БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИНДУСТРИАЛЬНОГО ЖИВОТНОВОДСТВА И РЫБОВОДСТВА

Прошедший 2014-2016 годы выдались для России нелегкими из-за экономических санкций США, членов Евросоюза и примкнувшихся к ним других стран.

Причины этих санкций можно поделить на политические, финансовые и экономические. Их анализ показывает, что они в основном направлены на ограничение российских компаний в различных сегментах мирового и прежде всего, европейского рынка, на долю которого приходится половина внешнеторгового оборота России. В этих условиях особую актуальность приобретает план развития собственных производств сельскохозяйственного сектора экономики.

Выполнение данного плана позволит обеспечить как повышение качества самой сельхозпродукции, так и увеличение мощностей перерабатывающего сегмента сельскохозяйственного производства.

Проведенные в работе теоретические исследования показывают, что современные системы для индустриального выращивания домашних животных (крупнорогатого скота, овец, кур, ценных пород рыб и др.) включают в свой состав совокупности биологического и технического элементов, имеют конкретные целевые функции и в них обеспечиваются целенаправленные взаимодействия. Однако в нашей стране в животноводстве  все еще  в животноводстве практически не применяются достаточно полно разработанные теорию и практику биотехнических систем (БТС) [1].

В работе предпринята попытка систематизации указанных знаний для последующего их применения для разработки биотехнических систем индустриального животноводства с целью получения высококачественной продукции скотоводства, птицеводства и рыбоводства в Российской Федерации.

Как известно, биотехнической системой называют особый класс больших систем, представляющий собой совокупность биологического и технического элементов, связанных между собой в едином контуре управления и объединенных общей совокупностью целевых функций [1,2].

БТС включают в себя биологическую и техническую подсистемы, которые объединены прямыми и обратными связями, а так же общими алгоритмами управления.  К   указанным  системам   в   одинаковой  степени   относятся следующие хорошо известные на практике БТС, которых по характеру основной целевой функции принято разделять на три группы:

1. Биотехнические системы в медицине (БТС-М), предназначенные для медицинских целей (замещение утраченных и усиление ослабленных функций организма; контроль за состоянием больного или групп больных, а также для оповещения об ухудшении состояния больных; диагностики и автоматического введения в организм больного лекарственных препаратов и т.д.)

2. БТС-Э, в которой человек (оператор) выполняет роль управляющего звена (это так называемые БТС – эргатического типа). Примерами таких БТС-Э являются:     а)  БТС  управления  энергосистемой,  в  которой  человек выступает   в   качестве   диспетчера   (оператора),   обеспечивающего оптимальный режим его работы; б) БТС для автоматизированного производства различной продукции, где человек выступает не только в качестве оператора, обеспечивающего оптимальный режим его работы, но и для предотвращения или предупреждения сбои и аварий в производстве и др.

3. Биотехнические системы управления поведением целостного организма и популяциями биологических объектов (БТС-У). Контроль за состоянием живого организма здесь является неотъемлемой частью процесса управления, а соответствующие технические средства представляют собой подсистему в общей структурной схеме БТС-У [1,2]. Данное обстоятельство объясняется следующими причинами: а) контроль за состоянием организма, включенного в контур управления БТС-У, является одним из методов определения адекватности управляющих воздействий и режимов функционирования всей БТС; б) объектом управления здесь является состояние живого организма, которое во многом определяет характер его поведенческих реакций. Например, животное в состоянии голода или сытости, усталости или бодрости требует различных управляющих воздействий. Вместе с тем, желание животного перейти из одного состояния в другое часто используется для создания мотивационных стимулов, являющихся, в свою очередь, управляющими факторами в  БТС-У[1,2,3].

I.                  Особенности функционирования и свойства живых систем

Как известно, биологические системы автоматического регулирования отличаются от технических рядом особенностей и свойств. В них преобладают комбинированные системы автоматического регулирования (САР) [1-3]. Данный способ регулирования позволяет живому организму, входящему в состав БТС, поддерживать на определенном уровне значения параметров внутренней среды и осуществлять в организме принципы регулирования и стабилизации. Кроме того, известно, что живые организмы можно отнести к вероятностным недетерминированным системам, в которых регулирование с помощью замкнутых контуров с обратными связями является непременным условием их жизнедеятельности и существования. При этом живым САР присущи различные виды нелинейностей и инерционность с целью повышения помехоустойчивости. Именно поэтому эффективное регулирование в живой системе в полной мере возможно только с учетом прогнозирования. Таким образом, система регулирования жизненно важных параметров в ней является не только комбинированным, но и содержит прогнозирующий элемент.

Принцип прогнозирования здесь состоит в том, что корректирующий сигнал подается на вход живой системы ещё до возникновения ситуации, приводящей к появлению возмущающего сигнала, то есть прогнозирование является  упреждающей  реализацией  управления,  которое  обеспечивает достижение       цели       одновременно      с       максимально      возможным быстродействием.

Системы регулирования живого организма к тому же являются: а) адаптивными; б) самоорганизующимися; в) самообучающимися.

Это позволяет организму эффективно функционировать (в известных пределах) в условиях изменяющейся среды.

Биологические системы также отличаются высокой надежностью и функциональной устойчивостью по отношению к изменяющимся внешним и внутренним возмущениям.

Фундаментальными принципами, обеспечивающими высокую надежность биологических систем регулирования являются [3]:

·        избыточность в организации контуров регулирования;

·        функциональная гибкость системы регулирования;

·        иерархичность в строении управляющих систем, включающая сочетание их         автономности,     независимости     функционирования    отдельных подсистем       с    централизацией   и    на   этой    основе   устойчивости интегрального эффекта;

·        широкое   использование  принципа   обратной  связи   и   устойчивости больших систем, к которым относятся все живые системы;

·        самовосстановление и самовоспроизведение живых систем.

Таким образом, живой организм, в целом, представляет собой единую функциональную систему, включающую в себя множество систем и подсистем. Именно поэтому отдельные подсистемы здесь являются многосвязными. Например, выход сердечно-сосудистой системы (ССС) будет характеризоваться величиной артериального давления и частотой пульса; вход ССС живой системы учитывает не только поток крови, но и воздействия центральной и вегетативной нервных систем, дыхательной, эндокринной и других систем, а также функциональное состояние всего организма, на которое, в свою очередь, влияют выходные величины сердечно-сосудистой системы.

В то же время, все биологические САР имеют многосвязность и многоконтурную структуру, что делает их недетерминированными. Это усложняет их исследования и требуют использования компьютерной техники и технологий, а также перехода к статистическим методам исследований.

II.               Взаимодействие технического и биологического элементов в БТС

Сопряжение биологического и технического элементов в составе единой БТС требует учета их свойств и особенностей. Разброс параметров биологических элементов, нелинейность взаимодействия    между ними,

многоконтурность, многосвязность и к тому же иерархическая организация процесса регулирования этих параметров в значительной степени осложняет задачу проектирования БТС. Именно поэтому при создании БТС    для сопряжения биологической и технической элементов в единую систему, они должны быть охарактеризованы с наиболее общих методологических позиций, присущих системному подходу, когда на первое место ставится не анализ составных частей системы, а ее характеристика как единого целого. Таким образом, системный подход основывается на принципе целостности, состоящем в исследовании свойств единой    системы и рассмотрении совокупности технических и биологических элементов как единого целого. При этом решаются следующие основные задачи:

·        разработка средств и способов представления исследуемых объектов как систем;

·        построение обобщенной модели системы и анализ ее свойств;

·        исследование концептуальной структуры модели БТС как системы.

Таким образом, БТС, с одной стороны, должна максимально использовать достоинства биологических элементов, их способность приспосабливаться к взаимодействию с техническими элементами, а с другой стороны, технические  элементы  должны  быть  максимально  приспособлены  к взаимодействию с биологическими элементами с учетом их особенностей и свойств. Из вышеизложенного следует, что факторы, влияющие на работоспособность БТС, определяются взаимосвязью между ее техническим и биологическим элементами.

III.           Взаимосвязи между технической и биологической элементами БТС

Биологические    и технические элементы БТС могут быть в основном связаны между собой следующим образом [1-4]:

1.        Механической взаимосвязью, выражающейся механическим воздействием указанных элементов друг на друга. При этом воздействия могут быть заданы целевой функцией БТС (например, воздействие человека-оператора на органы управления или же воздействие исполнительных технических устройств на биообъект.)

2.      Электрическим контактом между биологической и технической частями БТС, используя систему электродов или специальные датчики для воздействия на биообъект или снятия с него информации.

3.          Информационным контактом, применяемым для обучения биообъекта с целью выполнения той или иной команды, или же получения определенной информации.

4.    Акустическим контактом (в том числе и гидроакустическим) для передачи или приема соответствующей информации.

Во всех указанных видах контактов, безусловно, есть не только положительные, но и следующие отрицательные стороны:

·        Механические воздействия могут причинить ущерб биологической части (механические   повреждения)  из-за  неправильного  функционирования исполнительной части БТС;

·        60% отказов в БТС происходят по причине нарушения механического контакта между его биологическим и техническим частями (элементами);

·        регистрация любых электрических потенциалов  или подача их   на биообъект     с     помощью    накладных    электродов    сопровождается поляризацией электродов, возникновением контактных потенциалов, термоэлектрического эффекта и др.;

·        если   речь  идет   о   вживляемых  электродах или    датчиках,  то   здесь происходят активные воздействия биосреды на них. Это выражается в образовании капсул из соединительной ткани вокруг инородных тел, которые снижают, а часто и полностью уничтожают эффективность механического и электрического контактов. Кроме того, они оказывают на биообъект токсические действия. Для снижения токсичности вживляемые технические элементы выполняются из химически инертных материалов или же они  герметизируются в оболочке из химически и биологически инертных веществ – пластмасс (фторопластов).

IV.           Принципы разработки БТС животноводства

Преимущества БТС перед техническими и биологическими системами в отдельности заключаются в том, что в БТС сочетаются положительные качества указанных систем при взаимной компенсации их недостатков.

При этом основным свойством БТС является ее суперадаптивность, обусловленная наличием двух контуров адаптации:

а) внешнего контура, обеспечивающего БТС возможностью выполнять свою целевую функцию в условиях переменных воздействий внешних факторов (переменных условий окружающей среды, изменений расположения взаимодействующих с системой динамических объектов и др.)

б)   внутреннего  контура,  позволяющего  элементам   БТС  взаимно адаптироваться к изменениям состояний друг друга, вызванным в процессе взаимодействия  внешних и внутренних факторов.

Из вышеизложенного следует, что наличие в БТС биологической части позволяет придать общим свойствам системы особую пластичность , улучшить адаптивные характеристики во внешнем контуре адаптации (особенно в системах типа «человек-машина-среда»), в то же время, качество внутренней адаптации существенно зависит от возможностей технических

элементов системы отслеживать изменения в биологической части БТС и, обмениваясь информацией с ней, соответственно изменять свои характеристики. Указанные свойства БТС были заимствованы из бионических исследований живых организмов (техническая бионика - это область инженерной деятельности, в которой построение новых технических

систем и устройств происходит на основе биологических знаний). В процессе

бионических исследований в живых системах внимание исследователей акцентируется на постоянном обмене информацией не только между системой и внешней средой, но также и на непрерывной адаптации отдельных органов и подсистем целостного организма друг к другу. Этим свойством (внутренней адаптацией) объясняется высокая функциональная надежность живых организмов.

Знания   бионики   воплотились   в   следующие      основные   принципы

сопряжения технических и биологических элементов в единой функциональной системе, названной БТС:

1   Принцип адекватности, требующий согласования основных конструктивных параметров и управленческих характеристик биологических и технических элементов в единой системе.

2   Принцип единства  информационный среды, требующий согласования свойств информационных потоков, циркулирующих между техническими и биологическими элементами, как в афферентных, так и в эфферентных цепях.

Разработка БТС независимо от уровня сложности с целью соблюдения указанных принципов осуществляется на основе бионической методологии.

При этом особые свойства БТС, определяемые наличием биологических элементов разной сложности, привели к необходимости разработки принципиально новых подходов при их анализе и синтезе. Для указанных систем применим метод поэтапного моделирования, предусматривающий поэтапный переход от смешанной биотехнической модели через накопление экспериментальных данных о биообъекте к математической модели БТС. Метод включает следующие этапы [1-3]:

1- этап. Подготовительный.

При этом разрабатывается структурно-функциональная схема БТС, конкретизируется ее целевая функция и возможные режимы работы; определяется биологический объект и предварительный алгоритм его функционирования в составе БТС; при отсутствии априорной информации для    приближенного    математического    описания    функционирования биологического звена, то строится смешанная модель, на которой проводится бионическое исследование объекта с целью получения соответствующих количественных характеристик.

2- этап. Управленческое согласование характеристик элементов БТС.

При   этом   осуществляются   итерационные процедуры  согласования характеристик элементов БТС в едином контуре управления; технические элементы и воздействующие факторы моделируются на ЭВМ, а выходы модели сопрягают со входами модели биологического звена. В результате получают набор характеристик-требований, которым должно соответствовать биологическое звено для нормального функционирования БТС в заданном диапазоне режимов.

3-этап. Информационное согласование.

При  этом   исследуются   информационные  процессы,  обеспечивающие соблюдение принципов адекватности и идентификации информационной среды; на смешанной откорректированной модели в условиях управляемого эксперимента проводятся статистические испытания при строгом учете факторов внешней среды (измеренных количественно) и состояния технической части системы; корректируются решающие правила, заложенные в виде программ в системы обработки информации о состоянии биообъекта; разрабатываются требования к специальным техническим устройствам, согласующим информационные и управленческие характеристики технической и биологической частей БТС.

4-этап. Заключительный.

При этом проводятся испытания БТС в полунатурных (лабораторных) и натурных условиях; обработку данных эксперимента; окончательно корректируется математическая модель; подготавливаются задания на инженерную разработку БТС.

Эффективность данного метода была доказана на множестве примеров по разработке БТС для производства, науки, медицины и экологии в ряде организаций России и зарубежья [1,2,3].

V.               Биотехнические технологии на основе БТС

Хорошо известно, что сама по себе БТС еще не является объектом для исследования роли данного вида систем в жизни человека. Основные проблемы возникают в процессе их реализации и использования, т.е. когда реализовываются технологии того или иного назначения. В работе [3] любые технологии, обеспечивающие разнообразные потребности живых систем, а также включающие операции с любыми биообъектами с применением технических средств, определены как биотехнические технологии (БТТ).

Таким образом, для каждой сферы применения БТС созданы или создаются особые технологии, названные БТТ, позволяющие эффективно решать стоящие перед этими сферами задачи.

В качестве примера в работе представлена структура биотехнической системы животноводства для индустриального выращивания ценных пород рыб (рис.1), разработанная в лабораторных условиях на основе современных представлений об установках замкнутого водообеспечения (УЗВ).

Как было указано выше, в БТС биологические и технические элементы объединены в единую систему целенаправленного поведения и ее основным свойством является суперадаптивность, которая обусловлена наличием внешнего и внутреннего контуров адаптации. Внешний контур обеспечивает  БТС  возможность  выполнять  свою  целевую  функцию  в условиях переменных внешних факторов (условий окружающей среды, температуры, давления, освещения, графика и рациона кормления и т.д.).

В то же время внутренний контур позволяет биологическим элементам БТС адаптироваться к изменениям технических условий жизнеобеспечения и роста рыб, вызванных взаимодействием внешних и внутренних факторов.

Структура, реализующая БТТ для контроля за состоянием среды обитания рыб (бассейнов) и их выращивания, ориентирована на управление данной средой с целью обеспечения оптимальных условий жизнеобеспечения и роста ценных пород рыб:

·        обеспечение   замкнутого  водообеспечения   бассейнов   посредством УЗВ;

·        поддержание высокого уровня качества воды в бассейне;

·        обеспечение оптимальной для выращивания рыбы ее температуры, чистоты воды, необходимого количества кислорода в ней;

·        уничтожение          бактерий        и         нейтрализация        продуктов жизнедеятельности рыб в воде;

·        обеспечение   систематической   подачи     кормов  в   автоматическом режиме;

·        контроль уровня рН.

Для выбора контролируемых параметров среды, а тем более для управления средой обитания, необходимы биологические знания, такие как, например, сведения о реакциях выращиваемого биообъекта на внешние факторы, подверженности  среды обитания целенаправленным внешним воздействиям и другие, без которых решать такие задачи в принципе невозможно.

Проведенный в работе анализ доступных источников информации (в том числе и интернет), указывает на следующие преимущества и возможности данного способа:

1.     Возможность выращивать рыбу в любой местности на Земле и в любое время года, изменяя при этом скорость ее биологического роста;

2.     Способность   обеспечить   меньший   расход   комбикорма  на   1кг прироста рыбы; 

3.     Возможность    объединения    процесса    выращивания    рыбы    с выращиванием растений в интегрированной УЗВ;

2.     Минимальное потребление воды, позволяющее, например, Израилю выращивать пресноводную рыбу только в УЗВ;

3.     Способность выращивать экологически чистые продукты;

4.     Возможность   полностью   исключить    попадания   инфекционных заболеваний и паразитов в систему;

5.     Способность к поддержанию оптимальных параметров воды для того или иного гидробионта, например, форели, осетра, лососи и т.д.;

6.     Наличие    возможности    обеспечения    наивысшей    урожайности продукции рыбоводства.

Вышеуказанные преимущества УЗВ можно достичь за счет:

·        интенсивного    водообмена,   оксигенации    и    мощной    системы фильтрации воды;

·        применения УЗВ, обеспечивающего малое потребление воды;

·        возможности постоянного визуального контроля за состоянием рыбы;

·        автоматизации контроля за состоянием рыбы;

·        наличия благоприятных условий облова и кормления рыбы;

·        ослабления роли природных факторов на успешность производства товарной продукции;

·        наличия возможности соблюдения санитарных норм и отсутствия болезней рыб.

В тоже время следует указать и основной недостаток УЗВ - это высокая себестоимость   выращенной   продукции   (вот    почему   в   УЗВ    обычно выращивают ценные породы рыб).

Список литературы

1.     Ахутин В.М. Поэтапное моделирование и синтез адаптивных биотехнических эргатических систем // Инженерная психология.-М.: Наука, 1977.- 180с.

2.     Биотехнические системы. Теория и проектирование: Учеб.пособие/ В.М. Ахутин, А.П. Немирко, Н.Н. Першин и др.-Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1981. 220с.

3.     Надежность и эргономика биотехнических систем/ Под общ.ред. проф. Е.П. Попечителева.- СПб.: Техномедиа / Изд-во Элмор, 2007.- 264с.

4.     Магомедов Д.А., Магомедсаидова С.З. Теория биотехнических систем: Курс лекций для студентов специальности 200401- «Биотехнические и медицинские аппараты и системы»- Махачкала: изд-во ДГТУ,2010.- 112с.