Автоматизация эксперимента. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Автоматизация эксперимента - комплекс средств и методов для ускорения сбора и обработки эксперим. данных, интенсификации использования эксперим. установок, повышения эффективности работы исследователей. Характерной особенностью А. э. является использование ЭВМ, что позволяет собирать, хранить и обрабатывать большое кол-во информации, управлять экспериментом в процессе его проведения, обслуживать одновременно неск. установок и т. д. Первые попытки А. э. возникли в 1950-е гг. в исследованиях, связанных с ядерной физикой. В последующие годы А. э. нашла применение в др. областях физики и естествознания вообще: в физике элементарных частиц, термоядерных, космич. и медико-биол. исследованиях, в геофизике, радиоастрономии и т. п. Используемые при этом автоматизир. системы (АС) эксперим. исследований отличаются большим разнообразием, однако можно выделить общие принципы, обеспечивающие их эффективность.

1. Повышенные требования к быстродействию АС, поскольку такие системы предназначены для быстрого получения и анализа данных и быстрого принятия решений.

2. Высокая надёжность АС, возможность длительной безотказной работы, что связано с увеличением стоимости совр. эксперим. установок.

3. Простота эксплуатации АС и использование готовых унифициров. блоков.

4. Необходимость предварительного планирования исследований и разработка возможных вариантов.

5. Гибкость АС, допускающая изменение её структуры и состава в процессе работы.

6. Возможность коллективного обслуживания разл. установок.

7. В АС должен быть предусмотрен диалоговый режим работы, когда осуществляется непосредств. связь человека с системой с помощью спец. языка.

8. В АС необходима простая и быстрая система контроля. Для контроля системы в целом обычно вводят нек-рый синте-тич. критерий, характеризующий работу системы в среднем. Таким критерием может быть результат измерения известной величины: если полученные значения находятся в допустимых пределах, то состояние системы считается удовлетворительным.

ЭВМ в АС работают в режиме "реального масштаба времени", или "в линию". При этом ЭВМ, получая от системы данные, обрабатывает их и выдаёт результаты настолько быстро, что их можно использовать для воздействия на систему (или объект исследования). В эксперим. исследованиях чаще применяют смешанный режим. Часть данных обрабатывают в реальном времени и используют для контроля и управления, а осн. массив данных с помощью ЭВМ записывают на долговременный носитель (чаще на магн. ленты) и обрабатывают после окончания сбора данных. Целесообразность такого режима обусловлена скорее эко-номич. причинами, ибо невыгодно применять быстродействующее дорогое оборудование, к-рое успевало бы в реальном времени обрабатывать полный массив данных. Это связано с тем, что полностью автоматизир. обработка данных может производиться только в рутинных исследованиях по уточнению нек-рых констант, когда вся процедура обработки, все поправки уже известны.

При выполнении новых исследований трудно предусмотреть все тонкости измерений. В ходе исследования могут появиться неожиданные результаты, к-рые необходимо уточнить или подтвердить. Для решения этой задачи с помощью АС приходится проводить предварит. обработку данных в возможно более короткие сроки (лучше в реальном времени), пусть даже по приближённым ф-лам, с худшей, чем окончат. обработка, точностью. Подобное оперативное изменение условий эксперимента на основании экспресс-обработки данных получило назв. управление экспериментом, что не совсем точно, поскольку происходит лишь изменение условий измерений на основании анализа полученных данных.

Матем. (программное) обеспечение АС разрабатывают на основе матем. методов анализа данных. Матем. обеспечение на алгоритмич. уровне практически не связано с конкретным типом ЭВМ, а определяется особенностями исследования. Важно разработать такое матем. обеспечение, к-рое, с одной стороны, было бы адекватно выполняемым исследованиям, а с другой - не было бы слишком сложным. При создании нового программного обеспечения следует учитывать, что наиб. эффективным является такое распределение труда, при к-ром программисты разрабатывают общие программы, имеющие чёткое матем. обоснование и не слишком связанные с особенностями конкретного исследования. Спец. программы должны разрабатывать исследователи, ибо они лучше всего знают особенности исследования, к-рые к тому же заранее обычно нельзя строго формализовать.

Машинным (вычислительным) экспериментом наз. расчёт матем. модели явления, построенной на основе науч. гипотезы. Если в основу модели положена строгая теория, то машинный эксперимент оказывается просто расчётом. В тех же случаях, когда система становится настолько сложной, что невозможно учесть все связи, приходится создавать упрощённые модели системы и проводить машинный эксперимент. Он в любом случае не может служить доказательством истинности модели, поскольку в его основу положена гипотеза, к-рую можно проверить только при сопоставлении результатов моделирования с экспериментами на реальном объекте. Однако роль машинного эксперимента иногда очень важна, ибо в результате можно отбросить заведомо ложные варианты либо сравнить по тем или иным критериям разл. варианты подлежащих исследованию процессов.

Структура автоматизированной системы. Данные об исследуемом объекте от спец. датчиков измеряемых величин поступают в виде электрич. сигналов на измерит. аппаратуру, к-рая состоит из след. компонентов: защищённых от помех линий передачи, усилителей, преобразователей аналоговой информации в цифровую и т. д., образующих канал измерения. Передача цифровой информации к ЭВМ происходит через т. н. интерфейс - сопрягающее устройство для соединения разл. блоков АС с ЭВМ. Данные в ЭВМ поступают через канал обмена. Обработка данных производится в центр. процессоре, в к-ром имеется устройство, где временно хранятся данные и программы,- т. н. оперативное з а-поминающее устройство. Если скорость работы центр. процессора или ёмкость запоминающего устройства не позволяют полностью обработать данные, они передаются в долговременную память ЭВМ или в др. ЭВМ с большей производительностью. Если обработанные центр. процессором данные и команды управления передаются на измерит. аппаратуру, можно получить автоматич. управление экспериментом (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы экспериментальных исследований.

При практич. реализации АС каналы измерения выполняют в виде отдельных электронных блоков, связанных с каналом обмена ЭВМ. Поэтому любое изменение в структуре АС (изменение числа каналов, замена датчиков или ЭВМ), практически неизбежное при исследованиях, требует существ. переделок аппаратуры. Выходом служит магистрально-модульная система, состоящая из легко заменимых блоков и унифициров. магистрали. Магистралью (общей шиной) наз. система электрич. линий передачи, единообразно соединяющих разл. блоки (модули) АС. Смысл унифициров. магистрали заключается в том, что её можно использовать многократно, создавая из отд. модулей разл. варианты АС, при этом для АС нужен только один интерфейс, наз. интерфейсом канала обмена. Каналы измерений соединяются с шиной через простые, но также унифициров. интерфейсы. У АС появляется требуемая гибкость: исчезает ограничение на число каналов измерений, при замене ЭВМ нужно заменить лишь один интерфейс.

Для обеспечения такой структуры АС необходим стандарт на общую шину, её интерфейс и конструкцию блоков.

Первым таким стандартом стала система КАМАК (САМАС, Computer Application for Measurement and Control), разработанная в 1969 Европ. комитетом стандартов ядерной электроники. Первой ступенью в системе КАМАК является крейт (каркас), в к-рый вставляют электронные блоки (рис. 2) На задней панели крейта имеется шина обмена. Вся измерит. аппаратура АС размещается в блоках. В функциональный блок информация поступает в виде команд и данных с шины обмена и в виде сигналов от датчиков через переднюю панель. В крейте могут разместиться 23 функциональных блока и спец. блок, наз. контроллером, обеспечивающий связь с каналом обмена ЭВМ. Крейты можно объединять в ветвь, содержащую до 7 крейтов (рис. 3). Контроллеры крей-тов подключают к каналу ветви, к-рый через спец. интерфейс, наз. драйвером ветви, соединяется с каналом обмена ЭВМ. Ветвь позволяет разнести крейты и ЭВМ на десятки метров. Для АС, распределённых на большие расстояния, существует последоват. канал КАМАК, позволяющий связывать до 62 крейтов. Последоват. канал связан с каналом обмена ЭВМ через спец. интерфейс, наз. последеват. драйвером.

Эффективность использования систем КАМАК обусловлена их гибкостью, возможностью быстрой перестройки и наращивания системы в процессе изменения программы исследований, причём возможна такая организация работы крейта (и ветви), при к-рой система обслуживает сразу неск. экспериментов. Недостаток системы КАМАК - малая скорость передачи данных и сложность сведения в систему неск. процессоров. Разработка и выпуск дешёвых микропроцессоров позволяют создавать многопроцессорные системы.

Наиб. перспективными представляются новые системы FASTBUS и EUROBUS. Система EURO-BUS гораздо более гибкая, чем система КАМАК. Расширение возможностей позволяет строить на её основе исследовательские АС разного уровня сложности, использовать её для автоматизации небольших установок. Особенность системы FASTBUS, разработанной в США,- на порядок большее быстродействие, чем в системе КАМАК.

Иногда АС превращается в крупный измерит--вычислит. комплекс, состоящий из многоцелевой эксперим. установки и подсистемы автоматизации и вычислит. техники. В таких АС особенно важна организация пульта управления и контроля, к-рый оказывается иногда единств. каналом связи между исследователем и изучаемым объектом. Пульт должен быть оборудован клавишным управлением и двумя (или неск.) дисплеями (алфавитно-цифровым и графическим). Дисплей позволяет осуществить графическое представление данных ,что особенно важно, когда процесс анализа данных не поддаётся быстрой алгоритмизации.

Др. крайний случай - небольшие установки с малым числом датчиков, для к-рых магистрально-блочные АС оказываются излишне сложными. Для таких установок удобно использовать автономные микропроцессоры и запись результатов на стандартные кассеты с помощью портативных многодорожечных магнитофонов. Иногда передают результаты по линиям связи на центр. ЭВМ (т. н. локальные вычислит. сети).

Литература по автоматизации эксперимента

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.