試論間接測量與軟測量概念的同異性

1、試論間接測量與軟測量概念的同異性葉齊鑫?趙偉(清華大學電機工程與應用電子技術系北京100084)摘?要?在簡介間接測量和軟測量概念基礎上分析了兩者的共同點并對其含義上的差異做了詳細比較。結論認為間接測量與軟測量雖在概念上有一致之處但在時代背景、用戶需求、技術條件和發(fā)展前景等方面軟測量具有不同于間接測量的鮮明特征是信息時代測量技術發(fā)展的一個重要方向。關鍵詞?間接測量軟測量計量學計算機軟件差別0?引言隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中對控制、運行和管理等方

2、面要求的不斷提高相應對測量的要求也越來越高。解決工業(yè)生產(chǎn)過程的測量要求的傳統(tǒng)思路是研制新型的過程測量儀表以硬件的形式實現(xiàn)對參數(shù)的直接在線測量。而隨著信息技術的發(fā)展新的思路則是利用易于獲取的其他測量信息通過比較復雜甚至是相當復雜的計算來完成對被檢測量的估計。這通常是利用功能強大的計算機以軟件的方式來實現(xiàn)。近年來在許多工業(yè)生產(chǎn)的過程控制和檢測領域出現(xiàn)的一種新技術???軟測量技術正是這一思想的集中反映[1]。目前軟測量的概念已經(jīng)為人們廣泛使用

3、。然而究竟什么是軟測量它和傳統(tǒng)意義上人們所說的間接測量有什么區(qū)別這些都是值得探討的問題。文獻[1]指出:眾所周知在工業(yè)在線測量過程中很多參數(shù)無法通過檢測儀表進行直接檢測必須通過軟測量(亦稱間接測量)來獲得。!可見文獻[1]的作者認為軟測量和間接測量是一個概念的兩種不同說法。那究竟是否如此呢本文試通過給出比較經(jīng)典的實例對兩個概念加以比較和分析并在此基礎上論述它們的一致與差別。1?間接測量的概念和實例測量屬于計量學的范疇。計量學的基本名詞有

4、國際標準。1984年國際計量局、國際電工委員會、國際標準化組織及國際法制計量組織等聯(lián)合制定了?國際通用計量學基本名詞#標準[2]并于1993年對該標準做了全面修訂。根據(jù)這個國際標準測量的概念是:以確定量值為目的的一組操作!。間接測量是一種測量方法其概念為:通過對與被測的量有函數(shù)關系的其他量的測量得到被測量值的測量方法!。值得注意的是間接測量法定義中函數(shù)關系!這四個字。設xy都是變量或是多個變量構成的向量函數(shù)關系是指對定義域中每一個x都有

5、一個唯一確定的y與之對應記作:y=f(x)。函數(shù)關系是一種確定的映射關系。下面舉幾個典型的例子來說明間接測量(法)的含義。1)通過測量液柱的高度來得到壓力值[2]。所用公式為p=?gl。這里實際觀測到的量是液柱的高度l而液體密度?和重力加速度g已知通過公式計算即可得到壓力p。2)通過測導體材料的電阻值和幾何參數(shù)來得到電阻率。先測出某種導體材料的實驗樣品在某一固定溫度下的電阻R、截面積S和長度l再利用公式?=RSl從而得到這種材料在該溫度

6、下的電阻率。3)用單擺測重力加速度。先測出單擺的長度L、單擺的周期T再依據(jù)公式g=4?2LT2計算出當?shù)氐闹亓铀俣?。上述這三個例子的共同特點是:都因為缺乏現(xiàn)實性而未能直接去測量欲測參數(shù)的量值而是通過測出一些相關的量值再利用它們之間確定的關系經(jīng)計算得到欲測參數(shù)的量值。值得一提的是這些值都是在一定外界條件下測得的。如說明例2)中的電阻率時要指出導體樣本所處的某一特定環(huán)境溫度。?測量與設備?計量技術2005?No8?19??在間接測量中由其

7、他量!求被測量!時是利用它們之間的函數(shù)關系進行計算的。函數(shù)關系是確定的映射關系一個(或一組)其他量!只能求出一個(或一組)被測量!。而在軟測量中由可測變量!求主導變量!時是利用復雜的數(shù)學手段進行的且一般得到的只能是主導變量!的估計值。而根據(jù)不同的優(yōu)化準則、使用不同的數(shù)學方法由同一個(或一組)原始數(shù)據(jù)得到的主導變量!可能不同。換句話說在軟測量中一般不存在像間接測量中那樣確定的簡單明了的解析函數(shù)關系。術語軟測量中的軟!字表明了軟測量是跟計算

