автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Метрологический синтез гидроакустического сигнала с требуемыми характеристиками

На правах рукописи

Мамаева Светлана Олеговна

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА С ТРЕБУЕМЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность 05 11 16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003071350

Санкт-Петербург - 2007

003071350

Работа выполнена в Санкт-ПетерЬургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им В И Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Брусакова И А

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Муха Ю П , кандидат технических наук, доцент Антонюк П Е

Ведущая организация — Санкт-Петербургский филиал института океанологии им П П Ширшова РАН

Защита диссертации состоится Ы.А&лЛ• 2007 г в 40.РУч ас ов на

заседании диссертационного совета Д 212238 06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им В И Ульянова (Ленина) по адресу 197376, г Санкт-Петербург, ул Проф Попова, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан « РО 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Юлдашев 3 М

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Среди задач, решаемых научным приборостроением, важное место занимает задача создания методов и средств алгоритмического и программно-аппаратного обеспечения результатов измерения метрологического анализа (МА) и метрологического синтеза (МС) измерительных цепей Разработка алгоритмического и программно-аппаратного обеспечения связана с поиском новых возможностей достижения требуемой точности и достоверности результатов МА

Измерения в гидроакустике сопровождаются мониторингом условий -быстроменяющейся внешней среды В этом случае проведение натурного эксперимента усложняется необходимостью учета динамики изменений взаимосвязанных параметров среды Но, к сожалению, до сих пор нет теоретически обоснованной процедуры проведения МА и МС гидроакустических измерений, которая определяется параметрами самого сигнала и параметрами среды Данная проблема, к примеру, актуальна для измерения скорости течения доплеровскими измерителями, т к подобные приборы отсутствуют на российском рынке

Таким образом, актуальной задачей в настоящее время является задача МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения с требуемыми характеристиками Под требуемыми характеристиками модели гидроакустического сигнала понимаются характеристики входного воздействия (частота и амплитуда синусоидального сигнала), а также взаимосвязанные характеристики среды (температура, соленость и т д) Требуемые характеристики описывают необходимый состав априорных знаний (АЗ)

Априорные знания о модели сигнала в диссертационной работе представляются в виде

АЗмг&АЗмуа,, (1)

где АЗМ, - априорные знания о модели входного сигнала, А3муа, - априорные знания о модели условий измерения (априорные знания о модели среды)

МС модели гидроакустического сигнала измерителя скорости течения осуществляется на основе описания элементарных преобразований сигнала в виде взаимосвязанных блоков Под элементарным преобразованием модели гидроакустического сигнала понимается элемент множества преобразований модели гидроакустического сигнала (затухание, сдвиг частоты и т д) Под блоком в диссертационной работе понимается структурная единица МС модели гидроакустического сигнала измерителя скорости течения, которая реализует элементарное измерительное преобразование Опорный блок - блок, реализующий первичное элементарное преобразование

Критерием качества МС является минимум меры метрологической достоверности (ММД) результатов МА, определяемый как минимум ошибки неадекватности оценок МА

В качестве адекватной модели гидроакустического сигнала измерителя скорости течения в диссертационной работе принята сформированная на основе натурного эксперимента модель гидроакустического сигнала при фиксированных условиях измерения В качестве фиксированных условий измерения рассматриваются средние значения параметров среды в некоторый начальный момент времени Тогда уровень ошибки неадекватности результатов МА определяется как разность между адекватной ММД результатов МА и неадекватной ММД результатов МА, полученной при МС модели гидроакустического сигнала Соответственно, различным уровням ошибки неадекватности модели гидроакустического сигнала измерителя скорости течения можно сопоставить различные составы АЗ для МС модели гидроакустического сигнала

доплеровского измерителя скорости водного потока, из которых выбирается необходимый состав АЗ

В диссертационной работе использовались теоретические и практические результаты работ Бреховских Л М , Цветкова Э И , Мухи Ю П , Брусаковой И А , Ковчина И С

Предметом исследования является алгоритмическое и программное обеспечение МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока

Объектами исследования являются характеристики модели входного гидроакустического сигнала и среды, а также взаимосвязи между ними

Целью работы является исследование и разработка блочного метода МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока на основании формализации правил описания ее параметров, интегрированных по единой технологии программирования

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи

1 Провести анализ существующих подходов к МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока,

2 Разработать процедуру МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока с использованием блочного метода МС модели гидроакустического сигнала,

3 Выбрать из существующих или разработать новую технологию программирования для реализации МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока,

4 Разработать процедуру выбора необходимого состава АЗ для МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока в зависимости от величин уровней ошибки неадекватности,

5 По результатам МА по уровням ошибки неадекватности результатов МА определить необходимый состав АЗ о модели гидроакустического воздействия и АЗ о модели условий измерений МС,

6 Реализовать блочный метод МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока

Методы исследования В работе использовались общая теория вычислительных систем, математическое программирование, имитационное моделирование (ИМ), теоретико-множественный подход к описанию информационного пространства, реляционная алгебра, алгоритмическая теория измерений, общая теория графов, общая теория океанологических измерений Новые научные результаты

1 Блочный метод МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока с требуемыми характеристиками, отличающийся от существующих возможностью описания элементарных преобразований модели гидроакустического сигнала в виде взаимосвязанных блоков, интегрированных по единой технологии программирования

2 Алгоритмическое обеспечение МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока

3 Методика выбора технологии программирования в зависимости от необходимого состава АЗ для МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока

Практическая ценность работы

1 Предложенное алгоритмическое обеспечение позволяет количественно оценить ошибку неадекватности ММД результатов метрологического анализа при

синтезе модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока, а также снизить ошибку неадекватности за счет выбора значений параметров модели сигнала

2 Предложенная модель гидроакустического сигнала может быть использована для дальнейших исследований и экспериментов в гидроакустике при изучении скорости течения

3 На основе блочного метода МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока разработана методика проектирования системы управления базами априорных знаний (СУБАЗ) для МС модели гидроакустического сигнала

Научные положения, выносимые на защиту

1 Блочный метод МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока с требуемыми характеристиками на основании формализации правил описания ее взаимосвязанных параметров, интегрированных по единой технологии программирования

2 Алгоритмическое обеспечение МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока с требуемыми характеристиками

3 Программное обеспечение МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока с требуемыми характеристиками

Внедрение результатов Разработанные в ходе диссертационного исследования метод, а также алгоритмические и программные средства используется в научно-исследовательской работе по теме, указанной в акте об использовании результатов работы в Санкт-Петербургском филиале института океанологии им П П Ширшова Российской Академии Наук

Апробация результатов работы Научные и практические результаты диссертационной работы публиковались в Вестнике Метрологической Академии (Санкт-Петербургское отделение), а также докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях по мягким вычислениям и измерениям (8МС2003, вМС2004, 8МС2005, 8МС2006), на Международной научно-технической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (Санкт-Петербург, 2005), Всероссийской научно-технической конференции «Управление и информационные технологии» (УИТ-2005, УИТ-2006), Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы прикладной

информатики» (Санкт-Петербург, 2006)

Достоверность результатов работы обеспечивается результатами эксперимента на ЭВМ, обоснованным применением теоретических положений, использованных при проведении расчетов и апробациях материалов на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях и кафедральных семинарах

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ, из них - 5 статей (одна статья включена в перечень изданий, рекомендуемых ВАК), 3 депонированных рукописи и 7 работ в трудах международных и всероссийских конференции

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка литературы, включающего 98 наименований, заключения и одного приложения Основная часть работы изложена на 110 страницах машинописного текста Работа содержит 31 рисунок и 9 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, приводится общая характеристика работы, указываются научная новизна и практическая ценность результатов

В первом разделе рассматриваются существующие подходы к синтезу модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока и технологии программирования для синтеза модели гидроакустического сигнала

