Некоторые особенности развития САПР измерительных информационно-управляющих систем

Из множества проблем интенсивного количественного и качественного проектирования измерительных информационных, а в последнее время и управляющих систем, формируемых в соответствии с концепцией информационного общества, в мировой практике наиболее широко рассматриваются вопросы создания первичных преобразователей информации, каналов связи, оптимизации структур измерительных информационно-управляющих систем (ИИУС).

При проектировании ИИУС выделяются два класса задач: поиск решения (solving) и принятие решения (decision making) по выбору оптимального варианта.

В мировой практике известны несколько направлений проектирования: выбор оптимального варианта человеком без применения ЭВМ; выбор оптимального варианта ЭВМ; выбор оптимального варианта человеком с использованием рекомендаций от ЭВМ; выбор оптимального варианта в результате диалога человека и ЭВМ с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных систем научных исследований (АСНИ) и информационно-поисковых систем.

В настоящее время основным элементом ИИУС является первичный преобразователь с программируемым устройством и встроенными вспомогательными средствами. Эти первичные преобразователи способны выполнять все функции сбора, обработки и представления информации в реальном масштабе времени. Традиционные первичные преобразователи начинают уступать им место, так как указанные приборы способны осуществлять функции управления экспериментом и объектом без больших и дорогих ЭВМ.

С начала 1980-х гг. локальные информационно-вычислительные сети (ЛИВС) получили широкое распространение среди каналов связи для передачи данных и распределенной обработки информации. В настоящее время ЛИВС служат для связи отдельных ЭВМ, процессоров, микропроцессоров, при создании ИИС, автоматизации объектов и др. Глобальные сети строятся в соответствии с семиуровневой моделью взаимодействия открытых сетей, а локальные – в соответствии со стандартом IEE802.

В последние годы большой интерес вызывают интегральные цифровые сети (ИЦС). Как показывают теоретические исследования, эксперименты и конкретные разработки, ИЦС способны обеспечить наиболее эффективное использование ресурсов (пропускной способности каналов связи и производительности центров коммутации), унифицировать программные и технические средства, существенно расширить перечень режимов доставки, обеспечить гибкость, надежность и высокую экономическую эффективность работы ИИС, особенно при использовании воло- конно-оптических систем, сокращение числа проектировщиков на 25... 50 %, а сроков проектирования – в 2 –4 раза, улучшение технико-экономических показателей на 10...25 %, экономию материалов на 5... 10 %.

При проектировании ИИС и ИИУС предпочтение отдают комплексам с иерархической структурой типа дерева, с иерархической структурой и перекрестными связями, с сетью распределенной обработки информации, с мультиплексным каналом передачи данных.

Так как проектирование сложных ИИУС обычно ведется в условиях неполной информации, в последнее время вместо различных вероятностно-статистических экспертных методов, теории нечетких размытых множеств, различных игр широкое применение получают энтропийные методы. Что касается использования полученной информации в управлении экспериментом, то все шире выдвигаются на инженерный уровень проектирования математическая теория систем и такие понятия, как «управляемость», «стабильность» и «инвариантность».

Основной тенденцией развития ИИУС является совмещение измерительных, информационных, вычислительных и управляющих функций на основе единых технического, математического, программного и информационного обеспечений. Возможность такого совмещения обусловлена возможностями перестройки структуры, заложенными в самой конструкции данного вида средств измерений; многообразием подключаемых ко входу первичных преобразователей (датчиков) измеряемых величин в электрический сигнал и устройств воздействия на объект исследования (регуляторов), управляемых генерируемыми ИИУС, электрическими сигналами; многообразием прикладных программ обработки данных и управления измерительными средствами, ориентированных на конкретные задачи испытаний, исследований или управления и включаемых в состав программного обеспечения системы; простотой модификации системы путем частичной замены или добавления отдельных измерительных или вычислительных компонентов, отвечающих требованиям совместимости и взаимозаменяемости.

