Количественная оценка измерительной информации

Для иллюстрации возможности количественной оценки измерительной информации рассмотрим следующий пример.

С интервалом в 10 минут было произведено 5 измерений значения напряжения в сети с помощью вольтметра, имеющего шкалу 0 – 250 В и класс точности – 1 (абсолютная погрешность измерений ± 2,5 В).

Таблица 1.2

Напряжение в сети (В)	220	200	210	230	210
Время (час – мин.)	12 - –0	12 -10	12 - –0	12 - –0	12 – 40

Количественную оценку информации, полученной в результате проведенных измерений, определим с использованием формулы:

(1.17)

где: – измеряемая величина;

- неопределённость полученных результатов.

Количество вероятностной информации составит:

Количество комбинаторной информации измерительного процесса составит:

На основании приведенного примера, можно сделать вывод о том, что в некоторых случаях достаточно производить определение только комбинаторной составляющей информации. Для этого можно использовать, например, дифференциальный метод измерения и измерительное устройство с существенно меньшим диапазоном и более низкой точностью измерений, чем для определения вероятностной составляющей информации.

В применении к рассмотренному случаю алгоритмическую составляющую можно было бы определить, если бы удалось установить закон, описывающий динамический процесс изменения напряжения в сети. Для решения этой задачи потребуется провести исследования по установлению характера изменения расхода энергии во времени всеми потребителями энергии, подключенными к данной энергосистеме и т.п.

Как следует из рассмотренного примера, количество информации, получаемой при измерениях, зависит от точности используемых приборов. С увеличением неопределенности результатов измерений количество получаемой полезной информации снижается.

Основными способами борьбы с потерей информации в процессе ее передачи по каналам связи являются обеспечение ее избыточности, дублирование параллельными каналами, повторение предаваемой информации во времени.

Естественные пределы измерений

Развитие техники измерений позволило создать такие измерительные установки, которые, с одной стороны, все меньше ограничены возможностями человеческих органов чувств, а с другой – являются оптимальными в эргономическом отношении. Область применения субъективных измерений в настоящее время значительно сузилась. Например, редко используется слух для измерений в акустике за исключением нескольких задач: обнаружение сигнала на фоне помех (звуковая индикация), оценка качества звучания музыкальных инструментов, оценка звукового качества помещений. Обоняние используется при оценке и экспертизе продукции в медицинской, парфюмерной и пищевой промышленности. Вкус используется в органолептических измерениях (дегустация и оценка качества пищевой продукции). Однако зрение все еще играет важную роль в измерениях, позволяя считывать показания аналоговых приборов и выполнять целый ряд оптических наблюдений. Человеческий глаз пока превосходит по чувствительности многие другие оптические детекторы.

Наиболее велика чувствительность у глаза, адаптированного к темноте. Максимальная чувствительность глаза приходится на длину волны 507 нм. Минимальная порция энергии, которую воспринимает глаз при этой длине волны, равна , что соответствует примерно пяти квантам света, которые должны попасть на одно и то же место сетчатки за одну миллисекунду. Эквивалентный по чувствительности фотокатод должен обладать квантовым выходом около 20%. Столь высокий квантовый выход имеют только самые лучшие приборы.

Относительная спектральная чувствительность глаза, а значит, и световое ощущение, возникающее при одном и том же излучении, сильно зависит от силы света. Поэтому был принят международный стандарт, который определяет идеализированную кривую спектральной чувствительности для усредненного наблюдателя. Эта кривая спектральной чувствительности стандартизирована для зрения, адаптированного к темноте и к свету. Для дневного зрения этот максимум приходится на длину волны примерно . Для глаза, привыкшего к темноте, спектральная кривая чувствительности смещена в сторону более коротких длин волн, а ее форма немного отличается от кривой для дневного зрения. Наименьший угол зрения, под которым можно уверенно наблюдать мелкие объекты при хорошем контрасте изображения, зависит от структуры сетчатки глаза и составляет примерно(соответствует одной угловой минуте).

При рецепции информации в живой природе реализуется принцип избыточности, число рецепторов существенно больше числа нейронов. Например, информационная емкость потока нервных импульсов в зрительных нервах находится в пределах десятков мегабит в секунду, а мозг усваивает только около 40 бит в секунду. Внешними воздействиями непосредственно для самого человека являются: физико-химические, биологические, психические, социальные. С помощью своих органов чувств человек получает информацию:

• 80% через зрение;

• 18% через слух;

• 2% через осязание, обоняние и вкус.

Таблица 1.3

Чувствительность	Порог чувствительности		Число	Число рецепторов	Скорость передачи, бит/c
	нижний	верхний	градаций
Зрительная (интенсивность)			570
Слуховая (частота)	16(Гц)	20кГц	1800
Механическая (частота вибраций)	1(Гц)	10кГц	180
Температурная	6,26	9,12
Обонятельная (запах)

Как следует из приведенной таблицы, зрение человека имеет 570 градаций по интенсивности и 128 градаций по цвету, слух имеет 325 градаций по интенсивности и 1800 градаций по частоте, а кожно-механическая реакция имеет 15 градаций по амплитуде.

Технические измерительные устройства ретранслируют связанную информацию от объекта измерения в свободную. При этом, чаще всего, расширяя диапазон органов чувств человека, повышают быстродействие процесса получения первичной информации, позволяют производить дистанционную передачу измерительной информации, ее хранение, обработку и т.п.

По структурному построению автоматизированные измерительные системы напоминают такие биологические системы, как, например, человек. Органам чувств человека соответствуют в автоматах (роботах) датчики, а функции активных органов выполняются исполнительными механизмами. Аналогом мозга как центрального устройства для обработки информации служит ЭВМ.

Любая упорядоченная совокупность взаимодействующих объектов, объединенных выполнением определенных функций и обменивающихся информацией, называется кибернетической системой.

Рис.1.4 Структурная схема кибернетической системы

Положительная обратная связь в кибернетической системе ведет к выработке команд, обусловливающих увеличение отклонения системы от состояния равновесия, а отрицательная – обеспечивает за счет компенсации уменьшение отклонения системы. Этот механизм приспособления к меняющимся условиям называют гомеостазом (как в живой, так и неживой природе). По линиям прямой связи поступает управляющая информация, а по линии обратной связи – сведения в управляющую часть из исполнительной цепи.

В реальных системах действуют не только динамические процессы однозначного соответствия следствия и причины, но и вероятностные законы, причем, первый подход является упрощенным взглядом на реальные физические процессы.

Физические системы реализуют процессы получения, передачи и преобразования информации. При этом в результате взаимодействия сигнала со средой, наличия положительных и обратных связей в системе происходит искажение сигнала. В технических устройствах получения, передачи и обработки измерительной информации в результате воздействия различных дестабилизирующих факторов на полезный сигнал происходит его зашумление. Это приводит к снижению эффективности измерительного процесса, потере полезной информации в каналах связи и т.д. Поэтому важной задачей является устранение причин возникновения погрешности измерений, обеспечение помехозащищенности каналов передачи и обработки информации.