11.8. Аттестация алгоритмов обработки измерительной информации

Важнейшей проблемой МО измерений является систематиза­ция точностных и других свойств средств обработки информа­ции, измерительных процедур, а также алгоритмов и програм­мных средств, влияющих на результаты и погрешности измере­ний. Их целесообразно обозначить понятиями «аттестация алгоритмов» и «метрологическая аттестация программных средств» и отнести к разделам теоретической метрологии, т. е. к теориям методов измерений и их точности. Они касаются общей теории точности измерительных средств, поскольку программные средства, не являясь измерительными средства­ми, представляют собой значительную часть измерительных подсистем компонентов ИИС и АСУТП.

В последнее время с ростом задач, в которых выполняются сложные преобразования измерительной информации и обраба­тываются экспериментальные данные, возросла значимость этапа обработки данных в измерительной процедуре в целом. К ней относятся следующие задачи:

1. прямые измерения с многократными наблюдениями;

2. косвенные измерения, при которых измерения аргументов выполняются с многократными наблюдениями;

3. совместные и совокупные измерения, при которых зависи­мости между ними находят путем решения системы уравнений;

4. измерение одной величины с использованием нескольких разнообразных средств измерений, что дает возможность выявить и частично компенсировать систематические погрешности изме­рительных средств;

5. расчетные задачи, когда результаты наблюдений являются исходными данными, например граничные или начальные усло­вия для системы дифференциальных уравнений.

Это многообразие измерительных задач определяет необходи­мость использования разнообразных алгоритмов для обработки данных.

Как известно, алгоритм — система вычислений (программа вычислений), выполняемая по строго определенным правилам и приводящая к решению поставленной задачи.

Выбор алгоритмов и их параметров является затруднитель­ным, что усложняет задачи обеспечения единства измерений. Поэтому целесообразно вводить количественную оценку (характе­ристику) свойств алгоритмов (точности, надежности и сложно­сти), а также объективно сопоставлять их.

Важнейшей особенностью аттестации алгоритмов является многовариантность критериев качества алгоритмов и моделей ис­ходных данных.

Модель — прообраз какого-либо объекта или системы объек­тов, используемый в определенных условиях в качестве их «за­местителя» или «представителя», выражает идею «имитации» (описания) объекта.

Идеология аттестации основана на выявлении наилучшего алгоритма для заданного критерия качества алгоритма при фик­сированной модели исходных данных. Однако аттестация не выделяет оптимальный алгоритм по всем критериям, для раз­личных критериев или моделей, преимущества имеют разные алгоритмы. Свидетельства об аттестации алгоритмов в любой форме представляют пользователю исходную информацию для их сопоставления и выбора, что избавляет его от самостоятель­ного исследования свойств алгоритмов при их предварительном выборе.

Процедуры аттестации алгоритмов естественны для метроло­гии. Многообразие измерительных задач, использование много­численных сложных алгоритмов обработки данных, повышение требований к точности результатов измерений, а также возмож­ности обработки с применением вычислительной техники приве­ли к необходимости определить аттестацию алгоритмов обработ­ки данных как самостоятельную метрологическую задачу.

Аттестация алгоритмов, как одно из направлений теоретиче­ской метрологии, опирается на методы и результаты, накопленные в смежных областях математических и технических дисциплин. В современном анализе широко используются статистические алго­ритмы обработки данных. При определении методических аспек­тов аттестации алгоритмов используются также общие положения теории алгоритмов и теоретического программирования относи­тельно структуры вычислительных алгоритмов и взаимосвязей ме­жду алгоритмами и реализующими их программами. В целом атте­стацию алгоритмов осуществляют как общеметрологическую зада­чу с учетом опыта разработки и исследования алгоритмов в различных научных областях, а также опыта метрологической ат­тестации различных объектов (средств измерений, методик выпол­нения измерений и т. д.).

На практике выделяют несколько подходов к аттестации алго­ритмов в зависимости от целей и МО процесса обработки ин­формации. Прежде всего это общая аттестация алгоритмов, кото­рая является достаточно полным исследованием свойств точно­сти, устойчивости и сложности алгоритмов. Ее результаты имеют в основном справочный характер и используются при выборе ал­горитма для решения конкретной задачи. Метрологическая атте­стация алгоритмов носит более конкретный характер и осуществ­ляется в основном по определенной методике выполнения изме­рений или определенной измерительной системе. Она должна быть регламентирована нормативно-техническими документами, а ее результаты должны иметь ярко выраженный законодатель­ный характер.

Большинство алгоритмов применяется при автоматической обработке информации с помощью ЭВМ. Поэтому, наряду с ат­тестацией исходного алгоритма обработки, нужно проводить ат­тестацию программы, его реализующей. При этом переход от ал­горитма к программе приводит к появлению дополнительных по­грешностей, обусловленных свойствами конкретной программы. Методическая составляющая погрешности при аттестации алго­ритмов и инструментальные составляющие при переходе к про­граммам зависят от характера реализации алгоритма, состава и свойств ЭВМ. Дополнительные погрешности можно оценить ана­литическими методами, а также специальной программой, рабо­тающей параллельно с основной программой вычисления резуль­тата измерения по тем же исходным данным.