Трёхзначные электронные элементы, моделирующие болевые ощущения

Материал из Викиверситета
Перейти к навигации Перейти к поиску
Fairytale up blue.png
Базовый уровень статей

Выделить только проверенную информацию

Fairytale down blue.png

Создать черновик


Adobe Caslon a.svg Авторская работа
Автор: Виталий Пиусович Карчевский (заведующий кафедрой информационных технологий Украинской инженерно-педагогической академии)
Руководитель: Не требуется

Работа не имеет рецензии.


Введение[править]

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[править]

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

где — 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

где {α1,…,αıj } — 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 где χı,kє{-1,0,1}.

Исходя из этого, например, функцию ~ — элемента И-НЕ с двумя входами можно представить так:

Оптоэлектронная схема тильда-элемента 2И-НЕ[править]

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≤Uпор, -Uпор<U0<Uпор, Uпор≤U1≤E, где Е(-Е) — напряжения питания элемента, а Uпор — 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 -α211 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[править]

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 , 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»[править]

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 (Rзакр>>Rоткр>>Rкз), 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[править]

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[править]

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[править]

  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.