3.1. Вепольные модели для полей

Можно представить три вида вепольных моделей:

— генерирование поля;

— преобразование поля;

— видоизменения поля.

Генерирование поля

Генерирование поля веществом представлено схемой (3.1). При помощи этой схемы могут быть описаны явления, происходящие, например, в: магните, радиоактивном веществе, радио, электрете (электрический аналог постоянного магнита), электрической батарее, веществе с запахом и т. п.

Вместо цифр у веществ и полей могут быть буквенные обозначения или смешанные, например, магнит в схеме (3.1) можно обозначить, как В маг , П маг или В 1 , П маг (В маг, П 1 ); радиоактивное вещество — В р. а. , П р. а ; радио — В рад , П рад ; электрет — В эл , П эл и т. д.

Приведем пример из области информационных систем.

Пример 3.1. Корректирующие коды

При записи, воспроизведении или передаче данных возникают ошибки под влиянием помех. Для обнаружения и исправления ошибок используют корректирующие коды .

При записи или передаче в полезные данные добавляют избыточную информацию (контрольное число), а при чтении или приеме контрольное число используют для обнаружения и исправления ошибок. При проверке определяют контрольную сумму . Она может использоваться, например, для детектирования компьютерных вирусов.

Необходимо проверить данные В 1  — левая часть схемы (3.2). При записи добавляют контрольное число В 2 . По контрольной сумме П 1 определяют правильность данных В 1 (нет ли ошибки или вируса).

Где:

В 1 —данные 1;

В 2  — данные 2 (избыточная информация — контрольное число);

П 1  — контрольная сумма.

Преобразование поля

Преобразование полявеществом представлено на схеме (3.3). Вещество преобразует один вид поля (энергии или информации) П 1 в другой П 2 вид. Это два качественно разных поля.

Примечание. Принято входное поле (в данном случае П 1 ) располагать над веществом В, а выходное П 2 ниже вещества В.

Преобразование энергии могут осуществлять, например: генератор, двигатель, электродвигатель, измерительный элемент (датчик) и т. п.

Пример 3.2. Генератор

Генератор электрического токаВ преобразует вращательное полеП 1 (полемеханических сил), которое может быть изображено и как П мех , в электрическое поле П 2 или П эл . Веполь будет иметь вид (3.4).

Пример 3.3. Электродвигатель

У электродвигателя В — обратное преобразование — электрическое поле П эл превращается в механическое П мех поле вращения. Веполь будет иметь вид (3.5).

Преобразование информации .

Пример 3.4. Телефон

В телефоне — звуковая информация (акустическое поле П ак ) преобразуется в электрическую П эл , и обратное преобразование — акустического поля П ак в электрическую П эл , эти преобразования осуществляют микрофон и наушник, соответственно; радио преобразует электромагнитные волны (электромагнитное поле П эл. м .) в звуковые (акустическое поле П ак ).

Видоизменение поля

Видоизменение поля веществом представлено схемой (3.6). Вещество изменяет характеристики одного и того же поля (энергии или информации) из П 1 в П 2 . Вид поля качественно не меняется, поэтому поля можно изобразить как П » , П »» , тогда схему веполя (3.3) можно представить в виде (3.6).

Видоизменение энергии могут осуществлять, например, трансформатор, транзистор, усилитель, выпрямитель, преобразователь частоты, аналого-цифровой преобразователь (преобразователь аналог-код), призма, линза и т. п.

Видоизменение информации могут осуществлять, например, преобразователи кодов, преобразователь информации (например, десятичной в двоичную и обратно), компьютер и т. п.

3.2. Виды вепольных систем для измерения и обнаружения

Существует класс задач, в которых необходимо измерять какие-то параметры систем или обнаруживать какие-то объекты или их части. Условно такие системы будем называть — измерительными. Модели таких систем могут иметь вепольные структуры, рассмотренные ранее (3.2), (3.3) или (3.6).

Для измерения параметров вещества В 1 или его обнаружения к нему присоединяют вещество В 2 , которое может:

— генерировать поле П 1 (3.7);

— преобразовывать поле П 1 в поле П 2 (3.9);

— видоизменять поле П » в поле П »» (3.10).

Генерирование поля

Необходимо измерить или обнаружить объект, который обозначим как вещество В 1 .Для этого к нему присоединяют вещество В 2 , которое генерирует поле П 1 .

В вепольном виде генерирование поля описано схемой (3.7). Слева от двойной стрелки показано, что в системе нужно обнаружить или измерить (вещество В 1 ), а справа — вепольная модель генерирования поля , где В 2  — вещество-генератор, которые мы рассмотрели выше.

По выделяемому полю можно легко обнаружить В 1 или измерить его характеристики.

Пример 3.5. Обнаружение затонувшего объекта

Для обозначения места затонувшего объекта В 1 к нему прикрепляют радиобуй В 2 , дающий сигнал П рад (3.8), который является радиомаяком для спасательных средств (рис. 3.1).

Где:

В 1  — затонувший объект;

В 2  — радиобуй;

П рад  — радиосигнал (радиополе — электромагнитное поле).

Рис. 5.1. Обнаружение затонувшего объекта

Преобразование поля

Необходимо обнаружить вещество В 1 . Для этого к нему присоединяют вещество В 2 , на которое воздействуют полем П 1 и вещество В 2 преобразует его в поле П 2 . Преобразование поля описано веполем (3.9).

Примечание. Следует отметить, что если объект измерения В 1 отзывчив на имеющееся в нашем распоряжении поле П 1 и может адекватно реагировать на это поле (генерировать ответное поле П 2 ), то нет необходимости добавлять другое вещество В 2 .

Пример 3.6. Измерение температуры

Градусник можно представить веполем (3.9).

В 1  — объект, температуру которого нужно измерить;

В 2  — градусник, «переводящий» температуру (тепловое поле П 1 или П тем ) в некоторый сигнал (поле П 2 ), например, электрический сигнал П эл или оптический П опт  — столб ртути, на который мы смотрим.

Схема (3.9) в данном примере может быть уточнена. Объект, температуру которого нужно измерить В 1, генерирует поле (тепловое поле) П 1, воздействующее на вещество В 2 (градусник), показывающий температуру П 2. (3.10)

Схемой (3.9) можно представить любой датчик (сенсор), например, для измерения: давления, скорости, перемещения, положения, натяжения, расхода, влажности, уровня, радиоактивности и т. д.

Видоизменение поля

Необходимо обнаружить вещество В 1 . Для этого к нему присоединяют вещество В 2 , на которое воздействуют полем П » , и вещество В 2 видоизменяет его в поле П »» . Видоизменение поля описано веполем (3.11). Поля П » и П »» одной и той же природы, они, например, могут отличаться количественно, но могут быть и друге характеристики, например полярность, фаза, цвет и т. д.

Веполем (3.11) можно представить, например, любые электрические измерения: напряжения, тока, мощности, частоты; измеритель информации и т. д.

Пример 3.7. Обнаружение пешехода

Для того чтобы в темное время суток обнаружить и не сбить пешехода (В 1 ), к его одежде, обуви или сумке прикрепляют светоотражающий материал (В 2 ). Свет фар (П » ) автомобиля отражается от этого материала (В 2 ), и шофер видит отраженный свет (П »» ). Это можно представить веполем (3.12).

Где:

В 1  — пешеход;

В 2  — светоотражающий материал;

П « опт  — свет фар (оптическое поле);

П «« опт  — отраженный свет (оптическое поле).

Пример 3.8. Бактерии определяют химикат

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали устройство, определяющее конкретный химикат.

В качестве индикатора использовали конкретные бактерии, которые при прикосновении с определенным химическим веществом светятся.

В качестве живого материала использовали конкретные бактерии, расположенные в воде, находящейся в гидрогеле.

Поддержание жизнедеятельности бактерий осуществляется с помощью жидкой питательной среды, расположенной в гидрогеле.

