9.1 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).