4.6. Самое главное - надежность

Часто из-за какой-то мелочи, например загрязненного контакта, ЭВМ перестает работать или делает ошибки. Чем сложнее устройство, чем больше в нем составных частей, тем больше вероятность, что оно откажет, выйдет из строя. Вы хорошо это знаете, хотя бы на примере радиоприемника. Стоит перегореть маленькому сопротивлению, и приемник уже не работает. А ведь ЭВМ устроена гораздо сложнее радиоприемника.

Другая проблема - ошибки, которые делает автоматическое устройство под влиянием помех. Ошибаются измерительные органы; в канале связи, по которому в виде последовательности импульсов передается информация, может, например, под действием внешних помех возникнуть посторонний импульс. Каковы бы ни были причины - устройству передается неверная информация и оно не может надлежащим образом управлять процессом.

Мы уже видели, изменение структуры автомата может повысить его надежность. Какая же структура наиболее благоприятна для этой цели?

Природа давно уже решила этот вопрос. Многие жизненные процессы регулируются, и выход из строя одного из регуляторов представляет собой смертельную опасность для живого организма. Однако нам хорошо известно, что в нормальных условиях до этого дело не доходит. Эти достижения природы тем более удивительны, что, по нашим сведениям, отдельные элементы регулирующих устройств в человеческом организме работают далеко не надежно.

Как же удается природе создать это чудо надежности - живой организм? Во многом это еще остается тайной. Но одно очевидно: регулирование жизненных процессов также имеет иерархическую структуру. Существование и функционирование даже отдельной клетки требует управления, которое должно уравновешивать постоянную работу разрушительных сил. Регулирование отдельных функций организма, которое мы уже рассматривали, является функцией организма, которое мы уже рассматривали, является результатом сложного взаимодействия органов тела. Мы говорили о том, что регуляторы этих процессов находятся в головном мозге. Добавим, что они занимают определенный участок мозга, повреждение которого (в результате несчастного случая) выводит из строя соответствующий регулятор. Свойство человека приспосабливаться к меняющимся внешним условиям объясняется деятельностью нервной системы на более высоком уровне управления (в рамках иерархической структуры). На том же уровне запоминается информация, полученная из опыта, приобретаемая в процессе обучения.

Управляющие сигналы и результаты измерений передаются в виде нервных импульсов, но эту функцию может выполнить и изменение содержания в крови некоторых химических веществ, выделяемых печенью и железами внутренней секреции.

При этом надо отметить, что само по себе нервное волокно обладает весьма посредственной проводимостью. Раздражение, представляющее собой электрохимический процесс, распространяется по нему со скоростью от 1 до 150 ^м/_с. Как правило, раздражение либо отсутствует, либо распространяется с максимальной скоростью. Дело в том, что каждый нейрон (нервная клетка) может находиться только в двух стабильных состояниях: активном и пассивном. Активное состояние соответствует возбуждению, пассивное - торможению. В этом случае принято говорить о двоичных элементах.

Двоичные элементы в технике вам наверняка встречались. Это транзисторы или диоды, применяемые в радиоприемниках, микрокалькуляторах и т. д. Если для нейронов существуют состояния возбуждения и торможения, то в электронных системах возможно прохождение или непрохождение тока через данный элемент.

Итак, передаваемый каждой отдельной нервной клеткой сигнал может принимать лишь два значения. У каждого человека около 20 миллиардов (!) нервных клеток, примерно половина которых приходится на головной мозг. Эти нервные клетки связаны друг с другом синапсами. Именно на этом участке особенно велика вероятность ошибки при передаче информации.

Учитывая несовершенство отдельной нервной клетки, трудно понять, как нервная система может надежно работать на протяжении многих десятилетий. Причина в том, что нервные стволы многоканальны и каждый сигнал передается в головной мозг сразу по нескольким каналам. Если даже часть нервных клеток выйдет из строя, это не будет иметь особых последствий - другие клетки передадут сигнал дальше. Такая степень надежности едва ли может быть достигнута техническими системами.

Можно сформулировать общий принцип надежности: функция какого-либо элемента будет выполняться надежно, если обеспечить некоторый избыток (резерв) элементов данного типа. Согласно определению, которое дается в работе [1]:

техническим резервированием называется введение в устройство дополнительных, в данный момент избыточных, средств (одинаковых конструктивных элементов, звеньев и систем) с целью бесперебойного выполнения важных функций.

Кстати, резервирование играет важную роль и в повседневной жизни. Так, при телефонном разговоре какое-то слово или даже часть фразы может быть искажена и ваш собеседник, возможно, не поймет того, что вы хотите ему сказать. Чтобы застраховаться от этого, вы повторяете свое сообщение или спрашиваете собеседника, как он вас понял (хотя само по себе это излишне).

Принцип резервирования имеет в технике большое значение, особенно для сложных приборов и устройств, выход которых из строя может привести к большим неприятностям.

Рис. 82. Упрощенное схематическое изображение нервных цепочек: а - без обратной связи; б - с обратной связью

Но вернемся к нейрону. Для кибернетика представляют интерес не все его свойства, а только те, которые связаны со сбором, обработкой и передачей информации. На рис. 82 показаны два сильно упрощенных примера нервных цепочек, где

x - состояние нейронов на входе,

y - то же на выходе, точки - возбужденные синапсы, треугольники - нейроны.

Объясним некоторые закономерности прохождения информации через \ нервную систему.

Возможные значения сигналов:

y = 0 (состояние покоя или торможения),

y = 1 (нервное волокно возбуждается и передает раздражение).

При передаче сигнала действует такое правило:

y = 0, если x₁ = x₂ = x₃ = 0;

y = 1, если хотя бы одно из значений (x₁, x₂ или x₃) равно единице.

На рис. 82, б изображена так называемая схема самоподдержания с обратной связью. Если в течение которого периода x = 1, то на долгий срок устанавливается значение y = 1. Сильно упрощая, можно сказать, что нервные цепочки с обратной связью отличаются главным образом тем, что способны вспоминать определенные события спустя долгий срок после того, как они произошли. Но свойства мозга и всей нервной системы определяются не свойствами отдельного нейрона, а сложным взаимодействием миллиардов нервных клеток. И если элементы высшего уровня управления однажды откажут(например, человек упадет в обморок), регулирование отдельных функций организма на низшем уровне будет продолжаться.

Еще раз подчеркнем, какое значение имеет структура для создания производительных и надежных автоматов. Специалисты в области техники и здесь могут поучиться у природы, как с помощью несовершенных средств можно обеспечить надежность сложных автоматизированных систем, повысить их Устойчивость к помехам. Главную роль здесь играют:

• резервирование - параллельное использование нескольких одинаковых элементов;
• иерархия - управление на нескольких уровнях, причем низший уровень, где происходит непосредственное управление объектом, может функционировать даже если, в случае аварии, откажет высший уровень.

Применение микро-ЭВМ должно значительно повысить надежность автоматических устройств. Их технологическая структура делает их неуязвимыми для многих помех. Кроме того, их можно комбинировать с другими ЭВМ так, чтобы получить систему максимальной надежности.