автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Система подготовки и проведения электрофизиологических экспериментов в гибких системах автоматизации научных исследований

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ЛЕНИНГРАДСКИЙ ИНСТИТУТ ИНФОРМАТИКИ И АВТОМАТИЗАЦИИ

На правах рукописи

СУРМА

Сергей Викторович

УДК 681.3

СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ И ПРОВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В ГИБКИХ СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.13.16 — ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ, МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЛЕНИНГРАД 1990

Работа выполнена в Ленинградском институте информатики и автоматизации АН СССР.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор А. Н. ДОМАРАЦКИЙ

Официальные оппоненты: доктор технических наук О. А. ШМЫКОВ кандидат технических наук Г. М. ЛОСЕВ

Ведущая организация — Совет АН СССР по комплексной проблеме «Кибернетика».

Защита состоится « м» 199(/ г. в часов на

заседании специализированного совета Д.003.62.01 при Ленинградском институте информатики и автоматизации АН СССР по адресу: Ленинград, 199178, 14-я линия, д. 39.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке специализированного совета Д.003.62.01.

Автореферат разослан «

$3 » М&20>АЛ, 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета /

доктор технических наук, профессор ' ¿^1Н. ДОМАРАЦКИЙ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность. В диссертации решается задача разработки метода построения и реализации диалоговых*систем подготовки и проведения электрофизиологических экспериментов в гибких системах автоматизации научных исследований (АСНИ) с использованием близких к естественным форм общения пользователя с ЭВМ и автоматизированной настройкой на предметную область.

Применение средств вычислительной техники в различных областях научной деятельности человека, создание систем автоматизации научных исследований, разработка концепций, теорий и принципов их построения направлены на решение главной задачи - повышение эффективности груда ученых, увеличение качест-

« N

ва проводимых исследований, снижение сроков их проведения и уменьшение доли рутинной, механической работы по подготовке, проведению экспериментов и оформлению полученных результатов.

В учреждениях Академии наук СССР в течение ряда лет проводятся работы по созданию АСНИ. Накопленный опыт показывает, что желаемая широта применения ЭВМ и АСНИ в научных исследованиях наталкивается на серьезные ограничения, связанные в первую очередь с организацией взаимодействия пользователей с системой автоматизации. Эти ограничения обусловлены как малой подготовленностью к работе с ЭВМ, так и особенностями научных исследований, характеризующихся большой динамикой в постановке задач и определении способов их решения.

Именно от организации взаимодействия человека с системой автоматизации зависит создание гибких АСНИ, усиливающих возможности исследователя по подготовке и проведению экспериментов. сбору, хранению и обработке экспериментальных данных, документированию и представлению результатов. При этом крайне важной становится разработка близких к естественным форм общения с ЭВМ и средств, позволяющих самому исследователю производить программирование гибкой АСНИ на конкретный экспери-

мент без использования традиционных алгоритмических языков. Такая АСНИ должна заметно сократить сроки подготовки эксперимента, облегчить процесс использования ЭВМ и повысить эффективность научных исследований в целом. В данной диссертационной работе разрабатывается метод решения этой задачи.

1.2. Цель работы. Создание простых в эксплуатации систем подготовки и проведения электрофизиологических исследований в гибких АСНИ на малых экспериментальных установках с использованием близких к естественным форм общения исследователя с ЭВМ, обеспечивающих повышение эффективности научных исследований.

1. 3. Мзтоды исследований. В работе используются средства и методы общей теории систем, моделирования, теории множеств, теории программирования, булевой алгебры, а также методы и средства современной вычислительной техники.

1.4. Научная новизна.

В диссертации разработан метод построения и реализации простых в эксплуатации _зиааагсшых~оис-,гвм~11одгожовки и проведения электрофизиологических экспериментов в гибких интерактивных АСНИ. Метод реализован в виде работающей программной системы, при этом:

1.4.1. На основе аналитического обзора и обобщения известных результатов, определения требований, предъявляемых к системам автоматизации физиологических исследований, и функций, которые они должны выполнять, построена модель, определены основные компоненты, разработана структура и осуществлена реализация системы подготовки и проведения электрофизиологических экспериментов.

