Резервирование - метод повышения надежности объекта введением дополнительных элементов и функциональных возможностей сверх минимально необходимых для нормального выполнения объектом заданных функций. В этом случае отказ наступает только после отказа основного элемента и всех резервных элементов.

Систему можно представить из ряда ступеней, выполняющих отдельные функции. Задача резервирования состоит в нахождении такого числа резервных образцов оборудования на каждой ступени, которое будет обеспечивать заданный уровень надежности системы при наименьшей стоимости.

Выбор наилучшего варианта зависит главным образом от того увеличения надежности, которое можно достичь при заданных расходах.

Основной элемент - элемент основной физической структуры объекта, минимально необходимой для нормального выполнения объектом его задач.

Резервный элемент - элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента.

Виды резервирования

Структурное (элементное) резервирование - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточных элементов, входящих в физическую структуру объекта. Обеспечивается подключением к основной аппаратуре резервной таким образом, чтобы при отказе основной аппаратуры резервная продолжала выполнять ее функции.

Резервирование функциональное - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование способности элементов выполнять дополнительные функции вместо основных и наряду с ними.

Временное резервирование - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточного времени, выделенного для выполнения задач. Другими словами, временное резервирование - такое планирование работы системы, при котором создается резерв рабочего времени для выполнения заданных функций. Резервное время может быть использовано для повторения операции, либо для устранения неисправности объекта.

Информационное резервирование - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточной информации сверх минимально необходимой для выполнения задач.
Нагрузочное резервирование - метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование способности его элементов воспринимать дополнительные нагрузки сверх номинальных.
С позиций расчета и обеспечения надежности технических систем необходимо рассматривать структурное резервирование.

4.4.2. Способы структурного резервирования

По способу подключения резервных элементов и устройств различают следующие способы резервирования (рис. 4.4.1).

Рис. 4.4.1. Способы структурного резервирования

Резервирование раздельное (поэлементное) с постоянным включением резервных элементов (рис. 4.4.2).
Такое резервирование возможно тогда, когда подключение резервного элемента не существенно изменяет рабочий режим устройства. Достоинство его - постоянная готовность резервного элемента, отсутствие затраты времени на переключение. Недостаток - резервный элемент расходует свой ресурс так же, как основной элемент.

Резервирование раздельное с замещением отказавшего элемента одним резервным элементом (рис. 4.4.3). Это такой способ резервирования, при котором резервируются отдельные элементы объекта или их группы.

В этом случае резервный элемент находится в разной степени готовности к замене основного элемента. Достоинство этого способа - резервный элемент сохраняет свой рабочий ресурс, либо может быть использован для выполнения самостоятельной задачи. Рабочий режим основного устройства не искажается. Недостаток - необходимость затрачивать время на подключение резервного элемента. Резервных элементов может быть меньше, чем основных.

Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых называется кратностью резервирования - m. При резервировании с целой кратностью величина m есть целое число, при резервировании с дробной кратностью величина m есть дробное несокращаемое число. Например, m=4/2 означает наличие резервирования с дробной кратностью, при котором число резервных элементов равно четырем, число основных - двум, а общее число элементов равно шести. Сокращать дробь нельзя, так как если m=4/2=2/1, то это означает, что имеет место резервирование с целой кратностью, при котором число резервных элементов равно двум, а общее число элементов равно трем.

При включении резерва по способу замещения резервные элементы до момента включения в работу могут находиться в трех состояниях:
- нагруженном резерве;
- облегченном резерве;
- ненагруженном резерве.
Нагруженный резерв - резервный элемент, находящийся в том же режиме, что и основной.
Облегченный резерв - резервный элемент, находящийся в менее нагруженном режиме, чем основной.
Ненагруженный резерв - резервный элемент, практически не несущий нагрузок.
Резервирование общее с постоянным подключением, либо с замещением (рис. 4.4.4). В этом случае резервируется объект в целом, а в качестве резервного - используется аналогичное сложное устройство. Этот способ менее экономен, чем раздельное резервирование. При отказе, например, первого основного элемента возникает необходимость подключать всю технологическую резервную цепочку.

