Комплексирование технических и биологических элементов в едином контуре управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Постановка научно-технической задачи анализа и синтеза биотехнических систем была обусловлена необходимостью разработки общей теории комплексирования технических и биологических элементов в едином контуре управления. Впервые эта проблема возникла в связи с необходимостью решения прикладных междисциплинарных задач, связанных с разработкой автоматизированных систем искусственного кровообращения и дыхания, созданием биоуправляемых протезов конечностей. Начало этих работ относятся к концу 50х и 60м годам и связано в нашей стране, в основном, с деятельностью П.А. Куприянова, Ф.В. Баллюзека, А.П. Колесова, Н.М. Амосова, В.А. Лещука, В.М. Ахутииа, А.П. Матвеева, К.Ю. Аграновского, В.С. Гурфинкеля, Н.Е. Кобриского и руководимых ими сотрудников. бионика живой природа

Научные Исследования по использованию системного подхода при создании комплексов «человек - техника» весьма успешно развиваются школой Б.Ф. Ломова, В.Ф. Венды, В.П. Зинченко, П.Я. Шлаена, А.А. Крылова и др. Таким образом, проблема биотехнических систем отражает одну из важнейших сторон научно-технической революции - объединение ученых и специалистов точных и биологических наук.

В 1974 г. официальные «права гражданства» биотехнические системы получили именно от специалистов- биоников. Великим достижениям науки и техническим реализациям, как оптическая линза, химические источники электричества, закон сохранения и превращения энергии и многие другие, человечество обязано в своей основе глубокому изучению живых организмов и явлений в живой природе.

Бионика- это наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе анализа структуры и жизнедеятельности организмов.

Возникновения бионики в наше время обусловлено наличием трех факторов:

1.Первым из них является острая потребность в тесном взаимодействии, обмене опытом, научной информацией и идеями представителей биологических и технических наук при решении задач, свойственных этим наукам;

2. Второй причиной объединения явилась необходимость решения задач, стоящих на грани этих наук, таких, например, как протезирование органов, объективный контроль состояния организма человека в условиях космических полетов или глубоководных погружений; инженерно-психологическое проектирование систем «человек - машина» и т. д.;

3. Третьим фактором явилось то, что именно к середине ХХ века были уже накоплены определенные знания в области изучения структуры функционирования живых организмов, а также разработаны основные методы их изучения, появилась научная и техническая база для постановки этих исследований.

Особенно важным для повышения эффективности бионических исследований оказалось совершенствование методов математической статистики, теории игр и операций, теории информации, теории управляемого эксперимента, а также технической базы бионических исследований.

Исследования ведущих коллективов в ряде передовых стран, выполненные в последние годы, подтвердили особую эффективность бионического подхода при решении прикладных инженерных задач в самых актуальных направлениях техники: роботостроении, синтезе однородных вычислительных сред, создании программ искусственного интеллекта, разработках транспортных средств, решении задач медицинского протезирования и приборостроения.

Характерным для бионического подхода является исследование именно тех особенностей строения и функционирования живого организма, которые необходимы и достаточны для решения конкретных задач синтеза систем определенного назначения.

Биотехнические системы - это особый класс больших систем, представляющих собой совокупность биологических и технических элементов, связанных между собой в едином контуре управления.



1. Биологическая и биотехническая системы как объекты исследования

1.1 Система как объект исследования. Основные понятия

Современная медицина и биология широко используют измерения и различную измерительную и регистрирующую технику для решения самых разнообразных задач по исследованию организма. Необходимым условием эффективности этих исследований является оснащение лечебных и научных учреждений совершенными методами исследования и современным оборудованием.

При проведении биологических и медицинских исследований используется большой арсенал методов и средств, предназначенных для измерения различных медико-биологических показателей, а также для регистрации и анализа физиологических процессов, протекающих в организме.

Результаты исследований представляются в виде набора чисел и графиков, отражающих состояние биологического объекта во время проведения исследований.

Приступая к изучению неизвестного объекта, исследователь стремится рассмотреть его с разных точек зрения, проанализировать с нескольких позиций. Для этого ему приходится использовать различные методы и способы получения и обработки информации от объекта, формирования информативных показателей и алгоритмов принятия решения. Так как на процесс исследования влияет большое количество трудно учитываемых факторов, то всегда необходимо оценить соответствие полученных количественных и качественных характеристик действительному состоянию объекта исследования. При изучении биологического объекта оценка этого соответствия становится особенно важной, так как в зависимости от состояния определяется дальнейший ход исследований, диагностики, терапевтических или хирургических воздействий.

Для того чтобы разобраться в огромной информации, поступающей от исследуемого объекта, необходимо ясное понимание особенностей биологического объекта, его структуры и законов функционирования. Знание особенностей биологических объектов необходимо при решении многих задач, например, как диагностика заболеваний и выбор лечебных мероприятий, контроль за состоянием тяжелобольных и вопросы реабилитации после продолжительных лечений, управление нарушенными функциями организма с помощью искусственных органов и создание биоуправляемых роботов-манипуляторов, поддержание жизнедеятельности организма в экстремальных условиях и оценка профессиональной пригодности, оптимизация систем «человек-машина» и связанное с этим изучение поведения человека-оператора и т. д.

В развитии системного проектирования большую роль сыграла кибернетика, которая впервые открыла возможность формального описания и анализа систем управления самой различной природы.

Одной из разновидностью системного подхода к исследованию наиболее сложных проблем науки, например системный анализ - анализ проблем с позиций, системного подхода, помогающий связать между собой все известные факты и взаимосвязи, которые составляют существо анализируемой проблемы, и создать обобщенную модель, отображающую эту проблему с максимально возможной степенью полноты. Системный анализ может быть использован как при постановке и решении новых проблем, так и при изучении уже существующих объектов, в том числе созданных природой и человеком.

Он помогает исследователю глубже понять особенности организации живых систем. При разработке новых систем, особенно биотехнических, в которых биологический объект включается в качестве одного из звеньев, большое значение приобретает системный синтез - синтез систем с позиций системного подхода, позволяющий на основании исходных данных (которые включают сведения о назначении системы, ее характеристиках и функциях), знании элементной базы и опыта проектирования подобных систем предложить обобщенную модель системы, отвечающую поставленным задачам с максимально возможной степенью соответствия при вводимых ограничениях на выбор характеристик ее компонентов.

При анализе методов медико-биологических исследований необходимо обращать Особое внимание на их метрологический аспект, связанный с повышением точности и достоверности получаемых измерений. Биологический объект характеризуется огромным количеством показателей - статических и динамических, количественных и качественных, измеряемых прямыми, а чаще косвенными методами. Любой процесс измерения, связанный с подключением датчика информации, можно характеризовать методическими погрешностями, специфическими для того или иного метода. Например, контактные датчики, взаимодействуя с объектом исследования, искажают изучаемые процессы а сам объект влияет на характеристики датчика. Эти источники погрешностей могут привести к значительным ошибкам при измерении медико-биологических показателей или регистрации физиологических процессов. Анализ подобных методических погрешностей, оценка их доли в общей погрешности исследования невозможны без знания особенностей биологической системы.

Эффективность подобных систем полностью определяется тем, насколько точно будут согласованы характеристики этих звеньев, обеспечена единая информационная среда, в которой происходит взаимодействие разнородных звеньев, и соблюден принцип адекватности при выборе средств воздействия. С позиций общей теории систем синтез биотехнических систем

можно отнести к одному из видов прикладных системных теорий наряду с системотехникой, инженерной психологией, эргономикой и т. д., где соблюдение принципов системного проектирования является непременным условием для достижения высокого качества синтеза.



1.2 Классификация систем

Уже со времен К. Бернара в физиологии начал господствовать взгляд на организм как на совокупность сложных взаимосвязанных биологических регуляторов, однако только относительно недавно теория систем и теория автоматического регулирования стали применяться при изучении биологических объектов. Применение идей этих теорий для анализа процессов в живых системах породило новые представления о биологической организации, позволило глубже разобраться в закономерностях эволюционного развития, понять и открыть новые, неизвестные в технике принципы организации очень сложных систем, обеспечивающие высокую надежность выполнения определенных функций в условиях непрерывно и значительно изменяющейся внешней среды. В свою очередь, сведения о биологических системах дали толчок к развитию новых направлений науки и техники - кибернетики, бионики, биотехнических систем.

Любой закон, любая наука в целом есть обобщенная функциональная модель действительности, способная предсказывать поведение реальных объектов в определенном диапазоне условий. Построение моделей, использование функциональных схем и математических соотношений требует точной характеристики и строгого определения понятий.

В литературе встречается более 40 различных определений этого понятия. Все они в зависимости от подхода могут быть разделены на три группы. В первой группе системы рассматриваются как некоторые классы математических моделей. Вторая группа определяет систему через понятия системного подхода - «элементы», «отношения», «связи», «целое», «целостность». В третьей группе система определяется с позиций теории регулирования через понятия «вход», «выход», «переработка информации», «закон поведения», «управление». Наиболее общим и в то же время достаточно простым является следующее определение: система - совокупность элементов, определенным образом связанных и взаимодействующих между собой для выполнения заданных целевых функций.

Любая система характеризуется наличием входов и выходов, элементным составом и структурой, набором параметров, описывающих ее внутреннее состояние, и законом поведения, связывающим выходные сигналы (эффекты, ответы, реакции) с входными (причиной, стимулом, воздействием, возмущением).

