Методы повышения надежности технических систем

6.1. Резервирование

Существенное снижение риска, достигаемое в результате повышения общей безопасности, возможно при комплексном подходе с учетом всех трех основных форм надежности системы: проектной надежности (закладываемой в проекте); производственной; операционной (эксплуатационной).

Известны три основных пути повышения надежности:

а) повышение надежности отдельных элементов системы;

б) введение избыточности с целью повышения надежности;

в) коренное изменение структуры и принципов функционирования отдельных элементов и системы в целом.

Для достижения высокой надежности работы технических систем конструктивные, технологические и эксплуатационные мероприятия могут оказаться недостаточными, тогда применяется резервирование. Особенно это относится к системам, для которых повышением надежности элементов не удается достичь требуемой безотказности системы.

Повышение надежности элементов на первый взгляд представляется наиболее простым приемом повышения надежности системы. Действительно, теоретически всегда можно указать такие характеристики надежности элементов, при которых вероятность безотказной работы системы удовлетворяла бы заданным требованиям. Однако практическая реализация такой высокой надежности элементов не всегда возможна. Рассмотрение методов обеспечения надежности элементов ТС является предметом специальных технологических и физико-химических дисциплин и выходит за рамки теории надежности. Однако высоконадежные элементы, как правило, имеют большие габариты, массу и стоимость.

Изменение структуры системы с целью повышения надежности подразумевает два аспекта.

Во-первых, это означает перестройку конструктивной или функциональной схемы ТС (структуры связей между составными элементами), изменение принципов функционирования отдельных частей системы (например, переход от аналоговой обработки сигналов к цифровой). Такого рода преобразования ТС возможны исключительно редко, так что этот прием, в общем, не решает проблемы надежности.

Во-вторых, изменение структуры понимается как введение в ТС избыточных элементов, включающихся в работу при отказе основных. Применение дополнительных средств и возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов называется резервированием.

Термин резервирование, введенный ГОСТ 27.002–89 [7], означает применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов. Резервирование осуществляет принцип избыточности.

Избыточность по ГОСТ 27.002–89 [7] – дополнительные средства и (или) возможности, приданные объекту сверх наименьшего числа необходимых для выполнения объектом заданных функций. Осуществление избыточности обеспечивает нормальное функционирование объекта после возникновения отказов его элементов.

Работоспособность систем без резервирования требует высокой надежности всех элементов системы. В сложных технических устройствах без резервирования никогда не удается достичь высокой надежности, даже если использовать элементы с высокими показателями безотказности.

Система с резервированием – это система с избыточностьюэлементов, т. е. с резервными составляющими, избыточными по отношению к минимально необходимой (основной) структуре и выполняющими те же функции, что и основные элементы.

Принцип резервирования подобен рассмотренному ранее параллельному соединению элементов (п. 5.3) и соединению типа «m из n» (п. 5.5.1), где за счет избыточности возможно обеспечение более высокой надежности системы, чем ее элементов.

В системах с резервированием работоспособность обеспечивается до тех пор, пока для замены отказавших основных элементов имеются в наличии резервные.

Различают следующие методы резервирования:

по виду резервирования: структурное, временнóе, информационное, функ­цио­нальное, нагрузочное;

по способу соединения элементов системы: общее, раздельное, сме­шанное;

по способу включения резервных элементов: постоянное, динамическое, в том числе резервирование замещением, скользящее, мажоритарное;

по кратности резервирования: с целой кратностью, с дробной кратностью;

по режиму работы резерва: нагруженный, облегченный, ненагруженный;

по возможности восстановления: с восстановлением, без восстановления.

При структурном резервировании в объект с наименьшим достаточным для выполнения требуемых функций количеством элементов вводятся дополнительные элементы. Основным считается элемент, необходимый для выполнения требуемых функций объектом без отказов.

Резервныйэлемент функционально заменяет основной в случае отказа последнего. В ряде условий и режимов работы основной элемент может быть резервным.

Резервируемый элемент – основной, для которого предназначается резервный элемент.

Временноерезервирование подразумевает использование запасов времени. Согласно начальным условиям, для выполнения заданных функций объекту отводится заведомо больше времени, чем необходимо. Резервы времени создаются, например, за счет интенсификации работы объекта.

Информационноерезервирование обеспечивается избытком информации.

В каналах связи для этого одно и то же сообщение передается многократно, используются избыточные символы для отображения передаваемой информации и т. д. с целью уменьшения или устранения искажений.

Функциональное резервирование осуществляется при выполнении заданных функций разными способами и техническими средствами (например, одновременное использование различных средств связи в системах управления). Оценку надежности в таких случаях ведут не по наработке на отказ, а по коэффициенту готовности и др.

Нагрузочноерезервирование – применение нагрузочных резервов с целью обеспечения оптимальной нагрузочной способности элементов.

Если резервирование применено к системе в целом, то оно называетсяобщим, если к одному или нескольким элементам – раздельным.

Смешанное резервирование осуществляется при сочетании нескольких видов резервирования в одном объекте.