Эталоны для физики и техники Эталон длины Сначала эталоны были естественные, например, эталоном длины был, возможно, пояс короля Карла такого-то. Потом король слегка разъелся и экономика сошла с ума. Поэтому взяли длину маятника с определенным периодом (привязав тем

3.7. Тенденции развития и новые технологии Производство микроволновых печей сопряжено с непрерывным развитием творческой мысли, с применением новых технологий, среди которых в первую очередь стоит отметить изобретение и использование биокерамического покрытия, системы

Интернет вещей из концепции превращается в цифрового монстра, наверное, в хорошем смысле этого слова.

Какие цифровые технологии сегодня в тренде? И почему успех компаний в будущем будет во многом зависть от способности интегрироваться в интернет вещей (IoT)?

IoT, Analytics, Edge, 5G в первой четверке

По мере того, как мы приближаемся к концу 2018 года, аналитики цифрового пространства отмечают, что человечество все глубже интегрируется в цифровое пространство. И хотя для все еще многих людей многие интернет технологии представляются чем-то из рода фантастики, недалеко то время, когда дома, машины, станки, бытовые приборы смогут общаться в интернете через своих интернет-агентов, заботясь о нашем благе — вовремя подать в дом тепло, воду, газ, вовремя заправить машину и отправить ее на техосмотр, вовремя привезти порошок для стирки белья и т.д.

Станки будут сами находить себе необходимые заказы и материалы для выполнения этих заказов, конвейерные заводы и цеха будут сами искать поставщиков и затем из поставленных комплектующих собирать машины, оборудование и всякую всячину. Интернет вещей, будучи еще пару лет назад всего лишь концепцией, сегодня уверенно обрастает плотью в виде появления умных домов, умных машин, умных приборов и т.д.

Какие же цифровые технологии сегодня претендуют на лидерство?

Вездесущий интернет вещей (IoT)

Интернет вещей IoT, о котором мы уже упомянули, заслуженно нашел свой путь к вершине. По оценкам Gartner, в 2017 году более 8,4 млрд. «вещей» находились в Интернете, что на 30% больше, чем год назад. В 2018 году эта тенденция сохраняется. И все-таки IoT — это только начало. Речь идет не столько о вещах, сколько о том, что мы делаем с этими вещами, когда они связаны и поставляют нам данные.

Три из основных тенденций, которые видятся экспертам — революция аналитики, краевые вычисления и обработка ячеек 5G, — все это обусловлено IoT в их основе. Фактически, IDC прогнозирует, что до 40% всех вычислений произойдет в ближайшие пару лет. Вот почему тенденции 1-4 все с IoT. Если говорить очень простым языком, то вещи сначала нужно оцифровать, чтобы они смогли войти в систему интернета вещей. Но вы же наверное понимаете, что интернет — это в сущности система цифр.

Аналитика от IoT

Если вы думаете, что основная функция IoT — обслуживать своих хозяев, то это не совсем так. Взаимодействуя между собой, они создают базу, которую затем анализируют.

Массовое количество информации, создаваемой IoT, имеет возможность революционизировать все: от производства и здравоохранения до функционирования целых городов, что позволяет им работать более эффективно и выгодно, чем когда-либо прежде. Одна из компаний, например, обнаружила, что она смогла снизить стоимость управления своим флотом из 180 000 грузовиков с 15 центов за милю до 3 центов. Такую же эффективность можно реализовать практически в каждой отрасли, от розничной торговли до городского планирования.

Технические гиганты, такие как Microsoft, IBM, SAS и SAP, все активно инвестируют в Google Analytics, в особенности в IoT Analytics, поскольку они видят силу этой комбинации в продвижении новых бизнес-идей в широком спектре отраслей и приложений.

На третьем месте Edge Computing

Если вы считаете, что уже достигли предела, когда дело доходит до использования цифровых технологий, то на самом деле вы еще ничего не видели. Просто, когда многие компании наконец начинают двигаться к облачным вычислениям, краевые вычисления, обусловленные огромным объемом и скоростью информации, созданной IoT, выпрыгивают на передний план бизнес-сцены. В тренде цифровых технологий в 2018 году уверенно проявляют себя краевые вычисления Edge Computing

Лидеры отрасли, такие как Cisco и HPE, сделали огромное количество аппаратных, программных и сервисных ставок для этого движения, на что следует смотреть, как на сильную проверку этой тенденции. Поскольку интеллектуальные беспилотные летательные аппараты, автономные транспортные средства и другие интеллектуальные устройства на базе AI стремятся к мгновенному подключению и передаче через IoT, вопрос отправки данных «полностью» в облако станет крайне нецелесообразным. Многие из этих устройств потребуют отклика и обработки в реальном времени, что делает краевые вычисления единственным жизнеспособным вариантом.

Для тех из вас, кто только что прыгнул в облачное поколение: не беспокойтесь. Хотя край будет оставаться подходящим для обработки данных в режиме реального времени, вероятно, что наиболее важные и релевантные данные по-прежнему будут обладать облачной областью. То есть краевые вычисления нужны для тех интернет приложений, где требуется мгновенное принятие решений.

Одной из технологий, которая предложена для мгновенного вычисления транзакций, не обращаясь к облачным хранилищам, является Блокчейн (о ней чуть дальше) — цепочка блоков, которая позволяется вычислять все транзакции в реальном времени. Транзакция — минимальная осмысленная операция.

