Разработка функциональных моделей и методов совершенствования информационно-измерительных систем на основе бионики Селезнева, Наталия Васильевна

Введение к работе

Актуальность проблемы. Научно-технический прогресс характеризуется интенсивным развитием различных видов информационно-измерительных систем (ИИС), которые используются практически во всех видах производств, в системах контроля, для измерения параметров физических полей п сред, управления подвижными объектами и в научных исследованиях. От уровня развития ИИС во многом зависит эффективность использования техники, производительность труда, качество продукции, экологическое состояние окружающей среды и эффективность научных исследований.

Современные средства измерений и вычислительная техника позволяют создавать высокоорганизованные и функционально развитые ИИС, однако во многих случаях качество выполняемых информационно-измерительных процессов, степень использования резервов информации, способность адаптироваться к изменяющимся условиям, уровень техническою интеллекта, надежность и габаритно-массовые характеристики ИИС еще не удовлетворяют современным потребностям, поэтому ведутся активные поиски методов и средств их развития и совершенствования.

Одним из источников новых идей и технических решений в области информационно-измерительной техники является бионика, изучающая особенности строения и жизнедеятельности организмов для создания новых приборов, механизмов и систем. Органы чувств живых существ отличаются миниатюрностью и совершенством строения, высокоэффективными измерительными характеристиками, адаптивностью к случайным изменениям условий обитания, обучаемостью, возможностью самосовершенствования и другими ценными информационными свойствами. Особенно важно, что эти свойства живых организмов были отработаны и проверены на практике в процессе их жизнедеятельности в течении длительного времени эволюционного развития живой природы.

В пашей стране научные основы бионики формировались и внедрялись в инженерную практику благодаря трудам известных ученых и специалистов: А.И. Берга. М.Г. Гаазе-Рапопорта, Н.В. Кокшайского, В.В. Парина, В.П. Сочпвко, И.Б. Литинецкого, В.К. Лабутина, Г.П. Катыса и многих других. Последние десятилетия бионика активно развивалась, в ней появились новые научные направления - пеґіробионика, биокибернетика, нейро-ннформашка. которые не пользуется для решения актуальных проблем промышленного проінводства, автономной робототехники, создания искусственного интеллекта и разумных машин. Большой вклад в развитие этих направлений внесли ученые Ю.Г. Антамонов, Н.М. Амосов, В.М. Ахутин, II.У. Ахмеров, Г.А. Полиции, В.М. Петров, В.Д. Пекелис, и другие, занимающиеся моделированием функций органов чувств и мозга.

Однако использование богатства идей и достижений живой природы в практической инженерной деятельности сталкивается с трудностями, обусловленными тем, что ее материальная основа существенно отличается от технической реализации. Кроме того, сведения о строении и свойствах биологических объектов, представленные в медико-биологических работах, имеют особую специфику, что затрудняет использование этих знаний в технике.

В связи с этим актуальной является проблема развития научных основ и методологии биотехнических исследований, которые позволяют использовать медико-биологические знания для развития и совершенствования технических ИИС. Данная проблема имеет важное народно-хозяйственное значение, поскольку от ее успешного решения зависит внедрение эффективных и полезных достижений живой природы в технические разработки, которые могут существенно повысить информационное обеспечение и расширить функциональные возможности ИИС, что является необходимым для создания обучающихся, адаптивных и интеллектуальных ИИС.

Многолетний опыт и специфика выполняемых научно-исследовательских работ, а также профили читаемых учебных курсов в институте повышения квалификации авиационной промышленности и в вузе позволили автору заниматься решением этой актуальной проблемой.

Цель диссертационной работы состоит в развитии и совершенствовании ИИС на основе использования и преобразования медико-биологических знаний об информационных свойствах живых организмов.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать теоретические положения и методологию биотехниче
ских исследовании, основанную на применении методов системного про
ектирования технических объектов и обеспечивающую выявление полез
ных для инженерной практики свойств живых организмов.

2. Разработать метод биотехнических исследований, позволяющий
раскрывать функции, состав, структуру, погрешности измерений и другие
свойства органов чувств и мозга живых существ с помощью арсенала тех
нических знаний.

1. Применить разработанную методологию к исследования биологических ИИС, которые обеспечивают пространственную ориентацию и навигацию различным видам живых существ, и разработать их функциональные модели.

2. Выявить структурные и функциональные особенности биологических ИИС и способы обработки измерительной информации, которые обеспечивают повышение точности, надежности, информативности изме-

рений и другие полезные свойства живых систем, и разработать их функциональные модели для применения в инженерной практике.

5. Исследовать функции обучения, адаптации и интеллекта, реализуемые на разных уровнях организации живых систем, и выявить возможности их использования для создания интеллектуальных технических ИИС.

6. Разработать рекомендации по использованию результатов биотехнических исследований органов чувств, мозга и интеллекта человека, его способностей обучаться, адаптироваться и самосовершенствоваться для развития систем взаимодействия человека с ИИС, при отборе и подготовке операторов ИИС, в эргономическом проектировании их рабочих мест, а также для активизации инженерного творчества.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались: методы системного анализа и морфологического синтеза, аппарат теории принятия решений, теории динамических систем и автоматического регулирования, теории оптимального и адаптивного управления, методы функционального и математического моделирования.

Научная новизна. К основным научным результатам, полученным лично автором и включенным в диссертацию, относятся:

методология биотехнических исследований, которая основана на взаимодействии технических и медико-биологических наук, обеспечивающим их взаимное обогащение, и базируется на комплексном использовании свойств обучения, адаптации и интеллекта живых существ; ведущим звеном этой методологии является метод функциональной идентификации, позволяющий распознавать в организме животного или человека функциональные системы и выявлять их компоненты;

функциональные, структурные и алгоритмические модели биологических ИИС, которые в отличии от моделей, используемых в эргономике, инженерной психологии и медицинской кибернетике, раскрывают ранее неизвестные свойства зрительного и вестибулярного анализаторов человека и их взаимосвязей и позволяют объяснить процессы измерения навигационных параметров, координатных преобразований, воспроизведения объемного изображения, стабилизации измерительных осей чувствительных органов, синхронизации измерений, компенсации методических погрешностей и другие свойства;

способы получения и использования избыточной информации, реализуемые в биологических ИИС на разных уровнях их организации (в измерительном органе, системе, организме в целом, в сообществе организмов), совокупность которых показывает, что в биологических ИИС в отличии от технических аналогах существует многоуровневая иерархическая система обработки информации, обеспечивающая более полное представление о свойствах наблюдаемых объектов;

принципы обучения и способы обработки и накопления информа
ции, реализуемые в неґірошіьіх структурах на разных уровнях организации
живых систем, которые позволяют выявлять корреляционные связи между
сигналами и фиксировать их в виде изменений структуры и параметров
нейронных цепей;

функциональные модели процессов адаптации на клеточном уровне.
в измерительных органах, в организме человека и в популяции живых су
ществ, которые раскрывают новые возможности организации систем адап
тации в технических ИИС;

функциональные модели интеллекта животного, человека и челове
ческого общества, которые представлены в виде информационно-
управляющих структур, обеспечивающих жизнедеятельность в нестацио
нарных условиях обитания, достижение целей, а также результативность и
эффективность действий.

Достоверность полученных результатов основывается на том. что при распознавании свойств биологических ИИС используются модели технических апалогоп, проверенные многолетней практикой эксплуатации авиационной измерительной техники. Выявленные в результате функциональной идентификации свойства биологических ИИС подтверждаются медико-биологическими данными, полученными в результате наблюдений за поведением и движениями живых объектов, а также опытом космонавтики. Достоверность функциональных моделей, рекомендуемых к использованию, подтверждается правильным применением математического аппарата и инженерных методов анализа и синтеза ИИС.

Практическая ценность. Изложенные в диссертации теоретические положения и методология биотехнических исследований формирует основу для интенсификации работ по широкому и эффективному использованию многообразия достижений живой природы в технических разработках.

Функциональные, структурные п алгоритмические модели живых систем, представленные соискателем, позволяют:

повысить точность, информативность и надежность измерительных систем за счет комплексного применения выявленных способов получения и использования избыточной информации;

расширить функциональные возможности и улучшить характеристики измерительных сие і ем. а также создавать высокоэффективные иерархические структуры измерительных комплексов, обладающих требуемым уровнем обучения, адаптации и технического интеллекта;

повысить эффективность использования познавательных, интеллектуальных и адаптивных свойств человека в человекомашинных системах и существенно снизить влияние негативных факторов на его деятельность.

Реализация результатов работы. В технических разработках были использованы следующие результаты биотехнических исследований:

принципы построения навигационных систем насекомых и методы их пространственной ориентации при разработке перспективных тренажеров, предназначенных для обучения визуальному пилотированию и самолетовождению, а также при разработке комплекса приборов ориентирования и мобильности слепых (ВНИИ МП); принципы навигации и пространственной ориентации стаи животных при разработке модернизированного ПНК для самолетов специального назначения (А.С. 256784, 1987); биологический метод контроля работоспособности ориентируемых датчиков в геомагнитных и инерциальных системах навигации (А.С. 1182254, 1986); биологический способ компенсации динамических погрешностей измерителей для улучшения динамических характеристик геомагнитных измерителей (А.С. 1352191, 1987); модели информационных и адаптивных свойств человека при разработке ПНК орбитального корабля "Буран" (НПО "Молния") и "Целевой программы автоматизации отраслевого производства" (НИАТ).

Результаты биотехнических исследований соискателя использованы также при разработке учебных программ повышения квалификации специалистов авиационной промышленности, руководящих работников Ми-навиапрома, главных метрологов учреждений и организаций системы здравоохранения и в программах обучения студентов приборостроительных специальностей МГА ПИ.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях различных уровней: семинары Московского общества испытателей природы при МГУ, секция "Применение математики в моделировании биологических систем" (1984, 1985, 1986); научно-методические школы-семинары Всесоюзного Совета метрологии и стандартизации (Улан-Удэ, 1989; Куйбышев, 1990; Владимир, 1991); II всесоюзная НТК "Приборостроение" (Москва, 1973); всесоюзные НТК "Достижения и перспективы развития технической кибернетики" (Москва, 1972), "Научно-методическое и организационное обеспечение непрерывной подготовки студентов вузов"(Владимир, 1991), "Современные проблемы физики и ее приложений" (Москва, 1990); межвузовская НТК "Фундаментальные основы создания научно-емких и высокотехнологичных приборов" (Сергиев Посад, 1997); международные научно-технические конференции "Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий" (Сочи, 1997); "Фундаментальные и прикладные проблемы информатики, приборостроения и экономики'* (Сочи, 1998), семинары кафедр МАИ, ЦИПКК и МИП.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в шести монографиях, четырех статьях в центральных журналах, семи статьях в книгах издательства "Машиностроение", 14 статьях в сборниках научных трудов. Всего по результатам диссертации опубликовано 49 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Обший объем работы составляет 328 страниц, в том числе: 113 рисунков, 16 таблица. Список литературы включает 189 наименований.

На защиту выносятся:

1. Методология биотехнических исследований, объединяющая в единую логическую систему задачи, концепции, объекты, этапы и методы исследований, а также способы внедрения их результатов, и предназначенная для развития ИИС на основе бионики.

2. Метод функциональной идентификации, используемый для разработки технических решений, которые реализуют заданные функции и апробированы в живой природе.

3. Принципы организации, информационные свойства и структурные особенности биологических ИИС, которые рекомендуется использовать при разработке новых и более совершенных технических измерительных систем, а также при решении проблем взаимодействия человека с комплексом бортового оборудования.

4. Функциональные модели нейронных структур мозга живых существ, обрабатывающих измерительную и априорную информацию, которые рекомендуется использовать для повышения информативности многоуровневых иерархических ИИС.

5. Функциональные модели биологических систем обучения, адаптации и интеллекта, использование которых позволит развивать ИИС с техническим интеллектом.

6. Конкретные предложения и рекомендации по дальнейшему расширению областей применения результатов биотехнических исследований для развития научно-технического прогресса.