Устройство выполнено в виде перчаток или бандажа (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Устройство, определяющее химикат

3.3. Виды вепольных структур

Существуют следующие виды вепольных структур:

1. невепольная система (3.13), (3.14), (3.15);

2. вепольная система — простой веполь (3.16);

3. комплексный веполь:

— внутренний комплексный веполь (3.20), (2.21);

— внешний комплексный веполь (3.24), (3.25);

— комплексный веполь на внешней среде (3.28), (3.29);

— комплексный веполь на измененной внешней среде (3.32), (3.33);

4. цепной веполь (3.36);

5. двойной веполь (3.40);

6. смешанный (3.43), (3.44).

Невепольная система

Система, состоящая из одного элемента : вещества В 1 или поля П 1 , описанных схемой (3.13), или двух элементов : двух веществ В 1 , В 2 (3.14); вещества В 1 и поля П 1 (3.15), называется невепольной или неполной вепольной системой.

Невепольные системы, как правило, неуправляемые или плохо управляемые.

Основное правило вепольного анализа

Невепольные системы для повышения управляемости необходимо сделать вепольными . Это правило можно условно представить в виде (3.16).

Задача 3.1. Снятие коры с древесины

Условия задачи

Обычно кору древесины отделяют механически в специальных корообдирочных барабанах или механическими инструментами, например топором. При этом повреждается и сама древесина.

Необходимо предложить способ отделения коры от древесины, который бы не портил древесину.

Разбор задачи

Разберем эту задачу с позиций вепольного анализа. Имеется древесина и кора. Система невепольная. Она может быть описана схемой (3.17).

Где:

В 1  — древесина;

В 2  — кора.

Это не вепольная система ее необходимо достроить до вепольной. Достройка веполя заключается во ведении поля П 1 , воздействующего только на кору в направлении ее отрыва от древесины. В вепольном анализе такое действие осуществляется через посредник, в данном случае через древесину В 1 . Это показано вепольной схемой (3.18).

Необходимо подобрать поле П 1 , которое может осуществить такое действие.

Между корой и древесиной (рис. 3.3) находится слой клеток (камбий ), содержащий большое количество влаги, вскипание которой может оторвать кору. Вскипание можно осуществить с помощью вакуума или нагрева, например, токами высокой частоты. Таким образом, вепольный анализ рекомендует использовать тепловое поле П 1 = П теп .

Здесь использовали ресурсы — структуру древесины — камбий, а также физические эффекты: кипение и нагрев токами высокой частоты.

Рис. 3.3. Схема поперечного разреза ствола дерева

Задача 3.2. Слежение за объектом

Условия задачи

Необходимо следить за каким-то объектом В 1.

Разбор задачи

Дано только одно вещество В 1  — объект слежения.

Система невепольная.

Для слежения за каким-либо объектом к нему прикрепляют «жучок». С помощью специальной аппаратуры определяют место нахождения объекта слежения.

Итак, у нас имеется объект слежение В 1. Построим вепольную схему слежения за объектом. Для этого добавим еще одно вещество В 2 («радиожук»), которое генерирует поле П 1 (радиополе).

Веполь будет иметь вид (3.19).

Где:

В 1 —объект слежения;

В 2  — «радиожук»;

П 1  — радиополе.

Дальнейшее повышение управляемости вепольных систем осуществляется заменой веществ и/или полей на более управляемые и изменением структуры веполей .

Рассмотрим виды вепольных структур.

Как мы отмечали выше, вепольные структуры могут быть комплексные, цепные и двойные. Рассмотрим эти структуры.

Комплексный веполь

Комплексный веполь — это веполь с дополнительным введенным веществом В 3 , которое может присоединяться к В 1 или В 2 , повышая управляемость системой или придавая ей новые свойства, тем самым, повышая эффективность технической системы.

Комплексные веполи бывают:

— внутренний комплексный веполь (3.20) и (3.21);

— внешний комплексный веполь (3.24) и (3.25);

— комплексный веполь на внешней среде (3.28) и (3.29);

— комплексный веполь на измененной внешней среде (3.32) и (3.33).

Внутренний комплексный веполь  — это комплексный веполь, где добавка В 3 присоединяется внутрь веществ В 1 (3.20) или В 2 (3.21). Введение вещества внутрь условно показано в виде скобок.

Задача 3.3. Сбор разлитой нефти

Условия задачи

В результате аварий танкеров на поверхности моря разливается нефть (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Крушение супертанкера «Эксон Вальдез» (Exxon Valdez)

24.03.1989 г., пролив Принца Уильяма возле Аляски (Prince William Sound, Alaska). Вылилось более 40 миллионов литров сырой нефти.

Один из методов сбора разлитой нефти на поверхности воды заключается в следующем. Пятно нефти окружают плавающими барьерами, которые предотвращают растекание нефти (рис. 3.5). Затем окруженное пространство засыпают пористыми гранулами — адсорбентами, которые впитывают нефть.

Рис. 3.5. Плавучие барьеры, ограждающие пятно нефти

Задача возникает при сборе гранул, заполненных нефтью.

Разбор задачи

Имеются гранулы В 1 , заполненные нефтью В 2 .

Система невепольная. Она представлена на схеме (3.22). Гранула В 1 воздействует на нефть В 2 адсорбируя ее (капиллярный эффект).

Где:

В 1  — гранула;

В 2  — нефть.

Для решения мы должны достроить систему до вепольной. Необходимо найти поле, отзывчивое на гранулу с нефтью, чтобы можно было ее легко убирать. Такое поле найти сложно, поэтому мы добавляем еще одно вещество В 3 в гранулу В 1 , которое будет отзываться на введенное поле П 1 . Это поле должно поднимать гранулу, а вместе с ней и нефть.

Предложено в гранулы добавить ферромагнитные частицы В 3 , тогда их будет легко собрать магнитным полем П 1 (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Сбор нефти на поверхности моря

Вепольная структура (3.23).

Внешний комплексный веполь  — это комплексный веполь, где добавка В 3 присоединяется внешне к В 1 (3.24) или В 2 (3.25). Этот вид комплексного веполя используется, когда невозможно или нежелательно вводить В 3 внутрь имеющихся веществ.

Задача 3.4. Демонтаж радиоэлементов

Условия задачи

Демонтаж радиоэлементов производится с помощью паяльника. При этом часто перегрев (термоудар) приводит к порче радиоэлемента. Как быть?

Разбор задачи

Построим вепольную модель описанной системы. Она может быть представлена схемой (3.26).

Где:

П 1  — температурное поле разогретого паяльника;

В 1  — олово;

В 2  — вывод (ножка) радиоэлемента.

Задача описывается веполем с полезной и вредной связью. Полезное действие (прямая стрелка от В 1 к В 2 ) — олово расплавляется и освобождает ножку радиоэлемента. Вредное (волнистая стрелка от В 1 к В 2 ) — горячее олово перегревает ножку радиоэлемента и собственно радиоэлемент.

Одно из возможных решений перейти к внешнему комплексному веполю (3.27), т. е. необходимо внешне ввести дополнительное вещество. Обозначим его как В 3.

Чтобы радиоэлемент при демонтаже не испортился от термоудара, перед нагревом в место распайки вводят припой В 3 с температурой плавления ниже температуры плавления основного припоя (рис. 3.7). Дополнительный припой, представляющий собой сплав олово-свинец-висмут, существенно уменьшает термоудар радиоэлемента.

Рис. 3.7. Введение низкотемпературного припоя

Комплексный веполь на внешней среде  — это внешний комплексный веполь, где в качестве В 3 используется внешняя среда В ВС , которая может добавляться к В 2 (3.28) или к В 1 (3.29).

Этот вид комплексного веполя целесообразно использовать, когда невозможно или нежелательно присоединять В 3 к имеющимся в системе веществам.

В ВС  — вещество внешней среды, В 3 = В ВС .

Задача 3.5. Очистка железнодорожных путей

Условия задачи

Очистку железнодорожных путей от снега или грязи осуществляют с помощью специального локомотива или навесного оборудования. Это не идеально. Необходимо приобретать специализированное оборудование, тратить лишнюю энергию, время, человеческие ресурсы на эксплуатацию и ремонт. Как избежать этого?

Разбор задачи

Вепольная схема задачи имеет вид (3.30).

Где:

В 1  — грязь или снег;

В 2  — щетка;

П 1  — вращение щетки.

Одно из возможных решений — перейти к комплексному веполю на внешней среде (3.31).

Где:

В 1  — грязь или снег;

В 2  — щетка;

П 1  — вращение щетки;

В 3  — отражатель;

В ВС  — воздух;

П 2  — набегающий поток.

Очистку железнодорожных путей можно проводить набегающим на локомотив потоком воздуха, направляя его в нужное место с помощью специальных экранов и отверстий (рис. 3.8). Каждый локомотив может быть снабжен таким приспособлением. Оно может устанавливаться при изготовлении локомотива. Тогда железнодорожные пути не нужно будет специально очищать.

В этом изобретении использовали ресурсы — набегающий поток воздуха.

Рис. 3.8. Очистка железнодорожных путей. А. с. 1 054 483

1 — шасси; 2‒4 — воздуховоды; 2 — заборный воздуховод; 3 — направляющий воздуховод; 4 — вспомогательный воздуховод; 5 — передние стенки воздуховода; 6 — боковые стенки воздуховода; 7 — выпускные окна.

Комплексный веполь на измененной внешней среде  — это внешний комплексный веполь, где в качестве В 3 используется измененная внешняя среда В ' ВС , которая может добавляться к В 1 (3.33) или к В 2 (3.32).

В « ВС  — видоизмененное вещество внешней среды, В 3 = В ' ВС .

Под измененной будет пониматься также разложение внешней среды на составляющие элементы и добавки во внешнюю среду.

Этот вид комплексного веполя целесообразно использовать, когда невозможно или нежелательно присоединять В 3 к имеющимся в системе веществам или внешнюю среду.

Задача 3.6. Измерение глубины реки

Условия задачи

При измерении глубины реки через ледяную поверхность необходимо обеспечить надежный контакт ультразвукового (УЗ) излучателя со льдом. На поверхности льда имеется снег, который предварительно расчищают. Лед имеет неровную поверхность и поэтому контакт излучателя со льдом получается в отдельных местах. Для улучшения контакта излучателя со льдом его выравнивают (рис. 3.9). Это трудоемко и требует значительных временных затрат. Как быть?

Рис. 3.9. Измерение глубины реки

Разбор задачи

Вепольную модель задачи можно представить в виде схемы (3.34).

Где:

В 1  — лед;

В 2  — ультразвуковой (УЗ) излучатель;

П 1  — ультразвуковое поле.

Одно из возможных решений — перейти к комплексному веполю на видоизмененной внешней среде (3.35).

Где:

В 1  — лед;

В 2  — излучатель;

П 1  — ультразвук;

В ВС  — снег;

В « ВС  — уплотненный снег.

Плотный контакт излучателя со льдом можно обеспечить, если утрамбовать снег при помощи самого излучателя (а. с. 900 233).

Мы использовали ресурсы — снег и ультразвуковой излучатель, т. е. ресурсы вещества и поля (рис. 3.10).

Рис. 5.6. Уплотнение снега

Цепной веполь

Цепной веполь образуется соединением простых веполей. Схема цепного веполя представлена (3.36).

Цепной веполь  — это комплексный веполь, в котором вещество В 2 развернуто в самостоятельный веполь, включающий П 2 , В 3 и связи между ними.

В схеме 3.36 в скобках показан новый веполь, развернутый из вещества В 2 .

Задача 3.7. Определение скрытых дефектов

Условия задачи

Как определить скрытые дефекты, например усталостные трещины в лопатках турбины авиадвигателя?

Разбор задачи

Необходимо выявить дефекты турбинной лопатки В 1 . Можно подобрать поле П 1 , на которое будет отзываться В 1 .

Вепольная схема для поиска решения будет иметь вид (3.37).

К лопатке подводят источник, возбуждающий механические колебания (катушка индуктивности). Катушка через усилитель мощности соединена с генератором электрических колебаний. Меняя частоту колебаний генератора, доводят ее до резонансной частоты. Рядом с лопаткой ставят микрофон, передающий эти колебания в электрическом виде на осциллограф (рис. 3.11). По изменению формы колебаний судят о наличии усталостной трещины.

