Современная метрология включает три составляющие: законодательную метрологию, фундаментальную (научную) и практическую (прикладную) метрологию
| Вид материала | Закон |
- Дидактический комплекс информационного обеспечения: изучение информатики в школе, 38.22kb.
- Тезисы доклада: «организация управления топливоиспользованием», 21.05kb.
- Законодательная метрология, 42.1kb.
- V всероссийскую (заочную) научно-практическую конференцию «Современная экономическая, 58.3kb.
- Правила рейтинговой оценки по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация», 37.8kb.
- А. И. Герцена факультет коррекционной педагогики Тема: коррекция нарушений речи у детей, 463.72kb.
- В. С. Аванесов, докт пед наук, проф, 102.15kb.
- Метрология, стандартизация и сертификация. Вопрос № «Предмет и задачи метрологии»., 380.7kb.
- Базовые социальные технологии, 1864.93kb.
- Изложение двух моих докладов (из трех предполагавшихся), имевших место на «Семинаре, 578.73kb.
В = (—y1 +y2—y3 +y4)/2;
С = (—y1—y2 +y3+y4)/2;
Числители в этих формулах получены путем умножения элементов последнего столбца на соответствующие элементы столбцов А, B, C.
Найдем дисперсию погрешности взвешивания по новой схеме проведения эксперимента:
2[А] = [(y1 — y2 — y3+y4)/2] = 42[у]/4 = 2[у],
2[В] = [(—y1 +y2—y3 +y4)/2] = 42[у]/4 = 2[у];
2[С] = [(—y1—y2 +y3+y4)/2] = 42[у]/4 = 2[у];
2 [А] = 2[В] = 2[С] = 2 [у],
При применении второй схемы взвешивания дисперсия результатов получается вдвое меньше, чем при традиционном методе, хотя в обоих случаях на взвешивание трех объектов затрачивалось по четыре опыта. Необходимо обратить внимание на то, что второй план проведения эксперимента также исключает влияние смещения нуля устройства для измерения веса. Таким образом, используя в качестве критерия сравнения дисперсию случайной погрешности, можно утверждать, что второй план эксперимента лучше первого.
При традиционном взвешивании для того, чтобы получить результаты с той же точностью, что и по новой схеме, необходимо либо повторить дважды все опыты, вдвое увеличив продолжительность эксперимента, либо применить другую измерительную аппаратуру, создающую вдвое меньшую дисперсию, т, е. увеличить стоимость эксперимента.
При планировании эксперимента в качестве критерия оптимальности обычно используется либо погрешность, либо продолжительность, либо стоимость эксперимента.
Следует отметить, что в задачах, связанных с определением значений нескольких физических величин или параметров, критерий минимума погрешности становится в общем случае весьма неопределенным, в связи с чем разработан целый ряд критериев оптимальности, снижающих влияние от всех составляющих погрешностей.
Рассмотренный выше простой пример взвешивания наглядно демонстрирует необходимость планирования эксперимента, причем эффективность такого планирования обычно возрастает при увеличении числа измеряемых и варьируемых величин.
Теория планирования эксперимента раскрывает следующие вопросы:
1) Как следует организовать эксперимент, чтобы наилучшим образом решить поставленную задачу (в смысле, затрат времени и средств или точности результатов)?
2) Как следует обрабатывать результаты эксперимента, чтобы получить максимальное количество информации об исследуемом объекте?
3) Какие обоснованные выводы можно сделать об исследуемом объекте по результатам эксперимента?
Основой теории планирования эксперимента является математическая статистика, которая применима для анализа эксперимента в тех случаях, когда его результаты могут рассматриваться как случайные величины или случайные процессы, что практически всегда имеет место.
Целью любого эксперимента является получение информации об исследуемом объекте, причем экспериментальные данные могут накапливаться либо путем пассивного наблюдения, либо с помощью активного эксперимента.
При пассивном эксперименте исследователь не имеет возможности воздействовать на изучаемый объект, поэтому задача планирования эксперимента сводится к оптимальной организации пассивного сбора информации и включает в себя такие вопросы, как выбор интервалов времени между моментами измерения, задание числа выполняемых измерений, выбор метода обработки экспериментальных данных и т. п.
Целью пассивного эксперимента часто является построение математической модели объекта. В зависимости от того, какая математическая модель является подходящей для описания того или иного объекта, последние разделяются на хорошо (детерминированные) и плохо (диффузные) организованные объекты. В хорошо организованных объектах можно выделить определенные процессы, зависящие от небольшого числа переменных, поддающихся изучению.
В активном эксперименте осуществляется искусственное воздействие на объект по заранее спланированной программе.
Активный эксперимент позволяет быстро вскрывать закономерности, находить оптимальные режимы функционирования объекта, но его обычно труднее осуществить.
Вмешательство в процессы происходя-щие в объекте исследования должны быть предварительно тщательно проанализированы, в противном случае такое вмешательство может привести к искажению информации об исследуемом объекте.
Преимущества активного эксперимента, позволяющего применять наиболее целесообразно составленные планы, достаточно очевидны. Планирование активного эксперимента предполагает воздействие на ход процесса и возможность выбора в каждом опыте тех уровней факторов, которые представляют интерес. Установление каждого фактора на некоторый уровень определяет одно из вероятных состояний объекта. Если перебрать все допустимые наборы уровней факторов, то получим полное множество различных состояний данного объекта, что и определит число возможных различных опытов
В общем виде объект исследования можно представить структурной схемой, приведенной на рис. 1, на которой показаны следующие группы параметров:
1) управляющие (входные) хj, (j=l, 2,...., k);
2) параметры состояния (выходные) уr (r=1, 2, ..., v);
3) возмущающие воздействия wl (l=!, 2, .... р).
Управляющие параметры хi, представляют собой независимые переменные, которые можно изменять с целью управления выходными параметрами объекта.
К параметрам состояния yr относится совокупность контролируемых или вычисляемых параметров, характеризующих состояние объекта.
Широко распространена ситуация, когда экспериментатора интересует поведение одного выходного параметра, характеризующего объект.
Возмущающие воздействия wl в общем случае не поддаются контролю и проявляют себя как случайные величины или функции времени. Наличие возмущающих воздействий приводит к тому, что зависимость выходных параметров объекта от входных становится неоднозначной.
Представление объекта в виде структуры основано на широко используемом в технике принципе «черного ящика», т. е. системы, структура которой скрыта от наблюдателя, а суждение о ее функционировании создается только на основании анализа внешних воздействий и соответствующих им реакций системы.
Одной из основных задач эксперимента является выявление взаимосвязей между входными и выходными параметрами объекта и представление их в количественной форме в виде математической модели.
Такая модель является математическим отображением наиболее существенных взаимосвязей между параметрами объекта.
Она представляет собой совокупность уравнений, условий и, алгоритмических правил, позволяет получить информацию о процессах, протекающих в объекте, рассчитывать системы, т. е. анализировать и проектировать их, а также получить информацию, которая может быть использована для управления моделируемым объектом с целью поиска оптимальных условий.
Входные параметры, которые оказывают влияние на объект и могут быть измерены, называют факторами.
Так, например, при исследовании измерительного преобразователя с целью получения его математической модели в качестве факторов могут выступать - температура окружающей среды, напряжение питания и т. п.
Каждый фактор имеет область определения, которая должна быть установлена до проведения эксперимента. Она может быть непрерывной или дискретной, причем при непрерывной области обычно производят ее искусственную дискретизацию. Очевидно, что при планировании активного эксперимента факторы должны быть управляемыми и независимыми.
Каждую конкретную комбинацию факторов можно рассматривать как точку в многомерном факторном пространстве.
В многомерном факторном пространстве можно построить область возможных комбинаций факторов, которую называют областью возможных (допустимых) планов эксперимента.
При планировании эксперимента с целью нахождения оптимальных условий в качестве единственной выходной величины рассматривается критерий оптимальности (целевая функция), зависящий от входных параметров объекта. Эту функцию рассматривают как отклик объекта на указанную комбинацию факторов и называют также функцией отклика. Геометрический образ в факторном пространстве, соответствующий функции отклика, называется поверхностью отклика.
В общем случае планирование и организация эксперимента включают в себя следующие последовательно выполняемые этапы:
1) постановка задачи (определение цели эксперимента, выяснение исходной ситуации, оценка допустимых затрат времени и средств, установление типа задачи);
2) сбор априорной информации (изучение литературы, опрос специалистов и т. п.);
3) выбор способа решения и стратегии его реализации (установление типа модели, выявление возможных влияющих факторов, выявление выходных параметров, выбор целевых функций, создание необходимых нестандартных технических средств, формулировка статистических задач, выбор или разработка алгоритмов и программ обработки экспериментальны данных).