1.4.2. Для обеспечения динамики и простоты организации аппаратной конфигурации системы автоматизации введены понятия логических имен аппаратных модулей, косвенно отражающих выполняемые ими функции. Разработаны процедуры диалогового формирования логических имен модулей КАМАК, обеспечивающих взаимодействие АСНИ с экспериментальной установкой.

1.4.3. Для расширения функциональных возможностей систе-

мы автоматизации по организации взаимодействия с объектом исследования введены понятия элементарных функций взаимодействия с объектом, использование совокупностей которых позволяет получать требуемые функциональные возможности АСНИ. Определен базовый набор элементарных функций по организации взаимодействия с объектом исследования для решения задач изучения высшей нервной деятельности животных.

1.4. 4. Для проведения электрофизиологических экспериментов разработана процедура формирования управляющей программы, определяющей последовательность действий по подаче раздражителей на объект исследования, регистрации его реакции, обработке данных и синхронизации указанных действий. В качестве основных компонент управляющей программы использованы элементарные функции системы. Формой представления элементарных

• ^

функций выбрана командная форма с дополнительными аргументами, численные значения которых задаются пользователем и отражают особенности выполнения команды.

1.4.5. Предложена структура организации системы обработки экспериментальных данных, разработаны процедуры диалоговой настройки каналов связи с экспериментальной установкой, анализа формы входных сигналов и определения фонового состояния физиологического объекта исследования; разработана структура и осуществлена реализация специализированного интерпретатора команд, обеспечивающего преобразование команд, подаваемых пользователем, в последовательность действий, выполняемых системой.

1.5. Практическая ценность и внедрение результатов.

Результаты проведенных исследований нашли практическое применение при разработке и создании в Институте физиологии им. И. П. Павлова АН СССР меыабораторной системы автоматизации физиологических исследований (САФЮ, использование которой позволило повысить эффективность физиологических исследований

за счет сокращения в 7-8 раз цикла их проведения, уменьшения доли рутинных работ при подготовке и проведении эксперимента, и оформлении полученных результатов

1.6. Апробация работы.

Научные результаты и основные положения диссертации докладывались , и обсувдались на Всесоюзном совещании "Диалоговые информационно - вычислительные системы" (Иркутск, 1986), Всесоюзной конференции "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях" (Ленинград, 1986), Всесоюзной конференции "Механизмы регуляции физиологических функций" (Ленинград, 1985), на научно - технических семинарах ЛИИАН СССР.

1. 7. Публикации по рабо.ге. По теме диссертации опубликованы восемь печатных работ.

1.8. Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы ( 68 наименований), 5 таблиц и 26 рисунков. Общий объем текстовой части диссертации - 118 страниц.

Во введении показана актуальность проводимых исследований, сформулирована цель и указаны методы исследований. В главе 1 проведен обзор существующих систем автоматизации физиологических исследований, определены требования, предъявляемые к ним, показаны их основные функции, в главе 2 рассмот-мотрены вопросы организации системы подготовки и проведения экспериментов, построена модель, определена структура и выделены основные компоненты системы, в главе 3 - вопросы подготовки и проведения электрофизиологических экспериментов е АС НИ, в главе 4 - опыт внедрения гибкой АСШ в Институте физиологии им. И. П. Павлова АН СССР.

- 7 -

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Глава 1. В главе дан аналитический обзор существующих систем подготовки и проведения экспериментов в физиологических исследованиях, определены требования, предъявляемые к таким системам, показаны их основные функции. Проведено обобщение систем подготовки и проведения электрофизиологических экспериментов с точки зрения возможности их использования в гибких АСНИ, уточнена цель предмета диссертационного исследования.

Показаны особенности проведения физиологических исследований, влияющие на создание систем автоматизации. Выделены особенности как самого объекта исследования, так и характера его проведения.

