VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ В ИНФОРМАЦИОННО – ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

Вопросы метрологического обеспечения (МО) средств измерений (СИ) с каждым днем приобретают все большую актуальность, но наиболее остро эти вопросы встают при МО измерительных систем (ИС), как локальных, так и глобальных. Сложность МО ИС заключается в том, что у пользователей ИС, стремящихся к постоянному улучшению, ежедневно возникают желания возложить на ИС все новые и новые функции, что приводит к постоянной непрекращающейся модернизации ИС. В связи с постоянным техническим прогрессом, нормативная документация и различные методические документы не успевают усовершенствоваться и идти в ногу со временем, что приводит к большим трудностям при МО ИС [1].

В соответствии с ГОСТ Р 8.596-2002 [2] под ИС понимается совокупность измерительных, связующих, вычислительных компонентов, образующих измерительные каналы (ИК), и вспомогательных устройств (компонентов ИС), функционирующих как единое целое, предназначенной для:

– получения информации о состоянии объекта с помощью измерительных преобразований в общем случае множества изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин, характеризующих это состояние;

– обработки результатов измерений;

– регистрации и индикации результатов измерений и результатов их обработки;

– преобразования этих данных в выходные сигналы системы в разных целях.

Общая структурная схема ИС представлена на рис.1. Здесь ПИП – первичный измерительный преобразователь; ПР ПР – промежуточный преобразователь; ППК - программируемый комплекс; ИВК – измерительно-вычислительный комплекс.

Рисунок 1 - Общая структурная схема ИС [1]

ИС являются разновидностью средств измерений и на них распространяются все общие требования к средствам измерений.

Метрологическое обеспечение ИС включает в себя следующие виды деятельности:

• нормирование, расчёт метрологических характеристик измерительных каналов ИС;

• метрологическая экспертиза технической документации на ИС;

• испытания ИС с целью утверждения типа; утверждение типа ИС и испытания на соответствие утверждённому типу;

• сертификация ИС;

• поверка и калибровка ИС;

• метрологический надзор за выпуском, монтажом, наладкой, состоянием и применением ИС.

На сегодняшний день в ИС остаются актуальными следующие вопросы, которые требуют решения:

- низкая контролепригодность ИС, следствием которой является очевидное противоречие: мощные возможности автоматизации самой ИС, с одной стороны, и большой объем непроизводительного ручного труда при испытаниях ИС - с другой;

- недопустимость не только демонтажа некоторых компонентов для проведения поверки в нормальных условиях, но даже временной остановки части ИК ИС для проведения технического обслуживания;

- реализация функций ИС на время контроля ее МХ;

- противоречие между модернизацией и статусом ИС;

- нормирование метрологических характеристик (МХ) ИК и методы нормирования МХ ИК;

- упрощение процедуры утверждения типа ИС после её модернизации и расширения;

- проблема оформления результатов первичной поверки после ремонта;

- проблема МО ПО ИС;

- решение вопросов метрологической аттестации алгоритмов и программ;

- проблема назначения и корректировки межповерочных интервалов ИС и т.д.

Далее рассмотрим более подробно проблемы нормирования и расчета МХ ИК.

Под нормированием МХ понимается установление границ на допустимые отклонения реальных МХ СИ от их номинальных значений. Только посредством нормирования МХ можно добиться их взаимозаменяемости и обеспечить единство измерений. Реальные значения МХ определяют при изготовлении СИ и затем проверяют периодически во время эксплуатации. Если при этом хотя бы одна из МХ выходит за установленные границы, то такое СИ либо подвергают регулировке, либо изымают из обращения.

В соответствии с ГОСТ 8.009-84 [3] для СИ нормируются основная (в нормальных условиях) и дополнительные (как функции влияния влияющих величин) погрешности, теоретически для многих типов ИК ИС (реализующих, например, прямые методы измерений) могут быть рассчитаны MX по МИ 222-80 и МИ 2168-91 и установлены соответствующие для них нормы. Однако данных, требуемых для расчёта, на практике обычно недостаточно.