Четверку лидеров замыкает 5G

Точно так же, как растущий объем данных, создаваемых IoT, заставит использовать краевые вычисления, он же заставит мобильные провайдеры двигаться быстрее, чем когда-либо, — к 5G. Уровень гиперсвязности, ожидаемый сегодня пользователями, оставляет мало места, чтобы не двигаться вперед по 5G-пути, но не слишком волнуйтесь. Переход на 5G не произойдет в одночасье. В лучшем случае на это уйдет года 2. Говорят, именно благодаря ему интернет вещей, беспилотные авто и виртуальная реальность перейдут со страниц технологических медиа в нашу повседневную жизнь.

Blockchain находит путь к славе

В то время как его более популярный кузен Биткойн продолжает сдувать аналитиков фондового рынка, Blockchain, наконец, может заявить, что нашел свое место в 2018 году. Gartner показывает, что по состоянию на февраль этого года блокчайн стал вторым самым лучшим поисковым термином на своем веб-сайте, увеличившись на 400% всего за 12 месяцев.

В то время как финансовая индустрия будет первой, кто начнет использовать этот удивительный инструмент, многие другие — от здравоохранения до развлечений и гостиничного сервиса — не будут далеко позади. Разумеется, переход к блочной цепи также не наступит в одночасье — только 20% торгового финансирования в глобальном масштабе будут использовать его к 2020 году. Но как только он найдет свои морские ноги — скорее всего, в этом году — буквально не будет возврата назад.

Искусственный интеллект по прежнему в десятке

Незаслуженно обойденный громкой славой AI (искусственный интеллект, ИИ) тем не менее продолжает активно развиваться и имеет много почитателей. На стороне бизнеса в искусственном интеллекте так много потенциала, как во всем: от обслуживания клиентов и робототехники до аналитики и маркетинга. Компании будут продолжать использовать ИИ, чтобы удивлять, подключаться и общаться со своими клиентами так, как они могут даже не оценить или понять.

Это включает в себя более быструю, дешевую и разумную автоматизацию всего: от электронной почты и создания контента до промышленного производства. Некоторые аналитики уверены, что ИИ еще себя не проявил.

Мы видели подобных IBM Watson, SAP Leonardo, Salesforce Einstein и других крупных компаний-разработчиков программного обеспечения, которые запустили внедренный AI прямо на свои платформы. Это признак того, что все самое главное в развитии искусственного интеллекта еще должно произойти.

Справочно:

Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) - концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из части действий и операций необходимость участия человека.

Концепция сформулирована в 1999 году. сетей.

В 2017 году термин «Интернет вещей» распространяется не только на киберфизические системы для «домашнего» применения, но и на промышленные объекты. Развитие концепции «Интеллектуальных зданий» получило название «Building Internet of Things»(BIoT, «Интернет вещей в здании»), развитие распределенной сетевой инфраструктуры в АСУ ТП привело к появлению «Industrial Internet of Things» (IIoT, «Индустриальный (промышленный) интернет вещей»)

Первые электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились немногим более 50 лет назад. За это время микроэлектроника, вычислительная техника и вся индустрия информатики стали одними из основных составляющих мирового научно-технического прогресса. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает расширяться. В настоящее время ЭВМ используются не только для выполнения сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т.д. Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатывать любые виды информации: числовую, текстовую, табличную, графическую, звуковую, видеоинформацию.

Первая электронная вычислительная машина ЕЫ1ЛС была построена в 1946 г. в рамках одного научно-исследовательского проекта, финансируемого министерством обороны США. Годом ранее Дж. фон Нейман издал статью, в которой были изложены основные принципы построения компьютеров. В основу проекта был положен макет вычислителя, разработанный американцем болгарского происхождения Дж. Атанасовым, занимавшимся крупномасштабными вычислениями. В осуществлении проекта принимали активное участие такие крупные ученые, как К. Шеннон, Н. Виннер, Дж. фон Нейман и др. С этого момента началась эра вычислительной техники. С отставанием в 10-15 лет стала развиваться и отечественная вычислительная техника.

Математические основы автоматических вычислений к этому времени были уже разработаны (Г. Лейбниц, Дж. Буль, Л.Тьюринг и др.), но появление компьютеров стало возможным только благодаря развитию электронной техники. Многократные попытки создания разного рода автоматических вычислительных устройств (от простейших счет до механических и электромеханических вычислителей) не позволяли построить надежные и экономически эффективные машины.

Появление электронных схем сделало возможным построение электронных вычислительных машин.

Электронная вычислительная машина, или компьютер - это комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей (рис. 1).

Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы. Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения.

Компьютеры являются универсальными техническими средствами автоматизации вычислительных работ, то есть они способны решать любые задачи, связанные с преобразованием информации. Однако подготовка задач к решению на ЭВМ была и остается до настоящего времени достаточно трудоемким процессом, требующим от пользователей во многих случаях специальных знаний и навыков.

Для снижения трудоемкости подготовки задач к решению, более эффективного использования отдельных технических, программных средств и ЭВМ в целом, а также облегчения их эксплуатации каждая ЭВМ имеет специальный комплекс программных средств. Обычно аппаратные и программные средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

Структура представляет собой совокупность элементов и их связей. В зависимости от контекста различают структуры технических, программных, аппаратно-программных и информационных средств.

