2026年工业数据冗余配置试题

2026年工业数据冗余配置试题1单项选择题（每题2分，共20分）1.1在双机热备系统中，若主机故障切换时间超过5s，最可能的原因是A.心跳线带宽不足B.冗余电源未接地C.镜像磁盘采用RAID0D.备用机CPU主频低于主机答案：A解析：心跳线承载状态同步报文，带宽不足导致协商延迟，切换时间拉长。其余选项与切换时延无直接因果关系。1.2下列RAID级别中，允许任意两块磁盘同时失效仍保持数据完整的是A.RAID5B.RAID6C.RAID10D.RAID3答案：B解析：RAID6采用双重奇偶校验，可承受双盘失效；RAID5仅允许单盘失效；RAID10镜像条带化，若同一镜像对双盘失效则失效；RAID3为单盘奇偶。1.3工业现场采用PROFINETMRP环网，其自愈时间典型值为A.10msB.200msC.500msD.2s答案：B解析：MRP（MediaRedundancyProtocol）在环网中断后200ms内完成拓扑重构，满足大多数运动控制需求。1.4在IEC62439-3中，PRP并行冗余协议对丢包率的要求为A.≤10⁻³B.≤10⁻⁶C.≤10⁻⁹D.0答案：D解析：PRP通过双网同时发送完全相同帧，接收端择优，理论丢包率为0。1.5某DCS控制器配置“2×2×2”冗余结构，其含义是A.双CPU、双电源、双I/O总线B.双控制器、双通信、双传感器C.双主板、双硬盘、双网口D.双通道、双模块、双机柜答案：A解析：工业惯例“2×2×2”依次指CPU、电源、I/O总线均双重化。1.6在冗余PLC系统中，同步锁步（Lock-step）技术主要解决A.时钟漂移B.指令级软错误C.通信协议转换D.热电偶冷端补偿答案：B解析：锁步模式使双CPU执行相同指令并逐周期比较，可检测单粒子翻转等软错误。1.7下列关于N+1电源冗余的描述，正确的是A.总负载可大于N个电源额定之和B.任一电源失效系统立即关机C.均流误差>10%将缩短电源寿命D.冷备方式比热备方式可靠性低答案：C解析：均流不良导致部分电源过载，电容温升加速老化；N+1要求总负载≤N×单电源额定；热备可靠性高于冷备。1.8在冗余服务器集群中，脑裂（split-brain）的本质原因是A.软件版本不一致B.仲裁机制缺失或失效C.内存泄漏D.磁盘碎片过多答案：B解析：仲裁失效导致双方同时认为自身为主节点，形成脑裂。1.9对于100BASE-TX以太网冗余，采用链路聚合（LACP）模式4时，负载均衡策略默认基于A.源MACB.目的IPC.源IP+目的IP+TCP端口D.VLANID答案：C解析：模式4采用L3+L4哈希，实现流级均衡。1.10在功能安全标准IEC61508中，冗余结构需满足PFH（每小时危险失效概率）为1×10⁻⁷，则对应SIL等级为A.SIL1B.SIL2C.SIL3D.SIL4答案：C解析：SIL3的PFH区间为10⁻⁷~10⁻⁸h⁻¹。2多项选择题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）2.1下列措施可同时提升工业以太网冗余与实时性的有A.时间敏感网络（TSN）B.环网耦合器串级C.帧抢占（FramePreemption）D.巨型帧（JumboFrame）E.冗余时钟同步（gPTP）答案：A、C、E解析：TSN提供调度与冗余双重机制；帧抢占降低高优先级延迟；gPTP确保冗余主从时钟一致。环网耦合器串级增加跳数，巨型帧可能加剧冲突。2.2关于RAID50的描述正确的有A.由RAID5阵列再条带化组成B.允许任意一个RAID5子组内单盘失效C.写惩罚系数为6D.容量利用率高于RAID10E.重建时间比RAID6短答案：A、B、D解析：RAID50=RAID5+0，子组内单盘失效可恢复；利用率=(n-1)/n，m组共mn-m块；写惩罚6仅对随机小写；重建时间取决于子组规模，不一定比RAID6短。2.3在冗余编码中，可检测双位错误并纠正单位错误的包括A.汉明码（15,11）B.CRC-32C.Reed-Solomon（255,223）D.BCH（63,45）E.奇偶校验答案：A、C、D解析：汉明码dmin=3，满足；RS可纠16符号；BCH可纠3位；CRC只能检错；奇偶校验无纠错能力。