Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Обзор методов проектирования интерфейсов информационно-измерительных систем 13
1.1. Понятие интерфейса. Роль интерфейса в измерительных системах различных типов 13
1.2. Общий подход к проектированию интерфейсов ИИС 21
1.3. Постановка задачи проектирования ГИИ СИИС 23
1.4. Выводы по разделу 1 29
Раздел 2. Разработка метода выбора структуры гибкого интеллектуального интерфейса 30
2.1. Концепция выбора структуры ГИИ СИИС 30
2.2. Синтез категории ГИИ 33
2.3. Операции на категории ГИИ 38
2.4. Классификация элементов априорных знаний 46
2.5. Выводы по разделу 2 51
Раздел 3. Разработка инженерной методики синтеза гибкого интеллектуального интерфейса 52
3.1. Типовой состав АД на каждом из уровней интерфейса 52
3.2. Алгоритм инженерного проектирования 66
3.3. Пример проектирования структуры интерфейса 74
3.4. Оптимизация реализации структуры интерфейса 95
3.5. Выводы по разделу 3 98
Раздел 4. Метрологический анализ гибкого интеллектуального интерфейса 99
4.1. Общий подход к определению метрологических характеристик интерфейса 99
4.2. Оценка метрологических характеристик интерфейса по его структуре 102
4.3. Марковская модель передачи измерительной информации через интерфейс 109
4.4. Экспериментальная проверка модели марковской дискретной цепи процесса генерации ошибок при передаче ИИ 115
4.5. Выводы по разделу 4 121
Основные выводы и результаты 122
Список использованных источников
- Общий подход к проектированию интерфейсов ИИС
- Операции на категории ГИИ
- Алгоритм инженерного проектирования
- Оценка метрологических характеристик интерфейса по его структуре
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из залогов успеха научного и технологического прогресса является получение как можно более полных данных об исследуемых объектах. Совокупность технических средств, предназначенных для нахождения характеризующих состояние объекта значений физических величин с последующим представлением полученных результатов в форме, доступной для непосредственного восприятия, получила название измерительной системы (ИС).
Усложнение объектов измерения привело к созданию информационно-измерительных систем (ИИС), которые, в соответствии с ГОСТ 8.437-81, определяются как совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представлению потребителю в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики и идентификации. Обмен информационными и управляющими сигналами между составляющими ИИС устройствами осуществляется посредством специализированных систем сопряжения, объединяемых термином «интерфейс» (interface). При этом, для того, чтобы устройства, участвующие в обмене информацией, могли быть объединены в измерительную систему без какого-либо дополнительного оборудования, необходимо задать и выполнить на этапе проектирования ряд правил, относящихся к физической реализации сопряжений, конструктивному исполнению устройств, а также характеристикам вырабатываемых и принимаемых блоками сигналов.
В настоящее время большое внимание уделяется ИИС, способным функционировать в условиях изменяющихся характеристик каналов связи, соединяющих функциональные блоки ИИС, а также адаптироваться к различным топологиям и методам передачи измерительной информации (ИИ), представленной в цифровом виде, что, в частности, имеет важное значение при построении территориально-распределенных ИИС, например,
систем экологического мониторинга и телемедицинских систем. При этом функции формирования потоков ИИ и управления этими потоками возлагаются на интерфейс, что приводит к его усложнению и интеллектуализации, обеспечиваемой введением в состав интерфейса микропроцессорных узлов с соответствующим программным обеспечением. Интерфейс, обладающий совокупностью характеристик, описанных выше, будем назвать гибким интеллектуальным интерфейсом (ГИИ).
Соответственно, инженерная методика проектирования ГИИ сложной ИИС (СИИС) должна учитывать требования, предъявляемые к интерфейсам измерительных систем, и, вместе с тем, предоставлять базирующиеся на корректном математическом аппарате средства декомпозиции составов как аппаратного, так и алгоритмического обеспечений интерфейса в процессе проектирования. Необходимым требованием к данной инженерной методике является также предоставление возможности использования ее результатов для формирования оценочных соотношений, что является крайне важным с точки зрения последующего анализа метрологических характеристик проектируемого интерфейса.
Анализ литературы [6, 9, 21, 35, 53, 56, 63, 72, 73, 81] показал, что на данный момент методика, в полной мере удовлетворяющая всем предъявляемым к ней требованиям, отсутствует.
