Раздел 4. Биосистемный подход к разработке сельскохозяйственных машин

1. Сельскохозяйственная техническая бионика в составе общей теории систем

Вторая половина XX столетия вызвала к жизни наиболее всеобъемлющую науку – общую теорию систем. Перехватив лидерство в первенстве от сравнительно молодой науки кибернетики, она стала рассматривать теоретическую кибернетику как частный случай общей теории систем. Происхождение кибернетики связано с именем профессора Массачусетского технологического института Норберта Винера, который в 1949 году издал свой фундаментальный труд под названием «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине». Норберт Винер в период второй мировой войны решал вопросы автоматической наводки зенитных орудий. Появившиеся в то время следящие радарные установки определяли положение и постоянно замеряли скорость попавшего в луч радара самолета. Орудие наводили на точку впереди летящего самолета, куда он переместится за время подлета выпущенного снаряда. Положение точки прицела является функцией длины траекто­рии снаряда, которая зависит от положения точки прицела. В этой функциональной зависимости длина траектории является функцией само­го себя. Винер создал замкнутую саму на себя вычислительную машину, в которой часть сигнала, полученного на выходе, снова передавалась на вход машины. Благодаря такой замкнутой петли обратной связи машина находила точное время движения снаряда и вычисляла положение точки прицела.

Еще в 1942 году у профессора Винера появилась идея о том, что в живой природе можно также найти системы с аналогичными функциями, то есть такие органы, где часть выходного сигнала подается на вход. Возникла мысль сравнить процессы управления в машинах и в живых организмах. Живое существо получает поток информации от окружающей среды в форме ощущений, которая передается в мозг. Обрабатывая поток информации, мозг воспринимает ощущение, выбирает оптимальное поведение, определяет нужное действие и дает сигнал органам движе­ния. Профессор Винер пришел от формальной аналогии к уподоблению свойств; изучение функций машины объясняет функции живых существ. То есть, кибернетика изучает живые организмы по аналогии с машина­ми, в отличие от бионики, которая изучает и реализует механические системы, используя принцип действия живых организмов.

Сельскохозяйственная техническая бионика, занимающаяся изучением и реализацией искусственных систем (машин), которые выполняют­ся по подобию живых моделей или используют принцип их действия, является составной частью общей теории систем. Ведь общая теория систем возникла на основе изучения биологических объектов и явлений и впервые была сформулирована Л. Берталанфи. Она использует метод объединения и связанный с ним комплексный подход к изучению объек­та. Слово «система» имеет разнообразное применение. Система – это совокупность элементов, связанных общей функцией. Основной характеристикой системы является связь ее элементов. Беспорядочное расположение элементов приводит не к системе, а к бесформенной массе. Совокупность элементов еще не создает системы. Существенным призна­ком системы является то, что она имеет определенное назначение, и распределение элементов в ней не может быть случайным. Примером настоящей системы является живая клетка, которой присуща установка к действию: она растет, питается, и воспроизводит себя для продолжения жизненного процесса. Нервная система человека состоит из более десяти миллиардов клеток (нейронов). Настоящей искусственной систе­мой в отдельности можно признать самолет, трактор, автомобиль, вы­числительную машину и т.д.

Составляющие элементы сложных систем в живой природе сами по себе являются системами. Для упорядочения изучения систем вводятся различные иерархические уровни. Подразделяя целое на подсистемы и повторяя это несколько раз, можно получить достаточно простые для изучения компоненты. Из таких элементов после их изучения восстанавливается единая система. При этом вводится одно из основных понятий в области изучения систем – передаточная функция. Поскольку система имеет определенное назначение, то она связана с внешней средой. Внешняя среда может представлять собой другой элемент сложной сис­темы. Поэтому система или подсистема не замкнута, а у нее всегда есть выход и вход, которые сообщаются со средой. Поступающая из внешней среда на вход энергия или информация проходит через все компоненты системы, анализируется, преобразуется, усиливается и появ­ляется на выходе. Происходящая внутри системы такая последовательность операций называется преобразованием. Поскольку каждое изменение на входе влияет на результаты на выходе, то передаточная функция фиксирует эти изменения. Такая последовательность представляется кибернетиками в виде «черного ящика», который позволяет вывести все характеристики сложной системы, исходя из отдельных подсистем. Происходящие внутри «черного ящика» процессы неизвестны, поскольку при изучении систем важно знать его передаточную функцию.