Метрологические основы систем экологических
измерений
Основные разделы лекции
- Предмет и задачи экологической метрологии
- Общая теория экологических величин и измерений.
- Единицы и системы единиц экологических величин
- Методы и средства экологических измерений
Предмет и задачи экологической метрологии
Эколого-экономическая система (ЭЭС) - это, прежде всего территория, пространство.
Экологическая роль ЭЭС - в экосистемах расположенных на площади этой территории, в их размерах и функциональном значении для более крупных региональных образований, вплоть до биосферы.
Функция экосистем зависит не только от их природных свойств, но и от антропогенного влияния на них, от степени преобразования систем природы.
Роль даже крупных экосистем в общей их иерархии сегодня практически неизвестна.
Никто не знает пределов надежности конкретных природных систем, их буферности и инерционности [Реймерс, 1994].
На чем основан критерий оценки экологического состояния территории?
В лучшем случае можно констатировать, что на территории такого-то региона выбрасывается столько-то тонн загрязнителей, сохранилась такая-то лесистость, запасы леса, уловы рыбы достигают стольких тысяч центнеров и так далее.
Обычно он выражается в ресурсно-экономических показателях: исчезла рыба, не стало леса, истощилась почва - это принесло такие-то убытки и т.п.
Для оценки текущего момента можно пользоваться интегрально-индикационными показателями.
Однако и такой шкалы не существует.
Нет универсального гео - или биоиндикатора ни качества среды жизни, ни состояния той или другой экосистемы - биогеоценоза.
Устойчивое исчезновение части видового состава, а иногда и всего лишь одного вида из состава биоты сообщества говорит о его серьезных перестройках.
Фоновые перемены говорят о крупномасштабном изменении среды. Их можно подметить лишь на особо охраняемых территориях - эталонах природы, причем на их статистически сравнимом ряде (хотя бы при трехкратной повторности).
В связи с этим понятна индикаторно-мониторинговая важность заповедников, особенно так называемых биосферных.
Если исходить из концепций макроэкологии, за «универсальный» индикатор качества среды и благоприятности условий существования человека можно принять вероятную среднюю предстоящую продолжительность его жизни (медико-демографические характеристики) и уровень заболеваемости (санитарно-гигиенические показатели).
Для множества болезней едва ли можно сформулировать единый норматив. Формулировка «практически здоров» безразмерна.
(Макроэкология- наука исследующая взаимоотношение, возникающие в процессе освоения человеком природных систем, взаимоотношения между обществом и природой. Объектом исследования макроэкологии является мировая эколого-экономическая система и материальные балансы между ее подсистемами: экономической и экологической)
Экологическую оценку благоприятности условий существования человека можно дать в виде констатации наблюдаемых процессов в форме отклонения реально наблюдаемой смертности населения от теоретически предельного стандартизированного показателя.
Такая оценка должна основываться на классификации, базирующейся на едином критерии - на показателях темпов самовосстановления природных систем и качественно-количественного состояния биомассы и биологической продуктивности этих систем.
Экологическая диагностика современных природно-антропогенных систем, как правило, осуществляется путем измерения геоэкологических, биологических, медико-демографических и эколого-гигиенических показателей при этом система экологической метрологии разработана недостаточно полно.
Вместе с этим без системы экологической метрологии достоверная оценка экологической ситуации в регионе при использовании выше перечисленных показателей порождает больше вопросов, чем ответов.
Предмет и задачи экологической метрологии
Промышленно развитые страны прежде других ощутили приближение экологического кризиса. Еще в 1970-х г.г. они предприняли природоохранные меры законодательного и нормативного характера, выработали и в последующем реализовали определенную стратегию управления окружающей средой, другими словами, применили экологически ориентированные методы управления.
Развитие этих работ потребовало создания стандартов, определяющих единую методологию их проведения. В 1992 г. появился первый национальный стандарт в этой области - британский стандарт BS 7750 "Системы экологического управления".
Международная организация по стандартизации (ИСО), наряду с продолжением разработки стандартов на методы контроля компонентов окружающей среды (воздух, вода, почва), приступила к разработке комплекса международных стандартов на системы экологического управления - стандарты ИСО серии 14000.
В настоящее время приняты первые международные стандарты из указанной серии, которые определили методы создания и обеспечения функционирования систем экологического управления на предприятиях, требования к таким системам, установили требования к экологическому аудиту и др.
Системы экологического управления, являясь составной частью общей системы административного управления предприятий, имеют много общего с системами управления качеством продукции.
Сходство методологий управления качеством продукции и качеством окружающей среды отражается в определенной общности стандартов ИСО серии 14000 и серии 9000. Различие указанных систем между собой заключается, в частности, в том, что в качестве окружающей среды заинтересована вся общественность, а в качестве продукции заинтересован, прежде всего, потребитель.
Международная электротехническая комиссия (МЭК) также ведет активную работу в области учета экологических аспектов на всех стадиях жизни продукции электротехники и электроники. (Руководство МЭК 109 "Аспекты охраны окружающей среды, их учет в стандартах на продукцию электротехники".)
Вхождение России в сообщество промышленно развитых стран с рыночной экономикой требует соблюдения единых норм и правил, в том числе в области применения экологически ориентированных методов управления.
В 1998 г. были приняты Государственные стандарты Российской Федерации из серии ИСО 14000, в частности, - ГОСТ Р ИСО 14001-98. "Системы управления окружающей средой. Требования и руководство по применению" и ГОСТ Р ИСО 14004-98 "Системы управления окружающей средой. Общие руководящие указания по принципам, системам и средствам обеспечения функционирования". 10 января 2002 года вступил в силу Закон РФ «Об охране окружающей среды», а 27 декабря 2002 г. - Закон РФ «О техническом регулировании».
Системами управления качеством определены методы входного контроля сырья и материалов, поступающих на предприятие, которые применимы для составления производственного экологичес-кого баланса в системе управления охраной окружающей среды при учете материальных потоков и контроле продукции на “входе-выходе”.
Общими являются также методы операционного контроля, контроля оборудования, контроля над приборами и т.п., а также их техническое, метрологическое, организационное, кадровое и иное обеспечение.
Поэтому вполне закономерным выступает и значительное сходство поэлементной структуры систем управления качеством и управления охраной окружающей среды, предусмотренной международными стандар-тами ИСО серии 9000 и ИСО серии 14000.
Отличие в системах контроля за качеством в системах международных стандартов ИСО серии 9000 и ИСО серии 14000
Контроль за качеством по ИСО 9000 обеспечен нормативно - правовой базой метрологии, соответствующими измерительными приборами и осуществляется прямыми измерениями физических и химических характеристик с целью нахождения числового значения измеряемой величины в принятых единицах измерения.
Контроль за экологическим качеством окружающей среды по стандартам ИСО 14000 не имеет узаконенной нормативной базы экологических характеристик (экологической метрологии).
Оценка состояния эколого-экономических систем обеспечивается косвенными измерениями и основывается на известной зависимости между искомой величиной (экологическим состоянием эколого-экономической системы) и непосред-ственно измеряемыми величинами («индикаторными» показателями) аналогичными измерительными приборами.
В то же время современная практическая экология имеет научно обоснованные ботанические, биохимические, пространствен-ные и др. показатели экологического состояния («норма», «риск», «кризис», «бедствие»), которые достаточно уверенно корреспондируются с директивными доку-ментами.
Для эффективной организации и реализации системы управления и охраны окружающей среды актуальным вопросом является «экологизация» современной метрологии.
Общая теория экологических величин и измерений
Концепция комплексной оценки состояния природной среды (экологического состояния территорий), может быть основана на выборе наиболее информативных критериев оценки состояния экосистем и их биотической, абиотической, медико-демографической и эколого-гигиенической составляющих при строгом соблюдении требований метрологии.
Исходным положением такого подхода к оценке состояния окружающей среды является отказ от механической (балльной) суммации состояний отдельных сред и переход к оценке состояния экосистемы в целом.
Такой подход базируется на принципе от общего к частному, от оценки всей системы к оценкам составляющих ее компонентов, что обеспечивает учет прямых и обратных связей и характеризуется функциональным единством всех входящих в нее компонентов, что позволяет общую оценку в последующем раскрыть через оценку состояний формирующих ее биотических (биома) и абиотических (геома) компонентов (сфер, сред).
Такой подход может быть реализован на основе ограниченного числа критериев, позволяет избежать не только субъективизма балльных оценок, раскрыть причины современного состояния экосистемы и разработать конкретные рекомендации по ее нормальному функционированию.
На основе имеющихся данных (статистические данные, материалы аэрофотосъемок, ограниченный объем лабораторных анализов) можно получить информацию о состоянии экосистемы (экологического состояния определенной территории) и, исходя из результатов этой оценки, планировать ее более трудоемкие и затратные исследования.