Анализ существующих систем подготовки и проведения физиологических исследований показал их разрозненность, индивидуальность в выборе способов их построения, возможность решения только частных, т. е.-конкретных задач физиологии, нарушение ритма проведения исследований, т. е. большие временные интервалы между основными этапами его цикла, отсутствие преемственности развития таких систем и расширения функциональных возможностей. Сделан вывод о неприемлемости использования существующих систем в качестве основы при построении гибких систем автоматизации физиологических исследований.

Исходя из требований, предъявляемых к системам подготовки и проведения электрофизиологических экспериментов, были определены основные функции, которые эти системы должны выполнять. К ним отнесены функции организации взаимодействия с пользователем, связи с экспериментальной установкой, подготовки (настройки системы) и проведения эксперимента, учета текущего состояния объекта, экспресс-обработки данных и представления их результатов, индикации режимов работы системы.

Определение функций, которые должна выполнять система подготовки и проведения электрофизиологических экспериментов позволило подойти к вопросу ее построения в рамках гибкой АСНИ. что и является целью данной диссертационной работы.

Организация системы подготовки и проведения электрофизиологических экспериментов (СППЗ) рассматривается в виде взаимодействия подсистем, реализующих ее основные функции. Основные функции выражены через элементарные функции, определяющие функциональные возможности системы. Совокупность элементарных функций представлена как одна из структурных единиц системы с возможностью диалогового изменения числа составляющих ее элементов. Такая организация СППЭ обеспечивает ее необходимую адаптацию при смене внешних требований и условий функционирования и обусловливает преемственность дальнейшего расширения и развития системы.

Рассмотрение особенностей проведения физиологических исследований и требований, предъявляемых к системам подготовки и проведения физиологических экспериментов, определение функций, которыми должны обладать эти системы, позволили провести анализ существующих систем с точки зрения их применения в рамках гибких АСНИ, построенных на базе микро-ЭВМ с архитектурой типа ЭВМ "Электроника-60" и средств КАМАК, и сделать вывод о неприемлемости их использования вследствие несоответствия предъявляемых к ним требований и выполняемых ими функций. Предложена система подготовки и проведения злектрофизио-логических экспериментов в рамках гибкой АСНИ. рассмотрена основные вопросы ее организации.

2. 2. Глава 2. Во второй главе построена модель системы автоматизации физиологических исследований, выделены основные компоненты системы, определена ее структура. Построение модели осуществлено исходя из концептуальной модели гибких интерактивных АСНИ широкого применения.

Система автоматизации физиологических исследований представлена как совокупность частных ее описаний с некоторыми отношениями между нши.

где $м - модель системы, - частные описания системы, ?чИ - отношения между частными описаниями.

Частные описания системы определены с различных точек зрения: пользователя системы ( Бр), объекта исследования ( 8о), решаемой задачи ( и технических средств реализации ( В рамках частных описаний выделены компоненты и представлены в виде совокупности процессов, реализующих их основные функции.

={{<"% <"*( р. {«»с 1

в. ^{(«М^С ■ №'} -

где ПЯ, Л3>, ПО - процессы анализа, действий и ответных сообщений системы на обращение пользователя; ПИ, ПВ, ПР - процессы настройки на объект, воздействия на объект и регистрации реакции объекта; Г?Э ,ПИ - процессы проведения эксперимента и интерпретации полученных результатов; ПТ, ПП - процессы, обеспечивающие функционирование аппаратной и программной компонент системы; 1?р„ , . Яге , Ям - отношения выделенных процессов между собой и с остальными процессами системы.

Частное описание системы с точки зрения пользователя ( ) представлено как совокупность процессов, отражающих характер взаимодействия и обеспечивающих анализ входного сообщения СПЯ), его отработку (П3>), в виде выполнения конкретных действий, и формирование ответных сообщений (ПО). Отношения между выделенными процессами определены, исходя из организации цикла электрофизиологического исследования.

