Mescheryakov D

Рисунок 4. Идеализированная эквивалентная электрическая схема

Таким образом, для разработки математической модели, необходимой при создании аппаратно-программного имитатора СИКН, может быть использован метод электрогидравлических аналогий, который позволяет произвести расчет гидравлических схем и смоделировать процессы, происходящие внутри гидравлических линий СИКН, методами электротехники и сформировать потоки измерительных данных для измерительновычислительного комплекса СИКН.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Костышин В.С. Моделирование режимов работы центробежных насосов на основе электрогидравлической аналогии: монография / В.С. Костышин, Б.В. Копей, Р.Ф. Гипер, О.М. Карпаш. –Ивано-Франковск, 2002. – 163 с.

2. Бойко В.С., Сотник Н.И. Электрическое моделирование рабочих процессов в электромеханических системах сетей водоснабжения // Журнал инженерных наук. – 2015. – № 2. – С.12. 3. Волков О.Е., Корнев В.А., Кюннап Р.И., Колесников А.А. К вопросу теоретического моделирования методом электрических аналогий гидравлических систем // Труды 25 ГосНИИ МО РФ. – 2016. − № 57. – С. 449 – 451. 4. Зарубин В.С., Маркелов Г.Е. Лекции по основам математического моделирования: учебное пособие / В.С. Зарубин, Г.Е. Маркелов. – М.: Издво МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2013. – 197 с. 5. Electric Circuits and the Hydraulic Analogy. For Physics & Engineering Students [Электронный ресурс]. – URL: http://ataridogdaze.com/science/hydraulic/index.html# intro.

THE UNCERTAINTY PRINCIPLE IN CREATING AN INFRARED SYSTEM WITH BIOFEEDBACK

Mescheryakov D.

Customer support manager, JSC PETROSOFT, Odessa.

ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ПРИ СОЗДАНИИ ИНФРАКРАСНОЙ СИСТЕМЫ С БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Мещеряков Д.

Менеджер поддержки пользователей, АО PETROSOFT, Одесса

Abstract

The article describes the particular qualities of creating control systems with biofeedback, which combine cybernetic and functional approaches to the representation of the constituent components. Inclusion of a person in the feedback channel when it is required to control the intensity of heating the surface of the human body by physiological response of the body. It is shown that during the transition from the technical component of the system to the biological one, the degree of uncertainty rises. The aim of the work is the structuring of ideas of the prioritized protecting components of the information system for controlling infrared peloidotherapy with biofeedback. It is proposed, while remaining within the scheme of the cybernetic approach, to use fuzzification when making decisions regarding the control of the intensity of the infrared flux in the pelotherapy chamber according to the human physiological response.

Аннотация

В статье рассмотрены особенности создания управляющих систем с биологической обратной связью, в которых сочетаются кибернетические и функциональный подходы к представлению составляющих компонентов. Включение человека в канал обратной связи, когда требуется по ответной физиологической реакции организма управлять интенсивностью обогрева поверхности тела человека. Показано,

Norwegian Journal of development of the International Science No 44/2020 43 что при переходе от технической составляющей системы к биологической возрастает степень неопределенности описания. Целью работы является структурирование представлений по приоритетному проектированию составляющих информационной системы управления инфракрасной пелоидотерапии с биологической обратной связью. Предложено, оставаясь в рамках кибернетического подхода, использовать нечеткую логику при принятии решением относительно управления интенсивностью инфракрасного потока в камере пелоидотерапии по физиологической реакции человека.

Keywords: uncertainty, control, biological feedback, infrared system.

Ключевые слова: неопределенность, управление, биологическая обратная связь, инфракрасная система.

При построении автоматических систем управления обязательным этапом разработки является создание сначала концептуальной, а затем и детализированных моделей самой системы и составляющих узлов. Подход позволяет формализовать систему и провести детальные исследования ее поведения в различных условиях и режимах функционирования [1]. Аналитическое описание модели достижимо для достаточно простых объектов, как правило, компонентов или сравнительно простых блоков.

Важным в данном аспекте являются соотношение сложности объекта и существующих методов его описания. Если методы описания объекта позволяют получить полный объем необходимой информации для его управления, то они подчиняются принципам необходимости и достаточности для решения конкретной задачи. Кроме того, если реакция объекта на стандартное возмущающее воздействие одинакова, то можно говорить и о принципе определенности, т.е. неизменности реакции объекта на одинаковое входное воздействие при прочих равных условиях. Этот принцип причинно-следственной связи лежит в основе построения практически всех механических, теплофизических, электрических систем, позволяющим строить из наборов компонентов с известными передаточными характеристиками большие системы, вход и выход которых с высокой степенью достоверности связаны детерминированно.

При введении биологического объекта в цепь обратной связи управляющей системы ситуация кардинально меняется, поскольку один из важнейших элементов системы не отвечает принципу определенности. Одинаковые входные воздействия на биологический объект приводят к различным реакциям, которые невозможно точно описать ни детерминированными, ни вероятностными методами, поскольку они и неоднозначны и нестационарны, что является серьезной проблемой. Однако построение биотехнических систем является насущной необходимостью, поэтому актуален вопрос связи определенности реакции объекта с информационными технологиями его описания. Не претендуя на решение данной проблемы, рассмотрена частная задача преобразования первичной информации человека, находящегося в цепи биологической обратной связи инфракрасной камеры пелоидотерапии [2].

Биотехнические системы строятся по двум принципам: кибернетическому и функциональному [3]. Несомненным достоинством кибернетического подхода при построении систем управления является формализованная теория построения технических систем практически любой сложности. Функциональная система существенно сложнее технической, что обусловлено взаимосвязанностью подсистем организма, отсутствием базовой системы отсчета, нестабильностью и неоднозначностью реакций на одинаковые входные воздействия, существенной зависимостью реакции от предыстории процесса. Очевидно, что функциональный подход гораздо сложнее кибернетического относительно формализации, что представляет необходимое условие формализации для реализации систем управления.

Анализ систем и методов управления с биологической обратной связью показывает, что область применения их постоянно расширяется [4]. Адаптивное управление с человеком в цепи обратной связи представляет собой специализацию систем, которая естественным образом близка идеологии медицинских систем [5]. Создание биотехнических систем сопряжено с особенностями функциональной системы, которая отличается от кибернетической более сложным способом связи составляющих подсистем и их многофункциональностью, и взаимообусловленностью [6]. Средства считывания признакового пространства биологического организма призваны выделить информационную составляющую сигнала организма, который представляет собой не только наложение множества признаков организма, но и подвержены внешним воздействиям и шумам [7]. Сердечнососудистая система является значимой для терморегуляции температурного режима организма для поддержания гомеостаза, которая за счет изменения частоты сердечных сокращений и перенаправления потоков крови перенаправляет тепловые потоки, о чем можно судить по вариабельности сердечного ритма [8] и изменению проводимости кожного покрова [9]. Вариабельность сердечного ритма оказалась настолько информативным признаком, что значительное число исследований посвящено исследованию связи с физиологией и клиникой [10], фиксацией эмоционального состояния [11], анализу стрессовых состояний [12]. При этом задействованы методы спектрального анализа [13], нелинейной фильтрации [14], корреляционного анализа [15]. Прилагаются усилия для обработки электрокардиографических сигналов в реальном масштабе времени процесса [16] для возможности использования этих сигналов для управления процессом [17], что

44 Norwegian Journal of development of the International Science No 44/2020 согласуется с решаемой задачей управления ин- мального терапевтического эффекта, получаем тенсивностью излучения в камере пелоидотерапии инфракрасную информационную управляющую по физиологической реакции организма человека. систему с биологической обратной связью [2].

Целью работы является структурирование Инфракрасная камера пелоидотерапии предпредставлений по приоритетному проектированию ставляет собой систему, в которой присутствуют составляющих информационной системы инфра- технические, информационные и биологические красной пелоидотерапии с биологической обрат- компоненты, модельное представление которых ной связью. различно. Если для технической части системы

Инфракрасная камера пелоидотерапии пред- имеются отработанные формальные методы поназначена для лечения опорно-двигательного ап- строения, то для биологической части приоритетпарата человека модифицированным египетским ны представления теории функциональной системетодом в искусственной среде бестеневого ин- мы Анохина. Поэтому условно относительно фракрасного поля [18]. Камера содержит про- структурированности представлений систему странственно распределенные инфракрасные из- можно разбить на три условных части, каждая из лучатели, отражающие зеркала, формирующее которых имеет определенную приоритетность тепловое поле заданной конфигурации в котором описания (рис.1). При хорошо структурированном находятся пациенты, пульт управления мощно- представлении генерация инфракрасного излучестью излучения. При наличии одного пациента с ния описываются законами теплового излучения и датчиками основных физиологических показате- геометрической оптики, а формирование бестенелей, по значениям которых возможно управление вого поля внутри камеры может быть реализовано мощностью облучения для обеспечения макси- по принципу фотометрического шара [18]. Информационная ИК система с БОС

Хорошо структурированное представление Частично структурированное представление Неструктурированное представление

Генерация статического поля ИК излучения Преобразование с нечеткими ограничениями Многокритериальное нечеткое представление

Формирование бестеневого ИК поля Преобразование с нечеткой целью Кластеризация признакового пространства

Генерация динамического ИК излучения Преобразование с нечеткой максимизируемой функцией Преобразование с интервальной обработкой данных

Рис. 1. Представление инфракрасной камеры пелоидотерапии

Генерация импульсного инфракрасного поля на существующих излучателях основывается на учете инерционных свойств нагреве и остывании инфракрасных излучателей. Наиболее надежными длинноволновыми инфракрасными излучателями являются керамические с достаточно большой массой, время выхода которых на установившийся режим составляет 10–15 минут. К средневолновым (примерно 6 мкм) излучателям относятся трубчатые, постоянная времени которых составляет 6–8 минут. Коротковолновые ламповые инфракрасные излучатели (примерно 0,7–1,3 мкм) обеспечивают глубину проникновения излучения до 10 мм и постоянную времени десятки секунд, близкую к физиологической реакции организма на тепловое воздействие. Для системы с обратной связью, построение системы стабилизации усредненного теплового режима для группы пациентов не представляет проблемы. Поскольку разброс требуемой энергии инфракрасного излучения для различных пациентов обычно не превышает 30%, это позволило после выхода системы на стационарный ре-

Norwegian Journal of development of the International Science No 44/2020 45 жим путем управления излучателями получить . Это означает, что для каждой систему поддержания интенсивности излучения в режиме реального времени проведения процеду- альтернативы должен производиться поиск тары. кого максимально возможного значения , при

Включение человека в канал обратной связи, котором значение функции принадлежности когда требуется по ответной физиологической ре- и нормированное значение функции цели акции организма управлять интенсивностью обогрева поверхности тела человека для достижения превышает . максимального терапевтического эффекта, меняет В представленной трактовке задача принятия отношение к влиянию определенности. решения сводится к задаче математического про-

Если для множества переменных граммирования [20]. В классической трактовке для множества целевая функция максимизации некоторой целевой функции может быть представлена в виде линейной зави- нужно стремиться к некоторой функции цели , симости [19]: при заданных ограничени, ях: которая достигает максимума с учетом ограничений на множество допустимых решений в неравенства и ознавиде линейных ограничений чают нарушение исходных неравенств

При наличии биологической обратной связи приходится решать задачу управления интенсивностью инфракрасного излучения по физиологической реакции человека на данное излучение. Принятие решений для управления технической системой предполагает набор альтернатив, обеспечивающих достижение целей управления с заданным допуском. Для альтернативы , которая обеспечивает достижение цели с функцией , степень принадлежности этой альтернативы равна наименьшему из этих значений . Нечеткое решение представляет собой пересечение нечетких множеств цели и ограничений при функции принадлежности .

Если предположить, что существует отображение множества альтернатив во множество реакций , причем цель задана на множестве , то нечеткое решение задачи сводится к тому, что должно обладать свойствами определенности, т.е. . Принятие решения в таком случае сводится к выбору альтернативы, которая имеет максимальное значение функции принадлежности или в формализованном виде .

При определении альтернативы необходимо максимизировать величину (например, проводимость кожного покрова человека, при которой При пороговых значениях ограничений и

и .

Если рассмотреть нечеткое представление, то функция принадлежности целей приобретает вид:

принадлежности

ограничениям , и удовлетворяющая

с функцией принадлежности

а ограничений nxxx ,,, 21  Xmax 1    n i ii xay 0)( 1   iii n i cxbx)(xG )(xG )(xC )(xC CGD  G C )}(),(min{)( xxx CGD   YX :YDGDCD  )(, )(xD }}{},{min{max)(max xxx G Xx D Xx     проникновение лечебной грязи максимально), т.е. max   Cxg ;)( )(xg f 0z Xxxzxf  ;0)(;)( 0  a b azxf  0)( bx )( 0)( zxf  0         0 00 0 )(,1 )(),,( )(,0 )( zxаесли zxfazеслиax azxfесли xG           0)(,1 )(0),,( )(,0 )( xесли bxеслиbx bxесли xС      ]1,0[:)(  l f RXx lR0x Xx 0 ),( 0 rx ]1,0[:)( XxG ii bx )( i n j jiji bxax   1 )( в подкожный слой при ограничениях

, где представляют собой степень выполнения соответствующих неравенств с точки зрения принятия решений в интервале [0,1].

