Reserva

La redundancia es un método para aumentar la confiabilidad de los sistemas y objetos. Es un principio universal de aseguramiento de la confiabilidad, ampliamente utilizado en la naturaleza, la ingeniería y la tecnología, que posteriormente se extendió a otros aspectos de la vida humana.

Tipos de reservas

Hay cuatro tipos principales de reserva :

Redundancia de hardware, como redundancia
Redundancia de información, por ejemplo: métodos para detectar y corregir errores
Redundancia temporal, como métodos lógicos alternativos.
Redundancia de software, el uso de programas independientes funcionalmente equivalentes

Redundancia en sistemas técnicos

La redundancia en ingeniería es un método para mejorar las características de confiabilidad de los dispositivos técnicos o mantenerlos en el nivel requerido mediante la introducción de redundancia de hardware mediante la inclusión de elementos y enlaces de repuesto (reserva) que son adicionales en comparación con el mínimo necesario para realizar las funciones especificadas en condiciones operativas dadas. condiciones.

La redundancia se usa ampliamente en las instalaciones de producción peligrosa , en muchos casos su necesidad está dictada por los requisitos de seguridad industrial o las normas y estándares gubernamentales . Algunos dispositivos técnicos prevén inicialmente redundancia en su diseño , por ejemplo, válvulas de seguridad de acción indirecta: dispositivos de seguridad de impulso . La redundancia también se usa ampliamente en equipos militares.

La redundancia es uno de los principios fundamentales para garantizar la seguridad de las centrales nucleares , junto con la separación física y la diversidad de equipos, responsables de la aplicación práctica del principio de fallo único más importante . Los sistemas que son importantes para la seguridad de las centrales nucleares (es decir, muchísimos) tienen una redundancia triple, y en los últimos proyectos rusos implementados durante la construcción de la central nuclear de Tianwan en China , una redundancia cuádruple [1] [2] .

Los elementos de la estructura minimizada del dispositivo, que aseguran su funcionamiento , se denominan elementos básicos ; Se denominan elementos de reserva a los elementos destinados a garantizar la operatividad del dispositivo en caso de avería de los elementos principales. La redundancia en los sistemas tecnológicos se clasifica según una serie de criterios, siendo los principales el nivel de redundancia, la multiplicidad de la redundancia, el estado de los elementos de reserva hasta su puesta en funcionamiento, la posibilidad de funcionamiento conjunto de los principales y elementos de reserva con una carga común, el método de conexión de los elementos principales y de reserva. En un producto redundante, ocurre una falla cuando el dispositivo principal (elemento) y todos los dispositivos de respaldo (elementos) fallan. Un grupo de elementos se considera redundante si la falla de uno o más de sus elementos no interrumpe el funcionamiento normal del circuito (sistema), y los elementos reparables restantes realizan la misma función especificada. Tal redundancia se llama redundancia funcional .

La relación de redundancia es la relación entre el número de elementos redundantes y el número de elementos principales del dispositivo. La multiplicidad de redundancia generalmente se denota como m . Por ejemplo, si m = 3, significa que: el dispositivo principal es uno, la cantidad de dispositivos de respaldo es tres y la cantidad total de dispositivos es (tres más uno) cuatro. Si m = 4/2, esto significa redundancia fraccionaria, en la que la cantidad de dispositivos de reserva es cuatro, la cantidad de dispositivos primarios es dos y la cantidad total de dispositivos es seis. Es imposible reducir la fracción, ya que si m = 4/2 = 2, entonces esta es una redundancia con una multiplicidad entera, en la que el número de dispositivos de respaldo es dos, el principal es uno y el número total de dispositivos son tres. Una reserva única se llama duplicación .

Según el estado de los elementos de reserva hasta su puesta en funcionamiento, se distinguen:
- reserva cargada (caliente) : los elementos de reserva se cargan de la misma manera que los principales;
- reserva ligera (en espera) : los elementos de reserva se cargan menos que los principales;
- reserva descargada (fría) - los elementos de reserva prácticamente no transportan cargas [3] .