Рис. 4.4.4. Резервирование общее

Резервирование мажоритарное ("голосование" n из m элементов) (рис. 4.4.5). Этот способ основан на применении дополнительного элемента - его называют мажоритарный или логический или кворум-элемент. Он позволяет вести сравнение сигналов, поступающих от элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Если результаты совпадают, тогда они передаются на выход устройства. На рис. 4.4.5 изображено резервирование по принципу голосования "два из трех", т.е. любые два совпадающих результата из трех считаются истинными и проходят на выход устройства. Можно применять соотношения три из пяти и др. Главное достоинство этого способа - обеспечение повышения надежности при любых видах отказов работающих элементов. Любой вид одиночного отказа элемента не окажет влияния на выходной результат.

Рис. 4.4.5. Резервирование мажоритарное

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.

Резервирование – повышение надежности объекта введением избыточности, т.е. дополнительных средств и возможностей сверх минимально необходимых для выполнения объектом возложенных на него функций.

В различных областях техники используются разные виды резервирования – структурное, временное, функциональное, информационное.

В энергетике, в основном, применяют структурное резервирование, т.е. используют избыточные (резервные) конструктивные элементы, включенные параллельно основным (рабочим) и дублирующие их. При этом основным называют такой элемент структуры объекта, который минимально необходим для выполнения объектом заданных функций, а резервный обеспечивает работоспособность объекта в случае отказа основного элемента.

Структурное резервирование может осуществляться разными способами. При общем резервировании резервируется объект в целом, а при раздельном- его отдельные элементы. Кратностью резервирования называют отношение числа резервных элементов к числу основных: K p = N рез /N осн.

По числу резервных элементов различают однократное, двукратное и многократное резервирование. При раздельном резервировании Кр чаще всего бывает дробной величиной, а при общем – целым числом.
В энергетике, как правило, используется раздельное резервирование в виде дублирования отдельных наименее надежных и наиболее ответственных элементов, например, линий питательной воды паровых котлов, дымососов, некоторых установок питательных, конденсатных насосов и предохранительных клапанов. На один основной элемент обычно приходится один резервный.

При постоянном резервировании резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основным, а при резервировании замещением функции основного элемента передаются резервному элементу только после отказа основного.

Различие между постоянным включением резерва и нагруженным резервом замещения можно представить на следующих примерах: к первому относится резервный конденсатный насос, непрерывно работающий параллельно с основным, ко второму – паровой котел, находящийся в разогретом состоянии, но не вырабатывающий пар в паропровод.

Термины горячий, теплый и холодный резервы весьма удачны применительно к энергетике, и поэтому часто используются наравне с рекомендуемыми ГОСТ терминами соответственно нагруженный, облегченный, ненагруженный резервы.

В зависимости от места подключения резервного агрегата различают фиксированное резервирование, когда резервный агрегат должен быть введен взамен одного вполне конкретного работающего агрегата, и скользящее резервирование, когда резерв вводится вместо любого из работающих агрегатов данной группы.

Рассмотрим свойства некоторых способов резервирования, характерных для энергетического оборудования.

Преимуществом ненагруженного резерва является возможность сохранить ресурс резервного агрегата при нормальной работе остальных. Однако в энергетической практике ненагруженный резерв имеет серьезный недостаток – во многих случаях его нельзя ввести в работу тотчас после возникновения отказа основного оборудования, и поэтому могут временно ухудшиться условия поддержания заданной нагрузки. Так, если исправный турбоагрегат остановлен в резерв, то его ресурс не расходуется, но даже в самой экстренной ситуации потребуется некоторое вполне определенное время для пуска. Турбоагрегат может также работать с относительно малой нагрузкой (так называемый вращающийся резерв), и при необходимости набор нагрузки производится в темпе, ограниченном только динамическими свойствами энергоблока, но ресурс агрегата расходуется постоянно.