Известно несколько подходов к синтезу модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока с требуемыми характеристиками Наиболее известными являются два подхода - синтез на основе множества алгоритмов преобразования и структурный метод метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала В диссертационной работе проводится сравнительный анализ этих подходов (табл 1)

Программно-аппаратный МС модели гидроакустического сигнала необходимо сопровождать технологией программирования В диссертационной работе дается сравнительный анализ технологий программирования, применимых для МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения (табл 2)

Анализ существующих подходов и технологий программирования синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения выявил необходимость разработки единого подхода к метрологическому синтезу модели гидроакустического сигнала, заключающийся в возможности перестройки взаимосвязей между параметрами сигнала

Таблица 1 Сравнительный анализ подходов к метрологическому синтезу модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока_

Подходы к метрологическому синтезу и их характеристика

Метрологический синтез на основе множества алгоритмов преобразования Структурный метод метрологического синтеза

1 Возможность проведения МА с определением оценок достоверности 2 Метод гарантирует определение оптимального по принятому критерию алгоритма преобразования гидроакустического сигнала В качестве критерия принимается максимальная достоверность результатов МА 3 Необходимость перебора всех возможных алгоритмов преобразования, что может потребовать недопустимо много временя Основные затраты времени - выполнение МА, т к для каждого алгоритма необходимо определить вид процедуры оценивания 1 Легкость применения компьютерных средств представления информации 2 Нет возможности провести метрологический анализ системы с оценкой достоверности результатов МА 3 Метод гарантирует определение оптимальной структуры Оптимальность структуры определяется принятым уровнем детализации АЗ модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока

Таблица 2 Сравнительный анализ технологий программирования, применимых для МС модели гидроакустического сигнала доплеровских измерителей скорости водного потока

Технология программирования Характеристика технологии программирования

Языки функционального программирования Богатый набор средств построения символьных структур данных предикаты, фреймы, сети и объекты Синтаксис ориентировался на устаревшее представление об архитектуре компьютера

Языки логического программирования Строится логическая модель, которая, как правило, может быть использована для решения не одной, а ряда задач предметной области Модели имеют достаточно сложные конструкции и содержат избыточность данных

Традиционные языки программирования Высокая эффективность, связанная с их близостью к традиционной машинной архитектуре Ориентированны в основном на численные алгоритмы, слабо применимы для работы с символьными и логическими данными

Во втором разделе описаны физические характеристики среды, задающие модель условий измерения при синтезе гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока, представлен блочный метод метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения, приводится методика выбора технологии программирования в зависимости от свойств модели представления априорных знаний (МПАЗ) гидроакустического сигнала.

В работе были проанализированы физические характеристики среды, влияющие на гидроакустический сигнал доплеровского измерителя скорости водного потока Следствием этого влияния является его ослабление и зашумление Физические характеристики среды и их влияние на гидроакустический сигнал были представлены в виде таблицы (табл 3)

Таблица 3 Физические характеристики среды, влияющие на гидроакустический сигнал линейного доплеровского измерителя скорости водного потока_

Физическая характеристика среды Влияние характеристики среды на гидроакустический сигнал

1 Расстояние Ослабление сигнала

2 Неоднородности плотности Ослабление сигнала

3 Наличие случайных неоднородностей Ослабление сигнала

4 Коэффициент отражения Ослабление сигнала

5 Шумы океана Зашумление сигнала

Для решения задачи МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока необходимо спроектировать модель входного гидроакустического сигнала, а также множество преобразований и трансформаций гидроакустического сигнала (откликов среды)

Была определена номенклатура базовых элементарных преобразований блочного метода метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока (табл 4)

Таблица 4 Номенклатура базовых элементарных преобразований блочного метода

метрологического синтеза гидроакустического сигнала

Операции Функции преобразования

Наложение шума fresult=fsignal~*~J"noise fresulcfsiznntfnoise

Затухание сигнала fx=exp(-R)

Сдвиг частоты fresuir~fsiepol~Jd

Блочный метод синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока

1) Получение и формализация A3 о входном воздействии и A3 об условиях измерения

Формализация осуществляется в ходе реляционного проектирования и описывается кортежем A3

АЗу {A3», A3Уро, A3yDEP}, (2)

где АЗур (A3 Properties) - упорядоченная совокупность параметров, описывающих модель гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока, АЗур о (A3 Properties Diapasons) — упорядоченная совокупность диапазонов параметров, входящих в модель гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока, A3уоер (A3 Dependences) - упорядоченная совокупность зависимостей и отношений параметров, входящих в модель гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока

Априори также известно, к какой из процедур преобразования сигнала относится каждый из параметров

2) Формирование блоков из A3 для метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя

2 1) Выбор опорного блока

Под опорным блоком понимается тот, который является первичным преобразованием при МС модели гидроакустического сигнала 2 2) Выделение блоков на основе анализа A3 2 3) Получения графа зависимостей между блоками

Под параметрами блоков понимаются параметры сигнала частота и амплитуда, а также параметры условий измерений, температура, соленость, расстояние и т д

Анализируются функциональные зависимости между параметрами блоков, и формируется граф на основе A3 о зависимостях между блоками Ребра графа будут описываться зависимостями между параметрами блоков, а вершинами графа выступают блоки, описываемые своими входными и выходными параметрами, а также функциями преобразования модели сигнала

3) Формирование структурной схемы на основе построения связей между блоками

Под формированием структурной схемы понимается выбор порядка следования блоков в схеме Критерием качества выступает максимальная достоверность результатов МА Таким образом, задача сводится к нахождению такой структуры, которая обеспечивала бы максимальную достоверность результатов МА Алгоритм нахождения оценок достоверности результатов МА представлен в разделе 3 диссертационной работы

Для формирования структурной схемы используется алгоритм поиска пути минимальной длины по графу, проходящий через все вершины (Гамильтонов путь) В качестве одного из способов известен «жадный алгоритм»

Предложенный метод можно представляется в виде схемы (рис 1)

Рис 1 Структурная схема блочного метода МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения

Рассмотрим пример работы метода для гидроакустического сигнала линейного доплеровского измерителя скорости водного потока Диапазоны изменения параметров среды были взяты из работ, посвященных исследованию доплеровских измерителей скорости течения

1) АЗ модели гидроакустического сигнала, в этом случае, можно определить кортежем

АЗ {fsignaij Asignáis Pnoiseifd, С3„ Т, S, R, V, f¡ismls [75000,3000000], A,,gno,e [ 1,5],

Ге[0,30], Se[2,42], Яе(0,1] УфаЬ/^апГ/^КА^ад,

U^fíe^mjd 'Ms^ab V, С»), С„ =/с(Г,5-,Л), fcfA (3)

где fsiznai - частота зондирующего гидроакустического сигнала, Гц, As:gimi ~ амплитуда зондирующего гидроакустического сигнала, P„0I!S - мощность шума для заданной частоты сигнала, Вт,^-доплеровская частота сдвига, Гц, См- скорость звука в воде, м/с, Г - температура воды, °С, S - соленость воды, е п с (%о), R - расстояние от излучателя до конечной точки, м, V- скорость течения, м/с, ffSlg„aiAsigmb -функциональная (синусоидальная) зависимость сигнала от амплитуды сигнала Asignai, ffexP(R) — функциональная (экспоненциальная) зависимость затухания от расстояния R, f/Áfsignai, V, CJS) - функциональная зависимость сдвига частоты от частоты сигнала fs,gnai, скорости течения К и скорости звука в воде C3e,fí:(T,S,R') - функциональная зависимость скорости звука Си от параметров среды - температуры Т., солености S, расстояния R, fc - функция наложения шума на полезный сигнал (сумматор), f¿ - функция сдвига частоты

Синусоидальный сигнал определяется формулой

ffsignal = A¡lgnaism(x), (4)

Приведем функциональные зависимости между параметрами среды

Из гидроакустики известно, что убывание интенсивности звука происходит благодаря наличию таких явлений как поглощение (переход звуковой энергии в тепловую энергию) и рассеяние (уход звуковой энергии в другие направления) Оба эти явления приводят к одному и тому же эффекту - экспоненциальному убыванию амплитуды звуковой волны по мере ее удаления от излучателя

