OTBS


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В.Ломоносова
Кафедра биомедицинской техники (наименование кафедры) Голдина Ирина Борисовна (фамилия, имя, отчество студента) Институт ИТиПХ курс 3 группа 598 РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА По дисциплине Основы теории биотехнических систем На тему Биотехнические инфраструктуры (наименование темы) Жизненные циклы и старение технических систем Отметка о зачёте (дата) Руководитель к.б.н., доцент Т.А. Ермолина (должность) (подпись) (и.о. фамилия) (дата) Архангельск 2012 ЛИСТ ДЛЯ ЗАМЕЧАНИЙ

ОГЛАВЛЕНИЕ
1 БИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИНФРАСТРУКТУРЫ 4
2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 12
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 13

1 БИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИНФРАСТРУКТУРЫ
Все технические системы и изделия, находящиеся в эксплуатации, контролируются и управляются человеком. При массовом производстве жизненный цикл системы или изделия происходит в рамках технических и социальных инфраструктур. В их рамках осуществляется профилактика, ремонт и другие эксплуатационные процедуры. Такие инфраструктуры являются биотехническими независимо от того из каких конкретных технических, биотехнических или организационных систем состоит обслуживаемый ими парк.
Все решения принимаются «хозяином» конкретной системы. Он принимает решение о прекращении жизненного цикла в системе, ее выводе из эксплуатации. В этом смысле не только вся современная техника, взятая как большая инфраструктура, может рассматриваться в качестве биотехнической системы. Биотехнической системой является и каждая единица техники, включенная в состав инфраструктуры. В процессе функционирования биотехнической системы ее биологические элементы и технические компоненты находятся в сложных отношениях. Индивидуальные механизмы самосохранения технической системы в рамках инфраструктуры дополняются внешними механизмами.
Если рассматривать эксплуатационный парк изделий, например медицинские приборы, как популяцию, то выясняются аналогии с биологическими, в том числе человеческими, популяциями. По мере развития цивилизации, биологические и технические популяции обрастают эпигенетической инфраструктурой. В популяциях человека возникают внешние, по отношению к организмам, санитарно-гигиенические, социальные и другие механизмы гомеостаза, которые усиливают его защитные механизмы, снижают риски и увеличивают продолжительность жизни. Парк технических изделий, функционирующий в рамках биотехнической инфраструктуры, также получает преимущество, что увеличивает сроки эксплуатации.
Особенность жизненного цикла технической системы в рамках инфраструктуры состоит в появлении системы дополнительных защитных механизмов и возникновение гомеостатических свойств. Гомеостаз – способность сохранять неизменность функциональных характеристик, не смотря на изменение внешней среды и внутреннего состояния. Понятие гомеостаза распространено и на биотехнические системы. Гомеостаз гарантирует сохранность структуры системы и поддержание баланса расхода и производства необходимых ресурсов, существование стационарного режима и устойчивость. Свойство гомеостаза реализуется только в определенной области внутренних состояний системы. В биологии - область совместимая с жизнью. Если живая система по каким-либо причинам выходит из области гомеостаза ее функциональное состояние резко ухудшается и устойчивость теряется, развивается катастрофические процессы, ведущие к смерти. В технических системах собственный гомеостаз выражен относительно слабо. Гомеостатические реакции, т.е. парирование возмущений внешних и внутренних осуществляется «хозяином» системы.
Жизненный цикл гомеостатической системы можно представить следующим образом. Старение системы, т.е. медленное снижение ее функциональных характеристик, постепенно (с возвратом τ) приближает систему к границам гомеостаза. При достижении границы медленный процесс старения сменяется быстрым процессом умирания, который протекает в масштабе времени t и заканчивается смертью. В системе техническое «изделие–хозяин», наступление «смерти» определяется решением «хозяина» о снятии изделия с эксплуатации.
Рассмотрим схему старения и прекращения функционирования гомеостатической системы (Рисунок 1). Уровень сохранности ресурса определяется темпами износа и восстановления. Ресурс уменьшается в результате старения, но возможны и внешние причины его падения. Скорость восстановления ресурса зависит от доступности ресурса в системе обслуживания и усилий «хозяина», направленных на его восстановление. Функциональное состояние - суммарный итог доступности ресурса, усилий «хозяина» и внешних процессов. Старение рано или поздно приводит к решению «хозяина» прекратить усилие по поддержанию прибора в рабочем состоянии, наступает смерть, т.е. эксплуатация прибора прекращается.
+y
V
-W
Процесс функционирования
Уровень х
Функциональное состояние гомеостатических механизмов




