التكرار (الهندسة)

في الهندسة ونظرية النظم ، التكرار هو التكرار المتعمد للمكونات أو الوظائف الحرجة للنظام بهدف زيادة موثوقية النظام ، وعادة ما يكون ذلك في شكل نسخة احتياطية أو نظام أمان ضد الأعطال ، أو لتحسين أداء النظام الفعلي، كما هو الحال في أجهزة استقبال GNSS ، أو معالجة الكمبيوتر متعددة الخيوط .

في العديد من الأنظمة بالغة الأهمية للسلامة ، مثل أنظمة التحكم الإلكتروني وأنظمة الهيدروليك في الطائرات ، قد تُكرر بعض أجزاء نظام التحكم ثلاث مرات، ^{[ 1 ]} وهو ما يُعرف رسميًا بالتكرار المعياري الثلاثي (TMR). في هذه الحالة، يُمكن التغلب على خطأ في أحد المكونات من خلال تصويت المكونين الآخرين. في النظام ذي التكرار الثلاثي، يتكون النظام من ثلاثة مكونات فرعية، ويجب أن تتعطل جميعها قبل أن يتعطل النظام بأكمله. نظرًا لأن كل مكون نادرًا ما يتعطل، ولأن المكونات الفرعية مصممة لمنع أنماط الأعطال الشائعة (والتي يُمكن نمذجتها كأعطال مستقلة)، فإن احتمال تعطل المكونات الثلاثة يُحسب على أنه ضئيل للغاية؛ وغالبًا ما تفوقه عوامل الخطر الأخرى، مثل الخطأ البشري . تُعد الارتفاعات المفاجئة في التيار الكهربائي الناتجة عن الصواعق مثالًا على نمط عطل يصعب عزله تمامًا، إلا إذا كانت المكونات تعمل من خطوط طاقة مستقلة ولا يوجد مسار كهربائي مباشر في وصلاتها البينية (يلزم وجود وسيلة اتصال ما للتصويت). قد يُعرف التكرار أيضاً بمصطلحات "أنظمة التصويت بالأغلبية" ^{[ 2 ]} أو "منطق التصويت". ^{[ 3 ]}

قد يؤدي التكرار أحيانًا إلى تقليل الموثوقية بدلًا من زيادتها، إذ يخلق نظامًا أكثر تعقيدًا وعرضة لمشاكل متنوعة، وقد يؤدي إلى إهمال الأفراد لواجباتهم، وقد يؤدي إلى زيادة متطلبات الإنتاج التي قد تجعل النظام أقل أمانًا نتيجة الإجهاد الزائد. ^{[ 4 ]} 

يُعد التكرار أحد أشكال المتانة كما هو ممارس في علوم الحاسوب .

أصبح التكرار الجغرافي مهماً في صناعة مراكز البيانات ، لحماية البيانات من الكوارث الطبيعية وعدم الاستقرار السياسي (انظر أدناه).

في علوم الحاسوب، هناك أربعة أشكال رئيسية للتكرار: ^{[ 5 ]}

• التكرار في الأجهزة، مثل التكرار المعياري المزدوج والتكرار المعياري الثلاثي
• تكرار المعلومات، مثل أساليب اكتشاف الأخطاء وتصحيحها
• التكرار الزمني، أي تنفيذ نفس العملية عدة مرات مثل تنفيذ برنامج عدة مرات أو نسخ متعددة من البيانات المنقولة
• تكرار البرامج مثل برمجة الإصدارات المتعددة

قد يكون الشكل المعدل لتكرار البرمجيات، المطبق على الأجهزة، كما يلي:

• التكرار الوظيفي المتميز، مثل وجود نظامي كبح ميكانيكي وهيدروليكي في السيارة. وينطبق هذا في حالة البرمجيات، حيث تُكتب التعليمات البرمجية بشكل مستقل ومختلف تمامًا ولكنها تُنتج نفس النتائج لنفس المدخلات.

عادةً ما تُصمَّم المنشآت بأجزاء احتياطية، لضمان عدم انهيار المنشأة بأكملها في حال تعطل أحد أجزائها. تُسمى المنشأة التي تفتقر إلى هذه الأجزاء الاحتياطية " منشأة حرجة للكسر" ، أي أن عطلًا واحدًا في أحد مكوناتها قد يتسبب في انهيارها بالكامل. ومن الأمثلة على الجسور التي انهارت بسبب نقص الأجزاء الاحتياطية: جسر سيلفر وجسر الطريق السريع 5 فوق نهر سكاجيت .

