Глава 1

ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ОПИСАНИЕ СТРУКТУР И АЛГОРИТМОВ ИИС

1.1. Основные определения. Области применения иис

Современная информационная техника — крупнейший раздел технической кибернетики — дисциплины, изучающей об­щие закономерности процессов целесообразного управления, полу­чения и преобразования информации в технических устройствах.

Информационная техника имеет колоссальное и непрерывно возрастающее значение в жизни человечества. Она решает огром­ный круг задач, связанных главным образом со сбором, перера­боткой, передачей, хранением, поиском и выдачей разнообразной информации человеку или машине.

В соответствии с основными функциями информационной тех­ники выделяются следующие ее ветви: информационно-измеритель­ная техника, вычислительная техника, техника передачи информа­ции (связи), техника хранения и поиска информации. Каждая из этих основных ветвей информационной техники имеет свои осо­бенности, принципы построения технических устройств. В то же время они объединяются общими теоретическими основами.

Остановимся несколько подробнее на информационно-измери­тельной технике (ИИТ). Она предназначена для получения опыт­ным путем количественно определенной информации о разнообраз­ных объектах материального мира.

Основными процессами, позволяющими получить такую инфор­мацию, являются обнаружение событий, процессы счета, измере­ния, контроля, распознавания образов, диагностики. Существует широкое толкование этих терминов. Например, процесс измерения связывается с введением в наследуемое явление единицы измере­ния. Такое представление об измерении используется в математи­ке, социологии, психологии и др. В ИИТ применяется узкое тол­кование этих терминов, вытекающее из того, что процессы измере­ния реализуются экспериментально, служат для получения количественной оценки состояния материального объекта через сравнение параметров объекта с мерой (овеществленной единицей

измерения), описанием (через количественные характеристики) за­данного состояния.

Полезно предварительно уточнить принятое в дальнейшем из­ложении представление об этих процессах.

Согласно ГОСТ 16263-70 измерение — это нахождение зна­чения физической величины опытным путем с помощью специаль­ных технических средств. В процессе измерения получается чис­ленное отношение между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.

Под контролем понимается установление соответствия меж­ду состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные области его состояния. В результате контроля выдается суждение о состоянии объекта контроля.

Распознавание образов связано с установлением соответст--вия между объектом и заданным образом. Так же как и норма при контроле, при опознании образ может быть задан в виде об­разцового изделия или в виде перечня определенных свойств и значений параметров (признаков) с указанием полей допуска. Нужно заметить, что в целом ряде практических приложений по­нятия контроля и распознавания образов совпадают.

Во многих случаях для восстановления нормальной работы объекта необходимо выявить элементы, послужившие причиной его неправильного функционирования. Такое направление развития ме> тодов и средств контроля работы технических устройств называ­ется технической диагностикой.

Счет, т. е. определение количества каких-либо событий или предметов, в ИИТ относительно редко имеет самостоятельное зна­чение и чаще входит составляющей операцией в процессы измере­ния, контроля и т. д.

Во всех перечисленных процессах, используемых в ИИТ, име­ются общие черты. Все эти процессы обязательно включают вос­приятие техническими средствами исследуемых (измеряемых, кон­тролируемых) величин, весьма часто с преобразованием в некото­рые промежуточные величины, сравнение их опытным путем с известными величинами, с описаниями состояний или свойств объ­ектов, формирование и выдачу результатов в виде именованных чисел, их отношений, суждений, основанных на количественных со­отношениях.

В ИИТ наиболее важную роль играет процесс измерения, являющийся основным путем получения количественной информа­ции. Средства измерений известны со времен глубокой древности (Китай, Вавилон, Индия, Египет, Греция, Рим).

Человечество пришло к необходимости выработать особые приемы количественного выражения существенных для него свойств объектов с помощью именованных чисел, соответствующих опре­деленным долям выбранных мер.

К. Маркс считал, что отыскание «общественных мер для оценки количественной стороны полезных вещей»' являлось делом раз-

вития .общества. Так возник в развитии человеческой культуры процесс измерения, возникли средства и методы измерений, кото­рые в дальнейшем стали одним из важнейших орудий познания человеком окружающего его мира. Развитие науки и промышлен­ности стимулировало развитие измерительной техники; новые до­стижения измерительной техники оказывали влияние на развитие многих отраслей науки и техники. «Именно измерение связывает науку с математикой, с одной стороны, с торговлей и технической практикой—с другой»².

По существу ни одно экспериментальное научное исследование, ни один процесс производства не может обойтись без измерений в той или иной форме, без получения того, чго мы называем из­мерительной информацией. В настоящее время ни у кого не вызы­вает сомнения, что без должного развития методов и средств измерения невозможен прогресс науки и техники. Развитие современного научного эксперимента, включающего исследование космического пространства и элементарных частиц материи, глу­бин океанов и поверхности Земли, совершенствование промышлен­ного производства и средств комплексного управления производ­ством, развитие практичесрси всех отраслей народного хозяйства и оборонной техники в значительной степени зависят от своевре­менного и качественного сбора измерительной информации, от должного уровня и опережающего развития средств измерения.

Необходимо отметить роль метрологии в деле становления ме­тодов и средств измерения. Метрология в начале своего развития занималась главным образом сбором справочных данных о мерах и единицах измерений. Современная метрология превратилась в науку о точности измерений, о методах и средствах обеспечения их единства.

Наряду с метрологией возникли теоретические основы изме­рительной техники в целом и по основным видам измерений (на­пример, электрические, оптические, механические измерения). В теоретическом плане при создании новых средств измерительной техники используются (обычно с необходимой доработкой в при­кладном плане) современные достижения математики, теории автоматического управления и телемеханики, вычислительной тех­ники, теории связи, планирования эксперимента и др.

Здесь уместно заметить, что названные области науки в свою очередь используют достижения теории измерений, метрологии, измерительной техники. Встречаются обстоятельства, когда спе­циалисты смежных областей информационной техники занимаются решением задач, относящихся к измерительной технике. Так, на­пример, специалисты по вычислительной технике весьма часто занимаются созданием аналого-цифровых преобразователей, изме­рительных коммутаторов. Но, видимо, наметившаяся тенденция

¹ Маркс К. Капитал. Т. 1.—М.: Госполитиздат, 1963, с. 44.

² Бернал Д. Наука в истории общества. — М.: Иностр. лит., 1956. —735 с.

к созданию общетеоретических основ информационной техники приведет к определенному ограничению круга задач, подлежащих решению в каждом из разделов информационной техники, благо­даря получению общих решений. Однако потребности в новых ви­дах информационной техники растут очень 'быстро, ставя все но­вые задачи. Научный совет по проблемам электрических измерений и измерительных информационных систем АН СССР произвел анализ потребностей народного хозяйства Советского Союза в средствах измерений. Оказалось, что в ближайшее время необхо­димо по крайней мере в 4 раза увеличить количество видов изме­ряемых величин.

Но не только увеличение количества видов измеряемых вели­чин ведет к необходимости совершенствования средств измерений. До недавнего прошлого арсенал средств измерительной техни­ки ограничивался неавтоматическими и автоматическими измери­тельными приборами, предназначенными для измерения одной ве­личины или небольшой группы однородных величин, обычно не из­меняющихся за цикл измерения. Нужно отметить, что и в настоя­щее время производство таких измерительных приборов составляет заметную долю продукции приборостроительной промышленности. В последние годы, в первую очередь в связи с резкой интенси­фикацией и автоматизацией процессов производства, усложнением и расширением фронта научных экспериментов, существенно изме­нились требования к средствам измерения.