Закон поведения системы в общем случае выражается системой нелинейных уравнений вида:

Состояние системы определяется значениями ее характеристических параметров, параметров составляющих ее элементов положением системы в пространстве, а также значениями производных. Эти значения могут изменяться во времени и пространстве, что означает переход системы из одного состояния в другое. Системы, способные изменять состояние под влиянием воздействий, становятся динамическими. Если производные равны нулю, динамическая система переходит в состояние покоя и становится статической. Любую систему можно представить в виде блок-схемы графа, отражающих ее Структуру, т. е. как совокупность выявленных элементов (подсистем) и их взаимосвязей. Переход системы из одного состояния в другое под воздействием внешних или внутренних факторов называется процессом, совокупность процессов составляет сущность управления, при этом управление обязательно предусматривает наличие управляющего канала.

Переход системы в новое состояние может сопровождаться появлением новых связей и исчезновением старых, изменением типа связей, изменением элементного состава системы, который может привести к изменению функции. Все это приводит значительным трудностям при изучении систем, даже при относительно небольшом количестве элементов, содержащихся в системе. Реальные системы трудно объединить в какие-то естественные группы, так как они имеют разную природу и назначение. Можно выделить наиболее общие признаки, позволяющие классифицировать системы и разделить методы их изучения. К этим признакам относятся: сложность систем, использование различных типов входов и выходов; характеристика элементов и типов связей между ними и т. д.

По сложности можно выделить три класса динамических систем:

? простые, состоящие из небольшого количества элементов характеризующиеся простым динамическим поведением;

? сложные, структура которых отличается разветвленностью, разнообразием связей, но поддается точному описанию;

? очень сложные системы, точно и подробно описать которые нельзя.

По характеру поведения различают детерминированные и стохастические системы. Для детерминированных систем точно известен закон поведения, для стохастических можно определить вероятность того или иного ее состояния, той или иной реакции.

Другой принцип классификации систем основан на введении понятий об информационных, энергетических и вещественных входах и выходах, причем под «информацией» в этом случае понимаются сведения, сигналы об окружающем мире, которые воспринимаются системой, или сигналы, которыми обменивается данная система с другими. В этой классификации различают:

? информируемые системы, имеющие хотя бы один информационный вход;

? информирующие системы, имеющие хотя бы один информационный выход;

? информационные системы, имеющие некоторое количество информационных входов и выходов.

Возможна классификация систем по характеристикам элементов, например линейные, нелинейные и гистерезисные системы; по типу связей между элементами - замкнутые, разомкнутые, с непосредственными и опосредованными связями, прямыми и обратными связями и т. д.

1.3 Способы описания систем

Различные описания системы отображают определенные группы их свойств и позволяют выявить упорядоченность, структурность и функциональную организованность системы.

Всякая система или объект, прежде всего, интересны своим назначением, местом, которое они занимают среди других систем и объектов в окружающем мире, своей функцией. Поэтому для характеристики системы, прежде всего, должно быть получено функциональное описание, которое позволяет оценить назначение системы, ее отношение к другим системам, ее контакты с окружающим миром, направления возможных изменений функции.

Функциональное описание связывает внешние воздействия на систему с ее реакцией, ответом, поведением, воздействием на элементы системы. Оно может задаваться некоторым оператором в алгебраической, логической, дифференциальной, интегрально-дифференциальной форме, входящим в скалярное, векторное или матричное уравнение. Оператор составляется на основании измерения внешних характеристик или на основании знания строения системы. Представление о строении системы дает ее морфологическое описание, позволяющее выделить основные элементы, связи, определить тип структуры.

Эти два вида описания системы дополняются третьим - информационным описанием, позволяющим судить об уровне ее организации (дезорганизации), предсказать вероятность реакции системы на то или иное воздействие. Также характеристика информационных потоков, циркулирующих в системе в афферентных (осведомительных) и эфферентных (управляющих) цепях, и данные об алгоритмах взаимодействия элементов.

Четвертый вид описания системы связан с характеристикой процессов зарождения системы и эволюцией ее развития в историческом плане - это генетико-прогностическое описание.

Рассмотрим эти описания системы

Функциональное описание исходит из целевых функций (одной или нескольких) систем. Среди этих функций можно выделить следующие наиболее простые:

? пассивное существование в качестве материала для других систем;

? обслуживание систем более высокого порядка;

? противостояние другим системам и среде (выживание);

? поглощение или подавление других систем среды,

? преобразование других систем и среды и т. д.

Для систем более высокого порядка формулировка единой целевой функции представляет сложную неоднозначную задачу.

Функция системы выполняется, если ее характеристические параметры изменяются в определенных пределах, вне которых система разрушается или существенно меняет свои свойства и функцию. Последовательность действий при выполнении системой некоторой функции отражает содержание закона поведения, которое зависит от процессов, протекающих внутри системы. Так как выполнение функции системы зависит от качества выполнения функций ее элементами, то функциональное описание следует представлять в виде иерархической структуры.

Функциональное описание всей системы вбирает в себя описание внешних функций, процессов и характеристических параметров, которые определяют законы внешнего функционирования и эффективность выполнения функций. Законы внутреннего функционирования системы являются законами внешнего функционирования для подсистем первого уровня и зависят от функций подсистем первого уровня, процессов, протекающих внутри системы и параметров подсистем. Показатели качества выполнения функций первого уровня оказывают влияние на эффективность всей системы. Законы функционирования подсистем второго уровня являются законами внутреннего функционирования для подсистем первого уровня и т. д. Таким образом, по мере продвижения в глубь системы функциональное описание включает все новые, уровни организации и новые морфологические структуры. Воздействия внешней среды могут проявляться на любом уровне функционального описания и косвенно вызывать изменения эффективности всей системы.

Морфологическое описание позволяет судить о составе элементов, связях и структуре, системы. Расчленение системы на элементы является одним из первых шагов при построении морфологического описания. При этом имеют значение только те свойства элемента, которые определяют его взаимодействие с другими элементами системы. Для представления об основных свойствах структуры морфологическое описание может быть дано на нескольких уровнях, т. е. морфологическое описание также иерархично. При этом на разных уровнях могут использоваться принципиально другие способы описания. Например, для организма такие уровни, как орган - группа клеток - клетки - внутриклеточные структуры - требуют совершенно различных способов описания и исследования. Так, на уровне органов используются физиологические методы, на уровне клеток - данные микроскопических исследований, для описания процессов во внутриклеточных структурах - методы биохимического анализа и т. д.

Морфологическое описание начинается с характеристики элементного состава, который может быть гомогенным (содержать однотипные элементы), гетерогенным (содержать разнотипные элементы) и смешанным. Затем исследуются свойства элементов, которые могут классифицироваться:

? по содержанию;

? по степени свободы,

? по степени специализации

? по времени активного участия в выполнении функции.

По содержанию выделяют информационные, энергетические, вещественные и смешанные элементы.

По степени специализации элементы могут быть предназначены для однотипных, близких (смежных) и разнотипных функций.

По степени свободы в выполнении функций элементы разделяют на программные, адаптивные и инициативные, а по времени действия - на регулярные, непрерывные, нерегулярные и смешанные.

Также морфологического описания является характеристика связей между элементами внутри системы и между всей системой и средой.

Связи оценивают по содержанию как информационные, энергетические, вещественные и смешанные и по их направленности как прямые, обратные и нейтральные.

Качество связи между элементами можно оценить пропускной способностью и надежностью каналов связи. Пропускная способность канала связи определяется как максимальный объем вещества, энергии или информации, который может пропустить канал связи в единицу времени. Надежность связи зависит от величины и вероятности ошибок преобразования и передачи вещества, энергии или информации. Отметим прямые и обратные связи. Прямые связи предназначены для передачи вещества, энергии, информации или их комбинаций от одного элемента к другому в соответствии с последовательностью выполнения функций элементами, приводящей к достижению целевой функции системы.

Обратные связи, в основном, имеют контролирующую функцию для обеспечения качества управления процессами. Наиболее распространены информационные обратные связи, которые позволяют передавать информацию в направлении, противоположном функциональной последовательности.

Под структурой понимается множество всех возможных отношений между элементами внутри данной системы. Структурные свойства систем определяются характером и устойчивостью этих отношений. По характеру отношений можно выделить многосвязные, иерархические (многоуровневые) и смешанные структуры. Для иерархических структур характерно наличие управляющих (командных) элементов. В неиерархических (многосвязных) структурах управляющие функции распределены между всеми элементами или группами элементов.

Различают следующие типы подсистем (элементов):

? эффекторные, способные преобразовывать управляющие воздействия и воздействовать веществом, энергией или информацией на другие подсистемы, соседние системы и среду;

? рецепторные, способные преобразовывать внешние воздействия в информационные сигналы;

? рефлексивные, способные воспроизводить внутри себя процессы воздействия на информационном уровне;

? неопределенные, которые не могут быть точно отнесены к одному из перечисленных выше типов.

При определении степени влияния одних подсистем на другие, большое значение приобретает понятие лидерства. Лидирующей подсистемой является та, которая, не имея детерминированного влияния со стороны какой-либо подсистемы, управляет большей частью других подсистем.

Понятие «структура» включает также конфигурацию системы - пространственное расположение элементов, геометрические свойства.

Различают точечную, линейную, плоскую, объемную и смешанную конфигурации.

Информационное описание позволяет оценить организованность (или неорганизованность) системы, характеризует циркулирующие в системе информационные потоки, определяет упорядоченность системы и, следовательно, выражает способность системы предсказывать свое будущее поведение, дает перспективу. Информационное описание тесно связано с понятием энтропии (неопределенности исхода опыта). величина которой (H) зависит от вероятности (р) пребывания системы в любом из n возможных состояний:

Чем беспорядочнее система (т. е. чем больше п), тем в большей степени ее будущее зависит от случайности. При равных вероятностях система полностью дезорганизована, так как во всякий момент времени она может перейти в любое состояние, т. е. система обладает максимальной энтропией. Повышение упорядоченности означает увеличение зависимости между факторами, определяющими поведение системы, выделение предпочтительных состояний, что приводит к предсказуемости ее поведения. Применительно к внешним случайным факторам необходимым условием появления возможности предсказания поведения системы является наличие модели среды в системе (отображение среды). Чтобы система существовала, взаимодействовала со средой, она должна обмениваться с ней информацией. Этот процесс обмена квантами порциями информации называется информационным метаболизмом, который совместно с вещественным и энергетическим метаболизмом определяет полный метаболизм.

