ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИИС, [Л.1, глава 1, с.6]
Современная информационная техника – крупнейший раздел технической кибернетики – дисциплины, изучающей общие закономерности процессов целесообразного управления, получения и преобразования информации в технических устройствах.
Информационная техника имеет колоссальное и непрерывно возрастающее значение в жизни человечества. Она решает огромный круг задач, связанных главным образом со сбором, переработкой, передачей, хранением, поиском и выдачей разнообразной информации человеку или машине.
В соответствии с основными функциями информационной техники выделяются следующие ее ветви: информационно-измерительная техника, вычислительная техника, техника передачи информации (связи), техника хранения и поиска информации. Каждая из этих основных ветвей информационной техники имеет свои особенности, принципы построения технических устройств. В то же время они объединяются общими теоретическими основами.
Остановимся несколько подробнее на информационно-измерительной технике (ИИТ). Она предназначена для получения опытным путем количественно определенной информации о разнообразных объектах материального мира. Основными процессами, позволяющими получить такую информацию, являются обнаружение событий, процессы счета, измерения, контроля, распознавания образов, диагностики.
Согласно ГОСТ 16263-70 измерение это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. В процессе измерения получается численное отношение между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.
Под контролем понимается установление соответствия между состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные области его состояния. В результате контроля выдается суждение о состоянии объекта контроля.
Распознавание образов связано с установлением соответствия между объектом и заданным образом. Так же как и норма при контроле, при опознании образ может быть задан в виде образцового изделия или в виде перечня определенных свойств и значений параметров (признаков) с указанием полей допуска. Нужно заметить, что в целом ряде практических приложений понятия контроля и распознавания образов совпадают.
Во многих случаях для восстановления нормальной работы объекта необходимо выявить элементы, послужившие причиной его неправильного функционирования. Такое направление развития методов и средств контроля работы технических устройств называется технической диагностикой.
Счет, т.е. определение количества каких-либо событий или предметов, в ИИТ относительно редко имеет самостоятельное значение и чаще входит составляющей операцией в процессы измерения, контроля и т.д.
Во всех перечисленных процессах, используемых в ИИТ, имеются общие черты. Все эти процессы обязательно включают восприятие техническими средствами исследуемых (измеряемых, контролируемых) величин, весьма часто с преобразованием в некоторые промежуточные величины, сравнение их опытным путем с известными величинами, с описаниями состояний или свойств объектов, формирование и выдачу результатов в виде именованных чисел, их отношений, суждений, основанных на количественных соотношениях.
В ИИТ наиболее важную роль играет процесс измерения, являющийся основным путем получения количественной информации. Средства измерений известны со времен глубокой древности (Китай, Индия, Египет, Греция, Рим).
Человечество пришло к необходимости выработать особые приемы количественного выражения существенных для него свойств объектов с помощью именованных чисел, соответствующих определенным долям выбранных мер.
По существу ни одно экспериментальное научное исследование, ни один процесс производства не может обойтись без измерений в той или иной форме, без получения того, что мы называем измерительной информацией. В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения, что без должного развития методов и средств измерения невозможен прогресс науки и техники. Развитие современного научного эксперимента, включающего исследование космического пространства и элементарных частиц материи, глубин океанов и поверхности Земли, совершенствование промышленного производства и средств комплексного управления производством, развитие практически всех отраслей народного хозяйства и оборонной техники в значительной степени зависят от своевременного и качественного сбора измерительной информации, от должного уровня и опережающего развития средств измерения.
До недавнего прошлого арсенал средств измерительной техники ограничивался неавтоматическими и автоматическими измерительными приборами, предназначенными для измерения одной величины или небольшой группы однородных величин, обычно не изменяющихся за цикл измерения. Нужно отметить, что и в настоящее время производство таких измерительных приборов составляет заметную долю продукции приборостроительной промышленности.
В настоящее время, в первую очередь в связи с резкой интенсификацией и автоматизацией процессов производства, усложнением и расширением фронта научных экспериментов, существенно изменились требования к средствам измерения. Новые требования связаны главным образом с переходом к получению и использованию результатов не отдельных измерений, а потоков измерительной информации. Зачастую необходимо получать информацию о сотнях и тысячах однородных или разнородных измеряемых величин, часть из которых может быть недоступной для прямых измерений. Как правило, получение всего объема измерительной информации должно выполняться за ограниченное время. Если эти функции возложить на человека, вооруженного лишь простейшими измерительными и вычислительными устройствами, то в силу физиологических ограничений он, даже при весьма значительной тренировке, не сможет их выполнять. Решение этой проблемы путем увеличения обслуживающего персонала не всегда возможно, а там, где это возможно, в большинстве случаев экономически невыгодно. Уместно заметить, что из-за опасных условий эксперимента или вредности технологического процесса участие человека-оператора может быть вообще недопустимым.
