冗余是什么意思_冗余的定义和设计

互联网上对于冗余的专项研究寥寥，然而无论是产品使用流程规划还是系统设计，冗余都应该成为一种思考的尺度和方式，帮助我们做出更好的选择。 什么是冗余？ 维基百科中冗余的定义是： 系统为了提升其可靠度，刻意配置重复的零件或是机能。 冗余是系统视角中才有的独特概念，冗余无法单独存在。如我们可以说数据异地备份是数据存储系统的冗余设计，但是不能说数据存储在 3 个不同地理位置的机房是冗余。 我对于冗余的兴趣，最早来自学校的打印店。很多大部头的书或者论文（虽然很多文字是无意义的废话）打印出来进行热胶装。由于纸张没有办法十分精准地对齐，打印店通常都会用一个机器裁切：将装订好的书本放进去，然后调整好尺寸，之后师傅双手需要同时按住位于机器左右两侧的按钮，铡刀才会下来将书本裁剪整齐。 从机械设计来说，一个按钮也可以实现闸刀的起落，因此起初我以为是机器型号所导致的按钮设置，直到我写了更多无用的长篇论文，在不同打印店里见证了一次又一次铡刀的起起落落，才发现按钮在机器的两侧其实是一种标准设计。 很多公司的热饮水机也加入了类似的冗余设计：如果想要出热水，需要额外按住一个功能键，以防止误操作导致被烫伤。 今年受疫情影响，我们在家里办公了很长一段时间。为了保证每位员工没有在家划水，老板开始要求每天写日报、每天开晨会同步当天工作内容与进展。从公司运行系统来讲，晨会和日报的制度，也是在 KPI、双月绩效之外的一种冗余设计。 所以，我又重新激发了对于冗余的兴趣，特别感兴趣的是冗余的必要性，以及它与效率之间的关系。 冗余设计 只要仔细观察，你会发现冗余在生活、工作中无处不在，甚至在人的身体器官中，眼睛、耳朵等器官的双备份机制也是一种冗余机制，保证人体的正常运转。 工程中的冗余设计 冗余设计在工程中应用非常广泛。 今年 3 月，旗下的猎鹰 9 号成功发射，但是回收失败，因为在发射过程中，猎鹰 9 号的其中 1 个发动机爆炸，得益于猎鹰 9 号动力系统的冗余设计，火箭上共有 9 台发动机，其中 1 台发生了爆炸之后，其他发动机继续正常工作，才保证卫星正常进入轨道中。 在航天飞机中，冗余设计更是随处可见。引用一篇介绍 NASA 冗余设计的文章： 航天飞机……而是依靠四台独立的计算机运行相同的导航和制导软件，并接收相同的数据输入。这四台计算机作为民主的缩影而运作。它们中的三台计算机必须就它们所衡量的内容达成共识，才能采取行动。 如果三台计算机同意，而第四台计算机不同意，那么出现这种情况宇航员就会关机或重新启动它。这就使得避免灾难或代价高昂的停顿所需的快速决策成为必要。如果多台计算机出现故障，或者无法达成共识，那么一台同样可以访问航天飞机控制系统的额外计算机就可以接管。它可以进行预编程的粗略（但安全）的上升、中止和再入。 ——InfoQ. 在太空里不惧宕机，NASA是怎么做到的？ 制度设计中的冗余 高中学习宋史时，都会频繁提及“冗官”、“冗兵”、“冗费”的“三冗”。据资料： 北宋官吏2.4万人，是唐朝的1.28倍；每10万人中平均拥有的官吏数是51人，不仅超过唐朝的35人，也超过元（27人）和明（37人）。 ——刘笃才&杨一凡：论北宋的冗官问题 造成官吏冗余的重要原因一方面是大量恩荫制度造成的官员累积，更重要的是为了分散权力，设置了诸多机构，如中央将宰相权力一分为三，在地方设置通判分割行政权，又设置转运使和按察使分割司法权。此外，宋朝官制中官、职、差遣三者分离，官制职能重叠，难免导致冗官，特别是在宋朝后期。 我们部门设置的晨会+日报机制，本质上也是一种制度冗余。虽然我很厌倦晨会，但是一想到第二天要在晨会上说点什么，今天总得写一点什么、做一点什么，即使是“面向晨会”的工作，也总是逼迫着自己有一些产出。最初我们的晨会开的像周会，每次能开 1 个多小时，导致大量时间被浪费。 不是所有的制度冗余造成的结果都是负向的。例如在我国，机场塔台管制员实行双岗制，一个是主管制员，直接指挥飞机，另一位则是助理管制员，负责监听与监督，当主管制员发出的指令有误时，助力管制员需要及时提醒与纠正，两人共同决策。