Введение к работе
Актуальность темы. В состав технических средств ИИС различного назначения могут входить статистические анализаторы (СА) сигналов, предназначенные для измерения, накопления и обработки экспериментальных данных. Традиционно СА определяют такие вероятностно-статистические характеристики сигналов, как функции распределения и моментные характеристики.- Для целей анализа метрологических и общетехнических характеристик ИИС и СА обычно используется аппарат содержательных логических схем алгоритмов и CASE-тсхнологии. В то же время существует подход, основанный на примеЕіении для анализа характеристик ИИС и СА математического аппарата теории информации, т.е. информационных критериев. Сформирован ось новое научное направление - прикладная теория информации, применение которой к задачам информационно-измерительной техники получило название информационной теории измерений. С другой стороны, ее можно трактовать как развитие вероятностного подхода к задачам измерения с привлечением в качестве критериев эффективности информационных характеристик средств измерений (СИ).
Итак, информационная теория измерений есть последовательное применение вероятностно-статистического подхода и информационных критериев качества на всех этапах исследования СИ, ИИС и СА.
Вообще, измерение характеризуется значением величины (результатом измерения) » погрешностью (оценкой качества полученного результата). Полученные при измерении , значения являются измерительной информацией. Измерение, наиболее простая информационная процедура, но без нее невозможна реализация таких процедур, как контроль, диагностика и управление, которые реализуются в рамках различных ИИС.
Теория информации оказала серьезное влияние на развитие многих отраслей науки, в том числе и измерительной техники. Она придала завершенность вероятностному подходу к процессу измерения, добавив в него информационные критерии и оценки, позволившие проанализировать качество и эффективность измерительных преобразований как в отдельных преобразователях, так и во всей системе.
Необходимость и актуальность привлечения теории информации к
анализу СА и других средств измерительной техники подтверждается и
многочисленными работами и практическими разработками ряда авторов,
организаций и научных школ, таких, как А.И.Берга, А.Н.Колмогорова,
К.Б.Карандееза, Б.Н.Петрова, Б.М.Пушного, А.В.СоїГодова.
В.Н.Малиновского, В.И.Рабиновича, Э.И.1Даеткава, 'П.'В,йовицкоітр.,
Г.И.Кавалерова, М.П.Цапенко, ;Р,Н.Кветнога, Д.С.Лебедеэа,
С.М.Мандельштама, ГЛ.Мирского, Ф.Е.Темникопа, Б,М.Якобсона, Е.А.Чернявского, Э.Л.Ицковича, И.М.Шенброта, О.В.Щербакова и. др. Совокупность этих работ, объединенных общей тематикой, т.е. применением информационных критериев для исследования некоторых классов измерительных приборов вылилась в самостоятельную научную проблему, которая может быть названа «информационный анализ средств измерительной техники».
Использование математических методов теории информации .в теории СИ началось в середине прошлого столетия. Применение этих методов оказалось достаточно плодотворным, но наиболее интересные результаты были достигнуты в двух достаточно важных направлениях. "Это, во-первых, теория погрешностей средств и результатов измерений, ^развиваемая на основе одновременного и совокупного использования как вероятностного, так и информационного (энтропийного) подхода, и, во-вторых, получение обобщенных оценок качества различных конструкций СИ для анализа путей развития приборостроения, т.е. решение вопросов технической политики (объективная квалиметрия конструкций СИ).
Однако несмотря на достигнутые успехи, в этих направлениях имеется целый ряд нерешенных проблем: .
во-первых, наибольшее распространение методы информационно-статистического анализа получили при исследовании эффективности и технических характеристик (точности, надежности, быстродействия и т.п.) аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП);
во-вторых, большинство авторов исследуют средства измерений (СИ) лишь на системном уровне проектирования, не затрагивая этапы, структурного, логического и технического анализа СИ;
в-третьих,, недостаточно проработаны вопросы .сравнимости результатов по. оценке эффективности СИ, полученных с помощью, традиционных, апробированных методов анализа к информационных критериев;
в-четвертых, недостаточно проработаны сопросы создания инженерных методик расчетов эффективности и технических характеристик .СИ по информационно-статистическим характеристикам (ИСХ), не решены вопросы оптимального проектирования СА по ИСХ;
в-пятых, мало исследованы вопросы анализа алгоритмов контроля по ИСХ;
в-шестых, недостаточно решены вопросы' экспериментального определения ИСХ, т.е. анализа и. проектирования самих СА, предназначенных для определения оценок информационных характеристик, т.е.САИСХ;
в-седьмых, большинством авторов предлагаются информационные методы без конкретной привязки к объекту исследований, предметной области и без конкретной привязки к классу используемых СИ и, в частности, САИСХ, '
Данные проблемы возникли, прежде всего, из-за того, что в большинстве работ в качестве информационных критериев анализа СИ используется эжтрбтш Шеннона и связанные с нею ИСХ, а данная мера информации обладает недостатками, связанными с применением дифференциальной энтропии.
