автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Информационная система контроля характерными параметрами жизнеобеспечения биообъектов

Международный ОДежакадемический Союз

/ • *

Андреев Андрей Владимирович

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ БИООБЪЕКТОВ

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада

Москва - 2004 г.

<

¿рое- г

ж//

Международный Межакадемический Союз

На правах рукописи

Андреев Андрей Владимирович

Информационная система контроля характерными параметрами жизнеобеспечения биообъектов

Специальность: 05.13.18 - «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ».

>

Диссертация

на соискание ученой степени г кандидата технических наук

в форме научного доклада

Москва - 2004 г.

шми.

Работа выполнена в корпорации Уф-сНшс. Научный руководитель: доктор технических наук

Официальные оппоненты:

академик, доктор технических наук, профессор

Спиридонов Эрнст Серафимович.

Ведущая организация: ООО «ДИАКС», концерн «Росэнергоатом» РФ.

Защита диссертации состоится « 29 у> л

2004г. в _12_ часов на заседании диссертационного Совета Д097.024.МАИ.032.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в диссертационном Совете Д097.024.МАИ.032.

Автореферат разослан 28 сентября 2004 г.

Славинский Зиновьевич.

Александр

доктор технических наук, Смородин Анатолий Иванович.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор, академик МАИ

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Современное обитание современного человека в условиях 21 века при интенсивной урбанизации, повышенных скоростях внедрения все новых технологий, полная автоматизация и компьютеризация производства и сельского хозяйства требует все возрастающих потреблений электроэнергии, источником которой до настоящего времени пока главным образом являются тепловые электростанции, использующие горючие полезные ископаемые: уголь, нефтепродукты, торф и природный газ, выбрасывая при этом назад в атмосферу огромное количество токсичных и вредных компонентов «сгоревшего» или преобразованного теплового сырья. Для работы таких ТЭС и ГРЭС, так же как и для жизнедеятельности биоорганизма, требуется вода, которая по своему химическому составу должна строго соответствовать нормированным на данный момент компонентам. А такой воды с каждым годом становится все меньше из-за тех же воздействий на атмосферу. Согласно Монреальской и Киотской конвенциям повышенное содержание в дымовых или отходящих газах окиси углерода и различных диоксидов от 80х и Ж)х резко изменяет за последние 20-25 лет климат на земле не только из-за теплового эффекта и разрушения атмосферного озона, но и из-за кислотных и им подобных осадков.

Отставания в системах конверсии стоков и дымовых газов - вот причина все большего отрицательного воздействия человеком на экологию обитания.

Таким образом, создание системы, позволяющей в автоматическом режиме поддерживать систему обеспечения для человека или любого биообъекта в заданном рабочем объеме по состоянию воздуха и питьевой воды с насыщенным активным кислородом, является сейчас наиболее актуальной задачей. В особенности это относится к системам, являющихся экологически чистыми и энерго-н-ресурсосберегающими без использования каких-либо химикалий кроме атмосферного воздуха и любого природного источника воды.

Такие системы не зависят от климатических условий и времени, а определяют состояние лишь по наперед заданному закону.

Ввиду этого, такие системы могут быть применимы как в специальных целях для замкнутых объемов, так и на транспорте, поддерживая требуемые параметры биооксндантов, защищая объекты от вредных воздействий, включая вирусы и бактерии.

Естественно, что такие системы являются информационными и полностью компьютеризированными, исключающие субъективное влияние оператора на качество жизнеобеспечения, а строго подчиняясь разработанной программе управления и контроля по определенным характеристическим параметрам, фиксируемые разработанными для

этого датчиками.

Данная работа направлена на быстрейший ввод в промышленность новых систем поддержания жизнедеятельности на основе биооксидантов, способных, не влияя на окружающую среду, при минимальных экономических и энергетических затратах обеспечить нормальную лечебную атмосферу в заданном рабочем объеме и получение питьевой воды из любого природного источника, включая морскую воду, высшего товарного качества с повышенной концентрацией растворенного кислорода. Широкому внедрению применения такой системы препятствует отсутствие физических основ построения систем создания биооксидантов в атмосфере определенного рабочего объема от вагона или каюты до замкнутого объема спецназначения, операционных и сельхозферм.

Кроме того, до настоящего времени отечественная промышленность еще не выпускает серийно надлежащего оборудования и, в первую очередь, датчиков, надежно фиксирующих характерные параметры рассматриваемого процесса.

Ввиду этого, данная работа направлена на создание физической и математической моделей таких процессов, а также простейших датчиков, способных в потоке регистрировать характерные параметры с оценкой возможной динамики их изменения.

В основу предложенных методов выработки биооксидантов из атмосферного воздуха и из воды любого природного источника, включая морскую, служит озоноультрафиолетовая и импульсная в наносекундном диапазоне технологии.

Поскольку рассматриваемые системы необходимы, в первую очередь, для медицины и морского флота и особенно для подводного, то в работе большое внимание уделяется вопросам ресурсе- и энергосбережения. Цель работы

Создание информационной системы автоматического контроля и управления комплексами жизнеобеспечения в заданном рабочем объеме на основе разработанных установок поддержания атмосферных условий и питьевой воды, полученных на основе импульсной электронно-ионной технологии и базирующихся на интенсивном озонировании, электрогидравлического удара и импульсных воздействий сильных электромагнитных и электростатических полей.

Для достижения поставленной цели решались следующие научные задачи, заключающиеся в разработке:

• методов контроля и анализа за динамикой изменения характерных параметров процессов жизнеобеспечения с использованием биооксидантов с учетом различной априорной информации как в виде характеристик таких параметров, так и о распределении погрешностей в их оценках по технологическому тракту с учетом

используемой самой информационно-измерительной системы (ИИС);

• алгоритмов оценки состояния среды обитания при наличии стандартной приточно-вытяжной вентиляции с встроенными элементами выработки биооксидангов;

• разработка и создание простейших элементов выработки биооксидантов от миниатюрных генераторов озона, работающих на импульсном электропитании, до комбинированных гидромеханических кавитаторов, совмещенных с электрогидравлическим эффектом как следствие пробоев в водных растворах;

• разработка и создание датчиков регистрации характерных параметров среды в потоке. К таким датчикам, в первую очередь, относятся измерители диэлектрической проницаемости е, и электропроводности у, рабочей среды в рабочем режиме;

• математическая модель выбора оптимальной ИИС для оптимального использования биооксидантов в зависимости от задачи и условий рынка;

• малогабаритные и маломощные импульсные генераторы напряжения (ГИН) и тока (ГИТ) для устройств выработан биооксидангов по заданному закону изменения характерных параметров;

• программные аппаратные средства для реализации ИИС на основе последних достижений в информатике для оценки технического состояния и надежности устройств, обеспечивающих жизнедеятельность в заданном рабочем объеме.

Методы исследования

В работе применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Работа предложенной ИИС базируется на механизме контроля за характеристическими параметрами процесса выработки и усвоения биооксидантов по предложенным комплексам. Математические и расчетные модели были получены на основе таких разделов математической статистики и теории вероятности, как временные рады, теория оптимального эксперимента, регрессивный, факторный и дисперсионный анализы, теория распределений, антипроксимация зависимостей, а также методов численного анализа. Исследования характеристик созданной ИИС с разработанными алгоритмами информации проводились как на испытательных стендах ДИАКС концерна «Росэнергоатом», так и в реальных условиях больниц и клиник, и в ряде спецобъектов МО. Научная новизна

Впервые последние достижения, достигнутые в сильноточной электронике и импульсной технике, позволили создать информационную систему контроля и управления по выработке биооксидантов для поддержания жизнеобеспечения человека в

замкнутом объеме и главным образом для поддержания атмосферы и питьевой воды с повышенным содержанием активного кислорода. Созданная система монтируется в существующие каналы приточно-вытяжной вентиляции и поддерживается автоматически на заданном уровне. А питьевая вода высшего качества по шкале СанПин 2002 вырабатывается из любого природного источника, включая морскую, при минимальных энергетических затратах и при отсутствии возврата в источник рассола с повышенным содержанием солей.

В основе этого метода, помимо интенсивного озонирования и импульсной обработки, используется совмещенное воздействие гидромеханического удара, как следствие электрического пробоя в водном растворе и возникновения ударных волн со скачком давления в несколько десятков МПа.

Для этой цели разработан специфический кабельный генератор <

импульсных токов с независимым регулированием как уровня выходного напряжения, так и амплитуды разрядного тока, установленная мощность которого практически на два порядка меньше, чем энергетические затраты на агрегатах обратного ...

Предложен новый способ обеззараживания атмосферного воздуха и полной конверсии окислов и диоксидов в нем за счет использования факельной формы униполярной короны.

Создан инженерный метод расчета и конструирования основных элементов, обеспечивающий минимальные затраты на сооружение подобных систем с повышенной концентрацией кислорода.

Разработана технология получения питьевой воды высшего качества для использования в системах жизнеобеспечения человека в заданном рабочем объеме.

