Введение

Дублирование критических компонентов для повышения надежности системы.

В инженерной и системной теории избыточность – это намеренное дублирование критических компонентов или функций системы с целью повышения ее надежности, обычно в форме резервного копирования или защиты от отказов, либо для улучшения фактической производительности системы, как, например, в случае GNSS-приемников или многопоточной компьютерной обработки. Во многих системах, критически важных для безопасности, таких как системы электродистанционного управления (fly by wire) и гидравлические системы в самолетах, некоторые части системы управления могут быть утроены, что формально называется тройной модульной избыточностью (TMR). Отказ одного компонента может быть переголосован двумя другими. В тройной избыточной системе система состоит из трех подкомпонентов, и все три должны выйти из строя, прежде чем система целиком выйдет из строя. Поскольку вероятность отказа каждого из них невелика, а подкомпоненты спроектированы так, чтобы исключить общие причины отказов (которые затем можно смоделировать как независимые отказы), вероятность одновременного отказа всех трех компонентов рассчитывается как чрезвычайно малая; она часто нивелируется другими факторами риска, такими как человеческий фактор. Электрические импульсы, вызванные ударами молнии, являются примером причины отказа, которую сложно полностью изолировать, если только компоненты не питаются от независимых шин питания и не имеют прямой электрической связи между собой (для голосования требуется связь каким-либо способом). Избыточность также может называться "системами голосования большинства" или "логикой голосования". Иногда избыточность приводит не к увеличению, а к уменьшению надежности, создавая более сложную систему, склонную к различным проблемам. Это может привести к халатности персонала и увеличению производственных требований, что, перегружая систему, может сделать ее менее безопасной. Избыточность – одна из форм устойчивости, применяемая в информатике. Географическая избыточность стала важной в индустрии центров обработки данных для защиты данных от стихийных бедствий и политической нестабильности (см. ниже).

Функции избыточности

Две функции избыточности – это пассивная и активная избыточность. Обе функции предотвращают снижение производительности за пределами установленных спецификаций без вмешательства человека, используя резервные мощности. Пассивная избыточность использует избыточную мощность для снижения влияния отказов компонентов. Распространенной формой пассивной избыточности является повышенная прочность кабелей и опор, используемых в мостах. Эта дополнительная прочность позволяет некоторым конструктивным элементам выйти из строя без обрушения моста. Дополнительная прочность, заложенная в конструкцию, называется запасом прочности. Глаза и уши служат наглядными примерами пассивной избыточности. Потеря зрения на одном глазу не приводит к слепоте, но ухудшает восприятие глубины. Потеря слуха на одном ухе не вызывает глухоты, но снижает способность определять направление звука. Снижение производительности обычно связано с пассивной избыточностью при небольшом количестве отказов. Активная избыточность устраняет снижение производительности путем мониторинга работы отдельных устройств, а результаты этого мониторинга используются в логике голосования. Логика голосования связана с системой переключения, которая автоматически переконфигурирует компоненты. Обнаружение и исправление ошибок и глобальная система позиционирования (GPS) – два примера активной избыточности. Распределение электроэнергии также является примером активной избыточности. Каждое генерирующее предприятие соединено с потребителями несколькими линиями электропередач. Каждая линия электропередач оснащена датчиками, обнаруживающими перегрузку, и автоматическими выключателями. Совокупность линий электропередач обеспечивает резервную мощность. Выключатели отключают линию электропередач при обнаружении перегрузки датчиками. Электроэнергия перераспределяется по оставшимся линиям. В аэропорту Торонто имеется 4 резервные линии электропередач. Каждая из этих 4 линий способна обеспечить электроэнергией весь аэропорт. Подстанция Spot использует реле обратного тока для отключения выключателей на неисправных линиях, но при этом продолжает подачу электроэнергии в аэропорт. Электрические энергосистемы используют планирование энергопотребления для переконфигурации активной избыточности. Компьютерные системы регулируют выходную мощность каждого генерирующего предприятия при внезапном выходе из строя других предприятий. Это предотвращает отключения электроэнергии во время крупных событий, таких как землетрясение.

Недостатки

Чарльз Пэрроу, автор книги "Нормальные несчастные случаи", утверждал, что иногда избыточность оборачивается обратным эффектом и приводит к снижению, а не к повышению надежности. Это может произойти тремя способами: во-первых, избыточные системы безопасности усложняют систему, делая ее более подверженной ошибкам и авариям. Во-вторых, избыточность может привести к снижению ответственности среди работников. В-третьих, избыточность может привести к увеличению производственного давления, в результате чего система работает быстрее, но менее безопасно.

Логика голосования

Логика голосования использует мониторинг производительности для определения способа переконфигурации отдельных компонентов, чтобы обеспечить продолжение работы без нарушения спецификационных ограничений всей системы. Логика голосования часто включает в себя компьютеры, но системы, состоящие из элементов, отличных от компьютеров, также могут быть переконфигурированы с использованием логики голосования. Автоматические выключатели являются примером некомпьютерной логики голосования. Самая простая логика голосования в вычислительных системах включает два компонента: основной и резервный. Оба выполняют аналогичное программное обеспечение, но выход резервного компонента остается неактивным в нормальном режиме работы. Основной компонент контролирует собственное состояние и периодически отправляет сигнал активности резервному, пока все в порядке. При обнаружении неисправности основной компонент прекращает все свои выходы, включая сигнал активности. Резервный компонент активирует свой выход и берет на себя управление после небольшой задержки, когда сигнал активности прекращается. Ошибки в логике голосования могут привести к одновременной активации или деактивации обоих выходов, либо к их нестабильной работе. Более надежная форма логики голосования предполагает использование нечетного числа устройств – трех или более. Все они выполняют идентичные функции, а их выходы сравниваются логикой голосования. В случае разногласий логика голосования определяет большинство, которое инициирует отключение выходов от несогласующихся устройств. Отдельная неисправность не приведет к прерыванию нормальной работы. Эта техника применяется в системах авионики, например, в системах управления космическим челноком.