Информационно-измерительные подходы для оценки качества технических средств хронометрии


                НАУЧНАЯ МЫСЛЬ




СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ



В.^ Я0ОН



ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ХРОНОМЕТРИИ

МОНОГРАФИЯ




znanium.com электронно-библиотечная система
Москва
ИНФРА-М
2024

УДК 681.51(075.4)
ББК 32.965
     Я96

       Автор:
         Яшин Владимир Николаевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры информационных технологий Самарского государственного технического университета
       Рецензенты:
         Семенычев В.К., доктор технических наук, доктор экономических наук, профессор кафедры высшей математики и экономико-математических методов, руководитель математического департамента Самарского государственного экономического университета;
         Карташевский В.Г., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой мультисервисных сетей и информационной безопасности Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики



       Яшин В.Н.
Я96 Информационно-измерительные подходы для оценки качества технических средств хронометрии : монография / В.Н. Яшин. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 120 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/monography_594137dcb67d55.31034463.
         ISBN 978-5-16-013022-4 (print)
         ISBN 978-5-16-105783-4 (online)
         В монографии рассмотрены информационно-измерительные подходы для оценки качества технических средств хронометрии. Сущность данных подходов состоит в рассмотрении протекающих физических процессов для оценки их качества с позиций теории информации. В монографии обобщены результаты научных исследований, связанных с применением информационно-измерительной техники и средств информационных технологий для оценки качества технических средств хронометрии.
         Монография адресуется специалистам в области хронометрии, информационно-измерительной техники и информационных технологий, а также всем, кто интересуется этими вопросами.

УДК 681.51(075.4)
ББК 32.965








ISBN 978-5-16-013022-4 (print)
ISBN 978-5-16-105783-4 (online)

© Яшин В.Н., 2017

        ПРЕДИСЛОВИЕ

   Современные информационно-измерительные подходы для оценки качества различных объектов и тесно с ними связанные средства информационных технологий широко применяются в различных областях науки и техники. Это обусловлено тем, что применяемые методы и средства информационно-измерительной техники и построенные на их основе информационно-измерительные системы значительно повышают точность измерений и достоверность контроля различных физических величин, а информационные технологии вносят вклад в существенное повышение их производительности за счет автоматизации самих процессов измерения и контроля. Сказанное в полной мере относится и к оценке качества технических средств хронометрии (ТСХ), поскольку одними из основных характеристик их качества являются метрологические характеристики, определяющие точность измерения интервалов времени. Особенность ТСХ состоит в том, что, являясь средствами измерения интервалов времени, они сами выступают в качестве объектов измерения. При этом измерению подвергаются их метрологические характеристики.
   Общие подходы к оценке качества ТСХ освещены в отечественной и зарубежной литературе по хронометрии и достаточно хорошо разработаны, что нельзя сказать о подходах, связанных с применением информационно-измерительной техники и средств информационных технологий. Сущность информационно-измерительных подходов состоит в рассмотрении протекающих физических процессов с позиций теории информации, т.е. их представления в виде информационных процессов с широким использованием средств измерительной техники для оценки параметров этих процессов. При этом, под информационным процессом понимается последовательность действий, выполняемых с информацией: отбор, преобразование, передача, обработка, хранение и поиск информации, а также принятие соответствующего решения.
   Предлагаемая монография позволит частично восполнить этот пробел и познакомить читателей с особенностями применения информационно-измерительной техники и средств информационных технологий для оценки качества ТСХ.
   Настоящая монография состоит из предисловия, пяти глав, заключения, библиографического списка.
   Первая глава посвящена становлению и развитию научного направления, связанного с информационно-измерительными подходами для оценки качества ТСХ в России, где рассмотрены основные составляющие этого направления и авторы, внесшие значительный вклад в его развитие и становление.

3

   Первая глава посвящена также анализу публикационной активности по данному научному направлению за период с 1980 по 2016 годы.
   Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с количественной оценкой качества технических средств хронометрии. Даются общие подходы к оценке качества ТСХ и рассматривается возможность применения информационных технологий для оценки их качества.
   В третьей главе, посвященной метрологическим характеристикам Т СХ, рассматриваются возможности применения средств информационно-измерительной техники и информационных технологий для анализа математических моделей, отражающих процессы эволюции погрешностей ТСХ во времени. В этой же главе приведен разработанный автором данной монографии алгоритм нормирования метрологических характеристик ТСХ.
   Четвертая глава посвящена освещению вопросов, связанных с измерением и контролем Т СХ. Показаны основные информационные подходы при измерении и контроле метрологических характеристик ТСХ, роль автоматизации процессов для анализа метрологической надежности ТСХ, исследованы вопросы пропускной способности канала измерения и контроля Т СХ, а также обоснован выбор интервального шага измерения при испытаниях Т СХ.
   В пятой главе рассмотрены компоненты информационно-измерительных систем для контроля и измерения ТСХ. В частности, рассмотрены блоки: блок формирования временных интервалов функционирования технических средств хронометрии; блок измерения амплитуды колебаний осциллятора хронометрической системы, а также блок отображения диаграммы функционирования ТСХ.
   В заключении и библиографическом списке к монографии приводятся основные выводы и список соответствующей литературы.
   Таким образом, основной целью данной монографии является вклад в дальнейшее развитие научного направления, связанного с информационно-измерительными подходами при оценке качества ТСХ, а также восполнение пробела, связанного с особенностями применения информационно-измерительной техники и средств информационных технологий для оценки качества ТСХ.

Глава 1
СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ НАУЧНОГО НАПРАВЛЕНИЯ «ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ХРОНОМЕТРИИ» В РОССИИ

1.1. Особенности становления и развития научного направления «Информационно-измерительные подходы для оценки качества технических средств хронометрии» в России

   Любое научное направление, интегрируя в себе многие составляющие научного познания, включающие методы и средства исследований, научные статьи и монографии, объединенные общностью объектов исследований, принадлежность к научной школе ит.д., характеризуется своим становлением, динамикой развития и его завершением. Этот процесс, c известной долей допущения, можно рассматривать как жизненный цикл любого научного направления.
   Рассмотрим становление и развитие научного направления, связанного с информационно-измерительными подходами для оценки качества ТСХ в контексте существующих направлений в области хронометрии.
   Понятие хронометрия (слово хронометрия образовано от двух греческих слов: /povoc - время, ход и цетрего - измерять) определяется как область науки и техники, охватывающей теорию, методы и технические средства получения, отбора, преобразования, обработки, хранения, отображения и передачи на расстояние хронометрической информации. В свою очередь, под хронометрической информацией понимается измерительная информация, получаемая в результате измерения интервалов времени.
   Среди научных направлений, связанных с хронометрией, существенную роль играло и играет научное направление, определяемое как общая теория хронометрических систем и ее приложение к системам массового назначения. Становление этого направления в России относится к 60-70 годам прошлого века и связано с появлением и развитием общей теории систем и системного подхода. Применение системного подхода как мощного методологического средства, позволяющего не только исследовать совместное целенаправленное функционирование групп объектов, но и вскрыть с позиций этого исследования их новые существенные свойства, дало возможность изучения таких сложных объектов, как хронометрические системы. Исследования в этом научном направлении были начаты в начале 60-х годов прошлого века в Научно-исследовательском институте часовой промышленности министерства приборостроения СССР (НИИЧаспром, г. Москва), а также на некоторых крупных предприятиях министерства приборостроения СССР. В рамках этого информационного пространства в 1964 г. были сформулированы основы системного подхода к анализу хронометрических систем, а в 1968 г. в первом издании мо

5

нографии [1] были изложены результаты такого анализа применительно к одной из наиболее распространенных разновидностей хронометрических систем - электрочасовым системам. Научное направление «Общая теория хронометрических систем и ее приложение к системам массового назначения» развивалось в основном в НИИЧаспроме. Это направление было отражено в работах В.А. Шполянского, Б. Л. Рудакова, Э.Х. Чичева, Б.А. Домнина, Н.И. Пацина, Б.М. Чернягина и ряда других ученых. Важно здесь отметить и достижения отечественных ученых: В.Г. Ильина, Г.Н. Палия, Е.В. Артемьевой в области сличения высокоточных часов и их синхронизации [2], успехи в разработке методов и технических средств для высокопрецизионных частотных и временных измерений, обобщенные в монографии В.А. Благова, А.С. Домбровского, А.А. Ульянова и др. [3]. Кроме того, необходимо отметить также большое число разнообразных исследований в этой области, проведенных за рубежом, результаты которых отображены в работе [4].
   Одним из направлений дальнейшего развития общей теории хронометрических систем и ее приложения к системам массового назначения было формирование научного направления, связанного с надежностью и контролем качества ТСХ. Анализ надежности и контроль качества ТСХ, представляющих собой технические средства получения, отображения, переработки или передачи на расстояние хронометрической информации, был и остается важнейшей задачей в области хронометрии. Актуальность этого направления очевидна, поскольку низкая надежность и отсутствие современных методов измерения и контроля качества ТСХ приводит к неработоспособности различных по своей природе систем, в состав которых ТСХ могут входить в качестве подсистем.
   Перечислим ряд наиболее важных задач, которые решались в рамках данного научного направления:
   -     надежность времяизмерительной техники и критерии ее количественной оценки (Шполянский В.А., Кунаев И.П. и др);
   -     технические средства испытаний и оперативная оценка наручных часов при ускоренном выборочном контроле (Пацин Н.И., Чернягин Б.М.);
   -     экспериментальная оценка надежности наручных часов массового производства с применением ЭВМ (Чеканов А.Н., Лысый В.А.);
   -    метрологическая надежность приборов времени (Шполянский В.А.);
   -     обоснование минимально необходимого набора показателей точности часов (Шполянский В. А.);
   -     анализ процессов накопления погрешности в часах (Шполянский В. А.);
   -     машинный анализ диаграмм хода часов (Вашкевич Н.П., Домнин Л.Н. и др.);
   -     основы квалиметрии времяизмерительной техники (Шполянский В.А., Артамонов Г.А. и др.);
   -     классификация показателей качества наручных часов (Райхман Э.П., Чернягин Б.М.);
   -     помехоустойчивость и надежность часов при сильных помехах (Шполянский В.А., Меркулов В.П.);

6

   -     организация контроля на базе ЭЦВМ (Вашкевич Н.П., Домнин Л.Н., Чернягин Б.М.);
   -     динамика качества ТСХ как основной фактор их надежности (Шпо-лянский В. А.);
   -     использование измерений мгновенного хода для оценки точностных характеристик часов (Пассинский А.М., Чернягим Б.М.);
   -     автоматизация контроля наручных механических часов массового производства (Вашкевич Н.П., Домнин Л.Н., Шашков Б.Д.);
   -    распределение хода часов (Розенберг А. Л.);
   -     методы нормирования метрологических характеристик часов (Барла-дян Б.Х., Домнин Б.А., Шполянский В.А.) и т.д.
   Решение этих задач позволило сформировать теоретические, практические и методологические подходы к описанию и определению основных показателей надежности и контроля качества ТСХ.
   В 80-х годах прошлого века в рамках данного направления сформировалась составляющая этого направления, связанная с информационно-измерительными подходами для оценки качества ТСХ, где с целью повышения эффективности решения перечисленных выше задач стали широко применяться информационно-измерительные, информационные и коммуникационные технологии. Применение данных технологий было обусловлено широким внедрением средств компьютерной техники (микропроцессоров, персональных компьютеров и т.д.) и началом интенсивного развития в России информационных и телекоммуникационных технологий.
   Реализацией перечисленных выше технологий стала разработка информационно-измерительных систем для контроля качества ТСХ, которые, начиная с 1983 г., стали разрабатываться в Куйбышевском политехническом институте им В.В. Куйбышева, а затем в Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) под руководством заведующего кафедрой «Информационно-измерительная техника» д.т.н., профессора Куликовского К. Л. Данное направление активно поддержали преподаватели и научные сотрудники кафедры «Информационно-измерительная техника» Миронов В.П., Рожанский Э.Л., Страдымов А.П., Яшин В.Н. и др.
   Среди задач, которые решались в рамках данного направления и нашли отражение в соответствующих работах авторских коллективов, можно выделить следующие:
   -     разработка автоматизированного многоканального комплекса для контроля качества часовых механизмов [5];
   -     разработка автоматизированной системы для оценки метрологической надежности часовых механизмов [6];
   -    разработка устройства для контроля хода балансовых часов [7];
   -     разработка устройства для отображения диаграммы хода балансовых часов [8];
   -     разработка устройства для формирования временных интервалов хода балансовых часов [9];

