, pro které je vzhledem k absenci vzájemného ovlivňování hlavních a záložních kanálů výhodnější schéma náhradní redundance. Stávající rozmanitost systémů tedy ztěžuje vytvoření společných konstrukčních přístupů a jednotných požadavků na spolehlivost.

Je obvyklé vyhodnocovat účinnost redundance pomocí faktoru zvýšení spolehlivosti γ , který je určen ukazateli spolehlivosti z poměrů:

γ p = P ( t ) p / P ( t ) γ Q = Q ( t ) / Q ( t ) p

kde P ( t ) r , Q ( t ) r , jsou pravděpodobnost bezporuchového provozu a pravděpodobnost poruchy redundantního systému,

P ( t ) a Q ( t ) jsou pravděpodobnost bezporuchového provozu a pravděpodobnost poruchy u neredundantního systému.

Obecná redundance systému

Díky obecné redundanci je zálohován celý systém. Obecnou redundanci lze v závislosti na způsobu zapnutí zálohovacích zařízení rozdělit na trvalou redundanci a náhradní redundanci, kdy zálohovací produkty nahrazují ta hlavní až po poruše. Při obecné trvalé redundanci jsou záložní zařízení po celou dobu provozu připojena k hlavnímu a jsou ve stejném režimu provozu jako je on.

Trvalá rezervace

Mezi výhody trvalé sdílené redundance patří:

relativní jednoduchost konstrukce obvodů;
absence i krátké přestávky v provozu v případě poruchy jednoho až m -1 prvků systému;
absence dalších připojených prvků, které snižují celkovou spolehlivost obvodu.

Zjevnými nevýhodami zatížené rezervy, kromě zvětšení velikosti a hmotnosti systému, je zvýšená spotřeba energie a také skutečnost, že rezervní prvky „stárnou“ současně s hlavními prvky systému. V případě obecného redundantního systému je vyžadována kompletní skladba zaznamenaných prvků. Při obecné trvalé redundanci lze použít pouze načtenou rezervu.

Charakteristika pro případ redundantního systému s úplnou trvalou redundancí

Pravděpodobnost bezporuchového provozu redundantního systému s celkovou konstantní redundancí s celočíselnou násobností se vypočítá podle vzorce:

{P(t)_{p}}=1-[1-P(t)]^{m+1}

kde P ( t ) р je pravděpodobnost bezporuchového provozu redundantního systému

P ( t ) \u003d e -λ t p - pravděpodobnost bezporuchového provozu

neredundantní systém s exponenciálním zákonem rozdělení spolehlivosti,

m je násobek redundance.

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

kde Tavp je střední doba mezi poruchami redundantního systému,

Tav je střední doba mezi poruchami neredundantního systému.

Pro nejjednodušší případ, kdy m = 1, dostaneme:

{\displaystyle P(t)_{p}=1-[1-P(t)]^{2))

T_{cp\,p}=1,5T_{cp\,}

Při duplikaci (jedno hlavní zařízení je zálohováno jedním záložním zařízením) se tedy střední doba mezi poruchami prodlužuje 1,5krát.

Rezervace náhradníkem

Při redundanci výměnou je záložní zařízení zařazeno do provozu systému pomocí automatických zařízení nebo ručně lidskou obsluhou. U automatického spínání je vyžadována extrémně vysoká spolehlivost spínacích prvků. Při velkém počtu a nízké spolehlivosti těchto přídavných prvků obsažených v redundantním systému může jeho spolehlivost klesat ve srovnání se spolehlivostí neredundantního systému. Navíc je zde krátká přestávka, při přechodu na záložní zařízení. Při ruční výměně vadných prvků se doba spínání prodlužuje, ale spolehlivost lidského operátora provádějícího spínání lze brát jako jednotku ve výpočtech.

Při použití zatížené zálohy jsou náhradní záložní prvky ve stejném režimu činnosti jako hlavní prvky (bez ohledu na to, zda se účastní provozu okruhu nebo ne), a pokud jsou hlavní a záložní prvky shodné, pak jejich poruchovost jsou stejné a spolehlivost hlavního a záložního zařízení je stejná, a proto, pokud se nebere v úvahu spolehlivost automatických spínacích zařízení, jsou charakteristiky spolehlivosti vypočteny pomocí stejných vzorců jako pro obecnou trvalou redundanci.

Při použití nezatížené rezervy jsou náhradní rezervní prvky zcela vyřazeny z provozu až do jejich uvedení do provozu systému. V tomto případě mají redundantní zařízení nejvyšší spolehlivost ve srovnání s hlavními prvky, takže celková náhradní redundance využívající nezatíženou rezervu poskytuje nejlepší spolehlivost v případě obecné redundance.

Charakteristika pro případ obecné redundance náhradou pomocí vyložené rezervy.

{P(t)_{p}}=P(t)\součet _{i=0}^{m}({\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]

kde P ( t ) р je pravděpodobnost bezporuchového provozu redundantního systému

P ( t ) je pravděpodobnost bezporuchového provozu neredundantního systému,
m je násobek redundance.