تُظهر الأنظمة المتوازية والمدمجة مستويات مختلفة من التكرار. وتُعدّ هذه النماذج موضوع دراسات في هندسة الموثوقية والسلامة. ^{[ 6 ]}

تتمثل وظيفتان للتكرار في التكرار السلبي والتكرار النشط . تمنع كلتا الوظيفتين انخفاض الأداء عن تجاوز حدود المواصفات دون تدخل بشري باستخدام سعة إضافية.

تستخدم تقنية التكرار السلبي سعةً فائضةً للحد من تأثير أعطال المكونات. ومن أشكالها الشائعة تعزيز قوة الكابلات والدعامات المستخدمة في الجسور. تسمح هذه القوة الإضافية لبعض المكونات الإنشائية بالتعرض للعطل دون انهيار الجسر. وتُعرف هذه القوة الإضافية المستخدمة في التصميم بهامش الأمان.

تُعدّ العينان والأذنان مثالين عمليين على التكرار السلبي. ففقدان البصر في إحدى العينين لا يُسبب العمى، ولكنه يُضعف إدراك العمق . كما أن فقدان السمع في إحدى الأذنين لا يُسبب الصمم، ولكنه يُفقد القدرة على تحديد اتجاه الصوت. ويرتبط انخفاض الأداء عادةً بالتكرار السلبي عند حدوث عدد محدود من الأعطال.

تُساهم خاصية التكرار النشط في الحد من انخفاض الأداء من خلال مراقبة أداء كل جهاز على حدة، وتُستخدم هذه المراقبة في منطق التصويت. ويرتبط منطق التصويت بعملية تبديل تُعيد تكوين المكونات تلقائيًا. ويُعدّ اكتشاف الأخطاء وتصحيحها، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، مثالين على التكرار النشط.

يُعدّ توزيع الطاقة الكهربائية مثالاً على التكرار النشط. تربط عدة خطوط كهربائية كل محطة توليد طاقة بالمستهلكين. يحتوي كل خط كهربائي على أجهزة مراقبة لكشف الأحمال الزائدة، بالإضافة إلى قواطع دوائر كهربائية. يوفر هذا الترابط بين الخطوط الكهربائية سعة فائضة. تفصل قواطع الدوائر الكهربائية خط الطاقة عند اكتشاف أجهزة المراقبة حملاً زائداً، ثم يُعاد توزيع الطاقة عبر الخطوط المتبقية. في مطار تورنتو، توجد أربعة خطوط كهربائية احتياطية، يُزوّد ​​كل منها المطار بأكمله بالطاقة الكافية. تستخدم محطة فرعية للشبكة نقاط ترحيل التيار العكسي لفتح قواطع الدوائر الكهربائية للخطوط المعطلة، مع السماح باستمرار تدفق الطاقة إلى المطار.

تستخدم أنظمة الطاقة الكهربائية جدولة الطاقة لإعادة تهيئة التكرار النشط. تقوم أنظمة الحوسبة بتعديل إنتاج كل محطة توليد عند فقدان محطات توليد أخرى فجأة. وهذا يمنع انقطاع التيار الكهربائي أثناء الكوارث الكبرى مثل الزلازل.

يقول تشارلز بيرو ، مؤلف كتاب "الحوادث العادية "، إن التكرار في بعض الأحيان يأتي بنتائج عكسية، فيؤدي إلى انخفاض الموثوقية بدلاً من زيادتها. وقد يحدث هذا بثلاث طرق: أولاً، تؤدي أجهزة السلامة الزائدة إلى نظام أكثر تعقيداً، وأكثر عرضة للأخطاء والحوادث. ثانياً، قد يؤدي التكرار إلى تهرب العمال من المسؤولية. ثالثاً، قد يؤدي التكرار إلى زيادة ضغوط الإنتاج، مما ينتج عنه نظام يعمل بسرعات أعلى، ولكن بأمان أقل. ^{[ 4 ]}

تستخدم منطق التصويت مراقبة الأداء لتحديد كيفية إعادة تهيئة المكونات الفردية لضمان استمرار التشغيل دون تجاوز قيود مواصفات النظام ككل. غالبًا ما تتضمن منطق التصويت أجهزة حاسوب، ولكن يمكن إعادة تهيئة الأنظمة المكونة من عناصر أخرى غير الحواسيب باستخدام منطق التصويت. تُعد قواطع الدائرة مثالًا على شكل من أشكال منطق التصويت غير الحاسوبي.

