- получение исходной измерительной информации в результате взаимодействия ПИП с объектом измерения;
- преобразование измерительной информации с заданной и гарантированной точностью;
- сопоставление сигналов измерительной информации с размерами общепринятых единиц измерения;
- оценка и представление характеристик остаточной неопределенности значений измеряемых величин.
Измерительные информационные технологии представляют собой часть познавательного процесса при научном исследовании самых различных по своей природе объектов и явлений. Однако наибольшее применение они находят в технологических процессах, предоставляя необходимую количественную информацию для управления процессом. Третьей важнейшей областью применения измерительных информационных технологий является мониторинг окружающей среды и различных сложных объектов (экология, метеорология, контроль среды обитания, выявление и прогнозирование опасных явлений и др.).
Возможность и необходимость решения принципиально новых задач требуют использования соответствующих математических методов. Поэтому теоретической базой информационных измерительных технологий наряду с классической метрологией являются теория вероятностей и случайных функций, математическая статистика, функциональный анализ, в первую очередь теория аппроксимации, вычислительная математика и программирование. Перечисленные математические дисциплины в технических приложениях иногда объединяются термином "теория сигналов". Эта теоретическая база в основном существовала до появления информационных измерительных технологий. Однако для ее применения при решении конкретных измерительных задач было необходимо появление соответствующей технической базы.
Технической базой измерительных информационных технологий являются автоматизированные СИ. Наиболее перспективными и интенсивно развивающимися автоматизированными средствами измерения являются измерительные информационные системы (ИИС), которые отличаются от традиционных средств измерения тремя принципиальными моментами:
- большие объемы измерительной информации, подлежащие сбору, обработке и хранению;
- обусловленная первым моментом необходимость автоматизации процессов сбора и обработки измерительной информации;
- возможность изменения и наращивания решаемых измерительных задач, что придает ИИС существенную гибкость.
Объем собираемой и обрабатываемой измерительной информации в ИИС составляет единицы, десятки и даже сотни килобайтов. Это привело не только к количественному, но и к качественному отличию ИИС от других видов СИ. Например, при исследовании функций, что, как уже отмечалось, все чаще и чаще становится содержанием измерительных задач, весь собранный массив данных (совокупность отсчетов) можно рассматривать как единое целое и в процессе измерения использовать новые алгоритмы обработки, что недоступно для неавтоматизированных СИ.
Возможность хранения больших массивов результатов измерений также дает пользователю принципиально новые возможности. При ручном сборе результатов измерения их регистрация и обработка также могли производиться только вручную. При этом, естественно, нельзя было обработать большие массивы и применить сложные алгоритмы. Ручной ввод результатов в ЭВМ мог преодолеть эти трудности для лабораторных исследований, но явно не подходил для производственных условий. ИИС может хранить сотни и даже тысячи результатов измерений. На этом массиве, если есть основания рассматривать его как единое целое, можно ставить новые задачи более высокого уровня. Ниже это будет проиллюстрировано на примере прогностической технической диагностики.
Гибкость ИИС позволяет существенно уменьшить номенклатуру СИ, используемых для исследований в определенной области. Однако более важно то, что имеется возможность быстрой перестройки имеющейся ИИС для решения новой измерительной задачи, что практически недоступно для других видов СИ.
Появление и развитие ИИС неразрывно связано с появлением и развитием вычислительной техники и практически полностью определялось ее состоянием. На начальном этапе появления ИИС (1950—1960-е годы) существовали как аналоговые, так и цифровые вычислительные устройства, что, в частности, нашло отражение в применявшейся классификации ИИС [45]. Аналоговые ИИС были более распространены, чем цифровые. В последующие десятилетия шло интенсивное развитие цифровых вычислительных устройств, которые в настоящее время практически вытеснили аналоговые устройства, хотя аналоговые и гибридные ЭВМ еще находят некоторое применение [2]. При этом изменялся и уровень используемых в ИИС цифровых вычислительных устройств. В 1950—1960-е годы использовались ламповые триггеры и другие дискретные элементы, а основным элементом памяти был магнитный сердечник с катушками (один сердечник обеспечивал один бит памяти). В 60-е годы на смену лампам пришли транзисторы, а затем микросхемы малой и средней интеграции. В настоящее время используются персональные компьютеры [28, 33] или специализированные микропроцессорные вычислительные устройства [20] на базе больших интегральных схем.
Другим важнейшим техническим компонентом ИИС являются измерительные преобразователи, которые, как и во всех автоматизированных СИ, должны обеспечивать преобразование исследуемой физической величины в электрическую величину. В настоящее время измерительные преобразователи позволяют преобразовать в электрический сигнал любую физическую величину [17, 42]. В предыдущие десятилетия шло интенсивное развитие преобразователей "вширь" за счет увеличения номенклатуры преобразуемых физических величин. В то же время многие типы преобразователей конструктивно практически не менялись. Однако благодаря возможностям вычислительной техники удалось в несколько раз повысить точность измерения с использованием этих преобразователей.
С учетом сказанного о задачах, решаемых ИИС, и о теоретических и технических основах ИИС остановимся на определении понятия "измерительная информационная система".
В действующих в настоящее время нормативных документах даны определения понятия "измерительная система", а ИИС рассматриваются как подвид измерительных систем [34], хотя в принятых ранее нормативных документах [10, 12], которые формально не отменены, ИИС трактовалась как особый вид средств измерений. Однако эти терминологические нюансы не имеют принципиального значения. Приведем два близких по смыслу определения.
Измерительная система — совокупность определенным образом соединенных между собой средств измерений и других технических средств (компонентов измерительной системы), образующих измерительные каналы, реализующая процесс измерения и обеспечивающая автоматическое (автоматизированное) получение результатов измерений (выражаемых с помощью чисел или кодов) физических величин, изменяющихся во времени и пространстве и характеризующих определенные свойства (состояния) объекта измерений [34].
Измерительная система — совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях [27].
Эти определения отражают основные свойства ИИС:
- ИИС является средством измерений;
- ИИС предназначена для автоматического сбора и обработки больших массивов измерительной информации;
- ИИС построена по системному принципу, при котором отдельные компоненты, образующие систему, обладают конструктивной и функциональной автономностью.
Характерной особенностью ИИС является обязательное наличие в их составе вычислительных устройств, используемых для сбора, обработки, отображения и хранения больших массивов измерительной информации, что недоступно для других видов средств измерений.
Обобщая приведенные выше определения, кратко можно определить ИИС как разновидность средств измерений, построенных по системному принципу и предназначенных для автоматизированного сбора, обработки, отображения и хранения больших массивов измерительной информации.
В настоящее время идет существенная миниатюризация всех компонентов измерительной и вычислительной техники, особенно электронных компонентов. Отечественные ИИС 1980-х годов занимали помещения в 20—30 м2. Сейчас вся измерительная и обрабатывающая часть может занимать на столе площадь в 1—2 м2 (без учета базирующего устройства, габариты которого определяются размерами исследуемого объекта). Поэтому все упомянутое оборудование может быть размещено в одном или двух конструктивах с разъемами для датчиков. Аналогичные размеры имеют автоматизированные приборы, содержащие в своем составе вычислительные устройства, алгоритмы функционирования которых могут быть идентичны алгоритмам, реализуемым в ИИС. В связи с этим возникает вопрос о границе между этими двумя видами средств измерений. Согласно приведенным выше определениям, этой границей является системный принцип построения ИИС, при котором различные функционально и конструктивно совместимые компоненты обладают определенной автономностью и могут использоваться в составе различных систем. В связи с миниатюризацией электронных компонентов эта грань может оказаться для пользователей несущественной. Однако для них существенным будет то, что системный принцип построения ИИС обеспечивает ее гибкость по отношению к решаемым задачам. В отличие от автоматизированных измерительных приборов, функции ИИС в процессе эксплуатации могут изменяться и наращиваться как программно, так и аппаратно. Из сказанного можно сделать еще один вывод: несмотря на отнесение автоматизированных приборов и ИИС к разным классам, по сути оба вида являются техническими средствами измерительных информационных технологий и имеют много общего в аппаратной и алгоритмической части.