С целью преодоления этого недостатка в" диссертации вводятся, новые
меры (количества) информации и информационный анализ СИ проводится
именно с помощью этих мер. - ' ,
При этом основным объектом исследований являются СА и их блоки. СА представляют собой специальный класс измерительно-вычислительных устройств (ИВУ) и могут/входить составной частью в измерительно-вычислительные; комплексы (ИВК) в качестве устройств предпроцессорной обработки,- т.е. Гойоря иначе, СЛ являются проблемно-ориентированными ИВК. В диссертации рассматривается нетрадиционный класс СА, а именно
САисх. :.'...''; .
Таким образом, сложившаяся в последние годы обстановка подтверждает актуальность и необходимость как с теоретической, так и с практической точек зрения разработки методов информационного проектирования СИ и САИСХ, с учетом специфики их применения в информационно-измерительных системах (ИИС) различного назначения.
В результате исследований могут быть получены как данные для информационной оценки качества преобразования, так и прогноз в отношении вероятных характеристик результата измерений и погрешности. Основными сложностями, связанными с использованием информационного подхода, являются необходимость знания вероятностно-статистических характеристик измеряемой величины и погрешностей, относительная сложность используемого математического аппарата и отсутствие единой меры информации для исследования как дискретных, так и непрерывных случайных величин. Информационные характеристики позволяют оценить предельные возможности измерений, получить зависимости характеристик информационных критериев эффективности от важнейших технических СИ.
Разработка информационной теории средств измерения, определяющей методы математического описания, анализа и синтеза узлов и блоков ИИС позволит существенно расширить применение информационных критерисп в теории и практике измерений и является в настоящее время актуальной задачей.
Цель работы. Теоретическое обоснование, решение и обобщение отдельных задач по информационно-статистическому анализу СЛ и ИИС для построения инженерных методик нетрадиционных методов расчета технических характеристик СИ; внедрение теории информации в инженерную практику, обогащающее научные основы анализа средств измерительной техники, а также научное обоснование нового класса СА -САИСХ (аналоговых, цифровых и гибридных), для решения задач информационнотстатистического контроля и управления в ИИС различных типов и разработке алгоритмов статистического контроля для таких САИСХ.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:
1 .Сравнительный анализ существующих мер информации и введение новой дефиниции информации, пригодной для исследования технических характеристик (точности, надежности и быстродействия) средств измерений.
2.Разработка информационно-статистических моделей САИСХ и их блоков.
3.Исследование ИСХ этих моделей для различных законов распределения входных сигналов и при различных формах представления информации.
4.Анализ точности, надежности и быстродействия моделей САИСХ по ИСХ и их сравнение с существующими методами исследований.
5.Синтез структур САИСХ по ИСХ.
б.Разработка СА, для определения ИСХ (на системотехническом, структурном и логическом уровнях проектирования).
7-Анализ алгоритмов функционирования САИСХ по ИСХ.
8.Исследование статистических данных по ИСХ.
9.Рещение вопросов дискретизации и квантования сигналов по ИСХ.
10.Анализ структур ИИС по ИСХ.
11.Применение СИ в ИИС медицинского профиля. ' 12.Разработка СИ для определения параметров артериального давления (АД) нетрадиционным способом и исследование их характеристик с помощью введенных информационных критериев.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в качестве составных частей математического аппарата использовались: теория вероятностей и математическая статистика, теория информации, теория погрешности, теория алгоритмов. В экспериментальных исследованиях применялось цифровое моделирование на ЭВМ.
Научная новизна работы состоит в следующем:
впервые проведен сравнительный анализ существующих мер информации, показаны их достоинства и недостатки и сделан вывод о необходимости разработки новых количеств информации, пригодных для исследования СИ;
предложена одна из таких мер информации и показана возможность ее применения для. исследования технических характеристик СИ, рассмотрен недостаток данной меры информации, заключающийся в трудности ее применения в случае непрерывных случайных величин, областью значений которых является вся ось абсцисс;
- предложена вторая мера информации, -свободная от недостатков,
присущих другим количествам информации и показано, что для различных
законов распределения случайных величин числовое значение ее изменяется
от 0 (равномерный закон распределения) до 1 (закон распределения Коши);
на основании этой меры информации введен комплекс ИСХ (условные количества информации, взаимные количества информации, пропускная способность и т.д.), который может применяться для исследования характеристик СА и ИИС;
с помощью введенного комплекса ИСХ проанализированы процессы переработки информации в различных моделях СИ и СА (логических модулях, арифметических модулях и т.д.) при различных законах распределения входных сигналов и различных формах их представления;
разработан информационный критерий дискретизации и квантования, позволяющий осуществить эти операции более эффективно по сравнению с существующими методами;
разработан информационный критерий согласия, показано применение его в инженерной практике и простота вычислений по сравнению с критерием х2;
разработаны структуры СА для определения оценок информационных характеристик и проделан анализ их технических характеристик с помощью введенных информационных критериев.
Практическая ценности Полученные в диссертации теоретические и экспериментальные результаты позволяют существенно расширить возможности применения информационных критериев по сравнению с традиционными методами исследования СИ, что подтверждается приведенными в диссертации примерами решения задач анализа надежности, быстродействия и погрешности САИСХ. Разработанные методы, инженеріале методики, алгоритмы и структуры позволяют решать широкий круг практических вопросов информационного исследования СИ, связанных с постановкой задачи, выбором структуры и анализом их технических характеристик. Разработаны программы, позволяющие определять значение комплекса ИСХ, пригодные для использования в инженерной практике информационного анализа СИ и ИИС.
Результаты диссертации могут быть использованы при анализе СИ других типов по информационным критериям.
Реализация работы. Разработанные в диссертации Методы информационно-статистического исследования, алгоритмы и устройства были использованы при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ рядом вузов, предприятий и НИИ, в том числе:
1. Пензенским государственным университетом;
- при разработке статистических анализаторов для целей статистического
контроля в АСУ ТП автоматно-механического и гальванических производств
(АМП и ГП) в ПО ЗНФ (г. Пенза);;
. - при разработке программ к алгоритмов статистического контроля в АСУ ТП АМП и ГП для ПО ЗИФ (г. Пенза) (приняты к внедрению);
- при постановке и проведении курсового проектирования по дисциплине
«Проектирование систем сбора,, отображения и лередачи информации» и
лабораторных работ по курсу «Теория информации».
2Лаучнс~исследователъсхим технологическим институтом (НИТИ) (г. Железнодорожный Московской обл.):
при разработке новых средств математического обеспечения для АСУ ТП различных видов производств;
при разработке новых средств статистического контроля.
3. Научно-исследовательским институтом вычислительной техники -НИИВТ (г. Пенза):
- при анализе надежности по информационному критерию накопителей на
магнитных дисках.
4. ПО «Эра» (г. Пенза):
- при анализе взаимодействия человека-оператора с навигационным
оборудованием;
- при исследовании процессов обучения на авиационных тренажерах.
5. Научно-исследовательским институтом математических машин -
НИИММ (г. Пенза):
- при исследовании надежности специализированных измерительно-
вычислительных систем по информационным критериям.
6. Пензенским научно-учебным центром - ПНУЦ СНПО «Алгоритм» (г.
Пенза): -.''
- при создании системы технической диагностики и контроля ЭВМ
ЕС-1050.
7. ВАЗ (г. Тольятти):
- при исследовании технических характеристик КТС АСУ по
информационным критериям.
8. Научно-исследовательским институтом физических измерений
НИИФИ(г. Пенза): ;. '' -;; /. V
- при разработке статистических анализаторов для определения
информационно-статистических характеристик в системах контроля. ,
9. ОАО «Электромеханика» (г. Пенза):
- при разработке СИ для определения параметров артериалый>го давления
крови человека. ..'..'"'-" ,.''''. . '..;.
