CC BY
146
БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ АПК В.Н. Гадалов, В.С. Титов, С.Н. Кореневская, В.И. Серебровский
Аннотация. Рассматриваются типовые решаемые задачи и особенности построения биотехнических систем для агропромышленного комплекса.
Ключевые слова: биотехническая система, агропромышленный комплекс, человек-оператор, объект управления.
Современный этап развития общества характеризуется широким внедрением биотехнических систем в различные сферы человеческой деятельности, включая агропромышленный комплекс.
В самом общем виде биотехническая система определяется как совокупность биологических и технических элементов, объединённых в единую функциональную систему целенаправленного поведения [1]. Одним из основных достоинств таких систем является то, что в них наилучшим образом сочетаются интеллектуальная мощь человеческого разума с целой совокупностью преимуществ технических систем (точность выполнения заложенных в них функций, мощность исполнительных механизмов, огромный объем легко извлекаемой и практически безошибочной информации и др.).
В любой биотехнической системе решающей задачи исследования и управления можно выделить её системообразующие факторы [6]: объект управления (ОУ) и человек-оператор (ЧО) (рисунок 1).
С точки зрения биотехнических систем (БТС) человек-оператор имеет естественное биологическое нача-
ло, являясь биообъектом БО. В общем виде на человека в БТС соответствующих назначений может быть направлено управляющее воздействие, и тогда биообъект сам может стать объектом управления (например, при реализации задач оценки управления состоянием здоровья работников агропромышленного комплекса).
Взаимодействующие между собой ОУ и ЧО находятся под непрерывным воздействием окружающей среды, которая может быть как весьма дружелюбной, так и агрессивной и даже враждебной.
Окружающая среда, являясь фоном, в котором работает биотехническая система, сама испытывает влияние со стороны ОУ и ЧО, которые в свою очередь могут повлиять на её состояние.
Определим более подробно роль биообъекта в биотехнической системе.
1. Биообъект как источник измерительной информации, по которой оцениваются характеристики и отдельные параметры жизнедеятельности БО.
2. Биообъект, подвергающийся воздействию с целью изменения его состояния в нужном направлении.
3. Биообъект как подсистема, проводящая анализ информации о состоянии исследуемого объекта (например, ОУ) с целью формирования представления о его состоянии и оценки прогноза поведения этого объекта.
4. Биообъект как подсистема, ответственная за принятие решений о способах управления состоянием объекта исследований.
Первые две функции относятся к БТС, в которых биообъект является объектом управления, а человек-оператор, возможно, с использованием технических средств, решает задачи оценки и управления состоянием человека, животного, растения, экологической обстановкой и т. д.
Широко распространен вариант, когда исследуются материалы жизнедеятельности биообъектов и различные биопробы. Классическими примером такого взаимодействия между ОУ и ЧО являются биотехнические системы медицинского назначения.
Рисунок 1 - Структура связи человек-оператор -объект управления
Третья и четвертая функции характерны для чело-века-оператора, управляющего сложными техническими системами, возможно, взаимодействующими с другими биообъектами (в частности, с обслуживающими техническую систему (системы)). При этом считается, что действия человека-оператора во многом определяют надежность функционирования БТС в целом.
Рассмотрим несколько примеров взаимодействия элементов биотехнических систем, решающих различные задачи.
В задачах реализации лечебно-диагностического процесса один биообъект, выступающий в роли объекта управления, является пациентом, о котором врач (человек-оператор) собирает необходимую для принятия решений информацию, используя для этого необходимую номенклатуру средств диагностической медицинской техники. После принятия решений о состоянии пациента врач (человек-оператор) планирует организацию лечебно-оздоровительных мероприятий, используя другой класс медицинской техники.
В задачах охраны труда и оптимизации трудовой деятельности человека в качестве БО выступает уже работающий человек - ЧО, а другой БО - сотрудник отдела охраны туда, который анализирует его текущее состояние и готовит рекомендации по режиму труда и отдыха, выполняет функции, характерные для ЧО в обычных условиях. При контроле состояния человека в процессе выполнения им производственных заданий нет необходимости в оценке состояния ЧО в полном объеме. Оценка состояния должна быть достаточной для того, чтобы судить об утомлении, о нарушении функций, о критических стадиях состояния. Для этого также могут использоваться различные технические комплексы по сбору и анализу информации.
При решении биологических задач, в частности при изучении поведения определенного вида животного или растительного организма в условиях управляемого эксперимента, в качестве ОУ выступает животное (или растение), а в качестве ЧО - специалист соответствующего профиля, исследователь. Информация о состоянии контролируемого объекта позволяет исследователю оценивать состояние организма и в зависимости от это-128
го состояния формировать воздействия и программу самого эксперимента. И в этом случае нельзя обойтись без технических комплексов анализа, обработки информации и управления, что делает работу исследователя схожей с работой ЧО.
Современным вариантом организации управления сложным производственным комплексом является такой, когда функции ЧО выполняет автоматизированный комплекс принятия решений, который вроде бы и не включает человека непосредственно. Однако в пакете прикладных программ, под управлением которого работает этот комплекс, в базе данных, используемой комплексом при формировании решений, в других его составляющих заложены формализованные опыт и знания человека. Таким образом, и в этом варианте системы ЧО негласно присутствует и оказывает влияние на качество системы в целом. Кроме того, контроль работы всего автоматизированного комплекса осуществляет специально обученный человек (т.е. ЧО), что фактически делает автоматизированные комплексы типичной биотехнической системой.
В настоящее время функционирует и проектируется большое число БТС различных типов и назначений. На рис. 2 приведен вариант обобщенной структуры БТС, в котором показаны различные типы технических средств, поддерживающих работу биотехнических систем, обеспечивая оптимизацию режимов их работы [6]. Эффективность работы БТС может быть значительно улучшена, если человек-оператор будет оценивать состояние объекта управления не только своими органами чувств, но и получать дополнительную «тонкую» и «всестороннюю» информацию с помощью современных технических средств оценки состояния
(ТСОС).
Рисунок 2 - Структура комплекса технических средств, «обслуживающих» работу БТС
Одним из важнейших элементов ТСОС является комплекс измерительных преобразователей, приспособленных к характеристикам ОУ и не мешающих его работе. Получив максимально возможную (с учетом экономических, временных и других ограничений) информацию о состоянии ОУ, технические средства оценки состояния преобразуют эту информацию таким образом, чтобы она максимально соответствовала возможностям и способностям человека-оператора по восприятию и обработке данных о состоянии ОУ.
После того, как человек-оператор принял решение о необходимости совершения акта управления в отношении ОУ, он может воспользоваться техническими средствами управления объектом (ТСУО). Этот класс технических систем по своим входам максимально приспособлен к физиологическим особенностям чело-
века (прикосновению пальцем (кнопки, сенсорные панели), появлению биотоков в мышцах, движению глаз, и т. д.), а по выходам - к органам управления, которые могут, например, требовать значительных усилий, различных видов энергетических воздействий, которые человек не может физически воссоздавать без специальных средств и т.д. Таким образом, формируются оптимальные взаимодействия по каналу ЧО^-ОУ.
Как отмечалось выше, биообъекты и технические средства находятся в постоянном контакте с окружающей средой, которая не всегда оказывает благотворное воздействие на составляющие БТС.
Для оптимизации взаимодействия элементов БТС с окружающей средой используются технические средства управления средой (ТСУС), решающие задачи контроля и управления такими параметрами, как температура, влажность, давление, кислородосодержание и т. д.
В реальных системах объект управления может иметь сложную и даже сверхсложную структуру, часть информации о его функционировании скрыта от органов чувств человека-оператора. Разобраться в «тонкостях» функционирования объекта позволяют технические средства обработки информации ТСОИ, использующие достижения в области вычислительной техники и информационных технологий. Например, в биотехнических системах медицинского назначения, используя достаточно большое количество информации о состоянии здоровья человека, ТСОИ решают задачи прогнозирования, ранней и дифференциальной диагностики заболеваний и составляют рекомендации по оптимальным схемам профилактики и лечения.
Работая со сложными энерго- и информационнонасыщенными системами, иногда в неоптимальных взаимоотношениях с окружающей средой, человек-оператор нуждается в коррекции состояния своего здоровья. Эта задача решается с помощью технических средств нормализации состояний (ТСНС).
Чтобы процесс нормализации соответствовал текущему состоянию человека-оператора, ТСНС должны получать информацию об этом состоянии. На основании этой информации, опираясь на методологию системного анализа, ТСНС формирует рекомендации по управляющим воздействиям на человека в соответствии с физиологическими особенностями органов, на которые направлено воздействие.
