генетические принципы структурообразования гибридных

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
УДК 621.313
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ГИБРИДНЫХ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Шинкаренко В.Ф., д.т.н., проф., Гайдаенко Ю.В., асп.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»
пр-т Победы, 37, НТУУ “КПИ”, корп. 20, кафедра электромеханики, 03056, г. Киев, Украина
Е-mail: [email protected]
Научно обосновываются принципы генетического синтеза гибридных электромеханических структур. Рассматривается универсальная генетическая модель гибридизации структур межвидового уровня. Определяется
статус и количественный состав классов гибридных электромеханических систем. Анализируются направления
дальнейшего развития и практического использования результатов исследований.
Ключевые слова: электромеханический объект, генетическая информация, скрещивание, гибридная структура.
Введение. Электромеханические системы (ЭМсистемы) относятся к особому классу сложных динамических систем природного и природноантропогенного происхождения, имеющих собственную периодическую систему элементов (генетическую классификацию), и представляющих собой
упорядоченное разнообразие развивающихся видов
[1]. Характерными тенденциями эволюции ЭМсистем является увеличение их видового разнообразия, повышение структурной сложности и интеграция с другими системами. Характеризуя проблему
сложности, автор теории синергетики Герман Хакен
отмечал: «Основная отличительная особенность
сложных систем – их поистине неисчерпаемое разнообразие, в котором нам так и не удается разобраться, несмотря на многочисленные попытки понять до конца природу сложных систем… Так как
сложные системы поистине вездесущи, перед нами
возникает острая проблема отыскания унифицированных принципов, которые позволили бы нам
должным образом подходить к исследованию таких
систем» [2].
В современной научной, технической и учебной
литературе широко используются термины «гибридные», «комбинированные», «совмещенные»,
«интегрированные» системы, а также их производные: «агрегативные», «композитные», «комплексные», «объединенные», «сложные» системы, которые в ряде случаев, трактуются как синонимы, а
иногда несут различную смысловую нагрузку, при
отсутствии их должного научного обоснования и
толкования.
Познание генетических принципов структурной
организации гибридных систем – ключ к проблеме
структурного предвидения и инновационного синтеза сложных ЭМ-систем. Решение указанной проблемы относится к прерогативе нового научного
направления, обобщаемого понятием «Генетическая
электромеханика». Поэтому научное обоснование
генетических принципов гибридизации и закономерностей развития видового разнообразия гибридных ЭМ-систем, представляет собой актуальное
направления фундаментальных исследований генетической и структурной электромеханики.
Анализ предыдущих исследований. Генетический поход к синтезу электромеханических структур
впервые был использован в задачах направленной
генерации многокоординатных ЭМ-систем [3]. Свое
дальнейшее развитие теория синтеза гибридных
электромеханических объектов получила в рамках
обобщенной теории генетической эволюции ЭМсистем [1].
Цель работы Научное обоснование принципов
генетического синтеза гибридных видов ЭМ-систем
и определение источников их структурного разнообразия.
Материал и результаты исследования. В
большом энциклопедическом словаре понятие «гибриды» (от лат. hibrida, hybrida — помесь), определяется как потомство, полученное в результате скрещивания генетически различных родительских
форм. Данное определение инвариантно к физической природе исходных структур и, поэтому, применимо как по отношению к объектам природного,
так и антропогенного происхождения. Исходя из
определения, можно выделить следующие характерные признаки гибридов:
1. Гибриды имеют генетическую (наследственную) природу;
2. Гибридные структуры являются результатом
скрещивания - одного из наиболее продуктивных
генетических механизмов структурообразования;
3. Исходные (родительские) структуры, подлежащие скрещиванию, должны быть наделены генетической информацией;
4. Родительские структуры должны иметь фиксированные различия в составе генетической информации.
5. Гибриды представляют собой структуры более
высокого уровня сложности, образованные в результате генетического синтеза из целостных генетически определенных первичных форм.
Указанные критерии, по существу, определяют
требования к теории структурообразования гибридов. Таким образом, корректное применение понятия «гибрид» в той или иной области знаний предполагает наличие соответствующей теории генетического структурообразования, основу которой составляют понятия генетической информации и генетический принцип скрещивания. Процесс гибридизации, в свою очередь, возможен при наличии исходного множества генетически определенных пер-
Вісник КДУ імені Михайла Остроградського. Випуск 3/2010 (62). Частина 2
47
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
вичных структур, т.е. структур, наделенных генетической информацией, при условии, что структуры
подлежащие скрещиванию, удовлетворяют правилам генетической совместимости.