Рис. 3.11. Определение скрытых дефектов

Основное в данном решении — дефект определяют «по звуку». Лопатку приводят в колебательное движение с помощью соответствующего поля П 1 . Описанное решение соответствует веполю (3.38), где:

П 1  — поле механических колебаний (его можно обозначить П мех или П кол );

В 1  — лопатка;

П 2  — звуковое поле — колебание воздуха (П зв ).

Тогда этот веполь можно изобразить (3.37).

Это же решение можно представить более сложным веполем, описанным схемой (3.39).

Где:

В 0  — генератор электрических колебаний;

П 0  — поле электрических колебаний;

В 2  — катушка индуктивности;

П 1  — переменное магнитное поле (генератор механических колебаний);

В 1  — лопатка;

П 2  — звуковое поле;

В 3  — микрофон;

П 3  — электрический сигнал;

В 4  — осциллограф;

П 4  — световой сигнал (изображение колебаний на экране осциллографа).

Такой веполь называется цепным.

При желании эту модель можно усложнить еще больше.

В веполе (3.39) представлено несколько различных систем:

В 0 , П 0  — генератор электрических колебаний;

В 2 , П 1  — электрическая катушка;

В 3 , П 3  — микрофон;

В 4 , П 4  — осциллограф.

Все эти системы вспомогательные. Главная идея — измерение «тона звука» П 2 , которое получается в результате возбуждения полем П 1 лопатки В 2 . Данное решение может быть осуществлено и другим образом, например, возбуждать и снимать колебания можно с помощью пьезопреобразователей.

Как было написано раньше — это задача на обнаружение (дефекта в лопатке), которое осуществляется измерением сигнала П 2 , поэтому задача и на измерение тоже.

Двойной веполь

Двойной веполь образуется соединением простых веполей. Схема двойного веполя представлена схемой (3.40)

Задача 3.8. Разлив жидкого металла

Условия задачи

Разлив жидкого металла В 1 из ковша В 2 осуществляется из донного отверстия (рис. 3.12) под действием гравитации П 1 . Вепольная структура данной системы представлена в виде (3.40).

Рис. 3.12. Разлив жидкого металла

Такой разлив осуществляется неравномерно, так как зависит от высоты h столба жидкого металла (от гидростатического напора). Как сделать разлив равномерным?

Разбор задачи

Чтобы сделать разлив равномерным, необходимо компенсировать действие силы гравитации, т. е. воздействовать еще одним полем П 2  — перейти к двойному веполю (3.42).

Гидростатический напор регулируют высотой h столба жидкого металла над отверстием разливочного ковша, вращая П 2 металл в ковше (рис. 3.13), например, электромагнитным полем.

При вращении металла в ковше в зависимости от скорости вращения образуются параболы различной формы (пунктирные линии на рис. 3.13). Максимальная высота h max , когда нет вращения (скорость вращения V o = 0 ). Максимальной скорости вращения (V max ) должна соответствовать усеченная парабола, когда над отверстием отсутствует металл (h min = 0) и, следовательно, он не выливается. Таким образом, можно регулировать расход металла через донное отверстие разливочного ковша.

Рис. 3.13. Вращение жидкого металла

Смешанный веполь

Смешанный веполь представляет собой сочетание цепного (3.36) и двойного (3.40) веполей или соединение двух двойных веполей (3.40).

Переход от цепного веполя к смешанному показан на схеме (3.43), а переход от двойного к смешанному — на схеме (3.44).

Пример 3.9. Фильтр

Для очистки воздуха в производственных помещениях используют громоздкие фильтры. В вепольном виде это можно представить (3.45).

Где:

В 1  — воздух;

В 2  — пыль;

П 1  — воздушный поток;

В 3  — фильтр.

Это модель внутреннего комплексного веполя.

Следующий шаг в развитии систем очистки воздуха — это использование циклона (рис. 3.14). В циклоне загрязненный воздух раскручивается с большой скоростью, частички пыли, висящие в воздухе, отбрасываются к стенкам за счет центробежных сил, ударяются о них и падают в пылесборник.

Рис. 5.10. Циклон

В этом решении использован двойной веполь , по схеме (3.40).

Где:

В 1  — воздух;

В 2  — пыль;

П 1  — воздушный поток;

П 2  — центробежные силы.

