Исследование диалектических аспектов эволюции технологий стандартных интерфейсов автоматизированных измерительных комплексов: историко-системный анализ

Проведен историко-системный анализ развития основных стандартов автоматизированных измерительных комплексов систем связи в сочетании с рассмотрением особенностей функционирования законов диалектики в ходе развития такой частной области теории телекоммуникаций как техническая диагностика. С позиций принципа историзма рассмотрена хронология типизаций решений в процессе проектирования автоматизированных измерительных платформ для систем связи. Представлена иерархическая схема использования научных и технических терминов в ходе поисковых научных исследований, направленных на решение частных задач и проблем определения функциональности и структуры автоматизированных систем технического диагностирования.

 

События прошлого можно изображать в любом масштабе и с любой степенью приближения. Можно представить историю Вселенной на одной странице, а можно описать жизненный путь одного человека в сорока томах. Один из западных историков, специализирующийся на дипломатии 1930-х годов, написал книгу о Мюнхенском кризисе и его последствиях (1938–39 г.), вторая его книга называлась «Последняя неделя мира», а третью он назвал "31 августа 1939 года». Его коллеги — историки напрасно ждали, когда же будет написан завершающий труд — «Минута до полуночи мира» [1, с. 7]. Это пример современного стремления знать все больше и больше о все меньшем и меньшем. Обычно степень приближения увеличивается при переходе к новому и новейшему времени. При исследовании вопросов развития истории техники или, еще более детально, диалектики такого ее направления как телекоммуникации, как правило, пользуются мнением, что «те или иные события не могут стать Историей раньше, чем пройдет полвека», пока не будут доступны документы и временная перспектива не прояснит зрение людей или исследователей.

Информационно-коммуникационная среда, как область техники, с одной стороны, подчиняется законам физики, теории информации, различных разделов математики, с другой стороны — законам развития общества, экономики и культуры. Системы и технологии телекоммуникаций есть совокупность средств труда, создаваемых человеком на основе использования познаваемых им законов природы для удовлетворения материальных и культурных потребностей общества. Отмечая дуализм истории техники вообще, и истории развития телекоммуникационных систем в частности, изучающей закономерности развития технических областей в условиях различных социально-экономических формаций, можно констатировать тот факт, что исследуя структуру и свойства техносферы, ее история носит характер технической науки, а изучая процессы ее развития — характер общественной (гуманитарной) науки. Тем самым можно признать возможность и необходимость более детального исследования проявления законов, принципов и категорий диалектики исторического материализма (рис. 1) в процессе развития технологий интерфейсов измерительных систем, как составной и неотъемлемой области телекоммуникационной среды.

Рис. 1. Основные законы, принципы и категории диалектического материализма

 

В рамках настоящей работы предпринята попытка противостоять распространенным идеям центризма и превалирования какой-либо одной теории развития и обобщения путей эволюции стандартных интерфейсов автоматизированных измерительных комплексов на основе системы взглядов в виде совокупности подходов анализа, систематизации и комплексного применения идеологий развития таких сложных конструкций для обогащения элементов развития методологии истории техники, учета историко-системного анализа стандартных интерфейсов при проектировании высокотехнологичных оболочек и расширения набора инструментов, которыми пользуются исследователи современных телекоммуникационных теорий на основе триады «функция — метод — структура» в функционально-структурном подходе исследования динамично развивающихся сложных технических систем.

Диалектику технологий стандартных интерфейсов измерительных платформ в телекоммуникациях можно воссоздать в виде пространственно-временной сетки, представленной на рисунке 2, на которую впоследствии накладываются конкретные категории, принципы и законы развития, при сведении академического инструментария и аналитических выражений, характеризующих процессы функционирования таких систем к минимуму — для передачи ощущения трудно достижимого целого.

Рис. 2. Пространственно-временное развитие стандартных интерфейсов автоматизированных измерительных комплексов, используемых в телекоммуникационных системах

 

Используя механизмы пуантилизма каждую платформу стандартных интерфейсов измерительных комплексов можно представить в виде набора конкретных капсул–образов, как бы выхваченных при помощи макрообъектива и воссоздающих более мелкие детали, своеобразные области на пути как хронологического потока событий, так и смены аспектов технико-кибернетического подхода при исследовании причин появления и развития таких стандартов.

