СПОСОБ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ МАЖОРИТАРНОГО ЭЛЕМЕНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF THE SYSTEMS REDUNDANCY BY MEANS OF MAJORITY ELEMENT AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к сложным радиотехническим комплексам, автоматизированным системам управления, резервированным в интересах повышения надежности.
Известен способ резервирования, основанный на обнаружении отказов системы по месту, занимаемому ее выходным параметром (ВП) в вариационном ряде, образуемом мгновенными значениями ВП нескольких резервируемых элементов [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 45, 89-100]. Известно устройство реализации этого способа [там же], состоящее из нескольких резервируемых элементов (РЭ), входы которых соединены с входом системы, а выходы с входами логического устройства, выход логического устройства подключен к выходу системы.
Логическое устройство оценивает значения ВП резервируемых элементов и подключает на выход системы РЭ, ВП которого занимает определенное место в вариационном ряде выходных параметров. Признаком отказа элемента является изменение места его ВП в последовательности.
Недостатком данного способа резервирования и устройства его реализации является то, что надежность существенно зависит от выбора места k-го члена (элемента) вариационного ряда из т резервируемых элементов.
Известен способ резервирования систем, основанный на сравнении ВП рабочего элемента со среднеарифметическим значением ВП нескольких РЭ [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 35-36, 83-85]. Этот способ резервирования в основном используется для обнаружения постепенных отказов, так как в данном случае неизвестные истинные значения выходных параметров заменяются оценками (среднеарифметической величиной наблюденных значений). Известно устройство реализации данного способа [там же], состоящее из рабочего элемента и нескольких РЭ, устройства коммутации и последовательно соединенных суммирующего устройства, делителя, вычитающего устройства и блока управления, при этом входы элементов подключены к источнику сигнала, а выходы - к соответствующим входам суммирующего устройства, а устройство коммутации коммутируемым входом соединено с выходом рабочего элемента и вторым входом вычитающего устройства, управляемым входом - с выходом блока управления, а выходом - с выходом системы.
Сигналы разности с выхода рабочего элемента и среднего арифметического значения ВП рабочего и резервируемых элементов оцениваются в блоке управления, который отключает рабочий элемент от выхода системы при превышении сигналом разности заданного порога.
i
i
Недостатком данного способа и устройства его реализации является то, что внезапный отказ одного (любого) i-го РЭ приводит к недопустимому изменению выходного параметра системы на величину X/m (практически отказу) [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 84], где X - значение выходного параметра i-го РЭ, т - количество элементов в системе.
Наиболее близким по сущности и достигаемому эффекту (прототипом) является способ резервирования систем с помощью мажоритарного элемента. В этом случае состояние одного (рабочего) элемента сравнивают с состоянием ряда таких же резервируемых элементов [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 43-44, 60-61]. Данный способ главным образом используется для обнаружения внезапных отказов. Известно устройство реализации этого способа [там же], состоящее из нескольких резервируемых элементов, вычитающих и пороговых устройств, элементов коммутации и блока управления, при этом входы РЭ соединены с входом системы, а выходы - попарно с входами вычитающих устройств, вход каждого порогового устройства подключен к выходу соответствующего вычитающего устройства, а выход - к соответствующему управляющему входу блока управления, выходы которого подсоединены к управляющему входу соответствующего элемента коммутации, причем коммутируемые входы элементов коммутации соединены соответственно с выходами РЭ, а выходы - с выходом системы.
Сигналы с выходов РЭ попарно вычитаются в вычитающих устройствах и затем сравниваются в пороговых устройствах. Блок управления подключает один из резервируемых элементов (рабочий) через элемент коммутации, если значение его выходного параметра совпадает со значениями выходных параметров большинства РЭ. То есть, если разностный сигнал превысил порог, то на выходе соответствующего порогового устройства появляется сигнал о несовпадении выходных параметров РЭ, который поступает на соответствующий вход блока управления, который через элементы коммутации отключает данную пару РЭ от выхода системы.
i
Таким образом, признаком безотказности рабочего элемента является совпадение его состояния с состоянием большинства РЭ, то есть считают, что состояния рабочего и i-го РЭ одинаковы, если разность их выходных параметров X меньше ε: |X-X|<ε, где ε - абсолютное значение порога сравнения.
Недостаток данного способа и устройства его реализации в том, что они используются в основном для обнаружения внезапного отказа, когда значение порога ε выбирают из условия гарантированного обнаружения факта наступления такого вида отказа.
Способ может быть использован для обнаружения постепенных отказов, при этом значение порога ε выбирают исходя из рабочего диапазона сравниваемого параметра, вероятностей безотказной работы каждого i-го РЭ и всей резервированной системы [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 61-62].
Недостатком в этом случае является то, что значение порога не подстраивают по мере изменения вероятности безотказной работы i -го РЭ со временем, то есть старения, что не будет обеспечивать максимум вероятности безотказной работы всей резервированной системы по мере наработки.
Технический результат изобретения выражается в повышении вероятности безотказной работы резервированной системы при обнаружении как внезапных, так и постепенных отказов за счет подстройки значения порога сравнения выходных параметров резервируемых элементов по мере изменения вероятности безотказной работы каждого резервируемого элемента со временем, то есть наработкой.
Указанный результат достигается тем, что в известном способе резервирования системы с помощью мажоритарного элемента для обнаружения как внезапных, так и постепенных отказов, заключающемся в выборе значения порога для сравнения выходных параметров резервируемых элементов исходя из рабочего диапазона сравниваемого параметра РЭ, вероятностей безотказной работы каждого РЭ и всей резервированной системы, определении разностей выходных параметров (РВП) всех возможных пар РЭ, сравнении каждой РВП со значением порога в пороговых устройствах, определении числа s пороговых устройств, в которых РВП не превысила значение порога, и числа k пороговых устройств, в которых РВП превысила значение порога, при выполнении условия k<s подключении к выходу резервированной системы одного из РЭ, подключенных к пороговым устройствам, входящим в число s, через соответствующее вычитающее устройство и отключении всех РЭ от выхода резервированной системы при выполнении условия k>s, то есть отказе системы, дополнительно предварительно определяют зависимости вероятностей безотказной работы каждого РЭ от наработки, на основании которых находят зависимость вероятности безотказной работы резервированной системы от наработки и значения порога для сравнения выходных параметров РЭ, рассчитывают значение порога, обеспечивающего максимум вероятности безотказной работы резервированной системы, подстраивают значение порога в пороговых устройствах в соответствии с наработкой РЭ.
Указанный результат достигается тем, что в устройство реализации способа резервирования системы с помощью мажоритарного элемента, содержащее i=1…I резервируемых элементов (РЭ), вычитающие устройства (ВУ), пороговые устройства (ПУ), элементы коммутации (ЭК) и блок управления (БУ), при этом входы РЭ соединены с входом системы, а выходы - попарно с входами вычитающих устройств, вход i-го ПУ подключен к выходу i-го ВУ, а выход - к i-му входу БУ, i-й выход которого подсоединен к управляющему второму входу i-го ЭК, причем коммутируемые первые входы i-го ЭК соединены соответственно с выходами i-го РЭ, а выходы - с выходом системы, дополнительно второй вход i-го ПУ соединен с i+I-м выходом БУ, в котором осуществляется расчет значения порога для каждого ПУ по заложенным зависимостям вероятностей от наработки.
На фиг. 1 показана схема устройства, реализующего способ-прототип.
На фиг. 2 показана схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство-прототип (фиг. 1) содержит i=1…I резервируемых элементов РЭ1.i, вычитающие устройства ВУ2.i, пороговые устройства ПУ3.i, элементы коммутации ЭК5.i и блок управления БУ4, при этом входы РЭ1 соединены с входом системы, а выходы - попарно с входами ВУ2, вход ПУ3.i подключен к выходу ВУ2.i, а выход - к i-му входу БУ4, i-й выход которого подсоединен к управляющему второму входу ЭК5.i, причем коммутируемый первый вход ЭК5.i соединен с выходом РЭ1.i, а выход - с выходом системы.
Принцип действия устройства, реализующего способ-прототип, состоит в следующем. Входной сигнал системы поступает на входы элементов РЭ1, выходные сигналы с которых попарно подаются в вычитающие устройства ВУ2. Сигналы разностей с каждого ВУ2 поступает в соответствующее ПУ3, где сравниваются с пороговым значением. Если на выходе какого-либо ПУ3 появляется сигнал, сигнализирующий о несоответствии выходных параметров РЭ1, подключенных к данному ПУ3 через соответствующий ВУ2, то блок управления БУ4 отключает через соответствующий ЭК5 эту пару РЭ от выхода системы, а подключает к выходу системы одного из РЭ1, значение выходного параметра которого не отличается от выходного параметра большинства РЭ1.
В предлагаемом устройстве (фиг. 2), в отличие от устройства-прототипа, второй вход ПУ3.i соединен с i+I-м выходом БУ4.
Это устройство функционирует аналогично устройству-прототипу за исключением того, что значение порога для каждого ПУ3 задается с БУ4 в зависимости от наработки РЭ1, подключенных к данному ПУЗ через соответствующий ВУ2.
Сущность изобретения заключается в том, что значение порога выбирают исходя из вероятностей безотказной работы каждого i -го РЭ с учетом их наработки.
Как известно, интенсивность постепенных отказов элементов и устройств в системе изменяется в ходе наработки [А.Г. Галкин, А.А. Ковалев. Основы теории надежности. Изд. Екатеринбург, УрГПС, 2019, с. 5-6], соответственно изменяются и вероятности их безотказной работы [А.Г. Галкин, А.А. Ковалев. Основы теории надежности. Изд. Екатеринбург, УрГПС, 2019, с. 18, 35-36]. Такие зависимости интенсивностей отказов и вероятностей безотказной работы элементов и устройств от наработки могут быть получены в ходе проведения опытно-конструкторских работ (например, предварительных испытаний) по созданию опытных образцов в виде математических функций или аппроксимированы соответствующими математическими выражениями.
Изменение (уменьшение) вероятности безотказной работы каждого элемента резервирования со временем приводит к изменению (уменьшению) вероятности безотказной работы всей резервированной системы. В ранее выполненных работах [Волобуев М.Ф. и др. Способ обнаружения наступления постепенного отказа в двухканальной резервированной системе. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, №12, 2015] были получены зависимости вероятности обнаружения постепенного отказа и безотказной работы резервированной системы при различных вероятностях безотказной работы одного резервируемого элемента от соотношения порог/рабочий диапазон параметра. В соответствии с полученными зависимостями вероятность безотказной работы резервированной системы имеет экстремум - максимальные значение, то есть при известной вероятности безотказной работы резервируемого элемента и рабочего диапазона сравниваемого параметра можно определить значение порога порогового устройства, обеспечивающего максимум вероятности безотказной работы резервированной системы.
Так, например, при вероятности безотказной работы резервируемого элемента, равной 0,9, максимум вероятности безотказной работы резервированной системы с модернизированной мажоритарной логикой обеспечивается при соотношении порог/рабочий диапазон параметра, равном 0,5, а при вероятности 0,7 - при соотношении, равном 0,6.
Как сказано выше, функция зависимости интенсивностей отказов и изменения вероятности безотказной работы РЭ от времени (наработки) может быть получена в ходе предварительных испытаний опытных образцов. В соответствии с данной функцией может быть получена зависимость вероятности безотказной работы резервированной системы от наработки и значения порога. Далее из зависимости можно определить соотношение порог/рабочий диапазон выходного параметра РЭ, при котором обеспечивается максимум вероятности безотказной работы резервированной системы, для данной наработки РЭ, а при заданном рабочем диапазоне выходного параметра РЭ рассчитать значение порога.
Расчет значения порога по заложенным зависимостям вероятностей от наработки осуществляется в БУ4, в котором также запускается таймер для определения наработки каждого резервируемого элемента.
Вычитающие устройства, пороговые устройства и элементы коммутации могут быть построены с использованием широко распространенной аналоговой или аналого-цифровой элементной базы, а блок управления, например, на микроконтроллере.
Изложенные сведения свидетельствуют о возможности реализации заявленного способа резервирования системы и устройства его реализации.
Таким образом, заявленные способ резервирования систем и устройство его реализации обеспечивают повышение вероятности безотказной работы резервированной системы при обнаружении как внезапных, так и постепенных отказов за счет подстройки значения порога сравнения выходных параметров резервируемых элементов по мере изменения вероятности безотказной работы каждого резервируемого элемента со временем, то есть наработкой.