أبسط منطق تصويت في أنظمة الحوسبة يتألف من مكونين: أساسي وبديل. يعمل كلاهما ببرمجيات متشابهة، لكن مخرجات البديل تظل غير نشطة أثناء التشغيل العادي. يراقب الأساسي نفسه ويرسل دوريًا رسالة تنبيه إلى البديل طالما أن كل شيء على ما يرام. تتوقف جميع مخرجات الأساسي، بما في ذلك رسالة التنبيه، عندما يكتشف عطلًا. يُفعّل البديل مخرجاته ويتولى المهمة من الأساسي بعد تأخير قصير عند توقف رسالة التنبيه. قد تتسبب الأخطاء في منطق التصويت في تفعيل أو تعطيل كلا المخرجين في الوقت نفسه، أو في تذبذب إشارات المخرجات.

تعتمد إحدى طرق التصويت الأكثر موثوقية على استخدام عدد فردي من الأجهزة، ثلاثة أو أكثر. تؤدي جميعها وظائف متطابقة، ويتم مقارنة مخرجاتها بواسطة آلية التصويت. تُحدد آلية التصويت الأغلبية عند وجود اختلاف، وتعمل هذه الأغلبية على تعطيل مخرجات الأجهزة الأخرى المخالفة. لا يؤثر عطل واحد على التشغيل الطبيعي. تُستخدم هذه التقنية في أنظمة إلكترونيات الطيران ، مثل تلك المسؤولة عن تشغيل مكوك الفضاء .

كل مكون مكرر يُضاف إلى النظام يقلل من احتمالية فشل النظام وفقًا للصيغة التالية:

${\displaystyle {p}=\prod _{i=1}^{n}p_{i}}$

أين:

• ${\displaystyle n}$– عدد المكونات
• ${\displaystyle p_{i}}$– احتمال تعطل المكون i
• ${\displaystyle p}$– احتمال تعطل جميع المكونات (فشل النظام)

تفترض هذه الصيغة استقلالية أحداث الأعطال. وهذا يعني أن احتمال تعطل المكون (ب) إذا كان المكون (أ) قد تعطل بالفعل هو نفسه احتمال تعطل (ب) إذا لم يتعطل (أ). إلا أن هذا الافتراض غير منطقي في بعض الحالات، مثل استخدام مصدرَي طاقة موصولين بنفس المقبس بحيث إذا تعطل أحدهما ، سيتعطل الآخر أيضاً.

ويفترض ذلك أيضاً أن هناك حاجة إلى مكون واحد فقط للحفاظ على تشغيل النظام.

يمكنك تحقيق توافر أعلى من خلال التكرار. لنفترض أن لديك ثلاثة مكونات زائدة: أ، ب، ج. يمكنك استخدام الصيغة التالية لحساب توافر النظام ككل:

توافر المكونات الزائدة = 1 - (1 - توافر المكون أ) × (1 - توافر المكون ب) × (1 - توافر المكون ج) ^{[ 18 ] [ 19 ]}

وبناءً على ذلك، إذا كان لديك N مكونًا متوازيًا، كل منها يتمتع بتوافر X، فإن:

توافر المكونات المتوازية = 1 - (1 - X)^ N

يمكن أن يؤدي استخدام المكونات الاحتياطية إلى زيادة توافر النظام بشكل كبير. ^{[ 19 ]}  على سبيل المثال، إذا كان توافر كل مضيف لديك 50% فقط، فباستخدام 10 مضيفات بالتوازي، يمكنك تحقيق توافر بنسبة 99.9023%.

تجدر الإشارة إلى أن التكرار لا يؤدي دائمًا إلى زيادة التوافر. في الواقع، يزيد التكرار من التعقيد، مما يقلل بدوره من التوافر. ووفقًا لمارك بروكر، للاستفادة من التكرار، يجب التأكد مما يلي: ^{[ 20 ]}

1. تحقق تحسناً إيجابياً صافياً في التوافر الإجمالي لنظامك
2. تتعطل مكوناتك الزائدة بشكل مستقل
3. يستطيع نظامك اكتشاف المكونات الزائدة السليمة بشكل موثوق
4. يمكن لنظامك أن يتوسع ويتقلص بشكل موثوق بين المكونات الزائدة.

• نظام دفع آمن باستخدام نظام تحكم متطور زائد عن الحاجة
• استخدام خطوط الطاقة كقناة اتصال احتياطية
• فلاميني، فرانشيسكو؛ ماروني، ستيفانو؛ مازوكا، نيكولا؛ فيتوريني، فاليريا (2009). "نهج نمذجة جديد لتقييم سلامة أنظمة الحاسوب المتكررة ذات الوحدات النمطية المتعددة في ظل وجود صيانة غير مثالية". هندسة الموثوقية وسلامة الأنظمة . 94 (9): 1422-1432 . arXiv : 1304.6656 . doi : 10.1016/j.ress.2009.02.014 . S2CID 6932645 .