Многоточечные (последовательно-параллельного действия) ИС. 2 страница

• /(X) >0, если объект принадлежит к одному классу;

• f{X) <0, если объект принадлежит к другому классу.

Следовательно, решающая функция позволяет найти гиперпо­верхность, разделяющую многомерное пространство на классы.

Широко применяемый непараметрический (адаптивный) ме­тод распознавания базируется на итеративной процедуре оптими­зации параметров распознавания.

На рис. 10.17 приведена структурная схема системы распозна­вания образов.

Детектор признаков (ДП) воспринимает физическое воздей­ствие, характеризующее объекты, и выдает на выходе совокуп­ность сигналов, несущих признаки (параметры) распознаваемо­го образа. В случае необходимости в ДП производится освобожде-

Рис. 10.17. Структурная схема системы распознавания образов

ние (фильтрация) от шумов (помех), нормализация по геометри­ческим размерам и положению (масштабирование), координат­ные преобразования и т.д.

Детектор признаков во многих случаях выполняется в виде ре- цепторного фотоэлектронного поля с системой развертки для рас­познавания образов или микроЭВМ.

В блоке памяти хранятся программы исходных, промежуточ­ных и конечных данных, а также программы функционирова­ния. Особенность его состоит в необходимости хранения описа­ний распознаваемых классов и запоминания значений оптими­зируемых параметров классификатора. Блок памяти может со­держать оптические маски, магнитные барабаны, аналоговую память и т.д.

Решение о принадлежности совокупности объектов (образа) к одному из заранее определенных классов принимает классифика­тор CPU. Это осуществляется в соответствии с принятым крите­рием распознавания или правилом решения в его устройстве на основе сигналов, выдаваемых детектором признаков. Критерием распознавания называется правило, по которому строится гипер­поверхность, разделяющая распознаваемые образы на классы в пространстве признаков (объектов). Классификатор выполняется в виде сети из линейных пороговых элементов или вычислитель­ного устройства.

Сравнение действительного образцового описания распозна­ваемых классов и выработка сигналов ошибки производятся в ус­тройстве сравнения.

Для функционирования распознающей системы необходимым условием является наличие сведений о классах совокупностей объектов. Эти сведения задаются заранее или возникают в процес­се обучения, который в этом случае предшествует процессу клас­сификации. В процессе обучения на вход распознающей системы последовательно подаются признаки образов каждого класса и если система при этом сообщает, к какому классу принадлежит образ, процесс называется обучением с учителем. Если же система не со­общает, к какому классу принадлежит образ, процесс называется обучением без учителя или самообучением.

10.12. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Статистические измерения, или измерения вероятностных ха­рактеристик случайных процессов, — это широкий круг методов и средств, применяемых в различных областях народного хозяйства.

Под вероятностными характеристиками случайных процессов будем понимать математическое ожидание, дисперсию, законы распределения вероятностей, корреляционные и спектральные функции.

На рис. 10.18, а изображен стационарный случайный процесс; на рис. 10.18, б — нестационарный случайный процесс с пере­менным во времени математическим ожиданием; на рис. 10.18, в — нестационарный случайный процесс с переменной во времени дисперсией; на рис. 10.18, г — нестационарный случайный про­цесс с переменным во времени математическим ожиданием и дисперсией.

Если рассматривать стационарный случайный процесс, при­веденный на рис. 10.19, а, то функция распределения опреде­ляется как вероятность Р в интервале - °° < X(t) < х, где х может изменяться от - до +

F(X) = Р(- °о <X(t) <х).

Значение функции распределения при изменении х в вышеука­занных пределах изменяется от 0 до 1:

F(X)(- = 0, F(X)( + = 1.

Эмпирическая функция распределения — это функция F*{X), оп­ределяющая для каждого значения х относительную частоту со­бытия X < х, т. е.

