Найти на сайте: параметры поиска

Надежность кибернетических устройств

20 декабря 2016
article4099.jpg

Источник материала rivne-city.com

Непрерывное расширение диапазона задач, поручаемых кибернетическим машинам, связано с усложнением этих машин и быстрым увеличением количества их элементов. Это в свою очередь значительно усложняет создание достаточно надежных кибернетических систем. Какие подходы с точки зрения бионики для решения этой проблемы существуют?
 

Согласно одному из многочисленных определений надежностью устройства называют вероятность того, что в заданном интервале времени не произойдет ни одного отказа в работе.

При обычном принципе построения электронных схем они прекращают работать при выходе из строя хотя бы одного существенного элемента: лампы, транзистора, трансформатора, конденсатора и др. Пусть каждый из п видов элементов, входящих в данное устройство, характеризуется вероятностью qt безотказной работы в течение некоторого заданного срока. Пусть далее количество элементов каждого вида в устройстве равно тг. Тогда надежность, т. е. вероятность Q исправной работы всего устройства в целом в течение этого срока, определится произведением:

Уравнение вероятности исправной работы всего устройства (надежности)

Легко показать, что с увеличением количества элементов при неизменной величине их надежности надежность всего устройства может стать настолько малой, что его использование будет практически нецелесообразным.

Если первые радиоэлектронные схемы содержали несколько штук или максимум несколько десятков ламп, то сейчас количество ламп или транзисторов в них уже достигает тысяч и десятков тысяч. Например, цифровая вычислительная машина БЭСМ имеет 5 000 ламп, а вычислительная машина AN/FSQ-7, построенная фирмой ИБМ (США) для работы в системе противовоздушной обороны, содержит около 58 000 ламп.

Кроме того, на каждую лампу или транзистор в электронных схемах приходится по нескольку конденсаторов и сопротивлений. Наконец, оперативные запоминающие устройства современных машин зачастую содержат сотни тысяч и даже миллионы запоминающих, элементов ферритовых сердечников.

Если даже пренебречь возможностью выхода из строя всех прочих деталей и считаться только с отказами в работе из-за неисправностей ламп и далее задаться вероятностью надежной работы лампы в течение 1000 ч (q 0, 999), то надежность кибернетической маши-. ны, содержащей 58 000 ламп, будет, очевидно, равна Q 0, 99958000= 10-23. Таким образом, практически представляется совершенно невероятным, чтобы эта машина могла безотказно проработать 100 или хотя бы 10 ч без применения каких-либо дополнительных мер. В частности, в упомянутой машине все основные блоки: запоминающее, арифметическое и выводное устройства полностью дублированы. Однако подобное дублирование устройств или отдельных крупных блоков отнюдь не наилучшее решение задачи. В самом деле, если каждый из дублирующих друг друга блоков содержит очень большое количество деталей, причем выход из строя одной из деталей выводит из строя весь блок, то даже несколько взаимно дублирующих блоков не обеспечат надежности работы всего устройства в целом.

Между тем в центральной нервной системе живых организмов, состоящей из миллиардов нейронов, выход из строя целых участков системы, включающих многие тысячи нейронов, часто не нарушает или приводит лишь к временному ухудшению соответствующей функции, которая затем восстанавливается. Можно указать, например, на опыты Лешли с ориентировкой крыс в лабиринте. При этих опытах удаление у крыс значительной части мозгового вещества лишь частично нарушало способность животных к ориентировке. Причина восстановления функций заключается, как правило, не в регенерации нервного вещества, а в выработке функции заново в сохранившихся участках нервных структур.

Такое свойство нервной системы, очевидно, может достигаться только в результате значительных резервных возможностей живых организмов, так называемой избыточности их организации. Конструктивная и функциональная избыточность живых организмов обеспечивает возможность их самоорганизации в процессе обучения и достаточную надежность системы. Следует при этом подчеркнуть, что каждый отдельно взятый нейрон представляет собой элемент, характеризующийся при выполнении простейшей триггерной функции значительно меньшей надежностью, чем, скажем, электромеханическое реле, лампа или транзистор. По некоторым подсчетам за час человеческой жизни отмирает около 1 000 нейронов (это число не слишком велико, если его сравнить с общим числом нейронов мозга более 1010). После отмирания нейрон уже не восстанавливается. Таким образом, человек с нормальной продолжительностью жизни теряет за весь этот период до 109 нейронов, и все же мозг его продолжает эффективно работать.