Для рассмотрения функционирования законов диалектики в области технологий стандартных интерфейсов автоматизированных измерительных комплексов, рассмотрим пример эволюции стандарта GPIB (General Purpose Interface Bus, интерфейсная шина общего назначения). Платформа GPIB (IEEE-488) и соответствующий протокол обмена данными стали широко использоваться в программно-аппаратных комплексах для интеграции персональных компьютеров и рабочих станций с измерительными инструментами (в частности, в автоматизированных системах сбора данных, АСУ и т. д.) в середине 70-х годов [2, с. 103]. По мере проникновения протокола этого стандарта измерительных комплексов в сферу промышленности стало очевидным, что последовательность передачи команд по шине была недостаточно хорошо определена еще на этапе проектирования: со временем, когда количество команд обращения к общему каналу стало возрастать, с одной стороны, число пользователей измерительной информации, передаваемой по тому же каналу, также увеличивалось, с другой стороны, обнаружились явные признаки борьбы противоположностей. Однако, если не анализировать функционирование отдельно автоматизированного измерительного комплекса, и отдельно телекоммуникационного средства, а наблюдать их как элементы одной системы «объект контроля технического состояния — средство измерений», то закон единства и борьбы противоположностей применим к таким сложным технологическим системам. После устранения причин коллизий, возникающих при обращении различных подсистем измерительных комплексов к единственному каналу передачи данных, стандарт был пересмотрен и дополнен в 1987 году (было доработано описание протокола передачи, расширено описание аппаратной части интерфейса и дополнено низкоуровневое взаимодействие с шиной). По сути, проявление первого закона диалектики стало источником появления новых стандартов интерфейсов измерительных комплексов — VXI, PXI и LXI, что представлено на рисунке 3.

Определенный исторический интерес представляет тот факт, что аналогом стандарта GPIB в отечественной промышленности стал канал общего пользования (КОП), появившийся у нас в стране в 1980 году с некоторым запозданием.

Историко-системный анализ при рассмотрении появления и эволюции стандартов GPIB и КОП представляет практический интерес с позиций разных подходов зарубежных и отечественных разработчиков в области проектирования стандартов измерительных платформ. В СССР необходимость поиска сложных, обоснованных и ответственных решений в процессе проектирования таких сложных технических систем вызвало появление новой методологии — методологии проектирования. Именно в 80-х годах проектирование перестало ограничиваться разработкой чертежей той или иной конструкции, которую одобрит заказчик и смогут реализовать производственники. Цель состояла в организации «проектирования как процесса, который определяет изменения в искусственной среде». Большое количество и сложный характер таких изменений, существенная временная дистанция между ними и началом процесса проектирования — все это требовало не только коллективной разработки проектов с участием большого числа специалистов, но и применения новой методологии, где основные задачи перемещались бы из области конкретных объектов телекоммуникаций в сферу анализа и прогнозирования тех изменений, которые вызовет в промышленном производстве, у конечного потребителя выпуск проектируемой продукции.

Рис. 3. Появление стандартов измерительных платформ VXI, PXI и LXI на основе эволюции стандарта GPIB

 

Так, например, опыт организации и проведения НИОКР по разработке ряда образцов техники электросвязи и средств обеспечения их работоспособности, накопленный в 80-е гг. показал, что применение системного подхода, предусматривающего охват максимального числа факторов при поиске оптимального проектно-конструкторского решения, зачастую приводил к тому, что разработчик испытывал трудности, как по срокам выполнения, так и по возможности завершения работы, при этом отказывался от новой прогрессивной методологии, не освоив и не осознав ее принципиальных преимуществ. Как результат — возвращение к традиционным, проверенным временем, методам проектирования, основанным на использовании прототипов, изделий-аналогов, позволяющих создать полуформализованные типовые образцы техники [3, с. 5].

Принципиальный исторический интерес в области проектирования платформ и стандартов измерительных комплексов представляет собой анализ методологических принципов проектирования таких систем, присущих разным научным школам. Так, отечественные специалисты стоят на позиции интенсификации коллективной творческой деятельности посредством «мозговой атаки (штурма)" [4, с. 367]. В свою очередь зарубежные специалисты ориентируются на другой эффективный, с их точки зрения, метод — синетику. Сущность этого подхода заключается в следующем.

