Шпаков
Александр Александрович, Бурмака А.А.
ЮЗГУ, Россия, г. Курск
Принципы
построения и функционирования измерительных и аналитических информационных
систем. Роль и особенности применения.
Многие
отрасли и направления в человеческой деятельности своими успехами обязаны
развитию и совершенствованию процессов измерения и анализа. Точность, скорость,
объемы измеряемой и анализируемой информации из года в год только растут,
приводя к созданию все более сложных систем. Использование уже имеющихся
методов построения измерительных
информационных систем (ИИС) и аналитических информационных систем (АИС) в
совокупности с необходимостью обрабатывать все возрастающий объем информации
приводит к усложнению измерительно-аналитической техники. В ряде случаев это
усложнение, помимо ощутимого увеличения стоимости оборудования требует
увеличения обслуживающего персонала, контролирующего и управляющего
интенсивными потоками измерительной информации. Разрешение этого противоречия
приводит к необходимости создания интеллектуальных
измерительных систем, способных уменьшить нагрузку на обслуживающий персонал и
способных в определенной степени решать возникающие задачи самостоятельно [3].
Развитие
компьютерных технологий сделало возможным создание системы, в которой компьютер, в том числе и персональный, является ядром измерительной системы или комплекса
[2].
Одним из
направлений совершенствования измерительно-аналитических систем (ИАС) является разработка нового математического
обеспечения, предполагающая использование принципов искусственного интеллекта
[1].
На прошедшей
в 2012г. в Москве конференции: «Российский рынок электроинструмента
и средств малой механизации. Состояние и перспективы» был показан рост рынка
измерительной техники в России за последние годы (рисунок 1). Из этого графика следует,
что при возрастающем спросе на измерительную технику дальнейшее развитие науки
потребует все более совершенных измерительных и аналитических средств. Таким образом, данная
тема является актуальной и 
Рисунок 1. - Российский рынок измерительной
техники в 2008, 2009, 2010,2011 гг.
представляет интерес с
точки зрения применения новых принципов построения и функционирования ИИС и
АИС.
1. Сравнительный анализ
функциональной и структурной организации ИИС и АИС. Сравнительные характеристики,
особенности применения и развития.
1.1
Важным отличием ИИС от прочих систем, таких, например, как системы управления,
системы связи, вычислительные системы является то, что на выходе ИИС
формируются данные и решения, суждения, то есть непосредственно использование
информации для управления не входит в функции ИИС. Зачастую ИС являются основой
других систем. В целом измерительные системы характеризуются следующими
основными характеристиками:
1)
Чувствительность –
отношение величины выходного сигнала к
величине входного;
2)
Порог чувствительности –
наименьший входной сигнал, который все еще обнаруживается с заданной
вероятностью;
3)
Чувствительность к форме
сигнала. Эта характеристика справедлива для сигналов, изменяющихся во времени;
4)
Разрешающая способность
– это размер шага, на который может быть настроена система, минимальная
различимость сигналов;
5)
Нелинейность. Степень
нелинейности измерительной системы характеризуется нелинейными или
гармоническими искажениями;
6)
Пределы измерений,
динамический диапазон. Пределы измерений определяются интервалом (
). внутри которого с помощью данной системы можно
измерить нужную величину с требуемой точностью. Динамический диапазон
измерительной системы равен отношению 
;
7)
Отклик системы – реакция
измерительной системы на приложенное ко входу воздействие [5].
На рисунке 2 изображена функциональная
структура ИС [5].
Рисунок 2. –
Обобщенная структурная схема ИС.
Измерение
конкретного параметра контролируемого объекта может быть связанно как с его
электрической, так и неэлектрической природой. Необходимое преобразование
параметров к удобному виду осуществляется с помощью соответствующих датчиков.
На выходе датчика в этом случае входной параметр трансформируется в
электрический сигнал (аналоговый, дискретный или цифровой). Что обеспечивает
возможность его обработки компьютером, передавая итоговую информацию по
средствам каналов связи пользователю [5].