Постановка проблемы в такой плоскости разделяет науки о развивающихся системах на две части.
К первой относятся научные дисциплины, имеющие
в своем арсенале периодическую систему первичных элементов и соответствующую генетическую
теорию структурообразования (биология, химия,
геология, кристаллография), ко второй – все остальные. Этим объясняется и отсутствие теоретических
обобщений в области анализа и синтеза гибридных
структур, что характерно для дисциплин второй
группы. После открытия генетической классификации первичных источников электромагнитного поля
и разработки основ теории генетической эволюции
ЭМ-систем [1], к первой группе дисциплин относительно недавно присоединилась и электромеханика.
Принципы структурообразования гибридных
ЭМ-систем. Функцию элементного базиса в задачах
генетического синтеза ЭМ-структур выполняют
первичные источники электромагнитного поля,
множество которых упорядочивается периодической структурой Генетической классификации (ГК)
[1]. В терминах генетической теории структурообразования первичные источники поля эквивалентны
понятию родительских электромагнитных хромосом
(х- и у- ориентированности).
Исходя из определения, некоторая гибридная
структура Н образуется в результате скрещивания
порождающих структур А и В, различающихся по
составу генетической информации
(1)
A× B → H ,
где символом × обозначен оператор генетического
скрещивания исходных хромосом.
Скрещивание – один из пяти принципов, определяющих аксиоматический базис теории генетического синтеза ЭМ-систем [1]. Принцип скрещивания, совместно с принципами репликации, инверсии, кроссинговера и мутации, определяет генотипическую изменчивость структурного разнообразия
объектов-потомков в процессе эволюции произвольных Видов ЭМ-структур.
В зависимости от типа электромагнитных хромосом, подлежащих скрещиванию, в результате синтеза образуются соответствующие классы гибридов:
первичные (А1 × В1), вторичные (А2 × В2) или смешанные (А1 × В2; В1 × А2).
Первичные гибриды являются результатом пространственного совмещения двух первичных электромагнитных хромосом, образуя парную хромосому статического типа:
A1 × B1 → (H 11 , H 12 , ... , H 1n ) ,
(2)
где H11, H12, … , H1п - варианты пространственного
размещения исходных элементов в синтезированной
структуре (гибриде); п - количество гибридов типа
H1і , i = 1, n . Структурными эквивалентами первичных гибридов выступают совмещенные обмотки и
магнитные системы, двухобмоточные, двухстатор-
ные и двухиндукторные электрические машины.
По аналогичному сценарию можно осуществлять
скрещивание вторичных хромосом динамического
типа, при условии, что их генетическая информация
заведомо известна:
A2 × B2 → (H 221, H 222 , ... , H 22n ) .
(3)
Синтез с использованием модели (3) приводит к
образованию вторичных гибридов типа H22і ,
i = 1, n . К потомкам вторичных гибридов относятся
подвижные части электрических машин, совмещающие две или большее число обмоток, различающихся своими генотипическими признаками.
Следует отметить, что число вариантов скрещивания первичных гибридов определяется комбинаторным пространством трех пар генетических признаков родительских хромосом. Структура вторичных гибридов, в большинстве случаев, определяется
пространством вторичных (приобретенных) признаков. Синтез гибридов смешанного типа определяется процедурами скрещивания источников поля первичного и вторичного типа.
В алгоритмах генетического синтеза гибридных
структур процедура скрещивания реализуется посредством генетического оператора скрещивания.
f S (а, b)=(a × b)→Hab .
(4)
Условия совместимости для большинства ЭМобъектов на хромосомном уровне определяются
требованиями электромагнитного, пространственного (геометрического) и топологического совмещения исходных хромосом.
В зависимости от видовой принадлежности исходных хромосом и их положения в структуре ГК,
синтез гибридных ЭМ-структур может осуществляться на внутривидовом, межвидовом, внутриродовом, межродовом или межсистемном уровнях.