Цель и задачи работы. Конечной целью работы является разработка
методики инженерного синтеза и метрологического анализа гибкого
интеллектуального интерфейса сложной информационно-измерительной
системы (ГИИ СИИС), для чего необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ существующих методов проектирования интерфейсов
СИИС, на основании результатов которого либо принять решение о
возможности применения для решения поставленной задачи одного из
рассмотренных методов, либо, в случае отсутствия метода,
удовлетворяющего в полной мере предъявляемым к нему требованиям,
предложить новый метод;
- выбрать адекватный математический аппарат, позволяющий формализовать всю совокупность выполняемых интерфейсом преобразований ИИ в рамках выбранного метода;
- разработать методику оптимальной декомпозиции аппаратного состава ГИИ СИИС при сохранении корректности описания потоков ИИ;
- разработать инженерную методику синтеза ГИИ СИИС;
- разработать методику проведения метрологического анализа ГИИ СИИС.
Методы исследования: базируются на теории алгебраических систем, теории множеств, теории категорий и теории марковских случайных процессов.
Новые научные результаты работы заключаются в следующем:
- изложен подход к проведению анализа структуры интерфейса сложной информационно-измерительной системы с точки зрения эталонной модели взаимодействия открытых систем;
- обоснована корректность использования математического аппарата теории категорий для представления процесса иерархической обработки информации ГИИ СИИС;
- разработан метод представления структуры ГИИ СИИС в категорном виде, позволяющий универсальным образом описывать как представление ИИ на каждом из уровней иерархии интерфейса, так и преобразования, которым подвергается ИИ;
- предложена методика перехода от категорного представления структуры ГИИ СИИС к его аппаратной реализации;
- разработан метод оценки метрологических характеристик ГИИ СИИС по его структуре, представленной в категорном виде.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
- разработана методика построения полной категории ГИИ СИИС;
- разработана методика инженерного синтеза аппаратного и алгоритмического составов ГИИ СИИС по его структуре, представленной в категорном виде;
- разработана методика проведения метрологического анализа ГИИ СИИС по структуре, представленной в категорном виде.
Основные положения, выносимые на защиту:
- методология структурного синтеза ГИИ СИИС;
- методика формирования полной категории ГИИ СИИС;
- методика инженерного синтеза ГИИ СИИС по структуре, представленной в категорном виде;
- методика оценки метрологических характеристик ГИИ СИИС по результатам инженерного синтеза.
Практическая реализация результатов:
Предложенная методика инженерного синтеза была применена для проектирования интерфейсов полевого контроллера и рабочего места оператора в рамках хозяйственного договора на создание научно-технической продукции №31/166-01 «Разработка и изготовление опытной АСУ ТП дозирования компонентов шликера КДСМ-1 для линии SACMI», заключенного с ОАО «Волгоградский керамический завод».
Апробация работы» Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:
- на I Всероссийской НТК «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (3-4 февраля 1999 г), г. Нижний Новгород, Нижегородский ГТУ;
- на VII Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (12-15 ноября 2002 г), г. Волгоград, ВолгГТУ;
- на VI Международной научно-технической конференции "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации1 , г. Курск, 2003 г;
- на научных семинарах кафедры ВТ ВолгГТУ, 2000-2003 гг.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 7 печатных работах, из них одна - тезис доклада на Региональной конференции, одна -тезис доклада на Всероссийской научно-технической конференции, одна
тезис доклада на Международной научно-технической конференции, четыре - статьи.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 97 наименований, и одного приложения.
В первом разделе показывается, что методы, применяемые для выбора структуры интерфейса при решении задач проектирования средств вычислительной техники не могут быть использованы для синтеза межблочного интерфейса сложных информационно-измерительных систем, что связано с отсутствием методики формализованного описания структуры интерфейса СИИС, использующей адекватный математический аппарат и позволяющей с единых позиций представить процесс преобразования ИИ в ходе ее перемещения между ФБ на каждом из уровней иерархии.
Во втором разделе предлагается использование эталонной модели взаимодействия открытых систем (МВОС) для проведения анализа структуры гибкого интеллектуального интерфейса СИИС как системы передачи данных между ФБ, обосновывается выбор теории категорий в качестве адекватного математического аппарата для представления процесса преобразования ИИ на каждом из уровней МВОС и рассматривается методика представления структуры разрабатываемого интерфейса в категорном виде, а также вводятся операции на полной категории, позволяющие производить оптимальную декомпозицию структур высших уровней в множество базовых структур.
В третьем разделе рассматривается алгоритм инженерного проектирования ГИИ, использующий предложенный метод выбора структуры и опирающийся на множество ограничений, накладываемых ТЗ и на базу априорных знаний, формируемую из множеств априорных данных об интерфейсных элементах и их функциях каждого из уровней МВОС. В результате применения предложенной инженерной методики полученная структура ГИИ, представленная в категорном виде, может быть подвергнута
оптимизационным преобразованиям с целью минимизации аппаратных затрат,
В четвертом разделе производится анализ параметров ГИИ, непосредственно влияющих на метрологические характеристики всего комплекса в целом, таких, как временная задержка и вероятность возникновения ошибки в блоке ИИ, переданном через межблочный интерфейс, обосновываются методология и аппарат формализованного описания и анализа погрешностей, использующие результаты предложенной инженерной методики синтеза структуры интерфейса - структуру ГИИ, представленной в категорном виде. Для оценки абсолютной погрешности процесса предлагается использовать категорные разложения полной погрешности на составляющие в виде композиционно-коммутативных диаграмм, получающихся из бинарного категорного дерева интерфейса путем конкретизации промежуточных морфизмов. В данном разделе также производится экспериментальная проверка применимости модели дискретной марковской цепи для оценки временной задержки, вносимой интерфейсом при передаче ИИ и вероятности возникновения ошибки в переданном через интерфейс блоке ИИ.
Таким образом, инженерная методика синтеза ГИИ ИИС, основывающаяся на математическом аппарате теории категорий и позволяющая подойти к процессу декомпозиции структуры разрабатываемого интерфейса с формальной точки зрения, может быть использована для получения структуры межблочного интерфейса СИИС, представленной в категорном виде. При этом полная категория ГИИ позволяет представлять преобразования, выполняемые интерфейсом в процессе перемещения ИИ от одного оконечного устройства к другому оконечному устройству СИИС, в виде эквивалентных отображений объектов, соответствующих представлению ИИ на каждом из уровней МВОС, что может быть использовано на этапе параметрического синтеза и в ходе
метрологического анализа как самого интерфейса, так и всей измерительной
системы в целом.
Общий подход к проектированию интерфейсов ИИС
Так как межблочный интерфейс является подсистемой СИИС, то процесс проектирования интерфейсной подсистемы является неотъемлемой частью процесса проектирования всей измерительной системы в целом, охватывающего совокупность действий от анализа технических требований и исходных данных до изготовления и испытаний опытного образца. Данный процесс представляет собой сложную процедуру, между этапами которой существуют многочисленные связи [6,27, 61,69, 70, 76].
Согласно ГОСТ 2.103-68, могут быть выделены следующие типовые этапы проектирования: - этап составления технического задания (ТЗ), определяющего основное назначение системы, технические характеристики, технико-экономические требования и стадии разработки, принятые в данном проекте; - этап разработки технического предложения (ГОСТ 2.118-73), на котором формируется заключение о возможности построения системы с определением основных элементов структуры и программного обеспечения (ПО), физических и технических свойств проектируемой системы; - этап эскизного проектирования (ГОСТ 2.119-73), на котором детально прорабатываются предложенные варианты построения системы; - этап технического проектирования (ГОСТ 2.120-73), на котором тщательно разрабатываются все функциональные, схемные, конструкторские и технологические решения с составлением технической документации; - этап рабочих испытаний, на котором производится окончательная проверка выбранных решений по системе и оформляются протоколы испытаний.
Процесс проектирования измерительной системы в целом и межблочного интерфейса в частности может быть представлен также в виде совокупности уровней [49, 69, 70]: алгоритмического (на котором решаются вопросы построения системы в целом, анализируются алгоритмы управления и оцениваются необходимые временные соотношения между функциональными и управляющими алгоритмами, реализуемыми в системе), структурного (на котором формируется наиболее общее представление системы, выясняются принципы её организации, выбирается архитектура и определяются основы построения программного обеспечения), функционально-логического (на котором происходит детализация принятых структурных конструкций), схемотехнического и конструкторско-технологического, на которых происходит завершение разработки с оформлением принципиальных электрических схем устройств и систем в целом, конструкторско-технологических чертежей и другой документации, необходимой для начала производства системы.
Хотя на каждом из этапов проектирования систем решаются задачи всех уровней, весомость этих решений различна. На этапе технического предложения решаются, в основном, задачи структурного уровня; на этапе эскизного проектирования - задачи функционально-логического уровня; на этапе технического проектирования - задачи схемотехнического и конструкторско-технологического уровней.
Так как межблочный интерфейс является подсистемой СИИС, то к его проектированию необходимо подходить с общесистемных позиций. В случае межблочного интерфейса это означает, что структура ИИС, определяющая состав блоков в системе, структуру связей, погрешности, вносимые блоками в общую системную погрешность и другие характеристики системы в целом, является отправной точкой для проведения синтеза структуры межблочного интерфейса. В литературе, посвященной проектированию сложных систем ([32, 49, 58, 69, 70, 76]), авторами отмечается, что процесс разработки таких систем необходимо рассматривать в виде двух связанных блоков: блока системного синтеза (синтеза структуры) и блока параметрического синтеза. Задачами первого системного блока, в частности, являются получение спецификации выполняемых функций на всех иерархических уровнях детализации, получение спецификации межблочных связей на основе функционального распределения по устройствам, блокам, субблокам и элементам для различных уровней детализации, а также получение оценочных соотношений для последующего оценивания метрологических погрешностей комплекса в целом. Задачами же блока параметрического синтеза являются выбор необходимой элементной базы, определение информационных и конструктивных характеристик субблоков, блоков, устройств и всего комплекса в целом. При этом параметрический синтез во всех своих элементах опирается на результаты системного синтеза, поэтому важной задачей, возникающей при рассмотрении этапов проектирования интерфейсной подсистемы, является выбор адекватной методики, позволяющей производить детализацию структуры разрабатываемого интерфейса, представленной в формализованном виде.
Операции на категории ГИИ
Определение. ПК ГИИ - это категорное представление структуры интерфейса, в котором преобразования, выполняемые ГИИ в процессе перемещения ИИ от оконечного устройства А к оконечному устройству В заменяются эквивалентными отображениями объектов, соответствующих представлению ИИ на каждом из уровней МВОС. ПК ГИИ обладает следующими свойствами:
1) Каждое отображение объектов, эквивалентных передаваемой ИИ, может быть представлено в виде шагов внутренних отображений, соответствующих преобразованиям информации в МВОС;
2) Каждое из внутренних отображений ПК ГИИ, в свою очередь, может быть подвергнуто декомпозиционному преобразованию и представлено в виде совокупности субвнутренних отображений.
Категорная диаграмма (2.1) с учетом внутренних отображений преобразуется к виду (2.2), где ок - внутренние отображения объектов ПК ГИИ в передающем оконечном устройстве; ik — внутренние отображения объектов ПК ГИИ в принимающем оконечном устройстве; vk - отображения объектов ПК ГИИ к-го уровня передающего оконечного устройства в объекты А -го уровня принимающего оконечного устройства; к = [ 1,7 ]. Тогда, соответственно, имеем: vt;Hom(4,5(),
Для получения закона декомпозиции ПК ГИИ / воспользуемся следующими рассуждениями. При рассмотрении взаимодействующих ИИС А и В мы воспользовались ЭМВОС для получения многоуровневой модели ГИИ, от которой перешли к ПК заменой уровней ЭМВОС на уровни ПК, а преобразований ИИ - на отображения объектов соответствующих уровней. В то же время, можно заметить, что уровни ЭМВОС, в свою очередь, также являются взаимодействующими подсистемами, а следовательно, к ним применимы все изложенные выше рассуждения, то есть перемещению ИИ с уровня S, на уровень 5; может быть сопоставлена подкатегория ,JI, где Ob(JI) = {XJ Js %J XJ,XJ JSlJ %J} и % обозначает объект подкатегории ,JI, находящийся на уровне к (=1...7) МВОС со стороны объекта S, (l-i,j). При этом SjsS,, a IJS]=Sj, так как JS 7 и ,JSf являются представлениями исходных объектов S t и 5; на данном иерархическом уровне декомпозиции структуры интерфейса. Также, ОЬ( /) с ОЬ(/) и Нот„ {IJS kJ9 iJSlJ)= Нот, (Sk9 St) в силу того, что подкатегория tJI является категорией межуровневого интерфейса и включает в себя те же объекты и морфизмы, что и категория /. Данное обстоятельство позволяет сделать вывод об эквивалентности тождественных морфизмов / и iJI 9 а также об едином законе композиции морфизмов этих категорий. Следовательно [13], подкатегория iJ I является полной подкатегорией /. Первый шаг декомпозиции перемещения ИИ с уровня Sk на уровень Sl модели ГИИ изображен на категорной диаграмме (2.3):
Декомпозиция может быть продолжена аналогичным образом и далее, при этом, после выполнения очередного шага, объекты и отображения могут быть связаны либо с соответствующими элементами и их преобразованиями из базы априорных знаний (БАЗ), либо, в случае, если реализация некоторых объектов и их преобразований отсутствует на данном уровне рассмотрения, то такие преобразования могут быть заменены тождественными отображениями. Конечной целью декомпозиции является получение категорного представления структуры интерфейса, в которой каждому отображению соответствует элементарное действие по преобразованию ИИ (включая тождественное преобразование). На основе полученной категории ГИИ может быть построен граф структуры с целью последующего решения оптимизационной задачи.
Таким образом, процедура построения структуры ГИИ, представленной средствами теории категорий, заключается в последовательности составления подкатегорий, соответствующих межуровневым морфизмам, с дальнейшей заменой несущественных (то есть не реализуемых данным интерфейсом) преобразований на тождественные. Определение. Введем оператор Е, называемый оператором расширения категории, действие которого определяется следующим образом: "Е / = ""/, (2.4) где / - полная подкатегория /, соответствующая межуровневому морфизму ИИ при ее перемещении с уровня к на уровень /. Результатом применения оператора Е к данной подкатегории является полная подкатегория iJUI, соответствующая межуровневому морфизму ИИ при ее перемещении с уровня / на уровень j подкатегории k!I. Оператор расширения категории может быть разделен на два подоператора і;Еоь и иЕ1кяа9 выполняющих операцию соответственно над объектами и морфизмами исходной категории. Тогда, если kltpkf (/,./) -морфизм полной подкатегории / при перемещении ИИ с уровня і на уровень у, a klSkj - соответствующие данному перемещению объекты, то имеем:
Алгоритм инженерного проектирования
В соответствии с блок схемой, процесс проектирования на системном этапе выглядит следующим образом. На основании ТЗ согласно принятой методике производится синтез структуры интерфейса, заключающийся в составлении начального оператора, описывающего перемещение ИИ из начальной точки СПИИ в ее конечную точку. Данный оператор подвергается декомпозиции с целью получения совокупности подоператоров, каждому из которых приписывается некоторый список функций, который в совокупности со списками, сформированными для других подоператоров, покрывает все множество функций по ТЗ, Полученный оператор подвергается экстремальным преобразованиям в соответствии с выбранным методом оптимизации, в результате чего возникает новая совокупность подоператоров со своими списками функций. Оптимизированная структура подвергается оценке соответствия ее метрологических и других характеристик заявленным в ТЗ. При несовпадении осуществляется повторный синтез структуры интерфейса с перераспределением параметров ТЗ по субблокам, а также системная коррекция параметров субблоков, начиная с начального этапа (МССИ) и далее по блок-схеме.
По окончании этапа системного синтеза выполняется переход к параметрическому этапу проектирования, В соответствии с целями параметрического синтеза, сформулированными ранее, данный этап совершается в рамках технического проекта и разработки рабочей документации [69]. При техническом проектировании определяют конструкцию изделия и его составных частей, выполняют все необходимые расчеты, подтверждающие показатели, установленные ТЗ, разрабатывают принципиальные схемы, технические решения, обеспечивающие требуемые показатели надежности, а также анализируют конструкцию на технологичность с учетом условий конкретного предприятия-изготовителя.
Затем разрабатывают рабочую документацию для изготовления и испытания опытного образца (опытной партии), установочных серий и установившегося серийного или массового производства. Эти документы подвергаются последовательной коррекции после изготовления и заводских испытаний опытного образца, после проведения государственных, межведомственных, приемочных и иных испытаний, а также после изготовления и испытания установочной серии и по результатам установившегося производства.
Рассмотрим подробнее содержание каждого из этапов для случая проектирования структуры ГИИ. Первым блоком системного этапа проектирования является составление формализованного ТЗ в виде, пригодном для использования блоком МССИ. Наиболее общим подходом к формализации ТЗ является его представление в виде множества ограничений Мтю [69]: Л пс = Мпо U М U М , (3.26) где М} - подмножество технических параметров; M JO - подмножество эксплуатационных параметров; Мтю " подмножество структурных параметров. При этом Мп =(/ :/=1,17}, где Рх - число подсистем, обменивающихся информацией; Р2 - пропускная способность каналов обмена; Р3 — вероятность отказа; Р4 - вероятность сбоя; Р5 - вероятность нормального функционирования; Рь - коэффициент готовности к эксплуатации; Р7 -характеристики входных сигналов (информационных и управляющих); Р% — характеристики выходных сигналов (информационных и управляющих); Р9 — точность передачи информации; Р10 - характеристики системы питания; Ри -число терминалов; Рп - время готовности к работе после включения сети питания; Р{} - коэффициенты технологичности, применяемости, повторяемости, унификации, стандартизации, патентоспособности; Ри — содержание драгоценных металлов; Р15 - тип элементной базы; Р{6 — характеристики малогабаритности; Рх1 -тип конструкции.. Далее, М 0 =(/ :/=18,24}, где Рп - условия эксплуатации; Рх9 характеристики технического ресурса, гарантии, хранения, транспортировки, рекламации; Р20 - время непрерывной работы; Ргх - характеристики термостатирования; Рп - ремонтопригодность; Р23 - стоимость; Р24 -экономическая эффективность.
Наконец, МгЮ = {/ :/=25,Зі}, где Р25 -алгоритм функционирования; Р26 - тип интерфейсных связей; Р21 - характеристики памяти; Р28 -характеристики контроля; Р29 - способ передачи кодов и их тип; P2Q - типы и виды обмена; Рзх -типы и характеристики задач.
После определения множества ограничений ТЗ, в блоке МССИ производится синтез структуры ГИИ по методу, изложенному в главе 2. Представим метод синтеза структуры в виде некоторого алгоритма следующим образом: л/сся=и /-, (3.27) где At - элементарный шаг алгоритма. Рассмотрим каждый из шагов алгоритма подробнее. Ах. Записывается ПК интерфейса /, описывающая перемещение ИИ от начальной точки ИИС в конечную точку.
Выполняется детализация ПК / путем применения к ней оператора расширения категории Е. При этом выбор объектов, подлежащих детализации, основывается на составе БАЗ (AZ) с учетом множества ограничений, накладываемых ТЗ (Мпо). Аъ. В случае, если в БАЗ отыскивается элемент, эквивалентный объектам и их морфизмам полной подкатегории, полученной в результате выполнения операции расширения категории, и полученная в результате замены этих объектов и морфизмов на объекты и морфизмы полная подкатегория покрывает множество подфункций, ею реализуемых, то из данной подкатегории удаляются все несущественные отображения путем применения оператора сужения категории R. А4. Производится анализ реализуемости текущей категории. При этом категория считается реализуемой, если она может быть записана в виде произведения частных категорий Ik, для каждой из которых в явном виде установлено соответствие с каким-либо из элементов БАЗ. В случае, если данное условие не выполняется, то производится возврат к шагу А2. Аь. Осуществляется построение финальной категории (ФК) Іф в виде: к где 1к -частные категории, составленные из трансформированных (шаги А2, А2) элементов полных подкатегорий.
Оценка метрологических характеристик интерфейса по его структуре
Одной из самых важных задач, возникающих на этапе проектирования любой ИИС, является определение полной погрешности. Традиционно полную погрешность системы находят суммированием полных погрешностей отдельных узлов системы [77]. При этом предполагается, что интерфейсные узлы, входящие в состав ИИС, осуществляют тождественное преобразование ИИ, и поэтому их вклад в формирование полной погрешности системы в ходе анализа источников погрешностей обычно не учитывается. Данный подход, однако, не позволяет учесть влияние на полную погрешность ИИС таких параметров, как временные задержки и ошибки, возникающие при передаче ИИ через интерфейсные блоки. Временные задержки, связанные с затратами времени на обработку ИИ в субмодулях интерфейса и конечностью пропускной способности физического уровня, приводят к запаздыванию поступления ИИ на устройства обработки и отображения, что ведет к увеличению инерционности всей системы в целом и, следовательно, к росту динамической погрешности ИИС. Воздействие помех на сигналы физического уровня интерфейсных блоков и возможные ошибки в алгоритмах обработки ИИ ГИИ также вносят дополнительный вклад в полную погрешность ИИС, так как полная погрешность ИИС определяется как отклонения параметров измеряемых величин от их истинных значений [49]. Таким образом, становится очевидным, что при расчете полной погрешности ИИС необходимо учитывать не только полную погрешность операций, выполняемых функциональными блоками (ФБ), но и полную погрешность операций, выполняемых интерфейсными блоками (ИБ), осуществляющими информационное взаимодействие между ФБ: СИИС ФБ+ ИБ (4-0
Определения и виды погрешностей операций ФБ подробно рассмотрены в соответствующей литературе [38, 77, 79], однако погрешностям операций ИБ в ней внимания практически не уделяется, что и привело к необходимости в рассмотрении вопроса оценки метрологических характеристик проектируемого ГИИ.
Как было сказано выше, основными параметрами интерфейса, влияющими на метрологические характеристики всей системы в целом, являются временная задержка Г, вносимая интерфейсом при передаче ИИ со входа на выход, а также вероятность возникновения ошибки Р в переданном через интерфейс блоке ИИ. Так как ГИИ представляет собой сложный программно-аппаратный комплекс, то для произведения метрологического анализа необходимо разбить ГИИ на отдельные подсистемы, реализующие каналы связи между измерительными блоками. Однако большое количество программных и аппаратных ресурсов, задействованных в каждом из каналов, а также возможность их программной реконфигурации делают ГИИ виртуальным, то есть существующим лишь во время существования информационного обмена в рассматриваемом канале. В связи с этим для ГИИ применим лишь поканальный метод определения метрологических характеристик, применение которого предусматривает рассмотрение каждого из каналов как независимого средства информационного обмена [49], При этом необходимо учитывать тот факт, что при передаче через интерфейс ИИ подвергается последовательным преобразованиям, соответствующим ее перемещениям между уровнями МВОС. При этом каждое из преобразований (рк выполняется за некоторое конечное время Т9к. В случае, если полное количество таких преобразований ИИ при передаче ИИ со входа интерфейса на его выход будет равно т, то задержка, вносимая интерфейсом при перемещении ИИ между ФБ, будет равна
Следовательно, для определения временной задержки Г, вносимой ИБ, необходимо найти полное число преобразований, которым подвергается ИИ при ее передаче через интерфейс, а также время, за которое выполняется каждое из этих преобразований. Однако, в случае ГИИ определение данных величин связано некоторыми трудностями. Во-первых, время выполнения каждого из преобразований Т в общем случае зависит от множества параметров, в том числе от длины блока передаваемой ИИ, значений отсчетов ИИ в предыдущие моменты времени и так далее. Во-вторых, количество преобразований m может варьироваться в зависимости от того, насколько часто возникают ошибки при передаче ИИ, так как, например, наличие механизмов обеспечения надежной доставки информации по методу перезапросов приводит к повторному произведению одних и тех же преобразований над ИИ до тех пор, пока не будет получено подтверждение о правильности конечного результата.
Для определения вероятности возникновения ошибки Р при передаче информации через ГИИ также необходимо учитывать не только тот факт, что каждое из преобразований способно привести к искажению ИИ, но и то, что в цепочке преобразований, которым подвергается информация в ГИИ, присутствуют корректирующие преобразования, и данное обстоятельство приводит к тому, что количество ошибок в ходе передачи информации через интерфейс может не только увеличиваться, но и уменьшаться. Ненулевая же вероятность возникновения ошибки связана с тем, что она может либо появиться после всех корректирующих преобразований, либо оказаться нераспознанной этими преобразованиями. Каждый из этих вариантов можно охарактеризовать связанными с преобразованиями вероятностями Р для последующего выражения через них искомой вероятности возникновения ошибки Р.