Функциональные процессы в системе тесно связаны с информационными. Источником информации для функционирования системы является внутренний ресурс (возможности структуры и элементов) и среда, а носителем - вещество и энергия (сигналы).

В принципе информационное описание можно получить из морфологического и функционального, однако из-за недостоверности знаний о свойствах элементов и неполноты этих описаний предпочтительней получать информационное описание экспериментально и пользоваться им как самостоятельным. Кроме того, для хаотических, слабоструктурированных, неустойчивых систем информационное описание является единственным.

Генетико-прогностическое описание позволяет проследить путь развития системы в историческом аспекте. Оно выявляет происхождение системы (объекта), отражает главные этапы в его развитии, позволяет оценить перспективы дальнейшего существования. При исследовании сложных систем только прослеживание эволюционного пути позволяет разобраться в особенностях их структуры и функционирования, понять роль и назначение ряда подсистем, оценить роль внешних и внутренних факторов в эволюционном развитии, и на основании такого анализа получить более ясное представление о системах в целом. Особую роль генетико-прогностическое описание может иметь при исследовании биологических систем.

Таким образом, совокупность функционального, морфологического, информационного и генетико-прогностического описаний позволяет отразить главные свойства систем.

1.4 Системные аспекты управления

Формирование процессов, определяющих поведение системы, составляет задачу управления. Если развитие в аспекте генетико-прогностического описания предполагает изменение морфологии, расширение функций, изменение информационного описания, то при управлении остаются неизменными информационное и морфологическое описания в отношении элементного состава.

Управление, осуществляемое со стороны другой системы или среды, называется внешним, а управление внутри системы со стороны одной из подсистем - внутренним. Различают управляющую и управляемую подсистемы (системы). Часто их функции воздействия друг на друга весьма сложно переплетаются, особенно в биологических и биотехнических системах. Характерной особенностью управляемой системы является способность изменять поведение, местоположение, переходить в новое состояние под влиянием различных управляющих воздействий. При этом всегда подразумевается некоторое множество возможных новых состояний, положений, форм поведения, из которых осуществляется выбор. Таким образом, управление связано с целенаправленным выбором ответов системы из некоторого множества. Свойством управляемости обладают не любые системы. Необходимым условием наличия в системе хотя бы потенциальной возможности управляемости является ее организованность, т. е. наличие определенной структуры и целесообразного состава и наличие связей между элементами. Управление связано с переработкой информации. Для осуществления управления необходима связь между управляющей и управляемой системами (подсистемами). Такая связь может быть вещественной, энергетической и информационной, при этом для сложных, высокоорганизованных систем характерны информационные связи. От управляемой подсистемы осведомительная информация о ее режимах работы, состоянии и т. д. направляется к

управляющим подсистемам, которые могут также получать информацию из окружающей среды. При необходимости управляющие подсистемы корректируют режим управляемых подсистем путем передачи управляющей информации. Последняя поступает на управляемую систему через эфферентные связи и эффекторную подсистему (эффекторные элементы), а осведомительная - через афферентные связи и рецепторную подсистему (рецепторные элементы). В сложных системах процесс переработки информации является многоступенчатым, включающим, например, сбор информации, кодирование, отбор и классификацию, передачу, декодирование, отображение, хранение и т. д.

Управление предопределено целевой функцией системы. Зависимость управляющего действия от состояния системы и среды называется законом управления. Его можно выразить в математической, логической или лингвистической формах, способ его формирования зависит от типа и свойств системы. Законы управления могут быть чрезвычайно разнообразны, их сложность изменяется в широких пределах. Вместе с тем самые сложные законы управления могут быть представлены последовательностью сравнительно простых единичных фактов, фактов переработки «порций» информации, эта последовательность определяет алгоритм управления. Время от поступления очередной порции информации до поступления управляющей команды называется длительностью цикла управления.

Управляющая информация может формироваться по ходу изменений ситуации на основании апостериорной информации о внешней среде и внутреннем состоянии системы или заранее, когда на основании априорной информации предсказывается развитие ситуации. Возможен смешанный способ формирования управляющих сигналов. Реализация управленческих функций может осуществляться, в виде централизованного и децентрализованного управления. Существуют также и промежуточные (смешанные) типы управления. Для биологических систем характерна также иерархическая структура управления, в которой управленческая информация передается «ступенчато» от верхних (центральных) подсистем к нижним (подчиненным), причем возможно несколько с«тупенек» передачи информации, соответствующих нескольким разнородным уровням организации внутри данной системы.

