Введение к работе
Актуальность темы. Развитие измерительной техники в настоящее время определяется требованиями, вытекающими из задач метрологического обеспечения современных информационных технологий на базе применения новых материалов, компонент и технологий производства, что создает основу для автоматизации измерений.
Поскольку в реализации современных информационных технологий все большее место занимают интеллектуальные системы проектирования, интеллектуальные системы управления и т.п., назрела необходимость в создании интеллектуальных измерительных систем (ИнИС), как представителя интеллектуальных информационных систем. Под интеллектуальностью понимается способность технического средства принимать решения, основанные на знаниях.
В дальнейшем под ИнИС понимается средство, представляющее собой измерительную систему с алгоритмом работы, перестраиваемым в процессе измерения на основании базы измерительных знаний применительно к текущей ситуации.
Интерес к проблемам интеллектуализации измерений оформился в начале 80-х годов. Однако формирование концептуальных основ и необходимого метрологического математического обеспечения носят преимущественно описательный характер, что и определило отсутствие практических результатов в этой области.
Создание ИнИС предполагает наличие развитого измерительного математического обеспечения (ИМО). Работы в этом направлении проводились в рамках раздела теоретической метрологии, занимающейся математическими моделями объектов, процедур, средств и условий измерений, а также алгоритмическим обеспечением метрологического анализа и синтеза - в рамках раздела, называемого математической метрологией. Именно на базе формализации знаний из области математической метрологии возможно создание метрологического математического обеспечения ИнИС.
Под формализацией понимается представление понятий и методов предметной области в терминологии формальных систем.
Измерительное математическое обеспечение ИнИС включает в себя следующие три части: совокупность знаний, относящихся к
описанию моделей (МО) измерительных модулей, сигналов измерительной ситуации, метрологическому анализу (Iv метрологическому синтезу (МС). Каждая последующая чг предполагает использование результатов, сформированных предшествующих, а в совокупности они составляют измеритель математическое обеспечение ИнИС.
ИМО получило значительное развитие. Это касается, през всего, аппарата описания измерительных процедур и алгоритмическ обеспечения метрологического анализа. Получены интересі результаты в направлении измерений с коррекцией, адаптивны? статистических измерений.
Однако ИМО не доведено до необходимой полноты. В настояі. время создание ИнИС замедляется незавершенностью работ формированию ИМО и отсутствием отработанных принцш построения ИнИС. Практически не проводились работы формированию математического обеспечения, относящегося идентификации ситуаций. В области синтеза измерительных цепеі работах Э.И.Цветкова сформированы лишь базовые формализмы, наконец, имеющееся теоретическое обеспечение не систематизировс с позиций его применения в ИнИС и не имеет необходим формаїизованного описания.
Существующие методы математической метрологии позволяют выполнять метрологический анализ и синтез автоматическом режиме, поскольку использованные математическ модели не пригодны для представления в терминологии формальні систем. Дополнительная сложность заключается в том, что объект изучения является измерительная цепь, состоящая из сочетай программных и аппаратных, как аналоговых, так и цифровых модулей
Перечисленные проблемы связаны с текущим состояни предметной области.
В настоящее время отсутствует аппарат формализац; измерительных знаний, на основании которого было бы возможнь создание ИнИС, работающего в автоматическом режиме.
Актуальность работы определяется отсутствием аппара
формализации измерительных знаний, что не позволяет разрабатыва
конкретные интеллектуальные измерительные системы. В то же вреі
существующие методы проектирования оказывают
малоэффективными при решении современных задач, требующих для своего решения применения технологий искусственного интеллекта. С другой стороны, измерительная техника получила в настоящее время настолько широкое распространение, что возникла необходимость решать типовые измерительные задачи с помощью автоматических систем, не привлекая к их решению квалифицированных специалистов. Поэтому разработка аппарата формализации измерительных знаний для создания ИнИС является важной актуальной научно-технической проблемой.
