ИДЕНТИФИКАЦИЯ в кибернетике

ИДЕНТИФИКАЦИЯ в кибернетике (позднелат. identificare отождествлять) — построение модели системы по данным ее функционирования.

Методы И. применяются для построения моделей сердечно-сосудистой системы, системы кровообращения, изменения длительности потенциала действия волокон миокарда в процессе усвоения ритма, структуры двигательного аппарата, оценки состояния гемодинамики головного мозга, автоматической диагностики заболеваний сердца, динамики гормонов щитовидной железы, динамики давления крови, иммунных реакций человека и др.

Для построения модели методами И. обычно используется информация, содержащаяся во входных и выходных переменных объекта. Так, при И. процесса лечения входными переменными являются сведения о проводимой терапии (количество лекарственных средств, частота их приема и т. п.), а выходными — показатели состояния больного (температура, пульс, артериальное давление, результаты визуального осмотра и т. д.). И. нормы ЭКГ осуществляется по результатам усреднения количественных значений вольтажа, высоты зубцов, интервалов и др. у здоровых людей.

Рис. 1. Схема условного представления реакции реального объекта «A», которым может быть явление, процесс, живой или искусственный объект исследования, на возмущающее входное воздействие (напр., раздражитель): X(t) — переменная величина, характеризующая это воздействие (напр., процесс лечения); Y(t) — переменная величина, характеризующая реакцию объекта на входное (возмущающее) воздействие (напр., результат лечения).

Результатом И. является математическая модель, описывающая динамические свойства объекта наблюдения; уравнение, устанавливающее соотношения между входными и выходными переменными, на основе к-рого можно оценить величину реакции объекта на входное воздействие, осуществить выбор структуры и параметров системы управления, оценить его качество и эффективность. Для описания динамических свойств объекта входные и выходные величины рассматриваются как функции времени t и обозначаются соответственно через X(t) и Y (t). Обычно X(t) и Y (t) считаются случайными функциями неслучайного аргумента t. Исчерпывающей характеристикой, описывающей динамические свойства объекта, является оператор, т. е. любые математические (дифференцирование, интегрирование, решение функциональных уравнений и др.) и логические (да, нет или др.) действия, правила, переводящие входные величины в выходные. Обычный способ схематического представления объекта в теории управления показан на рисунке 1: входная функция X(t) преобразуется объектом, описываемым оператором А, в выходную функцию Y (t). Т. о., закономерность (оператор А) функционирования объекта описывает реакцию объекта Y(t) на входное возмущение X(t) и устанавливает соответствие между Y(t) и X(t), т. e. Y (t) = AX(t). Такое представление дает возможность абстрагироваться от физической природы входных и выходных переменных и объекта и разрабатывать общие правила описания и методы управления объектами. В качестве объекта могут выступать приборы, устройства, технические, биологические процессы, человек или коллектив людей и т.д.

В некоторых случаях в биологии и медицине при И. живых организмов с целью решения задач диагностики, оценки нормы, патологии и др. основной информацией может служить только реализация выходных переменных Y (t). В этом случае не ставится задача определения уравнения связи между Y (t) и X(t), а определяется характеристика выходных переменных и их отклонений от нормальных величин. Этот случай можно рассматривать как частный, и решение задачи И. сводится к оценке оператора связи между отдельными выходными переменными Y(t), напр, при построении моделей «норма» и «патология».

Рис. 2. Схема процесса идентификации: исследуемый объект А и созданная его модель А* получают одинаковый раздражитель — X(t); реакция на раздражитель у объекта A—Y (t), а у его модели Y* (t); чем меньше разница между величиной Y* (t ) и Y (t), тем более идентичны модель и объект.

Теория И. разрабатывает методы получения оптимальной модели объекта, т. е. наилучшей оценки оператора А* по реализации X(t) и Y (t). В условиях функционирования объекта осуществляются измерения входной X(t) и выходной Y(t) переменных и, т. о., получают реализации этих функций (рис. 2). При И. устанавливается такая структура и определяются такие параметры, которые дают возможность построить модель А *, близкую к истинному оператору объекта А. Близость А* к А оценивается специальными математическими методами (обычно значением критерия оптимальности).