Все живые системы используют обратную связь, которая находит применение и в области техники. Петля обратной связи позволяет уста­новить статическое и динамическое равновесие. В каждом случае действие на выходе связано определенной закономер­ностью с сигналом на входе, которая называется передаточной функ­цией системы. Часто встречающееся множество петель обратной связи в живых системах имеет настолько сложную передаточную функцию, что ее практически невозможно рассчи­тать. Кроме того, доступ внутрь системы может быть закрыт. Так как в большинстве биологических систем передаточ­ная функция плохо изучена, то при их изучении необходимо начинать с ее определения. При этом можно использовать метод разложения на подсистемы, установив их иерархию и подразделяя до тех пор, пока отдельные элементы не будут достаточно просты, чтобы определить их передаточную функцию и затем воссоздать процесс из отдельных элементов.

Первым условием конструирования машин по образу и подобию жи­вых систем является доскональное изучение природной системы и оп­ределение ее передаточной функции. Если не удается применить метод разложения сложной системы на простые элементы, то следует исполь­зовать модели и очень эффективный метод исследования - имитацию функций. Функционирование систем наиболее легко объясняется с помощью блок-схем. Моделирование в области бионики сближает инженеров и биологов. Действующая модель копирует реальное поведение изучае­мой системы и дает возможность уточнить изменения, которые надо учесть в модели, чтобы достигнуть сходства в подражательном и реальном поведении. Физические модели подчиняются тем же законам, которые действуют в реальной системе, и точно повторяют ее в уменьшенном масштабе. Так эластичное покрытие подводных лодок является бионическим открытием и в то же время физической моделью кожи дельфина.

Бионика и кибернетика имеют неодинаковый подход к соотношению модели и живой системы. Наблюдая функционирование модели, киберне­тик объясняет свойства живых систем и подает биологам идеи новых экспериментов. Для конструирования машин бионик использует характеристики естественной системы, применяет новые идеи, возникшие во время работы с моделью, а также новые знания о функциях организмов. Сельскохозяйственная техническая бионика базируется на системном подходе, предполагающем единство анализа, синтеза и логики. Важной отличительной особенностью системной ориентации исследований яв­ляется рассмотрение объекта как целого в структурном и функциональном отношении с учетом взаимосвязи его с внешним миром. В дальнейшем производится разделение на составляющие, выделение характерных подсистем, рассмотрение наиболее важных связей и процессов в них. В процессе создания иерархии системы действие подсистемы выс­шего уровня определяется входными величинами, воздействующими в целом на данную систему. Эффективность бионической системы определяется взаимодействием всех элементов, прямыми и обратными связями между ними. Такие особенности заложены в основных принципах общей теории систем. В структуре обшей теории систем выделяется два направ­ления. Первое направление рассматривает развитие общей теории сис­тем как некоторой философской концепции, включающей в себя такие понятия, как принцип системности, системный подход, системный ана­лиз. Второе направление представляет общую теорию систем как не­который математический аппарат, который описывает закономерности фор­мирования и развития любых систем.

Общая теория систем базируется на трех постулатах. Первый пос­тулат заключается в том, что функционирование систем любой природы может быть описано на основе рассмотрения формальных структурно-функциональных связей между отдельными элементами систем. Влияние материала составляющих элементов систем проявляется в формальных характеристиках системы, таких как структура, кинематика, динами­ка и другие. Второй постулат утверждает, что организация системы может быть определена на основе наблюдений, проведенных извне по­средством фиксирования состояний только тех элементов системы, ко­торые непосредственно взаимодействуют с ее окружением. Третий посту­лат состоит в том, что организация системы полностью определяет ее функционирование и характер взаимодействия с окружающей средой. Эти постулаты позволяют определять организацию системы на основе харак­теристик взаимодействия с внешней средой, и характеристики взаимо­действия, исходя из организации системы.

Кроме того, в общей теории систем используются принципы системности, релятивности и универсаль­ности системы. Системность предусматривает целостное представление объектов. Принцип релятивности состоит в том, что любое множество предметов можно рассматривать как систему и как несистему в опреде­ленных аспектах и фиксированных условиях. Этот принцип направлен против абсолютизации систем и способов их образования. На этих пос­тулатах и принципах общей теории систем должны базироваться прово­димые исследования в области сельскохозяйственной технической био­ники при разработке конструкций сельскохозяйственных машин по подо­бию живых организмов.