Свойства и технические возможности ИИУС, а также трудоемкость их создания в значительной степени определяются свойствами информационно-вычислительного комплекса, номенклатурой и свойствами дополнительных компонентов, которые могут быть включены в состав ИВК при их системном применении. Очевидно, что требуемые свойства обеспечиваются в полной мере при агрегатном построении ИИУС из серийно выпускаемых компонентов (модулей). Программное обеспечение также должно иметь модульную структуру. Возможность реализации агрегатных принципов построения ИВК и ИИС на их основе поддерживается развитием подобных тенденций в области вычислительной техники, с одной стороны, и электроизмерительной техники – с другой.

Судя по всему, наступил этап, когда классы средств информационно-измерительной техники (преобразователи, локальные измерительные системы, ИИС, ИВК, АСНИ и др.) переросли в класс информационно-измерительных и управляющих систем, т.е. интеллектуальных систем.

Наиболее существенные задачи, стоящие перед разработчиками и изготовителями ИИУС, формируются следующим образом. При проектировании первичных и вторичных измерительных преобразователей необходимо всемерное улучшение их метрологических характеристик и увеличение числа физических параметров, преобразуемых в электрический сигнал. При разработке каналообразующих устройств необходимо стремиться к созданию устройств, наиболее компактно формирующих общеканальное сообщение, т. е. имеющих высокий КПД по полосе и мощности, позволяющих осуществлять простой допуск к любому из каналов ИИУС, минимизирующих взаимное влияние каналов друг на друга. Для группы преобразователей, осуществляющих передачу и прием сигналов, необходимо разрабатывать новые виды каналов связи, позволяющих с минимальной погрешностью осуществлять передачу сигналов по зашумленному каналу связи. К наиболее существенным относятся и вопросы разработки устройств синхронизации работы локальных ИИУС. При этом следует помнить, что отличительной особенностью измерительных сообщений является их большая избыточность, что в ряде случаев позволяет значительно увеличить верность передачи измерительных сообщений сравнительно простыми средствами.

При усложнении измерительных систем весьма существенным является эффективное отображение информации, поэтому устройство представления сообщений становится важной частью ИИУС. Общей задачей специалистов, занимающихся разработкой ИИУС, является создание единых теоретических принципов и методов анализа, синтеза и оптимизации как преобразователей ИИУС, так и самих систем, включая каналы связи ЭВМ и другие компоненты.

Сущность задач анализа состоит в том, что необходимо определить, как влияют структура и параметры тех или иных измерительных преобразований, сообщений, помех на характеристики самой ИИУС, а также на качественные характеристики полученной информации, точность и быстродействие управляющих сигналов. Основной при этом является задача оценки метрологических характеристик ИИУС, достаточных для оценки метрологических характеристик получаемой измерительной информации на выходе ИИС и ИИУС в управляющем воздействии.

Сущность задач синтеза состоит в том, чтобы найти такие структуры и параметры операторов преобразований сигналов и помех, которые обеспечивали бы требуемое качество получения и передачи информации, а также управляемость объекта.

Задачей оптимизации ИИУС является нахождение таких операторов преобразования, которые обеспечивали бы экстремум качества передачи информации и управления. В настоящее время задачи анализа, синтеза и оптимизации сводятся по существу к анализу, синтезу и оптимизации структурных схем, измерительных параметров и управляющих воздействий ИИУС.

Основной особенностью работ в области метрологического обеспечения ИИУС являются стремление к обоснованному, хотя и приближенному, подходу к оценке погрешности ИИУС, желание получить для метрологических характеристик оценку «сверху», но не слишком завышенную. Принципиально важными моментами стали подход к погрешности как к процессу и возможность оценки погрешности множества ИИУС, а не только одного экземпляра.

Кроме традиционных целей, преследуемых указанными работами (оценка погрешности измерений; подбор комплекса метрологических характеристик, преобразователей, каналов связи, выделительных мощностей для получения заданной погрешности ИИУС, контроля и проверки), ставятся цели решения задач синтеза измерительных преобразователей (ИП), ИИС и ИВК и частных задач оптимизации систем.

Одним из основных направлений в развитии ИИУС является отказ от иерархической и переход к распределенной структуре.

В качестве тенденций следует отметить появление и развитие логических схем алгоритмов (JTCA) и содержательных логических схем алгоритмов (CJ1CA) на базе операторов и специальных измерительных языков.

Элементную базу ИИУС составляют большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), а также микропроцессорная техника пятого поколения.