冗余设计：轨道交通RAMS工程可靠性提升

冗余设计是提高产品可靠性的有效手段之一。所谓冗余，是指产品所包含的为完成规定功能所必不可少的组成部分的额外附加成分。在产品设计中应避免因任何单点故障导致任务中断和人员损伤，如果不能通过设计来消除这种影响任务或安全的单点故障模式，就必须设法使设计对故障的原因不敏感或采用容错设计技术。冗余技术是最常用的容错技术，但采用冗余设计必须综合权衡，并使由冗余所获得的可靠性不要被由于构成冗余布局所需的转换器件、误差检测器和其他外部器件所增加的故障率所抵消。

对产品进行冗余设计，就是对设计部分并联相同（或不同）的单元、冗余单元和原单元实现相同的功能。冗余设计有热备冗余、温备冗余和冷备冗余等。

1.冗余设计的基本原则

冗余形式的选取如图3-1所示。

（1）无表决无转换结构 该系统是当系统中任一单元发生故障时，不需要外部部件对故障的检测、判断和转换等功能的系统，如并联、串联系统。

（2）有表决无转换的结构 指结构中的任一个部件或通道发生故障时，需要一个外部元件检测和作出判断（即表决），但不要完成转换功能的系统，如多数逻辑系统、多重线网络系统及编码余度系统等（即表决系统）。

（3）有表决有转换的结构 指当结构中一个部件或通道故障时，需要一个外部元件检测、判断和转换到另一个部件或通道，以代替故障部件或通道的系统，如备份式冗余、控制和双重冗余度等系统（即旁联或储备系统）。

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图3-1 冗余形式图

2.冗余度的选择问题

冗余度指冗余部件所用硬件数与非冗余部件硬件数的比值。理论上虽然认为冗余度越高则可靠度越高，但由于冗余系统消耗的元器件很多，元件的价格费用也增加，性价比大大提高。除此之外，还要考虑检测及连接电路的影响问题。冗余度越高，检测及连接越复杂，可靠性还要受到新的影响，因此要适当地选择冗余度。

3.冗余级别的选择

一个复杂的系统有系统、分系统、部件、模块、电路及元件等不同级别，为了提高可靠性，冗余系统选在哪级别上比较合适，除了考虑元器件的重要度以外，还应该从提高系统可靠度方面进行研究。

4.备份切换

备份切换是动态冗余的一种简单形式。在备份切换前，只有一个系统工作，当它发生故障时，立即切换到其他备份系统继续进行工作。