УСТРОЙСТВО ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ РЕЗЕРВИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ С ПОМОЩЬЮ МАЖОРИТАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
APPARATUS FOR RESTORING OPERATING CAPACITY OF STANDBY SYSTEM USING MAJORITY DECISION ELEMENTS

Изобретение относится к системам радиоавтоматики и автоматического управления, резервированных с помощью мажоритарных элементов.
i
Известно устройство восстановления работоспособности системы, резервированной с помощью мажоритарных элементов, основанное на принципе мажоритарной логики (принципе выбора по большинству), которое широко используется для обнаружения отказов в системах резервирования, состоящее из рабочего элемента и нескольких элементов сравнения, играющих роль резервных элементов, путем выборки из множества [Шевцов Г.А., Шеремет Е.М. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с. 43-44]. В этом случае состояние рабочей системы сравнивается с состоянием ряда таких же систем. Признаком безотказности рабочей системы является совпадение ее состояния с состоянием большинства систем. Считается, что состояния рабочей и i-й системы сравнения одинаковы, если разность их выходных параметров X меньше ε:|X-X|<ε, где ε - произвольная положительная величина (абсолютное значение порога сравнения).
Основным недостатком такого устройства, включающего в себя рабочий элемент и два элемента сравнения, является невозможность подключения к нагрузке исправного элемента в случае отказа любых двух элементов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство восстановления работоспособности системы, резервированной с помощью мажоритарных элементов, содержащее блок управления (БУ), к первому, второму и третьему входам которого подключены выходы первого, второго и третьего компаратора (К) соответственно, а к первому, второму и третьему выходам подключены соответственно вторые входы первого, второго и третьего электронных ключей (ЭК), к первым входам которых подсоединены второй вход первого и первый вход второго вычитающего устройства (ВУ), первые входы первого и третьего ВУ, вторые входы второго и третьего ВУ соответственно, причем к выходу каждого ВУ подключен соответствующий К, при этом входы рабочего элемента (РЭ), первого и второго элемента сравнения (ЭС) соединены вместе и являются входом устройства, а выходы подсоединены к первым входам ЭК соответственно, выходы трех ЭК, соединенные вместе, являются выходом устройства. Вычитающие устройства и компараторы (мажоритарные элементы) сравнивают выходные параметры различных пар РЭ-ЭС и определяют те пары, выходные параметры которых одинаковы (разность выходных параметров не выше заданной величины ε). БУ выбирает из этих пар один и через ЭК подключает его сигнал к выходу системы. При отказе одного элемента (РЭ или ЭС) сигналы на выходе двух связанных с ним К будут отсутствовать, а в БУ поступит сигнал с компаратора, не связанного с отказавшим элементом. В соответствии с этим сигналом БУ сформирует сигнал управления на ЭК для подключения одного из исправных элементов к нагрузке. Отказ системы наступает при выходе из строя каких-либо двух элементов (РЭ и/или ЭС) [Шевцов Г.А., Шеремет Е.М. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с. 60-61].
Недостатком такого устройства восстановления является низкая эффективностью функционирования, обусловленная более высокой вероятностью отказа резервированной системы по сравнению с типовой схемой резервирования замещением из-за невозможности подключения к нагрузке исправного элемента в случае отказа двух элементов, что снижает надежность системы.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности функционирования резервированной с помощью мажоритарных элементов системы путем повышения вероятности безотказной работы за счет обнаружения факта отказа системы, последовательного подключения к рабочему и элементам сравнения дополнительного элемента резерва, восстанавливающего при подключении взамен неисправного элемента работоспособность мажоритарного элемента, или замещения элементом резерва одновременно отказавших рабочего и элементов сравнения и формирования в нагрузке выходного сигнала.
Указанный результат достигается тем, что в известное устройство восстановления работоспособности резервированной системы с помощью мажоритарных элементов, содержащее БУ, к первому, второму и третьему входам которого подключены выходы первого, второго и третьего К соответственно, а к первому, второму и третьему выходам подключены соответственно вторые входы первого, второго и третьего ЭК, к первым входам которых подсоединены второй вход первого и первый вход второго ВУ, первые входы первого и третьего ВУ, вторые входы второго и третьего ВУ соответственно, причем к выходу каждого ВУ подключен вход соответствующего К, при этом входы РЭ, первого и второго ЭС соединены вместе и являются входом устройства, а выходы подсоединены к первым входам ЭК соответственно, выходы трех ЭК, соединенные вместе, являются выходом устройства, дополнительно введены элемент резерва (ЭР), три ЭК, один К, четыре логических элемента ИЛИ (далее ИЛИ), четыре логических элемента И (далее И), три логических элемента НЕ (далее НЕ), переключатель электронных ключей (ПЭК), счетчик импульсов (Сч) и два триггера (Тр), причем пятый и шестой ЭК установлены в разрыв между РЭ и первым ЭК, первым ЭС и вторым ЭК соответственно и их вторые входы подсоединены к выходу РЭ и выходу первого ЭС соответственно, выходы - к первым входам первого и второго ЭК соответственно, а первые входы соединены вместе и подключены к выходу ЭР и входу четвертого К, при этом к входу ЭР подключен выход четвертого ЭК, первый вход которого соединен с входом РЭ, а второй вход с выходом четвертого ИЛИ, причем к выходам первого, второго и третьего К подсоединены вход первого НЕ и первый вход первого ИЛИ, вход второго НЕ и второй вход первого ИЛИ, вход третьего НЕ и третий вход первого ИЛИ соответственно, при этом к выходу первого ИЛИ подключены вторые входы третьего и четвертого И, а к выходам первого, второго и третьего НЕ подсоединены соответствующие входы второго И, выход которого соединен со вторыми входами ПЭК, Сч и триггеров, причем к первому входу ПЭК подключены четвертый вход БУ, третий вход второго ИЛИ, пятый вход четвертого ИЛИ и выход первого И, первый вход которого соединен с выходом четвертого К, а второй вход - с выходом Сч, при этом к первому выходу ПЭК подключены первые входы второго и четвертого ИЛИ, третьего И и Сч, а ко второму выходу - первые входы третьего ИЛИ, четвертого И и второй вход четвертого ИЛИ, третий и четвертый входы которого подсоединены ко второму входу второго ИЛИ и выходу первого Тр, второму входу третьего ИЛИ и выходу второго Тр соответственно, причем к первым входам первого и второго Тр подключены выходы третьего и четвертого И соответственно, а к выходам второго и третьего ИЛИ подсоединены третьи входы пятого и шестого ЭК соответственно.
Сущность изобретения заключается в том, что за счет ввода дополнительно элемента резерва, устройств обнаружения отказа резервированной системы и введенного элемента резерва, а также переключающих устройств появилась возможность путем последовательного подключения к мажоритарным элементам элемента резерва определения исправного элемента в случае отказа двух из трех элементов РЭ и/или ЭС и восстановления резервированной системы, а при отказе всех элементов РЭ и ЭС и исправности элемента резерва - подключения к нагрузке устройства его выходного сигнала.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства восстановления работоспособности резервированной системы с помощью мажоритарных элементов. На фиг. 2 приведена таблица истинности, содержащая качественные и количественные (булевы) значения параметров элементов, принимаемые в процессе функционирования устройства управления. На фиг. 3 приведены результаты оценки вероятностных характеристик предложенного устройства управления резервированной системой.