Частное описание системы с точки зрения объекта исследования ( $<>) представлено в виде совокупности процессов выдачи

воздействий на объект (ПВ), регистрации его реакции (ПР) и их настройке на определенные режимы работы (ПН). Цикл организации взаимодействия "раздражгель - реакция" определяет отношения процессов воздействия и регистрации.

Частное описание системы с точки зрения решаемой задачи ( 5г) представлено совокупностью процессов формирования и управления схемой эксперимента (ЛЭ), обработки экспериментальных данных (ПИ ). отношения процессов обусловлены методикой проведения экспериментов.

Частное описание системы автоматизации с точки зрения средств реализации ( $г) построено на основании представления системы совокупностью аппаратных ( ПТ) и программных ( ПП) компонент, ' связанных определенными отношениями, основными из которых являются поддержка (обеспечение) функционирования и организация требуемых конфигураций.

Исходя из построенной модели системы, определены ее основные компоненты, обеспечивающие выполнение требований, предъявляемых к системе с рассматриваемых точек зрения.

На основании выделенных компонент, определении связей между ними и использовании функционального признака их объединения в группы, решающие однородные задачи, построена структура системы подготовки и проведения электрофизиологических экспериментов (рис.1). Структура системы представлена в виде иерархии подсистем, обеспечивающих организацию взаимодействия системы с пользователем и объектом исследования, подготовку и проведение экспериментов, и организацию взаимодействия с экспериментальными данными, их обработку, хранение и использование. В рамках выделенных подсистем отношения компонент их составляющих поставлены в соответствие отношениям компонент частных описаний системы.

Предложенная зтруктура системы отражает характер прове дения физиологических экспериментов и соответствует ирелъяв ляемым к ней требованиям, что позволяет исполмпвать ее пои построении конкретных систем автоматизации Физиологических исследований.

Лользовятель

рис. I Структура системы подготовки и проведения электрофизиологических экспериментов

- 12 -

2.3. Глава 3. В этой главе рассмотрены вопросы организации аппаратной конфигурации системы автоматизации на этапе подготовки электрофизиологических экспериментов, введены понятия логических имен аппаратных модулей, определены функции системы по ее настройке на определенные режимы работы и взаимодействию с конкретным объектом исследования, предложены способы формирования управляющих программ эксперимента.

В работе задача определения аппаратной конфигурации системы автоматизации решена для случая использования технических средств в стандарте КАМАК для сопряжения АСНИ с экспериментальной установкой. Каждому аппаратному модулю КАМАК присваивается определенное логическое имя в соответствие с выполняемыми модулем функциями. Формирование логического имени осуществляется процедурой, основанной на классификации модулей КАМАК с использованием вводимой мнемоники для обозначения каждой функциональной группы модулей. Последовательность мнемонических имен, обусловленных функциональными возможностями модуля, выявленными в результате интерактивного взаимодействия с пользователем, определяет логическое имя аппаратного модуля КАМАК.

Конфигурация технических средств системы автоматизации, представленная в виде таблицы, содержащей данные об используемых аппаратных модулях КАМАК и их функциональных возможностях, позволяет пользователю в достаточно простой форме сообщать системе о всех изменениях в составе ее технических средств и их расположении.

Для проведения электрофизиологических экспериментов разработана процедура формирования управляющей программы, определяющей последовательность действий по подаче раздражителей на объект исследования, регистрации его реакции, обработке данных и синхронизации указанных действий. В качестве основных элементов программы использованы элементарные функции системы, определяющие ее функциональные возможности. Внешней формой представления элементарных функций выбрана командная

форма, отражающая характер проведения физиологических экспериментов. Для обеспечения постоянного синтаксиса, что позволяет использовать подсказки на уровне названий аргументов, команды разбиты на группы, соответствующие основным действиям пользователя на этапе проведения эксперимента. Конкретизация команд достигается за счет дополнительных аргументов и их численного описания.

Рассмотреные в главе вопросы определения аппаратной конфигурации системы автоматизации, введение и использование логических имен модулей КАМАК, разработанные процедуры настройки системы на требуемые режимы работы и связи с объектам исследования, и формирования управляющей программы позволили реализовать этапы подготовки и проведения электрофизиологических экспериментов в рамках конкретной системы автоматизации.