Часть программных средств обеспечивает взаимодействие пользователей с ЭВМ и является своеобразным «посредником» между ними. Она получила название операционная система и является ядром программного обеспечения ЭВМ.

Под программным обеспечением будем понимать комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для создания необходимого сервиса для работы пользователей.

Программное обеспечение (ПО) отдельных ЭВМ и вычислительных систем (ВС) может сильно различаться составом используемых программ, который определяется классом используемой вычислительной техники, режимами ее применения, содержанием вычислительных работ пользователей и т.п. Развитие ПО современных ЭВМ и ВС в значительной степени носит эволюционный и эмпирический характер, но можно выделить закономерности в его построении.

Рассмотрим основные вехи и тенденции развития компьютеров, их аппаратных и программных средств (табл. 1).

Таблица 1

В общем случае процесс подготовки и решения задач на ЭВМ предусматривает обязательное выполнение следующей последовательности этапов:

1) формулировка проблемы и математическая постановка задачи;

2) выбор метода и разработка алгоритма решения;

3) программирование (запись алгоритма) с использованием некоторого алгоритмического языка;

4) планирование и организация вычислительного процесса - порядка и последовательности использование ресурсов ЭВМ и ВС;

5) формирование «машинной программы», то есть программы, которую непосредственно будет выполнять ЭВМ;

6) собственно решение задачи - выполнение вычислений по готовой программе.

По мере развития вычислительной техники автоматизация этих этапов идет снизу

На пути развития электронной вычислительной техники можно выделить четыре поколения ЭВМ, отличающихся элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа к ЭВМ со стороны пользователей. Смене поколений сопутствовало изменение основных технико-эксплуатационных и техникоэкономических показателей ЭВМ и в первую очередь таких, как быстродействие, емкость памяти, надежность и стоимость. При этом одной из основных тенденций развития было и остается стремление уменьшить трудоемкость подготовки программ решаемых задач, облегчить связь операторов с машинами, повысить эффективность использования последних. Это диктовалось и диктуется постоянным ростом сложности и трудоемкости задач, решение которых возлагается на ЭВМ в различных сферах применения.

Возможности улучшения технико-эксплуатационных показателей ЭВМ в значительной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение в первую очередь, как правило, характеризуется используемой элементной базой.

Основным активным элементом компьютеров первого поколения являлась электронная лампа, остальные компоненты электронной аппаратуры - это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Для построения оперативной памяти уже с середи

Принципы построения компьютера

ны 50-х годов начали применяться специально разработанные для этой цели элементы - ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве устройства ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин), а затем специально были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатающие устройства.

Компьютеры этого поколения имели значительные размеры, потребляли большую мощность. Быстродействие этих машин составляло от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду, емкость памяти - несколько тысяч машинных слов, надежность исчислялась несколькими часами работы.

В этих ЭВМ автоматизации подлежал только шестой этап, так как практически отсутствовало какое-либо программное обеспечение. Все пять предыдущих этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятельно, вплоть до получения машинных кодов программ. Трудоемкий и рутинный характер этих работ был источником большого количества ошибок в заданиях. Поэтому в ЭВМ следующих поколений появились сначала элементы, а затем целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.

На смену ламп пришли транзисторы в машинах второго поколения (начало 60х годов). Компьютеры стали обладать большими быстродействием, емкостью оперативной памяти, надежностью. Все основные характеристики возросли на 1-2 порядка. Существенно были уменьшены размеры, масса и потребляемая мощность. Большим достижением явилось применение печатного монтажа. Повысилась надежность электромеханических устройств ввода-вывода, удельный вес которых увеличился. Машины второго поколения стали обладать большими вычислительными и логическими возможностями.

Особенность машин второго поколения - их дифференциация по применению. Появились компьютеры для решения научно-технических и экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами (управляющие машины).

Наряду с техническим совершенствованием ЭВМ развиваются методы и приемы программирования вычислений, высшей ступенью которых является появление систем автоматизации программирования, значительно облегчающих труд математиков- программистов.

Большое развитие и применение получили алгоритмические языки, существенно упрощающие процесс подготовки задач к решению. С появлением алгоритмических языков резко сократились штаты программистов, поскольку составление программ на этих языках стало под силу самим пользователям.

Широкое применение алгоритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран и др.) и соответствующих им трансляторов, позволяющих автоматически формировать машинные программы по их описанию на алгоритмическом языке, привело к созданию библиотек стандартных программ, что позволило строить машинные программы блоками, используя накопленный и приобретенный программистами опыт. Новые программные средства здесь еще не объединялись в отдельные пакеты под общим управлением. Отметим, что временные границы появления всех этих нововведений достаточно размыты. Обычно их истоки можно обнаружить уже в недрах ЭВМ предыдущих поколений.

Третье поколение ЭВМ (в конце 60-х - начале 70-х годов) характеризуется широким применением интегральных схем. Интегральная схема представляет собой законченный логический и функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. Благодаря использованию интегральных схем удалось еще более

улучшить технические и эксплуатационные характеристики машин. Вычислительная техника стала иметь широкую номенклатуру устройств, позволяющих строить разнообразные системы обработки данных, ориентированные на различные применения. Они охватывали широкий диапазон по производительности, чему способствовало также повсеместное применение многослойного печатного монтажа.

