Главный редактор — д-р техн. наук, проф. В. Ю. Кнеллер
УДК 681,586:62-529
ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ
Р. Е. Тайманов, К. В. Сапожникова
В статье, представляющей собой вереию доклада авторов на X Международном симпозиуме ТК7 ИМЕКО "Развитие науки об измерениях" (2004 г., Санкт-Петербург), отмечено, что промышленности необходимы датчики неэлектрических величин, отличающихся повы шенной достоверностью вырабатываемой измерител ьной информации, большей метроло гической надежностью и увеличенным сроком службы без обслуживания. Показано, что интеллектуал ьные датчики нового поколения мо гут удовлетворят ь этим требованиям. Рассмотрены основные направления работ по соз данию таких датчиков.
ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ
Измерения Контроль
Автоматизация: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
ВВЕДЕНИЕ
Вопросы, касающиеся формирования требований к новому поколению комп ьютеризованных датчиков и уточнения понятия "искусственный интеллект" применительно к средствам измерений, возникли в связи с необходимостью создания датчиков неэлектрических величин, предназначенных для космонавтики, ядерной энергетики и некоторых других отраслей.
Эти средства должны отличаться многолетними периодами непрерывной эксплуатации, крайне ограниченной возможностью доступа к ним персонала и очень высокими требованиями к достоверности поступающей от них информации.
Они должны обладать повышенной надежностью: работать в меняющихся условиях, при воздействии помех и даже при возникновении единичных внутренних дефектов, не требовать калибровки или поверки на протяжении многолетнего периода эксплуатации.
На сегодня работы по созданию компьютеризованных датчиков чаще всего носят эвристический характер. Терминология не устоялась, нет единой методологии, охватывающей решение комплекса метрологических вопросов, связанных с их разработкой, испытаниями, освоением производ-
ства, организацией контроля качества производства и автоматическим метрологическим обеспечением в процессе эксплуатации.
Ощущается потребность в определении основных научных задач теории измерений, решение которых ускорит прогресс в этой сфере.
В данной статье часть этих проблем будет раскрыта более подробно, а часть изложена сравнительно коротко, поскольку им посвящены другие работы с участием авторов, опубликованные в Трудах указанного симпозиума.
ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ
О необходимости упорядочения терминологии
В англоязычной литературе употребляется ряд терминов для обозначения компьютеризованных датчиков, их компонентов и иных компьютеризованных средств измерений, в том числе, smart sensor, intelligent transducer, intelligent measuring instrument, intelligent sensor, adaptive sensor, self-validating, self-checking sensors, intelligent agent, sensor agent, intelligent sensor agent и др. В русской научно-технической литературе употребляются "кальки" с этих терминов.
Средства измерений, осуществляющие операции, традиционно выполняемые человеком, в частности, установку нуля, выбор необходимого диапазона измерений, внесение поправки на воздействие известного влияющего фактора и т.д., по мнению авторов работ [1, 2], относятся к интеллектуальным.
На взгляд автора доклада [3], их надо именовать адаптивными, а к интеллектуальным относить лишь средства, в которых измерительная процедура автоматически оптимизируется в соответствии с принятым критерием. В качестве критерия предлагается принять погрешность измерений, а оптимизацию осуществлять на основе перебора.
Определение "интеллектуальная" употребляется и применительно к системе управления [4]. Таковой именуется система с несколькими слоями обработки информации (от низшего к высшему): исполнение, работа с базами знаний и формирование решения, самообучение, выдача прогноза, участие в интерактивном диалоге.
Соответственно, средства, названные авторами статей [1, 2] интеллектуальными, согласно работе [4] относятся к средствам с малой степенью интеллектуальности.
Интеллектуальный датчик согласно работе [5] — это программируемое средство измерений, которое отвечает требованиям калибровки, реагирует на запросы о техническом состоянии и достоверности результата и осуществляет оценку неопределенности.
Такой датчик может быть дополнен "интеллектуальным агентом" (имеется в виду программный продукт более высокого уровня, обеспечивающий эффективную связь с окружающей средой и другими средствами).
Согласно работе [6], интеллектуальным является самоаттестуемый датчик, который, кроме измеряемой величины, дает оценку достоверности каждого измерения.
По сути, близкое определение применено в работе [7], где такой датчик именуется самоаттестуемым или самокалибруемым.
Из этих примеров видно, что, с одной стороны, одни и те же термины трактуются по-разному, а с другой — для одних и тех же понятий применяются разные термины.
В Древней Греции говорили: "Прежде, чем спорить, надо договориться о понятиях". Иными словами, для успешного обмена опытом и развития теории интеллектуальных датчиков нового поколения и методов их проектирования необходима разработка международных рекомендаций по терминологии в этой сфере.
Наши предложения для этого документа опираются на идею о связи интеллекта датчика с его сверхзадачей. Ее можно выделить, сопоставляя, подобно С. Лему [8], историю развития живых и технических систем.
В процессе эволюции именно интеллект оказался наиболее мощным фактором, способствовавшим выживанию биологических систем в меняющихся условиях. Рост интеллекта связан как с обеспечением выживания при возрастающей скорости изменения обстановки, так и с потребностью про гнозировать и учитывать грядущие изменения опасного характера.
Но если сверхзадача интеллекта — обеспечить выживаемость биологической системы, то сверхзадача искусственного интеллекта датчика — увеличение его срока службы в метрологически исправном состоянии (межповерочного интервала) [9].
Поскольку интеллект — основная форма познания действительности [10], интеллектуальные датчики должны обладать способностью к восприятию и переработке дополнительной (относительно неинтеллектуальных средств) информации.
Это положение перекликается с работой [6], где как о ближайшей перспективе говорится о создании "агентов датчиков", способных аналогично биосистемам выживать в динамической окружающей среде, обеспечивая автономное поведение на основании воспринимаемой извне информации.
Поэтому в качестве определяющего признака интеллектуального датчика предлагается принять наличие у него избыточности, обеспечивающей восприятие и переработку дополнительной информации и на этой основе — выполнение функций метрологического самоконтроля. Термином "метрологический самоконтроль" предлагается именовать автоматический контроль стабильности метрологических характеристик, определенных при предшествующей поверке. Этот признак, кстати, в полной мере соответствует открытому академиком Н.П. Бехтеревой "детектору ошибок" — мозгового механизма, стабилизирующего деятельность мозга и поведение человека.
Способность к метрологическому самоконтролю позволяет интеллектуальному датчику осуществлять функции самокоррекции и обеспечения живучести (самовосстановления).
Термином "самокоррекция" здесь именуется автоматическое уменьшение погрешности, появившейся в результате старения компонентов датчика и воздействия изменяющихся влияющих факторов.
Термином "живучесть" именуется способность датчика сохранять метрологические характери-
стики в допустимых для потребителя пределах при возникновении единичных дефектов.
Термином "самовосстановление" предлагается называть автоматическую процедуру устранения метрологических последствий возникновения дефекта, т.е. процедуру обеспечения живучести.
Производственный контроль датчиков на стабильность параметров
Применение искусственного интеллекта — необходимое, но не достаточное условие для существенного увеличения межповерочного интервала. Затраты на интеллектуализацию устройств, которые часто выходят из строя, не оправданны. Конструкция должна быть достаточно надежной, а технология изготовления обеспечивать достаточную стабильность параметров в течение этого интервала.
Возникает задача специального производственного контроля качества изготовления датчиков на соответствие этим требованиям [11, 12]. По нашим представлениям, этот контроль должен быть ориентирован на выявление слабых звеньев конструкции и технологического процесса, которые могут привести к метрологической неисправности в процессе эксплуатации, в том числе, через много лет. Контроль должен опираться на результаты изучения процессов деградации датчиков, индивидуальных для каждого типа, а также на специальные форсированные испытания ограниченного числа датчиков и метрологический анализ их результатов.
Отличия таких специальных испытаний от традиционного контроля качества заключаются в следующем:
• цель — контроль отсутствия после испытаний признаков начала процессов, опасных с позиций сохранения метрологической надежности в процессе эксплуатации;
• уровень воздействия влияющих величин — близкий к предельно допустимому при эксплуатации датчиков;
• порог чувствительности контролируемого параметра — несопоставимо меньше уровня допустимой погрешности;
• показатель дефекта технологии или конструкции — выявленный факт заметной скорости изменения погрешности, т.е. уровень производной погрешности по времени или производной по числу воздействий при испытаниях;
• критерий приемлемости конструкции и технологии для последующих испытаний на срок службы датчика — постоянство по грешности и однотипность ее изменения в гипотетически
приемлемых границах для всех датчиков испытанной партии.
Идентифицировать вероятный источник дефекта технологии или конструкции предлагается по характеру изменения погрешности с учетом представлений о деградационных процессах.
Подчеркнем, что специальные форсированные испытания не связаны непосредственно с оценкой срока службы, а предполагают лишь проверку повторяемости (устойчивости) изменения погрешности при внешних воздействиях, выявление
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.