В статье рассматриваются проблемы формирования ложных спектральных отображений динамических нагрузок в информационно-измерительных системах контроля безопасности объектов техносферы. Анализируется процесс формирования опасных спектральных, амплитудных и фазовых искажений в результате применения цифровых технологий преобразования, передачи и первичной обработки исходной физической информации. Представлены результаты сравнительного анализа спектров исходных аналоговых и цифровых отображений динамических параметров безопасности объектов техносферы. Показано наличие аналогичных фантомных эффектов как в цифровых системах многоканального мониторинга, так и в программных комплексах проектного и научного моделирования полей динамических нагрузок в пространстве объектов техносферы.
мониторинг безопасности, многоканальный мониторинг, численное проектное моделирование, научное компьютерное моделирование, многомерные процессы, многомерные объекты, поля нагрузок, решетчатые функции, оконные функции, дискретное преобразование Фурье, искажение амплитуды, фантомная модуляция частоты, искажение фазы.
1. Введение в проблему
В настоящее время цифровые технологии измерения, передачи и обработки физической информации и виртуального моделирования заняли доминирующие позиции в информационно-измерительных системах безопасности объектов техносферы. Самым ответственным, в метрологическом плане, направлением внедрения цифровых технологий стали многоканальные системы измерения полей распределения динамических нагрузок в пространственных конструкциях объектов техносферы. Эта ответственность возрастает в силу последствий [1–3], в результате метрологического «сбоя» применяемого инструмента. В многоканальных системах мониторинга метрологические «сбои» проявляются в виде амплитудных и фазовых искажений в широкой полосе частот, которые не позволяют восстановить истинные значения направления и модуля векторных нагрузок.
Самым сложным и ответственным этапом применения цифровых систем и инструментов является процесс дискретизации. На этом этапе многоканального мониторинга существенно возрастает риск формирования опасных спектральных искажений. Следует отдать должное основоположникам цифровых технологий, которые тщательно анализировали сопутствующие метрологические проблемы применения цифровых технологий [4].
2. Спектральный анализ процесса дискретизации контролируемых параметров.
Рассмотрим ряд важных проблем, связанных с «рождением» спектральных «фантомов» на этапе дискретизации аналоговых или непрерывных функций, которые имеют место как при дискретизации функции нагрузки во времени [5], так и при построении сетки контрольных точек пространственного контроля параметров динамических нагрузок на объектах техносферы, или сетки узлов в конечно-элементных и конечно-разностных методах проектного моделирования, или сетки мониторинга природных или техногенных трехмерных процессов [6]. Теория рождения спектральных фантомов имеет непосредственное отношение к теории построения решетчатых функций или отображения аналоговых (непрерывных) функций. Не обнаруживая явных проблем в амплитудно-временом представлении решетчатых отображений оригиналов «аналоговых» функций, в спектральных Фурье-образах этих функций проявляется существенное отличие спектра оригинала от спектра решетчатого представления.
1. Подувальцев В.В. О метрологической экспертизе и наиболее насущных проблемах метрологического обеспечения // Наука и Образование: электронное научно-техническое издание. - 2012. Выпуск 2. - http://technomag.edu.ru/doc/327076.html.
2. Киселёв М.И., Подувальцев В.В., Хлыстунов М.С. Проблемы метрологического обеспечения объектов техносферы, строительной науки и практики // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. - 2011. - Выпуск 12. - http://technomag.edu.ru/doc/ 252086.html.
3. Исаев Л.К. и др. Метрологическое обеспечение систем промышленной безопасности потенциально опасных объектов // Измерительная техника. - 2011. - № 8. - С. 57-60.
4. Nyquist H. Certain topics in telegraph transmission theory. N.-Y.: Trans. AIEE. - Vol. 47, Apr. 1928. - Р. 617-644.
5. Савостьянов В.Н., Немчинов В.В., Хлыстунов М.С., Могилюк Ж.Г. Оценка динамической погрешности разностных схем численного моделирования в решениях задач механики твердого тела // Вестник МГСУ. - №2, т. 2. - С. 184.
6. Хлыстунов М.С., Могилюк Ж.Г. Проектная оценка, мониторинг и прогноз эволюции геодеформационных рисков неравномерных осадок зданий и сооружений методами динамической теории упругости с использованием программно-алгоритмического комплекса «Композит-7» // Труды Международной конференции «Повышение безопасности зданий и сооружений в процессе строительства и эксплуатации», 9-10 июня 2009 г. - С. 36-40.
7. Козлов Е.А., Гогоневков Г.Н., Лернер Б.Л. и др. Цифровая обработка сейсмических данных. - М.: Недра, 1976.
8. Хаттон Л., Уердингтон М., Мейкин Дж. Обработка сейсмических данных. Теория и практика / Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.
9. Хлыстунов М.С., Подувальцев В.В., Могилюк Ж.Г. Проблемы достоверности и метрологический анализ спектральных фантомов цифровых технологий // Измерительная техника. Приложение «Метрология». - 2013. - № 7. - С. 8-17.
10. Подувальцев В.В. Законодательная метрология: учебное пособие. - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012.
11. Подувальцев В.В. Об учебном пособии и первом опыте преподавания законодательной метрологии / МГТУ им. Н.Э. Баумана // XII Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и проблемы измерений». Сборник материалов, 2013. - С. 207-210.