Для биологического объекта характерно нечеткое представление максимизируемой функции, которую можно представить в виде: ,

где – универсальное множество, а –числовая ось. Нечеткое описание выбора альтернативы при приводит к тому, что функция принадлежности для каждой конкретной альтернативы приобретает вид . Это

предполагает нечеткое множество альтернатив и соответствующих допустимых управлений с собственными функциями принадлежности . Очевидно, что должна быть введена и система ограничений, определяющая диапазон применимости этой функции. Для линейной функции ограничения вида можно представить как

46 Norwegian Journal of development of the International Science No 44/2020

Нечеткими параметрами могут быть и коэф- Если рассмотреть биологический объект с фифициенты и со своими функциями принад- зиологической точки зрения, то становится очевидным, что в реакции на входное тепловое воз-лежности. В этом случае необходимо выбирать действие участвуют практически все составляюнекое компромиссное решение, которое уже явля- щие системы организма, поэтому выделение ется не максимальным, а допустимым. Данная мо- только одной из них, недостаточно. Объект оказы-дель принятия решений сложнее предыдущих и вается значительно сложнее методов, с помощью предполагает стационарность функций принад- которых его пытаются описать. При изменении лежности, или, по крайней мере, квазистационар- внешних условий организм приспосабливается к ность на время проведения исследований. Рас- новым тепловым условиям путем перераспределесмотренные модели априори предполагают неиз- ния потоков крови в периферийных областях, а менность реакций биологического объекта на при более высоких интенсивностях облучения пу-стандартные входные воздействия, что, в соответ- тем изменения частоты сердечных сокращений, ствии с функциональной моделью, не выполняет- дыхания и фазового перехода при потоотделении. ся. Если измерение частоты сердечных сокращений и

Выходные сигналы человека, информативные дыхания не представляет технической проблемы, для решаемой задачи определения реакции на ин- то получение достоверной информации о потоот-фракрасное облучение (сопротивление кожного делении, а тем более перераспределении перифепокрова, частота сердечных сокращений, частота рийного кровотока, составляет проблему. Учиты-дыхания), имеют низкие уровни и формируются на вая различия в субъективных ощущениях при вос-фоне других сигналов и шумов. Стохастический приятии температуры внешней среды различными характер сигналов предполагает привлечение со- людьми, требования к точности определения отно-ответствующих методов обработки данных. Для сительно эталонов температуры или временных определения приемлемого метода обработки пер- интервалов становится не столь значимым. Повичной информации проанализирован метод скольку выходная реакция организма на интенсивскользящего окна с определением текущего сред- ность инфракрасного облучения представляет со-него, которое используется в дальнейшем при бой смесь количественных данных, которые могут принятии решения по управлению интенсивности быть привязаны к цифровым шкалам, и качествен-излучения. Очевидно, что уровень сглаживания ных признаков с ограниченным количеством гра-определяется шириной окна, от чего зависит и даций, предлагается использование интервальных время запаздывания принятия решения, влияющее оценок. Данное предположение полностью соглана устойчивость управления. Рассмотрен метод суется с откликами живого организма путем срав-медиальной обработки, т.е. нелинейного преобра- нения внешних значений, а не определения абсозования сигналов с целью исключения импульс- лютных значений в цифровых шкалах. Если при ных помех. Лучшие результаты при обработке этом алгоритм управления технической системой первичных данных показал фильтр Калмана, поз- выполнить по итерационному принципу, то это волившей уменьшить ширину окна и временя за- позволяет согласовать физиологическую модель паздывания, важного для устойчивости управле- биологических объектов Анохина и кибернетиче-ния. Фильтр Калмана экстраполирует значения скую модель, наиболее приемлемую для техничеданных и их неопределенности в реальном време- ских систем управления. Концепция устойчивости ни процесса, которые затем уточняется, что важно при интервальных представлениях основана на для процесса управления излучателями. том, что робастность системы управления во мно-

Исследование получаемого ряда эксперимен- гом зависит от чувствительности к требуемым тальных данных показало, что характер распреде- диапазонам отклонений входного воздействия. ления выборок далек от нормального закона рас- Уникальность биологической системы состоит в пределений. Это привело к необходимости ис- том, что она самостоятельно в очень широких препользования кластеризации для определения делах адаптируется к внешним воздействиям, пецентров кластеров, а, учитывая нечеткость инфор- рестраивая внутреннюю систему для поддержания мации, к нечеткой кластеризации при определении гомеостаза, что, собственно, и обеспечило воз-текущего центра. Показано, что нечеткая класте- можность выживания биологических систем в поризация полученных первичных данных позволяет стоянно изменяющихся условиях окружающей более точно связать центр кластера с признаковым среды. пространством объекта по сравнению со средним Выводы значением в окне. 1. Показано, что при разработке системы

Последовательное усложнение метода описа- управления с биологической обратной связью раз-ния реакции такого сложного объекта, как челове- биение проектируемых блоков по критерию струк-ческий организм, позволяет, оставаясь в рамках турированности представления упрощает их фор-кибернетического подхода, учитывать количе- мализацию; ственно новые качественные свойства исследуемо- 2. Предложено для обработки первичных го объекта. Однако, основополагающее свойство данных реакции биологических объектов на ин-биологической системы, связанное с неоднознач- фракрасное воздействие использование интер-ностью реакции на одинаковое входное воздей- вальной оценки, что повышает устойчивость приствие, в данном случае не учитывается. нимаемых решений управления системой.