По результатам отдельных НИР и ОКР (ВАЗ, НИТИ, ПО «Эра», НИИММ, ПНУЦ СНПО «Алгоритм», НИИВТ, ПО ЗИФ, НИИФИ, ОАО «Электромеханика») имеются документы, подтверждающие высокую эффективность разработанных в диссертации информационно-статистических методов исследования СИ и ЙИС.
Основные положения, выносимые на зашиту:
1. Новая мера информации н разработанный на ее основе комплекс информационно-статистических характеристик средств измерении, в частности, СА. Применение введенного комплекса ИСХ пбзволяет исследовать как информационные характеристики СИ и СА, так и оценивать такие их характеристики, как погрешность, надежность н быстродействие.
2. Решение задач статистической обработки данных, выбора шага
квантования и дискретизации, согласование блоков СИ и ИИС между собой
по разработанному комплексу ИСХ.
-
Новый класс статистических анализаторов - СА для определения ИСХ (САИСХ), которые нашли применение при создании ИИС и АСК различного назначения.
-
Комплекс алгоритмов и программ информационно-статистического исследования объектов контроля технических средств ИИС различного профиля, в частности, САИСХ.
5. Новый класс СИ, предназначенных для использования в ИИС
медицинского профиля в качестве устройств определения значений
систолического и диастолического давлений крови человека.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции «Методы и аппаратура исследований и критериев оценки эргатических систем» (Киев, 1976); X Всесоюзном симпозиуме «Методы представления и аппаратурный анализ случайных процессов и полей» (Ленинград, 1978); Всесоюзном семинаре «Метрологическое обеспечение, производство и аппаратный контроль качества» (Киев, 1978); Ш Всесоюзном симпозиуме «Проблемы создания преобразователей формы информации» (Киев, 1976); Всесоюзной научно-' технической конференции «Эффективность и оптимизация систем и процессов гражданской авиации и совершенствование системы комплексного планирования» (Москва, 1977); Всесоюзной научно-технической конференции «Опыт создания и развития АСУ в промышленности» (Воронеж, 1977); Всесоюзной научно-технической конференции «Вопросы теории и проектирования аналоговых преобразователей» (Ульяновск, 1978); I Всесоюзной конференции «Методы и средства преобразования сигналов» (Рига,' 1978); Всесоюзном научно-техническом совещании «Влагометрия промышленных материалов и сельхозпродукции» (Минск, 1978);. VI Всесоюзной научно-технической _ конференции «Развитие и использование аналоговой и аналого-цифровой вычислительной техники» (Москва, 1981); Республиканской научно-технической конференции «Математические методы в задачах управления» (Пенза, 1981); II Всесоюзной конференции «Эффективность и оптимизация систем и процессов гражданской авиации» (Москва,. 1974); Всесоюзной конференции «ИИС-81» (Львов, 1981); I Всесоюзной конференции «Методы и средства обработки сложноструктурированной информации» (Горький, 1983); Всесоюзной конференции «ИИС-85» (Винница, 1985); II Всесоюзной конференции «Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУТП» (Смоленск, 1984); I Всесоюзном научно-техническом семинаре
«Информационное обеспечение АСУ» (Омск, 1984); Международном научно-техническом семинаре «Моделирование и контроль качества в задачах обеспечения надежности РЭС» (Шауляй, 1992); Международной научно-технической конференции «Передвижные медицинские системы и комплексы» (Пенза, 1993); Российской научно-технической конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем» (Саратов, 1994); Всероссийском совещании-семинаре «Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине» (Воронеж, 1995); Республиканской конференции «Методы прогнозирования надежности проектируемых РЭА и ЭВА» (Пенза, 1987); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (Пенза, 1992, 1993, 1994, 1995, 1996, 1997, 1998, 1999); конференциях профессорско-преподавательского состава ПГУ и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (СПГЭУ) (1990-1999).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в'
66 научных трудах, включая монографию, 5 учебных пособий, 58 статей и
тезисов докладов и 2 изобретения. - .- ;,-
Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего
269 наименований и приложений. Объем работы: 340 страниц основного машинописного текста, 42 рисунка н 16 таблиц на 20 страницах,
3 приложения на 60 страницах; ' . ",-''.