В энергетике часто одним или несколькими агрегатами резервируют целую группу работающего оборудования. Именно таким образом включены турбоагрегаты в общую энергосистему. На ТЭС с поперечными связями резервный котел может заменить любой вышедший из строя котел. Следовательно, это пример скользящего резерва.

Структурное раздельное резервирование элемента организуется двумя способами:

а) постоянное включение резерва


б) резервирование замещением

Схема а). При постоянном включении резервный элемент включен параллельно основному и работает вместе с ним. При отказе основного элемента установка сохраняет работоспособность за счет резервного элемента, принимающего на себя всю нагрузку. В этом случае нет необходимости включать резервный элемент и отключать отказавший основной, но резервный элемент изнашивается и расходует свой ресурс надежности вместе с основным.

Надежность системы двух одинаковых элементов (основного и резервного), включенных параллельно:

λ осн = λ рез = λ = 1/T эл

Данная система откажет при одновременном отказе обоих элементов. Согласно формуле полной вероятности при независимости событий вероятность отказа системы двух элементов при постоянном включении:

Q c = ∏Q i = (1 — P i) 2 = (1 — e -λt) 2 = 1 — 2e -λt + e -2λt

Вероятность безотказной работы указанной системы

P c = 1 — Q c = 2 e -λt — e -2λt

Среднее время безотказной работы

T c = ∫ P c dt = ∫ (2 e -λt — e -2λt)dt = (-2/λ e -λt + 1/2λ e -2λt) = 3/2T эл

Таким образом, при постоянном включении среднее время безотказной работы системы увеличилось в 1.5 раза.

Схема б). При резервировании замещением резервный элемент отключен, находится в состоянии готовности заменить отказавший основной элемент (холодной, теплой или горячей готовности).

При этом сохраняется резерв надежности дублирующих элементов и повышается общая надежность системы, но требуется осуществить включение резерва, вероятность чего также должна быть учтена. Включение резерва состоит в поиске отказа, отключении отказавшего элемента, подготовке и вводе резервного элемента в работу.

Количественный анализ показал, что среднее время безотказной работы систем двух элементов при резервировании замещением увеличивается вдвое

Поэтому предпочтительно резервирование замещением элементов. Но преимущества резервирования замещением перед постоянным включением резервного элемента снижаются, поскольку надежность включения также менее 1, и утрачиваются по мере приближения ее к 1.5/2=0.75. Кроме того, следует учесть, что резервный элемент в какой-то мере изнашивается и в нерабочем состоянии.

В данной статье мы ознакомим читателя со значением резервирования в широком понимании данного термина. Также будут рассмотрены его виды, общее представление, взаимосвязь с естественными явлениями и многое другое.

Введение

Резервирование - это универсальный принцип, обеспечивающий надежность системы любого типа. Такие виды систем широко распространяются и применяются в природе, технологиях и технике.

К видам резервирования относятся:

• аппаратная форма резервирования, ярким примером которой может служить дублирование;
• информационный тип резервирования, например, методика, обнаруживающая ошибки и коррелирующая их;
• временное резервирование, которое можно наблюдать в методике альтернативного вида логики;
• резервирование программного типа представлено функционально равноценными программами.

Технические системы

По определению резервирование необходимо рассматривать как метод, повышающий характеристики и надежность определенного устройства, механизма. А также при помощи данного явления можно поддерживать устройство на определенном, необходимом уровне, при помощи включения запасного набора элементов и связи. Однако это дополнительная мера поддержания, наложенная дополнительно.

Данное понятие можно рассматривать как в узком значении, например, резервировании билетов, так и в широком, например, использование резервных механизмов на промышленных объектах. Однако в обоих случаях это будет способом предотвратить возможные неполадки в дальнейшем развитии событий, которые привели бы к нарушению целостности системы в долгосрочной перспективе. Главная причина необходимости наличия запасных способов поддержания системы в состоянии нормы диктуется набором требований о государственной промышленной безопасности. Большое значение резервирование имеет и в технике, предназначенной для военного ремесла.