Создание математического аппарата и расчетно-теоретических моделей, на основе которых разработаны новые эффективные принципы построения ИИС для выработки и применения биооксидантов для комплексов жизнеобеспечения, адаптируемые и контролируемые характерных параметров рассматриваются впервые. *

Практическая значимость работы

Разработанные методы контроля и управления ИИС позволили:

• создать уникальные системы обеззараживания, активации и 1 насыщения воздуха, подаваемого в рабочий объем и поддерживаемые на заданном программами уровне, без вмешательства оператора, любое по длительности время;

• создать новые высокоточные и многофункциональные ИИС для оценки состояния атмосферы и питьевой воды в заданном рабочем объеме;

• получить в общем виде, простые, универсальные и эффективные алгоритмы для оценки точности технического состояния различных по назначению замкнутых объемов с высоким уровнем жизнедеятельности.

Результаты построения элементов комплексов жизнеобеспечения широко используются в широком классе объектов медицины, фармакологии, ожоговых центров и объектов военного назначения

Разработанные для съема информации датчики, способные регистрировать диэлектрическую проницаемость е, и электропроводность у, в потоке водных растворов, прошли проверку в многочисленных исследованиях по многопараметрической диагностике энергетического оборудования АЭС, ГРЭС и ТЭЦ как на основных объектах России, так и ряда стран Европы, Азии и Америки. Реализация результатов работы

Созданный математический аппарат и модели на базе систем Петри и полученные расчетно-теоретические модели ИИС позволили определить оптимальные режимы работы комплексов жизнеобеспечения на базе применения биооксидантов, а также сама ИИС и алгоритмы обработки измерительной информации к данному времени широко используются как в медицине (в кожных и ожоговых центрах, косметологии, фармакологии и биопромышленных объектах), так и объектах специального назначения. Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 статьи.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Теоретические основы создания информационно-измерительной системы обеспечения управления комплексами жизнеобеспечения различного назначения.

2. Научно обоснованные технические и технологические решения ИИС управления и контроля за работой комплексов поддержания атмосферы и питьевой различных по назначению рабочих объемов.

3. Инженерные методики многопараметрического контроля характерных параметров системы жизнеобеспечения на основе использования вырабатываемых биооксидантов.

4. Конструктивные решения по созданию комплексов жизнеобеспечения и инженерная теория предложенных датчиков.

5. Физическая и математическая фильтрация электромагнитных сигналов для достижения высоких соотношений «сигнал/шум» при оптимизации входного блока компьютеризированной системы измерений и теоретическое обоснование методик регистрации наносекундных импульсов при наличии высокого уровня помех.

6. Архитектура, алгоритмы и компьютерные программы «МиШРгодшгпЛТ» ИИС, предназначенных для контроля характерных параметров предложенных комплексов жизнеобеспечения.

7. Бизнес-система или математическая модель ИИС применительно для установок выработки биооксидантов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАУЧНОГО ДОКЛАДА

Достижения в области современной вычислительной техники, теорий и практик по развитию и созданию экспертных систем различного назначения, уже сейчас позволяют создавать информационно-измерительные автоматизированные системы для контроля и управления за характерными параметрами технического состояния любого энергетического объекта от АЭС до комплекса, поддерживающего уровень жизнеобеспечения любого биообъекта. В связи с постоянным ухудшением экологической обстановки, урбанизации городов, развитием промышленных объектов для удовлетворения комфорта жизни биообъекта - вопрос о возможности управления уровнем жизнеобеспечения человека строго заданным по составу воздухом и питьевой водой из экономической проблемы переходит в политическую. Чтобы поддерживать комфорт своего обитания, человек все больше и глубже оказывает негативное влияние на внешнюю среду, одновременно увеличивая экспозиции своего стрессового состояния.

Кроме того, что он все больше подвергает атмосферу уменьшением кислорода и резким повышением в ней токсичных соединений, он создает условия, благоприятные для мутации вирусов и бактерий (появление СПИД'а, атипичной пневмонии, болезни легионеров и т.д.). К тому человечество все больше отходит от традиционной пищи, используя достижения генной инженерии без учета возможных последствий.

Все это привело к тому, что к началу нового столетия человечество нуждается в обязательном искусственном добавлении, как в воздух, так и питьевую воду, повышенной концентрации активного кислорода или в биооксидантах.

Известно, что любой биоорганизм состоит из 70-80% водного раствора, который несет в себе определенную информацию обмена «вдыхаемого» и вводимого кислорода и удаления углекислоты, т.е. существующий переход 02->АТФ-»С02. При этом энергетические затраты самого организма на это преобразование должно быть минимальным.

Поэтому понятны попытки экологов ужесточить правила применения промышленностью и ресурсов с переходом на новые тонкие экологически-ресурсо-и-энергетически менее затраты технологии.

При этом необходимо помнить, что записанная в РНК и ДНК генная информация относится к более раннему периоду человечества, когда атмосферный воздух содержал ~21% кислорода, а питание было натуральным, а сам человек не применял ни химических удобрений, ни систем сублимации. Человечество не знало ни о кислотных дождях, ни о травлении природных источников воды.

Уже в прошлом веке на смену этому укладу жизни человек начал использовать для борьбы с сорняками не свою физическую силу, и различные химикаты, совершенно не заботясь о последствиях такого применения. А в угоду повышения КПД преобразователей энергии от более чистой (с экологической точки зрения) тепловой машины перешел к двигателям внутреннего сгорания и особенно дизельного типа, используя все утяжеляемые из года в год нефтепродукты с повышенным содержанием окислов и диоксидов в отходящих газах.

Сюда добавляется еще одно обстоятельство - быстрый рост человечества на Земле при неизменном уровне наличия питьевой воды, пахотных земель и запасов недр.

Вест комфорт жизнедеятельности человеку может обеспечить только электрическая энергия, но для ее получения человек по старинке сжигает природное топливо, зная, что для любого современного преобразователя энергии невозможно полное сгорание топлива. Поэтому с каждым годом в атмосферу Земли выбрасывается все больше и больше N0*, Б0Х и окислов тяжелых металлов.

В связи с этим, опираясь на мировой опыт выработки оксвдантов, разработать простейшие комплексы как получения атмосферы в заданном рабочем объеме заданных свойств и состава, так и питьевой воды высшего качества без использования химических реактивов, высоких температур и давлений.

Для быстрейшего широкого внедрения таких комплексов необходимо разработать и создать универсальные датчики, с помощью которых возможно в автоматическом режиме контролировать, регулировать и управлять такими комплексами.

Такими датчиками, как показал практический опьгг проделанных исследований, могут служить:

• измеритель диэлектрической проницаемости е, рабочей среды в потоке;

• измеритель электропроводности %

• прибор, регистрирующий концентрацию растворенного в рабочей среде кислорода С0г.

Если к данному времени приборостроительные предприятия серийно выпускают измерители концентраций растворенного кислорода в потоке типа АЖА, то приборов, фиксирующих е, и у! в потоке, пока нет. Поэтому в работе было уделено значительное влияние для разработки такого универсального датчика - прибора, позволяющего измерять динамику изменения этих двух характерных параметров, которые по своей физической основе являются более чувствительными при измерении химсостава и свойств рабочей среды по сравнению с типовыми рН-методами.

Поэтому первый раздел работы посвящен описанию инженерных методов расчета таких датчиков, являющихся входным элементом

типового моста регистрации сопротивлений и емкостей.

Поскольку основным типом источников питания рассматриваемых комплексов жизнеобеспечения биоорганизма в данной работе служит импульсный наносекундный генератор напряжения (ГИН) и тока (ГИТ), то искомые характерные параметры е, и у, оцениваются по изменению емкости ДС и полного сопротивления Ь.Ъ.

Основным элементом измерения служит диэлектрический патрубок стаканообразной формы, который монтируется в определенные технологические точки (зоны) схемы комплекса - на входе, на входе/выходе контролируемого элемента и на выходе комплекса. Внутри этого патрубка механически жестко закреплено два сетчатых электрода, ячейки которых таковы, что не вызывают заметного изменения как гидродинамического сопротивления транспортировки рабочей среды, так и турбулентности потока.

Практика показала, что для этого достаточно использовать стандартную сетку из нержавеющей стали при диаметре проволочек 0.6-Ю,8 мм с ячейкой более 1,2x1,2 мм2. Расстояние между сетчатыми электродами для оптимального режима должно быть больше 2,5 калибра.

В этом случае искомая емкость оценивается как:

С = в'е°5 ~ е'Б°5 = е'е° й ~ 2,58 2,5

или

2,5СХ

Е, =-

ео

где:

ео - диэлектрическая проницаемость; ео=8,85-10-12 Ф/м;

Сх - измеряемая емкость.

Поскольку наиболее чувствительной схемой регистрации е, служит дифференциальная схема регистрации С^СобПь где Сов -аналогичная по геометрии емкость с четко фиксированной рабочей средой, в качестве которой в работе используется дистиллят тройной перегонки с электропроводностью Уоб~3-10"7 Ом см.

Для оценки е, в работе используется резонансная дисперсия диэлектрической проницаемости по нормализованному выражению:

е. (со) = е, (°о) + у

Ч/О +(%о)

где.

е,(0) - квазистатическое или низкочастотное (1Ь=1 кГц) значение диэлектрической проницаемости;

е,(<») - предельное значение, оцениваемой по частотной дисперсии е, согласно рис.1.

Уравнения частот дисперсии действительной Б, и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости рабочей среды имеют вид:

где: я - диэлектрический заряд;

ш=к/©„ - коэффициент квазиупругой силы при частоте га0;

Праб - показатель преломления рабочей среды; N - амплитуда квазиупругой силы полимеризации или деформации основы рабочей среды.

Осуществляя при оценке зон вариаций е, и у, для каждого конкретного случая рабочей среды (атмосферного воздуха или водного раствора! из природного источника) не целесообразно оценивать составляющие этих параметров, то рассматриваемой ИИС использ}/ются выражения для комплексной (полной) диэлектрической

проницаемости е,:

в;=е(оо)+е'(0)~£-(оо)+-5^ 1 1 +^т

или удельной электропроводности у*

X* = х(») - Х(0О)~Х(0) + jcoe, (О)в(со), ^ют

где:

т«Тфр - время установления свободной составляющей при упругой поляризации при приложении рабочего напряжения в виде апериодического импульса с длиной фронта Тфр и длительностью

В случае рассмотрения в качестве рабочей среды водного раствора упругая поляризация возможна для двух типов концентрированных систем:

- слабо концентрированные или разбавленные водные растворы с концентрацией суммарных солей Се<150 мг/л;

- концентрированные растворы с Се в диапазоне 0,3<СХ535 г/л. Независимо от численного значения С£ для оценочных расчетов

при оценках е* и х* принимаются нормированные дебаевские функции дисперсных характеристик, как это показано на рис.2. Поскольку в качестве рабочей среды в рассматриваемых комплексах используется воздух и вода, то временные и частотные характеристики

е* и %* определяются по соотношениям Кремера-Кронига для квазиоднородных и гетерогенных (многослойных) рабочих сред.

Во всех рассматриваемых практических случаях жизнеобеспечения в заданном рабочем объеме диапазон температуры среды весьма узок и составляет всего 12°<Т<°28С (как для воздуха, так и для воды), то динамическое равновесие дисперсий е, и у, можно считать независимой от скорости транспортировки Это вполне оправдано для О]<10 м/сек.

Осуществляя контроль искомой емкости Сх. полную комплексную величину (по модулю) диэлектрической проницаемости определяем как:

кь

СобП,

0±ЛП),

А где:

Соб - значение образцовой емкости для е,(0)=80; П} - показатель моста; А - коэффициент масштабного перевода.

^ют)

0,5

ГОТ

Рис.2

Задаваясь границами зоны колебаний в числовых значениях искомой и контролируемой величины е, по отклонениям используемого нуль-органа (электронного осциллографа или монитора ПЭВМ с соответствующим АЦП определяется тип и вид исполнительного органа поддержания е,-сол&.

Глава 1. Разработка теоретических основ создания информационно-измерительной системы обеспечения управления комплексами жизнеобеспечения различного

назначения

Любой комплекс жизнеобеспечения заданного назначения включает в себя систему подготовки воздуха и питьевой воды с удалением шлаков жизнедеятельности человека в этом рабочем объеме при воздействии внешних электромагнитных, акустических и психоэмоциональных воздействий. Поэтому, в первую очередь, такая система должна способствовать антистрессовому воздействию на обслуживающий персонал при любом произвольном внешнем раздражителе. Главной составляющей антистрессового воздействия на биообъект в заданном объеме служит подаваемый в рабочий объем воздух, который не должен содержать ни токсичных или вредных составляющих, ни болезнетворных вирусов и бактерий и иметь повышенное содержание биооксидантов природного происхождения. Кроме того, такая система воздухоподготовки должна позволять

вводить в состав подаваемого воздуха искусственные оксиданты от биолара (нейропротектор) до всевозможных лекарственных препаратов. Одновременно с подачей в заданный объем воздуха с повышенным содержанием активного кислорода и электроотрицательных ионов кислородосодержащих атомов, молекул и радикалов необходимо обеспечивать этот объем не только гидратированными электронами при заданной влажности, но и воздействием акустических и световых волн в заданном диапазоне частот.

Следовательно, этапу проектирования подсистем с комплексами подготовки воздуха при наличии различных излучений предшествует традиционный метод математического моделирования ММ всех процессов воздействия на человека, помещенного в заданный объем.

Биоорганизм в структурном отношении представляет интегральную совокупность взаимодействующих физиологических органов и систем. При токсичном поражении организма происходит нарушение целостности, что и приводит к болезням, потере работоспособности и даже к летальному исходу. Поэтому ММ биоорганизма должна обладать свойствами целостности или интегративности всей цепи «мозг - сосуды - нервные пути - обмен -клетка» при любом внешнем или внутреннем воздействии.

Жизненные явления в ММ будем описывать по протекающим процессам в клетках и, в первую очередь, при синтезе и преобразованиях биополимеров в клетке любого организма при протекании главной реакции 02 С02 (вдох-выдох) в кислородном эквиваленте, т.е. в количестве необходимого мл Ог в единицу времени. Если этот эквивалент обозначить через W, то процесс жизнедеятельности в первом приближении можно представить как W(t), где t - время процесса обмена.

Известно, что для клетки, находящейся в покое или при сохранении целостности, W=W*=225-b250 мл 02/мин. При этом W*<300 мл.

Поэтому для ММ примем W*=Const. Тогда при ингибировании жизненных процессов (нарушение целостности, стресс, расстройство, и, наконец, болезнь) W снижается и при W=0 жизненные процессы прекращаются.

Согласно современным представлениям, клетка биоорганизма подвергается внешнему воздействию и влиянию самого организма, в котором эта клетка находится.

Количество в каждом моделируемом органе или количество клеток может быть описано множеством x=[xix2 х3... х„,]т. Внешняя среда, в которой находится рассматриваемый организм и из которой он для реакции 02 С02 черпает энергию, описывается соотношением:

v=[viv2v3... v,]1

где: vj - концентрация, например, кислорода в атмосферном (вдыхаемом) воздухе;

V2 - вещество, отравляющее или загрязняющее воздух; v3... v{ - другие характерные параметры среды;

Т - параметры атмосферного воздуха, включая: давление р (принимаем р=746 мм рт.ст. const), температура Т и влажность vy, которые изменяются в широком диапазоне.

Для ММ примем, что как внутренняя среда ш, так и внешняя £, определяется (характеризуется) базовыми векторами при т=4, т.е. в систему вводится четыре основных компонента:

xi - кислород (концентрация) в артериальной крови; х2 - кислород (концентрация) в тканях организма; х3 - общее количество шлаков как продуктов обмена, х4 - продукт, экскретируемый почками.

По мере необходимости в модель можно дополнительно вводить х5, хб и х7.

При этом принимается, что расход энергии во внутриклеточных процессах определяется биохимическими процессами, протекающими в клетке. Тогда уравнение баланса или равновесия в клетке определится как:

Я* ш ш

^ = £yJ1(xv)-£yJ,(xv)+Y10(xv)-Y0J(xv) « j-i и

npni = l,2...m

где: Ypq(xv) - потоки р-компоненты и q-ro параметра;

индекс «О» - покой;

р=1,2...m, q=l...mnpHp*q.

Yok=W* в некотором k-ом компоненте.

Согласно кинетики жизнедеятельности организма в обмене и транспорте кислорода участвуют только FL, FH, FP и FK-процессы, т.е. процессы дыхания, кровообращения, действие печени и почек, т.е. для действия внутренней среды при т=4

FS=[FSi, FS2, FS3, FS4]t=[FL-FH-FP-FK]k при соблюдении равновесия.

Поскольку рассматривается нелинейная ММ, то:

Yp^FpqiXV) (Хр - Xq),

Но нормально клетка функционирует только при сохранении баланса и стабильности (гомеостаз клетки), т.е.:

Р(х,):

О,если х, ¡£ х,аЬ5

ШШ

шил тЬвтт ^1аЬвтт ^ "тип

1» ее™ х1тт < х, < х1тах

1-(Х,

маЬвтш

*1тах ^ Х1 ^ *1аЬитах

о,если X, > х1аЫтах ,

т.е. функция процесса обмена или преобразования ¡-компоненты характеризуется графически функцией гомеостаза по параметру х,. как это показано на рис.3.

Поскольку в покое или при равновесии и у=у*, то условие

баланса или полного равновесия могут быть записаны в виде:

Лу Ш Ш

^ = £уч(xv*) - £ У,, (xv*) + у(xv*) - у р (xv *)

при ¡=1,2...т.

т

Х|т1п

гч

ХвЬ»т1п

Хьь*тах

X!

Рис.3

В условиях полного обмена = 0 и тогда

т т

£ "уу (xv*) + ую (xv*) = £у„(ху*) +у^(ху»)

при соблюдении равновесных концентраций всех продуктов обмена:

Х = Х* = [Х1Х2-ХтГ

или

Ум =Р^(Х*У*)-(Хр -X*). При отклонениях от равновесия х*х*,ум ^у^,, так как сЬс./ё^О.

Используя это правило для модели, получаем выражение

недостаточности кислорода, например, в артериальной крови:

м

FS, = FS10]~[F1(xJ).

i=i Н

Одновременно с этим произойдет и затухание жизнедеятельности:

м

W(t) = W*nF(x,(t)).

1-1

Но для человека:

- xi=xi*=100 мм рт.ст. (парциальное давление в артериальной крови);

- х2=х2*=75 мм рт.ст. - кислород в тканях;

- х3=х3*=100 % - количество шлаков печени;

- х4=х4*=100 % - количество шлаков в почках.

Для таких нулевых (начальных условий) уравнения баланса примут ввд:

/ ч

-^L = a,(y1-y2)

^ = a2(y2-W)

^ = a3(W-y3)

^ = a4(W-y4) . at

где:

y,=bi(v-x,)-FP FH=FHo-Fn-F2i.

y2=b2(x,-x2)-FP FP=FPo-F12-F22.

y3=b3X3-FL FK=FKo-Fi3-F23.

y4=b4X4-FK FL=FLo-F14.F24.

При равновесии FL=FH=FP=FK= 1 - Const.

Если принять, что вдыхаемый атмосферный воздух характеризуется v*=150mm рт.ст., то ai=500, а2=1000, а3=6,825 и а4=13,65. Тогда как bi=5, b2=10, b3=b4=2,5 при w*=250 мл Ог/мин.

Для такой ММ структурная схема будет выглядеть так, как приведено на рис.4 а, б, в.

При этом на рис.4 «а» приведена блок-схема ММ поддержания баланса действия внешней среды, а на рис.4 «б» - алгоритм управления характерными параметрами внешней среды: концентрацией кислорода C0j, озона С0,, диэлектрической проницаемости е, и электропроводимости у. На рис.4 «в» ин-формационная подсистема диагностики и управления (контроля) воздуха для

жизнедеятельности человека в заданном объеме при: 1 - анализатор сигналов; 2 - датчик е,; 3 - датчик С0 ; 4 - датчик контроля

электропроводности у,; 5 - компьютер для управления за генератором озона и кислорода; 6 - компьютер экспертной оценки; А - объект контроля, Б - передача информации «объект-сборник (банк данных)-анализатор»; 7 - командная система.

Разработанные подсистемы жизнеобеспечения по характерным параметрам внешней (х,) и внутренней (ypq) сред при выбранной архитектуре и заданному алгоритму при т=4 оценивается по двум параметрам:

- скорости реагирования;

- по минимальным экономическим затратам.

Поскольку характерные параметры х^тш, хЛ1П, ххпах и хиытах для функций F(x,), Fpq и FS оцениваются только на ММ для каждого рассматриваемого процесса, то на первом этапе (СО применяем дискретный закон X=(x„nm, х^). Y=(ymm, у™«) для ввода в ММ

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КОМПЛЕКСА

ПОДСИСТЕМА КОНТРОЛЯ

Г п

БАНК ДАННЫХ ПО X,

У

БАНК ДАННЫХ ПО У,

У

БАНК ДАННЫХ ПО Г„

ОПРВДЕ ПЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВОЗбИК ДЕНИЯ 01 От

ИЗМЕРЕНИЕ С;,;

Соэ Е,

У< х*

а)

б)

В)

Рис.4

Для простоты принимаем, что xrxl0+h, и y,=f(x,)+£„ где h, - шаг оценки для выбранной функции f(x,) и у=ср(х) при заданной погрешности h,=x,-xo.

Тогда для условного распределения Р(у/х0) принимаем:

Р(У,/Х<л)= IJy.Piy.AjP^.Ao.^.dy,

X у

при

a,(x0l) = f(x0l)- РСу^Хо,) bI(yo,) = [D(y./xo,)i'2

D(y,/x0l)= ff[y, -P(y,/x0l)|2P(yi/x1)P(x1/x0l>!xIdy ,

X у

Аналитические выражения для характерных выражений коэффициентов ab b„ Fpq и FS практически получены только для линейных математических моделей.

Для реальных систем и, в первую очередь, для генератора озона, основном зависимостью служит система уравнений'

fetcSH)=(m-l

2,71 _ 0,67 Ig ^ - 0,73 lg + 0,38 ln — 6 2b * 2b 2t

+ 0,26

о

где: Ec - закон распределения напряженности в электростатическом поле активной зоны генератора озона; Е0 -критическая напряженность на вершине коронирующего электрода радиуса Ro (напряженность «зажигания» короны); Ех =Е0 - для заданного р, Т, влажности при наличии ультрафиолетового излучения

Зе

в диапазоне 140<Я<,< 300 нм; =-1--коэффициент, зависящий

е, +2

от диэлектрической проницаемости е,; % - степень зарядки, эквивалентна коэффициенту использования поля; h=R-Ro - зазор между электродами; H - полная длина активной зоны ГО; Ip, jp -амплитуда и плотность разрядного тока; Uo, Uni - напряжение зажигания короны и рабочее напряжение на активной зоне; к -подвижность ионов (заряженных частиц), см2/в-с; m=UN/Uo -коэффициент перенапряжения; о - скорость продува воздуха и/или кислорода.

Для используемого ГО принимаем, что:

Используя теорию Дейча-Попкова и приведенную систему уравнений сильного поля в активной зоне ГО, находим методом линеализации выражения для а„ Ьь Ри и РБ.

ÛD 2

UNl =2,5Uo-0,25^-+ kh

Глава 2. Исследование и научное обоснование технических и технологических принципов построения ИИС

Примененная архитектура построения ММ процессов поддержания равновесия в организме человека на межклеточном уровне (см рис.4 «в») обеспечивает контроль за характерными параметрами жизнедеятельности клетки внутри организма при заданных характеристиках внешней среды. В такой клетке биоорганизма под воздействием собственного электрического поля протекают реакции обмена типа

6СО2+6Н2О СеНпОб + бОг, как это следует из схемы:

Внешние воздействия 02 + питание

►ТПН-Н (ферроксин в мембране)

НгО *=* Н*+ОН" —► (ОН) -А0Ф+ФЛ

О* » +

НгО

АТФ

При этом е - гидратированный электрон, поступающий извне при вздохе при наличии в атмосфере воздуха для заданных температуры и влажности ионов, возбужденных молекул и, главное, радикалов, образующих при наличии определенной концентрации озона

з

03 и мощного ультрафиолетового излучения.

1

При наличии в межтканевой жидкости ТПН-Н +АТФЮ2 происходит не только обмен СЬ-^^ССЬ, но и передача информации о характере всех химических реакций, протекающих на клеточном уровне строго в соответствии с записанной в ДНК и РНК программе обмена с целью поддержания полного равновесия, когда любая клетка находится в покое и и у=у*.

Промоделировать поведение биосистемы БС или создаваемую информационно-измерительную систему ИИС с целью поддержания необходимого для организма равновесия при минимальных энергетических затратах возможно путем анализа бизнес-системы, проиллюстрированной на рис.5.

По такой схеме БС «погружена» в рыночную среду, которая диктует как потребности, так и возможности при обслуживании биообъекта.

РЫНОК

& о

/»«г

Входные объекты

С-цепи

о 2

«о о

со

Я-ресурсы

Реинжиниринг

ВС

Выходные объекты

V.

Факторы влияния

производство

Л

ПАЦИЕНТ

Рис.5

Цели С! и факторы влияния Фь включая лоббистский настрой на данное время, определяют динамику БС. Приобретаемые на рынке входные объекты Рвх (в лице генераторов кислорода ГК и озона ГО, фильтры и контрольно-измерительные системы, включая компьютеризированные программы типа МиШР1и5 и ВоскОХЦеО устанавливают уровень расходов по статье финансовое положение основы БС. При этом стрелка Реинжиниринг определяет воздействие рынка на БС.

Поведение выбираемой БС, по аналогии с любой логической системой, определяется исключительно сценарием:

• это либо способ функционирования системы с известной или заданной архитектурой, представленной в виде последовательного выполнения отдельных запрограммированных работ (процессов или реакций), называемых операциями;

• либо способ достижения поставленных целей при минимальных экономико-энергетических затратах с учетом факторов влияния среды (потребность, настроение общества и, главное, медицины), в которую помещена БС.

Применительно к БС, различают сценарий деятельности (функционирования) системы и сценарий ее создания (инжиниринга) или перестройки (реинжиниринга) какой-то уже известной и апробированной системы, близкой по целям.