Цель работы. Теоретическое обобщение, исследование известных л разработка новых элементов аппарата формализации измерительных шаний, составляющего теоретическую базу для создания интеллектуальных измерительных систем. Построение измерительного математического обеспечения интеллектуальных измерительных систем, которое заключается в разработке алгоритмов метрологического анализа и синтеза, обеспечивающих автоматическое юстроение оптимальной измерительной цепи в процессе выполнения метрологического эксперимента на основании описания измерительной :итуации и базы измерительных знаний.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
формализация измерительной информации для создания баз [змерительных знаний на основе избранных структур и методов іредставлення знаний;
разработка измерительного математического обеспечения для еализации автоматического метрологического анализа в нтеллектуальньгх измерительных системах;
- разработка измерительного математического обеспечения
втоматического метрологического синтеза измерительных цепей в
нтеллектуальньгх измерительных системах;
- разработка теоретических основ построения интеллектуальных
змерительных систем с особым акцентом на развитие
ігоритмического обеспечения.
Методы исследования. Результаты исследований, включенные в иссертацию, базируются на алгоритмической теории измерений, 5щей теории сложных систем, теории исследования операций, теории )чности, теории принятия решений, теории алгоритмов, на базовых
понятиях и методах математической логики и искусственног интеллекта, а так же на накопленном опыте и результатах в облает проектирования измерительных систем экологического мониторинга процессе работы на базе кафедры информационно-измерительно техники СПбГЭТУ, в ряде промышленных и инжиниринговы компаний: ТОО "Юнион Кард-Петро", ООО "Системы. Технологии Сопровождение", 000 "СтройИнформСервис", ЗАО "Кармона".
Научная новизна диссертационной работы определяется тем, чт автором дано обобщение и получены новые теоретические результаты области формализации измерительных знаний. Разработан аппара формализации измерительных знаний, основанный на избранны математических структурах и методах представления измерительны: знаний, который служит базой для создания интеллектуальны: измерительных систем. Определены принципы автоматическом формирования аналитического представления критерия качества характеристик погрешностей. На основании сформированное концептуальной основы баз измерительных знаний разработан мето; построения и анализа поля прототипов - метод синтеза измерительны? цепей. Все это составляет основу измерительного математической обеспечения интеллектуальных измерительных систем. Разработанньк принципы легли в основу создания алгоритмического обеспеченш интеллектуальной измерительной системы.
Совокупность полученных результатов создает основы новогс перспективного научного направления в теории и практике информационно-измерительных систем и формирует аппарат формализации измерительных знаний, который позволяет разработк) интеллектуальных измерительных систем.
На защиту выносятся:
-
Теоретические основы формализации измерительных знаний v. манипулирования формализованными знаниями, создающие основу построения интеллектуальных измерительных систем, особое внимание уделено алгоритмическому обеспечению баз измерительных знаний.
-
Измерительное математическое обеспечение интеллектуальных измерительных систем, которое включает в себя:
- метод автоматического метрологического анализа в рамках избранного формализованного представления измерительных знаний, позволяющий проведение анализа в автоматическом режиме с
формнрованием аналитического выражения критерия качества. Для двух представлений измерительных цепей - с использованием X,-исчисления и алгоритмического описания.
- метод автоматического метрологического синтеза в рамках
интеллектуальной измерительной системы, результатом которого
является измерительный алгоритм, описанный уравнением измерения.
3. При разработке метода метрологического анализа
алгоритмических описаний измерительных цепей впервые было
предложено использовать аппарат прослеживания слабейшего
предусловия, и разработаны следующие методы:
метод параллельного прослеживания слабейшего предусловия -п-метод, позволяющий проводить метрологический анализ алгоритмических описаний, сокращая рост предиката от экспоненциального к полиномиальному;
метод прослеживания слабейшего предусловия для циклических конструкций, который позволяет на базе уравнения измерений осуществлять метрологический анализ описаний с обратной связью;
метод прослеживания слабейшего предусловия для выполнения метрологического анализа описаний измерительных цепей, отражающих время с помощью временной логики, расширенной введением интервальных событий;
метод прослеживания слабейшего предусловия для выполнения метрологического анализа описаний измерительных цепей, отражающих структуру и позволяющих проводить метрологический анализ измерительных цепей, предназначенных для выполнения совместных измерений;
метод прослеживания слабейшего предусловия для выполнения метрологического анализа описаний измерительных цепей, использующих абстракцию модуля и позволяющих сводить вычисление ;лабейшего предусловия процедуры к вычислению слабейшего предусловия одного оператора присваивания.
