5.Мажоритарний метод.

Метод Дж. Фон Неймана, який найчастіше називають мажоритарним. Це, по суті, постійне резервування із логічним переключенням на резервні елементи. У найпростішому випадку метод потребує мінімум потроїння апаратних витрат. Схема включення елементів структури показана на рис.

На всі три елементи подаються однакові вхідні сигнали Вихідні сигнали надходять на так званий відновлюючий орган (ВО), функція якого полягає в утворенні результуючого сигналу за більшістю значень у_1,у₂,у₃ (вхідні сигнали для ВО “голосують”). Для двійкових сигналів функцію ВО можна записати так

– це так звана мажоритарна функція алгебри логіки, звідси й одна із назв методу. По суті, значення сигналу, який відрізняється від інших, ігнорується.

При більших рівнях надлишковості алгоритм прийняття рішень залишається таким самим – вихідний сигнал ВО визначається більшістю значень вхідних сигналів. Для ймовірності безвідмовної структури при -кратному резервуванні можна записати

де, як і раніше, р ймовірність безвідмовної роботи одного елемента структури; - відповідна ймовірність ВО; для парних і для непарних. Зауважимо, що в входить як множник і тому обмежує значення , тобто завжди менше . Це є принциповою вадою структури на рис.1.8 , яка має назву однолінійної.

Для того, щоб зняти це обмеження, застосовують багатолінійні структури (рис. 1.9), в яких ВО теж - кратно резервується. Для таких структур можна записати

.

Рис.1.9.

Найважливішим для таких структур є зниження обмежень на надійність ВО та можливість досягнення будь-якої високої надійності структури при зростанні рівня надлишковості . Теоретично при деяких несуттєвих обмеженнях на початковий рівень надійності елементів при (рис. 1.10). Це означає, що за рахунок надлишковості можна побудувати практично абсолютно надійні структури із компонентів, які мають обмежену надійність.

Окрім надлишковості для багатолінійних структур є характерним багатолінійні зв’язки між послідовними каскадами структури (Дж. Фон Нейман назвав їх “пучками зв’язків”), тобто всі сигнали в такій структурі розповсюджуються по багатьом каналам, що також сприяє підвищенню надійності. Однак з практичної точки зору виникає проблема “останнього ВО”, оскільки користувач повинен мати не сигналів, а один. З цього виходить, що на кінцевому виході необхідно буде об’єднати сигнали, і цей останній ВО буде обмежувати надійність цієї структури.

Рис. 1.10.

На користь ефективності багатолінійних мажоритарних структур свідчать також дослідження нейрофізіологів: є деякі підстави вважати, що саме за таким принципом побудована більшість біологічних систем, зокрема наш мозок. Ті ж дослідження показують, що надлишковість біологічних систем на клітинному рівні дуже висока (принаймні, мова йде про порядки).

Для технічних об’єктів навіть для сучасної мікроелектроніки такий рівень, звичайно, нереальний. На сьогодні у випадках, коли необхідно забезпечити високий рівень надійності найчастіше застосовують потроїння апаратури ( ), в деяких особливо відповідальних випадках застосування , але більші рівні надлишковості є вже винятком.

Не звавжаючи на поширеність мажоритарного методу, слід мати на увазі, що при цей метод не є оптимальним. Щоб довести це, розглянемо, наприклад, структуру з . Така структура при відмові одного елемента залишається ще працездатною, але вже при двох несправних елементах перестає правильно функціювати (значення двох сигналів на входах ВО дорівнює 1 і двох – 0, більшості немає). В той же час в структурі ще залишається два повністю працездатних елемента, а сама структура вже непрацездатна (!). Із цієї точки зору принцип більшості не є найкращим.