2.4下列关于双活数据中心的描述，符合金融级监管要求的有A.RPO=0，RTO<30sB.采用同步复制+仲裁盘C.距离>100km仍使用同步复制D.数据库采用共享存储E.网络层使用BGPAnycast引流答案：A、B、E解析：RPO=0需同步复制；仲裁盘防止脑裂；>100km同步复制受光速限制，延迟>1ms/km往返，不可行；双活数据库多采用非共享（Active-Active）；BGPAnycast实现快速引流。2.5在冗余传感器表决系统中，对“三取二”结构正确的有A.可检测1路漂移B.可容忍1路危险失效C.共因失效占比>30%时可靠性下降D.需采用异构传感器降低共因E.输出为三路平均值答案：A、B、C、D解析：三取二输出中值，非平均；其余均正确。3判断题（每题1分，共10分；正确打“√”，错误打“×”）3.1在冗余系统中，MTBF与MTTR之和等于系统平均无故障时间。答案：×解析：MTBF为平均无故障时间，MTTR为平均修复时间，二者无直接加法关系。3.2双控制器冗余切换时，缓存镜像通过PCIeNTB实现可保证数据零丢失。答案：√解析：NTB（Non-TransparentBridge）允许双主机共享缓存，实现写通镜像。3.3RAID1+0与RAID0+1在磁盘数量大于4时可靠性完全相同。答案：×解析：RAID1+0先镜像后条带，可容忍多盘失效（非同一镜像对）；RAID0+1先条带后镜像，条带组单盘失效即失效。3.4PRP网络中，节点发送的D帧（DuplicateDiscard）由接收端网卡硬件自动丢弃。答案：√解析：PRP网卡维护序列号缓存，重复帧硬件丢弃，无需上位机。3.5在冗余电源均流母线中，采用模拟母线比数字母线抗干扰能力更强。答案：×解析：数字母线（如PMBus）采用差分信号，抗干扰优于模拟母线。3.6TSN802.1CB帧复制与消除可用于无线链路冗余。答案：√解析：802.1CB不限于有线，支持无线异构链路。3.7双活数据库使用MySQL半同步复制即可满足RPO=0。答案：×解析：半同步存在退化为异步风险，需增强半同步或组复制。3.8在冗余编码中，码距dmin=4可纠正1位错误并检测2位错误。答案：√解析：满足t+d≤dmin-1，t=1,d=2，1+2≤3，成立。3.9工业防火墙双机热备采用VRRP时，虚拟MAC为00-00-5E-00-01-{VRID}。答案：√解析：VRRP规范定义。3.10在冗余系统中，共因失效占比β因子越大，系统可靠性越高。答案：×解析：β越大，共因失效概率越高，系统可靠性越低。4填空题（每空2分，共20分）4.1若某系统由两个相同单元并联，单元失效率λ=1×10⁻⁵h⁻¹，则系统MTBF=________h。答案：1.5×10⁵解析：并联系统失效率λs=2λ²t，近似MTBF=3/(2λ)=1.5×10⁵h。4.2在PROFINETMRP中，测试帧的以太网类型为________。答案：0x88E34.3采用汉明码（31,26），其编码效率为________%。答案：83.87解析：26/31≈83.87%。4.3RAID6的写惩罚系数为________。答案：64.4若双机热备系统要求切换时间≤100ms，则心跳超时通常设置为________ms。答案：30~50解析：需小于切换时间并留裕量。4.5在TSN802.1Qbv门控周期中，保护带（GuardBand）长度应大于最大帧传输时间加________。答案：传播延迟+同步误差4.6双活数据中心采用BGPAnycast时，常用私有AS号范围为________。答案：64512~655344.7若冗余电源系统采用N+1配置，单电源额定500W，均流误差2%，则最大可持续负载为________W。答案：2450解析：N×500×(1-0.02)=5×500×0.98=2450W。4.8在三取二表决系统中，若单路危险失效率λd=1×10⁻⁶h⁻¹，共因因子β=0.05，则系统每小时危险失效概率为________。答案：2.85×10⁻¹¹解析：Pf≈3(1-β)²λd²t+βλd，t=1h，第二项主导，βλd=5×10⁻⁸，第一项极小，合计≈5×10⁻⁸，但三取二结构需乘组合系数，精确计算得2.85×10⁻¹¹。4.9IEC62439-3中，PRP帧的序列号字段长度为________字节。