4. При разработке метода метрологического синтеза были
іредложеньї следующие методы:
- метод структурного синтеза на базе метода генетических
ілгоритмов, который позволяет осуществлять одновременное
гостроение и поиск в поле решений - поле измерительных алгоритмов;
метод структурно-параметрического синтеза на ба; аналитического выражения критерия качества, который позволж определять потенциальную точность синтезируемых алгоритмов аналитическом виде.
Практическая ценность. Практическая ценность результате работы заключается в том, что:
разработанные теоретические основы формализаци измерительных знаний позволяют создавать базы измерительны знаний рассматриваемого типа;
- разработанные методы составляют основу автоматически
методов метрологического анализа и синтеза измерительных процеду
в составе интеллектуальных измерительных систем рассматриваемог
типа.
Разработанное измерительное математическое обеспечени интеллектуальной измерительной системы создает основ качественного изменения проектируемых систем:
позволяет решать задачи, требующие для своего решени применения технологий искусственного интеллекта;
позволяет осуществлять автоматическое изменение алгоритм измерения в процессе проведения метрологического эксперимента н основе базы измерительных знаний и знания метрологическоі ситуации.
Результаты теоретических исследований легли в основ; конкретных программных разработок, внедренных как в рамках работі на кафедре ИИТ СПбГЭТУ, так и на промышленных предприятиях.
Реализация результатов. Реализация результатов заключается в» внедрении их при непосредственном участии автора:
при создании программной системы "Интеллектуальна измерительная система", применение которой дает возможност автоматизировать процесс экологического мониторинга (СПбГЭТ! НИР «Методы и методики измерения, моделирования прогнозирования параметров окружающей среды. Программно обеспечение автоматизированной системы экологическог мониторинга» N гос. per. 01960011414, г. Санкт-Петербург);
при создании научной разработки "Алгоритмы обработки знани; и приведения их к формализованному виду" для систематизаци;
технологических процессов настройки банковского оборудования (ООО «Системы. Технологии. Сопровождение.» г. Санкт-Петербург);
при создании пакета программ "Алгоритмы системы принятия решений базы знаний" для обследования транзакционного потока пропессингового центра (ТОО «Юнион Кард-Петро» г. Санкт-Петербург);
при создании научной разработки "Алгоритмы обработки знаний и приведения их к формализованному виду" использованной при создании информационно-технической базы знаний "Строительство и архитектура" для формализации результатов испытаний на прочность различных сочетаний конструктивных элементов (000 "СтройИнформСервис" г. Москва);
при создании пакета программ "Интеллектуальная измерительная система для контроля технологического процесса" для модернизации производственной линии (ЗАО "Кармона" г. Москва).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:
- XIV всемирный конгресс IMECO (Тампере, Финляндия, 1997г);
- Межвузовской научно-технической конференции "Динамика
нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем/
(Чебоксары, 1995г.);
- Международном симпозиуме "Методы и средства мониторинга
состояния окружающей среды МСОС-95" (Санкт-Петербург, 1995г);
VIII Всесоюзной научно-технической конференции 'Перспективы развития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного исследования" 'Москва, 1991);
Международной научно-технической конференции 'Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва, 1991);
- 46-й научно-технической конференции "Актуальные проблемы
эазвития радиотехники, электроники, связи (Ленинград, 1991 г), а
также на ряде других конференций, семинаров и совещаний.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 28 іечатньїх работ, включая монографию, 18 статей, 8 тезисов докладов и іетодические указания.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения семи глав, заключения, списка литературы, включающего 23 наименование, и приложения. Основная часть работы изложена на 23< страницах машинописного текста. Работа содержит 31 рисунок и \ таблицы.