В компьютерах третьего поколения значительно расширился набор различных электромеханических устройств ввода и вывода информации. Развитие этих устройств носит эволюционный характер: их характеристики улучшаются гораздо медленнее, чем характеристики электронного оборудования.

Отличительной особенностью развития программных средств этого поколения является появление ярко выраженного программного обеспечения и развитие его ядра - операционных систем, отвечающих за организацию и управление вычислительным процессом. Именно здесь понятие «ЭВМ» все чаще стало заменяться понятием «вычислительная система», что в большей степени отражало усложнение как аппаратурной, так и программной частей ЭВМ. Стоимость программного обеспечения стала расти, и в настоящее время намного опережает стоимость аппаратуры (рис. 2).

Операционная система (ОС) планирует последовательность распределения и использования ресурсов вычислительной системы, а также обеспечивает их согласованную работу. Под ресурсами обычно понимают те средства, которые используются для вычислений: машинное время отдельных процессоров или ЭВМ, входящих в систему; объемы оперативной и внешней памяти; отдельные устройства, информационные массивы; библиотеки программ; отдельные программы как общего, так и специального применения и т.п. Интересно, что наиболее употребительные функции ОС в части обработки внештатных ситуаций (защита программ от взаимных помех, системы прерываний и приоритетов, служба времени, сопряжение с каналами связи и т.д.) были полностью или частично реализованы аппаратурно. Одновременно были реализованы более сложные режимы работы: коллективный доступ к ресурсам, мультипрограммные режимы. Часть этих решений стала своеобразным стандартом и начала использоваться повсеместно в ЭВМ различных классов.

В машинах третьего поколения существенно расширены возможности по обеспечению непосредственного доступа к ним со стороны абонентов, находящихся на различных, а том числе и значительных (десятки и сотни километров) расстояниях. Удобство общения абонента с машиной достигается за счет развитой сети абонентских пунктов, связанных с ЭВМ информационными каналами связи, и соответствующего программного обеспечения.

Например, в режиме разделения времени многим абонентам предоставляется возможность одновременного, непосредственного и оперативного доступа к ЭВМ. Вследствие большого различия инерционности человека и машины у каждого из одновременно работающих абонентов складывается впечатление, будто ему одному предоставлено машинное время.

Здесь еще в большей степени проявляется тенденция к унификации ЭВМ, созданию машин, представляющих собой единую систему. Ярким примером этой тенденции служит отечественная программа создания и развития Единой системы электронных вычислительных машин (ЕС ЭВМ).

ЕС ЭВМ представляла собой семейство (ряд) программно-совместимых машин, построенных на единой элементной базе, на единой конструктивно-технологической основе, с единой структурой, единой системой программного обеспечения и единым унифицированным набором внешних устройств.

Промышленный выпуск первых моделей ЕС ЭВМ был начат в 1972 г., при их создании были использованы все современные достижения в области электронной вычислительной техники, технологии и конструирования ЭВМ, в области построения систем программного обеспечения. Объединение знаний и производственных мощностей стран- разработчиков позволило в довольно сжатые сроки решить сложную комплексную научно-техническую проблему. ЕС ЭВМ представляла собой непрерывно развивающуюся систему, в которой улучшались технико-эксплуатационные показатели машин, совершенствовалось периферийное оборудование и расширялась его номенклатура.

Для машин четвертого поколения (80-е годы) характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, усложнению ее функций, повышению надежности и быстродействия, снижению стоимости. Это в свою очередь оказало существенное воздействие на логическую структуру ЭВМ и ее программное обеспечение. Более тесной стала связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы.

В четвертом поколении с появлением в США микропроцессоров (1971 г.) возник новый класс вычислительных машин - микроЭВМ, на смену которым пришли персональные компьютеры (ПК, начало 80-х годов). В этом классе ЭВМ наряду с БИС стали использоваться сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) 32-, а затем 64-разрядности.

Появление ПК - наиболее яркое событие в области вычислительной техники, до последнего времени самый динамично развивающийся сектор отрасли. С их внедрением решение задач информатизации общества было поставлено на реальную основу.

Основная цель использования ПК - формализация профессиональных знаний. Здесь, в первую очередь, автоматизируется рутинная часть работ (сбор, накопление, хранение и обработка данных), которая занимает более 75% рабочего времени специали- стов-прикладников. Применение ПК позволило сделать труд специалистов творческим, интересным, эффективным. В настоящее время ПК используются повсеместно, во всех сферах деятельности людей. Новые сферы применения изменили и характер вычислительных работ. Так, инженерно-технические расчеты составляют не более 9-15%, в большей степени ПК теперь используются для автоматизации управления сбытом, закупками, управления запасами, производством, для выполнения финансово-экономических расчетов, делопроизводства, игровых задач и т.п.

Применение ПК позволило использовать новые информационные технологии и создавать системы распределенной обработки данных. Высшей стадией систем распределенной обработки данных являются компьютерные (вычислительные) сети различных уровней - от локальных до глобальных.

В компьютерах этого поколения продолжается усложнение технических и программных структур (иерархия управления средствами, увеличение их количества). Следует указать на заметное повышение уровня «интеллектуальности» систем, создаваемых на их основе. Программное обеспечение этих машин создает «дружественную» среду общения человека и компьютера. Оно, с одной стороны, управляет процессом обработки информации, а с другой, создает необходимый сервис для пользователя, снижая трудоемкость его рутинной работы и предоставляя ему возможность больше внимания уделять творчеству.