Таким образом, перед измерительной техникой была поставлена проблема создания новых средств, способных разгрузить человека от необходимости сбора и обработки интенсивных потоков измерительной информации. Решение этой проблемы привело к появлению нового класса средств измерения – измерительных систем (ИС), предназначенных для автоматического сбора и обработки информации.
Аналогично можно проследить развитие других средств ИИТ, приведшие к необходимости создания кроме ИС также систем автоматического контроля (САК), технической диагностики (СТД), распознавания (РС).
Совокупность перечисленных выше систем получила название информационно - измерительных информационных систем – ИИС. Под ИИС понимаются системы, предназначенные для автоматического определения количественной информации непосредственно от изучаемого объекта путем процедур измерения и контроля, обработки этой информации и выдачи ее в виде совокупности именованных чисел, высказываний, графиков и т.д., отражающих состояние данного объекта.
Измерительные информационные системы должны воспринимать изучаемые величины непосредственно от объекта, а на их выходе должна получатся количественная информация (и только информация) об исследуемом объекте.
ИИС существенно отличается от других информационных систем (в частности от ИИС). Разумеется, информация, получаемая на выходе ИИС, используется для принятия каких – либо решений, однако использование информации обычно не входит в функции ИИС.
Итак, ИИС – обобщающее понятие. Под ним подразумевается класс средств ИИТ, объединяющий системы измерения, контроля, технической диагностики и распознавания.
В области экспериментальной аэродинамики с помощью ИИС производится измерение аэродинамических сил, распределение давления, температур, расходов газов и других величин.
Экспериментальная прочность нуждается в измерении внешних сил, воздействующих на исследуемые объекты, и реакции на их действие (напряжение в материале, смещения и т. д.), характеристики самих объектов и т. п. в качестве основных экспериментальных средств применяются ИИС.
Географические экспериментальные исследования оснащены многочисленными ИИС, в которых реализуются эффективные методы исследования строения земной коры.
В океанографических исследованиях с помощью ИИС происходит измерение температур, химического состава, скоростей движения, давления в водной среде и т. п.
Химические, физические, биологические экспериментальные исследования основаны на огромном количестве разнообразных методов и их реализация с помощью ИИС. Это определение состава и характеристик объекта исследования и внешних воздействий, условий эксперимента и т. п.
Для применения метеорологии, для охраны окружающей среды созданы многочисленные ИИС, позволяющие получать и обрабатывать измерительную информацию о состоянии воздушной и водной сред, о солнечной радиации и т. п.
Особо, пожалуй, следует отметить ИИС, построенных для нужд метрологических исследований и метрологического обеспечения единства измерения в стране, так как такие ИИС должны обладать высокими метрологическими характеристиками.
Огромное поле при приложении ИИС представляют комплексные испытание машин, конструкций, приборов, оборудования. Испытание таких конструкций, как суда, летательные аппараты, двигатели, требуют создания сложных технических средств в целях получения необходимой, главным образом, измерительной информации.
Медицина оснащается современными ИИС, позволяющими получать и оценивать ряд физиологических и психофизических параметров человека. Можно предполагать, что количество ИИС, применяемых в медицине, будет резко возрастать.
Структурная схема ИИС. Типовые функциональные блоки, [Л.1, глава 1, с.14].
Обобщённая структурная схема иис
Устройство управления может формировать командную информацию {Фо*}, принимать информацию {I*} от функциональных блоков и подавать команды на исполнительные устройства 9 для формирования воздействия на объект исследования. Воздействия могут быть, например, в виде электрических U, механических Р, тепловых Т°, оптических О, гидравлических G и акустических А величин. Воздействия могут организовываться, во-первых, в целях создания соответствующих условий для проведения эксперимента и, во-вторых, для уравновешивания величин, действующих на входы датчиков. В последнем случае система называется замкнутой с компенсационной обратной связью, а формируемые воздействия — компенсирующими величинами.
Множество аналоговых преобразователей 2 содержит преобразователи 2.1 и нормирующие преобразователи 2.2 аналоговых сигналов (например, масштабные преобразователи, преобразователи вида модуляции), коммутаторы аналоговых сигналов 2.3, аналоговые вычислительные устройства (с обозначением F) 2.4, аналоговые устройства памяти 2.5, устройства сравнения аналоговых сигналов 2.6, аналоговые каналы связи (с обозначением КС) 2.7, аналоговые показывающие и регистрирующие измерительные приборы 2.8.