Формирование закона управления требует анализа информации и распознавания ситуации. Между ситуациями и поведением системы должно устанавливаться соответствие, оценка которого составляет основу управления.

Ошибки распознавания влекут за собой ошибки управления. Все многообразие методов формирования закона управления можно разделить на три группы: реакция, стереотип, моделирование.

Управление тесно связано с гомеостазом и характеризуется устойчивостью. Под гомеостазом понимается способность системы обеспечивать стабильность структуры и элементного состава, качественное выполнение функций и поддержание характеристических параметров в заданных пределах вне зависимости от случайных факторов воздействия. При этом основными источниками этих случайных факторов являются изменение внешних условий функционирования (например, атмосферные явления, помехи внешней среды и т. п.); случайные колебания нагрузки (включая и потоки информации); внутренние факторы (например, изменение режимов работы, естественное старение элементов, шумы внутреннего происхождения и т. д.). Следовательно, одним из важнейших свойств системы является ее адаптивность, позволяющая системе самооптимизировать свое поведение и структуру в условиях воздействия случайных факторов различного происхождения.

Верхним пределом гомеостатического состояния является оптимизация процесса управления, т. е. обеспечение качества управления при минимальных энергетических затратах за минимальное время. Гомеостаз поддерживается механизмами саморегулирования. Системы, которые способны устойчиво сохранять характер взаимодействия с внешней средой несмотря на возможные изменения внутренних и внешних факторов, называются самоорганизующимися.

Особое значение в синтезе самоорганизующихся систем имеет бионический подход, поскольку принципы адаптации и самоорганизации позволяют биологическим объектам успешно бороться за жизнь в условиях меняющейся внешней среды, изменяя в широком диапазоне свои характеристики и степень своего воздействия на внешнюю среду.

В обеспечении высокой эффективности управления значительная роль отводится обратным связям. Управляющая система непрерывно контролирует управляемую систему и вырабатывает команды управления в соответствии с состоянием управляемой системы и целью управления. Без этого невозможны процессы адаптации и самоорганизации, немыслимо существование живых систем. Особая способность систем формировать целенаправленное самостоятельное поведение, включающее предвидение, осуществляется при помощи обратных связей. Обратные связи можно разделить на положительную и отрицательную. Положительная обратная связь увеличивает чувствительность системы, отрицательная способствует устойчивости ее. Совместное их действие может оказать сильное формирующее влияние на процессы для поддержания их уровня при случайных внешних воздействиях. Исследование и описание комбинированных обратных связей представляет сложную задачу, особенно при их большом количестве, когда даже выявить их трудно.

1.5 Основные функциональные характеристики сложных систем

Для сопоставления систем разных уровней и структуры и выяснения оптимальности их устройства вводят некоторые функциональные характеристики, которые можно выразить численно. К таким характеристикам относят эффективность, надежность, качество управления, помехозащищенность, устойчивость и степень сложности. Количественные характеристике могут быть получены экспериментально либо аналитически при точном математическом описании системы. Такие характерней тики должны удовлетворять следующим условиям:

? зависеть от процесса функционирования системы;

? просто вычисляться или измеряться;

? давать наглядное и сопоставительное представление об одном из свойств системы;

? допускать, в пределах возможного, простую приближенную оценку по экспериментальным данным.

Рассмотрим эти характеристики детальнее. При этом будем исходить из того, что процесс функционирования сложной системы представляется как совокупность действий ее элементов подчиненных единой цели.

Эффективность выполнения целевой функции и стоимость затрат, пошедших на ее достижение, оцениваются количественным (например, числовым, зависящим от функций, которые описывают внутренние процессы) или качественным (упорядочение «хуже - лучше») функционалом, значение которого определяет эффективность системы. Показателем эффективности сложной системы называется величина числовая характеристика), характеризующая степень приспособленности системы к выполнению поставленных перед нею задач.

Можно ввести представление о некотором пороге эффективности (с точки зрения наблюдателя), превышение которого означает выполнение функции, а меньше значение - невыполнение. Показатель эффективности не постоянен, он зависит от взаимоотношения системы с другими системами и средой. Если система противодействует неблагоприятному влиянию другой системы или среды, добиваясь стабилизации некоторого процесса или показателя, то ее показатель эффективности уменьшается.

Для поддержания стабильности процесса в условиях внешних воздействий требует некоторого уменьшения эффективности системы.

Реакция (ответ) системы на воздействие может выражаться в активной перестройке самой системы, а также порождать процессы противодействия, которые могут изменять параметры среды и использовать первоначально неблагоприятные изменения в свою пользу. При этом за уменьшением эффективности системы может последовать ее увеличение, изменение функций и пределов работоспособности системы.