С точки зрения формализации деятельности проектировщик рассматривается с двух сторон. С одной стороны, как некий «черный ящик» на выходе которого возникает явление «озарения», открывающее новые пути решения поставленных задач, с другой стороны, как некоторый «прозрачный ящик», в котором происходит логический процесс, полностью поддающийся формализации. Первый из перечисленных аспектов анализа деятельности проектировщика основан на исследованиях психологов и теоретиков проектирования сложных систем — Гордона [5, с. 19], Ньюмена [6, с. 12] и Бродмента [7, с. 23], утверждающих, что причиной негибкости мышления является «груз неразрешенных противоречий». Второй аспект уточняет условия: наличие заранее известных целей, параметров и критериев оценки, последовательной логической обоснованностью результатов предпроектного анализа, наличием некой стратегии проектирования, комбинациями последовательных, параллельных и циклических операций. Результатом таких исследований являются научно-обоснованные методы поиска идей, их оценки и управления процессом проектирования.

Несмотря на различия в подходах к процессу проектирования сложных технических систем, большинство специалистов едины в одном — проектная деятельность должна рассматриваться как самоорганизующаяся система. Именно этот аспект рассмотрения проектирования автоматизированных измерительных комплексов позволяет подойти к пониманию одного из центральных объективных противоречий. С одной стороны, при проектировании технической системы в ходе поиска оптимального решения необходима выработка большого числа вариантов. При этом специалист-проектировщик не может сделать среди них выбор одного варианта интуитивно, на основе имеющегося у него опыта из-за опасности отбросить оригинальное решение, но не может также проводить и строгое сопоставление вариантов из-за отсутствия формализованного представления целей и критериев отбора, что необходимо для программированного поиска оптимального решения [4, с. 368].

Для завершения рассмотрения историко-системного анализа в плоскости проектирования стандартов интерфейсов измерительных систем в комплексах телекоммуникационного оборудования, следует отметить, что кроме разрешения указанного противоречия гносеологическим и кибернетическим инструментариями, необходимо учитывать экономические факторы, связанные с проектированием, а именно финансовые вложения при поиске ответа на возникшие в ходе разработки таких систем, имеют смысл только в том случае, если «затраты от незнания превысят убытки на приобретение знания». При этом важно, что целесообразность затрат при принятии того или иного решения зависит от вида и типа объекта проектирования, уникального или массового потребления, унифицированного или настраиваемого измерительного комплекса и т. д.

Аспекты проявления другого диалектического закона — перехода количественных изменений в качественные наиболее ярко просматриваются на примере эволюции следующего в хронологическом порядке стандарта автоматизированных измерительных систем — VXI (рис. 4).

В технологии VXI с момента своего появления постоянно наблюдается рост плотности входов-выходов измерительных каналов на один модуль, происходит увеличение скорости передачи данных и возрастают возможности разделения памяти, позволяющие обрабатывать диагностическую информацию со многих каналов сбора данных в реальном масштабе времени. Сконструированы VXI-крейты, использующие несколько базовых модулей VXI, распределенных по пространственному признаку [8]. Благодаря такой динамике количественных изменений VXI платформы продолжают приобретать все большую популярность и распространение на рынке телекоммуникационной аппаратуры, систем навигации и позиционирования, наряду с улучшением качественных показателей — прецизионности измерений значений сигналов в различных частотных диапазонах РЭС, сокращения времени измерения и тестирования и расширения функциональных возможностей автоматизированных измерительных комплексов [8].

Рис. 4. Современные VXI приборы и виртуальные экраны фирмы National Instruments

 

Проявление закона отрицания отрицания можно проанализировать на примере развития технологии внутрисхемного тестирования (In-Circuit Testing, ICT), непосредственной предшественницы JTAG, которая практически обладала монополией в тестировании электронных печатных плат (ПП) с конца семидесятых годов прошлого столетия, и с неизменным успехом применяется до настоящего времени, хотя и с определенными ограничениями. Доступ измерительного прибора (тестера) к внутренним цепям ПП осуществляется при помощи контактных иголок, прижимаемых адаптером тестера к поверхности печатной платы (рис. 5) [9, с. 92].

Рис. 5. Доступ измерительного прибора (тестера) к внутренним цепям печатной платы

 

С началом широкого распространения технологии поверхностного монтажа и миниатюризации интегральных схем (ИС) электро- и радиокомпоненты стали монтироваться на плату без сквозных отверстий и с обеих сторон ПП. При этом сразу же возникла проблема размещения контактных площадок для иголок тестера ICT, и трудности, связанные с постоянным уменьшением их диаметра в условиях высокой плотности монтажа элементов с обеих сторон ПП. Кроме того, в многослойных ПП значительное число цепей схемы оставалось во внутренних слоях, так что вывод их на поверхность ПП для подключения к контактным площадкам для иголок значительно усложнял разводку ПП. Все это обусловило сокращение доступа ко внутренним цепям схемы со стороны тестера ICT, что, однако, не привело к значительному сокращению применимости таких тестеров, а только переставило акценты в области их применения.

Широкое распространите аппаратно-программных измерительных комплексов, функционирующих на различных платформах, объединенных с ПЭВМ, казалось бы, навсегда заменило традиционные многофункциональные измерительные приборы. Это было отрицание, полное и, как тогда казалось, навсегда. Однако, удобство и оперативность измерения параметров, характеризующих работоспособность радиоэлементов и других электронных компонентов, которое не предполагает их демонтажа или отключения от цепей, с которыми они связаны в соответствии с электрической принципиальной схемой на печатной плате, вернуло обычный тестер (мультиметр) из забвения, сделало его одним из главных элементов современных технологий тестирования печатных плат, хотя и в несколько видоизмененном виде. Функциональные возможности таких тестеров также расширились: при выполнении внутрисхемных измерений по отношению к пассивным компонентам (резисторам, конденсаторам, индуктивностям и т. д.) теперь нет необходимости подачи питания на тестируемую печатную плату. Это позволяет выполнить предварительную сортировку смонтированных ПП без риска их значительного повреждения после включения питания при наличии коротких замыканий или неверного монтажа резисторов, перемычек и других проводимостей. При подаче питания на ПП внутрисхемные измерения могут выполняться и для активных компонент, как цифровых, так и аналоговых [9, с. 93].

В истории развития интерфейсов автоматизированных измерений в телекоммуникационных системах к коренному перелому в развитии привела разработка технологии виртуальных приборов (ВП), методов сопряжения возможностей вычислительной техники и алгоритмов измерений параметров сигналов, численных методов, реализующих требуемую точность и различные виды погрешностей при оценке характеристик инфокоммуникационных средств.

Действия, направленные на измерение и оценку параметров электрических и радиосигналов, реализуются с помощью функциональных компонентов (модулей), роль которых выполняют узлы, блоки, приборы, объединенные в систему, которая представляется функциональной схемой. В такой схеме исследуется взаимодействие только существенных признаков методов через связи и взаимодействие функциональных компонентов измерительных комплексов. Представляется возможным провести анализ дивергенции диалектических принципов на основе функционально-структурного подхода к исследованию развивающихся сложных систем, к которым относятся и автоматизированные измерительные комплексы.

Новые методы измерения параметров и оценки значений характеристик сигналов в информационно-измерительных системах могут разрабатываться на основе функционально-структурного подхода к исследованию развивающихся технических систем. Этот подход характеризуется следующими особенностями, которые развиваются с учетом различных аспектов категорий диалектики:

-        функция измерительного комплекса является первичной, структура — вторичной; функция определяется потребностями практики, т. е. требуемой точностью оценки измеряемых параметров, нормами допусков на характеристики телекоммуникационных средств, правилами сравнения с требуемыми значениями; структура остается неизменной до тех пор, пока обеспечивает реализацию изменяющейся функции: если структура не обеспечивает новой функции, то она заменяется на новую.

-        новая структура обусловлена новой функцией; преобладание в ней функциональных элементов характеризует степень рациональности новой структуры измерительной системы.

-        между новыми структурой и функцией существует обратная связь, способствующая развитию функции.

-        взаимодействие между функцией и структурой осуществляется циклически и итеративно.

Новая функция может быть реализована различными структурами. Из них наиболее эффективна та, которая имеет минимальное число компонентов; функционально-структурный подход характеризует интенсивно развивающиеся технические системы, включающие в себя как аппаратные, так и программные компоненты, и может рассматриваться как один из основных и возможных подходов для развивающихся систем, к которым относятся автоматизированные измерительные комплексы. При этом основным признаком процесса развития является наличие новых технических решений по актуальным вопросам технического диагностирования средств и комплексов телекоммуникаций [10, с. 458].

Взаимодействие между функцией и структурой неизбежно требует разработки метода. С учетом этого основное звено научного цикла развития технических систем приобретает вид триады «функция — метод — структура». Благодаря этому перечисленные свойства функционально-структурного подхода характеризуют также и метод конкретного научного направления — в триаде функция первична по отношению к методу, а метод первичен по отношению к структурной схеме. Последнее обстоятельство делает целесообразным анализ той части цикла развития систем, которая соответствует научному поиску в процессе исследования.

Иерархию значимости и взаимосвязи научных и технических терминов условно можно представить в виде последовательности комплексных кластеров, приведенной на рис. 6.

Рис. 6. Иерархическая схема научных и технических терминов

 

Наиболее важным в иерархии является принцип. В соответствии с [11], «принцип — основное исходное положение какой-либо теории, учения, науки».... Принципы базируются на законах конкретной науки, например, метрологии. В определении принципа результаты знания наиболее концентрированы. Соответственно, разработка принципа крайне затруднительна и непредсказуема. Этим объясняется тот факт, что количество принципов крайне ограничено.

Наиболее важной распространенной формой выражения результатов теории (научного направления) являются методы. Новые (вновь разработанные) методы [12, с. 57]:

-        обеспечивают разные способы реализации принципов;

-        являются формой знания, через которую разрабатываются новые принципы, законы конкретной научной области или направления;

-        наилучшим образом удовлетворяют требованиям опережающего характера развития данного научного или технического направления;

-        обеспечивают темпы роста эффективности соответствующих систем и устройств, а возможно и научно-технический прорыв в том или ином научно-практическом направлении;

-        являются результатом решения научных вопросов и, следовательно, соответствуют завершению научного поиска.

Основной формой разработки новых принципов и методов является обобщение. Обобщение методов осуществляется через обобщение их признаков. Принцип может быть реализован в различных методах, метод — различными вариантами схем систем и устройств, которые, в свою очередь, реализуются сочетанием блоков, функциональных узлов, а последние — компонентами (элементами). Однако, в соответствии с категорией «единичное — особенное — целое», в цепи «метод — структура» иногда имеет место и обратная ситуация, когда с помощью одного устройства (структурной схемы) могут реализовываться различные методы, например, путем изменения последовательности действий над сигналами в процессе измерения их параметров или изменения процедур обращения к общей шине данных в составе автоматизированного измерительного комплекса. Научные достижения, наряду с принципами и методами, могут фиксироваться в законах, функциональных и структурных схемах и классификациях [11].

Этапы поисковых исследований, направленных на разработку нового метода конкретного научного направления, в том числе и из области автоматизированных измерительных комплексов, можно представить упрощенной схемой (рис. 7), которая следует из характеристики творческой деятельности [12, с. 82]. Разработка метода начинается с возникновения или постановки проблемного вопроса (функции или цели).

Рис. 7. Осуществление научного исследования на основе подхода «функция — метод — структура»

 

При решении проблемного вопроса формулируют идеи, на основе развития которых разрабатывают гипотезы — основную форму поиска. На основе анализа, проверки и сравнения рабочих гипотез выбирают ту, которая позволяет получить решение проблемы и которую называют научной гипотезой. Далее разрабатывается теория метода и завершается разработка функциональной схемы. По результатам анализа метода могут формулироваться требования к элементам функциональной схемы системы, что позволяет перейти к заключительному этапу научного исследования — разработке и обоснованию структурной схемы новой системы или устройства, адекватной разработанному методу. На разных этапах разработки метода может возникнуть необходимость уточнения предыдущих этапов, включая и постановку проблемного вопроса, что показано на рис. 7 пунктирными линиями. Полученные результаты экспериментальных исследований характеризуют как образец аппаратуры технического диагностирования или контроля, так и соответствующий метод его разработки. Если для изготовления образца нет возможности разработать необходимые новые компоненты, то и реализация метода на этом этапе развития и в данных условиях невозможна. Из реализуемых эквивалентных по эффективности методов предпочтение отдается тому, который не требует внедрения новых модулей, а реализуется на основе серийных компонентов.

Таким образом, в результате комплексного исследования, проведенного в статье, можно сделать следующие выводы.

В ряде случаев при исследовании эволюции телекоммуникационных систем кажется, что чем подробнее и многочисленнее сведения, касающиеся вопросов развития истории этой области техники, тем легче составить о ней исчерпывающее представление. Так ли это на самом деле? Может быть да, но возможен и противоположный ответ. Пусть этот тезис будет означать то, что материалы статьи не лишены дискуссионных положений. Вместе с тем излишние, слишком мелкие сведения, не меняющие картины в целом, создают то, что в кибернетике и теории связи именуется «шумами», которые дополняют целостность исследования и обобщения этапов методологии становления и развития истории телекоммуникаций, так как анализ такой узкой специализированной области как теория технического диагностирования систем связи, есть не что иное как этап накопления знаний на основе дифференциации дисциплин, составляющих общую теорию информационно-телекоммуникационных систем. Накопление, анализ и обобщение сведений из этой области развития инфокоммуникационной теории, выполненные в работе показывают, что методология исторического материализма существенно расширяет границы системного исследования вопросов развития истории телекоммуникаций, обогащает историко-системный подход в рамках типизации технических решений при проектировании высокотехнологичных измерительных систем. С практической точки зрения, представленные в статье взгляды могут помочь исследователям не только в области гуманитарных, но и технических наук, сэкономить время при ознакомлении с характеристиками научных и технических терминов и понятий, уяснить главные направления своих исследований, что будет способствовать получению научных результатов.

 

Литература:

 

1.     Дэвис Н. История Европы / Норман Дэвис; пер. с англ. Т. Б. Менской. — М.: АСТ Москва: Хранитель, 2006. — 943 с.

2.      Грант Дренкоу. LXI — новое поколение измерительных систем // Журнал «Электроника: Наука, Технология, Бизнес». № 6. — 2006 г. — С. 98–103.

3.      Стабин И. П., Алешина Н. С., Шкалдык П. М. Основные направления создания автоматизированного информационного обеспечения для проектирования систем связи // Научно-технич. Сб. Техника средств связи. Сер. Системы связи. вып. № 3, 1984 г. — С. 3–9.

4.      Курносов В. И., Лихачев А. М. Методология проектных исследований и управление качеством сложных технических систем электросвязи. — СПб.: ТИРЕКС, 1998.

5.      Gordon W. J.-J., 1961, Synetics: The Development of creative capacity, New York? Harper a Row. — pp. 18–22.

6.      Newman A. D., 1966, Patterns. — The Design Method (Ed. S. Gregory), London, Butterworhts. — pp. 10–15.

7.      Broadbent G. H., 1966, Creativity. — The Design Method (Ed. S. Gregory), London, Butterworhts. — pp. 22–28.

8.      А. Баженов. Стандарт VXIplug&play для создания интероперабельных измерительных систем и переносимых приложений. Часть 1. Организация стандарта VPP. Драйверы приборов. МКА 2, 2000. // Журнал «Мир компьютерной автоматизации on line». www.mka.ru/?p=40143.

9.      А. Городецкий. Дистанционное JTAG- тестирование // Компоненты и технологии. № 12. — 2010 г. — С. 92–94.

10.     Огороднийчук Л. Д. Роль и место научных методов в развитии конкретных научных направлений // Радиотехника и электроника. Том 40, выпуск 3. — М.: Изд-во Наука, 1995 г. — С. 456–463.

11.     Большая советская энциклопедия: в 30 т. / Гл. ред. А. М. Прохоров. 3-е изд. — М.: Сов. Энциклопедия, 1969–1978. Т. 20, 1975.

12.     Павлов В. Т., Руденко К. Ф., Семенов И. С. и др. Логические методы и формы научного познания. — Киев: Вища школа, 1984. — 208 с.