2.4. Глава 4. В четвертой главе рассмотрена диалоговая система АСНИ для физиологических исследований, показаны ее назначение и функциональные возможности, определена структура аппаратных и программных средств, описано взаимодействие пользователя с системой и ее настройка на конкретный объект исследования. Приведена оценка использования системы.

Система автоматизации физиологических исследований (САФИ) предназначена для решения задач изучения высшей нервной деятельности животных.

САФИ ориентирована на применение микро-ЭВМ с архитектурой типа ЭВМ "Электроника-60". В качестве аппаратных средств сеязи с экспериментальной установкой использованы технические средства в стандарте КАМАК,

САФИ позволяет производить необходимую подготовку к проведению физиологического эксперимента и настройку на конкретный объект исследования, формировать управляющую программу эксперимента, задавать типы регистрации и обработки экспериментальных данных, определять форму представления результатов и получать протоколы проводимых экспериментов.

На этапе подготовки эксперимента решены следующие задачи: определение аппаратной конфигурации системы автоматиза-

ции, задание режимов ее работы, определение фонового состояния объекта исследования и настройка программных фильтров амплитудной селекции входных сигналов.

Определение аппаратной конфигурации САФИ сведено к выбору необходимых модулей КАМАК, заполнению ими свободных позиций в крейте и установлению соответствия между аппаратными модулями и программными модулями их поддержи.

Задание режимов работы системы включает определение характера связи с объектом исследования, хранения и обработки данных, представления и вывода результатов.

Связь с объектом исследования описывается числом каналов регистрации, ее типом и анализом формы импульсов входных сигналов. В системе реализованы два типа регистрации сигналов с объекта: периодический опрос каналов связи и ожидание прихода сигналов определенной формы, на которую настраиваются аппаратные модули связи с объектом.

Характер решаемых задач обусловливает необходимость амплитудной селекции входных сигналов в рамках каждого канала. В САФИ это требование реализовано путем введения амплитудных зон, "окон", границы которых определяются пользователем на основании экспресс-обработки регистрируемых данных и построения гистограммы амплитудного распределения входных сигналов.

На этапе проведения эксперимента решены задачи формирования программы эксперимента и управления ею.

В качестве основных компонент управляющей программы использованы элементарные функции системы, обеспечивающие функциональные возможности САФИ. Формой представления элементарных функций выбрана командная форма с дополнительными аргументами, численные значения которых задаются пользователем и отражают особенности выполнения команды.

Все команды системы автоматизации разбиты на группы, эквивалентные основным действиям пользователя при проведении физиологического эксперимента: подача раздражителей на объект исследования, регистрация реакции объекта, обработка экспериментальных данных и их вывод, синхронизация указанных опера-

ций. В рамках каждой группы синтаксис используемых команд постоянен, вследствие их однородности. В качестве дополнительных аргументов команд использованы: длительность, количество повторений и величина пауз для организации циклов, устройства хранения данных и вывода результатов обработки.

Построен интерпретатор команд пользователя, обеспечивающий лексический и синтаксический анализ командной строки; вызов процедур обслуживания действий по выдаче раздражителей и регистрации реакции объекта, хранении и обработке экспериментальных данных, представлении полученных результатов; индикацию выполняемых процедур, выдачу сообщений о допущенных пользователем ошибках, допустимых действиях, текущем состоянии проце'дур и режимах работы системы.

Внедрение САФИ позволило повысить эффективность физиологических исследований за счет сокращения в 7-8 раз цикла их проведения; уменьшить долю рутинных работ пользователя при подготовке и проведении эксперимента, и оформлении полученных результатов; производить отбор объектов для исследования за счет быстрой проверки их основных характеристик; выйти на решение качественно новых задач, обусловленных возможностью проведения основных этапов физиологических исследований за время жизни одного объекта; формировать и использовать банк экспериментальных данных по типам объекта, классам решаемых задач или методикам их проведения.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работ« получены следующие основные результаты.