8、機軟件緊密相關的。一般來說軟測量的問題則往往非常復雜已無法通過簡單的計算得到而需要使用比較復雜的數(shù)學方法、借助計算機軟件才能實現(xiàn)對主導變量的估計。而在間接測量中往往任務比較簡單故無需使用計算機軟件。下面從時代背景、用戶需求、技術條件以及發(fā)展前景等四個方面來詳細說明間接測量與軟測量這兩個概念的區(qū)別。4?1?時代背景間接測量的思想自古就有甚至可以說是伴隨著數(shù)學的產(chǎn)生而出現(xiàn)的。早在兩千多年前提出的勾股定理就是間接測量的一個典型例子???人們通

9、過測量矩形的邊長可以利用勾股定理求出該矩形的對角線長度。在實際中人們就可以得到原來無法直接測量的大山、湖泊的對角直線的長度。在人類測量的發(fā)展史中這樣的例子不勝枚舉。這個時代可以說一直延伸到上個世紀中期計算機開始應用以前。從上個世紀中后期以來狀態(tài)估計、參數(shù)辨識、模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊數(shù)學、小波分析等數(shù)學理論和工程方法逐漸發(fā)展起來為軟測量的產(chǎn)生奠定了理論基礎而計算機、軟件工程的發(fā)展為軟測量的產(chǎn)生提供了技術支撐。可以說軟測量是隨著現(xiàn)代信

10、息社會的形成而出現(xiàn)的。是信息科學和技術的產(chǎn)物。4?2?用戶需求在間接測量中人們所欲測的量和所借助的其他量的物理意義一般很明顯其相互間的函數(shù)關系也是確定的具有簡潔明了的解析式形式。在上個世紀中期之前控制理論尚未形成和應用工業(yè)生產(chǎn)受限于當時的技術水平和測量能力對變量的要求也沒有現(xiàn)在這么多、這么復雜所以使用間接測量法可基本滿足需求。自從控制理論在上個世紀中期以來逐漸形成并應用于工業(yè)中之后由于工業(yè)生產(chǎn)過程的不斷復雜化和自動化需要引入各種反饋量和

11、控制量于是對各種變量加以監(jiān)測的需求越來越凸現(xiàn)出來。在目前工業(yè)生產(chǎn)過程中存在許多無法或難以用傳感器直接檢測的變量但這些變量同時又是需要加以嚴格控制、與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關、決定操作過程成敗的重要參數(shù)[13]。典型的例子如:化學反應器中的反應速率和反應物濃度生物發(fā)酵罐中的生物量參數(shù)高爐鐵水的含硅量電熱連續(xù)結晶機槽內(nèi)的物料成分多相流動系統(tǒng)特性的各種信息高溫流體的流量密閉容器內(nèi)工作過程中的瞬態(tài)溫度冶金熱軋生產(chǎn)線上大型鋼材板坯內(nèi)的溫度分布等等[14]

12、。利用傳統(tǒng)的間接測量方法往往是無法測得這些參數(shù)的。為了解決對這類變量的檢測問題軟測量就得到了廣泛的應用和快速的發(fā)展。4?3?技術條件在計算機產(chǎn)生之前人們都只能通過手算的方式來求解函數(shù)因此間接測量的計算的復雜程度自然受到限制。而軟測量的概念是隨著計算機和軟件技術在測量領域的應用而產(chǎn)生的。它依托計算機的強大計算能力通過建立和求解各種復雜的數(shù)學模型存儲和計算以前不敢想象的海量數(shù)據(jù)從而實現(xiàn)了測量的目的。同時許多信號處理理論如快速傅立葉變換、相關

13、分析、小波分析等也只是在計算機出現(xiàn)之后才能逐漸發(fā)揮出越來越大的作用。隨著計算機技術的快速發(fā)展高性能、小型化、嵌入式的軟儀表不斷涌現(xiàn)這極大地方便了各種復雜參數(shù)的更精確以及實時性更好的測量[15]。4?4?發(fā)展前景間接測量的思想可以說已經(jīng)滲入到測量者的潛意識中它在測量的各個領域均有應用但已鮮見有突破性的進展。軟測量技術已渡過其發(fā)展的早期階段正在經(jīng)歷從個別到廣泛、從靜態(tài)到動態(tài)從線性到非線性從無校正功能到有校正功能的發(fā)展過程[16]。而且軟測量