При помощи данного явления происходит обеспечение безопасности атомных электростанций, которые ставятся на уровень с физическими разделениями и разнообразием типов оборудования, предназначенных для реализации важнейших принципов единичной формы отказа.

Системы безопасности для таких важных объектов, как АЭС имеют трехкратный вариант резервирования. Последние же российские проекты, реализованные при постройке в КНР, имеют резервирование в четырехкратной форме.

Элемент устройства, относящийся к минимизированным структурам, обеспечивающий его способность выполнять работу, называется основным. Резервные элементы представляют собой детали, предназначение которых заключено в обеспечении работоспособности механизма, вследствие отказа главных частей.

В технологической системе, резервирование можно классифицировать по набору признаков, главными среди которых являются высота уровня резервирования, кратность, состояние запасных элементов до их введения в работу, способность основных и резервных деталей работать совместно.

Отказ части системы в изделии, предназначенном для резерва, может произойти лишь после выхода из рабочего состояния главного устройства и всех запасных элементов системы. Резервированной можно назвать группу элементов, в которой отказ работы одной из них или даже больше, не приведет к поломке всей системы. Все части механизма, способные выполнять свои функции, будут и дальше их делать, а работу недостающих запчастей берет на себя резервное устройство. Этот способ замещения называют функциональным резервированием.

В соответствии с масштабом и единицей расчета различают такие виды резервирования:

• общее, в котором резерв необходим для продолжения работы лишь в случаи отказа всего объекта;
• раздельное, в котором происходит резервация отдельных частей объекта;
• частное, предусматривающее в себе резервирование группы одинакового набора элементов.

Анализируя резервные системы, человек пришел к выводу, что уровень интенсивности отказов резервированного объекта возрастает с увеличением течения времени. Нерезервированная структура имеет одинаковую силу влияния времени на вероятность отказа в соответствии с резервированной. Однако это не указывает на то, что отсутствием поломки в системе и, следовательно, не использованием запаса можно оправдать его отсутствие до момента отказа системы. Основывая мнение на понимании данного явления, можно заключить, что резервирование имеет смысл применять в системах, необходимых для кратковременной эксплуатации, а критически важную систему необходимо обезопасить при помощи других надежных методов.

Важно учитывать особенность предназначения резервной системы. Это обуславливается тем, что метод, используемый для цифровой системы с непрерывным типом деятельности, будет малопригоден для системы с устройством аналогового типа. В силу всего этого и возникает проблема с созданием способа резервирования для всех систем сразу.

Существует способ оценки эффективности резервирования, в котором с использованием коэффициента, отвечающего за повышение надежности, вычисляют показатели безотказности соотношений:

yp = P (t)p / P (t)

γQ = Q (t) / Q (t)p

В таких расчетах P(t) и Q(t) - указывают на возможность безотказной работоспособности и шанс отказа для системы резерва.

P (t) и Q (t) - высота вероятности работы безотказного характера и вероятность, при которой произойдет отказ нерезервируемого типа системы.

Общий тип

В общем резервировании запас делается сразу для всей системы. В зависимости от способа, которым было произведено введение резервного устройства, общее резервирование можно рассматривать на постоянной основе и на замещении. В случае применения общего типа резерва, запасные устройства подключаются к основным и остаются включенными в них на протяжении всего режима работы.

Резервирование постоянного типа

Постоянное резервирование - это форма запаса, в которой имеется относительно простая схема постройки, нет перерывов в работе даже в случаи отказа какого-то элемента.

Очевидным недостатком нагруженного резерва, является повышение расхода энергии и «старение» запасных элементов вместе с основными. Вследствие этого потребность заменить элементы основного состава будет обуславливать наличие замены и запасных.

Замещение

При резервировании средств, любых объектов, которые можно будет использовать с целью возобновить работу системы при ее сбое, этот процесс может происходить путем замещения.

Резервирование способом замещения может выполняться другой системой автоматического типа либо человеческой рукой. В случае использования автоматического вмешательства необходимо, чтобы машина, выполняющая работу, обладала высокой надежностью. Использование ручной замены элементов увеличивает время, потраченное на переключение. Однако высокий показатель надежности оператора, заменяющего деталь, может браться в расчет при сравнении работы человека и машины.

Разделение в резервировании

Раздельный вид резервирования предусматривает введение индивидуального резерва, предназначенного для всех частей системы неизбыточного типа. Оно делится на общее и замещающее. Раздельное замещение характеризуется вероятностью наличия отказа в системе только в случае, если отказ в одном месте произойдет дважды. Математические анализы показывают нам, что использование раздельного резервирования даст более высокий показатель надежности системы.

Взаимосвязь с биологией

В биологии прослеживать резервирование можно благодаря наблюдению за животными. Например, организм, место которого лежит в начале цепи питания, пользуется резервированием для обеспечения воспроизведения вида во множественном числе при помощи большой плодовитости. Травоядное животное, в преобладающем количестве случаев, имеет больше потомков, чем хищник.

Резервирование - это мера предосторожности, которая широко используется и нашим организмом. Примером может послужить дублирование органов внешнего типа (двух глаз, рук, ушей и ноздрей). Вспоминая внутренние органы, можно отметить дублированные половые железы и почки. Наличие данного явления в организме может повышать его функциональный набор возможностей. Дублированные человеческие глаза дают возможность реализовать зрение в стереоскопической форме.

Наукой, что изучает резервирование в живых системах, называется бионика.

Резервирование и организационные системы

В организационной системе резервирование - это наличие субъекта, способного выполнять обязанности руководителя всего объекта, проекта или предприятия, в момент отсутствия главы. Для этого назначаются заместители на ответственные должности. В большинстве случаев предусматривается наличие нескольких заместителей, отвечающих за разные функции руководителя.

Организационные системы, наподобие армии, используют понятие запаса, что по факту является резервированием кадров.

Заключение

Запас можно назвать синонимом к слову "резервирование". Это явление широко используется всеми видами живых и механизированных систем и лежит в основе множества важнейших биологических явлений и процессов. Существует немало способов совершения рассматриваемого действия, каждый из которых имеет свою специфику и значение. Резервирование имеет необычайно огромный размер диаграммы спектра частей всего живого, на который он может распространиться.

Виды резервирования

Резервированием называется применение резервных средств обеспечения работоспособности объекта. В зависимости от вида используемых резервных средств резервирование бывает: функциональное, временное, инфор­мационное, структурное.

Функциональное резервирование – это резервирование, при котором используется способность элементов выполнять дополнительные функции, а также возможность выполнять заданную функцию дополнительными средствами.

Такое резервирование часто применяют для многофункциональных систем, в которых значения одних и тех же параметров состояния технологического процесса могут быть получены с помощью разных приборов и на основании разных расчетов.

Временное резервирование – это резервирование, при котором используется резервное время для выполнения заданной функции.

Временное резервирование заключается в том, что допус­кается перерыв функционирования системы или устройства из-за отказа элемента. Например для передачи информации заданного объема, требуется время t. При планировании работы на эту операцию отводится время t + tр, где tр- резервное время. Резервное время может быть использовано либо для повторения передачи информации, либо для устранения неисправности аппаратуры. Введение резервного времени позволяет повысить надежность работы объекта, но вместе с тем снижает производительность его работы.

Информационное резервирование – это резервирование, при котором в качестве резерва используется избыточная резервная информация. К этому виду резервирования относится введение избыточных информационных символов при передаче, обработке и отображении информации, например использование дополнительных разрядов при кодировании информации. Это позволяет обнаружить и даже устранять ошибки в передаче информации (корректирующие коды).