Отклонение показателя эффективности от условного порога в большую сторону характеризует запас прочности системы, т. е. ее возможность сопротивляться неблагоприятным воздействиям и выполнять свою функцию. Уменьшение его ниже порога может привести к нарушению функций или к разрушению системы. Поскольку сложная система функционирует в условиях воздействия случайных факторов, то и результат ее работы можно считать случайной величиной (событием). Пусть А - событие, ж - случайная величина, соответствующая этому событию; ж =1, если событие А произошло, ж = 0, если событие А не произошло. Для оценки среднего уровня функционирования системы обычно пользуются средним значением случайной величины - математическим ожиданием или вероятностью совершения случайного события Рж. Так как процесс функционирования большой системы не всегда стационарен и, как травило, зависит от времени, необходимо при оценке эффективности указывать также интервал времени, для которого рассматривалось действие системы.

Правильным является выбор таких частных показателей эффективности, которые наиболее полно отражают соотношение результатов и затраченных на их достижение средств. Например, при оценке биотехнической системы эргатического типа принят критерий Rд, отражающий стоимость достигнутого результата деятельности для организма оператора. Часто при оценке эффективности системы вводятся ограничительные условия, например по себестоимости - не более заданной величины. Любой показатель эффективности R зависит от ряда параметров: u1, u2, …, ur - параметры системы; х1, х2, …, х_п - факторы воздействия из внешней среды. Поэтому R = R(u1, u2, …, ur, х1, х2, …, хп). Аналитическое выражение для R может быть весьма сложным, оно зависит от структуры системы и алгоритма ее функционирования.



Следующей функциональной характеристикой является надежность. Требования к ней предъявляются все более жесткие: растет ответственность, возлагаемая на системы, растет цена ошибки. Важно отметить, что традиционные критерии надежности хорошо представляющие свойства простых систем, такие как «среднее время безотказной работы», «вероятность безотказной работы, в заданном интервале времени» и т. д. для сложных систем практически не имеют смысла. Решающим в оценке надежности сложных систем является правильный учет последствий (с точки зрения конечного эффекта функционирования системы), к которым приводят отказы тех или иных элементов Особенно сложна оценка надежности биотехнических систем с элементами-операторами или целыми коллективами операторов в роли элементов.

Под отказом элемента будем понимать выход его характеристик за допустимые пределы либо полное прекращение работы. Естественно, что в обоих случаях изменяется показатель эффективности. Пусть - эффективность системы при условии, что все элементы абсолютно надежны, a - эффективность, если отказы происходят с интенсивностью в заданных вероятностных пределах. Тогда в качестве показателя надежности сложной системы может быть выбрана величина:



Он характеризует разницу между идеальной и реальной эффективностью системы. Важно учитывать также вероятность обнаружения выхода элементов из строя и вероятность своевременного их восстановления.

Если величина ?R мала, то заниматься повышением элементной надежности особого смысла нет, если величина ?R велика, то элементная надежность тоже должна быть высокой. Следует обратить внимание на особое значение этой характеристики для биотехнических систем, содержащих биологические звенья. Их надежность наиболее обоснованно определяется экспериментально вследствие сложности аналитического описания таких систем.

Качество управления - один из наиболее важных критериев оценки сложных систем, включая и биотехнические системы. Все факторы, влияющие на качество управления, можно разделить на группы, связанные с качеством критериев управления, с частотой циклов управления, с качеством осведомительной информации и с алгоритмами управления.

Очень важен правильный режим управления. Обоснованный выбор длительности цикла особенно необходим тогда, когда мы имеем дело с «устареванием» осведомительной информации. Устаревание информации может быть скомпенсировано иногда не полностью) введением прогнозирования - экстраполяцией состояний системы. Однако цикл управления должен быть ограничен, иначе накопится ошибка экстраполяции.

Кроме того, при большом цикле управления ухудшается согласованность изменений управляемых элементов с управляющими устройствами (в аспекте переходных процессов).

Показатель ?R становится также инструментом для оценки влияния того или иного мероприятия по организации деятельности человека, влияния смены алгоритма управления, изменения программы подготовки операторов и т. д.

Еще одной функциональной характеристикой является помехозащищенность. Как уже отмечалось, система функционирует в условиях воздействия на нее различных внешних и внутренних факторов. Обычно рассматриваются некоторые нормальные (типичные) условия работы системы.

В этих условиях функционирование системы называется невозмущенным. Естественно, что реальные условия, как правило, отличаются от нормальных. Помехой называются внешние или внутренние факторы, которые изменяют.

Она указывает, насколько снижается эффективность функционирования системы в условиях воздействия внутренних и внешних помех.

Устойчивость - также функциональная характеристика сложной системы. Под устойчивостью функционирования системы понимается ее способность сохранять требуемые свойства в условиях воздействия возмущений. Практически это понятие применимо по отношению к определенному виду возмущений определенной численной характеристике системы. При этом чрезвычайно важно выделить области устойчивости системы, т. е. пределы изменения ее параметров, в которых система выполняет свои целевые функции достаточно эффективно.