Уже в ранних работах по кибернетике в явном виде обозначился бионический подход к обеспечению надежности. Заслугой кибернетики является, в частности, то обстоятельство, что впервые в истории науки и техники было принято в качестве постулата, что кибернетическая система принципиально не может быть построена из абсолютно надежных элементов и что к высокой надежности отдельных  элементов можно не стремиться, если это достигается не слишком дешевой ценой. В кибернетике постулируется, что отказы, сбои, ошибки органически присущи элементам машины (автомата), и задача создания машины предполагает не столько выбор надежных элементов, сколько построение схемы, значительно более надежной, чем каждый из ее элементов.

Уже в первых работах по созданию надежных кибернетических систем в качестве элементов широко использовались технические модели нейронов. Сами системы (нервные сети) могут предназначаться для решения различных задач. Это определяется структурой системы и устройствами ввода и вывода. Моделирование нейронных систем важно потому, что таким образом моделируются высшие функции мозга опознание, принятие решений, логическое исчисление высказываний. Не менее важно и то, что моделирование нейронных систем существенно развивает теорию надежности. В полном соответствии с данными нейрофизиологии о малой надежности нейронов и необычайно высокой надежности нервной системы в целом для построения бионических систем выбираются нейроноподобные элементы. Они достаточно надежны в работе. В то же время сложная нейронная структура благодаря исключительно целесообразной избыточности организации, выражающейся в множественности резервных элементов и связей между ними, может в целом действовать с весьма высокой степенью надежности.

Таким образом, живые организмы представляют собой высоконадежные кибернетические системы, построенные из малонадежных элементов Начало математической разработки проблем создания подобных систем было положено крупнейшим математиком Дж. Нейманом. Он показал, что, комбинируя определенным образом ненадежные логические элементы типа «штриха Шеффера» (см гл. 1), можно получить схему, действующую, как штрих Шеффера высокой надежности

Для этой цели можно использовать в схемах дополнительные (избыточные) элементы, так что вероятность искажения заданной функции окажется незначительной, несмотря на случайные отказы отдельных элементов Избыточные элементы включают в себя как «исполнительные» органы, выполняющие некоторые логические функции и функции задержки, так и специальные «восстанавливающие» органы, способствующие устранению возникающих неисправностей.

Передача информации внутри описанной Нейманом системы происходит по пучкам дублирующих друг друга цепей. При этом система организуется так, что причиной несрабатывания всего устройства может быть лишь несрабатывание большого числа элементов, а не отдельного элемента или небольшого количества их.

Дальнейшее развитие идей Неймана привело к разработке теории надежных систем из ненадежных реле. Метод Неймана был применим лишь при определенной, достаточно высокой надежности логических элементов (при возможности ошибки не более 1/6). Позднее были разработаны вопросы теории надежных схем из ненадежных реле, которые позволяют в принципе создавать схемы с любой заданной надежностью из элементов с любой вероятностью ошибки. Естественно, что для этого необходимо повышение количества элементов, т. е. увеличение избыточности конструкции.

Важнейший фактор устойчивости и надежности структур живых организмов заключается также в их непрерывном обновлении благодаря процессам обмена веществ, вследствие чего происходят постоянное разрушение и созидание. Современная наука и техника еще весьма далеки от создания подобных искусственных самообновляющихся устройств.

Для практической реализации многократной избыточности необходима разработка достаточно миниатюрных и экономичных элементов релейного типа. Применение принципов избыточности организации, свойственных живым организмам, при использовании достижений микроминиатюризации элементов и схем позволит создавать новые исключительно гибкие и надежные кибернетические системы, прототипом которых могут служить нервная система и ее совершеннейший орган человеческий мозг.

Комментарии (0)

Нет комментариев. Ваш будет первым!

Есть новость? Пишите нам!

Добавить объявление!

Добавить магазин!