Автоматизация эксперимента - комплекс средств и методов для ускорения сбора и обработки экспериментальных данных, интенсификации использования экспериментальных установок, повышения эффективности работы исследователей. Характерной особенностью автоматизации эксперимента является использование ЭВМ, что позволяет собирать, хранить и обрабатывать большое количество информации, управлять экспериментом в процессе его проведения, обслуживать одновременно несколько установок и т. д. Первые попытки автоматизации эксперимента возникли в 1950-е гг. в исследованиях, связанных с ядерной физикой. В последующие годы автоматизация эксперимента нашла применение в других областях физики и естествознания вообще: в физике элементарных частиц, термоядерных, космических и медико-биологических исследованиях, в геофизике, радиоастрономии и т. п. Используемые при этом автоматизированные системы (АС) экспериментальных исследований отличаются большим разнообразием, однако можно выделить общие принципы, обеспечивающие их эффективность.

Общие принципы и требования:
1. Повышенные требования к быстродействию АС, поскольку такие системы предназначены для быстрого получения и анализа данных и быстрого принятия решений.
2. Высокая надежность АС, возможность длительной безотказной работы, что связано с увеличением стоимости современных экспериментальных установок.
3. Простота эксплуатации АС и использование готовых унифицированных блоков.
4. Необходимость предварительного планирования исследований и разработка возможных вариантов.
5. Гибкость АС, допускающая изменение ее структуры и состава в процессе работы.
6. Возможность коллективного обслуживания различных установок,
7. В АС должен быть предусмотрен диалоговый режим работы, когда осуществляется непосредственная связь человека с системой с помощью специального языка.
8. В АС необходима простая и быстрая система контроля. Для контроля системы в целом обычно вводят некоторый синтетический критерий, характеризующий работу системы в среднем. Таким критерием может быть результат измерения известной величины: если полученные значения находятся в допустимых пределах, то состояние системы считается удовлетворительным.

ЭВМ в АС работают в режиме "реального масштаба времени", или "в линию" (on-line). При этом ЭВМ, получая от системы данные, обрабатывает их и выдает результаты настолько быстро, что их можно использовать для воздействия на систему (или объект исследования). В экспериментальном исследованиях чаще применяют смешанный режим. Часть данных обрабатывают в реальном времени и используют для контроля и управления, а основной массив данных с помощью ЭВМ записывают на долговременный носитель (чаще на магнитные ленты) и обрабатывают после окончания сбора данных. Целесообразность такого режима обусловлена скорее экономическими причинами, ибо невыгодно применять быстродействующее дорогое оборудование, которое успевало бы в реальном времени обрабатывать полный массив данных. Это связано с тем, что полностью автоматизированная обработка данных может производиться только в рутинных исследованиях по уточнению некоторых констант, когда вся процедура обработки, все поправки уже известны.

При выполнении новых исследований трудно предусмотреть все тонкости измерений. В ходе исследования могут появиться неожиданные результаты, которые необходимо уточнить или подтвердить. Для решения этой задачи с помощью АС приходится проводить предварит, обработку данных в возможно более короткие сроки (лучше в реальном времени}, пусть даже по приближенным формулам, с худшей, чем окончательная обработка, точностью. Подобное оперативное изменение условий эксперимента на основании экспресс-обработки данных получило название управление экспериментом, что не совсем точно, поскольку происходит лишь изменение условий измерений на основании анализа полученных данных.

Математическое (программное) обеспечение АС разрабатывают на основе математических методов анализа данных. Математическое обеспечение на алгоритмическом уровне практически не связано с конкретным типом ЭВМ, а определяется особенностями исследования. Важно разработать такое математическое обеспечение, которое, с одной стороны, было бы адекватно выполняемым исследованиям, а с другой не было бы слишком сложным. При создании нового программного обеспечения следует учитывать, что наиболее эффективным является такое распределение труда, при котором программисты разрабатывают общие программы, имеющие четкое математическое обоснование и не слишком связанные с особенностями конкретного исследования. Специальные программы должны разрабатывать исследователи, ибо они лучше всего знают особенности исследования, которые к тому же заранее обычно нельзя строго формализовать.

Машинным (вычислительным) экспериментом называется расчет математической модели явления, построенной на основе научной гипотезы. Если в основу модели положена строгая теория, то машинный эксперимент оказывается просто расчетом. В тех же случаях, когда система становится настолько сложной, что невозможно учесть все связи, приходится создавать упрощенные модели системы и проводить машинный эксперимент. Он в любом случае не может служить доказательством истинности модели, поскольку в его основу положена гипотеза, которую можно проверить только при сопоставлении результатов моделирования с экспериментами на реальном объекте. Однако роль машинного эксперимента иногда очень важна, ибо в результате можно отбросить заведомо ложные варианты либо сравнить по тем или иным критериям различные варианты подлежащих исследованию процессов.

Структура автоматизированной системы. Данные об исследуемом объекте от специальных датчиков измеряемых величин поступают в виде электрических сигналов на измерительную аппаратуру, которая состоит из следующих компонентов: защищенных от помех линий передачи, усилителей, преобразователей аналоговой информации в цифровую и т. д., образующих канал измерения. Передача цифровой информации к ЭВМ происходит через т. н. интерфейс - сопрягающее устройство для соединения различных блоков АС с ЭВМ. Данные в ЭВМ поступают через канал обмена. Обработка данных производится в центральном процессоре, в котором имеется устройство, где временно хранятся данные и программы, - т. н. оперативное запоминающее устройство. Если скорость работы центрального процессора или емкость запоминающего устройства но позволяют полностью обработать данные, они передаются в долговременную память ЭВМ или в др. ЭВМ с большей производительностью. Если обработанные центральным процессором данные и команды управления передаются на измерительную аппаратуру, можно получить автоматическое управление экспериментом (рис.1).

При практической реализации АС каналы измерения выполняют в виде отдельных электронных блоков, связанных с каналом обмена ЭВМ. Поэтому любое изменение в структуре АС (изменение числа каналов, замена датчиков или ЭВМ), практически неизбежное при исследованиях, требует существенных переделок аппаратуры. Выходом служит магистрально-модульная система, состоящая из легко заменимых блоков и унифицированной магистрали. Магистралью (общей шиной) называется система электрических линий передачи, единообразно соединяющих различные блоки (модули) АС. Смысл унифицированной магистрали заключается в том, что ее можно использовать многократно, создавая из отдельных модулей различные варианты АС, при этом для АС нужен только один интерфейс, называемый интерфейсом канала обмена. Каналы измерений соединяются с шиной через простые, но также унифицированные интерфейсы. У АС появляется требуемая гибкость: исчезает ограничение на число каналов измерений, при замене ЭВМ нужно заменить лишь один интерфейс. Для обеспечения такой структуры АС необходим стандарт на общую шину, ее интерфейс и конструкцию блоков.

Первым таким стандартом стала система КАМАК (САМАС, Computer Application for Measurement and Control), разработанная в 1969 Европейским комитетом стандартов ядерной электроники. Первой ступенью в системе КАМАК является крейт (каркас), в который вставляют электронные блоки (рис.2). На задней панели крейта имеется шина обмена. Вся измерительная аппаратура АС размещается в блоках. В функциональный блок информация поступает в виде команд и данных с шины обмена и в виде сигналов от датчиков через переднюю панель. В крейте могут разместиться 23 функциональных блока и специальный блок, называемый контроллером, обеспечивающий связь с каналом обмена ЭВМ. Крейты можно объединять в ветвь, содержащую до 7 крейтов (рис. 3). Контроллеры крейтов подключают к каналу ветви, который через специальный интерфейс, называемый драйвером ветви, соединяется с каналом обмена ЭВМ. Ветвь позволяет разнести крейты и ЭВМ на десятки метров. Для АС, распределенных на большие расстояния, существует последовательный канал КАМАК, позволяющий связывать до 62 крейтов. Последовательный канал связан с каналом обмена ЭВМ через специализированный интерфейс, называемый последовательным драйвером.

Эффективность использования систем КАМАК обусловлена их гибкостью, возможностью быстрой перестройки и наращивания системы в процессе изменения программы исследований, причем возможна такая организация работы крейта (и ветви), при которой система обслуживает сразу несколько экспериментов. Недостаток системы КАМАК - малая скорость передачи данных и сложность сведения в систему нескольких процессоров. Разработка и выпуск дешевых микропроцессоров позволяют создавать многопроцессорные системы. Наиболее перспективными представляются новые системы FASTBUS и EUROBUS. Система EUROBUS гораздо более гибкая, чем система КАМАК. Расширение возможностей позволяет строить на ее основе исследовательские АС разного уровня сложности, использовать ее для автоматизации небольших установок. Особенность системы FASTBUS, разработанной в США,- на порядок большее быстродействие, чем в системе КАМАК.

Иногда АС превращается в крупный измерительно-вычислительный комплекс, состоящий из многоцелевой экспериментальной установки и подсистемы автоматизации и вычислительной техники. В таких АС особенно важна организация пульта управления и контроля, который оказывается иногда единственным каналом связи между исследователем и изучаемым объектом. Пульт должен быть оборудован клавишным управлением и двумя (или несколькими) дисплеями (алфавитно-цифровым и графическим). Дисплей позволяет осуществить графическое представление данных, что особенно важно, когда процесс анализа данных не поддается быстрой алгоритмизации.

Другой крайний случай - небольшие установки с малым числом датчиков, для которых магистрально-блочные АС оказываются излишне сложными. Для таких установок удобно использовать автономные микропроцессоры и запись результатов на стандартные кассеты с помощью портативных многодорожечных магнитофонов. Иногда передают результаты по линиям связи на центральную ЭВМ (т. н. локальные вычислительные сети).

(Прим. ред. В настоящее время широко распространены АС на основе персональных ЭВМ, снабженных блоками сопряжения с экспериментальными установками)