//ехр = I ^ (5)

Кроме Tóro, из теории гидроакустических измерений известно, что между изменением частоты сигнала и скоростью течения - линейиая зависимость Изменение частоты называется доплеровским сдвигом, который выражается формулой

ff^fSISnaiVIC,e\ (б)

Как известно из теории сигналов, «белый» шум задается спектральной плотностью мощности В качестве параметра, характеризующего зашумление сигнала, в работе выбрана мощность шума для заданной частоты сигнала

Для наложения шума на сигнал будем использовать сумматор^ Сдвиг частоты определяется формулой

fA=fs,gnd-fd (7)

Согласно функциональной зависимости между скоростью звука, температурой, соленостью и расстоянием известно, что скорость звука можно определить по эмпирической формуле (Medwin, 1975)

См=1449,2+4,6Г-0,0557^+0,0002973+(0,01347)(5'-35)+0,016/г (8)

2) Опорным блоком был выбран генератор синусоидального сигнала, а блоки были описаны совокупностью параметров и их диапазонов На основе зависимостей между параметрами был сформирован начальный граф (рис 2)

Рис 2 Граф АЗ модели гидроакустического сигнала и условий измерения доплеровского измерителя скорости водного потока

3) На основе алгоритма были получены возможные пути обхода по графу Для удобства были введены обозначения блок входного воздействия У\-> {/„^„1, Л^™/}, блок затухания сигнала К2->{й}, блок зашумления сигнала Рз->{Р„„„е}, блок сдвига сигнала У$->{/</}, блок учёта влияние температуры, солености и расстояния на скорость звука У5-> {С1в}, блок учета скорости течения К6-> {V}

Возможные пути обхода по графу У]->К2->К3-> У4, У2->Уц-> У3,

У,->У3->У2-> Ул, У,->У3~>Уа-> У2 К|->К4->К2-> У3, У,->У,->У3-> Уг, Следующие пути зафиксированы У;-> У4, Уц~> У4

Рис 3 Граф для определения минимального пути а - возможные пути, Ъ - путь минимальной длины

Для рассматриваемого примера граф будет иметь вид (рис 3, а) Максимальная достоверность результатов МА обеспечивается по следующему пути {Л«™;, Л^а,}->{Щ->{ 1'„„^}->{/¿} (рис 3, Ь) В результате была получена схема для МС модели гидроакустического сигнала (рис 4)

Рис 4 Структурная схема для МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока

Для предложенного метода была решена задача выбора технологии программирования для МС модели гидроакустического сигнала

Под технологией программирования понимается совокупность программных средств, необходимых для адекватного синтеза модели гидроакустического сигнала Критерием качества является максимум достоверности результатов МА АЗ входного воздействия и АЗ условий измерения при формировании модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя представляется в МПАЗ Поэтому при разработке методики выбора технологии программирования были учтены особенности МПАЗ

В работе были сформулированы этапы выбора технологии программирования при синтезе модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока

1 Построение МПАЗ гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока

Для структурирования АЗ модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока используют их представление в виде графической

диаграммы (рис 2) и отображение АЗ на различные типы моделей представления знаний МПАЗ может быть нескольких типов Наиболее известны продукционные модели, семантические сети, сетевые модели, фреймовые модели, логические (алгоритмические) модели, модели на основе нечетких и лингвистических переменных 2 Выявления основных свойств МПАЗ К основным свойствам МПАЗ относятся

1) Количество связей между параметрами сигнала и условий измерения

2) Количество факторов и условий

В работе приводятся рекомендации по выбору технологии программирования в завигимости от свойств МПАЗ гидроакустического сигнала (табл 5)

Табшца 5 Рекомендации по выбору технологии программирования в зависимости от свойств МПАЗ гидроакустического сигнала_

Свойства МПАЗ Значение свойства Технология программирования Значение свойства Технология программирования

Количество связей <25 Функциональное программирование >25

Ко шчество фактов <20 Логическое программирование >20 Объектно- ориентированное программирование

Количество условий <10 Объектно- ориентированное программирование >10 Логическое программирование

3 Анализ существующих технологий программирования

- выявление типов данных, поддерживаемых технологией программирования,

- возможность хранение большого объема данных, если это необходимо,

- способы доступа к данным

В зависимости от задач, для решения которых используется синтезируемая модель сигнала, осуществляется анализ технологии программирования

Выбор технологии программирования основан на выявлении максимального количества свойств технологии программирования, удовлетворяющих требованиям Для лото строится таблица в виде матрицы (табл 6)

Таблица 6 Матрица выбора технологий программирования для синтеза модели гидрэакустического сигнала_

Технология Значение Значение Значение

грограммирования свойства 1 свойства 2 свойства Ь

Технология 1

Технология 2

Технология К

На пересечении матрицы ставятся либо "1", если технология соответствует и "О", если нет Результатом будет являться та технология, соответствующая строка матрицы которой содержит максимальное количество "1"

В третьем разделе проведен метрологический анализ на основе блочного метода синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения, исследованы оценки достоверности результатов МА, а также найдены зависимости уровней ошибки неадекватности результатов МА от парам е* ров модели гидроакустического сигнала и модели условий измерений, установлен необходимый состав АЗ по уровням ошибок неадекватности результатов МА

Целью метрологического анализа является нахождение оценки меры метрологической достоверности, которая определяется по формуле

<5 в[АХЛ = в\А1А- в'[АХА (9)

3 У

где ЩАХ ] - метрологическая характеристика результата МА,

в [АХ1 ] - оценка метрологической характеристики погрешности результата измерения

При проведении МА в качестве ММД результатов МА 86 \АХ} ] могут выступать ММД оценки математического ожидания (МО) — 5Ь/ {АХ'\, ММД оценки среднеквадратического отклонения (СКО) - ё.Т)т'\АХ1 ] и ММД оценки иитервал1Ной вероятности погрешности - 8Р [ЛЯ, ] Ошибки могут быть обусловлены неадекватностью используемых моделей <39на[АЛ, ] и неидеальностью выполняемых преобразований <5в„„[АЛу- ] при МС сигнала (рис 5)

Для нахождения ММД результатов МА проводилось имитационное моделирование Так как имитационное моделирование проводилось вычислительн1>ши средствами, то было принято, что инструментальная составляющая ММД результатов МА равно нулю

5в'

Рис 5 Классификация ММД результатов МА

Для исследования была выбрана методическая составляющая ММД результатов МА, а именно было проведено исследование ММД неадекватности в зависимости от изменения параметров гидроакустического сигнала и параметров условий измерения Класс исследуемых ошибок был представлен в виде поддерева (рис 6)

Рассматривалось зависимость от следующих параметров моделей гидроакустического сигнала и условий измерения

fstgnah Лsignals S, R

где fs,gnai - частота зондирующего гидроакустического сигнала, Гц, A, lgnai - амплитуда зондирующего

Sjt &D,a'

5»М' ¿wD"2'

Рис 6 Ошибки неадекватности, исследованные в работе

г идроакустического сигнала; Т - температура воды, °С; 5 - соленость воды, е.п.с, (%о); Я - расстояние, м.

Каждый параметр задавался в своём интервале.

В качестве адекватной модели гидроакустического сигнала доплеровекого измерителя скорости водного потока в диссертационной работе принята сформированная на основе натурного эксперимента модель гидроакустического сигнала при фиксированных значениях входного гидроакустического сигнала и условий измерения.

Под фиксированными условиями измерения понимаются средние значения параметров входного сигнала и среды, в некоторый начальный момент времени:

/^Р 1500000Гц; А„^агУ, Г=!3,5°С; й=0.5м.

Для адекватной и неадекватной модели в ходе ИМ получают ММД результатов МА. Тогда уровень ошибки неадекватности будет определяться как разность между адекватной ММД результатов МА и неадекватной ММД результатов МА, полученной при МС модели гидроакустического сигнала.