7

   -     разработка устройства для измерения амплитуды колебаний баланса механических часов [10];
   -     применение фотоэлектрического метода для исследования изохронности балансового осциллятора часовых механизмов [11];
   -     повышение помехозащищенности канала измерения мгновенного суточного хода информационно-измерительной системы (ИИС) контроля качества часовых механизмов [12];
   -     разработка устройства для измерения амплитуды колебаний баланса механических часов [13];
   -     разработка ИИС для контроля метрологических характеристик часовых механизмов [14];
   -     особенности построения ИИС для контроля метрологических характеристик часовых механизмов [15];
   -     синтез алгоритмов и структур ИИС для контроля качества часовых механизмов [16];
   -     применение кусочно-полиномиальной аппроксимации при построении функциональных преобразователей информации [17];
   -     применение метода имитационного моделирования для определения среднеквадратических значений сигналов сложной формы [18];
   -     моделирование сигналов сложной формы при решении задач обработки аналого-дискретных сигналов [19];
   -     разработка преобразователей электрических параметров для систем измерения и контроля [20];
   -     анализ погрешности определения среднеквадратического значения сложных сигналов [21];
   -     разработка адаптивного алгоритма сжатия измерительной информации механических хронометрических систем [22];
   -     разработка адаптивного алгоритма сжатия измерительной информации хронометрических систем [23];
   -     повышение пропускной способности канала измерения информационных характеристик хронометрических систем [24];
   -     выбор и обоснование интервального шага измерения при испытаниях ТСХ [25];
   -    количественная оценка качества ТСХ [26];
   -     автоматизация процесса построения и анализа характеристик метрологической надежности средств измерений на основе применения информационных технологий [27];
   -     алгоритмизация процесса нормирования метрологических характеристик ТСХ [28];
   -     информационный подход к оценке качества ТСХ в информационноизмерительных системах [29];
   -     применение информационных технологий для анализа математических моделей процессов эволюции погрешностей в ТСХ [30];
   -     вопросы формирования однородных выборок информационных характеристик хронометрических систем с использованием компьютерных технологий [31] и т.д.

8

   Результаты решения перечисленных выше теоретических и практических задач нашли реальное воплощение на предприятиях часовой промышленности России. Анализ перечисленных задач позволяет сделать вывод о расширении сферы решаемых задач в области Т СХ и повышения их теоретической составляющей.
   В настоящее время направление, связанное с информационно-измерительными подходами для оценки качества ТСХ, поддерживает кафедра «Информационные технологии» (заведующий кафедрой д.т.н., профессор Батищев В.И.) СамГТУ в лице одного из руководителей этого научного направления доцента кафедры к.т.н., доцента Яшина В.Н.


1.2. Анализ публикационной активности по научному направлению за период с 1980 по 2016 годы

   Проведем количественный анализ публикационной активности по исследуемому научному направлению за период с 1980 по 2016 годы. Для проведения такого анализа разобьем весь временной интервал на временные отрезки длительностью равной пяти годам и подсчитаем количество публикаций, попадающих в эти временные отрезки. Диаграмма количества публикаций по годам представлена на рис. 1.1.


Рис. 1.1. Распределение количества публикаций научного направления по годам

9

   Диаграмма показывает, что научное направление, связанное с информационно-измерительными подходами для оценки качества ТСХ, имеет ряд характерных временных периодов.
   Первый период (1980-1990 годы) характеризуется подъемом количества публикаций, максимальное значение 18,8%, и относительно высокой востребованностью этого научного направления часовой промышленностью СССР.
   Второй период (1991-1995 годы) - спад количества публикаций до 6,3%, как следствие распада СССР, характеризуется низкой востребованностью научного направления часовой промышленностью России.
   Третий период (1996-2010 годы) - первоначальный рост, а затем относительная стабилизация количества публикаций за период 1996-2005 годы, максимальное значение до 12,5% (в каждом временном отрезке), затем в интервале 2006-2010 годы спад до 9,4%. Этот период относительной невысокой востребованности данного научного направления.
   Четвертый период (2011-2013 годы) - наблюдается рост количества публикаций до 15,6% и повышение востребованности этого научного направления часовой промышленностью России.
   Пятый период (2014-2016 годы) - наблюдается спад публикационной деятельности до 9,4%, который является следствием экономического кризиса в России.
   Таким образом, учитывая актуальность тематики исследования, соответствующей научному направлению «Информационно-измерительные подходы для оценки качества технических средств хронометрии», включенному в перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утвержденному Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. № 899, можно говорить о наличии определенных научных перспектив у данного научного направления.
   На основании проведенного анализа можно предположить, что дальнейшие исследования по данному направлению с учетом его практической направленности будут способствовать повышению оценки качества ТСХ и как следствие этого - повышения качества самих ТСХ.