ИДЕНТИФИКАЦИЯ в кибернетике

Перейти к: навигация, поиск

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).
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.
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).
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. 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.
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.

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

Рекомендуемые статьи