¿тМ :=4дек^ ~ёцЯМ > (Ю)

(П)

где ЗяжуМ - адекватные значения ММД оценки математического ожидания при МА;

ЗшскЛ1'2" - адекватные значения ММД оценки среднеквадратического

отклонения модели при МА.

Для наглядности в работе были представлены зависимости от двух факторов уровней ошибок неадекватности в виде поверхностей (рис, 7)

Уровень ошибки неадекватности

оценки МО в зависимости от амплитуды сигнала и расстояния

Амплитуда

Уровень ошибки неадекватности оценки МО в зависимоти от частоты и амплитуды сигнала

3000000

Амплитуда

(а) (Ь)

Рис, 7 Зависимости уровня ошибок неадекватности оценки МО от параметров составляющих сигнала; а- зависимость уровня ошибки неадекватности оценки МО от частоты в ампжсуды сигкааа; Ь - Аависимссть уровня ошибки неадекватности оценки МО от амплитуды сигнала и расстояния; Р1, Р2, РЗ - уровни ошибки неадекватности

оценки МО.

Для удобства уровень ошибки неадекватности оценок МО и СКО был выражен в процентах (табл. 7).

Таблица 7 Уровни ошибки неадекватности оценки МО при изменении параметров

Диапазон частоты, Гц

[75000, 660000]

[660000, 12450001

[1245000, 1830000]

[1830000, 2415000]

Уровень ошибки неадекватности оценки _МО, %_

1-1 5

1 5-1 7

1 7-2

Уровень ошибки неадекватности оценки _СКО, %_

0 5-0 8

0 8-1

1-1 5

1 5

Диапазон амплитуды сигнала

[1,1 8]

[1 8,2 6]

[2 6,3 4]

[3 4,4 2]

Уровень ошибки неадекватности оценки МО, %

5-7

Уровень ошибки неадекватности оценки СКО, %

3 5-4

45

А 5-6

6-7

Диапазон расстояния, м

[0, 0 2]

[0 2, 0 4]

[0 4, 0 6]

[О 6, 0 8]

Уровень ошибки неадекватности оценки _МО, %_

1-1 5

1 5-2

2-3

3-4

Уровень ошибки неадекватности оценки СКО, %

0 4-0 5

0 5-0 7

0 7-0 8

0 8-1

Диапазон солености,

[2, 10]

[Ю, 18]

[18,26]

[26, 34]

Уровень ошибки неадекватности оценки _МО, %_

8-9

10

105-11

Уровень ошибки неадекватности оценки СКО, %_

0 1-0 6

06

2-3

3-3 2

Диапазон температуры, °С

[-3, 3 6]

[3 6, 10 2]

[10 2, 16 8]

[16 8, 23 4]

Уровень ошибки неадекватности оценки _МО, %

1-1 5

1 5

1 5-3 5

3 5-3

Уровень ошибки неадекватности оценки СКО, %_

0 8-1

1-2 5

2 5-2 7

На основе анализа зависимостей уровней ошибок неадекватности от нескольких параметров можно установить необходимый состав АЗ, который будет обеспечивать заданный уровень ошибки неадекватности оценки МО и СКО при МС модели гидроакустического сигнала линейного доплеровского измерителя скорости течения (табл 8) Из таблицы видно, что максимальная неадекватность модели обусловлена параметром солености

Таблица S. Состав A3 на различных уровнях неадекватности оценки МО.

Уровень ошибки неадекватности Диапазон частоты, Гц Диапазон амплитуды, В Диапазон расстояния, м Диапазон солености, %о Диапазон температуры,

3% [75000; 100000] П;1-2] [0; 0.3] [2; 12]

5% [150000: 500000] [].4;1,6| [0.3; 0.8] [15; 18] [5; 18]

10% [500000, 1500000] [1.8;2] [0.7; 0.9] [20; 38] [20; 22]

8 четвергом разделе описана реализация модели гидроакустического сигнала доплеронекого измерителя скорости водного потока, приводится методика проектирования системы управления базами априорных знаний на основе блочного метода МС модели гидроакустического сигнала доплеронекого измерителя скорости водного потока

Приводятся этапы создания виртуального инструмента в среде LabVÍEW. Описаны программные мода ли, разработанные в среде Lab VIEW 6.!, моделирующие гидроакустический сигнал доцлеровского измерителя скорости водного патока в Зависимости от параметров среды. Модули объединены общим интерфейсом.

Фотография с экрана смоделированного гидроакустического сигнала представлена на рис. 8. На рисунке А — амплитуда сигнала, t - ось времени.

ГА

Рис. 8 Фотография с экрана смоделированного гидроакустического сигнала Доппяеровского измерителя водного потока.

Приводится структурная схема и интерфейс работы модулей с пользователем. Представлено краткое руководство пользователя по работе с модулями.

Представлен подход к проектированию СУБАЗ на основе блочного метода МС мо;,ели гидроакустического сигнала донлеровского измерителя скорости течения Данные СУБАЗ представляются в виде семантической сети. Приведены фрагменты представления данных в СУБАЗ. Представлена структурная схема СУБАЗ, В основе СУБАЗ лежит экспертная система, которая консультирует пользователя в процессе добавления, модификации и извлечения данных из базы априорных знаний. Предлагается три тина запросов к системе. Представлен интерфейс СУБАЗ. Макет системы реализован средствами языков PROLOG, Microsoft SQL, С++, Borland С++ Buîlder.

В заключении Подводятся итоги проведенной работы. Сформулированы теоретические тезисы и результаты практических исследований.

Основные результаты работы

1 Приведен сравнительный анализ подходов к метрологическому синтезу мод,ели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока, который выявил отсутствие программного и алгоритмического обеспечения метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплерова ого измерителя скорости водного потока

2 Проведен анализ физических характеристик среды, влияющих на гидроакустический сигнал при исследовании скорости течения

3 Предложен блочный метод метрологического синтеза модели гидроакустичея ого сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока, обеспечивающий максимальную достоверность результатов MA, полученную на основе имитационного моделирования

4 Проведен метрологический анализ на основе блочного метода метрологичеы ого синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока В рамках MA были исследованы уровни ошибки неадекватности результатов MA на множестве параметров модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока

5 Реализована методика выбора необходимого состава A3 для обеспечения приюп ого критерия качества метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока

6 На основе блочного метода метрологического синтеза модели гидроакустичесього сигнала разработано алгоритмическое и программное обеспечение метрологичесь ого синтеза модели гидроакустического сигнала

7 Разработана методика проектирования системы управления базами априорных знаний на основе блочного метода метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водйЪго потока с использованием принятого критерия качества метрологического синтеза Реализсван макет система средствами языков PROLOG, Microsoft SQL, С++, Borland С++ Builde

Список публикаций по теме диссертации

1 Мамаева, С О Виртуальные инструменты для моделирования акустического сигт ала в среде LabVIEW // Вестник Санкт-Петербургского Отделения Метрологической Академии России -2003-№11 -С 27-31

2 Мамаева, С О Моделирование измерительного канала акустического доплеровсксго профилографа течения /СО Мамаева // Мягкие вычисления и измерения SMC'2003 Сб докл Междунар науч техн конф , г С-Петерб , 25-27 июня, 2003 — СПб Изд-во СПбГЭТУ 2003 —С 11-18

3 Мамаева. С О Методика создания виртуального инструмента для моделирования условий, факторов и процедур исследования акустического сигнала /СО МамаеЕа // Мягкие вычисления и измерения SMC'2004 Сб докл Междунар науч техн конф , г С-Петерб, 17-19 июня, 2004 —СПб Изд-во СПбГЭТУ 2004 -2т-С 37-38

