 |
||
|
||
ПРИНЦИПЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО АВТОСОПРОВОЖДЕНИЯ
ВЫЧИСЛЕНИЙ В КОМПЬЮТЕРНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Г.Н. Солопченко
Санкт-Петербургский государственный технический университет,
Кафедра измерительных информационных технологий
195251 Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29,
E-mail: sol@server.ssl.stu.neva.ru
Abstract — Some approaches to metrological self-assuring of Computer Aided Measuring Information Technologies (CAMIT) are considered. The following basic cases are presented: the possibilities of exact reproducing of the quantity to be computed are existent or not, the computing programs and computing process are protected against operators intervention or not, the processing of the direct measurement results is soft or hard.
Компьютер и бурно развивающееся программное обеспечение становятся неотъемлемыми элементами современных измерительных приборов и измерительных систем, благодаря чему эти приборы и системы приобретают способность к реализации сложных компьютерных измерительных информационных технологий (КИИТ). Компьютер управляет аналоговым и аналого-цифровым преобразованием сигналов измеряемых величин, обеспечивает диалог с оператором, позволяет эффективно использовать и уточнять математическую модель объекта измерений, выполняет цифровую обработку значений сигналов измерительной информации в том числе с использованием нейронных и генетических алгоритмов, с привлечением инструментария искусственного интеллекта и нечетких переменных. Без компьютера уже не могут быть получены даже результаты прямых измерений, поскольку для этого применяется цифровая фильтрация помех и пульсаций, линеаризация и масштабирование с целью приведения значений сигналов измерительной информации к единицам измерения измеряемой величины и сопоставления со шкалой, как это показано на рис.1. На этом рисунке обозначено:
- погрешности
преобразования величин 
, 
- погрешности от взаимодействия датчиков с
объектом измерений, 
- погрешности результатов
прямых измерений, 
, k - количество
каналов, 
- вычисляемые величины, 
-
погрешности результатов вычислений.
На программы обработки результатов измерений распространяются требования обеспечения единства измерений, когда результаты вычислений
Во всех этих случаях программы вычислений оказываются элементами измерительных каналов, а потому эти программы подлежат метрологическому сопровождению, как это установлено в ГОСТ 26.203 [1], где указано, что каждый результат таких вычислений должен сопровождаться характеристиками погрешности вне зависимости от вычислительного инструментария, каким бы он ни был: традиционным, интервальным, генетическим, нечетким, нейронным или иным “мягким”. Вообще вряд ли можно считать правомерным именование процесса измерений в зависимости от применяемого метода обработки результатов прямых измерений. Было бы естественнее связывать “мягкость” или “жесткость” измерений с характером шкалы, установленной для измеряемой или
вычисляемой величины. Если угодно, “мягкими” могли бы быть названы измерения в таких шкалах, как шкала волнения моря или шкала жесткости.
Изложенные выше требования, предъявляемые к метрологическому сопровождению КИИТ, соответствуют метрологическим нормативным документам и действующему законодательству Российской Федерации [3], но не поддерживаются стандартами, регламентирующими качество программной продукции [4,5].
Принципиальные трудности регламентации метрологического сопровождения программ обработки данных в КИИТ порождены гибкостью и адаптивной переменчивостью программ вычислений, возможностями включения в КИИТ программ пользователя, а также возможностями вмешательства пользователя в процесс измерений. Эти обстоятельства нарушают привычную для метролога жесткость и незыблемость методик выполнения измерений.
С другой стороны, современное программное обеспечение в состоянии выполнять значительную долю обязанностей по собственному метрологическому сопровождению.
Реальные перспективы реализации метрологического автосопровождения обработки результатов измерений открываются рекомендацией ИФИП (IFIP - International Federation of Information Processing), в соответствии с которой во все программы следует включать подпрограммы оценки характеристик погрешностей конечных результатов и в качестве выходных данных предъявлять пользователю результат вычислений и характеристики его погрешности. В применении к КИИТ исполнение этой рекомендации соответствует Закону Российской Федерации “Об обеспечении единства измерений” [3] и стимулирует разработчиков методик выполнения измерений к использованию возможностей современных средств вычислительной техники не только для математической обработки данных, но и для оценки характеристик погрешности конечных результатов.
Варианты организации метрологического автосопровождения КИИТ в зависимости от конкретных обстоятельств представлены в таблице 1.