xD
Внешние ущербы


Старение


W - темпы износа; x – ресурс; y - темпы восстановления; V - уровень доступности внешнего ресурса; xD - предел ресурса
Рисунок 1 - Схема старения и прекращения функционирования гомеостатической системы (для отдельно взятого медицинского прибора)
Рассмотрим общую модель жизненного цикла гомеостатической системы, имея в виду биологический и биотехнический варианты. В биологической системе жизнедеятельность описывается скоростью потребления ресурсных веществ и их запасом или уровнем. Основным внутренним ресурсом является уровень кислорода. В технической системе будем рассматривать внутренний конструктивный ресурс, снижение которого определяется эксплуатационным износом. В биологических системах компенсация расхода ресурса производится физиологическими системами (дыхание, кровообращение и др.). В технической системе эту функцию выполняет «хозяин» системы, прибегая к внешним возмущениям инфраструктуры. Изменение ресурса идет в быстром времени t и описывается уравнением:
dxdt=α-W+yt. (1)
Все величины в уравнении усреднены на характеристическом интервале времени t, который много меньше возрастного интервала τ. Для бактерии быстрое время измеряется в минутах, возраст в сутках. Для медицинского прибора время t имеет порядок часов, а τ определяется периодичностью перерегистрации (ежегодной поверки). Темп восстановления ресурса в возрасте τ можно описать уравнением:
y=Sτ(V-x), (2)
где Sτ- гомеостатическая способность в возрасте τ (для живого организма - эффективность биологических систем; для прибора - эффективность усилий и «хозяина» по поддержанию прибора в эксплуатации);
V- уровень доступности внешнего ресурса (для организма – кислород атмосферы, для прибора – обобщенная характеристика системы обслуживания).
Гомеостатические системы существенно нелинейны: эффективность самосохранения зависит от текущего ресурса x(t). Пока ресурс высок эксплуатация не вызывает трудностей. При возрастании износа затраты на поддержание гомеостаза растут и в конце концов восстановление ресурса делается невозможным.
В модели предполагается выполнение следующих условий:
если x≥xD, то Sτ=Sτ', (3)
если x<xD, то Sτ=Sτ'xxD, (4)
где xD- порог ресурса;
Sτ'- нормальное значение Sτ в возрасте τ без учета порогового характера поведения системы.
Снижение Sτ до порогового уровня может наступить как в ходе естественного старения, так и в результате травмы, болезни. При нормальных значениях Sτ существует стационарный уровень xτ, сохраняющийся в быстром времени:
xτ=V-WSτ . (5)
С возрастом гомеостатические возможности Sτ экспоненциально снижаются:
Sτ=S0∙exp-Rτ, (6)
где R- темп снижения;
S0- значение S в возрасте τ=0.
В масштабе времени τ уровень xτ медленно снижается, достигая в некотором возрасте τD критического значения xD:
τD=-1R∙lnWS0kV-xD. (7)
Для организма животного процессы старения смерти представлены графически на рисунке 2:

Рисунок 2 – Процесс старения и смерти организма животного

На рисунке 3 графически представлен процесс «старения» медицинского прибора.

Рисунок 3 – Процесс «старения и смерти» медицинского прибора

2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Исходные данные представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Исходные данные
α W V x S0 τ R k xD
0,9 0,1 1 0,89 0,46 35 -0,01 0,96 0,89
Гомеостатические возможности находим по формуле (6):
Sτ=S0∙exp-Rτ=0,46∙exp0,01∙35=0,653,
Темп восстановления ресурса рассчитываем по формуле (2):
y=Sτ∙V-x=0,653∙1-0,89=0,072,
Изменение ресурса находим по формуле (1):
dxdt=α-W+yt=0,9∙-0,1+0,072t=-0,025,
«Нормальное» значение Sτ в возрасте τ без учёта порогового характера поведения системы находим по формуле (3):
Т.к. x=xD, то Sτ'=Sτ=0,653,
Стационарный уровень рассчитываем по формуле (5):
xτ=V-WSτ=1-0,10,653=0,847,

Возраст τD, при котором уровень xτ достигает критического значения xD, рассчитываем по формуле (7):
τD=-1R∙lnWS0kV-xD=-1-0,01∙ln0,10,46∙0,96∙1-0,89≈72 года.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были произведены расчёты по жизненному циклу и старению технических систем при помощи лекционного материала, для нахождения гомеостатической возможности Sτ; темпа восстановления ресурса y; изменения ресурса dxdt; «нормального» значения Sτ в возрасте τ без учёта порогового характера поведения системы; стационарного уровня xτ; возраста τD, при котором уровень xτ достигает критического значения xD.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 СТО 01.04 – 2005. Работы студентов. Общие требования и правила оформления [Текст]. – М.: Архангельск: Изд-во АГТУ, 2006. – 103 с.

Приложенные файлы

  • docx 19140690
    Размер файла: 50 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий