Информационное обеспечение поддержки испытаний

Статья посвящена созданию программной системы представления результатов испытаний, в составе которой реализованы модули оцифровки графиков функциональных зависимостей, полученных при испытаниях, хранения информации по результатам испытаний и представления ее в требуемой форме в виде отчетов и работы с применяемым при испытаниях оборудованием. Рассмотрены особенности реализации модуля оцифровки графиков функций на основе метода интерполирования функции кубическими сплайнами.

Проведение экспериментов при исследовании электрических процессов связано с накоплением большого объема информации, получаемой в результате физико-технических испытаний, информационная специфика которых заключается в том,что эти результаты могут представлять собой слабоструктурированные бумажные документы, сопровождаемые графиками различных характеристик. В связи с этим возникает задача обеспечить хранение и компьютерную обработку этих данных. Для ее решения также необходим перевод графической информации в цифровую форму.

Ориентация процесса на неавтоматизированную обработку информации приводит к тому, что формы представления результатов испытаний приспособлены к ручному заполнению. Результаты представляются в виде таблиц,каждая из которых имеет свои особенности. Это обстоятельство требует разработки унифицированного подхода к оформлению документации, который реализуется в программном обеспечении системы представления результатов испытаний.

Указанные обстоятельства требуют реализации программных средств, позволяющих оцифровывать графики функциональных зависимостей; обеспечивать хранение информации по результатам испытаний; представлять результаты в наглядной форме; получать отчеты по результатам испытаний; обеспечить работу с применяемым при испытаниях оборудованием, в том числе с цифровым осциллографом, и др. Структура разработанной системы представлена на рис.1.

Для оцифровки графиков в состав программной системы включен модуль, позволяющий, например, по отсканированным изображениям осциллограмм получать аналитическое и дискретное представление характеристик (см. рис. 2). В основу алгоритма оцифровки положен метод интерполирования функции кубическими сплайнами.

Рис. 1. Структура системы представления результатов испытаний

Рис. 2. Оцифровка графиков в системе

Интерполирование функции производится кубическими сплайнами. Пусть отрезок [a, b] разбит на n частей точками { x_i }:

a = x0 < x1< x2 < ... < xi-1 < xi < ... < xn = b.

Сплайном k -й степени называется функция, представляющая собой многочлен не выше k -й степени на каждом из последовательно примыкающих друг к другу интервалов ( x_i-1 , x_i ) ( i = 1, 2, ..., n), причем в точках стыка двух интервалов x_i ( i = 1, 2, ..., n – 1) функция непрерывна вместе со своими производными до порядка не выше k .

Пусть на отрезке [ a , b ] определена функция y = f ( x ), значения которой в точках x_i равны y_i = f ( x_i ). Задача интерполяции функции y = f ( x ) на отрезке [ a, b ] кубическим сплайном (сплайном третьей степени) состоит в нахождении функции S ( x ), равной многочлену третьей степени Si ( x ) на каждом отрезке [ x_i-1 , x_i ] ( i = 1, 2, ..., n), т.е.:

S(x) = S i (x) = a O x³ + a \ x + a 2 x + a 3 , x [x i -1 , x i ], причем значения сплайна в узлах интерполяции x_i равны соответствующим значениям заданной функции y_i и сплайн-функция непрерывна в узлах интерполяции вместе с производными первого и второго порядков.

Алгоритм построения кубического сплайна следующий. Пусть отрезок [ a , b ] разбит на n частей и в точках x_i ( i = 1, 2, ..., n ; x ₀ = a ; x_n = b ) некоторая функция принимает значения y_i . Для переменной x , принадлежащей части разбиения [ x_i-1 , x_i ] ( i = 1, ..., n ), определена функция (кубический многочлен):

S,(x) = y,-1(x - x)2 (2 (x - x,-—i) +

+ xi - xM) / (xi - xi-1)3 + y,(x - xi-1)2 (2 (xi - x) + + xi - xi-1) / (xi- - xi-1)3 +

+ mi-1(x - x,-)2 (x - x,--1) / (xi - x,--1)2 +

+ mi (x - xi-1)2 (x - x,) / (x, - xi-1)2.

Неизвестные m_i определяются рекуррентными соотношениями:

m0 = A; mn = B; mi = Li mi + 1 + + Mi (i = n - 1, n -2,..., 0).

Предварительно вычисляют вспомогательные величины M_i , L_i по рекуррентным формулам:

Lo = 0, Mo = mo, Li = (-1) / (Lu + 4), Mi =

= Li (Mi-1 — bi) (i = 1, 2,..., n - 1),

где b_i = 3 ( y_i+1 – y_i-1 ) / ( x_i+1 – x_i ).

Величины a и b должны быть заданы. При построении кубического сплайна, интерполирующего дифференцируемую функцию y = f ( x ) по системе точек, полагают A = f ’( a ), B = f ’( b ).

Результаты оцифровки могут быть сохранены либо непосредственно в базе данных, либо в файлах, формат которых поддерживает программное обеспечение для работы с цифровыми приборами, например, с цифровым осциллографом.

Дляхранениярезультатовиспытаний(включая цифровое представление графиков измеренных характеристик) предусмотрена специализированная база данных. Она содержит всю связанную с результатами испытаний информацию. В частности, эта информация – описание объектов испытаний и их параметров; описание воздействий и их характеристик; описание используемого оборудования; данные по исполнителям экспериментов; измеренные значения контролируемых показателей.

Разработанная база данных может быть легко адаптирована для поддержки различных видов физико-технических испытаний. Программное обеспечение системы представления результатов испытаний содержит компоненты, позволяющие вводить информацию в базу данных и извлекать из нее необходимые сведения в виде отчетов и графических изображений измеренных характеристик.

Заполнение базы данных можно разделить на два этапа: подготовительный и постэкспериментальный. Первый этап заключается в подготовке необходимых для эксперимента исходных данных и внесении их в систему. Такими данными являются: описание объекта испытания, описание требований к контролируемым параметрам объекта испытаний и воздействиям. Кроме того, работа системы основывается на наборе справочников, содержащих описание применяемого при испытаниях оборудования и факторов воздействия.

Программа имеет вид многооконного приложения (см. рис. 3). Элементы базы данных представлены в виде древовидной структуры, отоб- ражающей зависимость данных и порядок их ввода. Для каждого элемента дерева отображается окно, предназначенное для ввода информации, связанной с данным элементом. Формы для ввода данных имеют вид таблиц. Информация в зависимости от ее характера вводится вручную (числовые результаты испытаний) либо выбирается из справочников (описание факторов, оборудования и т.п.).

Рис. 3. Вид программы по обработке результатов испытаний

Поддерживаются два типа испытаний. Среди них испытания, проводимые с целью определения предельного уровня воздействия заданных факторов, при котором прибор остается работоспособным. Испытания другого типа направлены на определение времени, в течение которого прибор остается работоспособным при воздействии определенного фактора. С каждым из типов испытаний связан определенный набор отчетов.

После выполнения работ, связанных с проведением испытаний, полученные результаты заносятся в базу данных системы и связываются с введенными ранее параметрами испытания. Тем самым появляется возможность получить общий отчет, содержащий исходные данные и результаты. По результатам испытаний в системе автоматически формируется протокол испытаний.

Формы отчетов могут быть настроены пользователем программы с помощью легкого в освоении интерфейса. Отчет может быть выполнен в виде, приближенном к форме действующих бумажных документов (протоколов испытаний).

Кроме того, могут быть получены отчеты на основе выборок из базы данных за определенный период, по заданному типу испытания или воздействия, по типам объектов испытаний и другим критериям.

Создание отчета автоматизированным способом позволяет добиться унификации документации, составляемой по результатам испытаний, без потери гибкости благодаря возможности настраивать систему под нужды конкретного пользователя.

В состав программной системы включены средства, обеспечивающие экспорт данных в формат программного обеспечения цифрового осциллографа, а также импорт данных из этого формата. Благодаря функции импорта система позволяет загружать в базу данных информацию, снимаемую с цифрового осциллографа, и отображать ее средствами описываемой системы. При необходимости можно адаптировать систему для работы с другими цифровыми приборами.

В состав системы включены средства, обеспечивающие регистрацию производимых операций с целью сохранения истории изменения данных. Каждый пользователь регистрируется, и при подключении к базе данных его деятельность фиксируется в специальном журнале, являющемся одним из системных элементов базы данных. Это позволяет отследить активность пользователей с целью обеспечения безопасности данных. Кроме того, данная возможность помогает при восстановлении данных случайно или умышленно испорченная пользователем.

Внедрение автоматизированной системы представления результатов позволяет повысить эффективностьобработкиинформациипо результатам испытаний, избавляет персонал от многих рутинных операций, связанных с составлением документации и поиском необходимых данных, обеспечивает унифицированное представление информации, а также ее целостность.