Трёхзначные электронные элементы, моделирующие болевые ощущения

	Базовый уровень статей Выделить только проверенную информацию
	Создать черновик

Авторская работа Автор: Виталий Пиусович Карчевский (заведующий кафедрой информационных технологий Украинской инженерно-педагогической академии) Руководитель: Не требуется Работа не имеет рецензии.

Введение

В работах [2-4, 6-11] рассматривается использование троичных электронных элементов, предложенных автором, для создания систем отличающихся их эффективным контролем и диагностированием. В таких системах используются аналогии с живыми организмами и техническая интерпретация этих аналогий.

Так, в живых организмах боль имеет важное значение для адаптации организма к среде и его нормальной жизнедеятельности, включая разумное поведение и интеллектуальные, мыслительные функции. Передача информации об обычных и болевых раздражениях осуществляется в нейронных сетях живых организмов. Согласно теории специфичности боль связана со своим исключительно обособленным рецепторным аппаратом и самостоятельными путями проведения в центральную нервную систему. В теории интенсивности допускается, что одни и те же рецепторы, одни и те же системы отвечают в зависимости от силы раздражения как не болевым, так и болевым ощущением. Промежуточную позицию занимает распространенная теория «воротного контроля» Р.Мелзака и П.Уолла [1].

Боль учит живое осторожности, заставляет его беречь свое тело, предупреждая о грозящей опасности и сигнализируя о болезни. Но, боль может и сама становиться при-чиной нарушений в организме, причиной расстройства деятельности органов и систем. Это — патологическая боль, которая может проявляться в следующих формах: невралгия (повреждение чувствительных нервов), каузалгия (перерыв нервных стволов), фантомная боль (боль в той части тела, которая отсутствует, например, после ампутации).

Рассмотрим подход к построению искусственных схем, в которых по аналогии с нейронными сетями живых организмов осуществляется передача, как обычной информации, так и информации об отказах.

Определение комбинационного тильда-элемента

Рассмотрим некоторый ~ — элемент (тильда-элемент) с n входами и одним выходом, трехзначная функция которого представлена следующим образом

${\tilde {f}}={\begin{cases}f(x_{1},...,x_{i},...x_{n}),&{\mbox{if }}\forall x_{i}\left[x_{i}\in (0,1)\right],\\\sim ,&{\mbox{if }}\exists x_{i}\left(x_{i}=\sim \right),\end{cases}}$

где $f(x_{1},...,x_{i},...x_{n})\,$ — двоичная функция.

То есть, такой ~-элемент функционирует как двоичный, если на всех его входах имеются логические («не болевые») сигналы 0 или 1 [2,3]. Если же хотя бы на одном входе элемента будет сигнал об отказе ~ («болевой»), то и на его выходе будет сигнал ~. Следовательно, этот элемент выполняет функцию трансляции сигнала об отказе с входов на выход.

Определим идеальный ~ — элемент, который кроме трансляции сигналов об отказе с входов на выход должен также обеспечивать генерирование на выходе сигнала ~ при отказе внутри самого элемента. В этом случае

${\tilde {f}}={\begin{cases}{\tilde {f}}(x_{1},...,x_{n}),&{\mbox{if }}\forall x_{i}\left(\alpha _{i}\in N\right),\\\sim ,&{\mbox{if }}\forall \alpha _{j}\left(\alpha _{j}\notin N\right),\end{cases}}$

где {α₁,…,α_ı,α_j } — множество состояний элемента, N — подмножество со-стояний элемента присущее исправному элементу.

Очевидно, что функционирование ~ — элемента может быть описано трехзначной логической функцией. От алфавита 1, 0 и ~ можно перейти соответственно к симметричному алфавиту 1, −1, 0 и к несимметричному алфавиту 2, 1,0. Все возможные варианты соответствия между алфавитами приведены в таблицах 1 и 2. Однако все 12 вариантов соответствия между алфавитами можно свести к двум: симметричный вариант, когда сигнал ~ находится между информационными сигналами и несимметричный вариант.

Таблица 1 — Варианты соответствия алфавитов 1,0,-1 и 1,0,~ 1 ~ ~ 0 1 0 1 0 0 1 ~ ~ 1 0 -1 1 0 1 0 ~ ~

Таблица 2 — Варианты соответствия алфавитов 2,1,0 и 1,0,~ 2 ~ ~ 0 1 0 1 1 0 1 ~ ~ 1 0 0 1 0 1 0 ~ ~

Недостатком элементов, функционирующих в симметричном алфавите, является обязательное появление сигнала об отказе при изменении информационных сигналов. Для элементов с несимметричным алфавитом характерны более жесткие допуски на уровни сигналов.

В соответствии с предложенным автором арифметико-логическим способом [2] любую трехзначную функцию ƒ³ можно представить через две двухзначных функции ƒ₁²,ƒ₂² , между значениями которых выполняется арифметическая операция вычитания: ƒ³=ƒ₁²-ƒ₂². Функции ƒ₁² и ƒ₂² задаются в алфавите 0, 1; их аргументами являются характеристические функции $x_{i}^{k}={\begin{cases}1&\quad npu\quad x_{i}=k,\\0&\quad npu\quad x_{i}\neq k,\end{cases}}$ где χ_ı,kє{-1,0,1}.

Исходя из этого, например, функцию ~ — элемента И-НЕ с двумя входами можно представить так: $f^{3}(x_{1},x_{2})=\left(x_{1}^{-1}\vee x_{2}^{-1}\right){\bar {x}}_{1}^{0}{\bar {x}}_{2}^{0}-x_{1}^{1}x_{2}^{1}$

Оптоэлектронная схема тильда-элемента 2И-НЕ

На рис. 1 показан оптоэлектронный вариант ~ — элемента 2И-НЕ [2,4]. Структура элемента соответствует вышеуказанной функции. В этом потенциальном элементе сигналам −1, 0, 1 (0, ~, 1) соответствуют напряжения U₋₁, U₀, U₁, причем -E≤U₋₁≤U_пор, -U_пор<U₀<U_пор, U_пор≤U₁≤E, где Е(-Е) — напряжения питания элемента, а U_пор — пороговое напряжение.

Рисунок 1 — Схема потенциального ~ — элемента 2И-НЕ, работающего в симметричном алфавите

В таблице 3 приведено функционирование элемента при различных его состояниях. Состояние α₁ характеризует функционирование элемента без дефектов, остальные состояния -α₂ -α₁₁ при наличии таких одиночных дефектов, как обрывы и ко-роткие замыкания светодиодов и фототранзисторов. При четырех дефектах (короткие замыкания фототранзисторов VT1, VT2, VT4 и VT5 — состояния α₇, α₈, α₁₀, α₁₁) на одном из наборов входных сигналов нарушается функция трансляции сигнала об отказе. При остальных дефектах элемент либо функционирует как исправный, либо генерирует сигнал об отказе.

Однако, только состояние α₂ (например, обрыв выхода) полностью соответствует функции генерирования сигналов об отказе идеального ~ — элемента. Поэтому в ~ — комбинационных устройствах имеет место накопление дефектов (аналогия с невралги-ей) и застревание сигналов об отказе (аналогия с каузалгией). Также в комбинационных устройствах дефект соединения выхода с входом одного и того же элемента можно интерпретировать и как аналог генератора патологически усиленного возбуждения [5]. Важно отметить, что комбинационные устройства можно строить заменой двоичных элементов соответствующими ~ — элементами для любого алфавита.

Таблица 3 — Состояния входных и выходных сигналов ~ - элемента 2И-НЕ Сигналы на входных элементах Сигналы на выходе элемента при различных его состояниях x1 x2 α1 α2 α3 α4 α5 α6 α7 α8 α9 α10 α11 0 0 1 ~ ~ 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 ~ ~ 1 ~ 1 ~ 1 1 1 1 1 0 0 ~ ~ 1 1 ~ 1 1 1 ~ 1 1 1 0 ~ 0 ~ 0 0 0 0 ~ 0 0 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 1 ~ 0 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 1 ~ ~ ~ 1 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0 ~ ~ 1 ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

Последовательные устройства на тильда-элементах

Рассмотрим построение ~ -дискретных устройств с памятью [2,6]. По аналогии с RS-триггерами, которые построены на двух двоичных логических элементах 2И-НЕ, проанализируем такую же структуру на ~ -элементах 2И-НЕ (рис.2).

Рисунок 2 — Структура на ~ -элементах 2И-НЕ

Пусть сигнал ~ в некоторый момент времени появится на одном из выходов структуры, тогда и на другом выходе будет сигнал ~. Можно утверждать, что каким бы ни было последующее изменение сигналов на входах, вывести такую структуру с указанного состояния будет невозможно. Но такое состояние в рассмотренном выше ~ -элементе 2И-НЕ соответствует выключенному питанию элементов, а значит, при включении питания на обоих выходах структуры будет сигнал ~. Таким образом, RS-триггер не может быть непосредственно построен на двух ~ -элементах 2И-НЕ с рассмотренным симметричным алфавитом. Этот вывод можно обобщить — любое устройство с памятью не может быть построено заменой двоичных элементов ~ -элементами с сигналами −1, 0, 1 (0, ~, 1) и с сигналами 0,1,2 (~,0,1).