Таким образом, электромеханические гибриды – это
синтезированные структуры - потомки, полученные
в результате скрещивания генетически определенных источников электромагнитного поля, различающихся по составу генетической информации.
В соответствии с принципом сохранения генетической информации, генетический код произвольного первичного источника электромагнитного поля
содержит в себе генетическую программу соответствующего вида ЭМ-системы. Поэтому скрещивание структур, принадлежащих к различным видам,
осуществляется с использованием конвергентных
генетических моделей межвидового синтеза [1].
Представим исходные электромагнитные хромосомы А и В в выражении (1) соответствующими
трехзвенными структурами генетических кодов:
А = (а1, а2, а3) ∈ SA,
(5)
В = (b1, b2, b3) ∈ SB,
(6)
где а1, а2, а3, b1, b2, b3 – составляющие генетической
информации скрещиваемых хромосом, принадлежащих видам SA и SB соответственно. Обозначим
идентичные (не пересекающиеся) составляющие в
структуре кодов цифрой 0. По аналогии с биологическими гибридами, в зависимости от количества
скрещиваемых признаков, будем различать: моно-
Вісник КДУ імені Михайла Остроградського. Випуск 3/2010 (62). Частина 2
48
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
тических признаков, будет определяться соотношением:
Q3 = (а1, а2, а3) × (b1, b2, b3).
(9)
гибриды (один признак), дигибриды (пара признаков) и полигибриды (больше двух скрещиваемых
признаков). Тогда задача определения структур,
допускающих скрещивание, сводится к определению возможных комбинаторных вариантов несовпадающих составляющих генетической информации
в генетических кодах исходных электромагнитных
хромосом.
С учетом сказанного, область существования
моногибридов Q1 можно представить в виде комбинаторного пространства признаков двух диагональных матриц:
a1 0 0
b1 0 0
Комбинаторное пространство допустимых скрещиваний на межвидовом уровне можно представить
графически в виде обобщенной генетической модели (рис. 1), которая наглядно отображает конкретные траектории синтеза и уровни гибридизации, а
также содержит информацию о возможных классах
гибридных структур.
Области существования гибридов, представленные выражениями (7), (8) и (9), содержат информацию как об известных (реально-информационных)
классах, так и о потенциально возможных (неявных)
классах электромеханических гибридов. Таким образом, разнообразие гибридов ЭМПЭ на межвидовом уровне определяется следующими классами
объектов (рис. 1):
- тремя классами моногибридных структур:
Q1 = (H11, H12, Н13),
(10)
где
H11 = (а1, 0, 0) × (b1, 0, 0);
(11)
H12 = (0, а2, 0) × (0, b2, 0);
(12)
H13 = (0, 0, а3) × (0, 0, b3);
(13)
Q1 = 0 a 2 0 × 0 b2 0 .
(7)
0 0 a3
0 0 b3
Для дигибридных структур область Q2 определяется комбинаторным пространством двухэлементных признаков
a1 a2 0
b1 b2 0
Q2 = 0 a2 a3 × 0 b2 b3 .
(8)
a1 0 a3
b1 0 b3
Область существования полигибридных структур Q3, различающихся по всем трем группам генеН301
Н21
Класс полигибридов
Н22
Н11
a1
a2
a3
Н12
Классы
дигибридов
Н23
Классы
моногибридов
Н13
b1
b2
b3
Рисунок 1 – Обобщенная генетическая модель межвидовых скрещиваний: а1, а2, а3, b1, b2, b3 –
cоставляющие генетической информации в кодах исходных хромосом; Н11, Н12, Н13 – класс
моногибридов; Н21, Н22, Н23 – классы дигибридов; Н301 – классы полигибридов
- тремя классами дигибридных структур:
Q2 = (H12, H23, Н31),
(14)
где
H21 = (а1, а2, 0) × (b1, b2, 0);
(15)
H22 = (0, а2, а3) × (0, b2, b3);
(16)
H23 = (а1, 0, а3) × (b1, 0, b3),
(17)
и одним классом полигибридов:
Q3 = H301 = (а1, а2, а3) × (b1, b2, b3).
(18)
Комбинаторика скрещиваний, представленная
выражениями (10) – (18), исчерпывает генетически
допустимое разнообразие гибридных классов ЭМсистем на уровне двух произвольных видов.