Следующей функциональной характеристикой системы является степень ее сложности. Обычно сложность системы определяется интуитивно, однако при синтезе систем и особенно их сравнительном анализе на разных стадиях разработки необходимы количественные критерии для оценки этой характеристики. Без этого невозможен, например, машинный синтез систем.

Рассмотренные функциональные характеристики сложных систем позволяют оценить последние с разных сторон и дают основу для их объективного сопоставления и сравнения.

Системный подход предполагает разносторонний анализ объекта, но при этом могут быть выделены три основных этапа, три «плоскости» системного исследования:

1) Изучение степени организованности объекта как сложной системы. При этом анализируются элементный состав, связи и структура системы при фиксировании ее состояния в некоторый момент времени (морфологическое описание моментного состояния).

2) Изучение законов функционирования, описывающих поведение системы в условиях реального существования, и анализ возможных погрешностей в ее поведении, накопления ошибок, функциональное и информационное описания).

3) Изучение пути развития объекта, его происхождения и перспектив дальнейшего существования (генетико-прогностическое описание).

На первом этапе можно выделить две задачи: выяснение состава и свойств элементов подсистем, включенных в систему (элементный анализ) и определение того, как они между собой: связаны (анализ связей и типа структуры).

Системное исследование исходит из принципа целостности, согласно которому, объект рассматривается как «относительно обособленная система» (по определению С. Вира) т. е. имеющая конечное число входов и выходов для общения с другими системами и средой, свойства которой не сводимы к свойствам ее составных частей. Выделение элементов в этой системе должно представлять их как необходимые и достаточные для самого существования системы. Это позволяет отличать органически присущие ей элементы (подсистемы) от случайных. Оценить необходимость той или иной из подсистем можно, только рассматривая структурную упорядоченность (принцип организованности) объекта, обеспечивающую функционирование его как целого. Только путь от целого к частям приводит к пониманию природы его элементов и характера их взаимодействия. Упорядоченность целого накладывает ограничения на область возможных состояний и возможных преобразований, как частей, так и самого целого, так как изменение одной его части, так или иначе, сказывается на состоянии других частей. Структурная упорядоченность выражается в целесообразности структуры объекта.

При составлении морфологического описания решается несколько основных задач:

? выявление взаимосвязей элементов, которые придают объекту целостность и порождают новые свойства, отсутствующие у каждого элемента в отдельности;

? изучение характера взаимосвязей элементов, выделение высших и низших уровней организации, при этом определяют центральные и соподчиненные элементы, наличие прямых и обратных связей, определяется тип структуры и конфигурация и т. д.;

? сравнение данной системы с другими в плане их близости, сходства и различия, что позволяет выявлять общие законы организации сложных систем.

На втором этапе изучаемый объект рассматривается как элемент (подсистема) более обширной и сложной метасистемы в которой он выполняет определенные функции. Такой объект постоянно взаимодействует с окружающей средой, так или иначе, реагируя на ее воздействия. Однако процессы, происходящие внутри объекта, не могут однозначно определяться только внешними воздействиями. Изменения, которые претерпевает объект, вызываются переплетением как внешних, так и внутренних факторов, причем, чем сложнее объект, тем в большей мере характер этих изменений определяется присущими ему внутренними закономерностями.

Таким образом, второй этап системного подхода связан с изучением законов внутреннего и внешнего функционирования. Законы внешнего функционирования раскрывают характер взаимодействия с внешней средой: тип обмена энергией, веществом и информацией, избирательность восприятия и степень переработки воздействии среды, степень активности при воздействии на среду со стороны объекта, наличие адаптивных свойств и способности к самоорганизации и т. д. Законы внутреннего функционирования определяются элементным составом и связями между элементами и обусловливают выполнение элементами определенных функций, необходимых для нормальной работы целого. Изучение законов функционирования и связей внешних и внутренних факторов должно проводиться на всех уровнях исследования (смотрите рисунок 4), при этом отмечаются основные функции подсистем данного уровня, определяющие процессы и характеристические параметры. Изучением структуры и законов функционирования не заканчивается системное исследование объекта. Системный анализ включает в себя как обязательный этап анализ объектов как систем (или элементов систем), имеющих определенную историю и перспективы развития, что отвечает требованию единства логического и исторического методов исследования. Этот этап заканчивается формированием генетико-прогностического описания. Сам по себе системный анализ не может дать содержательного знания об изучаемых объектах, он лишь направляет процесс исследования, задает круг проблем, которые должны быть решены. Последовательность рассмотренных этапов системного анализа также не однозначна и зависит от типа объекта и целей исследования. Поэтому продуктивное применение системного анализа возможно лишь в сочетании со всем арсеналом методов и средств, выработанных в той или иной конкретной области знания, к которой относится изучаемый объект. При этом каждый из рассмотренных этапов системного анализа имеет свои методы исследования, которые, взаимно дополняя друг друга, помогают всестороннему изучению объекта.

Размещено на Allbest.ru

...