В современных БТС приняты методы, основанные на энергетическом, вещественном и информационном воздействии на человека. Энергетические воздействия основаны преимущественно на использовании таких физических полей, как электрические, магнитные, акустические, тепловое, электромагнитные.
Вещественное управление основано на использовании различных фармакологических, гормональных, химических и других агентов воздействия в твердом, жидком и газообразном состояниях (стимулирующие таблетки, наркоз и т. д.).
Информационное управление использует специально организованные потоки информации (воздействие на психологическом уровне через аутогенную тренировку, гипноз и т. д.).
Учитывая широкий спектр деятельности работников агропромышленного комплекса, БТС могут привлекаться для решения следующих основных задач:
- прогнозирование возникновения, ранняя и дифференцированная диагностика заболеваний людей и животных, включая профессиональные болезни и болезни, вызываемые вредными экологическими факторами;
- выбор рациональных схем профилактики и лечения людей и животных;
- совершенствование информационного канала, обеспечивающего человека информацией о состоянии технической системы;
- создание рациональных механизмов управления технической системой (рычаги, переключатели, джойстики, кнопки, сенсорные панели и т.д.);
- специальная подготовка человека-оператора с использованием специальных обучающих программ, технических тренажерных средств и т.д.;
- рациональное сочетание режимов труда и отдыха, включая специальные методики и средства релаксации;
- использование специальных технических средств для оценки и управления состоянием человека-оператора и т. д;
- оценка процессов жизнедеятельности в разных условиях существования организмов;
- поиск оптимальных условий для жизнедеятельности и ускоренного развития различных организмов;
- исследование влияния факторов внешней среды на состояние организма животных, представителей растительного мира;
- разработка и исследование последствий использования новых перспективных методов диагностики и лечения, а также лекарственных препаратов и пищевых добавок и т. п.
- анализ химического состава биопробы (БП);
- определение концентрации компонентов в БП;
- изучение структурного состояния самого широкого спектра компонентов, содержащегося в разнообразных биоматериалах;
Таким образом, разработка и использование БТС различных типов и назначений позволяет решать широкий круг проблем, возникающих в агропромышленном комплексе, повышая уровень здоровья работников и качество функционирования человеко-машинных систем.
Список использованных источников
1 Биотехнические системы: Теория и проектирование / под ред. В.М. Ахутина. -Л.: Изд-во ЛГУ, 1981.-163 с.
2 Гусев, В.Б. Получение информации о параметрах и характеристиках организма и физические методы воздействия на него: учеб. пособие/ В.Б. Гусев. -М.: Машиностроение, 2004.- 597с.
3 Кореневский, Н.А. Медицинские приборы аппараты системы и комплексы: учебник / Н.А. Кореневский, Е.П. По-печителев, С.П. Серегин.- Курск: Курский гос. техн. ун-т., ОАО «ИПП «Курск», 2009.-986с.
4 Кореневский, Н.А. Узлы и элементы медицинской техники: учебное пособие / Н.А. Кореневский, Е.П. Попечите-лев.- Курск: Курский гос. техн. ун-т, 2009.- 426 с.
5 Медицинские приборы. Разработка и применение / под ред. И.В. Камышко и Дж. Г. Вебстера. -М.: Медицинская книга, 2004. -720 с.
6 Падерно, П.И. Надежность и эргономика биотехнических систем/ П.И. Падерно, Е.П. Попечителев // под ред. проф. Е. П. Попечителева. - СПБ: ООО «Техномедиа», Изд-во «Элмор», 2007. - 315с.
7 Попечителев, Е.П. Инженерные аспекты медикобиологических исследований: учеб. пособие / Е.П. Попечителев. - Л.: Изд-во ЛЭТИ, 1982.-151 с.
8 Попечителев, Е.П. Медико-биологические исследования. Системные аспекты: учеб. пособие / Е.П. Попечителев. -Житомир: Изд-во ЖНТИ, 1997.- 186 с.
Информация об авторах
Гадалов Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры технологии металлов и ремонта машин ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. (4712) 58-70-98.
Титов Виталий Семенович, доктор технических наук, профессор кафедры информационных и электротехнических систем и технологий ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. (4712) 58-
Кореневская Софья Николаевна, студентка ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», тел. (4712) 58-70-98.
Серебровский Владимир Исаевич, доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».
