試論間接測(cè)量與軟測(cè)量概念的同異性

1、試論間接測(cè)量與軟測(cè)量概念的同異性葉齊鑫?趙偉(清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系北京100084)摘?要?在簡(jiǎn)介間接測(cè)量和軟測(cè)量概念基礎(chǔ)上分析了兩者的共同點(diǎn)并對(duì)其含義上的差異做了詳細(xì)比較。結(jié)論認(rèn)為間接測(cè)量與軟測(cè)量雖在概念上有一致之處但在時(shí)代背景、用戶需求、技術(shù)條件和發(fā)展前景等方面軟測(cè)量具有不同于間接測(cè)量的鮮明特征是信息時(shí)代測(cè)量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。關(guān)鍵詞?間接測(cè)量軟測(cè)量計(jì)量學(xué)計(jì)算機(jī)軟件差別0?引言隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)控制、運(yùn)行和管理等方

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

3、。然而究竟什么是軟測(cè)量它和傳統(tǒng)意義上人們所說的間接測(cè)量有什么區(qū)別這些都是值得探討的問題。文獻(xiàn)[1]指出:眾所周知在工業(yè)在線測(cè)量過程中很多參數(shù)無法通過檢測(cè)儀表進(jìn)行直接檢測(cè)必須通過軟測(cè)量(亦稱間接測(cè)量)來獲得。!可見文獻(xiàn)[1]的作者認(rèn)為軟測(cè)量和間接測(cè)量是一個(gè)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(shí)例對(duì)兩個(gè)概念加以比較和分析并在此基礎(chǔ)上論述它們的一致與差別。1?間接測(cè)量的概念和實(shí)例測(cè)量屬于計(jì)量學(xué)的范疇。計(jì)量學(xué)的基本名詞有

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

5、一個(gè)唯一確定的y與之對(duì)應(yīng)記作:y=f(x)。函數(shù)關(guān)系是一種確定的映射關(guān)系。下面舉幾個(gè)典型的例子來說明間接測(cè)量(法)的含義。1)通過測(cè)量液柱的高度來得到壓力值[2]。所用公式為p=?gl。這里實(shí)際觀測(cè)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(jì)算即可得到壓力p。2)通過測(cè)導(dǎo)體材料的電阻值和幾何參數(shù)來得到電阻率。先測(cè)出某種導(dǎo)體材料的實(shí)驗(yàn)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(cè)重力加速度。先測(cè)出單擺的長度L、單擺的周期T再依據(jù)公式g=4?2LT2計(jì)算出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。上述這三個(gè)例子的共同特點(diǎn)是:都因?yàn)槿狈ΜF(xiàn)實(shí)性而未能直接去測(cè)量欲測(cè)參數(shù)的量值而是通過測(cè)出一些相關(guān)的量值再利用它們之間確定的關(guān)系經(jīng)計(jì)算得到欲測(cè)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(cè)得的。如說明例2)中的電阻率時(shí)要指出導(dǎo)體樣本所處的某一特定環(huán)境溫度。?測(cè)量與設(shè)備?計(jì)量技術(shù)2005?No8?19??在間接測(cè)量中由其

7、他量!求被測(cè)量!時(shí)是利用它們之間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算的。函數(shù)關(guān)系是確定的映射關(guān)系一個(gè)(或一組)其他量!只能求出一個(gè)(或一組)被測(cè)量!。而在軟測(cè)量中由可測(cè)變量!求主導(dǎo)變量!時(shí)是利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)手段進(jìn)行的且一般得到的只能是主導(dǎo)變量!的估計(jì)值。而根據(jù)不同的優(yōu)化準(zhǔn)則、使用不同的數(shù)學(xué)方法由同一個(gè)(或一組)原始數(shù)據(jù)得到的主導(dǎo)變量!可能不同。換句話說在軟測(cè)量中一般不存在像間接測(cè)量中那樣確定的簡(jiǎn)單明了的解析函數(shù)關(guān)系。術(shù)語軟測(cè)量中的軟!字表明了軟測(cè)量是跟計(jì)算

8、機(jī)軟件緊密相關(guān)的。一般來說軟測(cè)量的問題則往往非常復(fù)雜已無法通過簡(jiǎn)單的計(jì)算得到而需要使用比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)方法、借助計(jì)算機(jī)軟件才能實(shí)現(xiàn)對(duì)主導(dǎo)變量的估計(jì)。而在間接測(cè)量中往往任務(wù)比較簡(jiǎn)單故無需使用計(jì)算機(jī)軟件。下面從時(shí)代背景、用戶需求、技術(shù)條件以及發(fā)展前景等四個(gè)方面來詳細(xì)說明間接測(cè)量與軟測(cè)量這兩個(gè)概念的區(qū)別。4?1?時(shí)代背景間接測(cè)量的思想自古就有甚至可以說是伴隨著數(shù)學(xué)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(cè)量的一個(gè)典型例子???人們通

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

10、息社會(huì)的形成而出現(xiàn)的。是信息科學(xué)和技術(shù)的產(chǎn)物。4?2?用戶需求在間接測(cè)量中人們所欲測(cè)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(guān)系也是確定的具有簡(jiǎn)潔明了的解析式形式。在上個(gè)世紀(jì)中期之前控制理論尚未形成和應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和測(cè)量能力對(duì)變量的要求也沒有現(xiàn)在這么多、這么復(fù)雜所以使用間接測(cè)量法可基本滿足需求。自從控制理論在上個(gè)世紀(jì)中期以來逐漸形成并應(yīng)用于工業(yè)中之后由于工業(yè)生產(chǎn)過程的不斷復(fù)雜化和自動(dòng)化需要引入各種反饋量和

11、控制量于是對(duì)各種變量加以監(jiān)測(cè)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(cè)的變量但這些變量同時(shí)又是需要加以嚴(yán)格控制、與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)、決定操作過程成敗的重要參數(shù)[13]。典型的例子如:化學(xué)反應(yīng)器中的反應(yīng)速率和反應(yīng)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(jié)晶機(jī)槽內(nèi)的物料成分多相流動(dòng)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(cè)量方法往往是無法測(cè)得這些參數(shù)的。為了解決對(duì)這類變量的檢測(cè)問題軟測(cè)量就得到了廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展。4?3?技術(shù)條件在計(jì)算機(jī)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(cè)量的計(jì)算的復(fù)雜程度自然受到限制。而軟測(cè)量的概念是隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用而產(chǎn)生的。它依托計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力通過建立和求解各種復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型存儲(chǔ)和計(jì)算以前不敢想象的海量數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)了測(cè)量的目的。同時(shí)許多信號(hào)處理理論如快速傅立葉變換、相關(guān)

13、分析、小波分析等也只是在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之后才能逐漸發(fā)揮出越來越大的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)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(fù)雜參數(shù)的更精確以及實(shí)時(shí)性更好的測(cè)量[15]。4?4?發(fā)展前景間接測(cè)量的思想可以說已經(jīng)滲入到測(cè)量者的潛意識(shí)中它在測(cè)量的各個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用但已鮮見有突破性的進(jìn)展。軟測(cè)量技術(shù)已渡過其發(fā)展的早期階段正在經(jīng)歷從個(gè)別到廣泛、從靜態(tài)到動(dòng)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(cè)量