Введение к работе
Актуальность темы. Качественно новым этапом совершенствования средств измерений является их интеллектуализация, открывающая перспективные возможности улучшения метрологических характеристик и функциональных способностей измерительных устройств и систем.
Задача измерения (преобразования) параметров комплексных сопротивлений (ПКС) (активное сопротивление, емкость, индуктивность, тангенс угла потерь, добротность и др.) остается актуальной задачей электроизмерительной техники, поскольку обширный класс объектов проявляют свои свойства на изменяющемся токе или напряжении (сигнале). Для их определения используют преобразователи параметров комплексных сопротивлений (ППКС) – это приборы (преобразователи), предназначенные для преобразования (измерения) указанных величин, характеризующих прохождение электрических сигналов через объекты различной физической природы. Как правило, объекты чаще всего описываются многомерной моделью. Параметры такой модели представляют интерес либо как показатели качества или функционирования объекта, либо как индикаторы влияющих на них параметров окружающей среды. Расширение областей применения преобразователей ПКС, предъявление к ним все более жестких требований определяют необходимость дальнейшего совершенствования данного класса измерительных устройств.
Методы и средства измерений и преобразования ПКС, принципы построения преобразователей, вопросы улучшения их характеристик хорошо разработаны и исследованы благодаря работам К.Б. Карандеева, Ф.Б. Гриневича, Л.Ф. Куликовского, Г.А. Штамберга, В.Ю. Кнеллера, Л.П. Боровских, Ю.Р. Агамалова, А.И. Новикова, Б.Д. Хасцаева, В.П. Арбузова, С.М. Фельдберга, К.Н. Чернецова, Л.Н. Бондаренко, И.Р. Добровинского, А.М. Павлова, М.И. Бурбело, Л.И. Волгина, С.К. Куроедова, А.И. Мартяшина, Э.К. Шахова, В.М. Шляндина, С.П. Новицкого, А.В. Светлова, Б.Л. Свистунова и др.
Несмотря на хорошо разработанную теорию исследования и определения ПКС на практике в ряде случаев возникают сложности в вопросах:
автоматического выбора модели представления объекта исследования и её информативных параметров;
автоматического выбора условий, допускающих возможность измерения всех параметров модели;
повышения точности измерения;
комплексного анализа данных измерения и их визуализации.
Следует дополнить, что современные ППКС далеко не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним по функциональным возможностям, точности, быстродействию, диапазону преобразуемых величин, полосе рабочих частот.
До настоящего времени отсутствует анализ возможных перспективных путей совершенствования ППКС, критерий сравнения их метрологических характеристик и функциональных возможностей с позиций появившихся в последние годы информационных технологий. Так, включение в состав ППКС программно-вычислительной системы, в частности персонального компьютера, значительно расширяет возможности совершенствования ППКС, позволяя без увеличения его стоимости, значительного усложнения структуры и т.п., получать эффективные технические решения, практическая реализация которых была затруднена или невозможна. В последние несколько десятилетий в области измерительной техники много говорится об интеллектуализации средств измерений (СИ). Этой задаче посвящено множество работ зарубежных и отечественных ученых. Анализ этих работ убедительно показывает, что интеллектуализация СИ является главным направлением развития СИ, так как она обеспечивает создание СИ, обладающих функциональной гибкостью и интерактивностью, лучшими метрологическими характеристиками, например, за счет автоматического поиска оптимального алгоритма измерения.
В круг специалистов, решающих эту задачу, входят: Л. Финкельстайн, Р.Е. Тайманов, К.В. Сапожникова, Л.И. Волгин, А.Б. Климовский, В.И. Иванов, В.С. Соболев, Э.И. Цветков, С. Кастнер, Ю.И. Нечаев, А.Б. Дегтярев, А.А. Костоглотов, Д.Л. Недосекин, С.В. Прокопчина, Е.А. Чернявский, Н.И. Россеев, О.В. Хавлин, А. Саченко, П. Дапонте, О. Аумала, В.В. Суворов, В.И. Телешевский и др.
Предметом исследований в работе является комплексное совершенствование ППКС на основе современных подходов, включающих элементы искусственного интеллекта (ИИ).
