Software & Systems

Управление техническими системами – главная задача кибернетики. Современные кибернетические технологии с этой целью очень часто используют бионический подход.

Бионика (в англоязычной литературе – биомиметика) – научно-технологическое направление по заимствованию у природы ценных идей и реализации их в виде конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий [1].

Различают следующие виды бионики:

–      биологическую, занимающуюся изучением происходящих в биологических системах процессов;

–      теоретическую, строящую математические модели этих процессов;

–      техническую, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Лучше всего бионический подход проявляет себя при решении задач управления в ситуации неопределенности, в постоянно меняющихся условиях.

Бионический подход для управления техническими системами впервые нашел применение при конструировании робототехнических систем на заре возникновения такой науки, как кибернетика. Современные информационные технологии так же широко начали использовать особенности моделирования живой природы при разработке разного рода интеллектуальных информационных систем. Программная имитация первых воплощавших идеи бионики технических систем позволила развивать их и совершенствовать системы, которые в своем функционировании используют такие же принципы.

Черепашки Уолтера Грея

Бионический подход при создании технических систем впервые использовал английский нейрофизиолог Вильям Грей Уолтер, разрабатывая machina speculatrix – биоморфные кибернетические роботы, которые по своему внешнему виду и медлительности очень напоминали черепах, а потому в историю робототехники вошли под названием «черепашки» [2]. Свои исследования над machina speculatrix Уоллтер Грей проводил с 1948 по 1951 гг.

Черепашки представляли собой самодвижущиеся электромеханические тележки, способные ползти на свет или от него, обходить препятствия, заходить в «кормушку» для подзарядки разрядившихся аккумуляторов.

Всего Уолтер Грей создал более восьми черепашек. Первая из них, Элмер [2], была выполнена в виде небольшой трехколесной тележки с установленными на ней двумя электродвигателями, питающимися от аккумуляторов. Один двигатель обеспечивал поступательное движение устройства, другой – менял направление движения. Управление двигателями осуществлялось с помощью электромагнитных реле. Чувствительными элементами были фотоэлементы и механический контакт, замыкающийся при наезде на препятствие. Внешний вид черепашки Элмер представлен на рисунке 1.

Несмотря на достаточно простую конструкцию, черепашка демонстрировала осмысленное и порой очень интересное поведение, базирующееся на трех состояниях: поиск света (голод), поворот к свету, избегание яркого света и препятствий (боль).

При отсутствии источника света черепашка медленно передвигалась, а если сталкивалась с препятствиями, сворачивала в сторону и обходила их. Если появлялся свет, Элмер обязательно замечала его и направлялась к свету (положительный тропизм). Однако, слишком приблизившись, отворачивалась от него, словно боясь ослепления (отрицательный тропизм). Затем двигалась вокруг источника света, находя для себя оптимальные условия существования (гомеостазис). Аккумулятор черепашки постепенно разряжался, и она проявляла все больший интерес к свету, так как его источник обозначал место подзарядки (кормушку). Когда аккумулятор был разряжен настолько, что нуждался в подзарядке, черепашка смело направлялась к источнику света и подключалась к питающим контактам зарядного устройства. Получив так называемую пищу – новый запас электроэнергии, она отходила от зарядного устройства и снова бродила по комнате в поисках оптимальных условий существования.

На рисунке 2 показаны траектории движения черепашек. Изображения получены Уолтером Греем путем фотосъемки с большой выдержкой. Траектория передвижения черепашки хорошо видна, поскольку на ее носу исследователь устанавливал зажженную лампочку.

Наиболее интересна черепашка Кора [2]. Это кибернетическое устройство, кроме зрения и осязания, имело еще и слух, так как было оборудовано микрофоном. Кроме того, его можно было обучать, вырабатывая условный рефлекс.

Как известно, условный рефлекс – результат обучения, привычки. Уолтер Грей учил Кору останавливаться перед препятствием и сворачивать в сторону по звуковому сигналу – свистку. Для этого он подавал сигнал каждый раз, когда черепашка при своем движении по комнате натыкалась на какое-либо препятствие. Сначала она не обращала внимания на свистки. Однако вскоре у нее вырабатывался условный рефлекс: по сигналу свистка она останавливалась, отступала назад и сворачивала в сторону, даже если перед ней никакого препятствия не было. Но производимый таким образом условный рефлекс вскоре исчезал, если черепашку часто обманывали, подавая сигнал свистка при отсутствии перед ней препятствия.

Поведение, которое демонстрировали робототехнические системы Уолтера Грея, было очень похожим на поведение живых существ, отличительной особенностью которых является именно умение действовать целесообразно, с учетом окружающей обстановки. Взаимодействие между нервной системой его черепашек и окружающей средой создавало неожиданное и сложное поведение. Они никогда точно не повторяли своих действий, но всегда действовали в рамках общего поведенческого образца так, как это делают живые существа.

В дальнейшем устройства, моделирующие поведение живых существ, стали предметом пристального изучения. И в 1989 году Марком Тилденом была создана BEAM (Biology Electronics Aesthetics Mechanics)-технология – новый подход к построению современных робототехнических систем [3]. Именно BEAM-робототехника базируется на рефлексах, которые реализуются на низком аппаратном уровне.

BEAM-концепция заключается в том, что реакция на внешние факторы должна обеспечиваться на первом этапе самой машиной, без участия какого-либо мозга, как это происходило в живой природе, на пути от простейших до человека. По этому же пути должны идти совершенствование и создание более сложных систем, своего рода робогенетика через робобиологию.

Итак, исследования многих лет в управлении техническими системами доказывают эффективность применения с этой целью бионического подхода, которая достигается за счет того, что подобный подход предусматривает использование кибернетической обратной связи Норберта Виннера, а именно, это необходимо для адаптивного управления в постоянно меняющихся условиях неопределенности.

Особенности программной модели machina speculatrix

С целью изучения особенностей моделирования биологических процессов живых организмов, которое осуществил Уолтер Грей при создании своих черепашек, а также применения их при создании других систем управления техническими и автоматизированными объектами с использованием программных средств было принято решение о создании компьютерной имитационной модели биоморфных кибернетических machine speculatrix. Модель представляет собой компьютерную программу, которая имитирует работу черепашек Элмер и Кора в программных кодах. Внешний вид программы представлен на рисунке 3.

Программа обеспечивает следующий набор основных функций:

–      создание поля для перемещения черепашек;

–      установка количества препятствий на поле;

–      установка количества источников света;

–      выбор вида черепашки (Элмер или Кора);

–      установка количества черепашек, которые будут перемещаться на поле;

–      управление источниками света (включение/выключение);

–      настройка черепашек (изменение технических параметров);

–      мониторинг изменения динамических параметров черепашек (например, заряд аккумулятора);

–      фиксирование и отображение траекторий движения черепашек.

Для реализации данной имитационной модели была избрана объектно-ориентированная технология программирования, и в связи с этим ее основу составила иерархия классов [4]. На рисунке 4 представлена диаграмма классов для основных компонентов данной имитационной модели, а именно – структура классов, описывающих непосредственно machina speculatrix. Другие классы, которые описывают поле, препятствия, источники света и т.п., опускаются как менее важные.

На вершине находится абстрактный класс TTurtle, реализующий черепашку вообще. В нем воплощены основные функции по отображению черепашки, ее перемещению по полю, поворачиванию в сторону на определенный угол и т.п.

От класса TTurtle наследуются классы TElemerTurtle и TCoraTurtle, которые соответственно реализуют модели черепашек Элмер и Кора.

Класс TElemerTurtle реализует особенности поведения черепашки Элмер в соответствии с описанием, приведенным выше. Модель Элмер также способна реагировать на столкновение с препятствием – сворачивать в сторону и обходить его, способна реагировать на свет, испытывать голод и боль, осуществлять поиск наиболее благоприятных условий и т.п.

Класс TCoraTurtle, кроме поведенческих особенностей черепашки Элмер, имеет еще и дополнительные функции по моделированию слуха и выработке условного рефлекса в соответствии с особенностями черепашки Кора. Если включить режим обучения, черепашка при каждом столкновении с препятствием начинает запоминать сигнал – свисток. Когда это происходит достаточное количество раз, у нее вырабатывается условный рефлекс, и тогда, если подать сигнал свистка, Кора будет сворачивать в сторону даже при отсутствии препятствия перед ней.

Исследования, проведенные с моделью, показали, что она полностью адекватно описывает объект моделирования. Виртуальные черепашки Уолтера Грея ведут себя точно так же, как и их реальные технические аналоги. Доказательством этому служит запись траекторий их движения. На рисунке 5 представлены результаты такой записи для одного из сеансов исследования.

Если сопоставить изображения на рисунках 2 и 5, то можно легко сделать вывод о том, что аппаратные и программные черепашки Уолтера Грея соответствуют друг другу. Программные черепашки также никогда в точности не повторяют свои действия от сеанса к сеансу, но всегда ведут себя в соответствии с поведенческой моделью. Иными словами, модель черепашек Уолтера Грея воплощает основные принципы бионического подхода к управлению кибернетическими системами.

Таким образом, исследования показали, что созданная модель полностью имитирует поведение черепашек Элмер и Кора, а также позволяет совершенствовать структуру таких бионических кибернетических систем без их технической реализации в железе.

Идеи моделирования рефлексов живых существ нашли свое отражение в разработке рефлекторного подхода для создания интеллектуальных систем [5]. Сегодня он эффективно используется для создания различных автоматизированных систем. Особенно популярен при разработке систем естественно-речевого общения. Последующие исследования предусматривают объединение особенностей модели machina speculatrix Уолтера Грея с рефлекторным подходом для создания интеллектуальных систем. Это позволит усовершенствовать структуру модели таких кибернетических систем и сделать управление ими более эффективным. Новая модель ляжет в основу ее технического аналога.

Литература

1.     Крайзмер Л.П., Сочивко В.П. Бионика. М.: Энергия, 1968. 115 с.

2.     Owen E. Grey Walter: The Pioneer of Real Artificial Life; Proc. of the 5th International Workshop on Artificial Life. MIT Press, Cambridge, 1997, pp. 34–44.

3.     Smit Michael C. Beam Robotics / Smit Michael C., Tilden Mark W.; Algorithm, 1991. Vol. 2. №. 2, pp. 15–19.

4.     Кендал С. UML. Основные концепции. М.: Изд. дом «Вильямс», 2002. 144 с.

5.     Тесля Ю.М. Несиловое взаимодействие: монография. Киев: Кондор, 2005. 195 с.