Диагностика: точная классификация – крах метрологии

Ян Крохин

Аннотация: Обосновано применение систем диагностики взамен систем контроля.

Diagnostics: exact categorization is a ruin to metrologies

Yan Krokhin

The Abstract: is motivated using the systems of the diagnostics instead of checking systems.

Математическим описанием преобразования сигналов в диагностике является классификация – разбиение множества на непересекающиеся классы [1]. Класс – синоним термина «множество». В итоге – диагностика классифицирует множество (многопараметрическое измерение объекта) на непересекающиеся подмножества (параметры).

Определяющим здесь служит слово „непересекающиеся”. Теоретически полное разделение невозможно. Это наглядно демонстрирует сортировка [2] – разделение элементов на основании определенных правил. Сорт продукции [3] – градация продукции определенного вида по одному или нескольким показателям качества, установленная нормативной документацией. Всегда существует конечная вероятность перехода продукции любой градации в соседнюю. Отсюда вытекает метрологическая фетишизация погрешностей измерений. Погрешности – причина многих бед метрологии и всех наук, использующих в качестве исходных данных результаты измерений. В тех случаях, когда нежелательные переходы замечаемы, их упоминают неконтролируемыми ограничениями типа «доверительный интервал – доверительная вероятность» [4], преимущественно при однопараметрической сортировке. При допусковом контроле [5] многопараметрических объектов не замечают «брак» по отдельным параметрам, не говоря уже о «браке» по изделию в целом из-за опасного сочетания якобы годных параметров. «Пропуск брака» вызывает аварии и катастрофы эксплуатации на основе сортировки, зато упрощает метрологические допусковые приемо-сдаточные испытания [3] продукции.

«Метрология – наука об измерениях» [6]. «Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств» [2]. А между тем конечной задачей метрологии является не столько нахождение значения, сколько сортировка сразу многих физических величин. Все технические измерения сортируют продукцию на «годен» и «брак»…по изделию в целом, о чем часто забывают. Измерение одного параметра – это измерение, измерение сразу многих параметров – это сортировка. Качество сортировки определяют погрешности измерения. При многопараметрических измерениях погрешность растет [7], для сложных изделий (сотни и тысячи параметров) – значительно [8]. Статистическая изменчивость погрешности метрологической сортировки приводят к авариям и катастрофам техники, что, например, подтверждают «вечные» падения самолетов [9]. Т.о. органической бедой метрологии являются погрешности измерений, из-за чего практически невозможно разделение продукции по непересекающимся градациям.

Аварии и катастрофы техники будут устранены, возможно, различными путями. Но прогнозы развития науки – слишком сложная задача. Проще воспользоваться новой отраслью знаний – диагностикой [9] – которая, как ожидается, с ликвидацией аварий справляется. Предусмотрен ряд мер, последовательно убирающих все промахи метрологии. Диагностика – тоже в некоторой степени измерение. Там, где метрология заканчивает измерять, диагностика только начинает «измерение». Терминологически метрология измеряет преимущественно одиночные физические параметры, диагностика классифицирует практически точно многопараметрические объекты, «измеряя», при необходимости, истинные [6] значения параметров. Истинная задача метрологии и диагностики – сортировка или классификация – согласуется с принципом «все параметры – один результат» [9].

Катастрофы техники происходят с отдельными конкретными изделиями, а не «в среднем» на 100 или 1000 экземпляров эксплуатируемой продукции. Поэтому здесь не годятся оценки на основе распределений [10] всего объема эксплуатации, всевозможные ошибки 1-го и 2-го рода [5]. Хотя они (по крайней мере – в прошлом) оговаривались как нормы технических условий (ТУ) [3], декларативность этой нормы подтверждалась невозможностью ее проверки ввиду огромных и нечетких погрешностей измерения. Из-за чего распределения не могут фигурировать нормами ТУ изделий.

Ограничения вроде «доверительный интервал – доверительная вероятность» - тоже на основе распределений. Поэтому они тоже не проверяемы. На конкретных значениях пары «интервал – вероятность» сказывается число обращений к распределению, т.е. растущее произведение числа изделий на время их эксплуатации. Под этим углом зрения следует рассматривать непересекающиеся градации или классы при сортировке. Расчеты [8] демонстрируют, по крайней мере, стократный дефицит точности сортировки измерениями при однократном контроле всех параметров одного изделия. В эксплуатации контроль всей продукции много раз повторяют, поэтому доверительная вероятность аварии будет существенно выше ее однократной оценки.

Диагностика учреждает столь малую погрешность классификации, что ее не стыдно бы внести проверяемой нормой ТУ. Но не вносит ввиду ее очевидности и отсутствия в разделе «Методы проверки» диагностических ТУ требований к точности измерений. В терминах «доверительный интервал – доверительная вероятность» достигается практически нулевая (теоретически это невозможно) вероятность аварии, намного меньшая вероятности ошибок сортировки. В свете диагностики метрологическая сортировка (например, косвенное измерение [7]) не верна, в корне ошибочна. Расчетная погрешность косвенного измерения с ростом числа параметров неуклонно растет [7]. В качестве расчетной модели неосторожно принята сумма независимых случайных величин – распределений погрешностей измерения параметров. Сумма, как ей и полагается, растет. А погрешность классификации – падает. Очевидно, за всю историю метрологии никто ни разу не удосужился тщательно экспериментально проверить этот факт.

Как оказалось, погрешность косвенного измерения, как и любого многопараметрического измерения, не сумма слагаемых, а произведение сомножителей [9]. Сомножителями служит одна из форм распределения (погрешностей измерения) – интегральная функция распределения (ИФР) [10]. Произведение любого числа ИФР есть ИФР погрешности сортировки или классификации. Ее среднее значение (математическое ожидание) служит оценкой погрешности состояния [9] классифицируемого множества – всех параметров объекта. Независимые ИФР в произведении взаимодействуют друг с другом, из-за чего ИФР результата предсказуемо смещается вправо [11], что рассматривается как ее систематическая погрешность [12]. Как обычно, систематическую погрешность исключают, иначе она может искажать результат при его экспериментальной проверке.

Сверхвысокая точность «измерений» достигается компьютерной обработкой измерений, а не каторжным совершенствованием методов и средств измерений. Физическим обоснованием «измерений» служит точность многомерной (см. [13], гиперповерхность) совокупности измерений, основанной на вычислении состояния. Точность метрологической шкалы можно представить числом различимых на ней точек. При переходе в многомерное пространство точность результата (состояния) растет как произведение точностей параметров. Так, число различимых кубов в объеме много больше, чем число столь же различимых квадратов – на плоскости. Избыточная точность конвертируется в невиданно малую погрешность «измерения» параметров, исключающую, в частности, аварии и катастрофы техники по вине ошибок оценки состояния. Диагностическая погрешность зависит от приближенного интегрирования [13] выборок из многомерных ИФР состояния, т.е. от компьютера, а не от прецизионных средств измерений [12]. Вероятно, дальнейшее совершенствование измерительных приборов бесполезно. Дешевле создавать их со встроенным миникомпьютером, как в мобильных телефонах.

Нелишне отметить крайнюю экономичность диагностики относительно метрологических исходных данных. Точные значения состояния и параметров получают сразу после каждого разового (!) измерения параметров. Использование стандартной формы ИФР [10] (стандартное отклонение σ = 1) допускает стандартизацию решений диагностической модели в зависимости от числа параметров, сводя дополнительные вычисления «измерений» к умножению и делению при масштабировании стандартных отклонений до фактических значений среднеквадратичных отклонений погрешностей параметров. Погрешности измерений – святая святых метрологии. Ввиду малости диагностика их даже не упоминает в ТУ изделий.

Эксплуатация продукции на основе метрологических измерений (в частности – контроль) заменяется диагностической эксплуатацией без отказов [3] и аварий из-за опасного сочетания параметров. Просмотреть все сочетания с точки зрения безопасности человек не может. Компьютер тоже – из-за отсутствия соответствующих программ. Но есть одно, единственное сочетание – из n параметров по n, которое доступно компьютеру. Исходное состояние объекта, вычисленное по всем его n параметрам сразу, фактически учитывает требования безопасности в том виде, в каком оно существует в представлениях изготовителя изделия: в виде заводской настройки параметров. Исходное состояние поддерживается в течение всего времени эксплуатации, от выпуска до списания изделия. Безопасные нормы предельных отклонений параметра от исходного состояния выбирают, исходя из тех же представлений. Ничего другого для сложных изделий, по-видимому, пока нет.

Диагностическая эксплуатация создает новую технологию эксплуатации изделий. Новая технология знаменует отказ от таких привычных понятий, как срок гарантии, гарантийный ремонт, плановый ремонт, капитальный ремонт, назначенный ресурс, технический ресурс и т.д. [3]. Есть просто другой, новый способ эксплуатации изделия – автомобиля, самолета, АЭС, локатора, танка и пр. В способе на основе диагностики поддерживают исходное состояние параметров [11] объекта (заводскую настройку) «измерениями» и минимально-упреждающими ремонтно-профилактическими работами (см. [3], профилактический текущий ремонт). Есть текущий прогноз [11] расходов. И право потребителя решать, что ему выгоднее – продолжать эксплуатацию или заменить изделие новым (еще одно проявление принципа «все параметры – один результат»). И нет никакой теории надежности – усредненной статистики отказов: при новом способе эксплуатации нет отказов [9, 11] изделия, не требуется и теория отказов.

По-видимому, точность и погрешность метрологии связаны обратно-пропорциональной зависимостью. «Считается, что чем меньше погрешность измерений, тем больше его точность», «характеристика качества измерений…» [12]. Качественная или количественная характеристика диагностики? Особенно если учесть необязательность приведения в ТУ погрешностей «измерений». Тем более, что, как выяснилось, точность определяется двумя компонентами: погрешностями измерения и приближениями математических вычислений. «Измерения» одновременно не менее двух – трех параметров органически точны. Теоретически точность «измерений» беспредельна. Предстоит выяснить ее практические пределы при создании взамен устаревших систем контроля (СК) [5] систем диагностики (СД). Отличие их в том, что диагностика точно прогнозирует отказы до их появления в изделиях, тогда как контроль устраняет отказы после их возникновения в изделиях, да еще и с ошибками. Т.о. СД обслуживает «вечно» исправную продукцию, тогда как удел СК, даже по замыслу – неисправности. В итоге под СК понимаются все сегодняшние вспомогательные методы эксплуатационного обслуживания изделия.

До сих пор обсуждались аспекты технической диагностики. Наряду с ней вводится медицинская, гуманитарная [11] и прочие диагностики [14]. Общим для них признаком является сверхвысокая точность «измерений» и, соответственно, сегодняшнее ошибочное исчисление погрешностей измерений при игнорировании качества сортировки. Для обоснованного прогноза СД потребуется оценка диагностик относительно СК как инструмента реализации принципа «все параметры – один результат».

Метрология, по-видимому, начиналась с дикой СК, сначала - без измерительных приборов, которые появились позднее. Понятие „точность измерения” сопутствует приборам, но функции сортировки нет, она заменяется домысливанием результата, иногда - с решением многопараметрической логической задачи. Чудо метрологии – СК – родилась в середине прошлого века. От дикой СК ее отличают лампочки «годен» и «брак», исключающие домысливание результата.

Задачей медицинской диагностики является постановка диагноза. Ее аппаратурное решение – на уровне дикой СК: данные анализов и анамнезы домысливают на основе интуиции врачей, в последнее время – с помощью компьютерной логики [15]. На погрешности параметров внимание не обращают, потому погрешности сортировки не контролируются, из-за чего возможны ошибочные диагнозы вместо истинных. А там, где речь идет о здоровье человека, это запрещено.

Гуманитарная диагностика во многом похожа на медицинскую. Сегодня она тоже реализуется дикой СК со всеми ее недочетами [15]. Так, например, при предотвращении аварий и ЧП на потенциально-опасных объектах какой-либо риск недопустим. Что это за Кризисные центры, которые рассчитывают конечную вероятность катастроф? Разве не было Чернобыля?

В технике реализация метрологии как применение дикой или «цивилизованной» СК наносит, по-видимому, наибольший ущерб по сравнению с иными использованиями СК. Вот некоторые характеристики размера бедствия.

Конечная вероятность отказов, аварий и катастроф продукции предусмотрена конструкторской документацией изделий, фактически заложена в нее. Появление брака в эксплуатации – свидетельство безуспешности огромных аппаратов технического контроля и военной приемки заводов, технического обслуживания продукции в войсках. Расточительны периодические испытания [3], предписывающие расход изделий из-за недоверия к контролю. По тем же причинам злоупотребляют учениями войск вместо работы на тренажерах.

По итогам ресурсных испытаний (с помощью СК) [3] делается легкомысленный вывод о возможности «продления ресурса» (?) ракет класса «воздух – воздух». Очевидно, назначенный ресурс [3] «цельнотянутого» изделия может быть увеличен, особенно если его определять по пуску ракеты, а не при поражении цели. Индивидуальный технический ресурс [3] определяет диагностика с помощью точного прогноза.

Все метрологические стандарты только декларируют единство измерений [12]; оно не выдерживается при двух и более параметрах. Все стандарты, в том числе – международные, навязывают СК, потому что не знают ничего другого. Из-за этого падают с неба самолеты [8], взрываются склады старого оружейного хлама [16], обрушаются крыши общественных новостроек, происходят железнодорожные катастрофы [14] и т.д.

Эти не очень мелкие недочеты ликвидирует доработка систем контроля до систем диагностики. СД создают полную безопасность эксплуатации искусственно безотказной техники. Разве что они, по-видимому, не скажутся на защите самолетов от террористов. Но не пропустят на борт контроль – главного террориста, пока успешно маскирующегося под безобидную метрологию.

Источники информации

1. Каазик Ю.Я. Математический словарь. – Таллин: Валгус, 1985. – 296 с.

2. Корнеева Т.В. Толковый словарь по метрологии, измерительной технике и управлению качеством. – М. – Русский язык, 1990. – 462 с.

3. Качество продукции, испытания, сертификация. Терминология: Справочное пособие. – Вып. 4. – М.: Издательство стандартов, 1989. – 144 с.

4. Абергауз Г.Г. и др. Справочник по вероятностным расчетам. – М.: Воениздат, 1970. – 536 с

5. Автоматическая аппаратура контроля /под ред. Н.Н.Пономарева. – М.: Сов. Радио, 1973. – 328 с.

6. ДСТУ 2681-94. Метрологія. Терміни та визначення. Чинний з 01.01.1995.

7. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. – М.: Мир, 1985. – 272 c.

8. Крохин Я.А., Козаневич З.Я. Групповая точность и ее последствия. www.krokhin.com

9. Крохин Я.А., Козаневич З.Я. Введение в диагностику. www.krokhin.com

10. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 1. – М.: Сов. Радио, 1966. – 728 с.

11. Крохин Я.А. Диагноз. www.krokhin.com

12. Юдин М.Ф., Селиванов М.Н., Тищенко О.Ф., Скороходов А.И. Основные термины в области метрологии. Словарь-справочник. – М.: Издательство стандартов, 1989. – 113 с.

13. Микиша А.М., Орлов В.Б. Толковый математический словарь. Основные термины. – М.: Рус. яз., 1989. – 244 с.

14. Крохин Я.А. Исчисление распределений. www.krokhin.com

15. Доповіді на конференції//Зб. Системи підтримки прийняття рішень. Теорія і практика. – Київ: 2006, 2007 та 2008.

16. Крохин Я.А. Фактометрия. Техногенные катастрофы между прошлым и будущим. – Киев.: Логос, 2004. – 96 с.

Сентябрь 2008