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

kde P ( t ) р a P ( t ) jsou pravděpodobnost bezporuchového provozu redundantních a neredundantních systémů,

Tav p a Tav - střední doba mezi poruchami redundantních a neredundantních systémů, m je násobek redundance.

Pro nejjednodušší případ, kdy m = 1, dostaneme:

{P(t)_{p}}=P(t)(1+{\frac {t_{p}}{T_{cp}}})

{\displaystyle T_{cp\,p}=2T_{cp))

Při použití nezatížené rezervy se tedy střední doba mezi poruchami prodlužuje minimálně dvakrát.

Samostatné rezervace

Se samostatným způsobem redundance je zavedena individuální rezerva pro každou část neredundantního systému. Samostatná rezervace je obecná a náhradní. Při samostatné substituci může dojít k selhání systému pouze tehdy, když dojde k selhání dvakrát za sebou ve stejném zařízení ( ), což je nepravděpodobné. K posouzení spolehlivosti s oddělenou redundancí se používá komplexní, specifický matematický aparát. Obecně matematická analýza ukazuje, že nejvyšší ukazatele spolehlivosti lze získat v případě systémů budov využívajících samostatnou redundanci nahrazením nezatížené rezervy. $m=1$

Redundance v biologických systémech

Zvířata, která jsou blízko začátku potravního řetězce, využívají rezervační mechanismus, který zajišťuje reprodukci druhu – početné potomstvo. Býložravci, kteří jsou potravou predátorů, mají většinou početnější potomstvo než predátoři.
Lidské tělo uvádí poměrně velké množství příkladů rezervace vnějších a vnitřních orgánů. Příklady zdvojení vnějších orgánů jsou oči, uši, ruce, nosní dírky. Příkladem rezervace vnitřních orgánů člověka je zdvojení gonád, ledvin. Redundance vytváří nové funkce. Zdvojení očí (oddělené určitou vzdáleností) umožňuje realizovat stereoskopické vidění , to znamená určit vzdálenost k objektu, zdvojení uší - určit směr ke zdroji zvuku ( binaurální efekt ).

Studiem redundance v biologických systémech se zabývá aplikovaná věda bionika . [čtyři]

Redundance v organizačních systémech

Příkladem nadbytečnosti v organizačních strukturách [5] je přítomnost zástupců vedoucích pracovníků. Zástupce obvykle vykonává určité funkce vlastní pouze každému konkrétnímu zástupci, ale jednajícím zástupcem se může stát po dobu jeho nepřítomnosti každý zástupce.
Ozbrojené síly využívají zálohu personálu – zálohu. Všichni, kteří sloužili v armádě, jsou převedeni do zálohy a stávají se záložníky v případě nepřátelství.

Výpočet pravděpodobnosti selhání systému

Každý prvek redundance snižuje pravděpodobnost selhání uzlu v souladu se vzorcem:

{Q}=1-\prod _{i=0}^{m}(1-q_{i}),

kde je počet rezervních prvků (poměr rezerv);

m

q_{i}

— pravděpodobnost selhání prvku ;

i

Q

- pravděpodobnost poruchy uzlu prvků (pravděpodobnost poruchy všech prvků).

n

Vzorec předpokládá nezávislé selhání prvků. To znamená, že pravděpodobnost poruchy prvku je stejná jak u vadného prvku , tak u dobrého pro všechny Tento vzorec neplatí vždy, např. v případě paralelního zapojení dvou napájecích zdrojů jsou pravděpodobnosti poruchy jsou rozdílní. $i$ $j,$ $i\neq j.$

Předpokládá se také, že k fungování uzlu stačí jeden (jakýkoli) prvek. V případě, že pro provozuschopnost uzlu je potřeba mít prvky z dostupných , pravděpodobnost poruchy se rovná: $m$ $n$

${Q}=q^{n-m+1}C_{n}^{n-m+1},$ za předpokladu, že všechny prvky mají stejnou pravděpodobnost selhání . $q$

Počet kombinací by $A$ $b$ se rovná binomickému koeficientu :

{a \choose b}=C_{a}^{b}={\frac {a!}{b!\left(ab\right)!}}.

Tento poruchový model znamená, že vadné prvky nejsou nahrazeny a redundantní zařízení má nulovou pravděpodobnost poruchy.

Viz také

Hot swap

Poznámky

↑ Ostreykovsky V. A., Shvyryaev Yu. V. Bezpečnost jaderných elektráren. Pravděpodobnostní analýza. - Moskva: Fizmatlit, 2008. - S. 352. - ISBN 978 5 9221 0998 7 .
↑ Bezpečnost jaderných elektráren. - EDF-EPN-DSN-PAŘÍŽ, 1994. - ISBN 2 7240 0090 0 .
↑ [bse.sci-lib.com/article096125.html Redundance v TSB]
↑ Bionika - syntéza biologie a technologie (nepřístupný odkaz) . Získáno 28. dubna 2010. Archivováno z originálu 10. října 2006. (neurčitý)
↑ Abubakar Sambiev. Technická analýza sociálních systémů. (Populárně naučná literatura)

Odkazy

Rezervace na webu Knol