Устройство восстановления работоспособности системы резервированной с помощью мажоритарных элементов (фиг. 1) содержит рабочий элемент 1, два элемента сравнения 2.1, 2.2, шесть электронных ключей 3.1-3.6, выполненных в виде электронных реле с соответствующим числом нормально-разомкнутых (замкнутых) контактов, три вычитающих устройства 4.1-4.3, выполненных в виде типового сумматора на интегральной микросхеме (ИМС) прецизионного операционного усилителя, четыре компаратора 5.1-5.4, выполненных, например, по схеме триггера Шмитта, блок управления 6, выполненный в виде типового дешифратора на ИМС, элемент резерва 7, четыре логических элемента ИЛИ 8.1-8.4, четыре логических элемента И 9.1-9.4, три логических элемента отрицания НЕ 10.1-10.3, выполненных на типовых цифровых ИМС, переключатель электронных ключей 11, выполненный в виде электронного переключателя на транзисторах и логических элементах ИЛИ-НЕ, двоичный счетчик импульсов 11, выполненный на ИМС, например, типа К555ИЕ5, два триггера 13.1, 13.2, представляющих собой асинхронные S-триггеры, причем к первому, второму и третьему входам БУ 6 подключены выходы К 5.1-5.3 соответственно, а к первому, второму и третьему выходам - соответственно вторые входы ЭК 3.1-3.3, к первым входам которых подсоединены второй вход ВУ 4.1 и первый вход ВУ 4.2, первые входы ВУ 4.1 и 4.3, вторые входы ВУ 4.2 и 4.3 соответственно, причем к выходу каждого ВУ 4.1-4.3 подключен вход соответствующего К 5.1-5.3, при этом входы РЭ 1 и ЭС 2.1, 2.2 соединены вместе и являются входом устройства, а выходы ЭК 3.1-3.3, соединенные вместе, являются выходом устройства, причем вторые входы ЭК 3.5 и 3.6 подсоединены к выходу РЭ 1 и выходу ЭС 2.1 соответственно, выходы - к первым входам ЭК 3.1 и 3.2 соответственно, а первые входы соединены вместе и подключены к выходу ЭР 7 и входу К 5.4, при этом к входу ЭР 7 подключен выход ЭК 3.4, первый вход которого соединен с входом РЭ 1, а второй вход - с выходом ИЛИ 8.4, причем к выходам К 5.1-5.3 подсоединены вход НЕ 10.1 и первый вход ИЛИ 8.1, вход НЕ 10.2 и второй вход ИЛИ 8.1, вход НЕ 10.3 и третий вход ИЛИ 8.1 соответственно, при этом к выходу ИЛИ 8.1 подключены вторые входы И 9.3 и 9.4, а к выходам НЕ 10.1-10.3 подсоединены соответствующие входы И 9.2, выход которого соединен со вторыми входами ПЭК 11, Сч 12, Тр 13.1 и 13.2, причем к первому входу ПЭК 11 подключены четвертый вход БУ 6, третий вход ИЛИ 8.2, пятый вход ИЛИ 8.4 и выход И 9.1, первый вход которого соединен с выходом К 5.4, а второй вход - с выходом Сч 12, при этом к первому выходу ПЭК 11 подключены первые входы ИЛИ 8.2, 8.4, И 9.3 и Сч 12, а ко второму выходу - первые входы ИЛИ 8.3, И 9.4 и второй вход ИЛИ 8.4, третий и четвертый входы которого подсоединены ко второму входу ИЛИ 8.2 и выходу Тр 13.1, второму входу ИЛИ 8.3 и выходу Тр 13.2 соответственно, причем к первым входам Тр 13.1 и 13.2 подключены выходы И 9.3 и 9.4 соответственно, а к выходам ИЛИ 8.2 и 8.3 подсоединены третьи входы ЭК 3.5 и 3.6 соответственно.
Введенные логические элементы НЕ 10.1-10.3 и элемент И 9.2 предназначены для обнаружения отказа резервированной системы (устройства прототипа) при неисправности двух элементов из трех (РЭ и/или ЭС) и запуска ПЭК 11. Переключатель электронных ключей 11 предназначен для подключения к входу устройства элемента резерва 7 (замыкание ЭК 3.4) и последовательной замены им РЭ 1 или ЭС 2.1 (замыкание ЭК 3.5 или 3.6). Логические элементы ИЛИ 8.1, И 9.3, 9.4 и триггеры 13.1, 13.2 предназначены для обнаружения факта замены ЭР 7 неисправного элемента (ЭР 1 или ЭС 2.1) и фиксации состояния ЭК 3.4-3.6. Компаратор 5.4 предназначен для обнаружения отказа ЭР 7 (сигнал с выхода ЭР 7 не превышает минимальный порог срабатывания, соответствующий минимальному уровню выходного сигнала устройства). Счетчик 12 предназначен для обнаружения отказа всех трех элементов (РЭ 1, ЭС 2.1 и 2.2) по повторному подключению ЭР 7 вместо РЭ 1. Логический элемент И 9.1 предназначен для сигнализации БУ 6 об отказе всех трех элементов (РЭ 1, ЭС 2.1, 2.2) и исправности ЭР 7, а также удерживания в замкнутом состоянии ЭК 3.4. Логические элементы ИЛИ 8.2, 8.3 и 8.4 предназначены для объединения управляющих сигналов от логического элемента И 9.1, ПЭК 11 и Тр 13.1, от ПЭК 11 и Тр 13.2, от ПЭК 11, Тр 13.1, 13.2. и логического элемента И 9.1 соответственно.
Устройство восстановления работоспособности резервированной системы с помощью мажоритарных элементов работает следующим образом. Наиболее наглядно и компактно процесс функционирования предложенного устройства восстановления работоспособности системы может быть представлен таблицей истинности состояний элементов устройства. Поэтому на фиг. 2 приведена таблица истинности, содержащая качественные и количественные (булевы) значения параметров элементов, принимаемые в процессе функционирования устройства восстановления. Рассмотрим случай, когда все РЭ-ЭС исправны или отказал один из них. РЭ 1, ЭС 2.1 и 2.2 работают одновременно (так называемый нагруженный резерв). ЭР 7 выключен (ЭК 3.4 разомкнут), т.е. находится в ненагруженном резерве и до момента включения его ресурс не расходуется. ЭК 3.5 и 3.6 находятся в разомкнутом состоянии (вход 1 отключен от выхода, вход 2 подключен к выходу) и сигналы с выходов РЭ 1 и ЭС 2.1, 2.2 подаются на соответствующие входы мажоритарных элементов (вычитающее устройство с компаратором), в которых определяется исправная пара элементов и БУ 6 подключает один из них к выходу устройства, т.е. устройство восстановления работает аналогично прототипу. В случае отказа двух элементов системы, например ЭС 2.1 и 2.2 (состояния О на фиг. 2), сигналы на выходах ВУ 4.1-4.3 будут превышать допустимые значения порогов ε и на выходах К 5.1-5.3 (входах 1-3 БУ 6) будут сигналы низкого уровня. БУ снимает управляющие сигналы с ЭК 3.1-3.3 (состояния Р) и отключает РЭ 1, ЭС 2.1, 2.2 от нагрузки. Одновременно сигналы с выходов К 5.1-5.3 будут на входах 1-3 элемента ИЛИ 8.1 и на входах элементов НЕ 10.1-10.3. С выходов элементов НЕ сигналы подаются на элемент И 9.2, на выходе которого появится единичный сигнал (сигнал высокого уровня). Таким образом осуществляется обнаружение отказа двух элементов из трех РЭ и ЭС. Единичный сигнал с выхода элемента И 9.2 подается на второй вход Сч 12 и на вторые входы Тр 13.1 и 13.2, обнуляя их, а также на вход ПЭК 11. Переключатель 11 начинает формировать последовательно во времени прямоугольные импульсы высокого уровня, сдвинутые по фазе на 180°, поступающие последовательно на управляющие входы ЭК 3.5 (через ИЛИ 8.2), который подключает ЭР 7 вместо РЭ 1, и ЭК 3.6 (через ИЛИ 8.3), который подключает ЭР 7 вместо ЭС 2.1, а также на первые входы элементов И 9.3, 9.4, однако на вторые входы элементов И 9.3 и 9.4 поступает сигнал низкого уровня с выхода элемента ИЛИ 8.1, который запрещает запуск Тр 13.1 и 13.2. Также импульсы с выходов ПЭК 11 объединяются в элементе ИЛИ 8.4 и замыкают ЭК 3.4, который подключает ЭР 7 к входу устройства. При первом импульсе ПЭК 11 элемент резерва 7 подключается вместо исправного РЭ 1 (состояние устройства 4.1 на фиг. 2) и состояние устройства не меняется (РЭ и ЭС отключены от выхода). При формировании второго импульса ПЭК 11 (состояние устройства 4.2 на фиг. 2) ЭР 7 подключается вместо отказавшего элемента ЭС 2.1 и на выходе К 5.1 появится сигнал высокого уровня, который инвертируется элементом НЕ 10.1 и снимает сигнал высокого уровня с выхода элемента И 9.2. ПЭК 11 перестанет формировать очередной импульс, но при этом текущий импульс продолжает поступать на первый вход одного из элементов И 9.3 или 9.4 (на рассматриваемом примере это 9.4), на второй вход которого подается единичный сигнал с выхода К 5.1 через элемент ИЛИ 8.1. Сигнал высокого уровня с выхода элемента И 9.4 запускает триггер 13.2, который удерживает замкнутыми ЭК 3.4 (через ИЛИ 8.4) и ЭК 3.6 (через ИЛИ 8.3). Также сигнал с выхода К 5.1 поступает на первый вход БУ 6, который замыкает ЭК 3.1 (состояние устройства 4.3 на фиг. 2), и устройство восстановления продолжает свою работу с обнаруженным исправным элементом. При отказе других элементов РЭ и/или ЭС на выходах компараторов К 5.1-5.3 также появятся сигналы низкого уровня, которые изменятся элементами НЕ 10.1-10.3 на высокие уровни и создадут на выходе элемента И 9.2 сигнал высокого уровня, который обнуляет Сч 12, триггеры 13.1, 13.2 и запускает ПЭК 11 для последовательной замены РЭ 1 и ЭС 2.1 элементом резерва. Процедура восстановления повторяется. Если исправных элементов среди РЭ и ЭС не будет обнаружено, то на выходах К 5.1-5.3 будут постоянно сигналы низкого уровня (состояния устройства 7.1, 7.2 на фиг. 2) и ПЭК 11 будет продолжать формировать последовательно импульсы. При появлении на входе Сч 12 второго импульса с первого выхода ПЭК 11, что соответствует повторному подключению ЭР 7 вместо РЭ 1 (состояние устройства 7.3 на фиг. 2), счетчик переполняется и на его выходе появится сигнал высокого уровня, поступающий на второй вход логического элемента И 9.1, на первый вход которого будет поступать сигнал высокого уровня с выхода К 5.4, если на его входе сигнал с выхода ЭР 7 превышает минимальный порог срабатывания, соответствующий минимальному уровню выходного сигнала устройства, что свидетельствует об исправности ЭР 7. Сигнал высокого уровня с выхода элемента И 9.1 останавливает ПЭК 11 и замыкает ЭК 3.4 (через ИЛИ 8.4) и ЭК 3.5 (через ИЛИ 8.2), а также поступает на четвертый вход БУ 6, который замыкает ЭК 3.1. Устройство восстановления продолжает работу с исправным элементом резерва 7. При отказе всех элементов (РЭ 1, ЭС 2.1, 2.2 и ЭР 7) на выходах К 5.1-5.4 будут сигналы низкого уровня и БУ 6 отключает выход устройства (состояние устройства 8 на фиг. 2). Произойдет полный отказ устройства восстановления.
Таким образом обеспечивается восстановление работоспособности резервированной с помощью мажоритарных элементов системы при отказе двух или всех трех элементов (РЭ и ЭС).
Техническое решение обладает новыми свойствами, а именно повышенной эффективностью функционирования резервированной с помощью мажоритарных элементов системы, обусловленной возможностью обнаружения факта отказа системы и подключения к нагрузке работоспособного элемента, так и замены элементом резерва всех трех отказавших элементов.
Для исследования вероятностных характеристик предлагаемого устройства восстановления работоспособности резервированной системы на основе структурной схемы (фиг. 1) были проведены расчеты по оценке вероятности его безотказной работы, а также аналогичной характеристики прототипа. При этом вероятности безотказной работы определялись по следующим формулам [Шевцов Г.А., Шеремет Е.М. Логическое резервирование. - Л.: Издательство Львовского университета, 1973, с. 60-61], полученным в предположении, что все элементы равнонадежны: для прототипа
для заявленного устройства
где p - вероятность безотказной работы элементов РЭ, ЭС и ЭР.
бп
бз
Результаты расчетов в виде зависимостей вероятностей безотказной работы систем Р (прототип) и Р (заявленное устройство) от значений вероятности безотказной работы элементов р приведены на фиг. 3.
Анализ полученных результатов показывает, что предлагаемое техническое решение позволяет в 1,87-1,11 раза повысить вероятность безотказной работы резервированной системы по сравнению с прототипом при значениях вероятностей безотказной работы элементов, равных соответственно 0,5-0,8.
Изложенные сведения свидетельствуют о возможности выполнения при реализации заявленного устройства восстановления работоспособности резервированной системы с помощью мажоритарных элементов следующей совокупности условий:
предлагаемое устройство восстановления работоспособности системы позволит обеспечить повышение эффективности функционирования системы за счет обнаружения факта отказа элементов системы, подключения к одному из работоспособных элементов дополнительного элемента резерва, обеспечивающего восстановление мажоритарного элемента, или замещения элементом резерва полностью отказавших элементов, то есть обеспечения работоспособности системы при отказе от двух до трех элементов, приводящих в выходу прототипа из строя, при одновременном сокращении времени выявления и устранения неисправностей в резервированной системе;
показана возможность реализации на практике заявленного устройства восстановления работоспособности системы в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
предлагаемое устройство восстановления работоспособности системы способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам предлагаемого устройства восстановления работоспособности системы, резервированной с помощью мажоритарных элементов. Выбор из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к сформулированному техническому результату признаков в заявленном устройстве восстановления работоспособности резервированной системы с помощью мажоритарных элементов, которые изложены в формуле изобретения. Поэтому изобретение соответствует критерию «новизна».
Для проверки соответствия изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен поиск и анализ известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с признаками предлагаемого устройства восстановления работоспособности резервированной системы с помощью мажоритарных элементов. Результаты поиска показали, что изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем. Изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
дополнение известного средства каким-либо известным блоком, присоединяемым к нему по известным правилам, для достижения технического результата;
замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата;
увеличение однотипных элементов для достижения сформулированного технического результата;
создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлен по известным правилам, а достигнутый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связями между ними.
Следовательно, изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемое техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», так как совокупность характеризующих его признаков обеспечивает возможность его существования, работоспособность и воспроизводимость, так как для реализации заявляемого технического решения могут быть использованы известные материалы и оборудование.
Пояснения к фиг. 2 (таблица):
И - объект исправен (функционирует нормально);
О - объект отказал (вышел из строя);
3 - электронный ключ замкнут;
Р - электронный ключ разомкнут.