Во всех трех вариантах нормирование характеристик погрешности может быть применено только к тем элементам измерительной информационной системы, неизменность которых может быть обеспечена пломбированием или средствами защиты программ вычислений от несанкционированного редактирования. Также во всех трех вариантах целесообразно поручить компьютеру расчеты, необходимые для учета погрешностей
, вызванных взаимодействием
датчиков с объектом измерений. Во втором
варианте целесообразно реализовать упомянутую
рекомендацию ИФИП и поручить оценку
характеристик погрешности результатов
Таблица 1
Значения величины, подлежащей
вычислению, могут быть воспроизведены
образцовыми средствами измерений с заданной
точностью. |
Значения величины,
подлежащей вычислению, не могут быть
воспроизведены образцовыми средствами
измерений с заданной точностью |
|
Вариант 1 На свойства вычисляемой функции и на программы обработки данных ограничения не накладываются. Программы защищены от несанкционированного редактирования. Оператор не может влиять на погрешность вычислений. |
Вариант 2 Программа обработки данных реализует дифференцируемую функцию, производные могут быть вычислены аналитически или численно. Оператору предоставлены возможности влиять на процесс обработки данных. |
Вариант 3 Вычисление первых производных функции, реализуемой программой обработки, невозможно или нецелесообразно. Оператору предоставлены возможности влиять на процесс обработки данных. |
Нормируются характеристики основной и дополнительной погрешности измерительных каналов, включающих в себя программы вычислений (от точки А до точки С рис. 1), в традиционной форме, регламентированной ГОСТ 8.009 [9]. |
Нормируются характеристики основной и дополнительной погрешности измерительных каналов прямых измерений (от точки А до точки В рис.1) в традиционной форме, регламентированной ГОСТ 8.009 [9] |
Нормируются характеристики основной и дополнительной погрешности измерительных каналов прямых измерений (от точки А до точки В рис.1) в традиционной форме, регламентированной ГОСТ 8.009 [9]. |
Погрешности d (рис.1) учитываются расчетным путем в составе погрешности конечных результатов. |
Погрешности d учитываются в составе погрешностей прямых измерений путем пересчета нормированных характеристик этих погрешностей. |
|
Характеристики погрешности окончательных результатов рассчитываются по нормированным характеристикам погрешности с учетом погрешностей d . |
Характеристики погрешности окончательных результатов вычисляются параллельно с обработкой результатов прямых измерений [6-8] по известным характеристикам погрешности прямых измерений: - линеаризацией функций с помощью первых производных [10], - по результатам статистического моделирования погрешностей вычислений [11], - благодаря применению интервальной арифметики или инструмента нечетких переменных (см. также вариант 3) |
Характеристики погрешности окончательных результатов суть элементы выходных данных программ вычислений, выполняемых по правилам: - интервальной арифметики [12,13], когда исходные данные (результаты прямых измерений) заданы интервалами, соответствующими погрешностям прямых измерений, - действий с нечеткими переменными [14,15], когда исходные данные (результаты прямых измерений) заданы функциями принадлежности, соответствующими погрешностям прямых измерений. |
вычислений подпрограмме, входящей в состав рабочей программы вычислений. В третьем варианте метрологическое автосопровождение рабочих программ обеспечивается за счет использования интервальной арифметики (self-validating arithmetic [13]) или арифметических действий с нечеткими переменными [14,15]. Понятно, что данные или параметры алгоритмов, вводимые оператором в диалоговом режиме с помощью клавиатуры, “мыши” или иным способом, также должны оформляться, как интервалы или нечеткие переменные.
Литература
1. ГОСТ 26.203 “ЕССП. Комплексы измерительно-вычислительные. Признаки классификации. Общие требования”.
2. МИ 1317 Методические указания “ГСИ. Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления. Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров”.
3. Закон РФ “Об обеспечении единства измерений” от 27 апреля 1993 г.
4. ГОСТ 28195-89 “Оценка качества программных средств”
5. ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126-93 “Оценка программной продукции”
6. Солопченко Г.Н. Метрологическая модель ИИС // Измерительная техника, 1985, № 2, с. 6-8.
7. Солопченко Г.Н. Принципы нормирования, определения и контроля характеристик погрешности в ИИС // Измерительная техника, 1985, № 3, с. 9-11.
8. Солопченко Г.Н. Формальные метрологические компоненты измерительных систем // Сб. “Измерение, контроль, автоматизация”, 1989, № 3(71), с. 3-12.
9. ГОСТ 8.009-84 “ГСИ. Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений”.-М.: Издательство стандартов, 1984.
10. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. -Л.: Энергоатомиздат, 1990, 288 с.
11. Крейнович В.Я., Павлович М.И. Оценка погрешности результата косвенных измерений с помощью вычислительного эксперимента // Измерительная техника, 1985, № 3, с. 11-13.
12. Дмитриев В.Г., Желудева Н.А., Крейнович В.Я. Применение методов интервального анализа для оценки погрешности алгоритмов в ИИС // Сб. Измерения, контроль, автоматизация, 1985, № 1, с. 31-40.
13. Schutte M. J., Swartzlander E. E. Software and hardware techniques for accurate, self-validating arithmetic/ In R.B.Kearfort and Vladik Kreinovich (Eds.) “Applications of Interval Computation”, Kluwer Academic Publishers, 1996, pp. 381-404.
14. Обработка нечеткой информации в системах принятия решений / А.Н.Борисов, А.В.Алексеев, Г.В.Меркурьева и др.-Радио и связь, 1989.-304 с.
15. Nguyen H.T., Vladik Kreinovich. Nested intervals and sets: concepts, relations to fuzzy sets, and applications / In R.B.Kearfort and Vladik Kreinovich (Eds.) “Applications of Interval Computation”, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Boston, London, 1996, pp. 245-290.
| Site of Information
Technologies Designed by inftech@webservis.ru. |
|