4 Мамаева, С О Модели представления априорных знаний для задач метрологического анализа с использованием языка программирования PROLOG /СО Мамаева // Мягкие вычисления и измерения SMC'2005 Сб докл Междунар науч техн конф , г С-Петерб , 27-29 июня, 2005 — СПб Изд-во СПбГЭТУ 2005 - 2 т - С 22-23

5 Мамаева, С О Разработка моделей представления априорных знаний для решения задач метрологического анализа /СО Мамаева // Системный анализ в проектирова таи

и управлении Сб докл Междунар науч техн конф , г С-Петерб , 30 июня - 8 июля, 2005 —СПб Изд-во СПбГПТУ 2005 -С 310-312

6 Мамаева, С О Построение моделей представления априорных знаний для решения задач метрологического анализа /СО Мамаева // Управление и информационные технологии УИТ-2005 Сб докл Всеросс науч техн конф , г С-Петерб , 30 июня - 2 июля, 2005 —СПб Изд-во СПбГЭТУ 2005 -С 45-49

7 Мамаева, С О Оценка достоверности результатов метрологического анализа виртуальной измерительной цепи /СО Мамаева // Мягкие вычисления и измерения SMC'2006 Сб докл Междунар науч техн конф , г С-Петерб , 27-29 июня, 2065 — СПб Изд-во СПбГЭТУ 2006 - 2 т - С 40-42

8 Мамаева, С О Управление базами знаний интеллектуальных информационно-измерительных систем при моделировании измерительных систем /СО Мамаева // Управление и информационные технологии УИТ-2006 Сб докл Всеросс науч техн конф, г С-Петерб, 10-12 окт, 2005 —СПб Изд-во СПбГЭТУ 2005 -С 159-162

9 Мамаева, С О Разработка системы управления базами знаний для интеллектуальных информационно-измерительных систем с целью повышения достоверности результатов/ С О Мамаева // Безопасность жизнедеятельности Сб статей соискателей ученых степеней и званий -СПб МАНЭБ - 2006 - №11 -С 36-44

10 Мамаева, С О Разработка системы управления базой знаний для интеллектуальных информационно-измерительных систем с целью повышения достоверности результатов метрологического анализа /СО Мамаева // СПб гос электротех ун-т - СПб , 2006 -6с - Библиогр 7 назв - Деп в ВИНИТИ 21 02 2006, № 173 - В2006

11 Мамаева, С О Нахождение достоверности результатов измерений в виртуальной измерительной цепи /СО Мамаева // СПб гос электротех ун-т - СПб , 2006 - 7с -Библиогр 6 назв - Деп в ВИНИТИ 20 04 2006, № 534 - В2006

12 Мамаева, С О Нахождение достоверности результатов измерений в виртуальной измерительной цепи /СО Мамаева // СПб гос электротех ун-т - СПб , 2006 - 7с -Библиогр 6 назв - Деп в ВИНИТИ 17 05 2006, № 668 - В2006

13 Мамаева, С О Методика выбора технологии программирования моделей представления измерительных знаний метрологического анализа /СО Мамаева // Современные проблемы прикладной информатики Сб науч статей— СПб Изд-во СПбГИЭУ-2006 -С 100-102

14 Мамаева, С О Системы управления базами измерительных знаний /С О Мамаева // Системы управления и информационные технологии - 2006 - №4 1 (26) - С 171 -175

15 Мамаева, С О Алгоритм структурирования моделей представления знаний для информационных систем /СО Мамаева // Проектирования информационных систем Сб научных трудов СПбГИЭУ — СПб Изд-во СПбГИЭУ - 2007 -С 232-236

Подписано в печать 17 04 07 Формат 60*84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 33

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С -Петербург, ул Проф Попова, 5

ОБЗОР МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЙ ПРОГРАММИРОВАНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО СИНТЕЗА МОДЕЛИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА.15

1.1 Структурирование A3 сигнала. Понятие метрологического синтеза сигнала.15

1.2 Методы метрологического синтеза, применимые для модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения.19

1.2.1 Метрологический синтез модели гидроакустического сигнала на основе множества возможных алгоритмов преобразований.19

1.2.2 Структурный метод метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала.21

1.2.3 Сравнительный анализ методов метрологического синтеза, применимых для модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения.23

1.3 Обзор технологий программирования, применимых для метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения.24

1.3.1 Языки функционального программирования.25

1.3.2 Языки логического программирования.26

1.3.3 Традиционные языки программирования.29

1.3.4 Сравнительный анализ технологий программирования, применимых для метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения.30

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 1.31

БЛОЧНЫЙ МЕТОД МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО СИНТЕЗА МОДЕЛИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ С ТРЕБУЕМЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ.33

2.1 Объект исследования.33

2.1.1 Скорость течения и методы её исследования.33

2.1.2 Измерение скорости течения.34

2.2 Математические модели входного сигнала и условий измерения гидроакустического сигнала.36

2.2.1 Скорость звука.37

2.2.2 Затухание звука.37

2.2.3 Неоднородности плотности морской воды, влияющие на скорость звука.38

2.2.4 Концентрация пузырьков.39

2.2.5 Рассеяние звука в звукорассеивающем слое.40

2.2.6 Шумы океана.42

2.2.7 Коэффициент отражения.43

2.2.8 Физические характеристики среды, влияющие на условия измерения гидроакустического сигнала.44

2.3 Блочный метод синтеза гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока с требуемыми характеристиками.45

2.3.1 Постановка задачи.45

2.3.2 Алгоритм блочного метода метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения

47

2.4 Методика выбора технологии программирования для синтеза гидроакустического сигнала.59

2.4.1 Понятие технологии программирования.59

2.4.2 Традиционные методы выбора технологий программирования.60

2.4.3 Особенности построения МПАЗ при метрологическом синтезе гидроакустического сигнала.62

2.4.4 Методика выбора технологии программирования.62

2.4.5 Рекомендации по выбору технологии программирования в зависимости от свойств МПАЗ гидроакустического сигнала.67

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 2.70

ОЦЕНКА ДОСТОВЕРНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРИ

МЕТРОЛОГИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ МОДЕЛИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ.72

3.1 Достоверность результатов МА.72

3.2 Экспериментальный и теоретический МА.73

3.3 Нахождение оценок достоверности результатов МА методом имитационного моделирования.74

3.4 Формирование необходимого состава A3 для метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала с требуемыми характеристиками.82

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 3.85

РЕАЛИЗАЦИЯ БЛОЧНОГО МЕТОДА МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО СИНТЕЗА МОДЕЛИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ ВОДНОГО ПОТОКА.86

4.1 Реализация блочного метода метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала средствами графического интерфейса.86

4.1.1 Выбор подхода.86

4.1.2 Выбор инструментального средства.87

4.1.3 Этапы создания виртуального инструмента.88

4.1.4 Моделирование гидроакустического сигнала.89

4.2 Система управления базами априорных знаний (СУБАЗ).93

4.2.1 Структурная схема СУБАЗ.94

4.2.2 Представление знаний в СУБАЗ.100

4.2.3 Алгоритм работы модулей и реализация СУБАЗ программными средствами.102

4.2.4 Результаты работы СУБАЗ.115

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 4.116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.117

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.119

ПРИЛОЖЕНИЯ.130

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ТЕРМИНОВ

A3

БД

БЗ

ГИП

ЗРС

ИИ им

МА

ММД

МПАЗ

МО

МС

MX по ско

СУБАЗ

ЭС

АЗи

A3 м, уел

АЛ].

S9 Щ ] априорные знания; база данных; база знаний; графический интерфейс пользователя; звукорассеивающий слой; искусственный интеллект; имитационное моделирование; метрологический анализ; мера метрологической достоверности; модель представления априорных знаний; математическое ожидание; метрологический синтез; метрологическая характеристика; предметная область; среднеквадратическое отклонение; система управления базами априорных знаний; экспертная система; совокупность A3 о моделях входных воздействий; совокупность A3 о моделях условий проведения эксперимента; полная группа ошибок оценки результатов метрологического анализа; мера метрологической достоверности результатов МА; мера метрологической достоверности оценки математического ожидания;

Ют*[АЛ*] мера метрологической достоверности оценки среднеквадратического отклонения;

SP*[AAj*] мера метрологической достоверности оценки интервальной вероятности ошибки; *

8шв [AXj ] ошибка результатов МА, обусловленная неадекватностью используемых моделей; *

5,шв [AXj ] ошибка результатов МА, обусловленная неидеальностью преобразований.