В связи с необходимостью проведения больших по объему вычислений решение задач И. осуществляется на ЭВМ (см. Электронная вычислительная машина). В 70-х гг. 20 в. почти для всех ЭВМ разработаны программы, построенные по алгоритмам (см.) решения задач И., которые могут быть использованы, в частности, и для И. медико-биологических объектов (напр., построение модели заболевания и использование ее для диагностики). Кроме того, для получения статистических характеристик входных и выходных переменных, а также решения задачи И. имеются специализированные ЭВМ, на которых процесс получения и обработки информации полностью автоматизирован.

Рис. 3. Схема адаптивной системы управления в цепи обратной связи: в процессе нормального функционирования объекта А в идентификатор поступают входные данные x(t) и выходные y(t) сигналы объекта. По этим сигналам в идентификаторе строится модель объекта; когда процесс идентификации закончен, полученные результаты используются в управляющей части для выработки величины управления u(t) (изменение дозы и частоты или способа введения лекарств, применение новых препаратов) и для достижения заданного (требуемого) значения Y3(t).

Широкое использование методы И. находят в классе адаптивных (самонастраивающихся, самоорганизующихся и т. д.) систем управления, а также при автоматизации научного эксперимента. В этих случаях параллельно с объектом предусматривается идентификатор, который по входным X(t) и выходным Y (t) переменным осуществляет уточнение модели изменяющегося во времени состояния объекта. Примерная блок-схема адаптивной системы приведена на рисунке 3. Здесь идентификатор находится в цепи обратной связи и по результатам И. и заданному значению выходной переменной Y3(t) осуществляется определение закона управления. Обычно процессы И. и управления выполняются одной и той же управляющей вычислительной машиной (УВМ) и их разделение осуществляется программным путем. Применение специальных алгоритмов И. дает возможность получить модель для сложных объектов с большим числом входных и выходных переменных и меняющимися во времени характеристиками. Примерно аналогичную структуру с идентификатором имеют автоматизированные системы научного эксперимента, в т. ч. исследования, проводимые над живыми организмами в экспериментальных и клинических лабораториях.

Рис. 4. Схема принципа машинной расшифровки ЭКГ: сигналы отведений от объекта наблюдения (напр., больного) электрокардиограф передает в ЭВМ (обозначена пунктиром), в которой идентифицируются показания величины зубцов и интервалов ЭКГ объекта наблюдения с ЭКГ здорового или больного, обработанных по соответствующим показаниям; на выходе ЭВМ получаются количественные результаты сравнения (величины отклонений от нормы), по которым дается заключение.
Рис. 5. Схема системы наблюдения за больным: по сигналам x(t) и у (t) в идентификаторе оценивается состояние больного; сигналы наблюдений и результаты идентификации можно видеть на экране кардиомонитора; при внезапной фибрилляции желудочков идентификатор включает систему тревоги и дефибриллятор, управляя величиной и моментом разряда.

Примером использования методов И. в клинической медицине может служить машинная расшифровка ЭКГ (рис. 4). На входе идентификатора параметров — сигналы отведений ЭКГ, на выходе — результаты измерения вольтажа и высоты зубцов и интервалов электрокардиограммы (PQ, QRS, RS—T, T и т. д.). Последние подают на вход идентификатора патологии, на выходе из к-рого получают заключение о норме или патологии ЭКГ. Разбиение на два блока идентификации условно и оба процесса выполняются одной ЭВМ. На рисунке 5 показано применение идентификатора в замкнутой схеме наблюдения за больным. На вход идентификатора вводятся сведения о деятельности сердца и проводимой терапии. Выход его подключается к системам тревоги, визуального наблюдения на экране, дефибриллятору. При внезапной фибрилляции желудочков одновременно включаются все системы.

В случае возникновения нарушений ритма — предвестников фибрилляции — включается только система визуального наблюдения и тревоги.


Библиография: Вычислительные системы и автоматическая диагностика заболеваний сердца, под ред. Ц. Касереса и Л. Дрейфуса, пер. с англ., М., 1974; Петровский А. М. Системный анализ некоторых медико-биологических проблем, связанных с управлением лечением, Автоматика и телемеханика, № 2, с. 54, 1974, библиогр.; P а й б м а н Н. С. Что такое идентификация, М., 1970, библиогр.


Популярные статьи

Источник: Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание

Поделиться: