Примечание. Надежность ИИС характеризуется показателями без­отказности, ремонтопригодности и долговечности.

Устройство связи с объектом — совокупность устройств по­лучения и преобразования сигналов измерения и контроля, ком­мутации каналов передачи сигналов и исполнительных уст­ройств.

Измерительная система — ИИС, предназначенная для функ­ций измерения и хранения информации. Измерительная система устанавливает соответствие между измеряемой величиной и ме­рой. Под мерой понимают средство измерений, предназначен­ное для воспроизведения физической величины заданного раз­мера. Например, мерой является резистор, воспроизводящий сопротивление определенного размера с известной погрешнос­тью.

Система автоматического контроля — система, устанавлива­ющая соответствие между состоянием объекта контроля и задан­ными нормами.

Норма — установленные пределы допустимого изменения па­раметра, заданные обычно с помощью аналоговых или цифро­вых установок — нижний предел (НП) и верхний предел (ВП): 220 ± 10... 15 В.

Системы технической диагностики — системы автоконтроля, в которых устанавливается не только факт работоспособности, но и определяется место нахождения отказа, а также осуществляется локализация неисправностей. Это достигается специальными ме­тодами и способами поиска неисправностей, реализующимися ал­горитмами диагностики.

Алгоритм диагностики — совокупность предписаний, ведущих к правильному выполнению технического процесса в каком-либо устройстве или совокупности устройств (системе).

Система распознавания образов — система для автоматическо­го распознавания печатных, рукописных и фотографированных знаков, текстов, рисунков и схем, для распознавания звуков и речи, команд, передаваемых голосом, для выявления некоторых ситуаций в сложных технических комплексах, таких как крити­ческое или аварийное состояние и т.д.

Система телеизмерения — совокупность технических средств на приемных и передающих сторонах и каналах связи для автома­тического измерения одного или ряда параметров на расстоянии.

Канал связи — совокупность линий связи и технических уст­ройств на передающей и приемной частях системы.

Виртуальный информационно-измерительный прибор или сис­тема — это компьютер, оснащенный набором аппаратных и про­граммных средств, выполняющий функции информационно-из­мерительного прибора или системы, максимально приближенный к решению задачи.

Примечание. В научных исследованиях, диагностических, статис­тических, интеллектуальных системах компьютеры используются для ре­шения задач управления измерительными экспериментами, сбора, ре­гистрации, обработки и систематизации данных, представления и хра­нения результатов наблюдений. При этом часть функций и операций осу­ществляется не аппаратно, а программно с помощью персонального ком­пьютера. Аппаратная информационно-измерительная часть приборов и систем реализуется в конструктиве стандартной платы и автономного модуля компьютера.

Интеллектуальные измерительные системы — системы, вы­полняющие функции измерения и контроля в реальном масштабе времени одновременно множества экспериментальных величин.

Примечание. Модульная конструкция позволяет осуществлять от­носительное расширение существующей системы путем введения допол­нительных модулей и, наконец, превращение ее в систему средств су- первизорного или цифрового управления измерительным эксперимен­том путем включения в нее ПЭВМ.

Математическое ожидание — среднее арифметическое наблю­даемых значений случайной величины.

Дисперсия — параметр, характеризующий степень рассеивания случайных точек вокруг математического ожидания.

Среднеквадратичное отклонение (стандарт) — корень квадрат­ный из дисперсии.

Корреляционная функция случайной функции x(t) — неслучай­ная функция K_x(t_ut₂) Двух независимых аргументов и t₂, значе­ние которой при каждой паре фиксированных значений аргумен­тов равно корреляционному моменту сочетаний, соответствующих этим же фиксированным значениям аргументов.

Спектральная плотность — функция, описывающая распре­деление дисперсии стационарной случайной функции по непре­рывно изменяющейся частоте.

Примечание. Спектральной плотностью стационарного процесса X{t] называют функцию S_x, связанную с корреляционной функцией К_х(т) взаимно обратным преобразованием Фурье.

Стадии проектирования ИИС:

предпроектные — техническое обоснование (ТЭО), техничес­кое задание (ТЗ);

проектные — техническое предложение (ТП), эскизный про­ект (ЭП), технический проект (ТП), рабочая документация (РД);

стадии реализации — ввод в действие, анализ функционирова­ния, внедрение.

Метрологическое обеспечение — комплекс технических средств и программного обеспечения установления и применения науч­ных основ, правил и норм, необходимых для достижения един­ства и требуемой точности измерений.

10.2. РОЛЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Информационным называется процесс, возникающий при уста­новлении связи между источником и ее приемником. К основным процессам при этом относятся: обнаружение и счет; измерение и контроль; сбор и распределение; распознавание и диагностика; передача и хранение; обобщение и отображение.

Информационные процессы занимают значительное место в общественной жизни человека. Во-первых, это повышение эф­фективности как в материальном производстве, так и в непроиз­водственной сфере; во-вторых, удовлетворение материальных и духовных потребностей, а также всестороннее развитие человека путем их использования как в быту, так и для улучшения условий труда, отдыха, укрепления здоровья, улучшения окружающей среды; в-третьих, обогащение духовной жизни. Информатизировать общество — это значит: создать правовые, экономические, технологические, соци­альные и профессионально-образовательные условия для того, чтобы любая (кроме законом определенных тайн и секретов) ин­формация была доступна в любое время в любой точке любому потенциальному пользователю;

создать технологические условия, аппаратные и программные средства, телекоммуникационные системы, обеспечивающие до­ступность информации;

обеспечить индустриально-технологическую базу для производ­ства в рамках международного разделения труда конкурентоспо­собных информационных технологий; обеспечить первоочередное развитие структур, институтов и механизмов, прежде всего в на­уке и образовании;

реализовать принцип фундаментального внедрения информа­ции и информационных технологий в сферу производства, уп­равления, культуры, науки, образования, транспорта и энерге­тики и др.

Когда в конце 1960-х годов в Японии в основном закончился период послевоенного восстановления и промышленной рекон­струкции, перед страной встал вопрос о выборе ее исторической перспективы.

Существовали две реальные альтернативы: 1) развитие индус­трии, благосостояния, строительство комфортных дорог, жилья и т.д.; 2) развитие наукоемких и информационных технологий, информатизация общества, включающая автоматизацию и робо­тизацию общества. Япония выбрала второй путь и спустя четверть века оказалась наиболее процветающей страной мира. Японский опыт в той или иной модификации был учтен при выработке ин­формационной политики во Франции (конец 1970-х годов), Ве­ликобритании (начало 1980-х годов), ФРГ (конец 1980-х годов) и т. д. Но ни одна из этих стран прямо не копировала японский опыт и японскую идеологию, так как каждая исходила из своих инте­ресов, возможностей, ресурсов, традиций, экономических и по­литических целей. Россия не выйдет из охватившего ее кризиса, если не выберет сценарий, основанный на учете своих географи­ческих и исторических особенностей, национальных традиций и не выработает измерительной информационной и компьютерной техники.

10.3. ВИДЫ И СТРУКТУРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде систем: измерительных (ИС); автоматического контроля (САК); технической диагностики (СТД); распознавания образов (идентификации) (СРО); телеизмерительных систем (ТИС).

В зависимости от способа организации передачи информа­ции между функциональными блоками (узлами) (ФБ) разли­чают цепочечную, радиальную и магистральную структуры ИИС. В СТД, САК, СРО измерительная система входит как подси­стема.

Любая измерительная информационная система с необходи­мыми функциональными возможностями, технические и другие характеристики в решающей степени определяются объектом ис­следования, для которого данная система создается.

Назначение измерительной информационной системы можно определить как целенаправленное оптимальное ведение измери тельного процесса и обеспечение смежных систем высшего уров ня достоверной информации. Исходя из этого основные функции измерительной информационной системы таковы: получение из мерительной информации от объекта исследования, ее обработ ка, передача, представление информации оператору и (или) ЭВМ. запоминание, отображение и формирование управляющих воз действий.

Степень достижения функций принято характеризовать с по­мощью критериев измерения. Измерительные информационные системы оптимизируют по многим частичным критериям, таким как точность, помехоустойчивость, надежность, пропускная спо­собность, адаптивность, сложность, экономичность и др.

10.4. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Состав и структура конкретной ИИС определяется общими тех­ническими требованиями, установленными ГОСТом, и частны­ми требованиями, содержащимися в техническом задании на ее создание.

Измерительная информационная система должна управлять из­мерительным процессом или экспериментом в соответствии с при­нятым критерием функционирования; выполнять возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью; обладать требуемыми показателями и характеристиками точности, надеж­ности и быстродействия; отвечать экономическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств; быть приспособленной к функ­ционированию с измерительными информационными системами смежных уровней иерархии и другими ИИС и ИВК, т. е. обладать свойствами технической, информационной и метрологической со­вместимости; допускать возможность дальнейшей модернизации и развития и др.

Упрощенная схема взаимодействия основных компонентов из­мерительной информационной системы представлена на рис. 10.1.

Процессом функционирования ИИС (как и любой другой тех­нической системы) является целенаправленное преобразование входной информации в выходную. Это преобразование выполня­ется либо автоматически комплексом технических средств (КТС) (техническим обеспечением), либо совместно-оперативным пер­соналом и КТС в сложных ИИС, ИВК, измерительно-управля­ющих системах (ИИУС). Чтобы люди и комплекс технических средств могли функционировать оптимально, необходимы

Рис. 10.1. Основные компоненты измерительных информационных систем

соответствующие инструкции и правила. Эту задачу выполняет орга­низационное обеспечение.

Математическое, программное и информационное обеспече­ние входит в состав только ИИС, ИВК и ИИУС с цифровым вычислительным комплексом.

• Математическое обеспечение — это модели и вычислитель­ные алгоритмы.

• Программное обеспечение гарантирует конкретную реализа­цию вычислительных алгоритмов и алгоритмов функционирова­ния системы, охватывает круг решений, связанных с разработкой и эксплуатацией программ.

• Информационное обеспечение определяет способы и кон­кретные формы информационного отображения состояния объекта исследования в виде документов, диаграмм, графиков, сигналов для их представления обслуживающему персоналу и ЭВМ для даль­нейшего использования в управлении.

Всю систему в целом охватывает метрологическое обеспечение.

Технические средства ИИС состоят из следующих блоков:

1) множества первичных измерительных преобразователей (дат­чиков);

2) множества вторичных измерительных преобразователей;

3) множества элементов сравнения — мер;

4) блока цифровых устройств;

5) множества элементов описания — норм;

6) множества преобразователей сигнала, средств отображения, памяти и др.

Блоки 1 — 6 используют в цифровых ИС; блоки 1, 2, 3 и 6 — в аналоговых ИС.

При наличии в составе ИИС ЭВМ информация к ЭВМ может поступать непосредственно от устройств обработки и (или) хра­нения.

10.5. ПОКОЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

В развитии измерительных информационных систем можно от­метить ряд поколений.

Первое поколение — формирование концепции ИИС: систем­ная организация совместной автоматической работы средств по­лучения, обработки и передачи количественной информации. Си­стемы первого поколения — это системы в основном централи­зованного циклического получения измерительной информации с элементами вычислительной техники на базе дискретной полупро­водниковой техники. Данный этап (конец 1950-х — начало 1960-х го­дов) принято называть периодом детерминизма, так как для ана­лиза в ИИС использовался хорошо разработанный аппарат анали­тической математики.

Второе поколение (1970-е годы) — использование адресного сбора информации, обработка информации с помощью встроен­ных ЭВМ. Элементную базу представляют микроэлектронные схе­мы малой и средней степени интеграции. Этот период характерен решением ряда вопросов теории систем в рамках теории случай­ных процессов и математической статистики, поэтому его приня­то называть периодом стохастичности.

Третье поколение характеризуется широким введением в ИИС больших интегральных схем (БИС), микропроцессоров и микро­процессорных наборов, микроЭВМ и промышленных функцио­нальных блоков, совместимых между собой по информационным, метрологическим, энергетическим и конструктивным характери­стикам, а также созданием распределенных ИИС. Этот период ха­рактерен тем, что появились адаптивные ИИС.

Четвертое поколение — появление гибких перестраиваемых программируемых ИИС в связи с развитием системотехники и вычислительной техники. В элементной базе резко возрастает доля интегральных схем большой и сверхбольшой степени интеграции.

Пятое поколение набирает силу и входит в жизнь народного хозяйства — это интеллектуальные и виртуальные ИИС, постро­енные на базе ПЭВМ, а также современного математического и программного обеспечения.

10.6. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Поскольку области применения ИИС весьма обширны (про­мышленное и сельскохозяйственное производство, медицина и космос, искусство и научный эксперимент, АСУТП и АСУ, связь и вычислительные системы), математические модели объектов чрезвычайно разнообразны. Однако методы математического мо­делирования позволяют одинаковыми формулами представлять раз­личные по своей природе объекты и использовать для исследова­ния и решения задач оптимизации и синтеза ИИС электронно- вычислительные машины и ПЭВМ.

Математическая модель объекта измерения включает описание взаимодействия между переменными входа и выхода для устано­вившегося и переходного состояний, т.е. модели статики и дина­мики, граничные условия и допустимое изменение переменных процесса.

Если переменные объекта изменяются только во времени, то модели, описывающие свойства таких объектов, называются мо­делями с сосредоточенными параметрами. Модели объектов иссле­дований, переменные которых изменяются как во времени, так и в пространстве, называются моделями с распределенными парамет­рами.

Форма записи математической модели может быть различна: алгебраические и трансцендентные уравнения, дифференциаль­ные уравнения и уравнения в частных производных. Могут ис­пользоваться переходные и передаточные функции, частотные и спектральные характеристики и др.

Различают три основных метода получения математических мо­делей объектов исследования:

• аналитический;

• экспериментальный;

• экспериментально-аналитический.

В последние годы при создании ИИС широко используется ма­тематическое моделирование, реализующее цепочку: «объект — модель — вычислительный алгоритм — программа для ПЭВМ — расчет на ПЭВМ — анализ результатов расчета — управление объек­том исследования».

Ядро вычислительного эксперимента: модель — алгоритм — программа калибрует и формирует оптимальную модель объекта исследования.

Алгоритм измерения может быть представлен словесно, ана­литически, графически или сочетанием этих методов.

Последовательность действий не произвольна, а реализует тот или иной метод решения задачи. Во всех случаях она должна быть настолько точно сформулирована, чтобы не осталось места для различных толкований и двусмысленностей.

Так, Э. И. Цветков оценку измеряемой величины представляет выражением

Г = R_U[P(X), Хо],

где Р — оператор, представляющий алгоритм измерений; Р(к) — сигнал, несущий информацию измеряемой величины о значении измеряемой величины; Л₀ — мера, образцовая величина, лежащая в основе операции сравнения.

Графически этот процесс представлен на рис. 10.2. Тот же процесс М. П. Цапенко [39] предлагает записать в фор ме содержательных логических схем алгоритмов (CJTCA), которая отражает параллельную работу самостоятельных измерительных каналов:

</,> = :/,(х₀₁/х,,) /,(х,,/х₂₁) /,(х₂,/г, )//•■■//</,>■

Наиболее простой и распространенной формой алгоритмичес кой структуры является схема, приведенная на рис. 10.3.

10.7. РАЗНОВИДНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Измерительные информационные системы, предназначенные для измерения и хранения информации, называются измеритель­ными системами (ИС).

Измерительные системы могут быть ближнего или дальнего действия. На вход системы поступает множество изменяющихся во времени и (или) распределенных в пространстве величин {Xj(t, s)}". Упрощенная классификация измерительных систем пред­ставлена на рис. 10.4.

Наиболее распространены системы для прямых измерений. Обобщенная структура ИС представлена на рис. 10.5. Для всех ИС основными элементами являются первичные преобразова­тели {Д}, элементы сравнения {С}, меры {М} и элементы ото­бражения информации {В}. Для совместных и совокупных изме­рений часто используются многомерные и аппроксимирующие системы.

Рис. 10.4. Упрощенная классификация измерительных систем

Характеристики измерительных систем. Важнейшими харак­теристиками ИС являются эффективность, полнота выполня­емых функций, достоверность, надежность, быстродействие, характеристики входов и выходов, метрологические характери­стики.

Эффективность. Под эффективностью понимается улуч­шение работы объекта при использовании системы. Ограничимся рассмотрением экономической эффективности систем, представ­ляющих наибольший интерес для народного хозяйства. Прираще­ние экономической эффективности можно выразить формулой

Э = Э_х + Э_ъ

где Э_х — экономический эффект от объекта в заданный промежу­ток времени без ИС; Э₂ — экономический эффект от объекта в тот же заданный промежуток времени с применением ИС.

Экономический эффект целесообразно рассчитывать по обще­признанному критерию полных затрат.

9 Ранне»

Для сравнения различных из­мерительных систем удобнее ис­пользовать нормированный пока­затель эффективности, называ­емый коэффициентом эффектив­ности'.

где Э„ — экономический эффект от объекта при использовании

идеальной измерительной системы, выполняющей идеально все функции и при отсутствии на это затрат.

Коэффициент эффективности изменяется в пределах 0 <г| < 1, который определяется и уточняется на нескольких этапах проек­тирования и эксплуатации системы. На этапах проектирования (ТЭО, ТЗ, ТП, РД) производится предварительная оценка по ожидаемым данным, которая уточняется после ввода ИИС в экс­плуатацию.

Полнота (глубина) выполняемых функций. Она показывает, какая часть контролируемого или управляемого объек­та охвачена измерительной системой.

Коэффициент, характеризующий полноту:

Р = NJN,

где N — общее число параметров объекта (например, контроля, измерения, управления); N_k — число параметров объекта, охва­ченных ИС.

Во многих случаях целесообразно использовать информацион­ный критерий полноты:

где /_с — количество информации о состоянии объекта в парамет­рах, охваченных системой; /₀ — общее количество информации о состоянии объекта во всех параметрах контроля, измерения и уп­равления.

При этом все параметры объекта принимаются равнозначны­ми, что существенно упрощает задачу за счет несовершенства ото­бражающей ее модели. Тем не менее для ориентировочной пред­варительной оценки такой подход допустим, отражает степень до­верия к информации в системе.

Рис. 10.5. Обобщенная структура измерительной системы для пря­мых измерений

Достоверность. Достоверность относится к обобщенным ха­рактеристикам. Требования, предъявляемые к этому показателю, являются исходными для обоснования частных характеристик си­стемы. Наиболее существенный фактор достоверности — точность
измерения контролируемых параметров, глубина контроля, на­дежность и помехоустойчивость работы всех устройств. С умень­шением достоверности возрастает вероятность неработоспособного состояния объекта контроля, измерения, управления при инфор­мации в системе в пределах допусков.

Характерный пример низкой достоверности — работа с низ­кой помехоустойчивостью в условиях помех. Аналогичная ситу­ация возникает при неудовлетворительной надежности системы или при недопустимо малой точности измерений. Универсаль­ный критерий для определения достоверности различных изме­рительных систем еще не разработан, поэтому ограничимся мето­дикой определения достоверности в отдельно рассматриваемой системе.

Надежность. Критерий надежности и его числовые характе­ристики выбираются с учетом особенностей назначения ИС и ха­рактера решаемых задач. К основным критериям надежности си­стем относятся:

• средняя наработка на отказ t; _

• среднее время восстановления t_B;

• средняя наработка до отказа t₀\

• интенсивность отказов X;

• вероятность безотказной работы системы P(t) в течение за­данного времени t (вероятность восстановления F(t_a))\

• вероятность завершения проверки объекта или группы объек­тов (вероятность восстановления) F(t_B) в течение заданного вре­мени;

• коэффициент готовности системы К_т.

Для стационарных измерительных систем в народном хозяй­стве широко используют критерии t₀, t_B и частично К_г.

С целью уменьшения влияния ненадежности на работоспособ­ность системы используют два основных метода самоконтроля в измерительной системе: программный и схемный аппараты.

Программный метод основан на использовании заранее отра­ботанных испытанных программ (тестов). Такой самоконтроль в основном позволяет проверить устройства системы, производя­щие обработку информации.

Схемный метод (самоконтроль) требует дополнительного обо­рудования (аппаратуры) для проверки системы. Одной из разно­видностей схемного самоконтроля является применение кодов с обнаружением и исправлением ошибок. Методы самоконтроля требуют временной информационной или аппаратурной избыточ­ности.

Быстродействие. Быстродействие характеризуется средним временем выполнения операций (измерения, контроля, управ­ления, диагностики, поиска и т.п.). Для циклических систем бы­стродействие характеризуется временем цикла t_u. Во многих случа­ях при определении быстродействия необходимо учитывать среднее время выполнения вспомогательных операций /_всп, к которым относится включение источников питания разогрева аппаратуры, подключение кабелей и т.п. В таких случаях быстро­действие, например системы измерения, определяется выраже­нием