Ш

Одллд

Рис. 10.18. Реализации случайных процессов: а — стационарный; б — нестационарный с переменным математическим ожида­нием; в — нестационарный с переменной дисперсией; г — нестационарный с переменным математическим ожиданием и дисперсией

Рис. 10.19. Реализации случайного процесса:

а — стационарный случайный процесс; б — функция распределения; в — плот­ность распределения

Р{Х) = п_х/п,

где X — статистическое распределение частот; п_х — число наи­меньших вариантов я; я — объем выборки.

Плотность распределения вероятностей получают путем диф­ференцирования Р(Х) по х:

/(х) = dF{X)/dx.

Измерение математического ожидания. Структурная схема устрой­ства, представленного на рис. 10.20, реализует алгоритм:

М* [ЛГ(0]=Нт1}х(0Л.

Г ^J₀

Измерение дисперсии. На рис. 10.21 приведен один из вариан­тов построения средств измерений дисперсии случайного процесса дисперсиометром:

Z)[x(0] = lim iJ[x*(0 - M[X(t)]]dt.

\[x*(_t)-M[xm²

------ X: У —*■

Рис. 10.21. Структурная схема, реализующая алгоритм построения средств измерения дисперсии случайного процесса

Измерение функции и плотности распределения вероятностей. На

рис. 10.22, а представлена многоканальная аналоговая система для измерения распределения вероятностей F*(x), а на рис. 10.22, б — цифровая система для измерения плотности распределения веро­ятностей f*(x, U_x).

Рис. 10.22. Структурная схема анализатора: а — функции распределения вероятностей; б — плотности распределения вероятностей

Ввиду того что анализ F\x) и f(x, U_:<) в настоящее время в основном ведется с помощью ЭВМ, предлагаем читателям озна­комиться с этими анализаторами самостоятельно.

Для стационарного эргодического процесса x(t) корреляцион­ная функция может быть определена как математическое ожида­ние центрированных значений x(t) в моменты времени t и t + т:

т

Um-Jx(0x0 + r).

На рис. 10.23 приведена схема, реализующая эту зависимость.

х(М-т)

Рис. 10.23. Структурная схема прибора для измерения корреляционной

функции

Рис. 10.24. Структурная схема для измерения взаимной корреляционной функции

На рис. 10.24 приведена схема корреляционной системы, ре­ализующая алгоритм взаимной корреляционной функции между двумя случайными процессами x{t) и у (/):

1 ^г

R_xy{i) = Iim-fi(/);Kf + T).

^т о

Спектр мощности характеризует ее частотное распределение и определяется следующим алгоритмом:

S_x(<a) = ~\x(t)e-^<dt. 2л JL

Системы спектрального анализа могут быть как с параллель­ным, так и с последовательным сбором информации.

На рис. 10.25 изображена структурная схема анализатора мощ­ности случайного процесса.

При измерении нестационарного случайного процесса прежде всего необходимо определить характер нестационарности, так как от этого зависит методика измерения и определения числовых ха­рактеристик данного процесса. Практически наиболее часто встре­чаются три основных типа нестационарных случайных процессов (см. рис. 10.18, б—г). Так как статистические характеристики не­стационарных, случайных процессов зависят от времени, то для их определения, в отличие от стационарных эргодических случай-

+х Рис. 10.25. Структурная схема анализатора мощности случайного процес­са X{t)

ных процессов, необходимо располагать несколькими реализаци­ями данных.

Пусть в результате независимых измерений получено N реализа­ций случайного процесса X{t), которые обозначим x,(t), /= 1, 2, ..., п. Для любого фиксированного момента времени статистическая ха­рактеристика случайного процесса X(t) получается осреднением по ансамблю Дереализации для этого момента времени. Поэтому, как и для полученных ранее соотношений статистических числовых ха­рактеристик случайных величин, аналогично можно получить выра­жения для статистического математического ожидания m_x{t), стати­стической дисперсии D_x(t) и статистического среднеквадратичес- кого отклонения a_x(t) нестационарного случайного процесса X(t):

= D;(t) = ~t[x_i(t)-m_x(t)f; а_х(Г) = ЩГ).

IV /=1 (=1

Учитывая, что истинное значение m_x{t) неизвестно, статисти­ческую дисперсию определяют по формуле

которая является несмещенной оценкой истинного значения дис­персии нестационарного случайного процесса.

Для определения статистической корреляционной R_x*{t_ut₂) и взаимной корреляционной R^,(t_ut₂) функций необходимо рассмат­ривать два фиксированных момента времени: t\ и t₂. При этом

Kifuh) = M[{x(t_x)-m_x{h)}{x(t₂)~m_x(t₂)}\,

Kyituh) = M[{x(t_x)-m_x{t_x)}{y{t₂)-m_y{t₂)}\

Статистические корреляционную и взаимную корреляционную функции можно определить по соотношениям:

КCi Л) = -J71 [{■*•/ Ci) - т_х(/,)}{*,(t₂) - т_х(t₂)}];

J" /=1

К Сь'2) = тгЕ[{*(>■) - т_х(/,)}{я(/₂) - т_у(t₂)}].

JV /=1

Так как истинное значение m_x(t) и m_y(t), как правило, неиз­вестно, для вычисления указанных статистических характеристик пользуются соотношениями:

К Cb h) = £ [{*, ih) - rn_x (?,)} {x, (t₂) - m_x (t₂)}]; K'y(ti,t₂) = -J— t |>/Ci) - rn_x(A)}{Л(h) - m"(t₂)}].

Соответственно в структурных схемах (см. рис. 10.20, 10.21, 10.23, 10.24) необходимо изменить элементы, включающие суммирова­ние вместо интегрирования. Так как в настоящее время широко распространены ПЭВМ, при исследовании этих параметров из­мерительных информационных систем используют магнитофон и любую вычислительную машину.

10.13. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Основные стадии работ. Измерительные информационные си­стемы могут создаваться (разрабатываться) как общего примене­ния, выпускаемые серийно; не стандартизованные единичного производства; не стандартизованные, комплектуемые из серий­ных агрегатных средств. Поэтому имеется несколько подходов к созданию ИИС, но во всех случаях интенсивно развивается си­стемный подход к проектированию и широко используются сис­темы автоматизированного проектирования.

При проектировании ИИС обще го применения для пос­ледующего серийного выпуска выделяют следующие основные ста­дии: технические задания (ТЗ); техническое предложение (ТП) с присвоением документации литеры «П»; эскизный проект (ЭП) с присвоением литеры «Э»; технический проект (ТП) с присвоением литеры «Т»; рабочая документация (РД) с присвоением литеры «РД».

Техническое задание обычно разрабатывают на основе результа­тов выполненных научно-исследовательских и эксперименталь­ных работ, научного прогнозирования, анализа передовых дости­жений и технического уровня отечественной и зарубежной техни­ки, изучения патентной документации, а также на основе исход­ных требований заказчиками.

Техническое задание включает следующие разделы: наимено­вание и область применения, основание для разработки; цель и назначение разработки, источники разработки; технические тре­бования, экономические показатели, стадии и этапы разработки; порядок контроля и приемки. В ТЗ также указывают минимальную цену ИИС.

Техническое задание согласовывается с предприятием-разра­ботчиком, предприятием-изготовителем и утверждается ведущим заказчиком или установленной им организацией.

Техническое предложение обычно состоит из следующих этапов:

• определение патентоспособности;

• поиск аналогов;

• сравнительная оценка различных возможных реализаций ИИС и выбор оптимальной по алгоритмам сбора и обработки информа­ции; техническому, программному, информационному, организа­ционному и лингвистическому обеспечению; видам интерфейсов, модуляции и т.д. В этом сравнении важен учет показателя качества;

• разработка и анализ структурной, функциональной схемы и общего алгоритма работы ИИС;

• решение принципиальных вопросов метрологического обес­печения;

• рассмотрение и утверждение технического предложения.

Эскизный проект предусматривает создание документации, со­держащей принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе работы изделия. В необходимых случаях должны проводиться изготовление и ис­пытание макетов изделия. Эскизный проект после согласования и утверждения служит для разработки технического проекта или рабочей документации.

Технический проект предусматривает создание документации, содержащей окончательные технические решения, дающие пол­ное представление об устройстве разрабатываемой системы. Тех­нический проект служит основанием для разработки рабочей кон­структорской документации.

Рабочая документация является завершающей стадией на про­ектируемую ИИС. Она состоит в разработке конструкторской до­кументации на опытный образец системы (литеры), изготовле­нии опытного образца; проведении государственных, межведом­ственных или других испытаний опытных образцов; последующих корректировок рабочей документации (литеры), подготовке ра­бочей документации и изготовлении установочной серии и мас­совом выпуске новой ИИС.

При создании нестандартизованных ИИС обычно вы­деляют три стадии: предпроектные, проектные и стадии реализа­ции.

Весь процесс создания ИИС технологическим объектом делит­ся на ряд стадий, установленных государственным стандартом, причем каждая из них заканчивается выпуском и утверждением определенной документации (предпроектной, проектной или орга­низационно-распорядительной). Наименования некоторых стадий совпадают с наименованиями соответствующих документов (или комплектов документации). В соответствии с ГОСТом предусмот­рены две предпроектные стадии: «Технико-экономическое обо­снование» и «Техническое задание»; две проектные стадии: «Тех­нический проект» и «Рабочая документация», которые допуска­ется объединять в одну: «Технорабочий проект», а также стадии «Ввод в действие (внедрение)» и «Анализ функционирования», которые можно условно назвать стадиями реализации системы. Каждую стадию создания ИИС принято подразделять на стадии, наименования которых определяются направленностью и (или) содержанием соответствующих работ.

Предпроектные стадии. Основная цель работ, выполняемых на этой стадии, состоит в формировании обоснованного предложе­ния заказчика о создании ИИС с определенными основными функ­циями и техническими характеристиками. Ответственность за раз­работку технико-экономического обоснования системы несет за­казчик, а основанием для выполнения ТЭО является решение руководства предприятия или вышестоящих организаций; ими же определяются сроки проведения, источники и объемы финанси­рования работ. Разработка ТЭО проводится заказчиком системы совместно с генеральной проектной организацией. При необхо­димости к работам привлекаются специализированные организа­ции, в частности предполагаемый разработчик системы.

Для достижения указанной выше цели проводятся анализ изве­стных случаев применения ИИС для аналогичных объектов и об­следование существующих объекта и системы управления, что по­зволяет в случае положительного решения разработать обоснован­ные с позиций заказчика исходные технические требования к ИИС.

Разработка ТЭО в общем случае включает в себя следующие стадии.

Организация разработки ТЭО. На этой стадии опре­деляется программа работ, необходимых для формулирования обо­снованного предложения о целесообразности создания ИИС и вы­работки исходных технических требований к системе. При этом следует иметь в виду, что стадия ТЭО имеет принципиальное зна­чение и оказывает влияние на содержание и результаты работ на последующих стадиях создания системы и ее качество. Поэтому работы стадии ТЭО должны планироваться и выполняться осо­бенно полно и тщательно.

Обследование объекта и существующей систе­мы измерений. Работы этого важного этапа стадии ТЭО дол­жны быть направлены на выявление главных источников ожида­емой эффективности создаваемой ИИС. Содержательно этап сво­дится к тщательному изучению и анализу действующих системы и объекта, обнаружению существующих недостатков, приводящих к уменьшению эффективности производства и установлению при­чин этих недостатков. Анализ объекта и существующей системы измерения и контроля должен быть детальным, достаточно пол­ным и объективным. В результате проведения этапа должны быть выявлены «узкие места», вскрыты причины потерь и неиспользо­ванные резервы производства, установлены причины аварий, брака и другие подобные обстоятельства. При проведении обследования основное внимание должно быть уделено определению техноло­гического потенциала объекта управления, т.е. существующего запаса по производительности, и повышению качества выходной продукции, определяемого в первую очередь конструкцией агре­гата, свойствами входных продуктов и потенциалом управления, т.е. предельными значениями тех же параметров, которые могут быть достигнуты путем оптимизации контроля и управления при наличии ИИС.

Те хн и ко - э к о н о м ич е с ко е обоснование ИИС. Основная цель третьего, завершающего этапа стадии ТЭО состоит в установлении функционального назначения предполагаемой к разработке ИИС, предварительной оценке затрат на ее создание и эффективности, связанной с устранением выявленных недостат­ков существующей системы измерения. Основные результаты работ этапа оформляются в виде ТЭО создания ИИС, в котором изложе­ние исходных технических требований к ИИС сводится к четкому и упорядоченному перечислению желаемых функций создаваемой ИИС и требований к качеству их выполнения (по быстродействию, надежности, метрологии и т.п.). Здесь же приводится предвари­тельный расчет ожидаемых показателей технико-экономической эффективности ИИС данным технологическим объектом, выпол­ненный по соответствующей утвержденной методике.

Техническое задание (ТЗ). Основная цель работы зак­лючается в подтверждении целесообразности и детальном обо­сновании возможности создания эффективной ИИС с определен­ными функциями и техническими характеристиками, сформули­рованными заказчиком в ТЭО.

Для достижения этой цели исходные технические требования к ИИС перерабатываются на основании результатов пред проект­ных НИР и ОКР в обоснованное, согласованное и утвержденное «Техническое задание на создание ИИС», являющееся основным документом, согласно которому осуществляется проверка систе­мы при ее передаче в промышленную эксплуатацию. Ответствен­ность за разработку ТЗ по созданию ИИС несет исполнитель — основной разработчик системы.

Исходным материалом для работ стадии ТЗ является технико- экономическое обоснование ИИС с исходными техническими требованиями к системе (функциональными и технико-экономи­ческими).

Основными выходными документами этапа «Техническое зада­ние» являются ТЗ по созданию ИИС, технико-экономическое обо­снование намеченных в ТЗ решений и научно-технический отчет (от­четы), содержащий результаты проведенных предпроектных иссле­дований и эскизной проработки ИИС. Технические задания на со­здание ИИС и ТЭО являются обязательными исходными документа­ми для проведения научно-исследовательских и проектных работ на последующих стадиях технического и рабочего проектирования.

Предпроектные научно-исследовательские работы стадии ТЗ на­правлены в основном на изучение наиболее сложных задач управ­ления данным объектом для предварительного выбора методов их решения.

Методически этот этап сводится к выполнению следующих работ:

• анализ технологического процесса как информационного объекта;

• анализ информационных потоков, формулировка критерия измерения, контроля и ограничений;

• разработка предварительных математических моделей техно­логического процесса и измерений;

• формулировка задач синтеза алгоритмов контроля и измере­ния, предварительный выбор их решения;

• формулировка постановок функциональных задач системы;

• определение функций, которые должна реализовать система, и уточнение требований к их выполнению.

Одновременно производится предварительная оценка возмож­ности реализации этих функций с помощью современных средств вычислительной техники. Как правило, такие исследования про­водятся в лабораторных условиях аналитическими методами или путем экспериментального моделирования в вычислительных цен­трах на универсальных ЭВМ.

Техническое задание по созданию ИИС, составленное на ос­нове предварительной эскизной проработки системы, должно содержать вводную часть и следующие разделы:

• характеристики технологического объекта;

• назначение ИИС;

• технико-экономические показатели ИИС;

• требования к ИИС;

• требования к заказчику по подготовке объекта;

• состав и содержание работ по созданию ИИС;

• порядок сдачи системы.