El uso de una reserva liviana o descargada permite reducir el consumo de energía consumida por el sistema redundante y aumentar la confiabilidad del equipo (T av p descarga > T av p reg > T av p carga ), ya que la confiabilidad de respaldo dispositivos es superior a la de los principales. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que no se permite en todos los esquemas una interrupción para cambiar del dispositivo principal a la copia de seguridad.

Dependiendo de la escala y unidad de reserva aceptada, existen:
- reserva general , en la que se prevé la reserva en caso de falla del objeto en su conjunto, y
- reserva separada (elemento por elemento) , en la que se reservan partes separadas del objeto (bloques, nodos, elementos).
  Un caso especial de reserva elemento por elemento es la reserva deslizante , que se puede utilizar si reserva un grupo de elementos idénticos.
- También es posible combinar la redundancia general y separada, la llamada redundancia mixta .

La conveniencia de utilizar la redundancia está determinada por los siguientes factores:

el nivel inicial de confiabilidad de los componentes;
establecer el tiempo de funcionamiento;
la presencia de un sistema de control eficaz y la frecuencia de la prevención;
la posibilidad de utilizar métodos menos redundantes para mejorar la fiabilidad.

El análisis de los sistemas redundantes muestra que la tasa de fallas de un sistema redundante aumenta rápidamente con el tiempo, aunque la tasa de fallas de un sistema no redundante no depende del tiempo, lo que implica que llega un punto en el tiempo a partir del cual el uso de un sistema redundante no se justifica a sí mismo. Por lo tanto, si no tiene en cuenta las características de la prevención del sistema, es ventajoso usar la redundancia para los sistemas de uso a corto plazo, y para los sistemas críticos y los sistemas de uso a largo plazo, use otros métodos para aumentar la confiabilidad. Los métodos de redundancia que son efectivos para sistemas digitales de tipo continuo pueden ser de poca utilidad para sistemas con dispositivos de tipo analógico, para los cuales, debido a la ausencia de influencia mutua de los canales principal y de respaldo, es preferible un esquema de redundancia de reemplazo. Por lo tanto, la variedad existente de sistemas dificulta la construcción de enfoques de diseño comunes y requisitos uniformes de confiabilidad.

Es costumbre evaluar la eficiencia de la redundancia utilizando el factor de aumento de confiabilidad γ , que está determinado por los indicadores de confiabilidad a partir de las relaciones:

γ pags = PAGS ( t ) pags / PAGS ( t ) γ Q = Q ( t ) / Q ( t ) pags

donde P ( t ) r , Q ( t ) r , son la probabilidad de funcionamiento sin fallos y la probabilidad de fallo del sistema redundante,

P ( t ) y Q ( t ) son la probabilidad de funcionamiento sin fallos y la probabilidad de fallo de un sistema no redundante.

Redundancia general del sistema

Con redundancia general, se realiza una copia de seguridad de todo el sistema. La redundancia general, según la forma en que se encienden los dispositivos de respaldo, se puede dividir en redundancia permanente y redundancia de reemplazo, en la que los productos de respaldo reemplazan a los principales solo después de una falla. Con una redundancia general permanente, los dispositivos de respaldo están conectados al principal durante todo el tiempo de operación y están en el mismo modo de operación que éste.

Reserva permanente

Los beneficios de la redundancia compartida permanente incluyen:

la relativa simplicidad de construir circuitos;
la ausencia de incluso una breve interrupción en la operación en caso de falla de uno a m -1 elementos del sistema;
la ausencia de elementos conectados adicionales que reducen la confiabilidad general del circuito.

Las desventajas obvias de una reserva cargada, además de un aumento en el tamaño y la masa del sistema, son un mayor consumo de energía, así como el hecho de que los elementos de reserva "envejecen" simultáneamente con los elementos principales del sistema. En el caso de un sistema redundante general, se requiere una composición completa de los elementos grabados. Con redundancia permanente general, solo se puede utilizar la reserva cargada.

Características para el caso de un sistema redundante con redundancia permanente total

La probabilidad de funcionamiento sin fallos de un sistema redundante con una redundancia total constante con una multiplicidad entera se calcula mediante la fórmula:

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

donde P ( t ) ð es la probabilidad de operación sin fallas del sistema redundante

P ( t ) \u003d e -λ t p - probabilidad de operación sin fallas

sistema no redundante con una ley exponencial de distribución de confiabilidad,

m es la multiplicidad de redundancia.

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

donde T av p es el tiempo medio entre fallas del sistema redundante,

Tav es el tiempo medio entre fallas de un sistema no redundante.

Para el caso más simple, cuando m = 1, obtenemos:

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

T_{cp\,p}=1.5T_{cp\,}

Por lo tanto, con la duplicación (un dispositivo principal está respaldado por un dispositivo de respaldo), el tiempo medio entre fallas aumenta en 1,5 veces.

Reserva por reemplazo

Cuando es redundante por reemplazo, el dispositivo de respaldo se incluye en la operación del sistema utilizando dispositivos automáticos o manualmente por un operador humano. Con la conmutación automática, se requiere una fiabilidad extremadamente alta de los elementos de conmutación. Con una gran cantidad y baja confiabilidad de estos elementos adicionales incluidos en un sistema redundante, su confiabilidad puede disminuir en comparación con la confiabilidad de un sistema no redundante. Además, hay un breve descanso, mientras se cambia a dispositivos de respaldo. Cuando se reemplazan manualmente los elementos defectuosos, el tiempo de conmutación aumenta, pero la confiabilidad del operador humano que realiza la conmutación puede tomarse como una unidad en los cálculos.

Cuando se usa una reserva cargada, los elementos de reserva de repuesto están en el mismo modo de operación que los elementos principales (independientemente de si participan en la operación del circuito o no), y si los elementos principales y de reserva son idénticos, entonces sus tasas de falla son iguales y la fiabilidad del dispositivo principal y del de respaldo es la misma, por lo que, si no se tiene en cuenta la fiabilidad de los dispositivos de conmutación automática, las características de fiabilidad se calculan utilizando las mismas fórmulas que para la redundancia permanente general.

Cuando se utiliza una reserva descargada, los elementos de reserva de repuesto se inhabilitan por completo hasta que se ponen en funcionamiento del sistema. En este caso, los dispositivos redundantes tienen la mayor fiabilidad en comparación con los elementos principales, por lo que la redundancia de sustitución total utilizando una reserva descargada proporciona la mejor fiabilidad en el caso de una redundancia general.

Características para el caso de despido general por sustitución con reserva descargada.

{P(t)_{p}}=P(t)\sum _{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]

donde P ( t ) ð es la probabilidad de operación sin fallas del sistema redundante

P ( t ) es la probabilidad de operación sin fallas de un sistema no redundante,
m es la multiplicidad de redundancia.

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

donde P ( t ) р y P ( t ) son la probabilidad de operación sin fallas de los sistemas redundantes y no redundantes,

T av p y T av - tiempo medio entre fallas de sistemas redundantes y no redundantes, m es la multiplicidad de redundancia.

Para el caso más simple, cuando m = 1, obtenemos:

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

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

Así, cuando se utiliza una reserva descargada, el tiempo medio entre fallas aumenta al menos dos veces.

