Основные положения системного анализа и управления в биологических (и медицинских) системах

ОСНОВЫ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ: НЕЙРОННЫЕ СЕТИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Методические указания для студентов специальностей 220400 и 230105

Курск 2009

УДК 573.7: 007: 004.032.26

Составитель О.Г. Павлов

Рецензент

Кандидат технических наук Е.И. Леонов

Основы теории управления: Нейронные сети живых систем [Текст]: методические указания для студентов / Курск. гос. техн. ун-т; сост. О.Г.Павлов. Курск, 2009. 36 с.: ил. 7. Библиогр.: с. 36.

Содержат сведения по вопросам системного анализа и управления в биологических системах на примере строения и морфофункциональной характеристики нейронов, проведения возбуждения по нервным волокнам, физиологии синапсов, свойств нервных центров, саморегуляции физиологических функций, функциональных систем и их взаимодействия, управления и системной организации управления в живых организмах, основ кибернетики нервной системы человека.

Методические указания соответствуют требованиям программы, утвержденной учебно-методическим объединением по специальности программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем (ПО ВТ).

Предназначены для студентов специальностей 220400, 230105 дневной и очной форм обучения.

Текст печатается в авторской редакции.

Подписано в печать. Формат 60x84 1/16.

Усл.печ. л.. Уч.-изд. л.. Тираж 50 экз. Заказ. Бесплатно.

Курский государственный технический университет. Издательско-полиграфический центр Курского государственного технического университета. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

При изучении объекта любой степени сложности познаются свойства составляющих его элементов, которые взаимодействуют ме­жду собой. В то же время сам объект всегда является элементом дру­гой системы, связанной взаимодействиями с разнообразными фактора­ми окружающей среды. Глубина познания любого микрообъекта (бес­конечно малого), или макрообъекта (бесконечно большого), является так же - бесконечной. Составляющая многомерную природу объективная реальность, познаваема, но познаваема так же бесконечно. Глубина и объем познания зависят от степени организации и развития самого познающего субъекта - человека. И не как особи, а всего человеческого сообщества, социума, внутри которого самоорганизуется вектор познания.

Любая система является составной частью другой, более высоко­го порядка системы. В процессе осознания окружающего мира, ста­новления мировоззрения, человек это так и воспринимает, но может относить свойства системы более высокого уровня к внешним возму­щающим факторам, воздействующим на систему, являющуюся кон­кретным объектом познания. Такое искусственное выделение систем было необходимо в определенный период развития человечества, од­нако, современное естествознание предоставляет всем отраслям науки реальные факты информационного единства всего мироздания, со­ставной частью которого является человек.

Общая теория систем в принципе была сформулирована в XX веке, после опубликования трудов Л.Ф. Берталанфи. Впоследствии были уточ­нены основные понятия и формулировки, которые использовались в теории систем. Система - это генеральная совокупность взаимообусловленных, взаимодействующих (по П.К. Анохину) и взаимосодействующих достижению цели (полезного конечного результата), элементов, которые существуют как единое целое. Необходимости сохранения и развития этого результата подчинена деятельность этих элементов.

Примером системы можно условно считать человеческий ор­ганизм. В понятие подсистемы включается часть генеральной сово­купности элементов, которая выполняет значимую и относительно само­стоятельную роль в деятельности системы. Например, подсистемами ор­ганизма являются системы пищеварения, дыхания, кровообращения и др.

Элементами системы считаются части системы, которые в каж­дом конкретном исследовании условно принимаются как простейшие. Учитывается их взаимосвязь с другими частями системы, в том числе и с элементами одного уровня. Например, элементом системы мож­но считать клетку.

Понятие структуры включает в себя часть системы, однородную морфологически и функционально, взаимосвязанную с другими струк­турами. Примером структуры является печень. Характеристика структуры - это количественный или качест­венный показатель, характеризующий состояние структуры и динами­ку происходящих в ней процессов, примером характеристики структуры может служить интенсивность секреции желчи (по отно­шению к печени, как структуры).

Понятие конечной структуры условно и обозначает изучае­мую в конкретном исследовании структуру на основе направленных на нее связей со стороны других структур. Пример: при определении степени печеночной недостаточности по уровню содержания в крови билирубина, всей гаммы печеночных ферментов, - сама кровь высту­пает в роли конечной структуры.

Вся совокупность факторов, действующих на систему извне и влияющих на характеристики ее структуры, называется внешней сре­дой системы. Например, температура воздуха, атмосферное давление являются внешней средой организма, как системы. Или кислотно-основное состояние, плотность и прозрачность раствора, в котором иссле­дуется клетка, взятая для исследования в качестве системы. Это все внешняя среда системы.

Выделение среди систем, изучаемых биологией и медициной, простых, сложных и очень сложных всегда условно, поскольку клетка, например, устроена не менее сложно, чем организм. Оценка сложности характеризуется показателем числа состояний, в кото­ром может находиться система. По этому принципу организм является сложной системой, поскольку число состояний, в котором он может находиться, велико. Поэтому сложность системы часто оценивается логарифмом числа ее возможных состояний.

Системы разделяют также на детерминированные ивероятност­ные. Детерминированные - причинно жестко обусловлены, вероят­ность одного из возможных состояний системы больше суммы веро­ятности всех других ее состояний. Вероятностные - когда большинст­во возможных состояний системы имеет очень близкие значения веро­ятностей, сумма которых достаточно велика. Детерминированная сис­тема характеризуется одним состоянием, вероятность которого равна единице, т.е. ее сложность при выражении через логарифм равна нулю. Та­кая система не может существовать долго, поскольку лишена возмож­ности адаптации к внешним условиям. Поскольку полностью дезорга­низованные вероятностные системы системами, по сути, не являются, то в реальности мы имеем дело с вероятностно-детерминированными системами.

Однако такое разделение обосновано, поскольку методы иссле­дования вероятностных и детерминированных систем отличаются друг от друга. Для изучения детерминированных систем используется обычно теория автоматического регулирования и математический ап­парат дифференциальных уравнений. При исследовании различных систем анализируются связи между ее подсистемами, элементами, структурами. Между случайными событиями и величинами выявляют корреляционную (или - стохастическую) связь. Под случайным со­бытием понимается событие, о котором заранее не известно, произой­дет оно или нет, под случайной величиной - величина, принимающая заранее не известное значение. При выявлении количественного влия­ния динамики характеристики одной структуры на изменение другой выявляют функциональную связь.

Системный анализ в биологических (и медицинских) исследова­ниях - это совокупность методов, изучающих количественные и ка­чественные характеристики взаимосвязей, различий и сходств между системами, их подсистемами, структурами и элементами при учете воздействия на состояние этой системы факторов окружающей сре­ды, являющейся более сложной системой.

Под внешним управлением в биологических и медицинских сис­темах понимается использование физических, химических, биологи­ческих и иных факторов для воздействия на эти системы с целью получения предсказуемого результата. При этом осуществляется взаимодействие между органом управ­ления (мозгом человека, использующим информацию, полученную от органов чувств и технических средств) и объектом управления (другим человеком, биологической системой) через те или иные методы, кото­рые должны быть алгоритмизированы. Применение средств вычисли­тельной техники в последние годы привело к созданию многочислен­ных лечебно-диагностических, оздоровительных и реабилитационных программ, частично воплощающих в себе системный подход к орга­низму человека.

Человеческий организм, как открытая самоуправляющаяся систе­ма, построенная по иерархическому принципу, в то же время пред­ставлена многими миллиардами работающих с определенной степе­нью автономности клеток, сравнимых по сложности с суперкомпьюте­рами, которые кооперируются в функциональные системы (ФС), управляющие сложнейшими физико-химическими кооперативными процессами.

Живой организм представляет собой совокупность саморегули­рующихся систем, объединенных по иерархическому принципу в инте­гральное целое, причем биологический смысл формирования каждой бо­лее высокой системы на основе подсистем состоит в том, что объединя­ются именно результаты деятельности подсистем. При этом приспособи­тельный эффект системы должен расцениваться только в масштабах цело­го организма.

Все ФС относятся к биологически динамическим системам (БДС), которые имеют компартментно-кластерную организацию. При этом клетки-компартменты интегрируются в надклеточные компартменты (органы, системы органов). Все системы компартментно организованных структур в организме иерархически организованы. Эти системы можно назвать кластерами, а организм - кластерной иерархической системой. Общим подходом к изучению сложно орга­низованных систем является кластерная теория БДС.

ФС включают в себя рецепторные образования, являющимися своеобразными живыми датчиками, динамически оценивающими ве­личину регулируемого показателя. Имеется центральный аппарат - структуры мозга, анализирующие все многообразие поступающих сигналов, принимающие решение и программирующие ожидаемый результат. Действуют исполнительные механизмы - периферические органы, реализующие поступающие команды. В системе есть обратная афферентация (обратная связь), которая информирует центр об эффек­тивности деятельности исполнительных механизмов и о достижении конечного результата. Параметры достигнутых результатов на основе обратной афферентации оцениваются по П.К. Анохину акцептором результата действия, или странным аттрактором. Он представлен в функциональных системах различного уровня организации (как молекулярных, так и сложноорганизованных психических процессов). Акцептор результата действия сложился в определенную мозговую архитектонику в системах поведенческого, а у человека - психического уровня. Акцептор результата действия на информационной основе заключает в себе генетически детерминиро­ванные и индивидуально приобретенные свойства параметров результата деятельности, удовлетворяющих исходные потребности организма.

