 |
||
|
||
ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ НЕСУЩЕСТВУЮЩИХ ЭТАЛОНАХ
В.Н.Нестеров
Самарский государственный технический университет
Abstract – In this report the concept of measurement is based on such interaction of measurement systems and investigation objects, at which the certain result of influence by last is considered as a measure allowing to identify a situation in space and in time, is considered. Given concept can be used at the machine intelligence system building. In the opinion of the author a measurement without beforehand approved standard is a necessary step to making a machine intelligence. Offered approach allows to get structures and algorithms of functioning the measurement systems, intended for functioning in conditions, when usual methods of measurement lose efficiency.
Измерения при несуществующих эталонах. Это предложение, вынесенное в название доклада, может показаться абсурдным, так как в соответствии с принятыми стандартами само определение измерения невозможно без понятия эталона. Эталон - это средство измерения, обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы измерений ..., выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в установленном порядке в качестве эталона [1]. Официально действующее определение и понимание измерения обслуживали и обслуживают потребности общества на соответствующем этапе технико-экономического развития. А именно, потребность в эталонах была обусловлена необходимостью точного воспроизводства физических величин, в основном, в процессе технологического производства.
Тем не менее, задолго до этого в природе реализовано и реализуется до сих пор "другое" измерение, основанное на восприятии и сравнении образов. Человеком и другими представителями живой природы воспринимаются образы окружающего мира, предметов и явлений, сравниваются между собой и сами с собой в течение определенного промежутка времени, определяются сходные и отличные признаки, делаются выводы об эквивалентности и не эквивалентности. Очевидно, что, с одной стороны, ввести эталон образа затруднительно, так как он представляет собой некоторую интегральную характеристику, а, с другой, - нецелесообразно, так как мир настолько многообразен и не исследован (например, глубокий космос), что количество эталонов может превратиться в множество мощности континуума.
Интересные данные приводит психология. Как показали исследования человека [2], сопоставление, сравнение, различение, раскрытие отношений данных, полученных посредством ощущений и восприятий, лежит в основе определенного уровня мышления. Таким образом, измерения без заранее утвержденного эталона - это необходимый шаг к созданию искусственного интеллекта. Именно проблемы создания искусственного интеллекта, способного существовать и развиваться без участия человека в условиях принципиально отличных от окружающих нас, определяют интерес к новым подходам в области измерений.
Один из таких подходов, развиваемый с 1990 года [2-7], базируется на положении, что измеряемая величина в любом объекте выступает как целое и мера самой себя [8]. То же самое можно отнести к "измеряемому" образу. Некоторые вопросы, связанные с практической реализацией предложенных подходов, опубликованы в сборниках докладов, представленных на конференциях "Спутниковые системы связи и навигации" [9], "SCM-98" [10] и "ДАТЧИК-99" [11]. В основном они касались моментов, связанных с повышением точности и быстродействия. Особо важен из них первый, поскольку в живой природе он решен недостаточно хорошо, а организация измерений без официально утвержденных эталонов создает некоторые проблемы для его решения с помощью технических средств. Тем не менее, в настоящее время эти проблемы на методическом уровне можно считать решенными [12-14]. Практическая реализация предложенных решений при современном технологическом уровне микроэлектроники не вызывает никаких проблем. Кроме того, реально подготовлена почва для рассредоточения функций интеллектуальных измерений в "любом" количестве по периферии автономной системы, обладающей, в то же время, централизованными вычислительными ресурсами. Это особенно актуально для аппаратов, требующих многократного резервирования выполняемых ими функций и предназначенных для работы без участия и контроля со стороны человека на всех этапах их функционирования, например, в глубоком космосе.
Серьезным вопросом при организации процесса измерений без официально утвержденных эталонов является вопрос измерения в условиях действия внешних возмущений, характер воздействия которых заранее не определен. Об этом, в частности, упоминалось в докладе, представленном на конференцию SCM-98 [10]. Это вопрос имеет еще и философский аспект, связанный с определением информации и помехи. Т.е. что считать чем. Например, сообщение о времени отправления поезда, полученное до того, как поезд покинул вокзал, для заинтересованного потребителя является информацией, а для незаинтересованного - помехой. В помеху это сообщение превращается в любом случае, если получено после отправления поезда. Таким образом, информационное значение неизвестного сообщения определяется отношением к нему потребителя. Поскольку при измерениях образов или неизвестных физических величин могут быть использованы первичные измерительные преобразователи (датчики), неселективные относительно воздействия ряда физических величин, отражающих разные свойства исследуемого объекта или явления, и которые, в зависимости от ситуации, воспринимаются как полезная информация или помехи, то необходим механизм, позволяющий
учесть такие ситуации. Этот механизм позволит повысить воспроизводимость результатов и более адекватно оценивать реальную ситуацию. Такой механизм, основанный на структурной избыточности измерительных устройств, предложен в работе [15]. Цель данного данной работы - повысить точность и воспроизводимость результатов измерения при неселективности первичных преобразователей к неинформативным компонентам многомерной физической величины (образа). Распространим предложенный подход на структуру системы, приведенную в [14].
Система содержит блоки наведения на исследуемые объекты 1 и 2, управляющие блоками 3 и 4 из идентичных первичных преобразователей 5 и 6, 7 и 8, соответственно, идентичные измерительные преобразователи 9-12, подключенные к соответствующим блокам вычитания 13 и 14, компаратор 15, инвертор 16, управляемые коммутаторы 17 и 18, блок формирования весов 19, имеющий
n выходов, n выходных компараторов 20 и (n-1) одинаковых групп элементов, включающих в себя инвертор 21, коммутатор 22 и сумматор 23. Часть системы, начиная с блока 19, предназначенная для формирования цифрового кода, реализует метод суммирования и вычитания весов [10]. Могут быть использованы и другие методы, рассмотренные в той же работе.Результаты измерения, связывающие значения физических величин
U1 и U2, одна из которых рассматривается в качестве меры, представляются в виде, удобном для дальнейшей обработки:
если U1
< U2;
если U1
> U2,
где
a - постоянная затухания; D l - шаг квантования; Aj - весовые коэффициенты; n - число разрядов представления результата.В зависимости от варианта:
U1 < U2 или U1 > U2 , сигнал на выходе Q системы принимает одно из двух возможных значений. Его наличие для объективной оценки ситуации необходимо не в меньшей мере, чем наличие сигналов на выходах
.
Точность результата измерения определяется младшим разрядом, вес которого равен
exp(-a nD l ), то есть чем больше n, тем выше точность результата измерения и лучше разрешающая способность. Оптимальное сочетание постоянной затухания a и шага квантования D l позволяет получить наименьшую погрешность результата при заданном числе разрядов n кода представления выходных данных. Выбирая соответствующим образом постоянную затухания a и шаг квантования D l можно смоделировать любую из известных позиционных систем счисления с основанием q. Для этого необходимо выполнение условия a D l = ln(q).Как видно из структуры системы, величины
U1 и U2 отражают определенные свойства исследуемого объекта и получены на выходах, соответственно, блоков вычитания 13 и 14. Величины
и 
,
поступающие непосредственно на входы первичных
преобразователей 5 и 7, являются интегральными
характеристиками исследуемого объекта или
явления. Их можно определить как некоторый образ,
отдельные элементы которого представляют
интерес, а другие, в данном случае обозначенные
величиной 
, являются
помехой. Поскольку помеха не может быть мерой и, в
то же время, при определенных условиях помеха
может превратиться в информативную величину,
принципиальное значение имеет вопрос построения
системы в части формирования блоков восприятия
сигналов, в данном случае блоков 3 и 4.
Здесь рассмотрен простейший вариант,
когда блок восприятия формируется из двух
идентичных датчиков 5 и 6, 7 и 8, соответственно. При
отсутствии или невозможности формирования
эталона всегда остается возможность априорного
определения факторов, рассматриваемых в
качестве помех. В этом случае один из каналов, в
данном случае это касается датчиков 6 и 8,
экранируется относительно воздействия мешающих
факторов . Если эти
факторы влияют аддитивно, на входы блоков 13 и 14
вычитания поступают, соответственно, сигналы:
и 
В результате, на выходах блоков
вычитания 13 и 14 получают: 
и 
. Эти сигналы
позволяют более адекватно интересующей
информативной составляющей оценивать
исследуемый объект или явление.
Комбинируя количественно и качественно датчики в блоках восприятия и предварительной обработки входной информации можно получить структуры и алгоритмы работы информационно-измерительных систем, сохраняющих эффективность в условиях, когда обычные методы измерения, основанные на использовании заранее утвержденных и узаконенных эталонов, становятся неработоспособны. Это касается и измерения образов, представляющих собой некоторую интегральную характеристику, исследуемого объекта, и одномерных физических величин, неизвестной априори физической природы.
Из-за ограничений на объем доклада здесь не рассматриваются две других структурных реализации предложенного в работе [15] способа измерения физических величин, отражающие, в частности, вопросы измерения динамически меняющихся многомерных физических величин (образов).
Используя развиваемый авторами подход, по всей видимости, можно предложить множество других вариантов построения систем и алгоритмов, отражающих объективную потребность организации измерений многомерных и априори неизвестных физических величин, когда формирование мер и, тем более, эталонов на стадии проектирования системы, а иногда и в принципе не представляется возможным.
Следует отметить, что, представляя настоящий материал, автор имеет целью не только и не столько заявление своего приоритета, а приглашает всех заинтересованных ученых и организации к активному обсуждению и дальнейшему развитию излагаемого в настоящем сообщении направления.
Литература
| Site of Information
Technologies Designed by inftech@webservis.ru. |
|