Проблема заключается в том, что:

1) Нормирование MX СИ может отличаться как по номенклатуре характеристик и способам их нормирования, так и по совокупности подлежащих нормированию функций влияния влияющих величин;

2) Нормирование дополнительных погрешностей СИ проводится лишь для ограниченного числа влияющих величин, воздействие же части влияющих величин не учитывается. Другими словами, отсутствие тех или иных функций влияния в номенклатуре нормируемых MX СИ не говорит о том, что такое влияние действительно отсутствует (или пренебрежимо мало). При этом воздействие влияющих величин проверяется лишь при типовых испытаниях на ограниченном количестве образцов и при эксплуатации более не проверяется. При этом результаты типовых испытаний распространяются на все СИ данного типа, выпускаемые данным изготовителем в течение следующих нескольких лет. Очевидно, что достоверность таких функций влияния весьма и весьма невысока;

3) Нормирование функций влияния осуществляется лишь для величин, действующих на СИ отдельно, хотя, в действительности, они воздействуют одновременно. Возникающая при указанных причинах погрешность адекватности модели (от взаимного влияния факторов) не учитывается (и не оценивается) в действующем документе РД 50-453-84, а потому не позволяет достоверно рассчитать погрешность СИ в фактически сложившихся рабочих условиях эксплуатации.

4) Территориальная распределенность ИС приводит к тому, что её измерительные компоненты могут находиться в различных индивидуальных для каждою компонента условиях эксплуатации. Вместе с тем методы расчёта погрешности должны учитывать возможную корреляцию изменений самих влияющих величин, воздействующих на различные компоненты ИК ИС.

5) Иногда возникают ситуации, когда в состав ИК ИС требуется включить СИ, не утверждённых типов. Тогда, в этом случае, логично утверждение как типа СИ в составе ИК, но эта процедура не регламентирована в нормативных документах НД. На практике применяется.

6) В рекомендации МИ 2439 в качестве МХ ИК (нормируемых или определяемых расчетом) требуется указывать характеристики линии связи, если она не входит в состав комплектующих компонентов ИС при выпуске с завода-изготовителя и появляется как компонент ИС только при монтаже на объекте. В настоящее время отсутствует единый подход к оценке границ погрешности, вносимой в результат измерений различными типами линий связи и каналообразующей аппаратурой (проводная ЛС, телефонная ЛС, радиоканал и т.д.).

7) Не регламентированы требования, предъявляемые к системам обеспечения единого времени (СОЕВ) и способы реализации СОЕВ (по сигналам системы GPS (Global Positioning System), с использованием эталонных сигналов времени передаваемым радиостанциями государственной службы времени и частоты РФ и т.д.).

Рисунок 2 – Структурная схема программного обеспечения

АТТЕСТАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ В ЦЕЛЯХ УТВЕРЖДЕНИЯ ТИПА

В 21 веке быстрыми темпами развиваются информационные технологии, и естественно, в области измерений сегодня, за редким исключением, в средствах измерении (СИ) в той или иной мере используется программное обеспечение. При этом наблюдается устойчивая тенденция к возрастанию сложности ПО при одновременной миниатюризации программной части и «проникновения её в тело» самого измерительного прибора [4].

Диапазон применения и уровень сложности ПО, используемого в современных СИ, варьируются в очень широких пределах в зависимости от архитектуры построения СИ.

Естественно, что ПО, являясь неотъемлемой составной частью самого СИ, при утверждении типа СИ должно быть объектом соответствующей проверки (анализа и тестирования). При этом должна проводиться проверка идентификации ПО и защиты ПО от случайных и преднамеренных изменений, которые могут исказить результаты измерений, выполняемых данными СИ.

Проблеме установления требований к ПО СИ и методам его проверки уделяется серьёзное внимание в законодательной метрологии. В том числе, обеспечение защиты ПО СИ установлено требованиями к СИ в статье 9 Закона Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений».

Глубина и детализация процедур проверки ПО, естественно, должны зависеть от следующих основных факторов:

• степень риска повреждения (искажения) ПО в результате непреднамеренных или преднамеренных вмешательств;

• уровень ответственности за достоверность результатов измерений, выполняемых данными СИ, и значимость этих результатов (экономическая, социальная или др.)

Имеется целый ряд международных и отечественных нормативных документов, устанавливающие требования к ПО СИ и его проверке, и их сравнительный анализ.

Работы в области законодательной метрологии, направленные на создание документов (рекомендаций), устанавливающих требования к ПО СИ, методам его тестирования, активно ведутся с начала 21 века. При этом, естественно, в значительной мере используются документы, разработанные ИСО и МЭК в области информационных технологий, так как проблема защиты ПО имеет, в основном, общий характер для всех технических средств.