К цифровым устройствам1 4 относятся формирователи импульсов 4.1, преобразователи кодов 4.2, коммутаторы 4.3, специализированные цифровые вычислительные устройства 4.4 (с обозначением CPU), устройства памяти 4.5, устройства сравнения кодов 4.6, каналы цифровой связи 4.7 (с обозначением КС), универсальные программируемые вычислительные устройства – микропроцессоры, микро-ЭВМ и т. п. – 4.8.
Группа цифровых устройств вывода, отображения и регистрации 5 содержит формирователи кодоимпульсных сигналов 5.1, печатающие устройства 5.2, устройства записи на перфоленту 5.3 (ПЛ) и считывания с перфоленты 5.4 (также с обозначением ЯЛ), накопители информации на магнитной ленте 5,5 (МЛ) и магнитных дисках 5.6 (МД), дисплеи 5.7 (Д), сигнализаторы 5.8, цифровые индикаторы 5.9.
В структурных схемах далее используются также обозначения элементов цифровой вычислительной техники, установленные ГОСТ 2.743-82. В частности, применяются следующие обозначения: регистр – RG, счетчик – СТ, устройства задержки во времени – DL, генератор – G (серии импульсов – Gn, непрерывной последовательности импульсов – GN, линейно изменяющегося сигнала – GI, синусоидального сигнала – GSIN, одиночного импульса – G1), дешифратор – DС, триггер – Т, память – М( ОЗУ – RAM, SRAM, ПЗУ – ROM, ППЗУ – PROM), мультиплексор (цифровой коммутатор) – MUX, демультиплексор – DMX и др.
Кроме указанных на рис. 1.1 условных графических обозначений в структурных схемах используются обозначения, приведенные в приложении 1.
Уместно отметить, что ЭВМ 4.8 могут взять на себя ряд преобразований, выполняемых, например, в блоках 2.4, 2.5, 2.6, 4.2, 4.4, 4.6, 5.1, а также функции управления (блок 8). Эти преобразования, естественно, будут выполняться программным путем.
Конечно, не во всякой ИИС требуется присутствие всех приведенных на рис. 1.1 блоков. Для каждой конкретной системы количество блоков, состав функций и связи между блоками должны устанавливаться особо.
Нужно отметить, что в технической литературе можно встретить название компонентов ИИС, являющихся объединением нескольких функциональных блоков. Так, например, объединение коммутаторов аналоговых сигналов и аналого-цифровых преобразователей иногда называют многоканальными АЦП.
Структурные схемы содержат важную информацию о системе, но эта информация не позволяет судить о последовательности, режимах, об алгоритмах работы данной системы. Это особенно относится к системам, основанным на использовании вычислительных комплексов, цифровых интерфейсов, содержащих микропроцессоры, ЭВМ и другие многофункциональные устройства.
Ниже предлагаются и рассматриваются содержательные логические схемы алгоритмов (СЛСА), предназначенные для формального описания работы ИИС, в том числе включающих малые ЭВМ. В СЛСА развиваются и конкретизируются идеи ЛСА применительно к специфике таких систем.
При разработке СЛСА предполагалось, что они должны: описывать функционирование как аппаратной, так и программно-управляемой частей ИИС;
Обозначения информационных преобразований в СЛСА в основном выполняются буквами латинского алфавита, а служебной информации – греческого. Аналоговая величина в общем виде обозначается буквой x, множество таких величин – X, цифровая – z, а множество цифровых величин — Z. Цифровое выражение конкретной аналоговой величины представляется в виде Dx.
Функциональные операторы получения, преобразования, передачи, выдачи измерительной информации обозначаются І(I*). В скобках дается конкретное содержание таких операторов. Наиболее распространенное содержание операторов связано с оперативным хранением информации S(storage), выдачей, чтением информации R (read), записью, регистрацией информации W (write), обработкой информации F (function) и СР (compute), операциями сравнения CR (comparison) и контроля СН (checking).
Обозначения операторов с перечисленными преобразованиями над X и Z имеют вид: I(S : X), I(S:Z); I(R:X), I(R:Z); І(W:X), I(W:Z); І(F:X), I(CP:Z); І(CR:xi,xj), I(CR:zi,Zj); I(CH:x), I(CH:z).
Преобразование сигналов записывается с указанием входных и выходных величин, разделенных наклонной прямой, причем указывается вид преобразования информации. Передача аналоговых и цифровых величин обозначается как I(x), I(X), I(z), I(Z).