В [2] описано, что ~RS-триггер можно создать, если не допустить появления ~ сигналов на вторых входах ~ -элементов 2И-НЕ, которые посредством обратной связи подключены к выходам триггера (рис.3). Кроме того, в такой ~RS-триггер для его ус-тойчивой работы целесообразно дополнительно вводить специальные элементы син-хронизации (рис.4). При построении триггеров можно также выбрать такое соответст-вие алфавитов, когда ~≠0.

Рисунок 3 — ~RS-триггер с блокировкой ~ сигнала в обратной связи: а — схема; б — условное обозначение

Рисунок 4 — ~RS-триггер с специальными элементами синхронизации

Элементы D3 и D4 (рис.3) реализуют функцию $y={\bar {x}}^{-1}-x^{-1}$, а элементы синхронизации D1 и D2 (рис.4) построены в соответствии с формулой ƒ³(x₁c)=(x⁻¹c⁻¹ ν x⁰c⁻¹ v x¹c¹)-x⁻¹c¹=(c⁻¹(x⁻¹ v x⁰ v x⁻¹) v x⁻¹c¹). Так как x¹ v x⁰ v x⁻¹=1, то ƒ³(x, c)=(c⁻¹ v x¹c¹)-x⁻¹c¹.

Моделирование боли в соответствии с теорией «воротного контроля»

Концептуально моделирование боли в дискретных устройствах позволяет осуществлять их контроль в процессе функционирования. Важна идея совмещения, интегрирования в ~ — устройствах не только функций логической обработки сигналов, но также датчиков дефектов и каналов передачи «болевых» сигналов. Но даже в простом логическом элементе (рис.1) короткие замыкания фототранзисторов нарушают логику функционирования — иногда пропадает «болевой» сигнал (табл.3). Если обеспечить, что фототранзисторы ~ — элемента 2И-НЕ в закрытом, открытом и коротко замкнутом состоянии будут иметь существенно разные сопротивления (R_закр>>R_откр>>R_кз), то увеличивающийся ток в нагрузке при коротком замыкании можно использовать для пережигания плавких дополнительных вставок, включенных последовательно с фототранзисторами. При этом дефект короткого замыкания преобразуется в обрыв фототранзистора. При обрыве же фототранзистора ~ — элемент 2И-НЕ осуществляет генерирование сигнала ~ и функция трансляции сигнала ~ не нарушается. Это один из способов создания теоретически идеального ~ — элемента.

С другой стороны, даже идеальный ~ — элемент 2И-НЕ, как показано в предыду-щем разделе, не позволяет без проблем строить соответствующие устройства с памятью.

Поэтому естественно рассматривать применение комбинированных ~ дискретных устройств, в которых используются двоичные и троичные элементы [2,7]. На рис.5 показано такое двухвходовое устройство. Элементы D1 и D2 предназначены для преобразования троичного алфавита в двоичный, элемент D3 — наоборот, для преобразования двоичного алфавита в троичный. Элементы D4 и D5 обеспечивают трансляцию «болевого» сигнала. Такое дискретное устройство соответствует теории «воротного контроля» в объяснении боли.

Рисунок 5 — Комбинированное дискретное устройство для трансляции сигнала ~

Моделирование боли в соответствии с теорией специфичности

С целью контроля дискретных устройств в процессе функционирования к ним могут быть подключены датчики отказов. Информация с датчиков может поступать на схемы обработки диагностической информации либо на индикаторы по отдельным каналам. Такая организация контроля дискретных устройств будет соответствовать теории специфичности. Боль в соответствии с этой теорией связана со своим исключительно обособленным рецепторным аппаратом и самостоятельными путями проведения в центральную нервную систему. Дискретное устройство на рис.6 построено в соответствии с описанным принципом [2,8].

Рисунок 6 — Дублированное дискретное устройство с обнаружением отказов

Причем, в качестве датчиков отказов используются сами двоичные дискретные устройства, только дублированные. Их выходы подключены к входам, можно в этом случае сказать «специфического» уже троичного ~ -элемента сравнения (рис.7). На выходе элемента сравнения формируется «болевой» сигнал. Так как ~ -элементам присуще само диагностирование, то можно практически получить повышенную надежность системы контроля двоичных блоков для рассматриваемой структуры. Естественно в структуру могут войти дополнительные ~ -элементы для передачи, комбинационной обработки и фиксации «болевых» сигналов.

На рис.7 указана также функция ~ -элемента сравнения.