Для создания сценария необходимо в первую очередь произведен факторно-целевой анализ, т.е. на основе существующего рынка требуемых для достижения целей широкого внедрения лечения биооксидантами определить основные характеристические параметры-факторы, определяющие как выбор Программы лечения и

экономических затрат на ее реализацию, так и качественную сторону самого лечения. При создании новой или реконструкции известных, но близких по характеру БС, обычно возникает множество ситуаций, которые и определят развитие системы: новые достижения в разработке ГК, ГО, импульсной техники и спецклапанов аэродинамических потоков.

Операции как шаги сценария определяют или оценивают в абстрактном (А-сценарий) и структурном (С-сценарий) сценариях, как это показано на схеме рис.6.

На первом этапе операция работает с неструктурированными объектами без учета внутренней структуры (возможностей) объектов, преобразуя (варьируя) входные (по отношению к целям) объекты в выходные (например, концентрацию озона в смеси C0j с кислородом,

при напоре p0j - const и наоборот, на скорость и глубину

проникновения в эпидермис всей возможной гаммы лекарственных препаратов и т.д.). При этом, естественно, способ внутриоперационного преобразования не раскрывается, т.е. операция производится и трактуется как «черный ящик».

А-СЦЕНАРИЙ

Динамическое оделирование на

основе А-СЦЕНАРИЯ

1 1

3 - С-СЦЕНАРИЙ

* 1 Динамическое —моделирование на основе С-СЦЕНАРИЯ

Рис.6 Методология моделирования поведения БС.

Для С-сценария уже рассматривается определенная внутренняя структура объекта (принимается, например, заданная проницаемость мембраны и распределение парциальных давлений по элементам преобразования переходов 02->С02). Эти свойства объекта описываются набором определенных свойств-атрибутов (скорость преобразования 03+02=>0-»получение АТФ-»усвоение О клеткой -»получение энергии и т.д.). При этом объекты системы

проходят в операционном блоке через ряд состояний; иными словами, объекты проходят в некотором пространстве «жизненный цикл». Удаление объектов из класса и введения их в новый класс сопровождается изменением состава их атрибутов (характеристик), которые могут наследоваться (переноситься из предыдущего класса), уничтожаться и/или порождаться. Объект с другим (отличным) составом атрибутов - уже новый объект, «живущий» в другом классе. Следовательно, межоперационные связи как в А-сценарии, так и в С-сценарии отображают не передачу управления БС, т.е. порядок следования операций, а передачу и преобразование самих объектов в системе.

Операция характеризуется «операционными» целями (факторами), которые могут, как совпадать с целями сценария в целом, так и вводиться специально для данной операции. При методологическом моделировании вначале выполняется факторно-целевой инжиниринг или реинжиниринг, т.е. ситуационный анализ собранного банка данных и только после этого формируется в сеть Петри и проводится аналитическое или/и имитационное моделирование этой сети. Если при этом выявляются некорректности сети (ошибки, допущенные А-сценарием), то их исправляют до тех пор, пока результаты не будут удовлетворять экспертов.

Далее А-сценарий преобразуется в С-сценарий с учетом структуры объектов и имеющихся ресурсов и только после этого переходят к имитационному моделированию.

Поэтому, в первую очередь, для БС необходимо создать А-сценарий, строго увязанный с поставленными целями при учете всех факторов и их отклонений, связанных в табл.1. Для этого необходимо четко установить связи между целями и факторами, которые обычно отображают на факторно-целевой диаграмме, как это показано на рис.7, для одного из возможных (простейшего) случаев: для обслуживания заказов на процедуры.

Полученные при моделировании базисные факторы Х„ характеризующие состояние комплекса для лечения биооксидантами, необходимо «свести» в табл. 1.

№ п/п Обозначение фактора Наименование фактора

1 X! Расширение рекламы: газеты, плакаты, радио и телевидение.

2 Х2 Взаимодействие с клиентом по принципу Интернет-магазина

3 Х3 Рыночная репутация организации (салона, клиники) и рынка лекарств

4 Х4 Непрерывное планирование производства и автоматизация процедур

5 Х5 Улучшение характеристик исполнения процедур

6 Хб Усовершенствование синтеза озона за счет импульсно-частотного источника

7 х7 Обслуживание процедур безыгловой инъекции компьютером

8 X. Применение новой техники

С, - увеличение числа клиентов

ш

Сг - сокращение времени обслуживания

С3 - лучшее качество установок

X

Сц-за Си-» С13-М С21-« Си- Сз1-за Сэ2 - за

счет счет счет счет время счет счет по-

рекламы дол услуг рынка лекарств •р«мни чхчмда экспозиции лучших ГО вышения напора

(*) © (2) @ (*) £) ©©

Рис.7

При этом факторы Х1 ...Х8 имеют как качественное, так и количественное выражение. Поскольку используемые факторы имеют различное операционное разделение, то их действие характеризуется данными, представленными в табл.2.

При составлении табл.2 принимается, что управляющими факторами БС являются только те из характеристических параметров системы, которые могут быть управляемыми (регулируемыми) оператором, а целевые, определяемые состоянием техники и показаниями рынка.

№ п/п Обозначение фактора Тип фактора: целевой или управляющий Начальная тенденция Х,(0) Вес фактора W,

1 X, управляющий +0,3 слабо возрастающий 0,15

2 Х2 управляющий 0 практически неизменный 0,11

3 Х3 управляющий +0,3 слабо возрастающий 0,12

4 Х4 управляющий +0,3 слабо возрастающий 0,07

5 Х5 управляющий 0 практически неизменный 0,05

6 Хб целевой -0,3 слабо убывающий 0,23

7 Х7 целевой +0,5 умеренный рост 0,17

8 х8 целевой -0,7 сильно убывающий 0,10

Для оценки стратегии развития системы, согласно заключению, принимаемому экспертами, обычно считают, что:

• Si - наблюдается саморазвитие, т.е. практическое сохранение порядка функционирования всех X,;

• - развитие системы происходит при доминировании одного или нескольких факторов, например, новых достижений в области получения озонокислородных смесей и/или более четкого импульсного (по времени) внедрения такой смеси;

• S3 - развитие происходит только за счет прикладных работ как развитие компьютеризированных программ типа MultiProgram или МсСар, обеспечивающих сокращение (по времени) процедур с экономией (естественно) затрат электроэнергии и лечебных препаратов;

• S4 - развитие происходит благодаря увеличению долей всех факторов по строго сбалансированному развитию.

При таком сценарии развития БС вектор управления

u(0)=[xi(0)...........х5(0)] определяется только стратегией развития S,

при i=l, 2, 3 и 4.

Если развитие происходит только по стратегии Si, то тенденция считается const. При S2 - когда основными факторами служат Х2, Х3 и Х5, то тенденция развития имеет сильное возрастание. Если определяющей служит стратегия S3, то развитие может и не произойти. Стратегия S4 обеспечивает плавное развитие. Все это отображается во взаимодействии факторов Xj ...Х8, приведенном в

когнитивной карте в виде матрицы Гамильтона (табл.3).

Заполнение клеток матрицы отображает только субъективное мнение экспертов об усилении (знак +) или сдерживании (знак -) влияния фактора X, (обозначение строки) на X, (обозначение столбца) по степени этого влияния на всю БС. Таким образом, данные табл. 16 отображают качественную картину развития моделируемой системы при основном допущении, что максимальный рост влияния не превышает, например, 70% или другой величины.

Таблица 3

№ п/п X, XI Х2 Х3 Х4 х5 X« х7 х8

1 X, +0,1 +0,2 +0,5 +0,7

2 х2 +0,1 +0,1 +0,3 +0,5

3 Х3 +0,3 +0,1 +0,1

4 х4 +0,3 +0,3 +0,3

5 х5 +0,5 +0,1 +0,7

6 Х6 +0,5 +0,3 +0,1 +0,3 +0,5 +0,5

7 Х7 +0,9 +0,3 +0,1 +0,3 +0,7

8 Х8 +0,5 +0,1 +0,3 +0,7

Для оцифровки выбранной тенденции развития системы необходимо знать (обычно задаются) начальные значения всех факторов, как управляющих, так и целевых, для установленных выше стратегий развития Б,. Такие данные представлены в табл.4.

Данная карта и принятые начальные Х,(0) для различных стратегий Б, при прямом моделировании на интервале (шаг) прогнозирования [0,5], соответствующий первому году действия БС, позволяют оценить конечные тенденции изменения факторов Х,(5), числовые значения которых представлены в табл.5.