ВВЕДЕНИЕ

Среди задач, решаемых научным приборостроением, важное место занимает задача создания методов и средств алгоритмического и программно-аппаратного обеспечения результатов измерения метрологического анализа (МА) и метрологического синтеза (МС) измерительных цепей. Разработка алгоритмического и программно-аппаратного обеспечения связана с поиском новых возможностей достижения требуемой точности и достоверности результатов МА.

Измерения в гидроакустике сопровождаются мониторингом условий быстроменяющейся внешней среды. В этом случае проведение натурного эксперимента усложняется необходимостью учёта динамики изменений взаимосвязанных параметров среды. Но, к сожалению, до сих пор нет теоретически обоснованной процедуры проведения МА и МС гидроакустических измерений, которая определяется параметрами самого сигнала и параметрами среды. Данная проблема, к примеру, актуальна для измерения скорости течения доплеровскими измерителями, т.к. подобные приборы отсутствуют на российском рынке.

Таким образом, актуальной задачей в настоящее время является задача МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения с требуемыми характеристиками. Под требуемыми характеристиками модели гидроакустического сигнала понимаются характеристики входного воздействия (частота и амплитуда синусоидального сигнала), а также взаимосвязанные характеристики среды (температура, соленость и т.д.). Требуемые характеристики описывают необходимый состав априорных знаний (A3).

Априорные знания о модели сигнала в диссертационной работе представляются в виде: A3 м ~ АЗд/у&АЗм^сл? где A3му - априорные знания о модели входного сигнала; A3мУсл -априорные знания о модели условий измерения (априорные знания о модели среды).

МС модели гидроакустического сигнала измерителя скорости течения осуществляется на основе описания элементарных преобразований сигнала в виде взаимосвязанных блоков. Под элементарным преобразованием модели гидроакустического сигнала понимается элемент множества преобразований модели гидроакустического сигнала (затухание, сдвиг частоты и т.д.). Под блоком в диссертационной работе понимается структурная единица МС модели гидроакустического сигнала измерителя скорости течения, которая реализует элементарное измерительное преобразование. Опорный блок -блок, реализующий первичное элементарное преобразование.

Критерием качества МС является минимум меры метрологической достоверности (ММД) результатов МА, определяемый как минимум ошибки неадекватности оценок МА.

В качестве адекватной модели гидроакустического сигнала измерителя скорости течения в диссертационной работе принята сформированная на основе натурного эксперимента модель гидроакустического сигнала при фиксированных условиях измерения. В качестве фиксированных условий измерения рассматриваются средние значения параметров среды в некоторый начальный момент времени. Тогда уровень ошибки неадекватности результатов МА определяется как разность между адекватной ММД результатов МА и неадекватной ММД результатов МА, полученной при МС модели гидроакустического сигнала. Соответственно, различным уровням ошибки неадекватности модели гидроакустического сигнала измерителя скорости течения можно сопоставить различные составы A3 для МС модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока, из которых выбирается необходимый состав A3.

В диссертационной работе использовались теоретические и практические результаты работ Бреховских JI. М., Цветкова Э. И., Мухи Ю. П., Брусаковой И. А., Ковчина И. С.

Предметом исследования является алгоритмическое и программное обеспечение метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока.

Объектами исследования являются характеристики модели входного гидроакустического сигнала и среды, а также взаимосвязи между ними.

Целью работы является разработка блочного метода метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока на основании формализации правил описания её параметров, интегрированных по единой технологии программирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Провести анализ существующих методов метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока;

• Разработать процедуру метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала с использованием блочного метода метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока;

• Выбрать из существующих или разработать новую технологию программирования для реализации метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока в зависимости от состава A3;

• Разработать процедуру выбора необходимого состава A3 для метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока в зависимости от величин уровней ошибки неадекватности;

• По результатам МА по уровням ошибки неадекватности результатов метрологического анализа определить необходимый состав A3 о модели гидроакустического воздействия и A3 о модели условий измерений для синтеза модели гидроакустического сигнала с требуемыми метрологическими характеристиками;

• Провести метрологический синтез модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока на основе блочного метода синтеза модели гидроакустического сигнала средствами графического интерфейса.

Методы исследования. В работе использовались общая теория вычислительных систем, математическое программирование, имитационное моделирование (ИМ), теоретико-множественный подход к описанию информационного пространства, реляционная алгебра, алгоритмическая теория измерений, общая теория графов, общая теория океанологических измерений.

Новые научные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработан блочный метод метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока с требуемыми характеристиками, отличающийся от существующих возможностью описания элементарных преобразований модели гидроакустического сигнала в виде взаимосвязанных блоков, интегрированных по единой технологии программирования.

2. Разработано алгоритмическое обеспечение метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока.

3. Предложена методика выбора технологии программирования в зависимости от необходимого состава A3 для метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока.

Практическая ценность работы?

1. Сформирована модель условий измерения гидроакустических сигналов при исследовании скорости течения.

2. Предложенное алгоритмическое обеспечение позволяет количественно оценить ошибку неадекватности меры метрологической достоверности результатов метрологического анализа при синтезе модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока, а также снизить ошибку неадекватности за счет выбора значений параметров модели сигнала.

3. Предложенная модель гидроакустического сигнала может быть использована для дальнейших исследований и экспериментов в гидроакустике при исследовании скорости течения.

4. На основе блочного метода метрологического синтеза доплеровского измерителя скорости водного потока модели гидроакустического сигнала разработана методика проектирования системы управления базами априорных знаний (СУБАЗ) для метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала.

Внедрение результатов

Диссертационная работа является обобщенным результатом, полученным автором в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).

Материалы диссертационной работы используются в учебном курсе «Основы математической метрологии» СПбГЭТУ «ЛЭТИ» для студентов специальности «Информационно-измерительная техника и технологии».

Разработанные в ходе диссертационного исследования метод, а также алгоритмические и программные средства используются в научно-исследовательской работе по теме, указанной в акте об использовании результатов работы в Санкт-Петербургском филиале института Океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:

• международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM2003, Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭТИ», (Санкт-Петербург, 2003 год);

• публикация статьи в Вестнике Метрологической Академии, 2003;

• международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM2004, Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭТИ», (Санкт-Петербург, 2004 год);

• международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM2005, Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭТИ», (Санкт-Петербург, 2005 год);

• международной конференции «Системный анализ в проектировании и управлении», Санкт-Петербургский Государственный Политехнический университет, (Санкт-Петербург, 2005 год);

• всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» УИТ-2005, Санкт-Петербургский Государственный

Электротехнический Университет «ЛЭТИ», (Санкт-Петербург, 2005 год);

• международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM2006, Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭТИ», (Санкт-Петербург, 2006 год);

• всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» УИТ-2006, Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭТИ», (Санкт-Петербург, 2006 год);

• всероссийской научной конференции, Санкт-Петербургский Государственный Инженерно-Экономический Университет, (Санкт-Петербург, 2006 год);

• публикации статьи в сборнике научных трудов 2006 года Санкт-Петербургской Государственной Лесотехнической Академии;

• публикации статьи в сборнике научных трудов 2006 года «Проектирование информационных систем» Санкт-Петербургского Государственного Инженерно-Экономического Университета;

• депонирование статей во Всероссийском институте научной и технической информации (ВИНИТИ), 2006 год;

• публикация статьи в научно-техническом журнале «Системы управления и информационные технологии», 2006 год;

• на семинарах кафедры ИИСТ, 2003-2006 гг.