1.2. Основные этапы создания
ИИС:
1)
выбор физической и математической моделей исследуемого объекта и формирование
на их основе цели ИИС с учетом ее функций в технологическом или
исследовательском процессе. Ведущая роль принадлежит пользователю (подсистеме);
2)
разработка алгоритмов сбора и первичной обработки измерительной информации;
3) разработка структуры ИИС и
выбор технических средств как ее компонентов с учетом системной и
функциональной совместимости (информационной, конструктивной, энергетической,
метрологической, эксплуатационной и т. п.). Задачи этого этапа решаются
разработчиком ИИС.
4) Разработка программно-математического
обеспечения;
5) Разработка
метрологического обеспечения ИИС, включающего в себя методы оценки
неопределенности получаемых результатов и методику поверки или калибровки.
Задачи каждого этапа могут уточняться при совместной работе заказчика
(пользователя) формирующего функцию цели ИИС и разработчика. Современные ИИС
обладают большой гибкостью, когда на
базе одних и тех же аппаратных средств (измерительных каналов и средств вычислительной
техники) и набора датчиков можно решать различные измерительные информационные задачи.
Эта специфика ИИС учитывается при их проектировании, в частности, возможность
подключения новых измерительных каналов, алгоритмов обработки и передачи данных [6].
На сегодняшний день объем анализируемой
информации при контроле сложных динамических объектов может исчисляться
терабайтами. При этом структура информации становится сложной в математическом
и семантическом аспектах, так как включает все больше и больше различных
факторов таких, как скрытые закономерности, сложный характер связей между
объектами и т.д.[4].
Подготовка, принятия решений ИАС имеет три аспекта:
•
сбор и хранение необходимой для принятия
решений информации;
•
результаты анализа, в том числе с применением
искусственного интеллекта;
•
подготовка итоговых данных для удобного их восприятия
потребителями [4].
В связи с большим объёмом и
сложностью аспект проблемы собственно
анализа имеет два направления - оперативный анализ данных (информации),
широко распространена англоязычная аббревиатура
названия - On-Line Analytical Processing - OLAP. Основной задачей
оперативного или OLAP-анализа
является быстрое (в пределах секунд) обоснование или принятие решения.
Интеллектуальный анализ информации – имеет также широко распространённое в
русской специальной литературе англоязычное название Data mining [4].
Таким образом, необходима разработка все более
совершенных и быстродействующих ИАС, решающих широкий круг задач получения и
обработки аналитической информации и имеющих многоуровневую структуру. В этой
связи является также актуальным создание телеметрических систем, способных с
высоким быстродействием передавать анализируемую информацию, что обеспечивает
ее анализ в реальном масштабе времени. Соответственно, общая структурная схема АИС показана на рисунке 3 [1].
Рисунок 3. - Общая
структурная схема АИС.
В ряде
случаев, когда АИС сопряжена с территориально распределенными объектами
или с мобильными объектами, такими, например, как реанимобиль, соответственно
структура управляющих АИС содержит управляемые каналы связи. На пример, такая
система смогла бы помочь врачу реанимобиля в постановке диагноза и при
необходимости передать данные в больницу для быстрого мониторинга другими
врачами.
Литература
1.
Ланге
П.К. Методы и средства обработки информации в автоматизированных аналитических
информационно-измерительных системах. Докторская диссертация, Самара, 2003г.,
348с
2.
Ширяев В.В. Компьютерные измерительные средства:
Учебное пособие / В.В.Ширяев – Томск, Изд. ТПУ, 2008. –190 с..
3.
Раннев Г.Г. Измерительные
информационные системы : учебник для студ. высш. учеб. заведений / Г.Г.Раннев.
— М. : Издательский центр «Академия», 2010. — 336 с.
4. Белов В.С.
Учебное пособие «Информационно-аналитические системы». / Московский
государственный университет экономики, статистики и информатики. М., 2001г. –
68 с.
5.
Клаассен К. Б. Основы измерений.
Электронные методы и приборы в измерительной технике. Москва:
Постмаркет, 2000. -352 с.
6.
Волкова В.Н., Денисов А.А. Теория
систем. — М.: Высшая школа, 2006. — 511 с