Техническое задание утверждается заказчиком и должно быть согласовано со всеми организациями — участниками работ (соис­полнителями).

Проектные стадии. Технический проект (ТП). Целью работ, выполняемых на стадии ТП, являются обоснование и раз­работка основных технических решений по создаваемой системе и определение ее сметной стоимости.

Основанием для выполнения работ является наличие утверж­денного ТЗ к созданию системы и документа о его финансирова­нии. Основные участники работ — генеральный разработчик, обычно системный институт, а соисполнитель — проектная организация.

Исходные материалы для разработки технического проекта:

• утвержденное ТЗ на создание ИИС;

• технико-экономическое обоснование системы;

• научно-технический отчет на стадии ТЗ о работах, проведен­ных на этапах: «Предварительное обследование», «Предпроектные научно-исследовательские работы» и «Эскизная проработка ИИС»;

• исходные данные заказчика о технологическом объекте из­мерения и контроля, помещениях и сооружениях, электроснаб­жении и др.

На стадии «Технический проект» участники проводят необхо­димые исследовательские и проектные работы по следующим эта­пам.

1. «Системотехнический синтез ИИС» — прорабатываются ос­новные решения по системе в целом (схемы функциональной и организационной структуры ИИС, описания постановок функ­циональных задач и др.). На этом же этапе составляются задания к работе по проектированию ИИС, поручаемые организациям-со­исполнителям. Задания кроме общих и организационных вопро­сов должны определять точное наименование и состав поруча­емой работы, ее объем и место в проекте ИИС, технические тре­бования, перечень основных выходных документов и т.д.

2. «Аппаратурно-технический синтез» — определяются характе­ристики информационно-измерительных каналов, структуры ком­плекса технических средств системы, функциональных схем и т. п.

3. «Разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта» — содержит требования к помещениям, к обеспечению технических средств системы различными видами энергии, сред­ствами производственной связи и к другим разработкам, прово­димым в смежных частях проекта строительства или реконструк­ции объекта для создания ИИС.

4. «Подготовка заявок на разработку новых средств измерения» — определяются технические требования к новым техническим сред­ствам, осуществляются их предварительное согласование с орга­низациями — разработчиками средств.

5. «Разработка технических заданий на оперативно-диспетчер- ское оборудование, выпускаемое не серийно», — создаются тех­нические задания на нестандартизованное оборудование, кото­рые передаются либо конструкторским организациям заводов-из­готовителей, либо другим организациям-соисполнителям.

6. «Разработка сметы на создание ИИС», «Расчет ожидаемой технико-экономической эффективности ИИС» и «Составление па­тентного формуляра» — завершаются этапы составления проект- но-сметных документов, включаемых в состав общесистемной до­кументации.

7. «Техническое проектирование специального математическо­го и информационного обеспечения ИИС» — представляет собой основную совокупность работ, выполняемых генеральным разра­ботчиком системы на стадии «Технический проект», и включает разработку всех алгоритмов, реализуемых средствами вычислитель­ной техники, общего алгоритма функционирования ИИС как че- ловекомашинной системы и завершается выпуском задания на про­граммирование, которое передается соисполнителю программной документации. Результат работы этапа оформляется в виде отдель­ного раздела (тома) технического проекта ИИС.

Документация ТП разделяется на общесистемную, математи­ческого, информационного и технического обеспечения.

В состав общесистемной документации должны включаться:

• пояснительная записка к техническому проекту ИИС;

• описание постановок функциональных задач, обеспечивающих выполнение всех основных функций системы;

• схема функциональной структуры системы;

• схема организационной структуры системы;

• расчет ожидаемой экономической эффективности и сметы затрат на создание ИИС.

Пояснительная записка к ТП должна раскрывать цель и назна­чение ИИС, суть всех проектных решений и кроме описания об­щих вопросов должна содержать разделы по видам обеспечения ИИС, где приводятся соответствующие пояснения.