На всех уровнях организации акцептор результата действия пред­ставлен молекулярными энграммами, постоянно совершенствующи­мися в процессе индивидуальной деятельности живых существ. Под влиянием подкреп­ления, то есть удовлетворения исходной потребности, нейроны, вовле­ченные в доминирующую мотивацию, начинают активно экспрессировать информационные молекулы, образующие своеобразную энграмму подкрепления. Таким образом, обратная афферентация и акцептор результата действия в каждой ФС представляют важнейшие звенья их саморегуляторной деятельности. Благодаря саморегуляции ФС являются «квази­закрытыми системами».

Функции управления биологическими системами осуществляют­ся при воздействии на контролируемый процесс (или величину, или переменную), по меньшей мере, двух антагонистических факторов или процессов, из которых один увеличивает или активизирует данный элемент, а другой - уменьшает или подавляет его. Такими антагони­стическими процессами могут быть реакции какого-нибудь метаболи­ческого процесса, идущего в прямом и обратном направлении, возбу­ждающий и тормозной нейрон, мышцы-сгибатели и -разгибатели. Однако, как правило, управляющая функция для неко­торого данного процесса выполняется не просто двумя антагонистиче­скими факторами, а целой группой управляющих механизмов, каждый из которых оказывает влияние на управляемый процесс в ограничен­ном диапазоне изменения внешних условий и в некоторой ограничен­ной области активности.

Установлено, что внутри каждой ФС постоянно действуют две про­тивоположно направленных тенденции. Одна их них проявляется при возрастании значения результата; другая - при его снижении. Первая оп­ределяет снижение значения результата до нормального уровня, другая - его возрастание. При этом представляется существенным, что одни и те же исполнительные механизмы могут действовать в противоположных на­правлениях.

Взаимодействие с теорией автоматического регулирования и управления

Теория автоматического управления основана на достиже­ниях теории автоматического регулирования, ставшей самостоя­тельной научной дисциплиной в 40-е годы XX века, когда были сформу­лированы их определения.

Автоматическое регулирование - этоподдержание построения некоей заданной величины, характеризующей процесс, или изменение её по заданному закону, осуществляемое при помощи измерения со­стояния объекта, или действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган.

Автоматическое управление - это автоматическое осуществ­ление совокупности воздействий, выбранных из множества возмож­ных на основании определенной информации и направленных на под­держание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.

Управление включает в себя все задачи, решаемые регулировани­ем, как более простые случаи. Управлением обеспечивается адапта­ция (самонастройка системы управления) при изменениях параметров этой системы, либо при внешних воздействиях, и осуществляется ав­томатический выбор оптимальных режимов функционирования.

Системы автоматического управления представлены двумя основными частями: управляемым объектом и управляющим устрой­ством. Под объектом управления (в технике) понимается либо управ­ляемое техническое устройство, либо более простая система управле­ния (подсистема). Элементарными подсистемами часто являются сис­темы регулирования. Состояние объекта управления зависит от проис­ходящих внутри него процессов, воздействия факторов окружающей среды, либо управляющих устройств. Если процессы внутри объекта непосредственно измеряются какими-либо устройствами, то они назы­ваются контролируемыми, если не измеряются - неконтролируемыми.

Величины, отражающие внешние влияния на объект, называются воз­действиями. Воздействия, исходящие из управляющих устройств, на­зываются управляющими (воздействиями, величинами). Если воздей­ствия не зависят от управляющих устройств, они называются возму­щениями, которые делятся на два вида: а) нагрузка, б) помехи. По­скольку нагрузка связана с работой самого объекта, она не контроли­руема. А помехи, связанные с побочными, нежелательными явления­ми, должны минимизироваться и улучшать функционирование объ­екта. Если величины, по которым осуществляется управление, контро­лируются, то они называются управляемыми или регулируемыми. При наличии одной управляемой и одной управляющей величины объект именуется односвязным или простым. При наличии нескольких управ­ляемых и управляющих величин объект называется многосвязным.

Объект управления, описываемый системой линейных дифферен­циальных уравнений, - линейный, а при описании объекта системой нелинейных дифференциальных уравнений - нелинейный. Объект управления может быть устойчивым (если по окончании внешнего воздействия возвращается к исходному или близкому к нему состоя­нию), неустойчивым и нейтральным. При малых воздействиях нели­нейные объекты могут быть устойчивыми, а при больших воздействи­ях - неустойчивыми. Устойчивые объекты иначе называют объектами с самовыравниванием. В неустойчивых объектах управляемая величина по окончании воздействия продолжает изменяться. В нейтральных объек­тах управления по окончании воздействия устанавливается зависящее от этого воздействия новое состояние равновесия. Их называют объектами без самовыравнивания.

Дата добавления: 2015-06-04