Подобные тенденции будут сохраняться и в ЭВМ следующих поколений. Так, по мнению исследователей , машины следующего столетия будут иметь встроенный в них «искусственный интеллект», что позволит пользователям обращаться к машинам (системам) на естественном языке, вводить и обрабатывать тексты, документы, иллюстрации, создавать системы обработки знаний и т.д. Все это приводит к необходимости усложнения аппаратной части компьютеров, появлению вычислительных систем на их основе, а также к разработке сложного многоэшелонного иерархического программного обеспечения систем обработки данных.

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Использование достижений микроэлектроники и вычислительной техники в электроизмерительной технике определяют в настоящее время одну из основных тенденций ее развития, для которой характерна компьютеризация средств измерений. Рассмотрим характерные формы проявления этой тенденции.

Прежде всего, она проявляется в постепенной замене аналоговых средств измерений цифровыми, которые, в свою очередь, становятся все более универсальными и «интеллектуальными».

В качестве примера рассмотрим этапы развития производства осциллографов на фирме «Хьюлет‑Пакард» – одной из ведущих в этой области. Свои первые ламповые осциллографы НР130А и НР150А фирма выпустила еще в 1956 г., а первый полупроводниковый (НР180А) – в 1966 г. К 80‑м годам этой и другими фирмами было выпущено огромное количество аналоговых осциллографов различного назначения, причем многие из них обладали прекрасными техническими характеристиками. Однако уже в 1980 г. фирма «Хьюлет‑Пакард» пришла к выводу, что цифровая техника может предложить лучшее и более дешевое решение задачи регистрации, отображения и обработки аналоговых сигналов, а с 1986 г. вообще прекратила выпуск аналоговых осциллографов, заменив их цифровыми. В 1992 г. фирма выпускала уже целую серию цифровых осциллографов; в эту модульную серию 54700 входит, в частности, сменный блок 54721 А с полосой 1 ГГц и частотой дискретизации 4 Готсчет/с.

Аналогичный процесс прошел на фирме «Голд» (Gould, США). Свой первый цифровой осциллограф фирма выпустила в 1975 г., а в 1988 г. прекратила выпуск аналоговых. В 1992 г. фирма выпускала 15 моделей цифровых осциллографов с полосой от 7 до 200 МГц и частотой дискретизации от 0,02 до 1,6 Готсчет/с.

Если для визуального наблюдения исследуемых процессов достаточно разрешения 8 бит, то для более сложного и точного анализа этого часто недостаточно. Поэтому постоянно ведется работа по повышению точности цифровых осциллографов. Например, фирма «Николь Инструмент корп.» (Nicolet Instrument Corp., США) предлагает осциллографы серии 400 с разрешением по вертикали 14 бит, что, конечно, недостижимо для аналоговых осциллографов.

Цифровые осциллографы не просто заменяли аналоговые, но и предоставляли потребителям новые возможности, связанные со способностью новых приборов хранить, выводить, обрабатывать и сравнивать параметры наблюдаемых сигналов. Современные цифровые осциллографы выполняют множество функций анализа сигналов, включая анализ спектра с использованием алгоритмов быстрого преобразования Фурье. В них может быть встроен принтер или плоттер, позволяющие получать твердую копию протокола или графика. Наличие узлов стандартных интерфейсов позволяет подключать цифровой осциллограф к персональному компьютеру и вычислительной сети; более того, он сам обладает возможностями небольшого компьютера. Подобные осциллографы одними из первых начали выпускать японские фирмы «Хиоки» (Hioki, модель 8850) и «Иокогава» (Yokogawa, модели 3655 и 3656).

На примере цифровых осциллографов можно проследить одно из направлений компьютеризации электроизмерительной техники. Создаются новые средства измерений с цифровой обработкой сигналов измерительной информации и возможностью построения на их основе измерительно‑вычислительных систем различного назначения. В эти измерительные приборы и системы встраиваются элементы компьютерной техники, обеспечивающие цифровую обработку сигналов, самодиагностику, коррекцию погрешностей, связь с внешними устройствами и т.д.

Другое направление связано с появлением в начале 80‑х годов и широким распространением персональных компьютеров (IBM PC и других). Если у потребителя есть такой компьютер, то у него фактически есть многие узлы компьютерного средства измерений: вычислительное устройство, дисплей, устройство управления, корпус, источники питания и др. Недостает лишь устройств ввода измерительной информации в компьютер (аналоговых измерительных преобразователей, устройств гальванического разделения, масштабирования, нормализации и линеаризации, АЦП и др.), ее предварительной обработки (если желательно освободить от этой работы компьютер) и специального программного обеспечения.

Поэтому в 80‑х годах устройства ввода аналоговой измерительной информации в персональные компьютеры (ПК) начали серийно выпускаться в виде плат, встраиваемых в кросс ПК, в виде наборов модулей, встраиваемых в общий корпус (крейт) расширяемых шасси ПК, или в виде автономных функциональных модулей, подключаемых к ПК через внешние разъемы.

Эффективная предварительная обработка информации в такого рода устройствах стала возможной с появлением специализированных больших интегральных схем – цифровых процессоров сигналов (ЦПС). Первые однокристалльные ЦПС выпустила в 1980 г. японская фирма «НИСи корп.» (NEC Corp.), с 1983 г. аналогичную продукцию начали выпускать фирмы «Фуджицу» (Fujitsu, Япония) и «Техас Инструменте» (Texas Instruments, (США)); позднее к ним присоединились «Аналог Дивайсис» (США), «Моторола» (Motorola, США) и др.