3.1. Определены основные требования, предъявляемые к диалоговым системам подготовки и проведения электрофизиологических экспериментов, разработана структура системы и осуществлена реализация программных модулей, обеспечивающих выполнения ее- основных Функций.

Я. ?:. Получена общая форма выражения большинства действий польковнтн-лд на этапах подготовки эксперимента, б виде операций выбора Фиксированного набора предоставляемых возмож

ностей, и проведения эксперимента, в виде формирования управляющих программ на языке взаимодействия в командной форме его представления, определена структура диалога, в виде обмена сообщениями, представленными как отдельные структурные единицы с возможностью доступа к их элементам, что позволило решить вопрос практической реализации в гибкой АСНИ близких к естественным форм общения исследователя с ЭВМ..

3.3. Разработаны процедуры, реализующие основные действия пользователя на этапах подготовки и проведения эксперимента по определению конфигурации АСНИ, заданию режимов ее работы, формированию управляющей программы.

3.4. Разработаны процедуры определения фонового состояния объекта исследования, анализа формы импульсов входных сигналов и настройки программных фильтров амплитудной селекции.

3.5. Разработан специализированный интерпретатор языка взаимодействия пользователя с системой автоматизации физиологических исследований для командной формы его представления.

3.6. Разработаны процедуры графического представления результатов обработки экспериментальных данных в виде построения гистограмм с возможностью изменения геометрических размеров.

3.7. Создана система автоматизации физиологических исследований, ориентированная на решение основных задач физиологии, характеризующихся большой динамикой постановки и определении способов их решения, и обеспечивающая повышение эффективности исследований за счет сокращения в 7-8 раз цикла их проведения.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Домарацкий А.Е, Кулаков Ф.М. , Сурма С.В. Микропроцессорные системы управления манипуляционными роботами на основе стандарта КАМАК. -В кн.: Алгоритмические модели р. авто-

- 17 -

матизации исследований. M. : Наука, 1980, с. 156-163.

2. Сурма С. R Формирование логических имен модулей КАЫАК для систем автоматизации научных исследований. -В кн. : Проблемы автоматизации научных и производственных процессов. М. : Наука, 1985, с. 212-218.

3. Костяева О. В., Сурма С. Е Организация структуры диалога естествоиспытателя в системах автоматизации научных исследований на.основе локальной вычислительной сети. -В кн.: Прикладные вопросы создания информационно - вычислительных сетей. X: ЛНИВЦ АН СССР, 1984, с. 5?-70.

4. Каширин А. В. , Костяева О. В., Сурма С. Е Система автоматизации исследований биоэлектрической активности мозга при выработке условных рефлексов у животных. -Тезисы конференции "Механизмы регуляции физиологических функций". JL : Ин-т физиологии им НЕ Павлова, 1985, с. 180-181.

. 5. Домарацкий А. Е , Каширин A. R , Костяева О. В. , Суворов Е Ф. , Сурма С. В Система автоматизации физиологических исследований. -Препринт ЛНИВЦ АН СССР N84. JL , 1985. 26с.

6. Костяева О. В., Суворов Н. Ф. , Сурма С. В., Шуваев В. Т. Исследование сложных форм поведения при использовании системы автоматизации на базе микро-ЭВМ "Электроника-60" и технических средств КАШК. -Препринт ЛНИВЦ АН СССР N81. Л., 1985. 18с.

7. Сурма С. В. Диалоговая подсистема подготовки и проведения экспериментов в системах автоматизации физиологических исследований. -Материалы Всесоюзного совещания "Диалоговые информационно - вычислительные системы". Иркутск: СибИЗМКР СО АН СССР, 1986. с. 179-181.

8. Костяева 0. В., Крылов В. В. , Подзорова С. А., Сурма С. В. . Шуваев В. Т. Гибкая интерактивная система автоматизации физиологических исследований. -Материалы Всесоюзной конференции "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях". Д.: ЛЭТИ. 1986, с. 47.