答案：45简答题（每题10分，共30分）5.1某炼油厂DCS系统采用双冗余控制器，要求SIL2，PFH≤1×10⁻⁶h⁻¹。已知单CPU危险失效率λd=5×10⁻⁶h⁻¹，共因因子β=0.1，诊断覆盖率DC=90%，修复时间MTTR=8h。试论证当前配置是否满足SIL2，若不满足提出两种改进措施。答案：双控制器并联，DC=90%，则残余危险失效率λdu=λd×(1-DC)=5×10⁻⁷h⁻¹。系统PFH=2(1-β)λdu²MTTR+βλdu=2×0.9×(5×10⁻⁷)²×8+0.1×5×10⁻⁷=3.6×10⁻¹²+5×10⁻⁸≈5×10⁻⁸h⁻¹SIL2要求PFH≤10⁻⁶h⁻¹，5×10⁻⁸<10⁻⁶，满足。改进措施（任选两种）：1.采用异构双CPU降低β至0.02；2.增加三取二表决，PFH降至10⁻¹¹量级；3.引入在线自测试，DC提升至99%。5.2简述工业以太网环网与PRP在数据冗余机制上的差异，并说明在运动控制场合为何优先选用PRP。答案：环网采用RSTP/MRP，故障时阻塞口释放，生成新树，存在毫秒级中断；PRP双网同时发送，接收端去重，零中断。运动控制要求抖动<1ms，环网重构延迟可能超标，PRP无缝切换，故优先。5.3某云边协同系统需在边缘侧实现双活数据库，距离80km，光纤往返延迟0.8ms，带宽10Gb/s，写操作峰值200MB/s，平均事务大小4kB。试计算同步复制是否可行，并给出两种降低延迟的方案。答案：延迟0.8ms，带宽10Gb/s，管道容量=10×10⁹×0.8×10⁻³=8×10⁶bit=1MB。峰值写200MB/s，事务4kB，则每秒事务数=200/0.004=50kTPS。单事务需双写，网络延迟0.8ms，事务提交需等待ACK，理论最小延迟0.8ms，小于典型数据库commit超时（10ms），可行。降低延迟方案：1.采用RDMAWriteWithImmediate，绕过TCP栈，延迟降至0.5ms；2.部署UDP-based组复制，搭配前向纠错，减少重传。6计算题（共25分）6.1（8分）某热轧机采用双冗余直流驱动，电机额定功率P=2MW，效率η=0.96，电源电压U=750V，允许过载2倍10s。若采用N+1电源模块，单模块额定电流I₀=500A，均流误差δ=3%，试计算所需模块数N，并验证在2倍过载时均流最大偏差电流。答案：额定电机输入功率Pin=2/0.96=2.083MW额定电流I=Pin/U=2.083×10⁶/750=2777A过载电流Imax=2×2777=5555AN+1冗余，正常由N模块承担2777A，单模块电流≤I₀(1-δ)=500×0.97=485AN≥2777/485≈5.72，取N=6过载时总电流5555A，7模块并联，单模块平均5555/7≈794A均流误差3%，最大模块电流=794×(1+0.03)=817A单模块峰值能力需≥817A，原500A模块不满足，需选700A模块或升级至N=8。重新核算：选I₀=700A，N≥2777/(700×0.97)≈4.1，取N=5过载时6模块，平均5555/6≈926A，最大926×1.03=954A<700×1.5（峰值裕量），满足。结论：选用700A模块，N=5+1。6.2（9分）某分布式控制系统采用PRP网络，节点发送周期为1ms，帧长包括以太网头部共154B，链路带宽100Mb/s。试计算：（1）单节点双网同时发送所占带宽百分比；（2）若网络共200个节点，是否超出100Mb/s链路容量；（3）采用帧压缩将帧长减至64B后，总带宽占用率。答案：（1）单帧比特=154×8=1232bit每秒帧数=1000单节点带宽=1232×1000=1.232×10⁶bit/s占比=1.232×10⁶/10⁸=1.232%（2）200节点，总带宽=200×1.232%=246.4%>100%，超出。（3）压缩后帧比特=64×8=512bit单节点带宽=512×1000=5.12×10⁵bit/s总带宽=200×0.512%=102.4%，仍略超。需降低发送频率至0.9ms或升级链路至1Gb/s。6.3（8分）某安全系统采用三取二表决，单通道安全失效概率PFₛ=1×10⁻⁴，危险失效概率PFᴅ=1×10⁻⁶，共因因子β=0.08，m