Введение к работе
Актуальность проблемы:
Биологическая популяция представляет собой систему, состоящую из большого числа
особей, объединенных систематическим взаимодействием друг с другом и с окружающей
средой й, в силу этого,г ^характеризуемых существенной взаимозависимостью,_
обеспечивающей существовать популяции. Эта система входит в более крупную
экологическую систему, состоящую из нескольких взаимодействующих популяций,
обитающих иа одном ареале, содержащем ресурсы для питания популяций. Эту
экологаческую систему можно рассматривать как макросистему. Стационарная бегущая
уединенная волна популяции описывает передвішение популяции особей по пространству
нелинейной волной с постоянной скоростью я формой. Концентрация популяции изменяется
а уединенной волне от нуля до нуля переходя через максимум (солитон), а концентрация
ресурса в уединенной волне изменяется от начальной концентрации в окружающей среде до
некоторой меньшей концентрации. Уединенная волна биологической популяции это яркий
пример самоорганизации биологической системы, обеспечивающей существование
популяции. В форме уединенной волны могут передвигаться по пространству биологические
особи различных видок насекомые, бактерии, амебы и др. Возникает вопрос о возможности
целевого использования человеком уединенных волн биологических популяций. К числу
таких целей или задач можно отнести: синтез необходимых ценных продуктов,
образующихся в результате жизнедеятельности особей популяции (витамины, антибиотики,
органические кислоты, экзопояисахариды и др.); уничтожение вредных веществ (ионы
тяжелых металлов, различные органические соединения), являющихся для особей ресурсом;
организация самоочищения русловых потоков. Для решения этого вопроса необходимо 1)
разработать базовые модели уединенных попуяяционных волн различного типа;
2)разработать алгоритмы расчета уединенных популяционных волн в определенных
приближениях; 3) разработать целевые алгоритмы управления этими объектами по ряду
имеющих важное значениё"параметров; 4)организовать систему сбора информации о
поведении этих биологических объектов, обработки этой информации и представления
информации для принятия решений на основе алгоритмического расчета, учитывая, что эти
объекты имеют склонность к адаптации к сохраняющимся условиям. Автоматизация всех
этапов управления научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими разработками
(НИОКР) необходима при создании сложных экспериментальных установок к которым
можно отнести установки с уединенной волной биологической популяции. Требуется
разработать принципы построения и структуру технической системы, определить тематику
научной работы при проведении последующих экспериментов в заданные временные сроки
при ограниченных финансовых ресурсах научно-исследовательской организации.
.>
Цель работы: разработка базовых моделей АСУ процессами в потоках со стоячей уединенной волной биологических популяций. Необходимо провести имитационное моделирование процесса с целью получения рациональных моделей. При создании и исследовании опытной установки биологического реактора необходимо получить исходные данные для проектирования (форму и размер установки, структуру технической системы), оценить эффективность процесса. В дальнейшем планируется создание промышленных установок. Для проведения волнового процесса на опытных биологических реакторах необходима АСУ чистоты получаемого биологического продукта от начального ресурса. Создание АСУ для установки биологического реактора - трудоемкая задача. В настоящей работе разрабатываются базовые модели АСУ для получении биологического продукта в волновом режиме при высокой эффективности проведения процесса
Необходимо обеспечить организационное управление исследованием, оптимальное взаимодействие между членами творческого коллектива исследователей при проведении НИОКР. В связи со сложностью исследования и проектирования необходимо создание исследовательской группы научных работников, занимающейся обработкой данных, поступающих с экспериментальной установки, для последующей выдачи командное информации исполнительным органам управления экспериментом.
Ранее в [7-11] значении скорости уединенной вол- биологических популяций было не определено. Это являлось препятствием созданию стационарной системы управления для такого необычного объекта как уединенная волна. Создание математического и алгоритмического обеспечения позволяет получить информацию для создания АСУ уединенной волной биологических популяций различных типов. Для нахождения скорости уедиенной волны биологической популяции как функции управляющих параметров оптимально подходит метод полубесконечной зоны реакции [4, 6], разработанный для анализа волн различных экзотермических химических реакций. Применение этого метода в данном случае особенно органично, так как он позволяет достаточно точно учесть как возрастающую, так и ниспадающую ветви солитона (уедиенной волны биологической популяции). Вопрос о нахождении скорости уединенной популяционной волны был решен в [12] с помощью метода полубесконечной зоны реакции. В данной работе полученные решения используются для создания системы управления уединенной волной биологических популяций.
Создание автоматизированной системы для установки биологического реактора -трудоемкая задача. В настоящей работе разрабатываются базовые модели АСУ для получения биологического продукта в волновом режиме при высокой эффективности проведения процесса.
Необходимо обеспечить организационное управление исследованием, оптимальное
взаимодействие между членами творческого коллектива исследователей при проведении НИОКР. В связи со сложностью исследования и проектирования необходимо создание исследовательской группы научных работников, занимающейся обработкой данньк7 поступающих с экспериментальной установки, для последующей выдачи командной информации исполнительным органам управления экспериментом.
Дня достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:
-
Разработать алгоритмы расчета уединенной волны биологической популяции одноклеточных организмов;
-
Разработать алгоритмы расчета уединенной волны биологической популяции многоклеточных животных организмов;
-
Разработать алгоритмы расчета уединенной популядионной. водны биоценоза (сложной системы взаимодействующих друг с другом популяций);
-
Разработать целевые алгоритмы управления уединенной волной биологических популяций одноклеточных организмов и многоклеточных животных организмов для достижения максимальной скорости процесса, а, следовательно, н производительности, при максимальной чистоте биологического продукта от вредных веществ.
Методы исследования:
В процессе исследования и решения сформулированных задач использованы методы системного анализа, математической статистики, численные методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений, разработаны соответствующие алгоритмы и методы алгоритмизации задач управления процессом и их экспериментальное применение на ЭВМ.
Научная повизна:
Для получения исходной информации, необходимой для создания биологических реакторов, работающих в волновом режиме, разработаны алгоритмы, реализующие стабилизированный в волйё режим в биологическом реакторе с уединенной волной биологической популяции при различных параметрах проведения процесса. Исследовано влияние управляющих параметров процесса уединенной популяционяой волны: начальной концентрации ресурса и отношения характерных времен процесса, позволяющие оператору АСУ волновым процессом осуществлять обратную связь, необходимую для получения биологического продукта необходимой чистоты от ресурса. Разработаны ашоритмы расчета по моделям уединенных популяцнонпьк волн одноклеточных организмов, многоклеточных животных организмов, а также биоценоза. Как уже было отмечено ранее, уединенная популяционная волна - это яркий пример самоорганизующийся системы. В данной работе
впервые ставится задача о создании АСУ этой сложной самоорганизующейся системой организмов.
Практическая ценность:
В практическом плане разработанное алгоритмическое обеспечение позволяет получить исходную информацию, необходимую для получения биологического продукта в стоячей уединенной волне популяции биологических организмов. Результаты работы дают возможность оператору АСУ регулировать процесс. Разработаны алгоритмы для процесса в биологическом реакторе, стабилизированном в уединенной волне популяции.
Положення, выносимые на защиту:
-
Алгоритмы расчета уединенной волны биологической популяции одноклеточных организмов.
-
Алгоритмы расчета уединенной волны биологической популяции многоклеточных животных организмов.
3. Алгоритмы расчета уединенной волны биоценоза.
4. Целевые алгоритмы управления уединенной волной биологических популяций
одноклеточных организмов в многоклеточных животных организмов для достижения
максимальной скорости процесса, а, следовательно, и производительности, при максимальной
чистоте дологического продукта от вредных веществ.
Апробация работы:
Основные результаты вошедшие в диссертацию, обсуждались и на семинарах кафедры биофизики Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета и кафедры информатики и вычислительной математики Северо-Западного заочного политехнического института.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 4 работы. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы:
Похожие диссертации на Базовые модели автоматизированной системы управления процессами в потоках со стоячей уединенной волной биологических популяций
