ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ — это… Что такое ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ?

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

в электротехнике — 1) соединение двухполюсников, при к-ром через них проходит один и тот же ток, т. к. для него имеется единств. путь. П. с. источников электроэнергии применяется для получения напряжения, превышающего эдс одного источника. При П. с. нагрузок напряжения на них распределяется пропорционально их сопротивлениям. Выключение одного элемента прерывает ток во всей цепи. 2) Соединение четырёхполюсников, при к-ром напряжение и сила тока на выходе предыдущего четырёхполюсника соответственно равны напряжению и силе тока на входе последующего.

Большой энциклопедический политехнический словарь. 2004.

• ПОСАДОЧНАЯ МАШИНА
• ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Смотреть что такое «ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ» в других словарях:

• Последовательное соединение — проводников. Параллельное соединение проводников. Последовательное и параллельное соединение в электротехнике  два основных способа соединения элементов электрической цепи. При последовательном соединении все элементы связаны друг с другом так,… …   Википедия

• последовательное соединение — Электрическое соединение, при котором через рассматриваемые участки электрической цепи возможен только один и тот же электрический ток. [ГОСТ Р 52002 2003] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы последовательное соединение участков… …   Справочник технического переводчика

• ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ — в электротехнике 1) соединение двухполюсников, при котором через них проходит один и тот же ток.2) Соединение четырехполюсников, при котором напряжение и ток на выходе предыдущего четырехполюсника равны напряжению и току на входе последующего …   Большой Энциклопедический словарь

• последовательное соединение — в электротехнике, 1) соединение двухполюсников, при котором через них проходит один и тот же ток. 2) Соединение четырёхполюсников, при котором напряжение и ток на выходе предыдущего четырёхполюсника равны напряжению и току на входе последующего.… …   Энциклопедический словарь

• последовательное соединение — nuoseklusis jungimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. connection in series; series connection vok. Reihenschaltung, f; Serienschaltung, f rus. последовательное соединение, n pranc. couplage en série, m; couplage série, m …   Automatikos terminų žodynas

• последовательное соединение — nuoseklusis jungimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektrinės grandinės elementų jungimas vienas paskui kitą (kiekviename jų teka tokio pat stiprio srovė). atitikmenys: angl. series connection rus. последовательное соединение …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

• последовательное соединение — nuoseklusis jungimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. connection in series; series connection vok. Reihenschaltung, f; Reihenschluß, m; Serienschaltung, f rus. последовательное соединение, n pranc. connexion en série, f; montage en… …   Fizikos terminų žodynas

• Последовательное соединение —         в электротехнике, 1) соединение Двухполюсников, при котором через них проходит один и тот же ток, т.к. для него имеется один единственный путь. П. с. источников электроэнергии применяется для получения напряжения, превышающего эдс одного… …   Большая советская энциклопедия

• последовательное соединение — см. в ст. Электрическая цепь. Энциклопедия «Техника». М.: Росмэн. 2006 …   Энциклопедия техники

• Последовательное соединение элементов системы — [serial linkage] такое соединение элементов в единую систему, при котором выход предыдущего  является входом следующего. Таким образом, вход системы совпадает со входом первого звена, а выходом системы служит выход последнего звена. (Рис. П.4).… …   Экономико-математический словарь

Что такое последовательное и параллельное чтение.

Параллельное и последовательное соединение сопротивлений

Обычно все затрудняются ответить. А вот загадка эта в применении к электричеству решается вполне определенно.

Электричество начинается с закона Ома.

А уж если рассматривать дилемму в контексте параллельного или последовательного соединений — считая одно соединение курицей, а другое — яйцом, то сомнений вообще нет никаких.

Потому что закон Ома — это и есть самая первоначальная электрическая цепь. И она может быть только последовательной.

Да, придумали гальванический элемент и не знали, что с ним делать, поэтому сразу придумали еще лампочку. И вот что из этого получилось. Здесь напряжение в 1,5 В немедленно потекло в качестве тока, чтобы неукоснительно выполнять закон Ома, через лампочку к задней стенке того же элемента питания. А уж внутри самой батарейки под действием волшебницы-химии заряды снова оказались в первоначальной точке своего похода. И поэтому там, где напряжение было 1,5 вольта, оно таким и остается.

То есть, напряжение постоянно одно, а заряды непрерывно движутся и последовательно проходят лампочку и гальванический элемент.

И это обычно рисуют на схеме вот так:

По закону Ома I=U/R

Тогда сопротивление лампочки (с тем током и напряжением, которые я написал) получится

R = 1/U , где R = 1 Ом

А мощность будет выделяться P = I * U , то есть P=2,25 Вm

В последовательной цепи, особенно на таком простом и несомненном примере, видно, что ток, который бежит по ней от начала до конца, — все время один и тот же. А если мы теперь возьмем две лампочки и сделаем так, чтобы ток пробегал сначала по одной, а потом по другой, то будет опять то же самое — ток будет и в той лампочке, и в другой снова одинаковым. Хотя другим по величине. Ток теперь испытывает сопротивление двух лампочек, но у каждой из них сопротивление как было, так и осталось, ведь оно определяется исключительно физическими свойствами самой лампочки. Новый ток вычисляем опять по закону Ома.

Он получится равным I=U/R+R,то есть 0,75А, ровно половина того тока, который был сначала.

В этом случае току приходится преодолевать уже два сопротивления, он становится меньше. Что и видно по свечению лампочек — они теперь горят вполнакала. А общее сопротивление цепочки из двух лампочек будет равно сумме их сопротивлений. Зная арифметику, можно в отдельном случае воспользоваться и действием умножения: если последовательно соединены N одинаковых лампочек, то общее их сопротивление будет равно N, умноженное на R, где R — сопротивление одной лампочки. Логика безупречная.

А мы продолжим наши опыты. Теперь сделаем нечто подобное, что мы провернули с лампочками, но только на левой стороне цепи: добавим еще один гальванический элемент, точно такой, как первый. Как видим, теперь у нас в два раза увеличилось общее напряжение, а ток стал снова 1,5 А, о чем и сигнализируют лампочки, загоревшись снова в полную силу.

Делаем вывод:

• При последовательном соединении электрической цепи сопротивления и напряжения ее элементов суммируются, а ток на всех элементах остается неизменным.

Легко проверить, что это утверждение справедливо как для активных компонентов (гальванических элементов), так и для пассивных (лампочек, резисторов).

То есть это значит, что напряжение, измеренное на одном резисторе (оно называется падением напряжения), можно смело суммировать с напряжением, измеренным на другом резисторе, и в сумме получатся те же 3 В. А на каждом из сопротивлений оно окажется равным половине — то есть 1,5 В. И это справедливо. Два гальванических элемента вырабатывают свои напряжения, а две лампочки их потребляют. Потому что в источнике напряжения энергия химических процессов превращается в электроэнергию, принявшую вид напряжения, а в лампочках та же самая энергия из электрической превращается в тепловую и световую.

Вернемся к первой схеме, подключим в ней еще одну лампочку, но иначе.

Теперь напряжение в точках, соединяющих две ветки, то же, что и на гальваническом элементе — 1,5 В. Но так как сопротивление у обеих лампочек тоже такое, как и было, то и ток через каждую из них пойдет 1,5 А — ток «полного накала».

Гальванический элемент теперь питает их током одновременно, следовательно, из него вытекают сразу оба эти тока. То есть общий ток из источника напряжения будет равен 1,5 А + 1,5 А = 3,0 А.

В чем же отличие этой схемы от схемы, когда те же самые лампочки были включены последовательно? Только в накале лампочек, то есть только в токе.

Тогда ток был 0,75 А, а теперь он стал сразу 3 А.

Получается, если сравнить с первоначальной схемой, то при последовательном соединении лампочек (схема 2) току сопротивления оказывалось больше (отчего он уменьшался, и лампочки теряли светимость), а параллельное подключение оказывает МЕНЬШЕ сопротивления, хотя сопротивление лампочек осталось неизменным. В чем тут дело?

А дело в том, что мы забываем одну интересную истину, что всякая палка о двух концах.

Когда мы говорим, что резистор сопротивляется току, то как бы забываем, что он ток все-таки проводит. И теперь, когда подключили лампочки параллельно, увеличилось суммарное для них свойство проводить ток, а не сопротивляться ему. Ну и, соответственно, некую величину G , по аналогии с сопротивлением R и следовало бы назвать проводимостью. И должна она в параллельном соединении проводников суммироваться.

Ну и вот она

Закон Ома тогда будет выглядеть

I = U * G &

И в случае параллельного соединения ток I будет равен U*(G+G) = 2*U*G, что мы как раз и наблюдаем.

Замена элементов цепи общим эквивалентным элементом

Инженерам часто приходится узнавать токи и напряжения во всех частях схем. А реальные электрические схемы бывают достаточно сложными и разветвленными и могут содержать множество элементов, активно потребляющих электроэнергию и соединенных друг с другом в совершенно разных сочетаниях. Это называется расчет электрических схем. Он делается при проектировании энергоснабжения домов, квартир, организаций. При этом очень важно, какие токи и напряжения будут действовать в электрической цепи, хотя бы для того, чтобы выбрать подходящие им сечения проводов, нагрузки на всю сеть или ее части, и так далее. А уж насколько сложны бывают электронные схемы, содержащие тысячи, а то и миллионы элементов, думаю, понятно всякому.

Самое первое что, напрашивается — это воспользоваться знанием того, как ведут себя токи напряжения в таких простейших соединениях сети, как последовательное и параллельное. Делают так: вместо найденного в сети последовательного соединения двух или более активных устройств-потребителей (как наши лампочки) нарисовать один, но чтобы его сопротивление было таким же, как у обоих. Тогда картина токов и напряжений в остальной части схемы не изменится. Аналогично и с параллельным соединением: вместо них нарисовать такой элемент, ПРОВОДИМОСТЬ которого была бы такой же, как у обоих.

Теперь если схему перерисовать, заменив последовательные и параллельные соединения одним элементом, то получим схему, которая называется «схемой эквивалентного замещения».

Такую процедуру можно продолжать до тех пор, пока у нас не останется наипростейшая — которой мы в самом начале иллюстрировали закон Ома. Только вместо лампочки будет стоять одно сопротивление, которое и называют эквивалентным сопротивлением нагрузки.

Это первая задача. Она дает нам возможность по закону Ома рассчитать общий ток во всей сети, или общий ток нагрузки.

Вот это и есть полный расчет электрической сети.

Примеры

Пусть цепь содержит 9 активных сопротивлений. Это могут быть лампочки или что-то другое.

На ее входные клеммы подано напряжение в 60 В.

Значения сопротивлений для всех элементов следующие:

Найти все неизвестные токи и напряжения.

Надо пойти по пути поиска параллельных и последовательных участков сети, рассчитывать эквивалентные им сопротивления и постепенно упрощать схему. Видим, что R 3 , R 9 и R 6 соединены последовательно. Тогда им эквивалентное сопротивление R э 3, 6, 9 будет равно их сумме R э 3, 6, 9 = 1 + 4 + 1 Ом = 6 Ом.

Теперь заменяем параллельный кусочек из сопротивлений R 8 и R э 3, 6, 9, получая R э 8, 3, 6, 9 . Только при параллельном соединении проводников, складывать придется проводимости.

Проводимость измеряется в единицах, называемых сименсами, обратных омам.

Если перевернуть дробь, получим сопротивление R э 8, 3, 6, 9 = 2 Ом

Совершенно так же, как в первом случае, объединяем сопротивления R 2 , R э 8, 3, 6, 9 и R 5, включенные последовательно, получая R э 2, 8, 3, 6, 9, 5 = 1 + 2 + 1 = 4 Ом.

Осталось два шага: получить сопротивление, эквивалентное двум резисторам параллельного соединения проводников R 7 и R э 2, 8, 3, 6, 9, 5.

Оно равно R э 7, 2, 8, 3, 6, 9, 5 = 1/(1/4+1/4)=1/(2/4)=4/2 = 2 Ом

На последнем шаге просуммируем все последовательно включенные сопротивления R 1 , R э 7, 2, 8, 3, 6, 9, 5 и R 4 и получим сопротивление, эквивалентное сопротивлению всей цепи R э и равное сумме этих трех сопротивлений

R э = R 1 + R э 7, 2, 8, 3, 6, 9, 5 + R4 = 1 + 2 + 1 = 4 Ом

Ну и вспомним, в честь кого назвали единицу сопротивлений, написанную нами в последней из этих формул, и вычислим по его закону общий ток во всей цепи I

Теперь, двигаясь в обратном направлении, в сторону все большего усложнения сети, можно получать по закону Ома токи и напряжения во всех цепочках нашей достаточно простой схемы.

Так обычно и рассчитывают схемы электроснабжения квартир, которые состоят из параллельных и последовательных участков. Что, как правило, не годится в электронике, потому что там многое по-другому устроено, и все гораздо замысловатее. И вот такую, например, схему, когда не поймешь, параллельное это соединение проводников или последовательное, рассчитывают по законам Кирхгофа.

В электротехнике и электронике очень широко используются резисторы. Применяются они в основном для регулирования в схемах тока и напряжения. Основные параметры: электрическое сопротивление (R) измеряется в Омах, мощность (Вт) , стабильность и точность их параметров в процессе эксплуатации. Можно вспомнить ещё множество его параметров, — ведь это обычное промышленное изделие.

Последовательное соединение

Последовательное соединение — это такое соединение, при котором каждый последующий резистор подключается к предыдущему, образуя неразрывную цепь без разветвлений. Ток I=I1=I2 в такой цепи будет одинаковым в каждой её точке. Напротив, напряжение U1, U2 в различных её точках будет разным, причём работа по переносу заряда через всю цепь, складывается из работ по переносу заряда в каждом из резисторов, U=U1+U2. Напряжение U по закону Ома равно току, умноженному на сопротивление, и предыдущее выражение можно записать так:

где R — общее сопротивление цепи. То есть по простому идет падение напряжения в точках соединения резисторов и чем больше подключенных элементов, тем больше происходит падение напряжения

Отсюда следует, что
, общее значение такого соединения определяется суммированием сопротивлений последовательно. Наши рассуждения справедливы для любого количества последовательно соединяемых участков цепи.

Параллельное соединение

Объединим начала нескольких резисторов (точка А). В другой точке (В) мы соединим все их концы. В результате получим участок цепи, который называется параллельным соединением и состоит из некоторого количества параллельных друг другу ветвей (в нашем случае – резисторов). При этом электрический ток между точками А и B распределится по каждой из этих ветвей.

Напряжения на всех резисторах будут одинаковы: U=U1=U2=U3, их концы — это точки А и В.

Заряды, прошедшие за единицу времени через каждый резистор, в сумме образуют заряд, прошедший через весь блок. Поэтому суммарный ток через изображенную на рисунке цепь I=I1+I2+I3.

Теперь, использовав закон Ома, последнее равенство преобразуется к такому виду:

U/R=U/R1+U/R2+U/R3.

Отсюда следует, что для эквивалентного сопротивления R справедливо:

1/R=1/R1+1/R2+1/R3

или после преобразования формулы мы можем получить другую запись, такого вида:
.

Чем большее количество резисторов (или других звеньев электрической цепи, обладающих некоторым сопротивлением) соединить по параллельной схеме, тем больше путей для протекания тока образуется, и тем меньше общее сопротивление цепи.

Следует отметить, что обратная сопротивлению величина называется проводимостью. Можно сказать, что при параллельном соединении участков цепи складываются проводимости этих участков, а при последовательном соединении – их сопротивления.

Примеры использования

Понятно, что при последовательном соединении, разрыв цепи в одном месте приводит к тому, что ток перестает идти по всей цепи. Например, ёлочная гирлянда перестаёт светить, если перегорит всего одна лампочка, это плохо.

Но последовательное соединение лампочек в гирлянде даёт возможность использовать большое количество маленьких лампочек, каждая из которых рассчитана на напряжение сети (220 В), делённое на количество лампочек.

Последовательное соединение резисторов на примере 3-х лампочек и ЭДС

Зато при последовательном подключении предохранительного устройства его срабатывание (разрыв плавкой вставки) позволяет обесточить всю электрическую цепь, расположенную после него и обеспечить нужный уровень безопасности, и это хорошо. Выключатель в сеть питания электроприбора включается также последовательно.

Параллельное соединение также широко используется. Например, люстра – все лампочки соединены параллельно и находятся под одним и тем же напряжением. Если одна лампа перегорит, — не страшно, остальные не погаснут, они остаются под тем же самым напряжением.

Параллельное соединение резисторов на примере 3-х лампочек и генератора

При необходимости увеличения способности схемы рассеивать тепловую мощность, выделяющуюся при протекании тока, широко используются и последовательное, и параллельное объединение резисторов. И для последовательного, и параллельного способов соединения некоторого количества резисторов одного номинала общая мощность равна произведению количества резисторов на мощность одного резистора.

Смешанное соединение резисторов

Также часто используется смешанное соединение. Если,например необходимо получить сопротивление определенного номинала, но его нет в наличии можно воспользоваться одним из выше описанных способов или воспользоваться смешанным соединением.

Отсюда, можно вывести формулу которая и даст нам необходимое значение:

Rобщ.=(R1*R2/R1+R2)+R3

В нашу эпоху развития электроники и различных технических устройств в основе всех сложностей лежать простые законы, которые поверхностно рассматриваются на данном сайте и думаю, что вам они помогут успешно применять в своей жизни. Если например взять ёлочную гирлянду, то соединения лампочек идет друг за другом, т.е. грубо говоря это отдельно-взятое сопротивление.

Не так давно гирлянды стали соединятся смешанным способом. Вообще, в совокупности все эти примеры с резисторами взяты условно, т.е. любым элементом сопротивления может быть ток проходящий через элемент с падением напряжения и выделением тепла.

Ток в электроцепи проходит по проводникам от источника напряжения к нагрузке, то есть к лампам, приборам. В большинстве случаев в качестве проводника используются медные провода. В цепи может быть предусмотрено несколько элементов с разными сопротивлениями. В схеме приборов проводники могут быть соединены параллельно или последовательно, также могут быть смешанные типы.

Элемент схемы с сопротивлением называется резистором, напряжение данного элемента является разницей потенциалов между концами резистора. Параллельное и последовательное электрическое соединение проводников характеризуется единым принципом функционирования, согласно которому ток протекает от плюса к минусу, соответственно потенциал уменьшается. На электросхемах сопротивление проводки берется за 0, поскольку оно ничтожно низкое.

Параллельное соединение предполагает, что элементы цепы подсоединены к источнику параллельно и включаются одновременно. Последовательное соединение означает, что проводники сопротивления подключаются в строгой последовательности друг за другом.

При просчете используется метод идеализации, что существенно упрощает понимание. Фактически в электрических цепях потенциал постепенно снижается в процессе перемещения по проводке и элементам, которые входят в параллельное или последовательное соединение.

Последовательное соединение проводников

Схема последовательного соединения подразумевает, что они включаются в определенной последовательности один за другим. Причем сила тока во всех из них равна. Данные элементы создают на участке суммарное напряжение. Заряды не накапливаются в узлах электроцепи, поскольку в противном случае наблюдалось бы изменение напряжения и силы тока. При постоянном напряжении ток определяется значением сопротивления цепи, поэтому при последовательной схеме сопротивление меняется в случае изменения одной нагрузки.

Недостатком такой схемы является тот факт, что в случае выхода из строя одного элемента остальные также утрачивают возможность функционировать, поскольку цепь разрывается. Примером может служить гирлянда, которая не работает в случае перегорания одной лампочки. Это является ключевым отличием от параллельного соединения, в котором элементы могут функционировать по отдельности.

Последовательная схема предполагает, что по причине одноуровневого подключения проводников их сопротивление в любой точки сети равно. Общее сопротивление равняется сумме уменьшения напряжений отдельных элементов сети.

При данном типе соединения начало одного проводника подсоединяется к концу другого. Ключевая особенность соединения состоит в том, что все проводники находятся на одном проводе без разветвлений, и через каждый из них протекает один электроток. Однако общее напряжение равно сумме напряжений на каждом. Также можно рассмотреть соединение с другой точки зрения – все проводники заменяются одним эквивалентным резистором, и ток на нем совпадает с общим током, который проходит через все резисторы. Эквивалентное совокупное напряжение является суммой значений напряжения по каждому резистору. Так проявляется разность потенциалов на резисторе.

Использование последовательного подключения целесообразно, когда требуется специально включать и выключать определенное устройство. К примеру, электрозвонок может звенеть только в момент, когда присутствует соединение с источником напряжения и кнопкой. Первое правило гласит, что если тока нет хотя бы на одном из элементов цепи, то и на остальных его не будет. Соответственно при наличии тока в одном проводнике он есть и в остальных. Другим примером может служить фонарик на батарейках, который светит только при наличии батарейки, исправной лампочки и нажатой кнопки.

В некоторых случаях последовательная схема нецелесообразна. В квартире, где система освещения состоит из множества светильников, бра, люстр, не стоит организовывать схему такого типа, поскольку нет необходимости включать и выключать освещение во всех комнатах одновременно. С этой целью лучше использовать параллельное соединение, чтобы иметь возможность включения света в отдельно взятых комнатах.

Параллельное соединение проводников

В параллельной схеме проводники представляют собой набор резисторов, одни концы которых собираются в один узел, а другие – во второй узел. Предполагается, что напряжение в параллельном типе соединения одинаковое на всех участках цепи. Параллельные участки электроцепи носят название ветвей и проходят между двумя соединительными узлами, на них имеется одинаковое напряжение. Такое напряжение равно значению на каждом проводнике. Сумма показателей, обратных сопротивлениям ветвей, является обратной и по отношению к сопротивлению отдельного участка цепи параллельной схемы.

При параллельном и последовательном соединениях отличается система расчета сопротивлений отдельных проводников. В случае параллельной схемы ток уходит по ветвям, что способствует повышению проводимости цепи и уменьшает совокупное сопротивление. При параллельном подключении нескольких резисторов с аналогичными значениями совокупное сопротивление такой электроцепи будет меньше одного резистора число раз, равное числу .

В каждой ветви предусмотрено по одному резистору, и электроток при достижении точки разветвления делится и расходится к каждому резистору, его итоговое значение равно сумме токов на всех сопротивлениях. Все резисторы заменяются одним эквивалентным резистором. Применяя закон Ома, становится понятным значение сопротивления – при параллельной схеме суммируются значения, обратные сопротивлениям на резисторах.

При данной схеме значение тока обратно пропорционально значению сопротивления. Токи в резисторах не взаимосвязаны, поэтому при отключении одного из них это никоим образом не отразится на остальных. По этой причине такая схема используется во множестве устройств.

Рассматривая возможности применения параллельной схемы в быту, целесообразно отметить систему освещения квартиры. Все лампы и люстры должны быть соединены параллельно, в таком случае включение и отключение одного из них никак не влияет на работу остальных ламп. Таким образом, добавляя выключатель каждой лампочки в ветвь цепи, можно включать и отключать соответствующий светильник по необходимости. Все остальные лампы работают независимо.

Все электроприборы объединяются параллельно в электросеть с напряжением 220 В, затем они подключаются к . То есть все приборы подключаются независимо от подключения прочих устройств.

Законы последовательного и параллельного соединения проводников

Для детального понимания на практике обоих типов соединений, приведем формулы, объясняющие законы данных типов соединений. Расчет мощности при параллельном и последовательном типе соединения отличается.

При последовательной схеме имеется одинаковая сила тока во всех проводниках:

Согласно закону Ома, данные типы соединений проводников в разных случаях объясняются иначе. Так, в случае последовательной схемы, напряжения равны друг другу:

U1 = IR1, U2 = IR2.

Помимо этого, общее напряжение равно сумме напряжений отдельно взятых проводников:

U = U1 + U2 = I(R1 + R2) = IR.

Полное сопротивление электроцепи рассчитывается как сумма активных сопротивлений всех проводников, вне зависимости от их числа.

В случае параллельной схемы совокупное напряжение цепи аналогично напряжению отдельных элементов:

А совокупная сила электротока рассчитывается как сумма токов, которые имеются по всем проводникам, расположенным параллельно:

Чтобы обеспечить максимальную эффективность электрических сетей, необходимо понимать суть обоих типов соединений и применять их целесообразно, используя законы и рассчитывая рациональность практической реализации.

Смешанное соединение проводников

Последовательная и параллельная схема соединения сопротивления могут сочетаться в одной электросхеме при необходимости. К примеру, допускается подключение параллельных резисторов по последовательной или их группе, такое тип считается комбинированным или смешанным.

В таком случае совокупное сопротивление рассчитывается посредством получения сумм значений для параллельного соединения в системе и для последовательного. Сначала необходимо рассчитывать эквивалентные сопротивления резисторов в последовательной схеме, а затем элементов параллельного. Последовательное соединение считается приоритетным, причем схемы такого комбинированного типа часто используются в бытовой технике и приборах.

Итак, рассматривая типы подключений проводников в электроцепях и основываясь на законах их функционирования, можно полностью понять суть организации схем большинства бытовых электроприборов. При параллельном и последовательном соединениях расчет показателей сопротивления и силы тока отличается. Зная принципы расчета и формулы, можно грамотно использовать каждый тип организации цепей для подключения элементов оптимальным способом и с максимальной эффективностью.

В предыдущем конспекте был установлено, что сила тока в проводнике зависит от напряжения на его концах. Если в опыте менять проводники, оставляя напряжение на них неизменным, то можно показать, что при постоянном напряжении на концах проводника сила тока обратно пропорциональна его сопротивлению. Объединив зависимость силы тока от напряжения и его зависимость от сопротивления проводника, можно записать: I = U/R . Этот закон, установленный экспериментально, называется закон Ома (для участка цепи).

Закон Ома для участка цепи : сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному к его концам напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Прежде всего закон всегда верен для твёрдых и жидких металлических проводников. А также для некоторых других веществ (как правило, твёрдых или жидких).

Потребители электрической энергии (лампочки, резисторы и пр.) могут по-разному соединяться друг с другом в электрической цепи. Д ва основных типа соединения проводников : последовательное и параллельное. А также есть еще два соединения, которые являются редкими: смешанное и мостовое.

Последовательное соединение проводников

При последовательном соединении проводников конец одного проводника соединится с началом другого проводника, а его конец — с началом третьего и т.д. Например, соединение электрических лампочек в ёлочной гирлянде. При последовательном соединении проводников ток проходит через все лампочки. При этом через поперечное сечение каждого проводника в единицу времени проходит одинаковый заряд. То есть заряд не скапливается ни в какой части проводника.

Поэтому при последовательном соединении проводников сила тока в любом участке цепи одинакова: I 1 = I 2 = I .

Общее сопротивление последовательно соединённых проводников равно сумме их сопротивлений : R 1 + R 2 = R . Потому что при последовательном соединении проводников их общая длина увеличивается. Она больше, чем длина каждого отдельного проводника, соответственно увеличивается и сопротивление проводников.

По закону Ома напряжение на каждом проводнике равно: U 1 = I* R 1 , U 2 = I*R 2 . В таком случае общее напряжение равно U = I ( R 1 + R 2) . Поскольку сила тока во всех проводниках одинакова, а общее сопротивление равно сумме сопротивлений проводников, то полное напряжение на последовательно соединённых проводниках равно сумме напряжений на каждом проводнике : U = U 1 + U 2 .

Из приведённых равенств следует, что последовательное соединение проводников используется в том случае, если напряжение, на которое рассчитаны потребители электрической энергии, меньше общего напряжения в цепи.

Для последовательного соединения проводников справедливы законы :

1) сила тока во всех проводниках одинакова; 2) напряжение на всём соединении равно сумме напряжений на отдельных проводниках; 3) сопротивление всего соединения равно сумме сопротивлений отдельных проводников.

Параллельное соединение проводников

Примером параллельного соединения проводников служит соединение потребителей электрической энергии в квартире. Так, электрические лампочки, чайник, утюг и пр. включаются параллельно.

При параллельном соединении проводников все проводники одним своим концом присоединяются к одной точке цепи. А вторым концом к другой точке цепи. Вольтметр, подключенный к этим точкам, покажет напряжение и на проводнике 1, и на проводнике 2. В таком случае напряжение на концах всех параллельно соединённых проводников одно и то же: U 1 = U 2 = U .

При параллельном соединении проводников электрическая цепь разветвляется. Поэтому часть общего заряда проходит через один проводник, а часть — через другой. Следовательно при параллельном соединении проводников сила тока в неразветвлённой части цепи равна сумме силы тока в отдельных проводниках: I = I 1 + I 2 .

В соответствии с законом Ома I = U/R, I 1 = U 1 /R 1 , I 2 = U 2 /R 2 . Отсюда следует: U/R = U 1 /R 1 + U 2 /R 2 , U = U 1 = U 2 , 1/R = 1/R 1 + 1/R 2 Величина, обратная общему сопротивлению параллельно соединенных проводников, равна сумме величин, обратных сопротивлению каждого проводника.

При параллельном соединении проводников их общее сопротивление меньше, чем сопротивление каждого проводника. Действительно, если параллельно соединены два проводника, имеющие одинаковое сопротивление г , то их общее сопротивление равно: R = г/2 . Это объясняется тем, что при параллельном соединении проводников как бы увеличивается площадь их поперечного сечения. В результате уменьшается сопротивление.

Из приведённых формул понятно, почему потребители электрической энергии включаются параллельно. Они все рассчитаны на определённое одинаковое напряжение, которое в квартирах равно 220 В. Зная сопротивление каждого потребителя, можно рассчитать силу тока в каждом из них. А также соответствие суммарной силы тока предельно допустимой силе тока.

Для параллельного соединения проводников справедливы законы:

1) напряжение на всех проводниках одинаково; 2) сила тока в месте соединения проводников равна сумме токов в отдельных проводниках; 3) величина, обратная сопротивлению всего соединения, равна сумме величин, обратных сопротивлениям отдельных проводников.

При одновременном включении нескольких приемников электроэнергии в одну и ту же сеть, эти приемники можно легко рассматривать просто как элементы единой цепи, каждый из которых обладает собственным сопротивлением.

В ряде случаев такой подход оказывается вполне приемлемым: лампы накаливания, электрические обогреватели и т. п. — можно воспринимать как резисторы. То есть приборы можно заменить на их сопротивления, и легко произвести расчет параметров цепи.

Способ соединения приемников электроэнергии может быть одним из следующих: последовательный, параллельный или смешанный тип соединения.

Последовательное соединение

Когда несколько приемников (резисторов) соединяются в последовательную цепь, то есть второй вывод первого присоединяется к первому выводу второго, второй вывод второго соединяется с первым выводом третьего, второй вывод третьего с первым выводом четвертого и т. д., то при подключении такой цепи к источнику питания, через все элементы цепи потечет ток I одной и той же величины. Данную мысль поясняет приведенный рисунок.

Заменив приборы на их сопротивления, рисунок преобразуем в схему, тогда сопротивления с R1 по R4, соединенные последовательно, примут каждый на себя определенные напряжения, которые в сумме дадут значение ЭДС на зажимах источника питания. Для простоты здесь и далее изобразим источник в виде гальванического элемента.

Выразив падения напряжений через ток и через сопротивления, получим выражение для эквивалентного сопротивления последовательной цепи приемников: общее сопротивление последовательного соединения резисторов всегда равно алгебраической сумме всех сопротивлений, составляющих эту цепь. А поскольку напряжения на каждом из участков цепи можно найти из закона Ома (U = I*R, U1 = I*R1, U2 = I*R2 и т. д.) и E = U, то для нашей схемы получаем:

Напряжение на клеммах источника питания равно сумме падений напряжений на каждом из соединенных последовательно приемников, составляющих цепь.

Так как ток через всю цепь течет одного и того же значения, то справедливым будет утверждение, что напряжения на последовательно соединенных приемниках (резисторах) соотносятся между собой пропорционально сопротивлениям. И чем выше будет сопротивление, тем выше окажется и напряжение, приложенное к приемнику.

Для последовательного соединения резисторов в количестве n штук, обладающих одинаковыми сопротивлениями Rk, эквивалентное общее сопротивление цепи целиком будет в n раз больше каждого из этих сопротивлений: R = n*Rk. Соответственно и напряжения, приложенные к каждому из резисторов цепи будут между собой равны, и окажутся в n раз меньше напряжения, приложенного ко всей цепи: Uk = U/n.

Для последовательного соединения приемников электроэнергии характерны следующие свойства: если изменить сопротивление одного из приемников цепи, то напряжения на остальных приемниках цепи при этом изменятся; при обрыве одного из приемников ток прекратится во всей цепи, во всех остальных приемниках.

В силу этих особенностей последовательное соединение встречается редко, и используют его лишь там, где напряжение сети выше номинального напряжения приемников, в отсутствие альтернатив.

К примеру напряжением 220 вольт можно запитать две последовательно соединенные лампы равной мощности, каждая из которых рассчитана на напряжение 110 вольт. Ежели данные лампы при одинаковом номинальном напряжении питания будут обладать различной номинальной мощностью, то одна из них будет перегружена и скорее всего мгновенно перегорит.

Параллельное соединение

Параллельное соединение приемников предполагает включение каждого из них между парой точек электрической цепи с тем, чтобы они образовывали параллельные ветви, каждая из которых питается напряжением источника. Для наглядности опять заменим приемники их электрическими сопротивлениями, чтобы получить схему, по которой удобно вести расчет параметров.

Как уже было сказано, в случае параллельного соединения каждый из резисторов испытывает действие одного и того же напряжения. И в соответствии с законом Ома имеем: I1=U/R1, I2=U/R2, I3=U/R3.

Здесь I — ток источника. Первый закон Кирхгофа для данной цепи позволяет записать выражение для тока в неразветвленной ее части: I = I1+I2+I3.

Отсюда общее сопротивление для параллельного соединения между собой элементов цепи можно найти из формулы:

Величина обратная сопротивлению называется проводимостью G, и формулу для проводимости цепи, состоящей из нескольких параллельно соединенных элементов, также можно записать: G = G1 + G2 + G3. Проводимость цепи в случае параллельного соединения образующих ее резисторов равна алгебраической сумме проводимостей этих резисторов. Следовательно, при добавлении в цепь параллельных приемников (резисторов) суммарное сопротивление цепи уменьшится, а суммарная проводимость соответственно возрастет.

Токи в цепи состоящей из параллельно соединенных приемников, распределяются между ними прямо пропорционально их проводимостям, то есть обратно пропорционально их сопротивлениям. Здесь можно привести аналогию из гидравлики, где поток воды распределяется по трубам в соответствии с их сечениями, тогда большее сечение аналогично меньшему сопротивлению, то есть большей проводимости.

Если цепь состоит из нескольких (n) одинаковых резисторов, соединенных параллельно, то общее сопротивление цепи будет ниже в n раз, чем сопротивление одного из резисторов, а ток через каждый из резисторов будет меньше в n раз, чем общий ток: R = R1/n; I1 = I/n.

Цепь, состоящая из параллельно соединенных приемников, подключенная к источнику питания, отличается тем, что каждый из приемников находится под напряжением источника питания.

Для идеального источника электроэнергии справедливо утверждение: при подключении или отключении параллельно источнику резисторов, токи в остальных подключенных резисторах не изменятся, то есть при выходе из строя одного или нескольких приемников параллельной цепи, остальные будут продолжать работать в прежнем режиме.

В силу данных особенностей параллельное соединение обладает значительным преимуществом перед последовательным, и по этой причине именно соединение параллельное наиболее распространено в электрических сетях. Например, все электроприборы в наших домах предназначены для параллельного подключения к бытовой сети, и если отключить один, то остальным это ничуть не навредит.

Сравнение последовательных и параллельных цепей

Под смешанным соединением приемников понимают такое их соединение, когда часть или несколько из них соединены между собой последовательно, а другая часть или несколько — параллельно. При этом вся цепь может быть образована из разных соединений таких частей между собой. Для примера рассмотрим схему:

Три последовательно соединенных резистора подключены к источнику питания, параллельно одному из них подключены еще два, а третий — параллельно всей цепи. Для нахождения полного сопротивления цепи идут путем последовательных преобразований: сложную цепь последовательно приводят к простому виду, последовательно вычисляя сопротивление каждого звена, и так находят общее эквивалентное сопротивление.

Для нашего примера. Сначала находят общее сопротивление двух резисторов R4 и R5, соединенных последовательно, затем сопротивление параллельного соединения их с R2, потом прибавляют к полученному значению R1 и R3, и после — вычисляют значение сопротивления всей цепи, включая параллельную ветвь R6.

Различные способы соединения приемников электроэнергии применяют на практике для различных целей, чтобы решать конкретные поставленные задачи. Например, смешанное соединение можно встретить в схемах плавного заряда в мощных блоках питания, где нагрузка (конденсаторы после диодного моста) сначала получает питание последовательно через резистор, затем резистор шунтируется контактами реле, и нагрузка оказывается подключенной к диодному мосту параллельно.

Андрей Повный

Последовательное, параллельное и смешанное соединения резисторов

Последовательное, параллельное и смешанное соединения резисторов. Значительное число приемников, включенных в электрическую цепь (электрические лампы, электронагревательные приборы и др.), можно рассматривать как некоторые элементы, имеющие определенное сопротивление. Это обстоятельство дает нам возможность при составлении и изучении электрических схем заменять конкретные приемники резисторами с определенными сопротивлениями. Различают следующие способы соединения резисторов (приемников электрической энергии): последовательное, параллельное и смешанное.

Рис. 25. Схемы последовательного соединения приемников

Последовательное соединение резисторов. При последовательном соединении нескольких резисторов конец первого резистора соединяют с началом второго, конец второго — с началом третьего и т. д. При таком соединении по всем элементам последовательной цепи проходит один и тот же ток I.

Последовательное соединение приемников поясняет рис. 25, а. Заменяя лампы резисторами с сопротивлениями R1, R2 и R3, получим схему, показанную на рис. 25, б.

Если принять, что в источнике Ro = 0, то для трех последовательно соединенных резисторов согласно второму закону Кирхгофа можно написать:

E = IR₁ + IR₂ + IR₃ = I(R₁ + R₂ + R₃) = IR_эк (19)

где R_эк = R₁ + R₂ + R₃.

Следовательно, эквивалентное сопротивление последовательной цепи равно сумме сопротивлений всех последовательно соединенных резисторов.Так как напряжения на отдельных участках цепи согласно закону Ома: U₁=IR₁; U₂ = IR₂, U₃ = IR_з и в данном случае E = U, то для рассматриваемой цепи

U = U₁ + U₂ +U₃ (20)

Следовательно, напряжение U на зажимах источника равно сумме напряжений на каждом из последовательно включенных резисторов.

Из указанных формул следует также, что напряжения распределяются между последовательно соединенными резисторами пропорционально их сопротивлениям:

U₁ : U₂ : U₃ = R₁ : R₂ : R₃ (21)

т. е. чем больше сопротивление какого-либо приемника в последовательной цепи, тем больше приложенное к нему напряжение.

В случае если последовательно соединяются несколько, например п, резисторов с одинаковым сопротивлением R1, эквивалентное сопротивление цепи Rэк будет в п раз больше сопротивления R1, т. е. Rэк = nR1. Напряжение U1 на каждом резисторе в этом случае в п раз меньше общего напряжения U:

U1 = U/n. (22)

При последовательном соединении приемников изменение сопротивления одного из них тотчас же влечет за собой изменение напряжения на других связанных с ним приемниках. При выключении или обрыве электрической цепи в одном из приемников и в остальных приемниках прекращается ток. Поэтому последовательное соединение приемников применяют редко — только в том случае, когда напряжение источника электрической энергии больше номинального напряжения, на которое рассчитан потребитель. Например, напряжение в электрической сети, от которой питаются вагоны метрополитена, составляет 825 В, номинальное же напряжение электрических ламп, применяемых в этих вагонах, 55 В. Поэтому в вагонах метрополитена электрические лампы включают последовательно по 15 ламп в каждой цепи.

Параллельное соединение резисторов. При параллельном соединении нескольких приемников они включаются между двумя точками электрической цепи, образуя параллельные ветви (рис. 26, а). Заменяя лампы резисторами с сопротивлениями R1, R2, R3, получим схему, показанную на рис. 26, б.

Рис. 26. Схемы параллельного соединения приемников

При параллельном соединении ко всем резисторам приложено одинаковое напряжение U. Поэтому согласно закону Ома:

I₁=U/R₁; I₂=U/R₂; I₃=U/R₃.

Ток в неразветвленной части цепи согласно первому закону Кирхгофа I = I₁+I₂+I₃, или

I = U / R₁ + U / R₂ + U / R₃ = U (1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃) = U / R_эк (23)

Следовательно, эквивалентное сопротивление рассматриваемой цепи при параллельном соединении трех резисторов определяется формулой

1/R_эк = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ (24)

Вводя в формулу (24) вместо значений 1/R_эк, 1/R₁, 1/R₂ и 1/R₃ соответствующие проводимости G_эк, G₁, G₂ и G₃, получим: эквивалентная проводимость параллельной цепи равна сумме проводимостей параллельно соединенных резисторов:

G_эк = G₁+ G₂ +G₃ (25)

Таким образом, при увеличении числа параллельно включаемых резисторов результирующая проводимость электрической цепи увеличивается, а результирующее сопротивление уменьшается.

Из приведенных формул следует, что токи распределяются между параллельными ветвями обратно пропорционально их электрическим сопротивлениям или прямо пропорционально их проводимостям. Например, при трех ветвях

I₁ : I₂ : I₃ = 1/R₁ : 1/R₂ : 1/R₃ = G₁ + G₂ + G₃ (26)

В этом отношении имеет место полная аналогия между распределением токов по отдельным ветвям и распределением потоков воды по трубам.
Приведенные формулы дают возможность определить эквивалентное сопротивление цепи для различных конкретных случаев. Например, при двух параллельно включенных резисторах результирующее сопротивление цепи

R_эк=R₁R₂/(R₁+R₂)

при трех параллельно включенных резисторах

R_эк=R₁R₂R₃/(R₁R₂+R₂R₃+R₁R₃)

При параллельном соединении нескольких, например n, резисторов с одинаковым сопротивлением R1 результирующее сопротивление цепи Rэк будет в n раз меньше сопротивления R1, т.е.

R_эк = R1 / n (27)

Проходящий по каждой ветви ток I1, в этом случае будет в п раз меньше общего тока:

I1 = I / n (28)

При параллельном соединении приемников, все они находятся под одним и тем же напряжением, и режим работы каждого из них не зависит от остальных. Это означает, что ток, проходящий по какому-либо из приемников, не будет оказывать существенного влияния на другие приемники. При всяком выключении или выходе из строя любого приемника остальные приемники остаются включенными.

Рис. 27. Схемы смешанного соединения приемников

Поэтому параллельное соединение имеет существенные преимущества перед последовательным, вследствие чего оно получило наиболее широкое распространение. В частности, электрические лампы и двигатели, предназначенные для работы при определенном (номинальном) напряжении, всегда включают параллельно.

На электровозах постоянного тока и некоторых тепловозах тяговые двигатели в процессе регулирования скорости движения нужно включать под различные напряжения, поэтому они в процессе разгона переключаются с последовательного соединения на параллельное.

Смешанное соединение резисторов. Смешанным соединением называется такое соединение, при котором часть резисторов включается последовательно, а часть — параллельно. Например, в схеме рис. 27, а имеются два последовательно включенных резистора сопротивлениями R1 и R2, параллельно им включен резистор сопротивлением Rз, а резистор сопротивлением R4 включен последовательно с группой резисторов сопротивлениями R1, R2 и R3.

Эквивалентное сопротивление цепи при смешанном соединении обычно определяют методом преобразования, при котором сложную цепь последовательными этапами преобразовывают в простейшую. Например, для схемы рис. 27, а вначале определяют эквивалентное сопротивление R12 последовательно включенных резисторов с сопротивлениями R1 и R2: R12 = R1 + R2. При этом схема рис. 27, а заменяется эквивалентной схемой рис. 27, б. Затем определяют эквивалентное сопротивление R123 параллельно включенных сопротивлений и R3 по формуле

R₁₂₃=R₁₂R₃/(R₁₂+R₃)=(R₁+R₂)R₃/(R₁+R₂+R₃).

При этом схема рис. 27, б заменяется эквивалентной схемой рис. 27, в. После этого находят эквивалентное сопротивление всей цепи суммированием сопротивления R123 и последовательно включенного с ним сопротивления R4:

R_эк = R₁₂₃ + R₄ = (R₁ + R₂) R₃ / (R₁ + R₂ + R₃) + R₄

Последовательное, параллельное и смешанное соединения широко применяют для изменения сопротивления пусковых реостатов при пуске э. п. с. постоянного тока.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ

где R – электрическое сопротивление всей цепи, получим 

При параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.

Этот результат справедлив для любого числа параллельно включенных проводников.

Формулы для последовательного и параллельного соединения проводников позволяют во многих случаях рассчитывать сопротивление сложной цепи, состоящей из многих резисторов. На рис. 3. приведен пример такой сложной цепи и указана последовательность вычислений.

Рисунок 3.

Расчет сопротивления сложной цепи. Сопротивления всех проводников указаны в омах (Ом)

Следует отметить, что далеко не все сложные цепи, состоящие из проводников с различными сопротивлениями, могут быть рассчитаны с помощью формул для последовательного и параллельного соединения. На рис. 4 приведен пример электрической цепи, которую нельзя рассчитать указанным выше методом.

Рисунок 4.

Пример электрической цепи, которая не сводится к комбинации последовательно и параллельно соединенных проводников

Цепи, подобные изображенной на рис. 4, а также цепи с разветвлениями, содержащие несколько источников, рассчитываются с помощью правил Кирхгофа.

Последовательное соединение проводников

Схема соединения выглядит следующим образом:

 

При последовательном соединении все входящие в него проводники соединяются друг за другом, т.е. конец первого проводника соединяется с началом второго.

Опыт показывает, что сила тока в любых частях цепи одна и та же (об этом свидетельствуют показания амперметров). I=I1=I2 Если выкрутить одну лампу, то цепь разомкнётся, и другая лампа тоже погаснет.

Опыт показывает, что полное напряжение в цепи при последовательном соединении равно сумме напряжений на отдельных участках цепи (об этом свидетельствуют показания вольтметров). U=U1+U2

 

Общее сопротивление цепи при последовательном соединении равно сумме сопротивлений отдельных проводников (или отдельных участков цепи): R=R1+R2

Для проверки данного утверждения можно использовать омметр. При подключении омметра ключ должен быть разомкнут!

 Омметр подключают по очереди к каждому потребителю, а потом к обоим одновременно.

 Сопротивление цепи R, состоящей из  n одинаковых ламп, сопротивлением R1 каждая, в n раз больше сопротивления одной лампы: R = R1* n

Параллельное соединение проводников

Схема соединения выглядит следующим образом:

 

При параллельном соединении все входящие в него проводники одним своим концом присоединяются к одной точке цепи А, а вторым концом к другой точке В.

 Опыт доказывает, что сила тока в неразветвлённой части цепи равна сумме сил токов в отдельных параллельно соединённых проводниках

(об этом свидетельствуют показания амперметров). I=I1+I2

Если выкрутить одну лампу, то другая лампа продолжает гореть. Это свойство используют для подключения бытовых приборов в помещении.

 Опыт свидетельствует, что

напряжение на участке цепи АВ и на концах всех параллельно соединённых проводников одно и то же

(об этом свидетельствуют показания вольтметров):

U=U1=U2

 Общее сопротивление цепи при параллельном соединении проводников определяется по формуле:

1R=1R1+1R2

Обратное значение общего сопротивления равно сумме обратных значений сопротивлений отдельных проводников.

Для проверки формулы можно использовать омметр. При подключении омметра ключ должен быть разомкнут!

 Сопротивление цепи R, состоящей из  n одинаковых ламп, сопротивлением R1  каждая, в n раз меньше сопротивления одной лампы: R = R1/ n

Преимущества и недостатки соединений:

Последовательное – защита цепей от перегрузок: при увеличении силы тока выходит из строя предохранитель, и цепь автоматически отключается. При выходе из строя одного из элементов соединения отключаются и остальные.

Параллельное – при выходе из строя одного из элементов соединения, остальные действуют. При включении элемента с меньшим возможным напряжением в цепь элемент перегорит.

Правила Кирхгофа для разветвленных цепей

Для упрощения расчетов сложных электрических цепей, содержащих неоднородные участки, используются правила Кирхгофа, которые являются обобщением закона Ома на случай разветвленных цепей.

В разветвленных цепях можно выделить узловые точки (узлы), в которых сходятся не менее трех проводников (рис.5). Токи, втекающие в узел, принято считать положительными; вытекающие из узла – отрицательными.

Рисунок 5. Узел электрической цепи. I1, I2 > 0; I3, I4 < 0

В узлах цепи постоянного тока не может происходить накопление зарядов. Отсюда следует первое правило Кирхгофа:

Алгебраическая сумма сил токов для каждого узла в разветвленной цепи равна нулю:

I₁ + I₂ + I₃ + … + I_n = 0.

В разветвленной цепи всегда можно выделить некоторое количество замкнутых путей, состоящих из однородных и неоднородных участков. Такие замкнутые пути называются контурами. На разных участках выделенного контура могут протекать различные токи. На рис. 6 представлен простой пример разветвленной цепи. Цепь содержит два узла a и d, в которых сходятся одинаковые токи; поэтому только один из узлов является независимым (a или d).

В цепи можно выделить три контура abcd, adef и abcdef. Из них только два являются независимыми (например, abcd и adef), так как третий не содержит никаких новых участков.

Второе правило Кирхгофа является следствием обобщенного закона Ома.

Запишем обобщенный закон Ома для участков, составляющих один из контуров цепи, изображенной на рис. 6, например, abcd. Для этого на каждом участке нужно задать положительное направление тока и положительное направление обхода контура. При записи обобщенного закона Ома для каждого из участков необходимо соблюдать определенные «правила знаков», которые поясняются на рис. 7.

Для участков контура abcd обобщенный закон Ома записывается в виде:

Для участка bc: I₁R₁ = Δφ_bc – ₁.

Для участка da: I₂R₂ = Δφ_da – ₂.

Складывая левые и правые части этих равенств и принимая во внимание, что Δφ_bc = – Δφ_da , получим: 

Аналогично, для контура adef можно записать: 

Второе правило Кирхгофа можно сформулировать так: алгебраическая сумма произведений сопротивления каждого из участков любого замкнутого контура разветвленной цепи постоянного тока на силу тока на этом участке равна алгебраической сумме ЭДС вдоль этого контура.

Первое и второе правила Кирхгофа, записанные для всех независимых узлов и контуров разветвленной цепи, дают в совокупности необходимое и достаточное число алгебраических уравнений для расчета значений напряжений и сил токов в электрической цепи. Для цепи, изображенной на рис. 1.10.2, система уравнений для определения трех неизвестных токов I₁, I₂ и I₃ имеет вид: 

Таким образом, правила Кирхгофа сводят расчет разветвленной электрической цепи к решению системы линейных алгебраических уравнений. Это решение не вызывает принципиальных затруднений, однако, бывает весьма громоздким даже в случае достаточно простых цепей. Если в результате решения сила тока на каком-то участке оказывается отрицательной, то это означает, что ток на этом участке идет в направлении, противоположном выбранному положительному направлению.

Последовательное соединение приемников при синусоидальных токах

При последовательном соединении n приемников энергии с комплексными сопротивлениями эквивалентное или общее комплексное сопротивление цепи


причем


Порядок расчета цепи с последовательным соединением элементов зависит от того, какие величины заданы и какие нужно найти.

Пример 4.1.
На рис. 4.1, а показана схема замещения линии электропередачи с присоединенным к ней приемником. Линия представлена последовательным соединением резистивного и реактивного элементов с сопротивлениями , а приемник — пассивным двухполюсником. Индексами 1 и 2 обозначены величины, относящиеся соответственно к началу и концу линии.
Дано:
Определить напряжение в начале линии .

Решение.
Представим пассивный двухполюсник эквивалентной схемой, состоящей из последовательного соединения элементов (рис. 4.1, б).
Ток в двухполюснике (и в линии)
Сопротивления

Искомое напряжение .
На рис. 4.1, в показана векторная диаграмма напряжений и тока (заметим, что в курсе электрических сетей приводятся удобные для расчета формулы, позволяющие просто определять разность и находить ).

Пример 4.2.
Для той же цепи, что и в примере 4.1, дано:
Определить .

Решение.
Сопротивление . Сопротивление определяется по аналогичной формуле, но предварительно надо найти

Пример 4.3.
Для той же цепи, что и в примере 4.1, дано:
Определить ток в линии I.

Решение.
Для решения задачи составим уравнение

Примем начальную фазу напряжения Начальная фаза тока и, следовательно, . Комплексное напряжение .
Подставим в уравнение (а) известные величины

Из этого уравнения с комплексными величинами получаем два уравнения (для действительных и мнимых величин):

Эти два уравнения с геометрической точки зрения представляют равенства проекций вектора суммам проекций векторов на две взаимно перпендикулярные оси (ось действительных и ось мнимых величин).
Находим:

Подставив значение в уравнения (б) и (в), получим

определение слова в The Free Dictionary

И когда я говорю о чести, я имею в виду тот вид Божественной благодати, который не только согласуется с этой религией, но и зависит от нее; и не согласуется ни с чем другим и не зависит ни от чего. «Это, — ответил анархист, который был небезупречен, — это не ваше дело; я не обязан быть последовательным. Вы сидите здесь, чтобы воздать должное» между мной и этим Мертвым Котом ». Я кратко изложил ему некоторые подробности и сделал мой рассказ как можно более правдоподобным и последовательным; но я счел необходимым замаскировать свою страну и называть себя голландцем; потому что мои намерения были связаны с Японией, и я знал, что голландцы были единственными европейцами, которым разрешено входить в это королевство.ниже, он в равной степени последовательно рассматривает Гомера и Гесиода как « доисторических ». Никакая служба не была слишком скромной для него, чтобы оказать помощь Югу, ни одно опасное приключение для него, если оно соответствовало характеру гражданского лица, которое было в глубине души солдат, который добросовестно и без особой квалификации согласился хотя бы с частью откровенно злодейского изречения, что в любви и на войне все хорошо. , с повторяющимся нулем просто потому, что это соответствует законам природы и действительно существует.В таком случае, я думаю, прямое и открытое признание его трудностей было бы больше для его чести, а также больше соответствовало бы его общему характеру; — но я не буду возражать против чьего-либо поведения на столь нелиберальном основании. , как различие в моих суждениях или отклонение от того, что я считаю правильным и последовательным ». Все вероятности указывают на эти строки, написанные адмиралом Бартрамом: и позиция, которую они занимают, безусловно, согласуется с теорией, которую важный предмет его собственного чувства долга перед Доверием.Воображение автора должно быть детским, и в то же время зрелым, последовательным, чтобы Белая Королева в «Алисе», например, рассматривалась точно так же, как ее видел бы ребенок, но она всегда продолжает себя во всех своих мучительных приключениях. во всяком случае, она должна быть границей, она может счесть наиболее совместимым с ее безопасностью повернуть свою незащищенную сторону к более слабой силе Юга, а не к более сильной силе Севера, Конфедерации. подробный отчет, который я дал ей, — отчет, я боюсь, не совсем так соответствует истине, как могли бы пожелать мои читатели в Космической стране, — я должен довольствоваться тем, что мне наконец удалось убедить ее тихо вернуться к ней домашние обязанности, не вызвав у меня никаких упоминаний о Трехмерном Мире.Верно, что других его добродетелей было бы недостаточно для него, может быть доказано случаем Сципиона, этого превосходнейшего человека не только своего времени, но и в памяти людей, против которого, тем не менее, его армия восстала в Испания; это объяснялось ничем иным, как его слишком большим терпением, которое давало его солдатам больше свободы, чем это соответствует военной дисциплине.

соответствует — Викисловарь

Английский [править]

Этимология [править]

От латинского составляет , причастие настоящего времени cōnsistō («соглашаться с; продолжать»), от con- («префикс , обозначающий существо или объединение нескольких объектов ») (в конечном итоге от Прото- Индоевропейский * ḱóm («рядом, рядом, рядом, с»)) + sistō («заставлять стоять; ставить, устанавливать») (в конечном итоге от протоиндоевропейского * stísteh₂ti (« стоять; вставать »), от корня * steh₂- (« стоять (вставать) »)).

Произношение [править]

• IPA ^(ключ) : / kənˈsɪstənt /
• Расстановка переносов: согласованная

Прилагательное [править]

последовательный ( сравнительный более последовательный , превосходный наиболее последовательный )

1. Регулярно возникающие, надежные. [с конца 16 в. в устаревшем смысле «состоящий из»]

   Постоянное использование чинглиша в Китае может быть очень раздражающим, если не считать некоторого первоначального развлечения.

   Он очень последователен в своем политическом выборе: хорошая или плохая экономика, он всегда голосует за лейбористов!

   • 1728 , E [phraim] Chambers, «Согласованные тела», в Cyclopædia: Or, Универсальный словарь искусств и наук; […] В двух томах , том I (A – H), Лондон: напечатано для Джеймса и Джона Кнаптонов [ et al. ], OCLC 951657352 , стр. 309, столбец 2:

     Автор [Mr.Бойль] имеет конкретный Eſſay атмосферы из Conſiſtent Bodies ; при этом он показывает, что все, даже твердые, твердые, тяжелые и неподвижные Тела, действительно выдыхают или испускают Effluvia в определенное пространство вокруг них.

   • 1843 , Джон Стюарт Милль, «О рациональности или силлогизме», в Логическая, рациональная и индуктивная система, представляющая собой взаимосвязанный взгляд на принципы доказательства и методы научного исследования.[…] В двух томах , том I, Лондон: Джон У [Иллиам] Паркер, […], OCLC 156109929 , § 2, стр. 237:

     Когда философ полностью принял номиналистский взгляд на Значения общего языка, сохраняющего вместе с ним dictum de omni как основу всех рассуждений, две такие предпосылки, справедливо соединенные вместе, были бы вероятны, если бы он был последовательным мыслителем , чтобы привести его к довольно поразительным выводам.

2. Совместимо, соответствует.
   • 1719 25 апреля , [Даниэль Дефо], Жизнь и странные удивительные приключения Робинзона Крузо, […] , 3-е издание, Лондон: […] У [Иллиам] Тейлор […], опубликовано 1719, OCLC 838630407 , page 43:

     Как я когда-то сделал это, порывая с моими родителями, o я не мог быть доволен сейчас, но я должен уйти и оставить счастливое представление о том, что я богатый и процветающий Человек на моей новой Плантации, только для того, чтобы преследовать безудержную и необузданную страсть к милосердию, более прекрасному, чем допускала Природа Вещи; и, таким образом, я снова попадаю в глубокую пропасть человеческого великолепия, в которую когда-либо попадал человек, или, возможно, может быть совмещен с Жизнью и состоянием здоровья в мире.

   • 1813 27 января, [Джейн Остин], глава XIX, в Гордость и предубеждение , том I, Лондон: […] Т [хомас] Эгертон […], OCLC 38659585 , стр. 251:

     Когда я окажу себе честь поговорить с вами в следующий раз на эту тему, я надеюсь получить более благоприятный ответ, чем вы дали мне сейчас; хотя я далек от того, чтобы обвинять вас в жестокости в настоящее время, потому что я знаю, что это устоявшийся обычай вашего пола отказывать мужчине по первому заявлению, и, возможно, вы даже сейчас сказали в поддержку моего иска столько же, сколько и соответствует истинной изысканности женского персонажа.

   • 2012 Январь, Стивен Сломан, «Битва между интуицией и размышлением [обзор Thinking, Fast and Slow (2011) by Daniel Kahneman]», в American Scientist ^[1] , том 100, номер 1, заархивировано из оригинала 8 января 2012 г., стр. 74:

     Либертарианский патернализм — это точка зрения, согласно которой, поскольку способ представления гражданам вариантов влияет на то, что они выбирают, общество должно представлять варианты таким образом, чтобы «подталкивать» наши интуитивное «я», чтобы делать выбор, который больше соответствует тому, что наше более размышляющее «я» выбрало бы, если бы оно контролировало.

3. (логика) Из набора утверждений: таких, что из них логически не следует противоречие.
   • 1857 , Уильям Сполдинг, «Введение», в Введение в логическую науку: переиздание статьи «Логика» из восьмого издания Британской энциклопедии , Эдинбург: Адам и Чарльз Блэк, глава II ( Функция и аксиомы логической науки), параграф 12 (2), страницы 22–23:

     Когда мы спрашиваем, согласованы ли идеи или термины или несовместимы друг с другом, вопрос в действительности заключается в том, каким образом отношение предположение между идеями дает право на их объединение в качестве суждения.

   • 2008 , Чарльз Петцольд, «Столетия прогресса», в Аннотированный Тьюринг: экскурсия по исторической статье Алана Тьюринга о вычислимости и машине Тьюринга , Индианаполис, Индиана: Wiley Publishing, → ISBN , стр. 39:

     Частью создания основы геометрии была демонстрация того, что аксиомы непротиворечивы, — что они никогда не могут привести к противоречиям.

Антонимы [править]

Производные термины [править]

Связанные термины [править]

Переводы [править]

регулярно встречающегося, надежного характера

логически не противоречит

Существительное [править]

соответствует ( множественное число составляет )

1. (во множественном числе, редко) Сосуществующие или согласованные друг с другом объекты или факты.
   • 1661 , Галилео Галилей; Томас Салусбери, перевод: «Галилий: Галилий Линкей, его система мира. Второй диалог », в Mathematical Collections and Translations , volume I, part I, London: William Leybourne, OCLC 863523362 , страницы 234–235:

     Суточное движение primum mobile , это не от Eaſt до Weſt? А годовое движение Солнца через затмение, разве не наоборот, от Weſt к Eaſt? Как же тогда вы можете заставить эти движения, сообщаемые Земле, противоположные стать участниками ?

3. (Восточное Православие, историческое) Вид кающегося, которому разрешалось помогать в молитвах, но не разрешалось принимать святые таинства.
   • [ 1884 , Уильям Эдуард Аддис; Томас Арнольд, «КАЧЕСТВЕННАЯ ДИСЦИПЛИНА И КНИГИ», в Католический словарь: содержащий некоторое описание доктрины, дисциплины, обрядов, церемоний, соборов и религиозных орденов Католической церкви , Лондон: Kegan Paul, Trench, & Co. , […], OCLC 645
     , page 651:

     [F] Начиная с четвертого века Восточная Церковь делила кающихся на четыре класса. […] согласуются (последний класс — συστάντες, консистент ) «стоят вместе с верующими и не выходят с оглашенными.Последним идет участие в таинствах (ἁγιασμάτων). «]

Гиперонимы [править]

Ссылки [править]

Дополнительная литература [править]

Анаграммы [править]

---

Каталанский [править]

Прилагательное [править]

соответствует ( мужской и женский род множественного числа составляет )

1. согласовано

Производные термины [править]

---

Этимология [править]

Заимствовано из латинского cōnsistēns или французского consistant (с адаптацией гласных к латинскому). ^[1]

Произношение [править]

• IPA ^(ключ) : /ˌkɔn.siˈstɛnt/, /ˌkɔn.sɪˈstɛnt/
• Расстановка переносов: содержание
• Рифмы: -nt

Прилагательное [править]

согласованный ( сравнительный консистентный , превосходный последовательный )

1. последовательное, связное

Изгиб [править]

Производные термины [править]

Потомки [править]

Ссылки [править]

---

Глагол [править]

последовательный

1. Множественное число от третьего лица, указывающее на консистер
2. существующее сослагательное наклонение от третьего лица множественного числа consister

---

Глагол [править]

постоянный

1. от третьего лица множественное число в будущем, активный признак cōnsistō

---

румынский [править]

Этимология [править]

Из французского консистент .

Прилагательное [править]

согласованный м или n ( женский род единственного числа согласованный , мужской род множественного числа консистенция , женский и средний род множественного числа консистенция )

1. цельный
2. соответствует

Cклонение [править]

В конечном итоге непротиворечивое — повторное рассмотрение

Я написал первую версию этого сообщения о моделях согласованности около года назад, но мне он никогда не нравился, поскольку он был написан в спешке, а тема достаточно важна, чтобы получить более тщательное рассмотрение.ACM Queue попросили меня отредактировать ее для использования в их журнале, и я воспользовался возможностью, чтобы улучшить статью. Это та новая версия.

Согласованность в конечном итоге — Построение надежных распределенных систем в мировом масштабе требует компромисса между согласованностью и доступностью.

В основе облачных вычислений Amazon лежат инфраструктурные сервисы, такие как Amazon S3 (Simple Storage Service), SimpleDB и EC2 (Elastic Compute Cloud), которые предоставляют ресурсы для создания вычислительных платформ Интернет-масштаба и большого разнообразия приложений.Требования, предъявляемые к этим инфраструктурным сервисам, очень строгие; им необходимо получить высокие оценки в областях безопасности, масштабируемости, доступности, производительности и экономической эффективности, и они должны соответствовать этим требованиям, непрерывно обслуживая миллионы клиентов по всему миру.

Эти услуги представляют собой огромные распределенные системы, работающие в мировом масштабе. Такой масштаб создает дополнительные проблемы, потому что, когда система обрабатывает триллионы и триллионы запросов, события, которые обычно имеют низкую вероятность возникновения, теперь гарантированно произойдут и должны быть учтены заранее при проектировании и архитектуре системы.Учитывая всемирный охват этих систем, мы повсеместно используем методы репликации, чтобы гарантировать стабильную производительность и высокую доступность. Хотя репликация приближает нас к нашим целям, она не может достичь их совершенно прозрачным образом; при определенных условиях заказчики этих услуг столкнутся с последствиями использования методов репликации внутри услуг.

Один из способов, которым это проявляется, — это тип обеспечиваемой согласованности данных, особенно когда лежащая в основе распределенная система предоставляет конечную модель согласованности для репликации данных.При разработке этих крупномасштабных систем в Amazon мы используем набор руководящих принципов и абстракций, связанных с крупномасштабной репликацией данных, и фокусируемся на компромиссе между высокой доступностью и согласованностью данных. В этой статье я представляю некоторые важные предпосылки, которые сформировали наш подход к созданию надежных распределенных систем, которые должны работать в глобальном масштабе. Более ранняя версия этого текста появилась в блоге All Things Distributed в декабре 2007 года и была значительно улучшена с помощью читателей.

Историческая перспектива

В идеальном мире была бы только одна модель согласованности: когда обновление будет выполнено, все наблюдатели увидят это обновление. Впервые это оказалось труднодостижимым в системах баз данных конца 70-х годов. Лучшая «историческая статья» по этой теме — «Заметки о распределенных базах данных» Брюса Линдсея и др. ⁵ В нем излагаются фундаментальные принципы репликации базы данных и обсуждается ряд методов, направленных на достижение согласованности.Многие из этих методов пытаются достичь прозрачности распределения, то есть пользователю системы кажется, что существует только одна система, а не несколько взаимодействующих систем. Многие системы того времени придерживались подхода, согласно которому лучше вывести из строя всю систему, чем нарушить эту прозрачность. ²

В середине 90-х, с появлением более крупных интернет-систем, эти методы были пересмотрены. В то время люди начали рассматривать идею о том, что доступность является, возможно, самым важным свойством этих систем, но они боролись с тем, чем ей следует торговать.Эрик Брюэр, профессор систем Калифорнийского университета в Беркли и в то время глава Inktomi, объединил различные компромиссы в своем программном выступлении на конференции PODC (Принципы распределенных вычислений) в 2000 году. ¹ Он представил Теорема CAP, которая утверждает, что из трех свойств систем с совместно используемыми данными — согласованности данных, доступности системы и устойчивости к разделению сети — только два могут быть достигнуты в любой момент времени. Более формальное подтверждение можно найти в статье Сета Гилберта и Нэнси Линч за 2002 год. ⁴

Система, не терпимая к сетевым разделам, может обеспечить согласованность и доступность данных, и часто это достигается с помощью протоколов транзакций. Чтобы это работало, клиентские системы и системы хранения должны быть частью одной среды; они терпят неудачу в целом при определенных сценариях, и поэтому клиенты не могут наблюдать за разделами. Важное наблюдение состоит в том, что в более крупных распределенных системах разделение сети является заданным; следовательно, согласованность и доступность не могут быть достигнуты одновременно.Это означает, что есть два варианта того, что следует отбросить: ослабление согласованности позволит системе оставаться высокодоступной в условиях разделения на разделы, тогда как обеспечение согласованности в качестве приоритета означает, что при определенных условиях система будет недоступна.

Оба варианта требуют, чтобы разработчик клиента знал, что предлагает система. Если система подчеркивает последовательность, разработчик должен иметь дело с тем фактом, что система может быть недоступна для выполнения, например, записи.Если эта запись не удалась из-за недоступности системы, разработчику придется решать, что делать с записываемыми данными. Если система подчеркивает доступность, она всегда может принять запись, но при определенных условиях чтение не будет отражать результат недавно завершенной записи. Затем разработчик должен решить, требуется ли клиенту постоянный доступ к самому последнему обновлению. Существует ряд приложений, которые могут обрабатывать слегка устаревшие данные, и они хорошо обслуживаются в рамках этой модели.

В принципе, свойство согласованности транзакционных систем, определенное в свойствах ACID (атомарность, согласованность, изоляция, долговечность), представляет собой другой вид гарантии согласованности. В ACID согласованность означает гарантию того, что после завершения транзакции база данных находится в согласованном состоянии; например, при переводе денег с одного счета на другой общая сумма на обоих счетах не должна изменяться. В системах на основе ACID такой вид согласованности часто является обязанностью разработчика, пишущего транзакцию, но может поддерживаться ограничениями целостности управления базой данных.

Согласованность — клиент и сервер

Есть два способа посмотреть на последовательность. Один из них — с точки зрения разработчика / клиента: как они наблюдают за обновлениями данных. Второй способ — со стороны сервера: как обновления проходят через систему и какие гарантии могут дать системы в отношении обновлений.

Согласованность на стороне клиента

На стороне клиента есть эти компоненты:

• Система хранения. На данный момент мы будем рассматривать его как черный ящик, но следует исходить из предположения, что под его покровом это что-то крупномасштабное и широко распространенное, и что оно построено так, чтобы гарантировать надежность и доступность.
• Процесс A. Это процесс, который выполняет запись и чтение из системы хранения.
• Процессы B и C. Эти два процесса не зависят от процесса A и осуществляют запись и чтение из системы хранения. Неважно, действительно ли это процессы или потоки в одном процессе; что важно, так это то, что они независимы и должны общаться, чтобы делиться информацией.
  Согласованность на стороне клиента связана с тем, как и когда наблюдатели (в данном случае процессы A, B или C) видят обновления, внесенные в объект данных в системах хранения. В следующих примерах, иллюстрирующих различные типы согласованности, процесс A обновил объект данных:
• Сильная консистенция. После завершения обновления любой последующий доступ (со стороны A, B или C) вернет обновленное значение.
• Слабая консистенция. Система не гарантирует, что последующие обращения вернут обновленное значение.Прежде чем значение будет возвращено, необходимо выполнить ряд условий. Период между обновлением и моментом, когда гарантировано, что любой наблюдатель всегда будет видеть обновленное значение, называется окном несогласованности .
• Окончательная согласованность. Это особая форма слабой согласованности; система хранения гарантирует, что если в объект не будут внесены новые обновления, в конечном итоге все обращения будут возвращать последнее обновленное значение. Если сбоев не происходит, максимальный размер окна несогласованности может быть определен на основе таких факторов, как задержки связи, нагрузка на систему и количество реплик, задействованных в схеме репликации.Самая популярная система, обеспечивающая согласованность в конечном итоге, — это DNS (система доменных имен). Обновления имени распределяются согласно настроенному шаблону и в сочетании с управляемыми по времени кэшами; в конечном итоге все клиенты увидят обновление.

Модель конечной согласованности имеет ряд вариаций, которые важно учитывать:

• Причинная последовательность. Если процесс A сообщил процессу B, что он обновил элемент данных, последующий доступ процесса B вернет обновленное значение, и запись гарантированно заменит предыдущую запись.Доступ процесса C, который не имеет причинно-следственной связи с процессом A, регулируется обычными правилами согласованности в конечном итоге.
• Последовательность чтения и записи. Это важная модель, в которой процесс A после обновления элемента данных всегда обращается к обновленному значению и никогда не увидит более старое значение. Это частный случай модели причинной согласованности.
• Согласованность сеанса. Это практическая версия предыдущей модели, в которой процесс обращается к системе хранения в контексте сеанса.Пока существует сеанс, система гарантирует согласованность чтения-записи. Если сеанс завершается из-за определенного сценария сбоя, необходимо создать новый сеанс, и гарантии не перекрывают сеансы.
• Монотонная последовательность чтения. Если процесс обнаружил определенное значение для объекта, любые последующие обращения никогда не вернут никаких предыдущих значений.
• Монотонная последовательность записи. В этом случае система гарантирует сериализацию записей одним и тем же процессом.Системы, которые не гарантируют такой уровень согласованности, как известно, сложно программировать.

Некоторые из этих свойств можно комбинировать. Например, можно получить монотонное чтение в сочетании с согласованностью на уровне сеанса. С практической точки зрения эти два свойства (монотонное чтение и чтение-ваша-запись) наиболее желательны в системе конечной согласованности, но не всегда требуются. Эти два свойства упрощают разработчикам создание приложений, позволяя системе хранения снижать согласованность и обеспечивать высокую доступность.

Как видно из этих вариантов, возможно несколько различных сценариев. Сможете ли вы справиться с последствиями, зависит от конкретных приложений.

Конечная согласованность — это не какое-то эзотерическое свойство экстремально распределенных систем. Многие современные СУБД (системы управления реляционными базами данных), которые обеспечивают надежность первичного резервного копирования, реализуют свои методы репликации как в синхронном, так и в асинхронном режимах. В синхронном режиме обновление реплики является частью транзакции.В асинхронном режиме обновления поступают в резервную копию с задержкой, часто посредством доставки журналов. В последнем режиме, если основной выходит из строя до отправки журналов, чтение из расширенной резервной копии приведет к старым, несовместимым значениям. Кроме того, для поддержки лучшей масштабируемой производительности чтения СУБД начали предоставлять возможность чтения из резервной копии, что является классическим случаем предоставления гарантий конечной согласованности, в которых окна несогласованности зависят от периодичности доставки журналов.

Согласованность на стороне сервера

На стороне сервера нам нужно глубже взглянуть на то, как обновления проходят через систему, чтобы понять, что движет различными режимами, которые может использовать разработчик, использующий систему. Прежде чем приступить к работе, давайте дадим несколько определений:

N = количество узлов, на которых хранятся реплики данных

W = количество реплик, которым необходимо подтвердить получение обновления до завершения обновления

R = количество реплик, с которыми связываются при доступе к объекту данных посредством операции чтения

Если W + R> N, то набор для записи и набор для чтения всегда перекрываются, и можно гарантировать сильную согласованность.В сценарии РСУБД с первичным резервным копированием, реализующей синхронную репликацию, N = 2, W = 2 и R = 1. Независимо от того, с какой реплики клиент читает, он всегда получит последовательный ответ. При асинхронной репликации с включенным чтением из резервной копии N = 2, W = 1 и R = 1. В этом случае R + W = N, и согласованность не может быть гарантирована.

Проблемы с этими конфигурациями, которые являются базовыми протоколами кворума, заключаются в том, что, когда система не может писать на узлы W из-за сбоев, операция записи должна завершиться неудачно, что означает недоступность системы.При N = 3 и W = 3 и только двух доступных узлах системе придется не выполнять запись.

В системах с распределенным хранилищем, которые должны обеспечивать высокую производительность и доступность, количество реплик обычно превышает две. Системы, ориентированные исключительно на отказоустойчивость, часто используют N = 3 (с конфигурациями W = 2 и R = 2). Системы, которым необходимо обслуживать очень высокие нагрузки чтения, часто реплицируют свои данные сверх того, что требуется для отказоустойчивости; N может быть десятками или даже сотнями узлов, при этом R настроен на 1, так что одно чтение будет возвращать результат.Системы, которые заинтересованы в согласованности, устанавливаются на W = N для обновлений, что может снизить вероятность успешной записи. Обычная конфигурация для этих систем, которые заботятся об отказоустойчивости, но не о согласованности, — это запускать с W = 1, чтобы получить минимальную долговечность обновления, а затем полагаться на ленивую (эпидемическую) технику для обновления других реплик.

Как настроить N, W и R, зависит от общего случая и от того, какой путь производительности необходимо оптимизировать. В R = 1 и N = W мы оптимизируем для случая чтения, а в W = 1 и R = N мы оптимизируем для очень быстрой записи.Конечно, в последнем случае долговечность не гарантируется при наличии сбоев, и если W <(N + 1) / 2, существует вероятность конфликта записей, когда наборы записи не перекрываются.

Слабая / возможная согласованность возникает, когда W + R <= N, что означает, что существует вероятность того, что наборы для чтения и записи не будут перекрываться. Если это преднамеренная конфигурация, а не случай сбоя, то вряд ли имеет смысл устанавливать R на что-либо, кроме 1. Это происходит в двух очень распространенных случаях: первый - это массовая репликация для масштабирования чтения, упомянутая ранее; во втором - более сложный доступ к данным.В простой модели «ключ-значение» легко сравнивать версии, чтобы определить последнее значение, записанное в систему, но в системах, которые возвращают наборы объектов, труднее определить, каким должен быть правильный последний набор. В большинстве этих систем, где набор для записи меньше набора реплик, существует механизм, который лениво применяет обновления к оставшимся узлам в наборе реплик. Период до обновления всех реплик - это окно несогласованности, о котором говорилось ранее.Если W + R <= N, то система уязвима для чтения с узлов, которые еще не получили обновления.

Может ли быть достигнута согласованность чтения-записи, сеанса и монотонности, в целом зависит от «привязанности» клиентов к серверу, который выполняет для них распределенный протокол. Если это один и тот же сервер каждый раз, то относительно легко гарантировать чтение и запись и монотонное чтение. Это немного усложняет управление балансировкой нагрузки и отказоустойчивостью, но это простое решение.Использование сеансов, которые являются липкими, делает это явным и обеспечивает уровень воздействия, о котором клиенты могут думать.

Иногда клиент реализует чтение ваших записей и монотонное чтение. Добавляя версии при записи, клиент отбрасывает чтение значений с версиями, предшествующими последней просмотренной версии.

Разделение происходит, когда некоторые узлы в системе не могут достичь других узлов, но оба набора доступны для групп клиентов. Если вы используете классический подход кворума большинства, то раздел, имеющий W узлов набора реплик, может продолжать получать обновления, в то время как другой раздел становится недоступным.То же верно и для набора для чтения. Учитывая, что эти два набора перекрываются, по определению набор меньшинства становится недоступным. Разделы случаются не часто, но они возникают между центрами обработки данных, а также внутри центров обработки данных.

В некоторых приложениях недоступность любого из разделов недопустима, и важно, чтобы клиенты, которые могут достичь этого раздела, успешно работали. В этом случае обе стороны назначают новый набор узлов хранения для приема данных, и операция слияния выполняется, когда раздел заживает.Например, в Amazon корзина для покупок использует такую ​​систему с постоянной записью; в случае разделения покупатель может продолжать класть товары в корзину, даже если исходная корзина живет на других разделах. Приложение тележки помогает системе хранения объединить тележки после заживления перегородки.

Amazon Dynamo

Система, которая поставила все эти свойства под явный контроль над архитектурой приложения, — это Amazon Dynamo, система хранения «ключ-значение», которая используется внутри многих сервисов, составляющих платформу электронной коммерции Amazon, а также веб-сервисы Amazon.Одна из целей разработки Dynamo — позволить владельцу службы приложений, который создает экземпляр системы хранения Dynamo, который обычно охватывает несколько центров обработки данных, находить компромисс между согласованностью, долговечностью, доступностью и производительностью за определенную плату. точка. ³

Сводка

Несогласованность данных в крупномасштабных надежных распределенных системах должна допускаться по двум причинам: повышение производительности чтения и записи в условиях высокой степени одновременности; и обработка случаев разделения, когда модель большинства делает часть системы недоступной, даже если узлы работают.

Приемлемость несоответствия зависит от клиентского приложения. Во всех случаях разработчик должен знать, что гарантии согласованности предоставляются системами хранения и должны приниматься во внимание при разработке приложений. В модель конечной согласованности внесен ряд практических улучшений, таких как согласованность на уровне сеанса и монотонное чтение, которые предоставляют разработчику лучшие инструменты. Во многих случаях приложение способно без проблем обрабатывать возможные гарантии согласованности системы хранения.Конкретный популярный случай — это веб-сайт, в котором мы можем иметь понятие согласованности, воспринимаемой пользователем. В этом сценарии окно несогласованности должно быть меньше времени, ожидаемого для возврата клиента для следующей загрузки страницы. Это позволяет обновлениям распространяться по системе до того, как ожидается следующее чтение.

Цель этой статьи — повысить осведомленность о сложности инженерных систем, которые должны работать в глобальном масштабе и которые требуют тщательной настройки, чтобы гарантировать надежность, доступность и производительность, необходимые их приложениям.Один из инструментов системного разработчика — длительность окна согласованности, в течение которого клиенты систем, возможно, знакомятся с реалиями крупномасштабной системной инженерии.

Список литературы

1. Брюэр, Э. А. 2000. На пути к устойчивым распределенным системам (аннотация). In Proceedings of the 19 Annual ACM Symposium on Principles of Distributed Computing (16-19 июля, Портленд, Орегон): 7
2. Разговор с Брюсом Линдси.2004. ACM Queue 2 (8): 22-33.
3. ДеКандия, Г., Хасторун, Д., Джампани, М., Какулапати, Г., Лакшман, А., Пильчин, А., Сивасубраманян, С., Фоссхал, П., Фогельс, В. 2007. Динамо: Amazon’s высокодоступное хранилище ключей и значений. В материалах 21-го симпозиума ACM по принципам операционных систем (Стивенсон, Вашингтон, октябрь).
4. Гилберт, С., Линч, Н. 2002. Гипотеза Брюера и возможность создания согласованных, доступных и устойчивых к разделам веб-сервисов.Новости ACM SIGACT 33 (2).
5. Линдси Б.Г., Селинджер П.Г. и др. 1980. Заметки о распределенных базах данных. В Распределенных базах данных, изд. Я . В. Драффан и Ф. Пул, 247–284. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. Также доступен как отчет IBM Research Report RJ2517, Сан-Хосе, Калифорния (июль 1979 г.).

Последовательность | Облачное хранилище | Google Cloud

На этой странице объясняется, какие операции облачного хранилища строго согласованы и которые в конечном итоге согласуются.В случае кешируемых, общедоступных объекты, вы контролируете степень, в которой операции над объектами последовательный.

Строгое последовательная работа

Cloud Storage обеспечивает надежную глобальную согласованность для следующих операции, включая данные и метаданные:

• Чтение после записи
• Чтение после обновления метаданных
• Чтение после удаления
• Список ведра
• Список объектов

Когда вы загружаете объект в облачное хранилище, и вы получаете успех ответ, объект сразу доступен для скачивания и метаданных операции из любого места, где Google предлагает услуги.Это правда ли вы создаете новый объект или заменяете существующий объект. Потому что загрузки строго согласован, вы никогда не получите ответ 404 Not Found или устаревший данные для операции чтения после записи или чтения после обновления метаданных.

Строгая глобальная согласованность также распространяется на операции удаления объектов. Если запрос на удаление завершается успешно, немедленная попытка загрузить объект или его метаданные приведут к коду состояния 404 Not Found . Вы получаете ошибку 404 поскольку объект больше не существует после успешного выполнения операции удаления.

Список ведра и список объектов строго согласованы: когда вы создаете ведро или объект, а затем немедленно выполнить соответствующую операцию list , вновь созданная корзина или объект появляется в возвращенном списке.

Важно: Кэшированные объекты, которые доступны для всеобщего чтения, могут не демонстрировать последовательность. Дополнительные сведения см. В разделе Управление кешем и согласованность.

Для сегментов, в то время как обновления метаданных строго согласованы для операции чтения после обновления метаданных, результирующие изменения конфигурации могут требуется время для распространения.Например, если вы включите управление версиями объекта на ведро, вы должны подождать не менее 30 секунд перед удалением или заменой объекты.

Аналогично для ключей HMAC существует задержка до 3 минут между когда вы запрашиваете изменение состояния ключа и когда изменение состояния вступает в силу. Например, если вы отключите ключ HMAC, вы должны подождать не менее 3 минут до отправки запроса на удаление ключа, потому что попытки сделать это в первые 3 минуты могли провалиться.

В конечном итоге согласованные операции

Следующие операции в конечном итоге согласованы:

• Предоставление доступа или отмена доступа к ресурсам.

Обычно эти операции вступают в силу около минуты. В некоторых случаях это может занять на несколько минут больше.

В качестве примера поведения, которое может возникнуть в результате согласованности, если вы удалить доступ пользователя к корзине, это изменение немедленно отражается в метаданные для корзины; однако пользователь может по-прежнему иметь доступ к корзине на короткий период времени.

Контроль и согласованность кеш-памяти

Кэшированные объекты, которые доступны для общего чтения, могут не демонстрировать строгую согласованность.Если вы разрешаете кэширование объекта, и объект находится в кеше, когда он обновлен или удален, кэшированный объект не обновляется и не удаляется до тех пор, пока его Срок действия кеша истекает.

Время жизни объекта в кэше определяется метаданными Cache-Control связанный с объектом. Метаданные Cache-Control можно установить с помощью Cache-Control заголовок запроса, включенный в начальную загрузку объекта, или при последующем обновлении метаданных объекта.Потому что ты контролировать метаданные Cache-Control , вы также контролируете степень, в которой кэшированные объекты согласованы. Более того, в то время как запросы на объект может включать собственный заголовок Cache-Control , эти заголовки игнорируются облачным хранилищем, если они настроены таким образом, чтобы не было кэшированного содержимого.

Примечание: Если вы не укажете время жизни кеша, общедоступный объект может кэшироваться на срок до 60 минут.

уровней согласованности в Azure Cosmos DB

• 15.10.2021
• 13 минут на чтение

В этой статье

ПРИМЕНЯЕТСЯ К: SQL API Cassandra API Gremlin API Таблица API API Azure Cosmos DB для MongoDB

Распределенные базы данных, которые полагаются на репликацию для обеспечения высокой доступности, низкой задержки или того и другого, должны найти фундаментальный компромисс между согласованностью чтения, доступностью, задержкой и пропускной способностью, как определено теоремой PACELC.Линеаризуемость модели строгой согласованности — золотой стандарт программируемости данных. Но это добавляет высокую цену из-за более высоких задержек записи из-за того, что данные должны реплицироваться и фиксироваться на больших расстояниях. Сильная согласованность также может пострадать из-за снижения доступности (во время сбоев), поскольку данные не могут реплицироваться и фиксироваться в каждом регионе. Конечная согласованность обеспечивает более высокую доступность и лучшую производительность, но ее сложнее программировать приложения, поскольку данные могут не быть полностью согласованными во всех регионах.

Большинство коммерчески доступных распределенных баз данных NoSQL, доступных сегодня на рынке, обеспечивают только надежную и возможную согласованность. Azure Cosmos DB предлагает пять четко определенных уровней. Уровни от самого сильного до самого слабого:

• Сильный
• Ограниченная степень устаревания
• Сессия
• Согласованный префикс
• Возможное

Каждый уровень обеспечивает компромисс между доступностью и производительностью.На следующем изображении показаны различные уровни согласованности в виде спектра.

Уровни согласованности не зависят от региона и гарантируются для всех операций независимо от региона, из которого выполняются операции чтения и записи, количества регионов, связанных с вашей учетной записью Azure Cosmos, или от того, настроена ли ваша учетная запись с одной или несколькими операциями записи. регионы.

уровней согласованности и API-интерфейсы Azure Cosmos DB

Azure Cosmos DB обеспечивает встроенную поддержку API-интерфейсов, совместимых с проводным протоколом, для популярных баз данных.К ним относятся MongoDB, Apache Cassandra, Gremlin и хранилище таблиц Azure. При использовании API-интерфейса Gremlin и API-интерфейса таблиц используется уровень согласованности по умолчанию, настроенный в учетной записи Azure Cosmos. Подробные сведения о сопоставлении уровней согласованности между Cassandra API или API для MongoDB и уровнями согласованности Azure Cosmos DB см. В разделе Сопоставление согласованности API Cassandra и API для сопоставления согласованности MongoDB.

Объем согласованности чтения

Согласованность чтения применяется к одной операции чтения в логическом разделе.Операция чтения может выполняться удаленным клиентом или хранимой процедурой.

Настроить уровень согласованности по умолчанию

Вы можете настроить уровень согласованности по умолчанию для своей учетной записи Azure Cosmos в любое время. Уровень согласованности по умолчанию, настроенный для вашей учетной записи, применяется ко всем базам данных и контейнерам Azure Cosmos в этой учетной записи. Все операции чтения и запросы к контейнеру или базе данных по умолчанию используют указанный уровень согласованности. Чтобы узнать больше, посмотрите, как настроить уровень согласованности по умолчанию.Вы также можете переопределить уровень согласованности по умолчанию для конкретного запроса, чтобы узнать больше, см. Статью о том, как переопределить уровень согласованности по умолчанию.

Подсказка

Переопределение уровня согласованности по умолчанию применяется только к чтению в клиенте SDK. Учетная запись, по умолчанию настроенная на строгую согласованность, по-прежнему будет записывать и реплицировать данные синхронно в каждый регион в учетной записи. Когда экземпляр или запрос клиента SDK переопределяет это с помощью сеанса или более слабой согласованности, чтение будет выполняться с использованием одной реплики.Дополнительные сведения см. В разделе «Уровни согласованности и пропускной способности».

Важно

Требуется воссоздать любой экземпляр SDK после изменения уровня согласованности по умолчанию. Это можно сделать, перезапустив приложение. Это гарантирует, что SDK использует новый уровень согласованности по умолчанию.

Гарантии, связанные с уровнями согласованности

Azure Cosmos DB гарантирует, что 100% запросов на чтение соответствуют гарантии согласованности для выбранного уровня согласованности. Точные определения пяти уровней согласованности в Azure Cosmos DB с использованием языка спецификаций TLA + представлены в репозитории azure-cosmos-tla на GitHub.

Семантика пяти уровней согласованности описана в следующих разделах.

Сильная консистенция

Сильная согласованность обеспечивает гарантию линеаризуемости. Линеаризуемость относится к одновременному обслуживанию запросов. При чтении гарантированно будет возвращена самая последняя зафиксированная версия элемента. Клиент никогда не видит незафиксированной или частичной записи. Пользователи всегда гарантированно прочитают последнюю зафиксированную запись.

Следующий рисунок иллюстрирует сильную согласованность музыкальных нот.После записи данных в регион «West US 2», когда вы читаете данные из других регионов, вы получаете самое последнее значение:

Ограниченная устойчивость к устареванию

При ограниченном постоянстве устаревания при чтении гарантируется соблюдение гарантии согласованного префикса. Чтения могут отставать от записи не более чем на «K» версий (то есть «обновлений») элемента или на «T» интервалов времени, в зависимости от того, что наступит раньше. Другими словами, когда вы выбираете ограниченное устаревание, «устаревание» можно настроить двумя способами:

• Количество исполнений ( K ) артикула
• Интервал времени ( T ) чтение может отставать от записи

Для учетной записи с одним регионом минимальное значение K и T составляет 10 операций записи или 5 секунд.Для многорегиональных учетных записей минимальное значение K и T составляет 100 000 операций записи или 300 секунд.

Ограниченная степень устаревания предлагает общий глобальный порядок за пределами «окна устаревания». Когда клиент выполняет операции чтения в области, которая принимает записи, гарантии, обеспечиваемые согласованностью ограниченного устаревания, идентичны гарантиям строгой согласованности. По мере приближения окна устаревания либо времени, либо обновлений, в зависимости от того, что ближе, служба будет ограничивать новые записи, чтобы позволить репликации наверстать упущенное и соблюдать гарантию согласованности.

Внутри окна устаревания Bounded Staleness обеспечивает следующие гарантии согласованности:

• Согласованность для клиентов в одном регионе для учетной записи с одним регионом записи = Strong

• Согласованность для клиентов в разных регионах для учетной записи с одной областью записи = согласованный префикс

• Согласованность для клиентов, выполняющих запись в один регион для учетной записи с несколькими регионами записи = согласованный префикс

• Согласованность для клиентов, осуществляющих запись в разные регионы для учетной записи с несколькими регионами записи = в конечном итоге

  Ограниченная степень устаревания часто выбирается глобально распределенными приложениями, которые ожидают низких задержек записи, но требуют полной гарантии глобального порядка.Ограниченное устаревание отлично подходит для приложений, предусматривающих групповую совместную работу и совместное использование, биржевые тикеры, публикацию-подписку / постановку в очередь и т. Д. Следующий рисунок иллюстрирует ограниченную согласованность устаревания с музыкальными нотами. После записи данных в регион «Запад США 2», регионы «Восток США 2» и «Восточная Австралия» считывают записанное значение на основе настроенного максимального времени задержки или максимального числа операций:

Согласованность сеанса

При согласованности сеанса в рамках одного сеанса клиентского сеанса чтения гарантированно соблюдают гарантии согласованного префикса, монотонного чтения, монотонной записи, чтения-вашей-записи и записи-после-чтения.Это предполагает один сеанс «писателя» или совместное использование токена сеанса для нескольких писателей.

Клиенты вне сеанса, выполняющие запись, увидят следующие гарантии:

• Согласованность для клиентов в одном регионе для учетной записи с одной областью записи = согласованный префикс

• Согласованность для клиентов в разных регионах для учетной записи с одной областью записи = согласованный префикс

• Согласованность для клиентов, выполняющих запись в один регион для учетной записи с несколькими регионами записи = согласованный префикс

• Согласованность для клиентов, выполняющих запись в несколько регионов для учетной записи с несколькими регионами записи = в конечном итоге

• Согласованность для клиентов, использующих интегрированный кеш Azure Cosmos DB = в конечном итоге

  Согласованность сеансов — это наиболее широко используемый уровень согласованности как для отдельных регионов, так и для глобально распределенных приложений.Он обеспечивает задержки записи, доступность и пропускную способность чтения, сопоставимые с конечной согласованностью, но также обеспечивает гарантии согласованности, которые соответствуют потребностям приложений, написанных для работы в контексте пользователя. На следующем рисунке показана согласованность сеанса с музыкальными нотами. «Писатель West US 2» и «считыватель West US 2» используют один и тот же сеанс (сеанс A), поэтому они оба одновременно читают одни и те же данные. В то время как регион «Восточная Австралия» использует «Сеанс B», он получает данные позже, но в том же порядке, что и записи.

Согласованность префикса

В варианте согласованного префикса возвращаемые обновления содержат некоторый префикс всех обновлений без пробелов. Постоянный уровень согласованности префикса гарантирует, что при чтении никогда не будет записываться не по порядку.

Если записи были выполнены в порядке A, B, C , то клиент видит либо A, , A, B , либо A, B, C , но никогда не перестановки вне порядка, такие как A, C или B, A, C .Согласованный префикс обеспечивает задержки записи, доступность и пропускную способность чтения, сопоставимые с конечной согласованностью, но также обеспечивает гарантии порядка, которые соответствуют потребностям сценариев, где порядок важен.

Ниже приведены гарантии согласованности для согласованного префикса:

• Согласованность для клиентов в одном регионе для учетной записи с одной областью записи = согласованный префикс
• Согласованность для клиентов в разных регионах для учетной записи с одной областью записи = согласованный префикс
• Согласованность для клиентов, выполняющих запись в один регион для учетной записи с несколькими регионами записи = согласованный префикс
• Согласованность для клиентов, выполняющих запись в несколько регионов для учетной записи с несколькими регионами записи = в конечном итоге

На следующем рисунке показано соответствие префикса согласованности музыкальным нотам.Во всех регионах считывания никогда не видят неупорядоченных записей:

Окончательная согласованность

В случае возможной согласованности нет гарантии упорядочивания чтений. При отсутствии дальнейших операций записи реплики в конечном итоге сходятся.
Конечная согласованность — это самая слабая форма согласованности, потому что клиент может читать значения, которые старше, чем те, которые он читал раньше. Конечная согласованность идеальна, когда приложение не требует каких-либо гарантий заказа.Примеры включают количество ретвитов, лайков или комментариев без цепочки. На следующем рисунке показано возможное соответствие музыкальных нот.

Гарантии согласованности на практике

На практике часто можно получить более строгие гарантии согласованности. Гарантии согласованности для операции чтения соответствуют актуальности и упорядоченности состояния базы данных, которое вы запрашиваете. Согласованность чтения связана с порядком и распространением операций записи / обновления.

Если в базе данных нет операций записи, операция чтения с возможным уровнем согласованности , сеансом или согласованным префиксом может дать те же результаты, что и операция чтения с высоким уровнем согласованности.

Если ваша учетная запись Azure Cosmos настроена с уровнем согласованности, отличным от строгой согласованности, вы можете узнать вероятность того, что ваши клиенты могут получить надежные и согласованные чтения для ваших рабочих нагрузок, просмотрев метрику Вероятностно ограниченная стабильность (PBS).Эта метрика представлена ​​на портале Azure, чтобы узнать больше, см. Метрика мониторинга вероятностно ограниченной устаревания (PBS).

Вероятностный ограниченный срок хранения показывает, насколько вероятна ваша конечная согласованность. Эта метрика дает представление о том, как часто вы можете добиться большей согласованности, чем уровень согласованности, который вы в настоящее время настроили в своей учетной записи Azure Cosmos. Другими словами, вы можете увидеть вероятность (измеряемую в миллисекундах) получения строго согласованного чтения для комбинации областей записи и чтения.

Уровни согласованности и задержки

Задержка чтения для всех уровней согласованности всегда гарантированно будет меньше 10 миллисекунд на 99-м процентиле. Средняя задержка чтения на 50-м процентиле обычно составляет 4 миллисекунды или меньше.

Задержка записи для всех уровней согласованности всегда гарантированно составляет менее 10 миллисекунд на 99-м процентиле. Средняя задержка записи на 50-м процентиле обычно составляет 5 миллисекунд или меньше. Учетные записи Azure Cosmos, которые охватывают несколько регионов и настроены с высокой согласованностью, являются исключением из этой гарантии.

Задержка записи и высокая согласованность

Для учетных записей Azure Cosmos, настроенных на строгую согласованность с более чем одним регионом, задержка записи равна двукратному времени приема-передачи (RTT) между любым из двух самых дальних регионов плюс 10 миллисекунд на 99-м процентиле. Высокий сетевой RTT между регионами приведет к более высокой задержке для запросов Cosmos DB, поскольку при строгой согласованности операция завершается только после того, как она была зафиксирована для всех регионов в учетной записи.

Точная задержка RTT зависит от скорости света и топологии сети Azure. Сеть Azure не предоставляет никаких соглашений об уровне обслуживания с задержкой для RTT между любыми двумя регионами Azure, однако она публикует статистику двусторонней задержки сети Azure. Для вашей учетной записи Azure Cosmos задержки репликации отображаются на портале Azure. Вы можете использовать портал Azure (перейдите в колонку «Метрики», выберите вкладку «Согласованность») для отслеживания задержек репликации между различными регионами, связанными с вашей учетной записью Azure Cosmos.

Важно

Строгая согласованность для учетных записей с регионами, охватывающими более 5000 миль (8000 километров), по умолчанию заблокирована из-за большой задержки записи. Чтобы включить эту возможность, обратитесь в службу поддержки.

Уровни согласованности и пропускная способность

• Для обеспечения строгого и ограниченного устаревания операции чтения выполняются с двух реплик в наборе из четырех реплик (меньшинство), чтобы обеспечить гарантии согласованности. Сеанс, согласованный префикс и возможное чтение одной реплики.В результате для того же количества единиц запроса пропускная способность чтения для строгой и ограниченной устаревания составляет половину от других уровней согласованности.

• Для данного типа операции записи, такой как вставка, замена, вставка и удаление, пропускная способность записи для единиц запроса идентична для всех уровней согласованности. Для обеспечения высокой согласованности изменения должны фиксироваться в каждом регионе (глобальное большинство), в то время как для всех других уровней согласованности используется локальное большинство (три реплики в наборе из четырех реплик).

Уровень согласованности	Кворум прочтений	Записывает кворум
Сильный	Местное меньшинство	Глобальное большинство
Ограниченная нестабильность	Местное меньшинство	Местное большинство
Сессия	Единая реплика (с использованием токена сеанса)	Местное большинство
Согласованный префикс	Одинарная реплика	Местное большинство
Возможное	Одинарная реплика	Местное большинство

Примечание

Стоимость операций чтения для локальных меньшинств в два раза выше, чем для более слабых уровней согласованности, поскольку чтения выполняются с двух реплик, чтобы обеспечить гарантии согласованности для сильной и ограниченной устаревания.

Уровни согласованности и надежность данных

В среде глобально распределенной базы данных существует прямая взаимосвязь между уровнем согласованности и надежностью данных в случае сбоя в масштабах всего региона. При разработке плана обеспечения непрерывности бизнеса вам необходимо понимать максимальный период последних обновлений данных, который приложение может выдержать при восстановлении после аварийного события. Период обновлений, который вы можете позволить себе потерять, известен как целевой точки восстановления ( RPO ).

В приведенной ниже таблице определяется взаимосвязь между моделью согласованности и надежностью данных в случае сбоя в масштабах всего региона.

Регион (ы)	Режим репликации	Уровень согласованности	ОПО
1	Одна или несколько областей записи	Любой уровень согласованности	<240 минут
> 1	Область одиночной записи	Сессия, постоянный префикс, возможный	<15 минут
> 1	Область одиночной записи	Ограниченное устаревание	К и Т
> 1	Область одиночной записи	Сильный	0
> 1	Несколько областей записи	Сессия, постоянный префикс, возможный	<15 минут
> 1	Несколько областей записи	Ограниченное устаревание	К и Т

K = количество версий «K» (т.е.е., обновления) элемента.

T = интервал времени «T» с момента последнего обновления.

Для учетной записи с одним регионом минимальное значение K и T составляет 10 операций записи или 5 секунд. Для многорегиональных учетных записей минимальное значение K и T составляет 100 000 операций записи или 300 секунд. Это определяет минимальный RPO для данных при использовании Bounded Staleness.

Высокая согласованность и несколько областей записи

Учетные записи

Cosmos, настроенные с несколькими регионами записи, не могут быть настроены для обеспечения строгой согласованности, поскольку распределенная система не может обеспечить нулевое RPO и нулевое RTO.Кроме того, нет преимуществ задержки записи при использовании строгой согласованности с несколькими регионами записи, потому что запись в любой регион должна быть реплицирована и зафиксирована во всех настроенных регионах в учетной записи. Это приводит к той же задержке записи, что и для одной учетной записи региона записи.

Дополнительное чтение

Чтобы узнать больше о концепциях согласованности, прочтите следующие статьи:

Следующие шаги

Чтобы узнать больше об уровнях согласованности в Azure Cosmos DB, прочтите следующие статьи:

Согласованные сети состояния покоя у здоровых субъектов

Аннотация

Функциональная МРТ (фМРТ) может применяться для изучения функциональной связности человеческого мозга.Было высказано предположение, что колебания сигнала, зависящего от уровня оксигенации крови (ЖИРНЫЙ) во время покоя, отражают базовую нейронную активность мозга, представляющую состояние человеческого мозга в отсутствие целенаправленного нейронального действия и внешнего воздействия, и что эти медленные колебания соответствуют функционально значимым сетям в состоянии покоя. Было проведено несколько исследований фМРТ в покое, в которых сообщается об очевидном сходстве между выявленными паттернами. Однако пространственная согласованность этих паттернов покоя еще не была оценена и количественно определена.В этом исследовании мы применяем подход к анализу данных, называемый тензорным вероятностным анализом независимых компонентов, к данным фМРТ в состоянии покоя, чтобы найти согласованность между предметами и сеансами. Мы характеризуем и количественно оцениваем согласованность этих эффектов, используя подход бутстрэппинга, и мы оцениваем жирную модуляцию амплитуды, а также межсубъектную вариацию по вокселям. Анализ обнаружил 10 паттернов с потенциальной функциональной значимостью, состоящих из областей, которые, как известно, участвуют в моторной функции, визуальной обработке, исполнительной функции, слуховой обработке, памяти и так называемой сети режима по умолчанию, каждая из которых имеет ЖИРНЫЕ изменения сигнала до 3 %.В общем, области с высоким средним процентным значением ЖИРНЫЙ сигнал являются последовательными и демонстрируют наименьшие отклонения от среднего. Эти результаты показывают, что базовая активность мозга одинакова у субъектов, демонстрирующих значительную временную динамику, причем процентное изменение ЖИРНОГО сигнала сравнимо с изменениями сигнала, обнаруженными в экспериментах, связанных с заданием.

Типичное функциональное исследование МРТ (фМРТ) фокусируется на изменении сигнала, зависящего от уровня оксигенации крови (ЖИРНЫЙ), вызванного нервной реакцией на внешне контролируемый стимул / задачу.Сигнал фМРТ во время периодов включения контрастирует с записями во время базового или контрольного состояния, что приводит к относительному изменению сигнала из-за конкретного изучаемого процесса. В последнее время повышенное внимание уделяется исследованию особенностей исходного состояния мозга. Особый интерес представляют низкочастотные флуктуации (≈0,01–0,1 Гц), наблюдаемые в BOLD-сигнале, которые, как было обнаружено, демонстрируют пространственную структуру, сравнимую с активацией, связанной с заданием (1–3).Продолжается дискуссия о том, отражают ли эти колебания BOLD-сигнала преимущественно изменения физиологии мозга, лежащие в основе, независимо от функции нейронов (4–6), или вместо этого отражают базовую нейронную активность мозга при целенаправленном действии нейронов и внешних воздействиях. вход отсутствует (7, 8). Мнение о том, что когерентности в колебаниях покоя представляют собой функциональные сети состояния покоя, связанные с лежащими в основе нейронными модуляциями, согласуется с появлением этих когерентностей в областях серого вещества коры, имеющих известную функциональную значимость.Например, одно из первых исследований колебаний покоя выявило двигательную сеть (9). Более поздние исследования выявили связанные с этим колебания в областях мозга, участвующих в визуальной, моторной, языковой и слуховой обработке (10-17). Также внимание привлекли области мозга, которые демонстрируют более сильный сигнал BOLD во время отдыха, чем во время любой из широкого круга экспериментальных задач. Предполагается, что сеть с режимом по умолчанию активна во время отдыха и приостанавливается / деактивируется, когда требуется конкретное целенаправленное поведение, как показано в исследовании позитронно-эмиссионной томографии, связанном с конкретной задачей (18).Сообщалось о связности между областями мозга, которые образуют сеть режима по умолчанию во время состояний покоя, а также об обратной корреляции между префронтальными областями (которые демонстрируют повышенную активность во время когнитивной задачи) и задней поясной корой (область в режиме по умолчанию сеть) (16, 17). Однако, хотя наблюдение, что эти колебания в состоянии покоя расположены в сером веществе, согласуется с представлением о том, что они представляют собой нейронные модуляции, недавнее исследование показывает корреляцию между изменениями дыхания и ЖЕЛТЫМ сигналом, также локализованным в областях серого вещества (6).

В этой статье мы сосредоточимся на следующих вопросах: ( i ) Сколько когерентных пространственно-временных паттернов мы можем различить? ( ii ) Насколько сильны эти колебания? и ( iii ) Насколько постоянны эти колебания по предметам и сессиям? Чтобы сделать вывод об этой когерентности сигналов, в большинстве исследований применяется подход к взаимно-корреляционному анализу области интереса (9–13), при котором пространственные характеристики этих колебаний в состоянии покоя оцениваются с помощью корреляционного анализа по сравнению с эталонным ходом времени, полученным из вторичных записей ( 19) или сами данные о состоянии покоя (корреляционный анализ на основе семени и вокселей) (9).Совсем недавно в некоторых исследованиях использовался анализ без модели с использованием анализа независимых компонентов (ICA) (14, 15, 20) вместо регрессии с течением времени. Такие декомпозиции имеют особое значение, поскольку они позволяют одновременное разделение на отдельные карты. Эти разложения могут одновременно выделять множество различных когерентных сетей покоя и отделять такие эффекты от других модуляций сигнала, например, вызванных движением головы или физиологическими помехами, такими как пульсация сердца или дыхательный цикл (13, 15).

Исследования на основе ICA выявили компоненты, которые напоминают несколько функционально значимых корковых сетей, таких как зрительные и слуховые области коры, а также сеть стандартного режима. Различные исследования выявили качественно похожие области функциональной согласованности у разных субъектов, но степень, в которой эти колебания согласованы в популяции, ранее количественно не оценивалась. Чтобы охарактеризовать этот уровень согласованности между субъектами и внутри них, необходимо использовать методы, разработанные для анализа мультисессионных / мультисубъектных данных фМРТ.Перспективным методом исследования когерентных сигналов на групповом уровне является недавно описанный тензорно-вероятностный ICA (PICA) (21). Этот анализ одновременно разделяет данные групповой фМРТ на режимы, описывающие вариации в пространстве, времени и предметах. Было продемонстрировано, что подход тензорного PICA может обеспечить полезное представление данных групповой фМРТ в связанных с заданием экспериментах фМРТ и что он также кажется способным анализировать исследования в состоянии покоя (21). В этом исследовании мы применяем тензор-PICA к данным фМРТ в состоянии покоя с целью выявления когерентностей в состоянии покоя, которые согласованы между предметами и сеансами.Чтобы количественно оценить согласованность таких шаблонов, мы использовали самозагрузку. Основываясь на 20 наборах данных покоя, мы создали 100 суррогатных наборов данных с несколькими объектами, на основе которых мы оценили эти колебания. Используя эти отдельные оценки, мы количественно определили распространенные сети с точки зрения ожидаемого процентного изменения BOLD-сигнала, которое позволяет оценить динамику этих колебаний. Кроме того, мы вычислили величину типичного процентного отклонения от ожидаемого процентного изменения BOLD-сигнала в каждом местоположении вокселя, которое кодирует неопределенность оценки любого заданного воксела как части связанной когерентной сети.

Результаты

В первоначальном анализе два набора данных (10 субъектов, сканированных в состоянии покоя, и тот же набор субъектов, сканированных в отдельном случае) были проанализированы отдельно. В результате этого анализа было выделено 10 компонентов для каждого набора данных, показывающих вариации в частотной, пространственной и предметной областях. Пространственные карты когерентных колебаний покоя обоих анализов показаны на рис. 1. 10 компонентов показали низкочастотные изменения во времени (средняя пиковая частота: 0.015 Гц; диапазон 0,005–0,030 Гц) и может быть описан следующим образом. рисунок 1 A и A ‘ показывают рисунок, который состоит преимущественно из перистриальной области, а также боковой и верхней затылочной извилины [зона Бродмана (BA) 19], которые являются областями, распознаваемыми как часть зрительной коры. рисунок 1 B и B ‘ показывает группу, состоящую из префронтальной (BA 11), передней поясной извилины (BA 32), задней поясной извилины (BA 23/31), нижней височной извилины (BA 20/37) и верхней поясной извилины. теменная область (BA 7), известная как сеть режима по умолчанию, как описано Raichle et al. (18) и Greicius et al . (17). Участие гиппокампа в этом компоненте, как описано Greicius et al. (22), не найдено. рисунок 1 C , C ‘, D и D’ показывает компоненты, которые преимущественно находятся в левом ( C и C ‘) и правом ( D и D’ ) полушариях, средняя лобная и орбитальная (BA 6/9/10), верхняя теменная (BA 7/40), средняя височная извилина (BA 21) и задняя поясная извилина (BA 23/31; C и C ‘) ).Это единственные компоненты, которые демонстрируют сильную латерализацию и, как известно, участвуют в функции памяти. рисунок 1 E и E ‘ охватывает часть полосатой и парастриарной формы (BA 17/18). Зрительная кора состоит из двух отдельных компонентов. Более боковые визуальные области показаны на рис.1. A и A ‘, а на этом рисунке показаны более медиальные визуальные области. рисунок 1 F и F ‘ показывают пре- и постцентральные извилины (BA 1/2/3/4) в одном компоненте, представляющем моторную и сенсорную сеть.рисунок 1 G и G ‘ показывают верхнюю временную (ВА 22) область как основной элемент этой пространственной карты. Также видно вовлечение поясной (BA 23) и верхней лобной (BA 9/10) областей. Этот кластер областей мозга очень похож на затылочно-височный путь (вентральный поток). рисунок 1 H и H ‘ вовлекают в основном верхнюю теменную кору (BA 7) с дополнительным вовлечением в затылочно-височную (BA 37) и прецентральную (BA 4) области.рисунок 1 I и I ‘ включает верхнюю височную (BA 22), островную и постцентральную кору (BA 1/2), которые, как известно, представляют собой слуховую кору.

Рисунок 1.

Tensor-PICA оценил паттерны покоя первого ( A – J ) и второго ( A′ – I ′ и K ) наборов данных с несколькими объектами: коронарный, сагиттальный и осевой вид пространственной карты для каждого компонента. A – I и A’– I ‘ показывают компоненты, обнаруженные в обоих наборах данных. Компоненты J и K уникальны для своих наборов данных. Изображения представляют собой z статистических данных, наложенных на среднее сканирование с высоким разрешением, преобразованное в стандартное (MNI152) пространство. От черного к желтому — z значений в диапазоне от 2,0 до 5,0. Левое полушарие мозга соответствует правой части изображения.

Все пространственные карты, упомянутые выше, содержатся в обоих наборах данных.Однако каждый отдельный анализ также выявил компонент, которого не было в другом. При анализе первого сканирования была обнаружена следующая составляющая: Рис. J показывает кластер, состоящий из лобно-полярной области (BA 10), префронтальной коры (BA 11), дорсальной передней поясной извилины (BA 32) и верхней теменной коры (BA 7). Эта преимущественно фронтальная пространственная карта была обнаружена в более ранних исследованиях и предполагается, что она участвует в исполнительном контроле и функции рабочей памяти (14, 23).При анализе второго сканирования была обнаружена еще одна составляющая: рис. K показывает префронтальную (BA 11), дорсальную переднюю поясную извилину (BA 32) и заднюю поясную извилину (BA 23/31) области, которые, по-видимому, являются частью сети режима по умолчанию, показанной на рис. В . Комбинация карты на рис. K и карта на рис.1 B ′ напоминает карту на рис. В .

Результаты, показанные на рис.1 предполагают, что 9 из 10 компонентов качественно пространственно согласованы. Для количественной оценки согласованности тензор-PICA-анализ был повторен 100 раз на суррогатных наборах данных (см. Анализ данных , ). Результат был усреднен, что дало 10 средних карт когерентных колебаний в состоянии покоя, представленных здесь в виде процентного изменения ЖИВОГО сигнала (рис. 2). Все компоненты, кроме K , воспроизводимы в этом анализе. На этих картах когерентных колебаний покоя среднее процентное отклонение BOLD-сигнала достигает значений до 3%.Карта B , например, показывает, что в сети режима по умолчанию> 2% флуктуации сигнала могут быть обнаружены в задней поясной извилине и верхней теменной области, тогда как на карте D можно увидеть колебания сигнала BOLD на ≈3%. в верхней теменной области. На рис. 3 показана средняя изменчивость (по разным наборам суррогатных данных) для каждого компонента по шкале от 0,1% до 50% вокруг этого расчетного процентного изменения жирного сигнала. Вариации этих когерентных колебаний покоя различаются между компонентами и внутри них.Например, карта A в целом показывает меньше вариаций, чем карта F . Кроме того, как показано на карте B , задние области более согласованы, чем передние области. При сравнении рис. 2 и 3, заметно, что в целом области с относительно высоким средним процентным изменением BOLD-сигнала также являются наиболее согласованными, т.е. демонстрируют наименьшие отклонения от этого среднего значения.

Инжир.2.

Среднее (по 100 суррогатным мультисубъектным наборам данных) тензор-PICA оценил паттерны покоя: коронарный, сагиттальный и осевой вид пространственной карты для каждого компонента. Изображения представляют собой процентное изменение BOLD-сигнала, наложенное на среднее сканирование с высоким разрешением, преобразованное в стандартное (MNI152) пространство. От черного к желтому — процентное изменение сигнала в диапазоне от 0,5% до 3,0%.

Инжир.3.

Карты коэффициента вариации: коронарный, сагиттальный и осевой вид пространственной карты для каждого компонента. Изображения представляют собой процентное отклонение от среднего процентного значения BOLD изменения сигнала, наложенного на среднее сканирование с высоким разрешением, преобразованное в стандартное (MNI152) пространство. Красный цвет обозначает большие отклонения от среднего; синий означает небольшие вариации.

Заключение и обсуждение

В этой статье мы показываем различные когерентные низкочастотные колебания BOLD-сигнала, выявленные у разных испытуемых.Эти когерентные колебания кажутся не только последовательными, но и очень динамичными. Процентное изменение жирного сигнала в этих областях может достигать уровней 2–3%, а области с высоким средним процентным изменением жирного сигнала также показывают высокий уровень согласованности.

Когерентные колебания в состоянии покоя, представленные в этой статье, включают функционально релевантные области, участвующие в моторной функции, визуальной обработке, исполнительной функции, слуховой обработке, памяти и сети режима по умолчанию (охватывающей внимание и / или даже сознание).Этот вывод согласуется с предыдущими исследованиями, которые последовательно демонстрируют когерентные колебания BOLD-сигнала в конкретных нейроанатомических системах (9, 12, 14, 15, 17). Как и в предыдущих исследованиях, мы обозначаем эти региональные когерентные колебания как «сеть». Остается неясным, имеют ли эти колебания нейронное происхождение или отражают изменения в местной физиологии. Наиболее прямое свидетельство связи между некоторыми из этих флуктуаций и нейрональной активностью исходит из наблюдаемой корреляции между СИЛЬНЫМ сигналом и электрической активностью коры в исследованиях, в которых использовались одновременные фМРТ и электроэнцефалограммы (19, 24), а также наблюдение изменений в этих сетях в результате неврологическое заболевание (22).Однако другие исследования предполагают, что эти колебания BOLD-сигнала в первую очередь отражают изменения в физиологии мозга, не зависящей от функции нейронов (4-6). Ряд сетей, представленных в этом исследовании, уже был признан в более ранних исследованиях связности, нацеленных на эти конкретные области, например, моторную кору (9) и зрительную кору (12, 19). Помимо областей, участвующих в сенсорной обработке, таких как слуховая и зрительная кора, области, участвующие в более высоком когнитивном функционировании, также представлены отдельными сетями.Некоторые сети включают группы областей, которые, как известно, активируются вместе в связанной с задачами фМРТ. Например, компоненты C и D охватывают такие области, как дорсолатерально-префронтальная кора и верхняя теменная кора, т.е. области, которые неоднократно обнаруживались активными во время задач на память (25–27). В этом анализе эти сети показывают очень небольшую пространственную вариацию вокруг среднего процентного изменения BOLD-сигнала (см. Рис. 3). Интересным аспектом компонентов C и D является то, что они единственные, которые демонстрируют подобный паттерн активации в противоположных полушариях в отдельных компонентах.Этот результат может потенциально отражать специализацию полушария в функции памяти. Карта B , которая включает поясную кору, нижнюю теменную и медиальную префронтальные области, последовательно демонстрирует деактивацию в пространственных картах активации, связанной с заданием (17, 28–31). Этот компонент теперь обычно называют сетью режима по умолчанию, потому что он, кажется, активен во время отдыха и приостанавливается, когда требуется конкретное целенаправленное поведение (7, 18). Существование этой сети в состоянии покоя уже было подтверждено в нескольких исследованиях (14, 15, 17), и оно показывает большое сходство с областями мозга, вовлеченными в случайное эпизодическое безмолвное мышление, как описано Andreasen et al. (32). Внешний вид одинаков для разных образцов, но внутри сети задние части демонстрируют меньшие вариации, чем передние части (см. Рис. 3). Этот результат, возможно, объясняет разделение этого компонента в тензорном анализе PICA второго исходного набора данных на компоненты B ‘ и K на рис. 1.

В этой статье представлены десять различных и воспроизводимых компонентов. Это разделение на отдельные системы потенциально отражает организацию человеческого мозга, хотя мы не предполагаем, что мозг состоит из разрозненных функциональных сетей отдыха.В этой статье компоненты определяются как пространственно независимые области, демонстрирующие когерентность низкочастотных колебаний. Это никоим образом не исключает представления о возможном взаимодействии между различными паттернами покоя и о том, что человеческий мозг демонстрирует свойства сети малого мира, как описано Achard et al. (3). Количество идентифицируемых паттернов до некоторой степени определяется ограничениями текущей чувствительности и специфичности визуализации и анализа. Дополнительные улучшения в моделировании и / или сборе данных могут привести к более детальной характеристике такой функциональной связи.

В этой статье мы применяем технику, которая идентифицирует множественные, отдельные, когерентные колебания покоя в данных групповой фМРТ. По сравнению с подходами с единой временной корреляцией, подход ICA не требует заранее определенных областей интереса или идентификации местоположения исходного вокселя. Одним из основных преимуществ подхода ICA по сравнению с простыми подходами регрессии является то, что методы множественной регрессии, такие как ICA, могут отделить колебания в состоянии покоя от других вариаций сигнала, связанных со структурированным шумом, например, вызванных движением головы или пульсацией сердца и дыхания.Тот факт, что разложение в этом случае определяется характеристиками пространственного сигнала (оптимизация для пространственно независимых компонентов), также подразумевает, что эти колебания покоя могут быть отделены от физиологии сердца или дыхания, несмотря на то, что типичная выборка эхо-планарного изображения (2,85 с в данном случае) приводит к наложению последних эффектов. Например, исх. 14 и 16 предоставляют экспериментальные доказательства того, что предполагаемые колебания в состоянии покоя не зависят от наложенных физиологических шумов, таких как дыхание и сердечный цикл.

Предыдущая работа по анализу фМРТ в состоянии покоя с использованием ICA (14, 15) просто объединила данные отдельных временных рядов от разных субъектов. Путем объединения индивидуальных данных отклонение между субъектом не моделируется как отдельный компонент отклонения. Подход тензорного PICA, использованный в этом исследовании, отличается тем, что при анализе одновременно все данные разбиваются на три области: пространство, предмет и частота. Преимущество этого метода заключается в том, что вариация между субъектами оценивается непосредственно как часть декомпозиции, что позволяет проводить согласованный межгрупповой, а также внутригрупповой анализ для количественной оценки согласованности этих сетей.

В этом исследовании использовалось преобразование временных курсов фМРТ в частотную область, потому что нельзя предполагать сильное сходство во временной области у разных субъектов ни для одного из этих колебаний состояния покоя. Оценка компонентов ICA по спектрам мощности позволяет эффективно не учитывать возможные фазовые изменения между компонентами. Разложение не налагает разреженности в спектральной области, а также не подразумевает, что изолированные частоты связаны с отдельным компонентом.Действительно, оцененные спектры мощности не показывают отдельные пиковые частоты для любого из этих эффектов, но вместо этого все показывают распределение сильной мощности на низкой частоте по диапазону частот, что согласуется с большинством исследований фМРТ в состоянии покоя (9, 10, 14 , 15). Расчетные спектры мощности не показывают отдельных частот, и поэтому разделение сигнала на различные компоненты в значительной степени обусловлено различием пространственных характеристик. Этот вывод согласуется с результатами разложения тензор-PICA для данных фМРТ задачи (см.21 для подробностей), где, например, декомпозиция успешно отделяет связанную с задачей активацию от связанной с задачей деактивации и коррелированного со стимулом движения головы, несмотря на то, что все три эффекта схожи во временной и частотной областях.

Однако у представленного здесь метода есть ограничения. Во-первых, как и в случае кросс-корреляционного анализа, анализ основан на линейной декомпозиции данных. Таким образом, возможно, что это линейное разложение упускает интересную функциональную связь между областями мозга с сильно нелинейными отношениями в данных (33).Обратите внимание, однако, что часть первого порядка (линейная) любого возможного функционального отношения между различными вокселями будет отражена в текущем наборе компонентов. Во-вторых, из этих результатов нелегко сделать вывод о функциональной связности на уровне отдельного субъекта, потому что мы представляем результаты на уровне смешанных эффектов. В этом исследовании цель состояла в том, чтобы выполнить групповой анализ, то есть охарактеризовать ожидаемый средний уровень колебаний в состоянии покоя на уровне популяции. Однако в клинических исследованиях может быть более целесообразным исследовать уровень отдельного субъекта.В-третьих, в то время как трилинейное разложение дает интерпретируемое различение пространственных мод, оценки в частотной области кажутся менее информативными. Чтобы лучше понять временную динамику этих эффектов, сочетание фМРТ с другими методами визуализации, такими как электроэнцефалограммы (19, 24), дает большие надежды. Наконец, обратите внимание, что методы начальной загрузки, подобные используемым здесь, могут недооценивать дисперсию. Однако обратите внимание, что каждый набор суррогатных данных был ограничен довольно небольшой группой из шести человек, что, в свою очередь, даст большую оценку внутригрупповой вариации на уровне смешанных эффектов.Анализ большего количества сканированных изображений и предметов позволит получить более надежную оценку устойчивости этих эффектов.

Наши результаты подтверждают идею о том, что исходное состояние мозга ни в коем случае не является неактивным. Напротив, мозг выглядит очень динамичным, демонстрируя когерентные медленные колебания ЖИВОГО сигнала, величина которых сопоставима с сигналами, вызванными заданием. Эти когерентные, медленные колебания сгруппированы в отдельные анатомически и функционально правдоподобные сети.Сенсорная кора, а также области, участвующие в высших когнитивных функциях, например, функция памяти, составляют отдельные сети. Наблюдаемая величина этих колебаний BOLD-сигнала в состоянии покоя согласуется с предыдущими выводами (9, 19), и эта величина в состоянии покоя позволяет оценить величину «активаций», обычно обнаруживаемых в экспериментах, связанных с заданием. Важным вопросом является влияние этих больших колебаний в состоянии покоя на интерпретацию активации, обнаруженную в исследованиях фМРТ, связанных с заданием.В этих исследованиях сигнал фМРТ во время периодов включения сравнивается с записями во время базового или контрольного состояния. Предыдущие исследования показали, что сеть с режимом по умолчанию все еще обнаруживается во время таких контрольных условий (16, 17), и весьма вероятно, что это верно и для других паттернов покоя, которые мы обнаружили в этом исследовании. Если колебания ЖИРНОГО сигнала в этих областях мозга коррелируют с используемым дизайном, будет трудно интерпретировать происхождение значимых результатов, потому что в некоторых областях мозга будет трудно определить, вызвана ли активация задачей или условие контроля.В случаях, когда эти колебания не коррелируют с задачей, они будут рассматриваться как шум и, таким образом, уменьшат отношение сигнал / шум и статистическую мощность эксперимента фМРТ. Это явление было описано Fox et al. (34), которые демонстрируют, что когерентные спонтанные флуктуации действительно составляют значительную часть изменчивости измеренных BOLD-ответов, связанных с событием.

В этом исследовании представлены 10 последовательных паттернов покоя с относительно большими когерентными флуктуациями ЖИРНОГО сигнала.Эти результаты показывают очень правдоподобные сети, которые соответствуют результатам предыдущих исследований (9, 12, 14, 15, 17, 20). Согласованные колебания были выявлены в данных фМРТ в состоянии покоя здоровых субъектов. Представляет большой интерес исследовать, присутствуют ли эти паттерны в одинаковой степени в разных условиях. Например, уже было показано, что на один или несколько из этих паттернов влияет болезнь (22, 35, 36). Использование фМРТ в состоянии покоя для исследования влияния болезни и / или лекарств на мозг имеет очевидные клинические преимущества, поскольку не требуется сложный экспериментальный план и не нужно выполнять какие-либо задачи заранее.Отсутствие необходимости использовать задание является значительным преимуществом, особенно при изучении пациентов, у которых могут быть трудности с выполнением задания, например, пациентов с болезнью Альцгеймера. Понимание этих колебаний в состоянии покоя с точки зрения их пространственных и временных характеристик, их величины и последовательности, а также их происхождения, поэтому имеет первостепенное значение для использования преимуществ фМРТ в состоянии покоя.

Материалы и методы

Темы.

Десять здоровых правшей (возраст 22,8 ± 2,3, пять мужчин / пять женщин) приняли участие в этом исследовании после письменного информированного согласия в соответствии с Комитетом по медицинской этике Медицинского центра Университета ВУ. Все субъекты прошли сеанс фМРТ продолжительностью ≈40 минут в двух разных случаях. Время между первым и вторым сеансом фМРТ в среднем составляло 8,7 дней (5–14 дней). Для сканирования в состоянии покоя испытуемым предлагалось лечь с закрытыми глазами, ни о чем конкретном не думать и не засыпать.

Методы визуализации.

Двести всего мозга, T ₂ ^* -взвешенные плоские эхо-изображения были получены на сканере Sonata 1.5-T (Siemens, Эрланген, Германия) (параметры последовательности: время повторения = 2850 мс; время эхо = 60 мсек. ; угол переворота = 90 °). Было получено 36 аксиальных срезов (изотропных 3,3 мм). Для целей регистрации также были получены плоское эхо-взвешенное изображение с высоким разрешением T ₂ ^* и взвешенное изображение с высоким разрешением T ₁ .

Анализ данных.

Предварительная обработка.

Предварительная обработка изображений проводилась с использованием Оксфордского центра функциональной магнитно-резонансной томографии библиотеки программного обеспечения мозга (FMRIB, Оксфорд, Великобритания; версия FSL 3.2; ссылка 37). Применялась следующая предварительная статистическая обработка: коррекция движения (38), удаление структур, не связанных с мозгом, из объемов эхо-планарных изображений (39), пространственное сглаживание с использованием гауссова ядра с полушириной 6 мм, нормализация интенсивности всех объемов на основе среднего значения одним и тем же фактор (т.е., 4D большое-среднее), временная фильтрация верхних частот (аппроксимация прямой линии методом наименьших квадратов с гауссовым взвешиванием) (FWHM = 150 с) и временная фильтрация нижних частот по Гауссу (FWHM = 5,6 с). После предварительной обработки функциональные сканы были зарегистрированы в стандартном пространстве MNI152 (среднее изображение мозга T ₁ , построенное для 152 нормальных субъектов в Монреальском неврологическом институте, Монреаль, Квинсленд, Канада) с использованием аффинной регистрации (FLIRT; ссылка 38). Из полученных матриц аффинного преобразования промежуточное пространство было определено как преобразование, которое аппроксимирует средний размер и форму пространств отдельных субъектов путем вычисления среднего геометрического матриц аффинных преобразований.В этом промежуточном пространстве данные хранились с исходными разрешениями эхо-планарного изображения, что уменьшало вычислительную нагрузку на одновременную декомпозицию. Наконец, данные отдельных временных рядов были преобразованы в воксельные спектры мощности. Поскольку в данных о состоянии покоя нет задачи по ограничению того, что субъекты делают в течение определенного периода времени, мы не можем предполагать согласованную временную реакцию для отдельных компонентов между субъектами. Однако в частотной области эти представляющие интерес колебания покоя обычно связаны с большой мощностью в диапазоне 0.01–0,1 Гц. В результате этой предварительной обработки было получено 20 наборов данных с данными, полученными из двух разных сеансов фМРТ в состоянии покоя для каждого из 10 субъектов.

Статистический анализ.

Для статистического анализа использовалась модифицированная версия тензорного подхода PICA (21). 20 индивидуальных наборов данных были разделены на две группы данных: первая включала первое сканирование в состоянии покоя каждого субъекта; второй включал в себя второе сканирование каждого. Эти две группы наборов данных были разложены отдельно на группы векторов, которые характеризуют структурированные сигналы в пространственной, частотной и предметной области с помощью тензора PICA (21).Было оценено двадцать пять компонентов для каждого набора данных, количество которых было определено из оценочной матрицы ковариации данных всех 20 наборов данных отдельных субъектов с использованием аппроксимации Лапласа порядка модели для модели вероятностного анализа главных компонентов (40). Из этих компонентов 10 были качественно выбраны путем визуального осмотра как анатомически релевантные области у субъектов, потенциально отображающие функционально релевантные сети состояния покоя. Компоненты, исключенные из дальнейшего анализа, демонстрируют четко интерпретируемые различные артефакты, вызванные, среди прочего, движением головы, физиологическим шумом, неправильной регистрацией или колебаниями изображения в спинномозговой жидкости (см.14 и 21 для примеров пространственных моделей движения головы и физиологического шума). Для окончательных карт был установлен порог апостериорной вероятности P > 0,5 с использованием альтернативного подхода к проверке гипотез, основанного на подгонке модели смеси Гаусса / Гамма к гистограмме значений интенсивности на каждой карте (40).

Для количественной оценки пространственной согласованности флуктуаций наборы данных отдельных субъектов были объединены в наборы данных фМРТ суррогатной группы с использованием процедуры начальной загрузки.Каждый набор суррогатных данных содержал данные шести случайно выбранных субъектов и одного из двух возможных сеансов субъектов. В целом было создано 100 из возможных 13 440 наборов данных с несколькими объектами, каждый из которых содержал 100 (частоты) × 41582 (вокселы) × 6 (субъекты) точек данных. Эти 100 групповых наборов данных были проанализированы так же, как и 2 исходных набора данных. Чтобы уменьшить вычислительную нагрузку, анализ проводился с использованием маски для исключения желудочковых промежутков. Для каждого набора данных группы было извлечено 25 компонентов.На основе их пространственной взаимной корреляции 2500 компонентов были автоматически сгруппированы в пары по 100 карт, что последовательно объясняло меньшую остаточную вариацию между набором всех компонентов. Были выбраны наборы, представляющие> 97% общей дисперсии. Для каждого из этих наборов компонентов были рассчитаны по вокселям карты среднего и стандартного отклонения. Соответствующие карты средних значений для каждого независимого компонента были преобразованы в ожидаемое изменение BOLD-сигнала по вокселям в процентах.Эти карты были объединены с расчетным стандартным отклонением по пулу виртуальных популяций в карты воксельных коэффициентов вариации (т. Е. Путем вычисления CV ). _к = σ _Дж / мк _j × 100 на каждом вокселе j ). Эти карты описывают величину типичного процентного отклонения от ожидаемого процентного изменения ЖИВОГО сигнала в каждом местоположении вокселя в разложениях.Например, значение CV . _j = 25 указывает на то, что в вокселе j существует ожидаемое отклонение ± 25% от сообщенного среднего процентного значения изменения сигнала ЖИРНЫМ шрифтом μ _Дж . Впоследствии для этих карт был установлен порог с отклонением <50%. Искусственные карты, показывающие движение головы или влияние магнитного поля B ₀ неоднородностей исключены из дальнейшего анализа.Обратите внимание, что карты коэффициентов вариации показывают изменчивость между различными анализами виртуальных популяций, а не (среднюю) изменчивость в пределах любого из 100 анализов. Таким образом, фиг. 2 и 3 представляют дополнительную информацию. Например, две области могут показывать идентичные ожидаемые процентные BOLD-колебания с очень разными коэффициентами вариации.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке Института изучения старения, грант 231002, Нидерландской организации научных исследований, грант 916.36.117 и Совет по исследованиям в области инженерных и физических наук Великобритании.

Сноски

• ^‡ Кому следует направлять корреспонденцию. Эл. адрес: j.damoiseaux {at} vumc.nl

• Вклад авторов: J.S.D., S.A.R.B.R., F.B., P.S. и C.F.B. спланированное исследование; J.S.D. проведенное исследование; SMS. и C.F.B. внесены новые реагенты / аналитические инструменты; J.S.D., S.A.R.B.R. и C.F.B. проанализированные данные; и J.S.D., S.A.R.B.R., F.B., P.S., C.J.S., S.M.S. и C.F.B. написал газету.

• Заявление о конфликте интересов: о конфликте интересов не сообщалось.

• Этот документ был отправлен непосредственно (Трек II) в офис PNAS.

• Депонирование данных: данные нейровизуализации депонированы в центре данных фМРТ, www.fmridc.org (инвентарный номер 2-2006-1226A).

• Сокращения:

  BA,

  Площадь Бродмана;

  BOLD,

  в зависимости от уровня оксигенации крови;

  фМРТ,

  функциональная МРТ;

  ICA,

  независимый компонентный анализ;

  PICA,

  вероятностный ICA.

• © 2006 Национальная академия наук США

Три критерия удовлетворенности клиентов: последовательность, последовательность, последовательность

«Поддержать аудиторию сложно», — однажды сказал Брюс Спрингстин.«Это требует последовательности мысли, цели и действий в течение длительного периода времени». Он говорил о своем пути к музыкальной славе, но его слова в равной степени применимы к миру клиентского опыта. Последовательность может быть одной из наименее вдохновляющих тем для большинства менеджеров. Но он исключительно эффективен, особенно в то время, когда каналы розничной торговли расширяются, а выбор и возможности потребителей увеличиваются.

Правильная последовательность также требует внимания высшего руководства.Это потому, что, используя множество каналов и инициируя все больше и больше взаимодействий с компаниями, стремясь удовлетворить отдельные потребности, клиенты создают кластеры взаимодействий, которые делают их индивидуальные взаимодействия менее важными, чем их совокупный опыт. Этот путь клиента может охватывать все элементы компании и включать в себя все: от покупки продукта до его фактического использования, возникновения проблем с продуктом, требующих решения, или простого принятия решения об использовании услуги или продукта в первый раз.

Недостаточно сделать клиентов довольными каждым индивидуальным взаимодействием. Наш последний опрос клиентского опыта около 27000 американских потребителей в 14 различных отраслях показал, что эффективные циклы взаимодействия с клиентом более важны: оценка удовлетворенности в ходе взаимодействия с клиентом на 30 процентов более предсказуема для общего удовлетворения клиента, чем оценка счастья для каждого отдельного взаимодействия. Кроме того, максимальное удовлетворение путешествиями клиентов может не только повысить удовлетворенность клиентов на 20 процентов, но и поднять доход до 15 процентов при одновременном снижении затрат на обслуживание клиентов на целых 20 процентов.Наше исследование выявило три ключа к согласованности:

1. Согласованность пути клиента

Хорошо известно, что компании должны постоянно работать над тем, чтобы предоставлять клиентам услуги высочайшего качества, при этом в каждой области бизнеса есть четкие политики, правила и механизмы поддержки для обеспечения согласованности при каждом взаимодействии. Тем не менее, немногие компании могут обеспечить стабильную работу на протяжении всего цикла взаимодействия с клиентом даже при удовлетворении базовых потребностей.

Простая математика показывает, почему это так важно в мире все более многоканального взаимодействия с клиентами с несколькими касаниями.Предположим, что клиент взаимодействует с компанией платного телевидения шесть раз, начиная с того, что он или она проводит онлайн-исследование поставщиков, и заканчивая получением первого счета через 30 дней после установки услуги. Если предположить 95-процентный уровень удовлетворенности для каждого отдельного взаимодействия — будь то измерение скорости реагирования, точности информации или других факторов — даже этот уровень производительности означает, что до одного из четырех клиентов будут иметь плохие впечатления во время перехода на борт.

Дело в том, что последовательность наиболее распространенных циклов взаимодействия с клиентом является важным показателем общего качества обслуживания клиентов и их лояльности.Банки, например, увидели исключительно сильную корреляцию между последовательностью основных циклов взаимодействия с клиентом и общей эффективностью обслуживания клиентов. И когда мы отправили группу тайных покупок, чтобы посетить 50 банковских отделений и связаться с 50 банковскими call-центрами, анализ подтвердился: для менее эффективных банков различия в опыте были намного выше среди типичных отделений банка, чем среди разных банков. самих себя. Крупные банки обычно сталкивались с наибольшей проблемой.

2.Эмоциональная стойкость

Одним из наиболее ярких результатов нашего опроса стало то, что положительные эмоции, связанные с покупательским опытом, в сочетании с чувством доверия, были основными факторами удовлетворенности и лояльности в большинстве исследуемых отраслей. Мы также обнаружили, что последовательность особенно важна для установления доверительных отношений с клиентами: например, клиенты доверяют банкам, которые находятся в верхнем квартиле по обеспечению последовательного взаимодействия с клиентами, на 30 процентов больше, чем банкам в нижнем квартиле.

Также поражает то, насколько ценно эмоциональная связь, основанная на постоянстве, для лояльности клиентов. Для клиентов банка «бренд, к которому я чувствую близость» и «бренд, которому я могу доверять» были главными факторами дифференциации банка с точки зрения качества обслуживания клиентов. В мире, где исследования показывают, что менее 30 процентов клиентов доверяют большинству крупных финансовых брендов, обеспечение согласованности в пути клиентов для укрепления доверия важно для долгосрочного роста.

3. Согласованность связи

Бренд компании определяется не только сочетанием данных и выполненных обещаний.Что также важно, так это обеспечение того, чтобы клиенты признали выполнение этих обещаний, что требует упреждающего формирования сообщений и ключевых сообщений, которые последовательно выделяют доставку, а также темы. Southwest Airlines, например, за долгое время завоевала доверие клиентов, последовательно выполняя свое обещание быть простой и недорогой авиакомпанией. Точно так же Progressive Insurance произвела впечатление среди клиентов, что предлагала более низкие ставки, чем ее конкуренты в период с 1995 по 2005 год, и постаралась подчеркнуть, когда она выполнила это обещание.Прогресс также повлиял на то, как клиенты интерпретировали действия по сокращению затрат, такие как урегулирование претензий по автомобилям на месте, позиционируя и усиливая эти действия как часть последовательного обещания бренда, что это оперативная, технически подкованная компания. В обоих случаях восприятие брендов потребителями укрепило операционные реалии. Такие бренды создают резервуар доброй воли и остаются устойчивыми на основе их последовательности в выполнении обещаний и сильных постоянных маркетинговых коммуникаций, направленных на усиление этого опыта.

Чтобы стать компанией, которая обеспечивает превосходное качество взаимодействия с клиентами, необходимо, чтобы многие вещи выполнялись хорошо. Но мы обнаружили, что есть три приоритета. Во-первых, использует подход, основанный на путешествиях . Для компаний, желающих улучшить качество обслуживания клиентов как средство увеличения доходов и сокращения затрат, выполнение цикла взаимодействия с клиентами приводит к наилучшим результатам. Мы обнаружили, что эффективность компании в поездках на 35 процентов больше предсказывает удовлетворенность клиентов и на 32 процента больше предсказывает отток клиентов, чем эффективность в отдельных точках взаимодействия.Поскольку цикл взаимодействия с клиентом часто затрагивает разные части организации, компаниям необходимо перенастроить себя, чтобы создать команды, которые будут отвечать за сквозной цикл взаимодействия с клиентом по функциям. Хотя мы знаем, что существует бесконечное количество путей, обычно есть три-пять, которые имеют наибольшее значение для клиента и бизнеса — начните с них улучшения. Чтобы отслеживать прогресс, эффективность и прогнозировать возможности, вам может потребоваться переоснастить как метрики, так и аналитику, чтобы составлять отчеты о поездках, а не только о точках соприкосновения.

Во-вторых, исправляют области, в которых негативный опыт является обычным . Поскольку единичный негативный опыт имеет в четыре-пять раз большее относительное влияние, чем положительный, компаниям следует сосредоточиться на уменьшении неудовлетворительного качества обслуживания клиентов, особенно в тех областях, в которых клиенты чаще всего контактируют с организацией. Например, обучение представителей службы поддержки на переднем крае выявлению и решению конкретных проблем клиентов с помощью ролевых игр и руководств по сценариям будет иметь большое значение для создания более глубокого доверия со стороны клиентов.

Наконец, сделают это сейчас . Наше исследование показывает, что с 2009 года клиенты меньше ценят «средний» опыт и еще меньше терпят вариативность в доставке. Кроме того, компании, которые сталкиваются с проблемами несогласованности, часто тратят ненужные ресурсы, фактически не улучшая путь к покупке. Дополнительные вложения в улучшение качества обслуживания клиентов без увеличения единообразия опыта — это просто разбрасывание хороших денег за плохими.