アクティブ冗長性

アクティブ冗長性は、最も重要なメンテナンス アクションを自動化することで運用の可用性を高め、運用コストを削減する設計コンセプトです。

この概念は、状態基準保全や障害報告に関連しています。^[1]

最初の要件は、第一次世界大戦中の軍事戦闘システムから始まりました。生存性を確保するために使用されたアプローチは、銃撃に耐える厚い装甲板​​を設置し、複数の銃を搭載することでした。

冷戦時代に航空機やミサイルシステムが普及すると、これは手が出せず非現実的になった。

新しいアプローチは、コンポーネントが損傷しても動作し続ける分散システムを構築することでした。これは、特定のルールに従って再構成を実行する非常に粗雑な形態の人工知能に依存しています。このアプローチの例は、AN/UYK-43コンピューターです。

通常の動作中に障害を修正するための修正作業が望ましくない、または非現実的な重要なシステムには、アクティブな冗長性を含む正式な設計哲学が必要です。

民間航空機には、飛行中の機器の単一の故障によって人命が失われることがないように、複数の冗長コンピューティング システム、油圧システム、および推進システムが搭載されている必要があります。

この研究の最近の成果はインターネットです。インターネットは、障害発生時に人間の介入なしに通信を自動的に再ルーティングする機能を提供するルーターのバックボーンに依存しています。

地球の周回軌道に投入された衛星には、通常の故障、放射線による故障、熱衝撃による故障にもかかわらず、10 年以上運用を継続できるように、大規模なアクティブ冗長性が備わっていなければなりません。

この戦略は現在、宇宙システム、航空機、ミサイル システムを支配しています。

メンテナンスには、通常、ダウンタイムと優先度の高い人件費を伴う 3 つのアクションが必要です。

• 自動障害検出
• 自動障害分離
• 自動再構成

アクティブ冗長性により、3 つのアクションすべてが自動化され、ダウンタイムがなくなり、必要な人員が削減されます。これには、ある程度の自動化された人工知能が必要です。

N は必要な機器を表します。余剰容量の量は、障害の影響を制限することでシステム全体の信頼性に影響します。

たとえば、都市に電力を供給するのに 2 台の発電機が必要な場合、「N+1」は 1 台の故障を許容する発電機 3 台になります。同様に、「N+2」は発電機 4 台になり、2 台目の発電機がすでに故障しているときに 1 台の発電機が故障してもかまいません。

アクティブ冗長性により、運用の可用性が次のように向上します。

${\displaystyle A_{o}^{N}=0.99\ up\ time}$

${\displaystyle \approx 失敗\ 90\ 時間/年}$

${\displaystyle A_{o}^{N+1}=1-\left((1-A_{o}^{N})\times (1-A_{o}^{N})\right)=0.9999\ up\ time}$

${\displaystyle \approx failed\ 50\ minutes/year}$

${\displaystyle A_{o}^{N+2}=1-\left((1-A_{o}^{N})\times (1-A_{o}^{N})\times (1-A_{o}^{N})\right)=0.999999\ up\ time}$

${\displaystyle \approx failed\ 30\ 秒/年}$

パッシブ コンポーネントのアクティブ冗長性には、ケーブルや配管などの障害発生時に負荷を分散する冗長コンポーネントが必要です。

これにより、車両がケーブルを破断した場合に橋梁全体の力が再分配され、破損を防ぐことができます。^[2]

これにより、限られた数のバルブが閉じられたり、ポンプが停止したりしても、水の流れをパイプを通じて再分配することができます。^[3]

アクティブ コンポーネントのアクティブ冗長性では、障害発生時に再構成が必要です。コンピュータ プログラミングは障害を認識し、自動的に再構成して動作を復元する必要があります。

最新のコンピューターはすべて、障害報告によって既存の機能を有効にすると、次の機能を提供します。

• 自動障害検出
• 自動障害分離

冗長化された推進システムを備えたハイブリッド車のトランスミッション設定など、機械装置を再構成する必要があります。バッテリー電源が切れると、石油エンジンが始動します。

電力システムは、木が電線に倒れるなど、小さな障害が発生した場合にシステム全体の障害を防ぐために、2 つのアクションを実行する必要があります。電力システムには、通信、スイッチング、および自動スケジュールが組み込まれており、これらのアクションを自動化できます。

• 障害を隔離するために損傷した電力線をシャットダウンする
• 電圧と周波数の逸脱を防ぐために発電機の設定を調整する

これは、高可用性を実現できる唯一の既知の戦略です。

このメンテナンス哲学では、追加のコンポーネントを使用したカスタム開発が必要です。

• 運用上の可用性
• 障害報告
• データセンター層
• 可用性ゾーン