Нужно отметить по меньшей мере две особенности компьютерных средств измерений. Во‑первых, они могут быть весьма просто приспособлены для измерений различных величин; поэтому на их основе строятся универсальные средства измерений. Во‑вторых, все большую долю в их себестоимости занимает стоимость программного обеспечения, освобождающего потребителя от выполнения многих рутинных операций и создающего ему максимум удобств при решении основных задач измерений.

Примером могут служить так называемые виртуальные средства измерений. В них программным путем на дисплее ПК формируется изображение лицевой панели измерительного прибора. Этой панели на самом деле физически не существует, а сам прибор состоит, например, из ПК и встроенной в него измерительной платы. Тем не менее у потребителя создается полная иллюзия работы с обычным прибором: он может нажимать на клавиши управления, выбирая диапазон измерения, режим работы и т.д., получая, в конце концов, результат измерения.

Дальнейшая микроминиатюризация электронных компонентов привела, начиная с 80‑х годов, к развитию еще одного направления компьютеризации средств измерений – к созданию не только «интеллектуальных» приборов и систем, но и «интеллектуальных» датчиков.

Такой датчик содержит не только чувствительный элемент, но и сложное электронное устройство, состоящее из аналоговых и аналого‑цифровых преобразователей, а также микропроцессорных устройств с соответствующим программным обеспечением. Конструкция «интеллектуального» датчика позволяет устанавливать его в непосредственной близости от объекта исследований и производить ту или иную обработку измерительной информации. При этом в центр сбора данных, который может находиться на значительном расстоянии от объекта, информация передается с помощью сигналов, обладающих высокой помехоустойчивостью, что повышает точность измерений.

В качестве примера рассмотрим технические возможности «интеллектуального» датчика абсолютного давления, выпускаемого японской фирмой «Фуджи» (FUJI, модель FKA), который обеспечивает измерение давления жидкости, газа или пара в диапазоне от 0,16 до 30 бар с погрешностью не более 0,2% в диапазоне рабочих температур от ‑40 до + 85°С. Он состоит из емкостного чувствительного элемента и электронного устройства, смонтированного в стальном корпусе объемом со спичечный коробок. Его питание осуществляется от внешнего источника постоянного тока с напряжением от 11 до 45 В, который может располагаться в нескольких километрах от датчика в центре сбора данных. Измерительная информация передается по проводам источника питания (двухпроводный датчик) в аналоговой форме – постоянным током от 4 до 20 мА, а также цифровым сигналом, наложенным на аналоговый.

Датчик может быть легко превращен в измерительный прибор путем установки на нем четырехразрядного цифрового жидкокристаллического индикатора или аналогового милливольтметра. Такими датчиками можно управлять с помощью специальных пультов и объединять их в измерительную систему. Каждый датчик осуществляет операции самодиагностики, линеаризации функции преобразования, масштабирования, установки диапазона измерений, температурной компенсации и т.д.

Наряду с компьютеризацией электроизмерительной техники интенсивно развивается ее метрологическое обеспечение, причем эталоны высокой точности становятся доступными промышленности. Например, еще в 1982 г. фирма «Флюк» (Fluke, США) выпустила калибратор напряжения для поверки 6,5‑ и 7,5‑разрядных мультиметров. Этот прибор (модель 5440А), построенный на базе ЦАП с широтно‑импульсной модуляцией, обеспечивает относительную погрешность не более 0,0004% при работе непосредственно в цехе.

Для построения современных средств измерений с наиболее высокими метрологическими характеристиками, включая эталоны вольта и ампера, решающее значение имеет использование квантовых эффектов Б. Джозефсона и Холла.

Эффект Б. Джозефсона был предсказан в 1962 г. английским физиком Б. Джозефсоном и экспериментально обнаружен в 1963 г. американскими физиками П. Андерсоном и Дж. Роуэллом. Одно из проявлений данного эффекта состоит в следующем. При облучении контакта Б. Джозефсона – тонкого слоя диэлектрика между двумя сверхпроводниками – высокочастотным электромагнитным полем, на вольт‑амперной характеристике такого контакта возникают скачки напряжения, пропорциональные частоте. Высокая точность воспроизведения скачков напряжения на контактах Б. Джозефсона позволила в 80‑х годах построить эталоны вольта с погрешностями не более 0,0001%.

Использование эффекта Б. Джозефсона и явления квантования магнитного поля в односвязных сверхпроводниках привело к созданию чрезвычайно чувствительных сверхпроводящих квантовых интерференционных приборов – СКВИДов, измеряющих магнитные потоки. Применение измерительных преобразователей различных физических величин в магнитные потоки позволило создать на основе СКВИДов измерительные приборы и устройства различного назначения, обладающие рекордно высокой чувствительностью: гальванометры, компараторы, термометры, магнитометры, градиентометры, усилители. На основе эффекта Б. Джозефсона строятся и другие устройства, служащие для обработки измерительной информации, например, АЦП и цифровые процессоры сигналов с тактовыми частотами свыше 10 ГГц.