Новые требования связаны главным образом с переходом к по­лучению и использованию результатов не отдельных измерений, а потоков измерительной информации. Зачастую необходимо полу­чать информацию о сотнях и тысячах однородных или разнород­ных измеряемых величин, часть из которых может быть недоступ­ной для прямых измерений.

Как правило, получение всего объема измерительной информа­ции должно выполняться за ограниченное время. Если эти функ­ции возложить на человека, вооруженного лишь простейшими измерительными и вычислительными устройствами, то в силу фи­зиологических ограничений он, даже при весьма значительной тренировке, не сможет их выполнять. Решение этой проблемы пу­тем увеличения обслуживающего персонала не всегда возможно, а там, где это возможно, в большинстве случаев экономически невыгодно. Уместно заметить, что из-за опасных условий экспери­мента или вредности технологического процесса участие человека-оператора может быть вообще недопустимым.

Таким образом, перед измерительной техникой была поставле­на проблема создания новых средств, способных разгрузить чело­века от необходимости сбора и обработки интенсивных потоков измерительной информации. Решение этой проблемы привело к появлению нового класса средств измерения—и змеритель-ных систем (ИС), предназначенных для автоматического сбора и обработки измерительной информации.

Аналогично можно проследить развитие других средств ИИТ,

приведшее к необходимости создания кроме ИС также систем автоматического контроля (САК), технической диагностики (СТД), распознавания (PC).

Совокупность перечисленных выше систем получила название информационно-измерительных или измерительных информацион­ных систем —ИИС [1.1]. Под ИИС понимаются системы, пред­назначенные для автоматического получения количественной ин­формации непосредственно от изучаемого объекта путем процедур измерения и контроля, обработки этой информации и выдачи ее в виде совокупности именованных чисел, высказываний, графиков и т. д., отражающих состояние данного объекта. Измерительные информационные системы должны воспринимать изучаемые вели­чины непосредственно от объекта, а на их выходе должна полу­чаться количественная информация (и только информация) об исследуемом объекте; ИИС существенно отличаются от других информационных систем и систем автоматического управления. Так, системы вычислительные, связи и управления могут получать на входе информацию от других систем (в частности, от ИИС). Ра­зумеется, информация, получаемая на выходе ИИС, используется для принятия каких-либо решений, однако использование инфор­мации обычно не входит в функции ИИС.

Далее принимается, что в ИИС объединяются технические средства, начиная от датчиков и кончая устройствами выдачи ин­формации, а также все программы, как необходимые для управ­ления работой собственно системы, так и позволяющие решать в ИИС измерительные и вычислительные задачи, а также управ­лять конкретным экспериментом.

В ГОСТ 8.437-81 приведено следующее определение: ИИС — «совокупность функционально объединенных измерительных, вы­числительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обра­ботки в целях представления потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде либо автоматического осуществления ло­гических функций контроля, диагностики, идентификации».

Итак, ИИС — обобщающее понятие. Под ним подразумевается класс средств ИИТ, объединяющий системы измерения, контроля, технической диагностики и распознавания.

Следует отметить, что понятие ИИС удовлетворяет содержа­нию более общего понятия «система». В теории систем под систе­мами понимаются множества взаимосвязанных элементов, пред­ставляющих целостные образования. Системы при этом характе­ризуются структурами (совокупностью элементов и связей между ними, порядком элементов), функционированием (порядком про­цессов, совокупностью реакций системы на условия внешней и внутренней среды) и «историей» (необратимые изменения вслед­ствие развития, старения, процессы обучения, адаптации, предва­рительно выполненные процедуры обработки информации и т. п.). Подразумевается, что исследование структур, функционирования и «истории» систем не может быть произведено только с помощью

аппарата физики (что возможно при рассмотрении измерительных преобразователей и приборов).

В соответствии со сказанным в книге рассматриваются в пер­вую очередь структуры и алгоритмы функционирования ИИС и их частей — комплексов, аналого-цифровых подсистем и т. п., а в не­обходимых случаях учитывается «история» систем.

Уместно дать краткую историческую справку развития ИИС и указать основные области их применения.

Основная концепция нового класса средств ИИТ — измеритель­ных информационных систем — была сформулирована в начале 60-х годов. В основу концепции ИИС уже в то время была поло­жена системная организация совместной автоматической работы средств получения, обработки и передачи количественной инфор­мации. Тогда были созданы ИИС, которые можно отнести к пер­вому поколению таких систем. Системы первого поколения харак­теризуются централизованным циклическим получением измери­тельной информации и обработкой ее в основном с помощью входящих в состав ИИС специализированных вычислительных устройств, использованием в качестве элементной базы дискретной полупроводниковой техники. Дальнейшая обработка информации при необходимости в большинстве случаев производилась вне ИИС, в универсальных ЭВМ, занятых обслуживанием и других источников информации. Однако сложные ИИС в то время имели в своем составе ЭВМ, выполняющие только задачи, стоящие пе­ред этими системами.

Измерительные информационные системы второго поколения (70-е годы) характеризуются адресным сбором измерительной ин­формации, обработкой информации с помощью ЭВМ, входящих в состав систем, и в меньшей степени с помощью специализиро­ванных вычислительных устройств, использованием в качестве эле­ментной базы микроэлектронных схем малой и средней степени интеграции.

Широкое введение ЭВМ в состав ИИС стало возможным после организации промышленного выпуска управляющих вычислитель­ных машин и комплексов, а также малых ЭВМ с достаточными вычислительными и логическими возможностями, гибким програм­мным управлением, приемлемыми габаритами, потребляемой энер­гией и стоимостью.

Улучшение многих характеристик ИИС было достигнуто бла­годаря использованию больших интегральных микросхем, микро­процессоров, микропроцессорных наборов (включая устройства памяти с большим объемом запоминаемой информации) и микро-ЭВМ.

Качественно новые возможности при проектировании, изготов­лении и эксплуатации ИИС были получены при применении стан­дартных цифровых интерфейсов и промышленных функциональных блоков, совместимых между собой по информационным, метроло-гическим, энергетическим и конструктивным характеристикам. Применение в ИИС ЭВМ и стандартных цифровых интерфейсов

привело к необходимости формального описания алгоритмов дей­ствия систем и к резкому возрастанию роли программного обес­печения систем.

Оказалось, что для цифровых централизованных ИИС с про­граммным управлением можно организовать промышленный вы­пуск универсального цифрового ядра, в которое входят цифровые измерительные и вычислительные средства и стандартные устрой­ства ввода и вывода цифровой информации.

Количество созданных и реально действующих в нашей стране ИИС резко возрастает и трудно поддается оценке. Видимо их число может быть оценено в несколько десятков тысяч.

Измерительные информационные системы находят применение везде, где необходимо автоматическое получение опытным путем количественной информации о состоянии объектов исследования, причем это получение связано с выполнением массовых операций и (или) осуществлением измерений в сложной форме, недоступ­ной локальным измерительным приборам. Не имея возможности рассмотреть весь огромный диапазон областей применения ИИС, остановимся хотя бы на перечислении некоторых из них.

В измерительном оборудовании систем управления, жизнеобес­печения и научно-исследовательских работ космических кораблей, в наземных измерительно-управляющих комплексах все большую роль играют ИИС. Радиотелеметрические системы космических исследований являются важной разновидностью ИИС. Описание и анализ таких систем даны в [1.2].

В области экспериментальной аэродинамики с помощью ИИС производится измерение аэродинамических сил, распределения давлений, температур, расходов газов и многих иных величин.

Экспериментальная прочность нуждается в измерении внешних сил, воздействующих на исследуемые объекты, и реакции на их действие (напряжения в материале, смещения и т. д.), характе­ристик самих объектов и т. п. В обширных областях тензометрии, динамометрии, термометрии и т. п. в качестве основных экспери­ментальных средств применяются ИИС.