Таблица 4

Начальные тенденции изменения факторов_

№ п/п Тенденция Х,(0) Стратегии

82 вз

1 Х,(0) +0,3 +0,3 +0,7 +0,5

2 Х2(0) 0 +0,7 +0,3 +0,5

3 Х3(0) +0,3 +0,7 +0,3 +0,5

4 ХДО) +0,1 +0,3 +0,7 +0,5

5 Х5(0) 0 +0,7 +0,3 +0,5

6 Хб(0) -0,3 -0,3 -0,3 -0,3

7 Х7(0) +0,5 +0,5 +0,5 +0,5

8 Х*(0) -0,7 -0,7 -0,7 -0,7

Выбор оптимальной стратегии развития рассматриваемой системы проводится по критерию:

->тах,

Х,е(х6,х7,х8)

где: <1у - конечная тенденция ¡-того целевого фактора при .¡-ой стратегии: ¡=6,7, 8 и ¿=1,2, 3 и 4.

Полученные значения (по максимальному значению 0(8,)) определяют стратегию, которую необходимо использовать далее для широкого внедрения методов лечения на базе биооксидантов с модернизацией внедрения 03+02.

Из приведенных данных следует, что при принятых условиях оптимальной стратегией для рассматриваемой БС будет служить Бз (см.табл.11).

Таблица 5

Конечные тенденции изменения факторов_

№ п/п Тенденция Х,(5) Стратегии Вес фактора

8, 8, в4

1 Х,(5) 30,35 38,34 61,50 50,00 0,15

2 Х2(5) 0,04 14,90 7,60 11,20 0,12

3 Х3(5) 0,27 27,00 13,65 20,30 0,11

4 ХХ5) 24,40 29,00 48,40 38,70 0,07

5 М5) 3,20 34,40 21,40 27,90 0,05

6 Х*(5) 6,50 49,80 33,70 41,15 0,23

7 Х^5) 33,62 44,60 69,20 56,90 0,17

8 31,00 52Д0 72,00 65,15 0,10

9 ОД) 71,1 152,6 175 164

Напомним, что окончательный вариант развития БС по факторам и стратегии будет принят только после расчетов всех вариантов матрицы факторов {Х,-ХД. 11

Другим методом моделирования БС служит способ сетей Петри*

Метод - сети Петри - формальный инструмент операционного «

моделирования системы

Операционную модель организационной системы обычно формируют в виде совокупности скоординированных между собой моделей отдельных процессов, представляемых сетями Петри (любой модификацией графами (направлениями и взаимосвязями) операций). Ввиду этого рассмотрим кратко принципы анализа сетей Петри, позволяющие установить корректность (с заданной достоверностью) функционирования процессов. Поскольку сам метод Петри подробно изложен в монографии Дж.Питерсона «Теория сетей Петри и моделирование систем», М.:Мир, 1984, то остановимся лишь на двух

наиболее часто используемых и взаимодополняющих методах, которые для нашего конкретного случая существенно упрощают анализ в целом.

1. Процедура определения условий конкретности сети Петри -отсутствия тупиковых ситуаций и ловушек (условие «живости» системы) и запрет на помещение в позицию (в данную операцию) более одной метки (условие «безопасность»). Этот метод предполагает построение «дерева достижимости», представленного в линейной табличной форме с соответствующей маркировкой. Это упрощает (переход от «дерева достижимости» к «ленте достижимости») как процедуру анализа, так и требования к компьютерному построению модулей сетей.

2. Преобразование (редукция) сети Петри за счет удаления из нее заведомо корректных типовых фрагментов, осуществляемое итеративно, пока такие фрагменты выделены. В этом анализе => отсутствие «остатка» говорит о корректности принятой сети. При этом исходная сеть Петри корректна тогда, когда корректна редуцированная сеть.

Структура сети Петри определяется как двудольный ориентированный граф: вершины граф, вершины которого разбиты на

два подмножества Р = {рх, 1 = 1,2,..л} и Т = j = 1,2...к}, а смежными

могут быть лишь вершины из разных подмножеств, в котором вершины р, подмножества Р называются позициями и изображаются кружками, а вершины ^ подмножества Т, называемые переходами, изображаются вертикальными черточками. Количество маркеров в позиции р„ называемое ее маркировкой, выражается целыми, неотрицательными числами т,. Наборы МГ=(Ш1, ш2... т,,), к=0, 1... N -определяют маркировки сети в целом. Начальная маркировка сети Петри обозначается Мо. На рис.8 приведен пример структурной сети Петри с начальной маркировкой Мо=(1,0,1,0).

Рис.8

Данный пример взят из монографии Дж.Питерсона как наиболее приемлемый (близкий) для рассматриваемого случая БС.

Данный метод по сравнению с предыду щим более наглядный, но требует как выбора целей поиска, так и оптимальных сценариев взаимодействия многофакторной системы. Для ответа на эти вопросы выстраиваются эпюры основных этапов (процедур) целеполагания (выбор) и иерархию «цель-подцель», представленные на рис.9 «а». Ранжирование методом анализа иерархий базируется на попарных сравнениях. Рассмотренную «ленту достижимости» при детализации процедур целеполагания для каждого из этапов можно представить в виде иерархии «цель-подцель», приведенной на рис.9 «б», где содержание глобальной цели и подцелей выделено в табл.6.

Все это позволяет для конкретных X, и XJ найти пути реализации глобальной цели - достижения намеченного уровня прибыли.

Но на практике, когда на рынок услуг приходится «пробивать» совершенно новые технологии, основным уже служит не решение прямой задачи, рассмотренной выше, а так называемой «обратной задачи». Примером этому может служить широкое внедрение в России и с странах ближнего зарубежья метода ВоскЮхуй по усовершенствованной схеме. Иерархия этой обратной задачи приведена на рис. 10.

а)

б) Рис.9

Таблица 6

Содержание глобальной цели и подцелей

№ п/п Обозначение Содержание

1 Со Увеличение прибыли

2 с. Снизить стоимость процедур

3 с2 Улучшить качество обслуживания

4 Си Снизить себестоимость затрат на биооксиданты

5 Си Повысить рыночный спрос

6 с21 Улучшить дизайн

7 С22 Улучшить характеристики: ГК - до 98%, 02 при ршах=0,3 МПа: ГО - С0з -150 Юз/м3 при р=0,15 МПа. Режим подачи импульса ЛТ=0,2+2 сек.

8 С2з Улучшить гарантийный срок эффекта

9 с, 11 Снизить расходы на электроэнергию

10 С, 1 2 Внедрить новые технологии нанесения препаратов

11 С, 1 з Усовершенствовать управление и организацию труда в компании

12 С, 2i Увеличить расходы на рекламу

13 Cl 2 2 Добиться преимуществ перед конкурентами

14 с211 Ввести в группу разработчиков профессионалов высшего класса

15 C22i Увеличить затраты на НИОКР

16 C23i Создать собственные сети сервисных центров

17 с232 Осуществление сервисного обслуживания через другие фирмы

БодеОксиДжет Новая технология

Нанесение лечебного препарата вручную автоматически: при р02>0,2 МПа

Время действия до 15 мин. до 1 мин.

Количество наносимого препарата один проход о~0,1 см/с любое число

Глубина проникновения 0,2-5-2 мм любое

Подготовка зоны обработки - снятие макияжа, грима, пудры»; -промывка; -просушка. обработка «мертвой» водой с рН<4 - нет; - нет; -автоматически -озонокислородной струей.

Область применения только косметические салоны - салоны, кожные клиники; - ожоговые центры, больницы; -МЧС.

кпд менее 40% -95%

Энергетические затраты 1 кВт ~0,6 кВт Автоматическая подготовка лечебных эмульсий, гелей, живой и мертвой воды. Очистка воздуха помещений. Полная стерилизация. Отказ от автоклавов.

Серийный выпуск В01 Германия Затраты на НИОКР

Оз-гель Франция Затраты серийного производства

Контроль престиж фирмы-производителя Полный контроль по С0з, по ОН и HmOm

Закупка изделий. Гарантия -паспорт. Патент. Лицензия для БиоПрома.

о

Кож. клиника I I Ожоговый центр

I I Магазин-Аптека

-> • » •

Рис.10

Глава 3. Измерительно-информационная система контроля и управления комплексами жизнеобеспечения объектов различного назначения

Для поддержания эксплуатационной надежности предложенных комплексов жизнеобеспечения объектов использовалась многофункциональная информационно-измерительная система ИИС контроля и регулирования, принципиальная схема архитектуры которой приведена на рис. 11.

Данная схема регулирования применима как для всего комплекса жизнеобеспечения объекта, так и его отдельных подпроцессов: воздух, вода, питание, топливо и т.д.

Рис. 11 Блок-схема прогнозирования взаимосвязанных или зависимых характеристик регулирования, приведенная на рис. 12.

Рис.12

Для каждого ^го канала регулирования характеристического параметра комплекса жизнеобеспечения применены как типовые логические устройства и электронные коммутаторы, так и системы автоматического регулирования САР со стандартными микропроцессорами МК, позволившие использовать типовые системы автоматического преобразования информации, снимаемой с датчиков -САПИ.

При этом каждый канал регулирования и контроля построен по

задаваемым передаточным функциям (р) = Р*7^) >

1 + 1/2рР

• ш стт\ _ кв

= Т+рг^' ^(и) =

^ос = КП +

И-рРБ, 1+рМ(1)

К,р

1+рМ2

где: р - оператор системы; К, - коэффициенты масштаба и шага регулирования.

Все это позволило поддерживать на выходе комплекса неизменность характерных параметров любое по длительности время.

Глава 4. Электронно-ионная технология для получения экологически чистого и лечебного воздуха

Исследования последних лет показывают, что атмосфера нашего обитания представляет собой многокомпонентную смесь, которая содержит множество вредных микропримесей, относящихся к химическим соединениям различного класса. Наша атмосфера не является изотропной субстанцией, ее параметры и состав постоянно изменяются, вследствие чего концентрации вредных микропримесей (ВМП) варьируются в широких пределах, отличаясь на несколько порядков. Замечено, что концентрации водорастворимых ВМП изменяются, подчиняясь определенным физико-химическим закономерностям.

При воздействии на атмосферу важнейшим служит то, что при этом такие примеси не должны превышать критического уровня. К таким примесям, в первую очередь, относятся аммиак, спирты, альдегиды, китоны и жирные кислоты. В табл.8 приведены числовые значения вредных микропримесей, выделяемых в атмосферу за сутки. Приведенные данные показывают, что:

- наибольший вклад во внедрение ВМП в атмосферу воздуха составляют углеводороды и ряд кислородосодержащих элементов;

- максимальная скорость внесения ВМП наблюдается для диэлектрических элементов рабочей среды из-за эффекта трибозарядки;

- в современном воздухе в зоне проживания человека катастрофически не хватает активного кислорода.

Для очистки воздуха в объектах обитания достаточно иметь приточно-вытяжную вентиляцию, в которую, согласно рис.13, монтируется система с эжектированием озоновоздушной смеси с мощным ультрафиолетовым излучением. На рис.14 представлены данные, полученные при нейтрализации или конверсии различных органических соединений в активной зоне действия используемого ГОФ и в зоне смешения озоносодержащих с очищаемой атмосферой при использовании различных режимах работы генераторов озона. Приведенные данные показывают, что предложенный метод конверсии токсичных и просто органических соединений позволяет осуществлять доокисление и преобразование органики при весьма малых затратах энергии. Кроме того, эти данные позволяют объективно оценить эффективность прямоточных химических реакторов при вариации методами синтеза озона (использование барьерного и факельного разряда) при различных разрядных режимах. Полученные данные позволяют дать и ответ на механизм деструкции галоге носодержащих углеводородов при формировании озонового слоя в атмосфере и количественно оценить его (слоя) влияние на механизм воздействия фреонов.

Таблица 8

Вредные микропримеси атмосферы и скорости их выделения _(мг/сут)_

№ Вредные микро- ВМПот ВМП из ВМП,

п/п примеси антро- неметал- выделяемые

погенной лических при работе

природы материалов

1 Этанол 42,2 829,4 -

2 Изобутанол 115,0 -

3 Метанол 7/> 111,2

4 Бутанол - 1109,1 -

5 Пропанол - 4,0 -

6 Ацетальдегид 4,0 7,7 0,6

7 Бензальдегид - 1,8 -

8 Ацетон 28,5 673,3 -

9 Мэк 4,8 601,6 -

10 Акромин - 613,3 0,6

И Бензол - 4,3 -

12 Этилбензол - 29,1 -

13 Ксилолы - 708,0 -

14 Толуол - 216,2 -

15 Циклосилоксаны - 18,9 -

16 Дихлорметан - 219,3 -

17 Хлорбензол - 198,4 -

18 Этилацетат - 59,3 -

19 Пропил-ацетат - 93,6 -

20 Уксусная кислота 31,5 13,5

21 Водород 205,5 2000

22 Аммиак 30,0 0,9 55

23 Бутил-ацетат - 151,7 -

24 Окись углерод 565,0 265,4 2,0

25 Метан 800,0 54,4 -

26 Алканы С5-С 8 76,5 57,6 55

Эти данные подтверждают, что основным способом деструкции фреонов служит метод «прогона» его через камеру смешения струйного аппарата с эжекцией озоновоздушной смеси. Поскольку энергия диссоциации фреонов меньше энергии, выделяемой при прилипании электронов, то каждый высвобождаемый при озонолизе электрон приводит к диссоциации молекулы фреона.

6 4 5 8

Рис.13

90 ■

00-

70-

60

50

40

30

20

10

л. ( сг г * \

1 ) 4г

// ц £ & • 1 1

VI..... <1/ * . к. ■

л к д 1 а

/ д 1 ■ У ] 1

// •кг' 1 и? !

и & ■ 1 г рг и А 1 1

4 1 - \ а, г 41

■ а 4 1»«Н|«мН 8 г-в"*1 о 1 1

1р. иА

0.2 0,4 0,6 03 1

О 4' барьерный разряд * -4- факельньй разряд

□ эг- барьерный разряд ■ 3- факельный разряд

л 21- барьерньй разряд факельный разряд

■ о Г- барьерный разряд -4-1- факельный разряд

Рис.14. Зависимость степени конверсии (удаления или преобразования) различных органических соединений, находящихся в воздухе клиник и больниц, от разрядного тока очистителя (1р в ПХР при 1>20 мА) для двух форм разряда (барьерный и факельный): 1,1' -ацетальдегид, толуол, этиловый спирт, жирная кислота; 2,2' -этилацетат; 3,3' - ацетон; 4,4' - метан.

А это, в свою очередь, подтверждается зависимостью коэффициента конверсии органики от силы разрядного тока, предопределяющего концентрацию свободных электронов.

Это четко прослеживается как при конверсии тетрафтордибром этана (C2F4B2), так и дихлордифторметана (CC12F2). Для оптимального режима скорость превращений превышает 5-Ю*9 молекул /сек см3.

Аналогичные данные получены при конверсии от N02 до N205, концентрация которых на выходе из реактора находилась в диапазоне 0,3+0,4 мг/м3, т.е. на несколько порядков ниже требований СанПин'а

Несколько меньшая скорость (т.е. требование большей экспозиции) конверсии наблюдалась при воздействиях на NH3.

Нами впервые установлено, что при неизменной концентрации внедряемого озона C0j =18 г/м3 (для озоновоздушной смеси) с ростом

концентрации ВМП практически пропорционально растет и концентрация Смс* и для 95% ее конверсии требуется экспозиция несколько большая 1 сек (1,23 сек.).

В табл.9 приведены данные по удалению ВМП из атмосферного воздуха предложенным методом интенсивного озонирования при наличии мощного ультрафиолетового излучения.

При штатной скорости прогона очищаемого воздуха, при расходе в 20 м3/час и длине активной зоны около 1000 мм (экспозиция воздействия составляет 1,5 сек.) доверительный интервал конверсии составлял 95% при степени очистки от 85% до 100% при точности ±0,01мг/м3 очищаемого соединения.

Проведенные опыты позволили определить необходимую электрическую энергию, внедряемую в процесс синтеза и диссоциации, по найденному аналитическому соотношению: W3=Co3QBT(l-kB)x,

где:

r=t - время экспозиции, час;

Ов - расход очищаемого воздуха, м3/час;

Т - рабочая температура; кв - коэффициент рекуперации тепла в активной зоне.

Для оценок принимаем 1^=0,55 и тогда W3=0,45 C0jQ„T t.

Следовательно, для заданного рабочего объема контроль внешней среды можно свести к четырем контролируемым характерным параметрам- W3. QB, Coi и экспозиции процедур (длительности работы объекта в данном объеме) t.

Таблица 9

Результаты работы плазмо-озонокаталитических реакторов для удаления ВМП из атмосферного воздуха

№ Микропримеси очищаемого воздуха Входная концентрация С; мг/м Выходная концентрация С Степень очистки

1 Метанол 12,4+0,2 0,1 99,2

2 Этанол 41,6+0,2 След. 100

3 Бутанол 11,8+0,3 нет 100

4 Пропанол 9,6+0,1 нет 100

5 Ацетальдегид 30,0+0,3 нет 100

6 Формальдегид 8,1+0,2 след 100

7 Эгалацетат 41,5+0,3 0,12 99,7

8 Ацетон 7,4+0,5 0,08 99,0

9 Метилэтилкетон 14,2+0,2 След. 100

10 Бензол 6,8+0,3 0.01 99,8

И Толуол 15,6+0,2 След. 100

12 Ксилол 17.3+0.3 нет 100

13 Этилен 8,6+0,1 1,3 84,9

14 Гексан 10,4+0,2 0,32 97,1

15 Фреон-218 10,8+0,3 2,13 80,3

16 Аммиак 92,5+0,4 0,01 99,7

17 Окись углерода 12,5+0,2 След. 100

18 Метан 630+12 4,2 99,3

19 Суммарная концентрация (без метана) 286,7+3,6 4,10 98,6

20 Е(полнота примесей) 916+5,1 4,0 98,7

Глава 5. Автоматизированная информационно-измерительная система (ИИС) контроля и управления комплексами жизнеобеспечения

Для обеспечения работоспособности предложенных комплексов, оптимальные режимы которых определяются многими взаимосвязанными параметрами, было необходимо, в первую очередь, разработать систему (ИИС) за контролем и управлением этих характерных параметров при условии вариации входных параметров для поддержания, длительно (многие сотни часов непрерывной работы) выходных показателей, определяющих товарное качество и состав. Кроме того, такая ИИС должна быть такой, чтобы на

результаты ее работы не оказывалось воздействие со стороны операторного персонала. Естественно, что такая система, как по своей архитектуре, так и по своему элементному обеспечению должна содержать (состоять) из уже отработанных и широко используемых блоков и элементов.

Принципиальная схема такой ИИС для одного строго определенного канала управления, например, комплекс для получения питьевой воды, имеет вид, представленный на рис.15.

Рис.15

Принципиальная схема регулятора j-ro канала приведена в стандартных обозначениях на рис 16.

Здесь в качестве примера приведена регулировка интенсивности факельного разряда в активной зоне генератора озона ГО при поддержании Q0j -const (вариация напором ср) и изменение рабочего

тока 1р при заданном уровне выходного напряжения Uon в режиме предпробоя с изменением Un(En) путем изменения ф, и Um-

Рис.16

В этой схеме передаточные функции основных характерных параметров регулирования и контроля определяются по соотношениям:

и/ _ Км(1-рТм) _

1 + 1/2рТм •"«-иП'

Wn=-

Кг

-,Wr=Kn+.

Kfp

1+pV ' " 1+pTj ' где: Кп=КР+Кув+КЕ+Кг+Кн, KP=Kf при Т0г -const; р - оператор

системы; Z, - мультипроцессор с заданной характеристикой изменения параметра; Т„ Н, В, Е - индексы процессоров фиксации, регулирования, запоминания информации по температуре, расходу, напряжению и рабочей напряженности регуляторов; А - матрица весовых коэффициентов; САР - система автоматического регулирования мультипроцессорами регуляторов; САГТИ - система автоматического преобразования информации.

На приведенных схемах сами микропроцессоры регуляторов и датчики съема сигналов не показаны. Отметим только, что для повышения точности фиксируемых параметров каждого канала из-за существенной взаимосвязи регистрируемых параметров каждого канала комплекса в рассматриваемой системе применен метод

использования дифференциальных сопоставлений логическими элементами с применением сумматоров и семистеров.

Поскольку для большинства каналов контроля и регулирования применяется электропотенциальный метод, то в этих каналах используются электропотенциальные преобразователи на базе типовых САПИ с фиксацией через АЦП измеряемого параметра. Поэтому блок-схема алгоритма измерения такого параметра по дифференциальной схеме (съем сигнала с двух датчиков на входе и выходе конкретного элемента или блока) имеет вид, показанный на рис.64. Для достоверной и объективной оценки фиксируемого параметра по принятому алгоритму было необходимым осуществить модификацию электронных блоков XV, и разработать математическое обеспечение переходов f=>ф и, например, иоп=>1р используемых каналов ИИС. Для этой цели в качестве использовался интерфейс с 118-232. 1

Соответствующий алгоритм статистической обработки регистрируемых данных и априорной информации о возможной динамике их изменения учитывал за счет встроенной библиотеки алгоритмов обработки типа ЫВБТАТЕРМ, имеющей разделы:

- типовые функции в виде первичного преобразования ТТ_1ЛВ_ЕРМ;

- оценка систематической погрешности Е ОБР^ЕРМ;

- оценка квадратичной погрешности О А8КР_ЕРМ;

- алгоритм нелинейности взаимосвязи характерных параметров при неизвестных дисперсиях 8МЪ_М)_ЕРМ;

- линеализация характеристик на входе и выходе канала по Я8Ь_Ш_ЕРМ.

Для эффективной работы интерфейса ЛЯ с библиотекой была разработана методика построения функций от доминирующих факторов. Представленная на рис.17 последовательность операций оказывается реализуемой только при условиях строгой стабилизации ,

расхода 0в(0о2) и его химического состава, что вряд ли возможно в >

реальных условиях жизнеобеспечения при постоянном изменении как внешних условий, так и физико-химических свойств исходной среды: атмосферного воздуха или исходной воды. с

Поэтому в предложенной ИИС приходится прогнозировать возможную вариацию этих условий, вводя специальные блоки и каналы для таких сложных многофункциональных комплексов, какими являются установки выработки воздуха и питьевой воды с наперед заданными свойствами. Используемая при этом блок-схема прогнозирования характеристик комплекса жизнеобеспечения заданного объекта имеет принципиальный вид, изображенный на рис.18.

Такой способ учета и корректировки взаимосвязи характерных параметров позволил окончательно выбрать основы используемой

ИИС, принципиальная схема блок-схемы которой представлена для оптимального режима (по ЭЗ) для главного или основного канала контроля и регулирования в прогнозируемом диапазоне возможного изменения во времени всех основных параметров процесса. Такая блок-схема приведена для случая получения питьевой воды высшего качества для объектов с ограниченной производительностью по объему получаемой продукции.

Проведенные многочисленные исследования как на лабораторных макетах и полномасштабных моделях комплексов, так и на промышленных объектах, полностью подтвердили жизнеспособность разработанной ИИС.

Рис. 17 Блок-схема алгоритма перехода иоп=>1Р канала Г-хр, и-м(0.

ПРОГНОЗИРУЕМЫЙ ОБЪЕКТ

Рис.18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

A. В результате проведенных исследований, теоретических и конструкторских разработок создана автоматическая информационно-измерительная система (ИИС) для контроля и управления за техническим состоянием комплексов жизнеобеспечения рабочих объектов при различных состояниях и назначениях.

Б. Основой ИИС является измерительный комплекс, состоящий из стандартных измерительных элементов, блоков и приборов, управляемых с помощью компьютеризированных программ без какого-либо вмешательства оператора.

B. В результате многолетних и многочисленных исследований по разработке и внедрению различных датчиков и приборов по контролю, мониторингу и диагностике за состоянием систем жизнеобеспечения, можно сделать следующие выводы:

1. Теоретически обоснованы и реально подтверждены способы и методы контроля за характерными параметрами воздушной среды по динамике изменения диэлектрической проницаемости е, и электропроводности у, с учетом ионного и водородного чисел в потоке работах сред.

2. Обоснованы принципы измерений, разработаны, созданы и прошли промышленную проверку генераторы озона, способные работать как на атмосферном воздухе без какой-либо его обработки, так и на техническом кислороде.

3. Обоснован и практически подтвержден метод изготовления высоковольтных источников питания в виде генераторов импульсных напряжений (ГИН) и тока (ГИТ) с наносекундными характеристиками, работающий в регулируемом частотном режиме.

4. Доказано, что оптимальным режимом работы ВИИЭП служит одновременный резонанс напряжения и тока по частоте межмолекулярных связей заданного химического соединения рабочей среды (по токсичным компонентам).

5. Разработаны и внедрены компьютерные программы для мониторинга состояния биообъектов различного назначения.

6. Разработана и внедрена инженерная методика построения и наладки комплексов очистки, обеззараживания и активации воздуха.

7. Разработаны научные основы измерения в потоке диэлектрической проницаемости и электропроводности водных растворов.

8. Отличительной особенностью созданных комплексов жизнеобеспечения объемов служит их полная автономность и экологичность при работе в режимах энерго- и ресурсосбережения.

8.1. Созданные комплексы жизнеобеспечения биообъектов работают при любых климатических условиях и не зависят от расположения.

8.2. Необходимым условием их работоспособности служат: - Наличие приточно-вьпяжной вентиляции;

наличие любого природного источника воды.

8.3. Первичным источником энергии может быть любой существующий к данному времени преобразователь.

Г. Теоретически обоснованы и экспериментально доказаны возможности работы ИИС при любых режимах работы самого объекта

Д. Предложенные комплексы, помимо основного назначения, могут быть использованы в медицине, биопромышленности, фармакологии и косметологии.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. A.B. Андреев. Многокомпонентная математическая модель управления сложными организационными системами. // Автоматика и телемеханика. - 2002. - №4. - С. 34.»

2. A.B. Андреев. Автоматизированная информационно-измерительная система (ИИС) контроля и управления комплексами жизнеобеспечения. // Приборы и системы. Управленияе и контроль. - 2003. - №3. - С. 17.

3. A.B. Андреев. Экологически чистые окси-импульсные технологии.// Экологические системы и приборы. - 2004. - №7. -С.9.

4. A.B. Андреев. Новые методы получения устойчивых водомасляных эмульсий.// Элекгро. - 2004, - №3. - С.36.

5. A.B. Андреев. «Живая» вода в косметологии, фармакологии и терапии.// Инженерная физика. - 2004. - №4. - С.44.

•l

« h

í-3130

РНБ Русский фонд

2006-4 5511