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка принципов построения ППКС с интеллектуальными возможностями, а также путей их практической реализации.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
анализ методов и принципов построения преобразователей ПКС и обоснование важности их интеллектуализации;
анализ методов (технологий) реализации искусственного интеллекта (ИИ);
определение путей целесообразного использования методов ИИ для совершенствования ППКС;
разработка принципов интеллектуализации ППКС;
исследование вопросов практической реализации методов ИИ в ППКС.
Методы исследований. Проведенные в данной работе исследования выполнены с применением структурного подхода к обобщенному анализу структур преобразователей ПКС, основных положений теорий: измерений, включая теорию измерений ПКС, информационно-измерительных систем, сложных систем, методов искусственного интеллекта.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложено качественно новое определение интеллектуальных СИ и разработан соответствующий подход к интеллектуализации ППКС, обеспечивающий их комплексное совершенствование;
предложены принципы построения интеллектуальных ППКС;
разработаны принципы организации интеллектуального интерфейса пользователя для ППКС;
разработаны продукционные правила функционирования базы знаний интеллектуальных ППКС;
предложены методы обработки данных для устранения грубых и личных погрешностей преобразования ПКС.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Средство измерения является интеллектуальным, если для решения каких-либо задач, не имеющих заранее известного метода решения, в СИ реализованы признаки, характерные интеллекту человека, такие как способность к обучению, обобщению, накоплению опыта (знаний и навыков) и адаптации к изменяющимся условиям в процессе решения задачи.
2. Принципы построения интеллектуальных ППКС нового класса с более совершенными характеристиками.
3. Принципы организации интеллектуального интерфейса пользователя интеллектуального ППКС, позволяющего упростить взаимодействие оператора с прибором.
4. Принципы организации архитектуры базы знаний интеллектуального ППКС.
5. Основные принципы функционирования ППКС с интеллектуальными возможностями.
Практическая значимость работы. Предложенные принципы интеллектуализации ППКС открывают возможность применения указанного класса приборов во многих областях народного хозяйства и новых научных исследованиях. Полученные результаты исследований и практические рекомендации могут быть использованы при построении любых средств измерений широкого назначения. Разработанные подходы применения аппарата ИИ позволяют улучшить как метрологические характеристики, так и функциональные возможности приборов. Разработанная модель интеллектуального интерфейса пользователя обеспечит быстрое освоение приборов.
Результаты диссертации внедрены в производство в НПК «Югцветметавтоматика» (г. Владикавказ) и в учебный процесс в Северо-Кавказском Ордена Дружбы Народов горно-металлургическом институте (государственном технологическом университете).
Апробация работы. Основные положения и результаты выполненных исследований докладывались на следующих международных и всероссийских научных конференциях:
Международная научно-техническая конференция «Современные информационные технологии» (г. Пенза, 2004-2006);
IV-ая Международная конференция «Идентификация систем и задачи управления» (г. Москва, 25-28 января 2005);
VII-ая Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники», посвященная 110-й годовщине «ДНЯ РАДИО» (г. Красноярск, 5–6 мая 2005);
Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям «SCM’2005» и «SCM’2006» (г. Санкт-Петербург, 27-29 июня 2005, 2006);
VI-ая Международная научно-практическая конференция «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 30 сентября 2005);
V-ая международная конференция «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM - 2005)» (г. Москва, 28 октября 2005);
V-ая Международная конференция «Идентификация систем и задачи управления» (г. Москва, 30 января – 2 февраля 2006);
VI-ая Международная научно-техническая конференция «Измерение, контроль, информатизация» (г. Барнаул, 1-2 июня 2006);
VII-ая Международная научно-практическая конференция «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 29 сентября 2006).
Некоторые результаты работы были получены при участии в грантах «РФФИ №05-08-18222-а» и «Целевая программа Президиума РАН «Поддержка инноваций» (2006 г.)».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из которых 8 статей и 12 докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основной текст диссертации изложен на 78 страницах машинописного текста и включает в себя 15 рис. и 10 таблиц. Список литературы содержит 137 библиографических наименований.