Квантовый эффект Холла был открыт в 1980 г. К. фон Клитцингом (ФРГ). Эффект наблюдается при низких температурах (около 1 К) и проявляется в виде горизонтального участка на графике зависимости холловского сопротивления полупроводниковых датчиков Холла от магнитной индукции. Погрешность сопротивления, соответствующего этому участку, не превышает 0,00001%. Это позволило использовать квантовый эффект Холла для создания эталонов электрического сопротивления.

Использование квантовых эффектов Б. Джозефсона и Холла позволило разработать эталоны постоянного электрического тока, превышающие по точности эталоны на основе токовых весов, применявшихся почти всю вторую половину XX в. В нашей стране новый государственный первичный эталон введен с 1992 г. Он воспроизводит ампер с погрешностью не более 0,00002% (токовые весы обеспечивали погрешность не более 0,0008%).

Рассмотренные эффекты проявляются при низких температурах, что служит главным препятствием для их широкого использования. Однако открытие в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников позволяет ожидать создания средств измерений, построенных на интегральных схемах и работающих при температурах около 100 К. Это был бы новый качественный скачок в развитии электроизмерительной техники.

Термин «электрический ток» был введен A.M. Ампером (см. § 2.5).

Если цепь питается от батареи, то ток пропорционален ЭДС элемента (в числителе), а в знаменателе кроме сопротивления цепи указывается и внутреннее сопротивление элемента.

Термин «электротехника» стал употребляться именно после Международной «электротехнической» выставки 1881 г. и последовавшего за ней конгресса электриков.

Без линии электропередачи постоянного тока 800 кВ (0,48 тыс. км).

Указаны линейные напряжения в группе трансформаторов.

Каждому габариту соответствовал свой внутренний диаметр корпуса статора (станины).

Современные ЦФС должны быть универсальными, принимать в обработку всевозможные данные с различных устройств, предоставляя на выходе широкий спектр продуктов для картографии, ГИС, систем 3D-моделирования. Важной характеристикой ЦФС является оперативная поддержка новых видов сенсоров, прежде всего космических

А.Ю. Сечин (ЗАО «Ракурс»)

Развитие цифровой фотограмметрии прежде всего определяется уровнем развития техники. Быстродействие современных компьютеров позволяет оперативно решать задачи, выполнение которых некогда требовало значительных затрат времени. Совершенствуются сенсоры систем дистанционного зондирования, появляются новые цифровые камеры, приборы и устройства, улучшаются характеристики существующих. Увеличивается возможное число снимков в блоках для совместного уравнивания. Растут требования к выходным продуктам цифровых фотограмметрических станций (ЦФС), все чаще пользователи запрашивают не только традиционные ортофотопланы и векторные данные для ГИС, но и полноценные трехмерные модели как результат обработки данных ДЗЗ. На взгляд автора, современные ЦФС должны быть универсальными, принимать в обработку всевозможные данные с различных устройств, предоставляя на выходе широкий спектр продуктов для картографии, ГИС, систем 3D-моделирования. Важной характеристикой ЦФС является оперативная поддержка новых видов сенсоров, прежде всего космических.

В последние годы стало отчетливо заметно стремление к использованию цифровых аэросъемочных камер, позволяющих получать цифровые изображения непосредственно в полете, вместо пленочных. Этапы проявки и сканирования пленок скоро уйдут в прошлое. При аэрофотосъемке используются как привычные кадровые системы (например, DMC фирмы Intergraph Corp. (США) или UltraСamX фирмы Vexcel Imaging (США), входящей в состав корпорации Microsoft), так и сенсоры, основанные на ПЗС-линейках (например, ADS-40 фирмы Lieca Geosystems, Швейцария), имеющие непривычные для фотограмметристов геометрию кадра и математическую модель. Современные цифровые камеры обладают большой глубиной цвета (более 8 бит на канал), увеличивается число одновременно регистрируемых каналов к традиционным красному, синему, зеленому добавляются инфракрасные (ближняя и дальняя зоны) каналы. Большая глубина цвета позволяет различать детали, ранее недоступные для восприятия (например, в тени). Современная ЦФС должна на входе, выходе и в процессе обработки изображений поддерживать произвольное число каналов с любой глубиной цвета. При работе с данными спутниковых сенсоров ЦФС должна иметь возможность обрабатывать изображения как обобщенными методами (модель сенсора отсутствует или известна в грубом приближении), так и с учетом сопутствующих метаданных, а при наличии строгой модели использовать ее для точной обработки.

Рис. 1. Современные цифровые камеры

Фотограмметрическая обработка снимков подразумевает максимально возможную, субпиксельную, точность измерений. Поэтому растровые данные, поступающие на вход ЦФС, не должны подвергаться обработке, снижающей их точность. Допустим минимальный набор алгоритмов предобработки растровых данных, например, паншарпенинг. Выходные растровые данные (ортофото) могут подвергаться различным методам постобработки для улучшения визуальных свойств. Наличие в составе ЦФС модулей постобработки, сохраняющих геопривязку изображений, является несомненным достоинством фотограмметрической системы.

При аэрофотосъемке с борта самолета все чаще кроме цифровых камер используют интегральные навигационные комплексы системы GPS/IMU, позволяющие измерять элементы внешнего ориентирования снимков в полете, а также лазерные сканеры, которые обеспечивают формирование модели рельефа местности без стереообработки снимков. Точность подобных устройств постоянно возрастает. В настоящее время при наличии на борту системы GPS/IMU и данных о рельефе местности, полученных с помощью технологии лазерного сканирования, можно строить ортофотопланы с точностью 2xGSD (GSD Ground Sample Distance размер пиксела на местности, определяет параметры съемки цифровой камерой, подобие масштаба аэрозалета для аналоговых камер) и лучше без традиционного уравнивания аэрофотоснимков и построения рельефа фотограмметрическими методами.

Если для достижения максимальной точности при обработке блока снимков требуется его уравнивание, в современных ЦФС все чаще используются методы автоматического измерения связующих точек, результаты которого, как правило, требуют последующего контроля со стороны оператора. В ближайшее время можно ожидать появления более надежных алгоритмов автоматической расстановки точек и их отбраковки при уравнивании, не требующих вмешательства человека.

Если методы построения цифровых моделей рельефа в ЦФС новых поколений автоматизированы и со стороны оператора требуют только простейших операций по фильтрации и, иногда, проведению дополнительных орографических линий, то процесс векторизации строений, дорог, участков и т. п. пока еще выполняется в ручном режиме. Работы по его автоматизации ведутся давно, автор надеется, что в ближайшие годы появятся надежные системы, облегчающие этот тяжелый труд.

С точки зрения вычислений, наиболее трудоемким процессом в ЦФС является построение ортофотопланов. Для больших (несколько тысяч снимков) блоков время, требуемое для ортофототрансформирования на одном компьютере, может составлять десятки и сотни часов. С развитием многопроцессорных компьютерных систем и быстрых локальных вычислительных сетей процесс ортофототрансформирования может быть распределен по компьютерам локальной сети и процессорам (ядрам) компьютеров. Хорошая масштабируемость и возможность параллельной обработки значительных объемов данных в локальной сети являются признаками современной ЦФС. С увеличением размеров обрабатываемых блоков и объемов данных возрастает роль централизованных серверов хранения данных. Возможно, в ближайшее время появятся системы с возможностью распределенного хранения снимков и сопутствующей информации, обеспечивающие автоматическое оптимальное размещение ресурсов хранения.

Безусловно, современная ЦФС должна «понимать» широкий спектр растровых, векторных и иных данных разных форматов. При этом выходные результаты фотограмметрической обработки должны быть доступны в форматах, принимаемых различными ГИС и картографическими системами. В последнее время наметилась тенденция к использованию и визуализации трехмерных данных, получаемых с помощью ЦФС, прежде всего для городской местности. Такого рода данные интересны муниципальным службам, телекоммуникационным компаниям, отделениям МЧС, военным и разработчикам навигационных систем, в последующем они могут быть использованы для построения реалистичных трехмерных моделей городов.

Отметим, что 3D-модели нужны и для построения в ЦФС так называемых «истинных» ортофотопланов (true orthophoto), которые, несмотря на высокую трудоемкость изготовления и вычислительную сложность, получают все большее распространение.

Важной характеристикой ЦФС является поддержка современных аппаратных средств стереовизуализации. В первых фотограмметрических станциях для стереонаблюдений использовались оптико-механические устройства (специальные насадки на монитор) или анаглифические очки. В последующем появились системы, выводящие изображения на монитор через строку (interlace) и подразумевающие использование специальных поляризационных очков. Эти системы иногда еще применяются, хотя характеризуются невысокой точностью, суженным полем обзора, а также низким качеством изображения. Как правило, анаглифический и чересстрочный методы вызывают у операторов повышенную утомляемость глаз, и они, на наш взгляд, могут быть использованы только для демонстрации возможностей ЦФС и первоначального обучения работе с программной системой. Современные способы вывода стереоизображений основаны на профессиональных видеокартах, аппаратно поддерживающих стереорежим, и программном интерфейсе (API) OpenGL. При этом могут использоваться различные стереоустройства: специальные мониторы, основанные на экранах 2хLCD и поляризационном стекле, стереопроекторы. Поддержка новых аппаратных решений для стереовывода в этом случае не требует адаптации ЦФС.

Традиционно на аналитических приборах для перемещения стереомаркера использовались специальные штурвалы. Операторы, только осваивающие ЦФС, считают управление с помощью таких штурвалов неудобным и предпочитают многокнопочные манипуляторы типа «мышь», специально предназначенные для работы в стереорежиме. Для эффективной работы желательно, чтобы ЦФС поддерживала работу и со штурвалами, и со специальными манипуляторами.

Несколько в стороне от традиционных фотограмметрических систем находятся системы обработки радарных снимков. С появлением на рынке данных сенсоров космического базирования с высокой разрешающей способностью (TerraSAR-X, COSMO-Skymed, RADARSAT-2) роль последних существенно возросла. Эти системы, называемые радарграмметрическими, позволяют строить цифровые модели местности с точностью по высоте в пределах первых метров, создавать ортоизображения (в том числе с использованием моделей местности, получаемых по радиолокационным снимкам), а также высокоточные карты смещений земной поверхности (с миллиметровой точностью при интерферометрической обработке).

Подводя итоги, можно отметить, что современная ЦФС должна «понимать» максимально возможное число форматов растровых, векторных и других данных, обеспечивать высокий уровень автоматизации и производительности, поддерживать современные компьютерные технологии. Наличие в составе ЦФС модулей пред- и постобработки изображений, средств работы с 3D-моделями, полученными фотограмметрическими методами, должно стать неотъемлемой частью таких систем.