可靠性設計方法：冗余設計

作者：admin 時間：2022-10-14

余度設計(又稱冗余設計)：為了獲得高任務可靠性、高性和高生存能力的設計方法。

基本思路是以可靠性較低的基礎元器或零部件，采用增加多余的資源，來獲得較高的任務可靠性。

例如航天里的返回艙降落傘，就有冗余設計。國內目前多為單傘，但它是有備份傘的，一旦這個傘失效，備份傘就會啟動。而國外采用多傘互為備份居多，比如下面右邊這幅圖，有一個降落傘失敗了，但是它還有兩個降落傘，不影響工作。

哪種方式更好，其實各有優劣。但未來航天器如果越來越大，那應該還是多傘的載重能力大一些。

下面舉一些身邊的例子來理解下冗余設計的準則。

冗余設計準則：

1、當簡化設計、降額設計及選用的高可靠性的零部件、元器件仍然不能滿足任務可靠性要求時，則應采用冗余設計。

這個很好理解，其他不能滿足時，再多加一道保險去完成。例如我們做軟水機，擔心一個可能的情況，在完成任務的時候，剛好用戶家停電了，或者說因為某種原因，電源適配器壞了。這個時候，如果沒有備用方案，后，由于沒電，電機不能走到關閉工位，水一直關不住，最后漏水。所以我們還有個備用的電池。一旦發生了這類情形，電池就派上了用場。

2、在重量、體積、成本允許的條件下，選用冗余設計比其他可靠性設計方法更能滿足任務可靠性要求。

這個用概率論就能很好的解釋。比如某將領說的導彈命中概率70%，一次發射三顆發命中率是210%，沒學好概率論，實際是1-(1-0.7)^3=97.3%。

冗余大大提高了任務可靠性。只要你有錢，發射導彈，那可以認為會命中。

3、影響任務成功的關鍵部件如果具有單點故障模式，則應考慮采用冗余設計技術。

舉一個UPS電源的例子來理解。

UPS(Uninterruptible Power Supply)是一種含有儲能裝置的不間斷電源，主要用于給部分對電源穩定性要求較高的設備，提供不間斷的電源。例如，服務器會考慮備用電源。

為了消除單點故障，高等級數據中心通常采用2N冗余系統。該系統是指由兩套或多套UPS系統組成的冗余系統，每套UPS系統N臺UPS設備的總容量為系統的基本容量。該系統從交流輸入經UPS設備直到雙電源輸入負載，是彼此隔離的兩條供電線路，也就是說，在供電的整個路徑中的所有環節和設備都是冗余配置的，正常運行時，每套UPS系統僅承擔總負荷的一部分。這種多電源系統冗余的供電方式，克服單電源系統存在的單點故障瓶頸，對于少數單電源設備的情況，可通過安裝小型STS設備，保證其供電可靠性。采用2N冗余系統可用性得到明顯提高。

4、硬件的冗余設計一般在較低層次（設備、部件）使用，功能冗余設計一般在較高層次（分系統、系統）進行。

例如下面這個晶體管模塊，就是有冗余的，在部件的層面去實現。