Рисунок 7 — Оптоэлектронный ~ -элемент сравнения

Выводы

Новые ~-элементы, моделирующие болевые ощущения, впервые были предложены автором еще в 1984 году [4] с целью создания цифровых систем с «само диагностированием» в процессе их функционирования. В идеале применение ~ — элементов позволяет: отказаться от синтеза схем встроенного контроля; сократить количество информационных шин, что очень важно в интегральной технологии изготовления микросхем; а также обеспечить любую требуемую глубину диагностирования. Но рассмотренные ~ — элементы оказались не свободными от недостатков: это значительная избыточность; возникают проблемы при реализации устройств с обратными связями; более сложны вопросы гонок, состязаний и синхронизации; в настоящее время отсутствует эффективная интегральная элементная база.

В статье описаны троичные ~ -элементы. Важен факт существенной зависимости свойств таких элементов от выбора физической сущности «болевого» сигнала ~. Достаточно подробно рассмотрены потенциальные элементы с сигналом ~, который соответствует нулевому потенциалу. Именно это позволяет, по крайней мере, получить самоконтроль обрывов входов и выходов.

Теоретический и практический интерес представляет исследование и использование троичных потенциальных элементов с сигналом ~, который соответствует не нулевому потенциалу, ~-мажоритарных элементов, ~ -пороговых элементов и ~ — формальных нейронов.

При построении последовательностных ~-устройств существенен выбор алфавита; в некоторых случаях для функционирования устройств с памятью требуется блокировка сигнала ~ в цепях обратной связи или кратковременная подача на элементы памяти специальных сигналов установки.

В процессе анализа возможного применения ~-элементов выявлены совпадения предложенных вариантов схемных решений с теоретическими положениями о боли в живых организмах. Рассмотрены технические дискретные структуры, моделирующие боль согласно теориям интенсивности, «воротного контроля» и специфичности.

В определенной мере, предложенные ~-элементы, являющиеся устройствами с обнаружением отказов, это альтернатива отказоустойчивым дискретным устройствам. Действительно, отказоустойчивые дискретные системы содержат встроенные средства диагностирования. Автор же предлагает создавать такие дискретные элементы и уст-ройства, которые «сами» выполняют функции диагностирования.

Практически, с учетом современного состояния элементной базы в интеллектуальных системах могут быть использованы результаты работы автора:

• для повышения отказоустойчивости систем, в том числе за счет девирсификации схемных решений отдельных частей систем;
• для обеспечения контроля и диагностирования систем в процессе функциониро-вания;
• для придания системам свойств адаптации и реконфигурации внутренней структуры при отказах и адаптации к внешней среде.

Литература

1. Кассиль Г. Н. Наука о боли. — М.: Наука, 1975.-399 с.
2. Карчевский В. П. Дискретные троичные элементы с обнаружением отказов. — К.: УМК ВО, 1990. — 56 с.
3. Карчевский В. П. Дискретные троичные устройства с обнаружением отказов / Тез. докл. VI Всесоюз. совещ. по технической диагностике. — Ростов-на-Дону, 1987.-с.101.
4. Авторское свидетельство 1339885, МКИ3 НОЗК 19/14. Контролируемый логический элемент И-НЕ /В. П. Карчевский.-№ 4020416/24-21; Заявл. 10.02.86; Опубл. 23.09.87; Бюл. № 35.
5. Крыжановский Г. Н. Генераторные механизмы боли // Наука в СССР.-1986. — № 4. — с.51 — 57, 118
6. Авторское свидетельство 1390790, МКИ3 НОЗК RS-триггер /В. П. Карчевский.- № 3968458/24-21; Заявл. 22.10.85; Опубл.23.04.88; Бюл.№ 15.
7. Авторское свидетельство 1181130, МКИ3 НО3К 19/00 Контролируемое логи-ческое устройство / В. П. Карчевский. — № 3716808/24 −21; Заявл. 03.02.84; Опубл. 23.11.85; Бюл. № 35.
8. Авторское свидетельство 1280711, МКИ3 НОЗК 10/00. Дублированное уст-ройство на логических элементах с тремя состояниями (его варианты) /В. П. Карчевский. № 3693957/24-21; Заявл. 13.01.84; Опубл. 30.12.86; Бюл. № 48.
9. Карчевский В. П. Элементы, моделирующие болевые ощущения. // Искусст-венный интеллект. — 2002. — № 4. — с. 360—367.
10. Карчевський В. П. Функціональне діагностування пристроїв з елементів, які здійснюють генерування та трансляцію сигналів про відмови. // Искусственный интел-лект. — 2009. — № 2- c. 14-23.
11. Карчевський В. П. Построение схем функциональной диагностики с использованием элементов, моделирующих болевые ощущения. // З вірою в майбутнє… Нау-ково-методичний альманах. — Луганськ, Стаханов, 2006. — № 2 — с. 49-55.

Текст в Викиверситет добавила студентка ГФ УИПА Марченко Яна.