通过两个人的决策，减少因决策失误导致的事故发生的可能性。 实际上，2016 年上海虹桥机场两架东航飞机险些相撞的事故，事后调查认为差点酿成悲剧的原因，双岗制落实不到位被重点提出来。 冗余机制 如何设计冗余？ 主动冗余与被动冗余都是常见的冗余机制设计。 主动冗余指的是系统自动监控运行，一旦检测到某个设备损坏，则会调整系统配置切换到正常设备上。例如 GPS 定位系统中除了 24 颗在轨的卫星，还有 3 颗备份卫星，一旦某颗卫星“寿终正寝”或者突发故障而导致不能工作，则可以由备份卫星及时顶上。在主动冗余系统中，系统必须实现错误检测、隔离重配置的自动化。 公开报道中，Google 的无人车在电源、定位测量、转向、制动和计算系统中均有主动冗余设计，一旦某个子系统出现某个问题，系统会自动切换到备用系统中，以最大程度保证安全。 被动冗余则是通过多余的设备或能力，来减少某个零部件损坏引发的损失。如在设计桥梁拉索的承重能力的时候，一般都会在要求之上再加一些额外的承受能力。再比如你在今晚 6 点钟跟别人有一场重要的约会，通常你不会根据地图估算的时间掐点到，而是会充分考虑堵车、等车额外需要花费的时间，多拿出半个小时的时间作为备用。 N 模块冗余（N Modular Redundacy）：通过 N 个系统对同一个输入进行计算，比较输出的结果，对结果进行投票，取大多数的输出为最后的输出。 常见的为三重模块冗余：如果 3 个系统计算的结果不一致，取 2 个一样的结果为最后输出。 冗余与安全 冗余一般为安全而设计，例如上文提到的机场塔台双岗制，然而随着系统复杂性提高，冗余让系统复杂性提高，反而可能会产生意外的错误，特别是冗余中有人的因素的时候，发生错误的概率也会提升。 1929 年，美国三哩岛核电站发生核泄漏，是美国商业核电史上最严重的的一次事故，虽然没有对公共安全和周围居民健康造成不良影响，但核污染的清除，总共花了 14 年的时间与 10 亿美元的代价，更重要的是，美国商业核电站陷入长期低迷中。 2 号机组反应堆冷凝水泵突然故障，反应堆中热量堆积导致堆芯压力上升，此时备用水泵按照程序应该启动，替代故障水泵完成冷却水的供水，然而备用水泵没有按照计划启动，因为前两天的一次检修中，辅助给水系统中隔离阀没有按规定打开，导致备用给水系统没有任何反应。整个事件处理过程中，加上一些人为的错误，差点导致堆芯熔毁和放射性物质逸出。 虽然经过 15 个多小时的奋力抢修，反应堆才幸免于难，然而迫于公众压力，时任总统卡特宣布“美国不再建设核电站”，直到近 30 年之后奥巴马时代才重启核电站项目。 冗余设备让人放松警戒，可能会引发更大事故。典型的如特斯拉的自动驾驶系统，让人误以为是安全的，很多事故中司机手离开方向盘，将所有决策交给 Autopolit，最终导致交通事故的发生。 所以业内一直在争论：到底是 L3 级别的辅助驾驶更安全，还是 L5 级别的完全无人驾驶更加安全。L3 级别的驾驶，还没有达到完全自动的状态，但是让司机误认为可以将决策交给自动驾驶系统，或者由于自动驾驶系统的存在降低了注意力，最终导致事故的发生。 冗余与效率 直觉上，冗余设计似乎与效率相背而行，但是在一个完整的系统下考虑，一定程度的冗余可以保证系统的稳定性与可靠性，减少因为错误导致系统宕机的概率，从而提升效率。然而凡事“过犹不及”，一味追求稳定性而增加冗余设计，最终也会损伤效率。尽管没有明确度量冗余、效率的指标，如果将冗余和效率分别放在横纵坐标上，画出来的一定又是一条“微笑曲线”。 删除是我们在产品设计中的常见功能之一。一般而言，删除之前会通过一个弹窗的形式进行二次确认，避免用户操作失误导致的误删除。然而，我们也见识过PC端各类杀毒软件的全家桶，除了各种捆绑下载、后台静默安装之外，卸载操作时反复确认操作、增加用户的卸载成本，也是让人厌恶的骚操作。 互联网上对于冗余的专项研究寥寥，然而无论是产品使用流程规划还是系统设计，冗余都应该成为一种思考的尺度和方式，帮助我们做出更好的选择。