К настоящему времени выпущены соответствующие документы международных метрологических организаций, из которых наибольше внимание заслуживают следующие:

• документ Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ) – OIML D31, Edition 2008(E) «General requirements for software controlled measuring instruments» [5];

• документ Европейской организации по законодательной метрологии WELMEC 7.2 Issue 4.2009 «Software Guide (Measuring Instruments Directive 2004/22/EC)» [6];

• документ рабочей группы WP2 программы «European Research Program for Competitive and Sustainable Growth» под названием «MID Software Work Package 2. Methods for Validation and Testing of Software. Revision 29 September 2004» [7].

Региональной метрологической организацией КООМЕТ, членом которой является Россия, выпущена рекомендация COOMET R/LM10-2004 «Программное обеспечение средства измерений. Общие технические требования».[8]

В России выпущена Рекомендация ВНИИМС МИ 3286-2010 «Рекомендация. Проверка защиты программного обеспечения и определение её уровня при испытаниях средств измерений в целях утверждения типа» [9], которая в основном содержит положения, изложенные в выпущенных ранее документах [10,11].

Основные качественные характеристики, перечисленных выше документов по оценке Д.Р. Васильева [4], представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные качественные характеристики документов [4].

Характеристика	Сокращённое наименование и ссылка в библиографии
	OIMLD 31[5]	WELMEC 7.2[6]	MIDSoftwareWP2[7]	COOMETR/LM10[8]	МИ 3286-2010[9]
Объём страниц	50	120	35	10	20
Ясность изложения	хорошо	Хорошо	отлично	отлично	удовлетворительно
Назначение и адресация	технические комитеты МОЗМ	разработчики, испытательные лаборатории	разработчики, испытательные лаборатории	разработчики, испытательные лаборатории	Нет однозначного указания
Статус	рекомендация	рекомендация	рекомендация	рекомендация	рекомендация
Оценка описания терминологии	высокая	Средняя	раздел отсутствует	высокая	раздел отсутствует
Классификация СИ по характеру ПО	нет	два класса	два класса	нет	нет
Требования по уровню защиты ПО	два уровня	три уровня	ссылка на [4]	три уровня	три уровня
Требования по уровню проверки ПО	ПО обозначены косвенным образом	три уровня	ссылка на [4]	три уровня	обозначены косвенным образом
Требования соответствия утверждённому типу СИ	обозначены косвенным образом	три уровня	ссылка на [4]	три уровня	нет
Уровень полноты и детализации процедур проверки
а) документация	средний	высокий	высокий	нет	средний
b) идентификация	высокий	высокий	высокий	нет	средний
с) защита ПО от непреднамеренных изменений	средний	высокий	средний	нет	низкий
d) защита ПО от преднамеренных изменений	высокий	высокий	средний	нет	средний
Уровень детализации проверок при наличии дополнительных требований к ПО
а) хранение измерительной информации	высокий	высокий	средний	нет	нет
b) передача измерительной информации через интерфейсы	высокий	высокий	средний	нет	средний
c) разделение ПО	высокий	высокий	средний	нет	средний
d) обновление ПО	высокий	высокий	средний	нет	нет
Указания по проверке видов СИ	нет	есть по 10 видам	нет	нет	нет
Наличие примера акта испытаний	средний	высокий	нет	нет	нет
Наличие примера протокола испытаний	средний	высокий	нет	нет	нет

*Специальные требования для конкретных видов средств измерений

В рекомендации WELMEC 7.2 рассмотрены 10 видов, которые перечислены в Директиве Европейского союза по средствам измерений 2004/22/ЕС, широко известной под сокращённым наименованием «MID». Для них, за исключением нескольких позиций, по которым документы ещё находятся в стадии разработки, изложены специфические требования и процедуры проверки ПО СИ.

ТРЕБОВАНИЯ К ПРОГРАММНОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ СИ

Руководство WELMEC 7.2 [6] организовано как структурированный набор блоков требований. Из общей структуры Руководства следует классификация СИ на основе базовых конфигураций и классификация так называемых IT конфигураций. Набор требований дополняется специальными требованиями к СИ. Следовательно, имеется три типа наборов требований:

1. требования для двух основных конфигураций СИ (названных типами P и U);

2. требования для четырех IT конфигураций (названных Приложениями L, T, S и D);

3. специальные требования к СИ (названные Приложениями I.1, I.2).