Достоверность результатов работы обеспечивается результатами эксперимента на ЭВМ, обоснованным применением теоретических положений, использованных при проведении расчетов и апробациях материалов на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях и кафедральных семинарах.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ, из них - 5 статей (одна статья включена в перечень изданий, рекомендуемых ВАК), 3 депонированных рукописи и 7 работ в трудах международных и всероссийских конференции.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, списка литературы, включающего 98 наименований, заключения и приложения. Основная часть работы изложена на 110 страницах машинописного текста. Работа содержит 31 рисунков и 9 таблиц.

Основные выводы и результаты работы:

1. Для решения задачи метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения известно несколько подходов. В диссертационной работе проведён сравнительный анализ существующих подходов к метрологическому синтезу модели гидроакустического сигнала, который выявил отсутствие программного и алгоритмического обеспечения метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения.

2. В работе была исследована скорость течения. Известно, что при изучении скорости течения, необходимо учитывать влияние параметров среды на формирование сигнала при прохождении его сквозь толщу воды. Для этих целей в диссертационной работе были проанализированы физические характеристики среды, влияющих на формирования гидроакустического сигнала в морской воде. Анализ влияния параметров выявил необходимость при метрологическом синтезе учитывать корреляцию параметров среды.

3. Для решения поставленных задач в диссертационной работе был предложен блочный метод метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости водного потока, обеспечивающий максимальную достоверность результатов МА, полученную на основе имитационного моделирования. На основе блочного метода метрологического синтеза:

- Разработано алгоритмическое обеспечение метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения на основе блочного метода.

- Разработано программное обеспечение метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала доплеровского измерителя скорости течения на основе блочного метода.

- Проведен метрологический анализ. В рамках МА были исследованы уровни ошибки неадекватности результатов МА на множестве параметров модели гидроакустического сигнала.

- Разработана методика проектирования системы управления базами априорных знаний с использованием принятого критерия качества метрологического синтеза модели гидроакустического сигнала. Реализован макет система средствами языков PROLOG, Microsoft SQL, С++, Borland С++ Builder, системы DOT.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Адаменко, А.Н. Логическое программирование и Visual PROLOG /А.Н. Адаменко, A.M. Кучуков// СПб.: БХВ-Петербург. 2003.

2. Ананченко, В.Н. Теория измерений/В.Н. Ананченко, Л.А. Гофман// Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ. 2002.

3. Антонюк, Е.М. Сборник задач по метрологии и измерительной технике/Е.М. Антонюк, Е.Г. Бишард и др.//СПб: ГЭТУ. 1997

4. Бархатов, А.Н. Вопросы акустики ограниченных и неоднородных сред /А.Н. Бархотов// Горький: Изд-во ГТУ. 1980.

5. Бойко, В.В. Проектирование баз данных информационных систем /В.В Бойко, В.М. Савинков // М.: Финансы и статистика. 1989

6. Бреховских, Л.М. Акустика в океане/Л.М. Бреховских//М.: Наука. -1992.

7. Бреховских, Л.М. Волны в слоистых средах /Л.М. Бреховских// М.: Наука-1973.

8. Бреховских, Л.М. Теоретические основы акустики океана /Л.М. Бреховских, Ю.П. Лысанов// Л.: Гидрометеоиздат 1982.

9. Бреховских, Л.М. Акустика слоистых сред/ Л.М. Бреховских, О.А. Годин// М.: Наука 1989.

10. Ю.Бреховских, Л. М. Акустика неоднородных сред/ Л.М. Бреховских, О.А. Годин// М.: Наука-2006.

11. Бреховских, Л. М. Введение в механику сплошных сред (в приложении к теории волн) /Л.М. Бреховских, В.В. Гончаров//1. М.: Наука-1982.

12. Брусакова, И.А. Модели представления измерительных знаний в информационно-измерительных технологиях/И.А. Брусакова// Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - 2002.

13. Брусакова, И. А. Концепция применения информационных технологий в измерительной технике /И.А. Брусакова, Э.И. Цветков// Проблемы проектирования измерительных систем: Сб. науч. статей. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - 1996. - Вып. 496 - С. 9-11.

14. Брусакова, И.А. Достоверность результатов метрологического анализа /И.А. Брусакова, Э.И. Цветков// Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - 2001.

15. Брусакова, И.А. Проектирование баз знаний и экспертные системы/И.А. Брусакова, Д.Д. Недосекин и др.// Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ»- 1993.

16. Брусакова, И.А. Достоверность расчетного оценивания и неопределенности основных характеристик погрешностей Виртуальных измерительных цепей/И.А. Брусакова//Измерительная техника: Сб. науч. трудов. № 12 - 2000. - С. 6 - 11.

17. Быков, В.В. Цифровое моделирование в радиотехнике / В.В. Быков// М.: Советское радио. 1970.

18. Гаврилова, Т.А. Базы знаний интеллектуальных систем / Т.А. Гаврилова, В.Ф. Хорошевская// СПб: Питер 2000.

19. Грановский, В.А. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях /В.А. Грановская, Т.Н. Сирая// Л.: Энергоатомиздат. -1990.

20. Данилевич, С.Б. Построение рациональных методик поверки СИ с помощью метода имитационного моделирования /С.Б. Данилевич// Метрология: Сб. науч. статей. 1980. - №5. - С. 10-18

21. Дейт, К. Дж. Введение в базы данных. Модели/К. Дж. Дейт//Киев: Диалектика. -1998.

22. Диго, С.М. Проектирование баз данных /С.М. Диго// М.: Финансы истатистика. -1988.

23. Дубинин, В.Н. Использование методов искусственного интеллекта при проектировании интеллектуальных систем управления внешней и массовой памятью ЭВМ /В.Н. Дубинин, С.А. Зинкин// Вопросы радиоэлектроники: Сб. науч. статей. -1990. Вып. 13.

24. Дубинин, В.Н. Об одном подходе к проектированию аппаратно -программного обеспечения систем искусственного интеллекта

25. В.Н. Дубинин, C.J1. Зверев// Математические и программные методы проектирования информационно управляющих систем: Сб. докладов науч. техн. конференции. - Пенза: Издательство ППИЭИ. 1990. - С. 113-115.

26. Искусственный интеллект. Справочник в 3-х кн. М.: Радио и связь, 1990

27. Использование виртуальных инструментов LabVIEW /Ф. П. Жарков, В.В. Каратаев, В.Ф. Никифаков, B.C. Панов//М.: Солон-Р, Радио и связь, Горячая линия Телеком. - 1999.

28. Карабутов, Н.Н., Системный подход к анализу информации с помощью информационных технологий/Н.Н. Карабутов//Способ доступа URL:http://www.msiu.ru/conference/section2/2 2 conferencel.doc. Загл. с экрана, 2003.

29. Клоксин, У. Программирование на языке Пролог./У. Клоксин, К. Меллиш//М.: Мир. 1987.

30. Ковчин, И.С. Методы специальных океанологических измерений/И. С. Ковчин, И.А. Степанюк// СПб.: РГТМУ. 2002.

31. Ллорьер, Ж.-Л. Системы искусственного интеллекта/Ж.-Л. Ллоерьер// М.: Мир. 1991.

32. Люгер, Дж. Искусственный интеллект: стратегии и методы решения сложных проблем /Дж. Люгер// М.: Вильяме 2003.

33. Максимей, И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ /И.В. Максимей// М.: Радио и связь. 1988.

34. Малпас Дж. Реляционный язык Пролог и его применение: Пер. с англ.- М.Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1990. 464 с.

35. Мамаева С.О. Виртуальные инструменты для моделирования акустического сигнала в среде LabVIEW // Вестн. Метрологич. Академии. СПб.: Изд-во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. - 2003. -№11.-С. 27-31.

36. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ. 2005. 2 т. - С. 22-23.

37. Мамаева, С.О. Нахождение достоверности результатов измерений в виртуальной измерительной цепи / С.О. Мамаева // СПб. гос.электротех. ун-т. СПб., 2006. - 7с. - Библиогр.: 6 назв. - Деп. в ВИНИТИ 20.04.2006, № 534 - В2006.

38. Мамаева, С.О. Нахождение достоверности результатов измерений в виртуальной измерительной цепи / С.О. Мамаева // СПб. гос. электротех. ун-т. СПб., 2006. - 7с. - Библиогр.: 6 назв. - Деп. в ВИНИТИ 17.05.2006, № 668 -В2006.

39. Мамаева, С.О. Методика выбора технологии программирования моделей представления измерительных знаний метрологического анализа / С.О. Мамаева // Современные проблемы прикладной информатики: Сб. науч. статей — СПб.: Изд-во СПбГИЭУ 2006. - С. 100-102.

40. Мамаева, С.О. Системы управления базами измерительных знаний /С.О. Мамаева // Системы управления и информационные технологии -2006-№4.1(26).-С. 171-175.

41. Мамаева, С.О. Алгоритм структурирования моделей представления знаний для информационных систем / С.О. Мамаева // Проектирования информационных систем: Сб. научных трудов СПбГИЭУ — СПб.: Изд-во СПбГИЭУ 2007. - С. 232-236.

42. Модели представления знаний. Способ доступа URL: http://synopsis.kubsu.ru/informatic/master/lecture/themes8 1 4.htm. Загл. с экрана, 2001.

43. Муха, Ю.П. Блочно-функциональное распределение при оптимальном проектировании/Ю.П. Муха// Нижний Новгород. 1999.

44. Недосекин, Д.Д. Информационные технологии интеллектуализации измерительных процессов/Д.Д. Недосекин, С.В. Прокопчина и др.// СПб.: Энергоатамиздат. -1995.

45. Овчинников, Г.М. Имитационные модели сложных информационных технических систем: принципы построения, декомпозиция, синтез

46. Г.М. Овчинников, Ю.Е. Сидоров// Специальная техника средств измерений: Сб. науч. техн. статей. Пенза: ПНИЭИ. - №1. - 1999. -С. 109-116.

47. Основные МПЗ. Способ доступа URL: http://www.ulstu.ru/people/SOSNIN/umkyModern Scientific Problems/belo borodov/pred znan.htm. Загл. с экрана, 2000.

48. Попов, Э.В. Экспертные системы: решение неформальных задач в диалоге с ЭВМ/Э.В. Попов// М.: Наука. 1987.

49. Поспелов, Г.С. Искуственный интеллект основа новой информационной технологии/Г.С. Поспелов//М.: Наука - 1988.

50. Представление и использование знаний /Под редакцией X. Уэно, М. Исидзука// М.: Мир 1989.

51. Проектирование интеллектуальных систем управления массовой памятью на основе функционального подхода/Под ред. Н.П. Вашкевич, В.Н. Дубинин, C.J1. //Пенза: Издательство ППИЭИ. 1986.

52. Романов, В.Н. Интеллектуальные измерительные средства /В.Н. Романов, B.C. Соболев и др.//М.: РИЦ «Татьянин день». 1994.

53. Романов, В.П. Интеллектуальные информационные системы в экономике: учебное пособие для вузов /В.П. Романов//М.: Экзамен. -2003.

54. Саати, T.JI. Принятие решений. Метод анализа иерархий/Т.JI. Саати// М.: Радио и связь 1993.

55. Себеста, Р. Основные концепции языков программирования

56. Р. Себаста// М.: Вильяме- 2001.

57. Соболев, B.C. Актуальные вопросы развития теории интеллектуальных измерительных систем /B.C. Соболев// Приборы и системы управления: Сб. науч. статей. 1989. - № 3. - С. 16-19.

58. Соболев, B.C. Потенциальная точность интеллектуальных измерений/В.С. Соболев//Приборы и системы управления: Сб. науч. статей. 1991. - № 4. - С. 14 - 20.

59. Соболев, B.C. Проблемы метрологического и алгоритмического обеспечения интеллектуальных средств измерений/В.С. Соболев, Э.И. Цветков// //Вопросы проектирования измерительных систем: Сб. науч. статей. JI. Энергоатамиздат. -1988. - С. 64- 72.

60. Соловьев, А. Е. Специальная математика. Конспект лекций. Способ доступа URL: http://asu.pstu.ac.ru/book/solov.doc. Загл. с экрана, 2000.

61. Справочник «Искусственный интеллект»/ Под ред. А.К. Завьялова//М.: Солон-С. -1998.

62. Стахов, А.П. Введение в алгоритмическую теорию измерений/А.П. Стахов// М.: Знание. 1979.

63. Ульман, Дж. Основы систем баз данных/Дж. Ульман// М.: Финансы и статистика. -1983.

64. Факторный, дискриминантный и кластерный анализ// М.: Финансы и статистика -1989.

65. Хаббард, Дж. Автоматизированное проектирование баз данных /Дж. Хаббард// М.: Финансы и статистика. 1998.

66. Хан, Г. Статистические модели в инженерных задачах/Г. Хан, С. Шапиро// М.: Статистика -1980.

67. Хендерсон, П. Функциональное программирование. Применение и реализация./П. Хендерсон//М.: Мир 2004.

68. Цветков, Э.И. Алгоритмические основы измерений /Э.И. Цветков// -СПб.: Энергоатомиздат -1992.

69. Цветков, Э.И. Основы математической метрологии, Том 1/Э.И. Цветков// СПб.: АОЗТ «КопиСервис» 2001.

70. Цветков, Э.И. Оценивание характеристик погрешностей на основе метрологического эксперимента /Э.И. Цветков// Вестник Санкт-Петербургского Отделения Метрологической Академии России. -СПб.: Изд-во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. 2000. - №5. - С. 18- 24.

71. Цветков, Э.И. Метрология и «мягкие измерения» /Э.И. Цветков// Вестник Санкт-Петербургского Отделения Метрологической Академии России. СПб.: Изд-во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. - 1998. - №2. -С. 6-16.

72. Цветков, Э.И. Метрологический анализ на основе имитационного моделирования /Э.И. Цветков// Вестник Санкт-Петербургского Отделения Метрологической Академии России. СПб.: Изд-во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. - 1999. - №3. - С. 11- 17.

73. Цветков, Э.И. Метрологический анализ на расчетной основе

74. Э.И. Цветков// Вестник Санкт-Петербургского Отделения Метрологической Академии России. СПб.: Изд-во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. - 1998. - №. - С. 6- 26.

75. Цветков, Э.И. Основы математической метрологии, Том 2/Э.И. Цветков// СПб.: АОЗТ «КопиСервис» -2007.

76. Цветков, Э.И. Основы математической метрологии/Э.И. Цветков// СПб.: АОЗТ «КопиСервис» -2002.

77. Штойер, Р. Многокритериальная оптимизация. Теория, вычисления и приложения./Р. Шторнер//М.: Радио и связь. 1992.

78. Эндрю, А. Искусственный интеллект/А. Эндрю//М.: Мир 2005.

79. ЭВМ пятого поколения: концепции, проблемы, перспективы/Под редакцией Т. Мото-ока// М.: Финансы и статистика. 1994.

80. Юдин, М.Ф. Основные термины в области метрологии/М.Ф. Юдин, М.Н. Селиванов и др.// М.: Изд-во Стандартов. 1999.

81. Язык ПРОЛОГ в пятом поколении ЭВМ: Сб. статей.//М.: Мир -1998.

82. Язык LISP: Сб. статей. //№: Глобус 2004.

83. Brown, D. Operational Semantics of a Simulator Algorithm fD! Brown// International Institute for Software Technology -2000.

84. Brusakova, I.A. Estimation of metrology reliability for virtual measuring circuits. /I.A. Brusakova // Проблемы современной электротехники: Сб. трудов Междунар. науч. конф. Киев: Изд-во КПИ. - Т.5. - С. 43-47.