Структурное резервирование – это резервирование с применением резервных элементов структуры объекта.

Самым распространенным и наиболее эффективным средством повышения надежности этот вид резервирования является потому, физический смысл его наиболее понятен разработчику и способ этот доступнее других для реализации. Если у разработчика возникает сомнение в надежности некоторого элемента структуры объекта, он дополнительно к нему вводит в структуру резервный элемент. Этот же элемент использовать в качестве запасного, но замена отказавшего элемента запасным вызывает большие потери времени и часто технически невозможна в процессе эксплуатации. Включение резервных элементов в структуру – это своеобразная автоматизация процесса замены отказавшего элемента.

При структурном резервировании все элементы системы можно поделить на основные и резервные.

Основной элемент структуры – это элемент, выполняющий заданные функции.

Резервный элемент структуры – это элемент, предназначенный для замены основного элемента.

Не к каждому основному элементу может быть постоянно подключен резервный элемент. Например, постоянное подключение резервного аккумулятора к основному аккумулятору изменяет рабочие характеристики системы питания. Включение в структуру резервной ЭВМ связано с решением ряда сложных технических задач, например синхронизация работы ЭВМ, непрерывный контроль технического состояния системы, обеспечение безотказности переключающих устройств и т. д. Поэтому существует несколько способов структурного резервирования для конкретных условий работы объекта.

Структурное резервирование разде­ляют на общее и раздельное. При общем система резервируется в целом, при раздельном ре­зервируются отдельные элементы или их группы.

Если резерв­ные элементы функционируют наравне с основными, то имеет место постоянное резервирование или пассивное. Если резерв вводится в состав системы после отказа основ­ного элемента и сопровождается переключающими операциями, то имеет место резервирование замещением или активное резер­вирование.

При резервировании замещением резерв­ные элементы могут находиться в нагруженном, облегченном и ненагруженном состоянии. Если резервный элемент находится в том же режиме, что и основной элемент, то резервирование называется нагруженным или горячим резервированием; если резервный элемент находится в менее нагруженном режиме, чем основной, резервирование называется облегченным или теплым резервированием; если резервный элемент не несет нагрузки, резервирование называется ненагруженным или холодным резервированием.

При резервировании замещением один и тот же резерв мо­жет быть использован для замены любого из ряда однотипных элементов. Такой способ резервирования называют скользящим.

При расчетах надежности предполагается, что резервные элементы всегда готовы к немедленному подключению в работу, как только поступает команда на их подключение. Если такого предположения сделать нельзя, в схему расчета вводится либо реальное, либо фиктивное устройство переключения на резерв с его характеристиками (безотказность, время задержки).

В информационных системах применяют динамическое резервирование– это резервирование с перестроением структуры объекта при возникновении отказа его элемента. На рис. основной тракт передачи данных обозначен сплошной линией, возможные тракты – штриховой линией.

Структурное резервирование применяется не только для того, чтобы повысить безотказность изделия, но также и для повышения достоверности величин на его выходе. Например, с целью повышения достоверности результата работы вычислительной машины две машины решают одну и ту же задачу. Результат считается верным, если совпадают результаты двух машин. Такое "резервирование" называется дублированием.

Соединение работающих элементов может быть и более сложным, чем при дублировании. Например, число работающих машин может быть равным трем. Результат считается верным, если он совпадает с результатами не менее чем двух машин. Такое "резервирование" называется мажоритарным резервированием или резервированием по принципу "голосования". В данном случае оно будет называться мажоритарным резервированием по принципу "два из трех".

Для характеристики соотношения между числом резервных и основных элементов вводится понятие кратности резервирования k.

Величина k является целым числом при резервировании с целой кратностью, когда количество основных элементов равно единице. Величина k является дробным числом при резервировании с дробной кратностью, когда количество основных элементов больше единицы. При этом дробь сокращать нельзя.