Reservas separadas

Con el método separado de redundancia, se introduce una reserva individual para cada parte del sistema no redundante. La reserva por separado es general y de reposición. Con la sustitución separada, una falla del sistema solo puede ocurrir cuando ocurre una falla dos veces seguidas en el mismo dispositivo ( ), lo cual es poco probable. Para evaluar la fiabilidad con redundancia separada, se utiliza un aparato matemático específico y complejo. En general, el análisis matemático muestra que los indicadores de confiabilidad más altos se pueden obtener en el caso de sistemas de construcción que usan redundancia separada reemplazando una reserva descargada. $metro=1$

Redundancia en sistemas biológicos

Los animales que están cerca del comienzo de la cadena alimentaria utilizan un mecanismo de reserva que asegura la reproducción de la especie: numerosas crías. Los herbívoros, que son alimento para los depredadores, suelen tener descendencia más numerosa que los depredadores.
El cuerpo humano da una cantidad bastante grande de ejemplos de la reserva de órganos externos e internos. Ejemplos de duplicación de órganos externos son ojos, oídos, manos, fosas nasales. Un ejemplo de la reserva de órganos internos de una persona es la duplicación de las gónadas, los riñones. La redundancia crea una nueva funcionalidad. La duplicación de los ojos (separados por una cierta distancia) le permite implementar la visión estereoscópica , es decir, determinar la distancia al objeto, la duplicación de los oídos, para determinar la dirección a la fuente de sonido ( efecto binaural ).

La ciencia aplicada de la biónica se ocupa del estudio de la redundancia en los sistemas biológicos . [cuatro]

Redundancia en sistemas organizacionales

Un ejemplo de redundancia en las estructuras organizativas [5] es la presencia de suplentes de gerentes. Por lo general, el diputado realiza ciertas funciones propias únicamente de cada diputado específico, pero cualquier diputado puede convertirse en jefe interino durante el período de su ausencia.
Las fuerzas armadas utilizan una reserva de personal: una reserva. Todos los que sirvieron en el ejército son transferidos a la reserva y se convierten en reservistas en caso de hostilidades.

Cálculo de la probabilidad de falla del sistema

Cada elemento de redundancia reduce la probabilidad de falla del nodo de acuerdo con la fórmula:

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

donde está el número de elementos de reserva (tasa de reserva);

metro

{\ Displaystyle q_ {i}}

— probabilidad de falla del elemento ;

i

q

- probabilidad de falla de un nodo de elementos (probabilidad de falla de todos los elementos).

norte

La fórmula asume la falla independiente de los elementos. Esto quiere decir que la probabilidad de fallo de un elemento es la misma tanto con un elemento averiado como con uno bueno para todos.Esta fórmula no siempre es aplicable, por ejemplo, en el caso de conexión en paralelo de dos fuentes de alimentación, las probabilidades de fallo son diferentes. $i$ $j,$ $i\neq j.$

También se supone que un elemento (cualquiera) es suficiente para que el nodo funcione. En el caso de que para la operatividad del nodo sea necesario disponer de elementos de los disponibles , la probabilidad de fallo es igual a: $metro$ $norte$

${Q}=q^{n-m+1}C_{n}^{n-m+1},$ siempre que todos los elementos tengan la misma probabilidad de fallo . $q$

El número de combinaciones de by $a$ $b$ es igual al coeficiente binomial :

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

Este modelo de falla implica que los elementos que fallan no se reemplazan y el dispositivo de redundancia tiene una probabilidad de falla cero.

Véase también

Intercambio en caliente

Notas

↑ Ostreykovsky V. A., Shvyryaev Yu. V. Seguridad de las centrales nucleares. Análisis probabilístico. - Moscú: Fizmatlit, 2008. - S. 352. - ISBN 978 5 9221 0998 7 .
↑ Seguridad de las centrales nucleares. - EDF-EPN-DSN-PARIS, 1994. - ISBN 2 7240 0090 0 .
↑ [bse.sci-lib.com/article096125.html Redundancia en TSB]
↑ Bionics - la síntesis de biología y tecnología (enlace inaccesible) . Consultado el 28 de abril de 2010. Archivado desde el original el 10 de octubre de 2006. (indefinido)
↑ Abubakar Sambiev. Análisis técnico de Sistemas Sociales. (Literatura científica popular)

Enlaces

Reservas en la web de Knol