Первый тип требований применим ко всем СИ. Второй тип требований имеет отношение к следующим функциям, предусмотренным информационными технологиями: долговременная сохранение данных измерений (L), передача данных измерений (T), программная загрузка (D) и программное разделение (S). Каждый набор требований используется только в том случае, если соответствующая функция существует. Последний тип - набор дополнительных специальных требований к СИ. Нумерация следует за нумерацией дополнений в MID, относящихся к специальным требованиям к СИ. Каким образом набор блоков требований должен применяться к данному СИ, схематически показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Типы наборов требований, которые должны применяться к СИ[6].

Следующий рисунок 4 показывает, какие наборы требований существуют.

В дополнение к описанной структуре, требования этого Руководства различаются в соответствии с классами риска. Вводятся шесть классов риска, обозначаемые буквами от А до F в направлении повышения риска. Низший класс риска А и высший класс F не рассматриваются. Они вводятся для возможного случая в будущем, когда они могут понадобиться. Остальные классы риска от B до E перекрывают все классы СИ, попадающие под регулирование MID. Более того, они обеспечивают достаточное поле возможностей в случае изменения оценок риска. Классы определены в главе 11 этого руководства, которая носит только информационный характер.

Для каждого СИ должна быть произведена оценка класса риска, потому что конкретные требования к ПО определяются, прежде всего, классом риска, присущим прибору.

Каждый блок требований содержит отчетливо выраженное требование. Он состоит из текста, поясняющего определения и разъясняющего специальные примечания из предусмотренной документации, руководства по подтверждению и примеров приемлемых решений (если они имеются). Содержимое блока требований может подразделяться в соответствии с классами риска. Схематическое представление блока требований показано на рисунке 5.

Название требования
Главное содержание требования (возможно различающееся в соответствии с классами риска)
Специальные примечания (область применения, дополнительные пояснения, исключительные случаи и т.п.)
Предусмотренная документация (возможно различающаяся в соответствии с классами риска)
Руководство по подтверждению для одного класса риска	Руководство по подтверждению для другого класса риска	…
Пример приемлемых решений для одного класса риска	Пример приемлемых решений для другого класса риска	…

Рисунок 5 – Структура блока требований [6].

Блок требований представляет собой техническое содержание требования, включая Руководство по подтверждению. Блок адресован как изготовителю, так и уполномоченным органам (организациям) с двумя целями: (1) чтобы рассматривать это требование как минимальное условие, и (2) не налагать какие-то дополнительные требования.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Я.А. Маркина «Проблемы метрологического обеспечения измерительных систем». Статья. URL:

http://www.lib.tpu.ru/fulltext/v/Conferences/2012/C2/V3/v3_047.pdf

1. ГОСТ Р 8.596-2002 ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Общие положения. – М.: Изд-во стандартов, 2002. – 4 с., 11 с.

2. ГОСТ 8.009-84 ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. – Введ. 1986 – 01 – 01. – М.: Стандартинформ, 2006 – 26 с.

3. Д.Р. Васильев «Проверка программного обеспечения средств измерений при испытаниях в целях утверждения типа (в порядке дискуссии)». Статья. З и ПМ №2 – 2011

4. OIML D 31 Edition 2008 (E) General requirements for software controlled measuring instruments. (Общие требования к программному обеспечению, контролирующему средства измерений)

5. WELMEC 7.2. Issue 1. Software Guide (Measuring Instruments Directive 2004/22/EC) May 2005. (Руководство по программному обеспечению (Директива 2004.22.ЕС на средства измерений))

6. «MID Software Work Package 2. Methods for Validation and Testing of Software. Revision 29 September 2004». URL:

http://www.welmecwg7.ptb.de/Guides/MID-SW-Report-Validation_Testing.pdf

1. COOMET R/LM10:2004 «Программное обеспечение средства измерений. Общие технические требования». URL:

http://www.coomet.org/RU/doc/r10_2004.pdf

1. МИ 3286-2010 «Рекомендация. Проверка защиты программного обеспечения и определение её уровня при испытаниях средств измерений в целях утверждения типа». URL:

http://www.vniims.ru/download/MI_3286_2010.pdf

1. МИ 2955-2010 «Рекомендация. Типовая методика аттестации программного обеспечения средств измерений». URL:

http://www.vniims.ru/download/MI_2955_2010.pdf

1. ГОСТ Р 8.654-2009 «ГСИ. Требования к программному обеспечению средств измерений». URL:

http://www.vniims.ru/download/gost_8_654_2009.pdf

Код для цитирования: Скопировать