Генетическая информация, содержащаяся в та-
кой обобщенной модели, открывает возможность
направленного синтеза конкретных классов гибридов как на внутриродовом, так и на межродовом
уровнях структурной организации ЭМ-систем.
Выводы. Полученные результаты структурных
и геномных исследований можно обобщить следующими положеннями.
1. Научно обосновано понятие гибридных
электромеханических структур и впервые дано их
корректное определение.
2. Впервые определены принципы синтеза гибридных ЭМ-систем, основу которых составляет
Вісник КДУ імені Михайла Остроградського. Випуск 3/2010 (62). Частина 2
49
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
генетический принцип скрещивания электромагнитных родительских хромосом, имеющих различие в генетической информации.
3. Научно доказано, что источниками разнообразия гибридных ЭМ-систем на межвидовом уровне выступают первичные источники электромагнитного поля (родительские электромагнитные
хромосомы). Генетическая информация, заключенная в структуре генетических кодов скрещиваемых
родительских хромосом, содержит полную генетическую программу синтеза гибридных ЭМобъектов межвидового уровня.
4. По результатам генетического моделирования определено 3 уровня (по количеству скрещиваемых признаков) межвидовой гибридизации.
Впервые установлено, что скрещивание родительских хромосом двух произвольных видов порождает 7 гибридных структур, которым ставятся в соответствие 3 класса моногибридов, 3 класса дигибридов и 1 класс полигибридов.
5. Представленная генетическая модель гибридизации обладает явно выраженной прогностической функцией, так как содержат полную информацию как о реальных структурных классах гибридов, так и классах гибридов неявного типа, еще
отсутствующих на данное время эволюции ЭМсистем.
6. Результаты исследования составляют методологическую основу для постановки задач структурного предвидения и направленного синтеза
электромеханических гибридных ЭМ-систем внутриродового, межродового и межсистемного уровней сложности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шинкаренко В. Ф. Основи теорії еволюції
електромеханічних систем / Шинкаренко В. Ф.
– К.: Наукова думка, 2002. – 288 с.
2. Хакен Г. Информация и самоорганизация.
Макроскопический подход к сложным системам /
Хакен Г. - М.: КомКнига, 2005. – 248 с.
3. Шинкаренко В. Ф. Эволюционные модели
видообразования в задачах направленного поиска и
синтеза новых структурных разновидностей двухстепенных электрических машин / Шинкаренко В.
Ф., Руденко С. М., Андросюк С. В.
// Електромашинобудування та електрообладнання. –
2001. - №56. – С. 61 – 66.
Статья поступила 23.03.10 г.
Рекомендована к печати д.т.н., проф.
Чорним А.П.
ГЕНЕТИЧНІ ПРИНЦИПИ СТРУКТУРОТВОРЕННЯ ГІБРИДНИХ
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМ
Шинкаренко В.Ф., д.т.н., проф., Гайдаєнко Ю.В., асп.
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»
пр-т Перемоги, 37, НТУУ “КПИ”, корп. 20, кафедра електромеханіки, 03056, м. Київ, Україна
Е-mail: [email protected]
Науково обгрунтовуються принципи генетичного синтезу гібридних електромеханічних структур. Розглядається універсальна генетична модель гібридизації структур міжвидового рівня. Визначається статус і кількісний
склад класів гібридних електромеханічних систем. Аналізуються напрями подальшого розвитку і практичного
використання результатів досліджень.
Ключові слова: електромеханічний об’єкт, генетична інформація, схрещування, гібридна структура.
GENETIC PRINCIPLES OF HYBRID ELECTROMECHANICAL SYSTEMS’
STRUCTURIZATION
V. Shynkarenko, Doc. of Sci. (Tech), prof., I. Gaidaienko, post-grad.
National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”
Peremohy av., 37, NTUU “KPI”, building 20, the Electromechanics department, 03056, Kyiv, Ukraine
Е-mail: [email protected]
This article scientifically grounds the genetic principles of hybrid electromechanical structures. The universal genetic hybridization model of interspecific-level structures is considered here. In this paper the status and quantitative
composition of hybrid electromechanical systems’ classes are established. The lines of further development and practical application of research results are analyzed.
Key words: electromechanical object, genetic information, crossing, hybrid structure.
Вісник КДУ імені Михайла Остроградського. Випуск 3/2010 (62). Частина 2
50