2.9 Метод поэтапного моделирования

Особые свойства БТС, определяемые наличием биологических элементов разной сложности, привели к необходимости разработки принципиально новых подходов при их анализе и синтезе. Такими свойствами БТС являются:

• недетерминированность с точки зрения однозначности связей «вход выход», исключающий возможность их исследования методами «черного ящика»;

• значительная нелинейность, затрудняющая прямое использование классических методов ТАУ, разработанных в основном для линейных систем;

• многосвязность, затрудняющая постановку «чистого» эксперимента на изолированном органе или системе, а также создающая большие сложности при построении структуры функциональных моделей живого организма.

В то же время, ряд приспособительных свойств живого организма, при условии стабилизации процессов во внешней среде, позволяет подходить к биологическому объекту исследования, как к ограниченно детерминированному и моделировать его поведение и состояние с достаточной для практики степенью корректности.

Для таких условий применим метод поэтапного моделирования, предусматривающий поэтапный переход от смешанной биотехнической модели через накопление экспериментальных данных о биообъекте к математической модели БТС.

Этап I. Подготовительный. Разрабатывается структурно-функциональная схема БТС, конкретизируется ее целевая функция и возможные режимы работы. Определяется биологический объект и предварительный алгоритм его функционирования в БТС. На основании априорной информации создается модель БТС с математической моделью биологического элемента (например, для человека-оператора – модель передаточной функции управляющего звена, для аппарата искусственного кровообращения – модель транспортной функции кислорода). При отсутствии априорных данных для приближенного математического описания функционирования биологического звена строится смешанная модель, на которой проводится бионическое исследование объекта с целью получения соответствующих количественных характеристик.

Этап II. Управленческое согласование характеристик элементов БТС. Осуществляются итерационные процедуры согласования характеристик элементов БТС в едином контуре управления. При этом все технические элементы и воздействующие факторы внешней среды моделируются на ЭВМ, выходы модели сопрягают со входами модели биологического звена. Проводится комплексное исследование БТС с целью оптимизации характеристик каждого элемента. В результате получают набор характеристик-требований, которым должно соответствовать биологическое звено для нормального функционирования БТС в заданном диапазоне режимов. При необходимости уточняются определяющие признаки и критерии функционального подобия для выбора экспериментальных животных при проведении сложных экспериментов в экстремальных условиях.

Практический результат этого этапа заключается в том, что можно отобрать операторов для БТС эргатического типа или подобрать прямой биологический аналог человеческому организму для испытания систем типа искусственное сердце, искусственная почка и т.п.

Этап III. Информационное согласование. Исследуются информационные процессы, обеспечивающие соблюдение принципов адекватности и идентификации информационной среды. Для эргатических систем этап сводится к исследованию возможности минимизации входной афферентной информации и к разработке методов ее преобразования и предъявления сенсорным органам оператора для построения концептуальной модели в его мозге, простой и в то же время достаточно полной для принятия правильного решения.

На смешанной откорректированной модели в условиях управляемого эксперимента проводятся статистические испытания при строгом учете (измеренных количественно) факторов внешней среды и состояния технической части системы. Корректируются решающие правила, заложенные в виде программ в системы обработки информации о состоянии биологического объекта.

Разрабатываются требования к специальным техническим устройствам, согласующие информационные и управленческие характеристики технических и биологических элементов БТС, получившие наименование логических фильтров-преобразователей.

Этап IV. Заключительный. Проводится исследование БТС в полунатурных (модельных) и натурных условиях. Идет обработка данных эксперимента и окончательная корректировка математической модели. Подготавливаются задания на инженерную разработку БТС.