Геофизические экспериментальные исследования оснащены многочисленными ИИС, в которых реализуются эффективные ме­тоды исследования строения земной коры.

В океанографических исследованиях с помощью ИИС проис­ходит измерение температур, химического состава, скоростей дви­жения, давлений в водной среде и т. п.

Химические, физические, биологические экспериментальные ис­следования основаны на огромном количестве разнообразных ме­тодов и их реализаций с помощью ИИС. Это определение состава и характеристик объектов исследования и внешних воздействий, условий эксперимента и т. п. [1.3].

Для применения в метеорологии, для охраны окружающей сре­ды созданы многочисленные ИИС, позволяющие получать и об­рабатывать измерительную информацию о состоянии воздушной и водной сред, о солнечной радиации и т. п. [1.4].

Особо, пожалуй, следует отметить ИИС, построенные для нужд метрологических исследований и метрологического обеспечения единства измерений в стране, так как такие ИИС должны обла­дать высокими метрологическими характеристиками (см. гл. 22).

•Огромное поле для приложения ИИС представляют комплекс­ные испытания машин, конструкций, приборов, оборудования. Ис­пытания таких конструкций, как суда, летательные аппараты, дви­гатели (внутреннего сгорания, реактивные и др.), требуют созда­ния сложных технических средств в целях получения необходимой, главным образом измерительной, информации. .

Медицина оснащается современными ИИС, позволяющими по­лучать и оценивать ряд физиологических и психофизических па­раметров человека. Можно предполагать, что количество ИИС, применяемых в медицине, будет резко возрастать [1.5].

Уже говорилось, что в промышленности, на транспорте, в сель­ском хозяйстве, вообще во всем народном хозяйстве страны до­вольно широко используются ИИС [1.6, 1.7]. В связи с примене­нием микропроцессорных средств существенно расширяются воз­можности ИИС. Они становятся незаменимой составной частью роботов и др. Автоматизированный контроль и испытания продук­ции производятся в основном с помощью ИИС.

Перед тем как закончить краткий очерк основных областей применения ИИС, нужно отметить, что реализация ИИС, особенно встроенных в конкретную аппаратуру, установку и т. п., может быть не выделена конструктивно и не отражена в названии. Так, испытательный стенд, станция, аппаратура, отдельная часть АСУ каким-либо технологическим процессом и т. п. нередко содержат в своем составе какую-либо разновидность ИИС. Другими слова­ми, на практике часто встречаются используемые, но не выделен­ные особо в явном виде ИИС.

В настоящее время создается и начинает использоваться третье поколение ИИС, в котором, как можно предполагать, более ши­рокое применение получат системные измерительные преобразова­тели (голографические, телевизионные, рентгенографические и т. п.), позволяющие подобно рецепторным полям биологических анализа­торов воспринимать поля исследуемых величин. Рассредоточение вычислительной мощности по различным уровням и блокам ИИС может уменьшить потоки информации, сократить общее время обработки, повысить надежность работы системы. В ИИС будет более широко осуществляться многофункциональная обработка измерительной информации благодаря рациональному сочетанию средств с жесткой структурой (аппаратная реализация) и гибкими перестраиваемыми структурами и программами работы. Будут созданы измерительные, контрольные и другие роботы. В быстро­действующих ИИС, работающих в реальном времени, будут объединены процедуры измерения и обработки информации. Су­щественно расширится применение устройств памяти. Будут ши­роко использоваться выпускаемые промышленностью наборы функциональных устройств, объединяемых стандартными интер-

фейсами. Большое значение приобретут диалоговые режимы ра­боты оператора с ИИС. В элементной базе резко увеличится доля интегральных микросхем большой и сверхбольшой степени инте­грации.

Следует отметить, что появление нового поколения ИИС не перечеркивает существование предыдущего, а берет из него наибо­лее важное и рациональное.