Можно усовершенствовать это решение.

Недостаток рассмотренного циклона состоит в том, что мелкая пыль не долетает до пылесборника, а оседает на стенках вытяжной трубы (вытяжки). Поэтому приходится циклон время от времени останавливать и чистить трубу.

Попробуем перейти к смешанному веполю (3.43), т. е. добавим П 3 , воздействующее на В 2, генерирующее поле П 4 , которое действует на пыль В 2 (3.47).

Чтобы пыль не засоряла вытяжку, всю трубу превратили в электрод — полый цилиндр из металла, утыканный иголками, располагающимися на выходе трубы. На электрод подается электрическое поле, которое отталкивает пыль от вытяжной трубы (рис. 3.15). Таким образом, пыль оказывается в пылесборнике.

Где:

В 1  — воздух;

В 2  — пыль;

П 1  — воздушный поток;

П 2  — центробежные силы;

П 3  — электрическое поле;

В 4  — иголочки на трубе;

П 4  — статическое электричество (электрическое поле).

Рис. 3.15. Электрофильтр (коническая часть циклона — рис. 3.14)

4.1. Тенденции устранения вредных связей

Довольно значительный класс задач связан с нежелательным эффектом, представляющим собой вредную связь вещества с веществом , поля с веществом или вредное воздействие полей .

Устранение вредных связей осуществляется с помощью определенных закономерностей (см. рис. 4.1 — 4.3):

1. Вредная связь между веществами (рис. 4.1):

— введением третьего вещества В 3  — схема (4.1);

— введением третьего вещества В 3, которое является видоизменением имеющихся веществ В 1 и В 2 (В 3 =В ' 1 , В ' 2 ) или самими веществами (В 3 =В 1 , В 2 ) — схема (4.4);

— введением третьего вещества В 3 =В ' 1 , В ' 2  (В 3 =В 1 , В 2 ) и поля П 2 , которое воздействуя на В 1 или В 2 видоизменяет его В 1 » или В 2 »  — схема (4.5);

2. Вредная связь между полем и веществам (рис. 4.2):

— «оттягивание» вредного действия  — схема (4.7);

— введением второго поля П 2  — схема (4.8);

— введением третьего вещества В 3 , которое генерирует П 2  — схема (4.11);

— введением третьего вещества В 3 , которое генерирует П 2 под воздействием П 3  — схема (4.13).

3. Вредная связь между веществом и полем (рис. 4.3). Управление выходным полем:

— введением дополнительных вещества В 2 и поля П 2  — схемы (4.16) — (4.18);

— заменой имеющегося вещества В 1 на В 2 и введением дополнительного поля П 3 , которое управляет выходным полем П 2  — схемы (4.20) — (4.21);

Рис. 4.1. Тенденция устранения вредных связей между веществами

Рис. 4.2. Тенденция устранения вредных связей полем и веществом

Рис. 4.3. Тенденция устранения вредных связей полем и веществом

Цель третьей группы управлять выходным полем П 2.

4.2. Устранение вредных связей введением В

3

Устранениевредных связей в системе производится введением между веществами В1и В2 постороннего третьего вещества В3.

Это описывается схемой (4.1):

Вводимое вещество В 3 может быть на макро- и микроуровне.

Задача 4.9. Подводные крылья

Условия задачи

При движении судна на подводных крыльях, на крыле, вследствие кавитации, происходит эрозия (разъедание материала), образуются каверны и крыло теряет свою эффективность (рис. 4.4).

Явление кавитации на крыле возникает из-за его взаимодействия с водой, создающее подъемную силу, но при этом возникает гидродинамическое сопротивление; а при увеличении скорости появляются кавитационные пузырьки.

В целом ставится задача уменьшения гидродинамического сопротивления и, в частности, не допустить вредных последствий кавитации.

Как быть?

Рис. 4.4. Подводное крыло

Разбор задачи

Представим задачу в вепольном виде (4.2).

Где:

В 1  — вода;

В 2  — крыло;

П 1  — поток воды.

Поток воды действует на крыло, создает подъемную силу (прямая стрелка) и поток воды действует на крыло, образуя гидродинамическое сопротивление или кавитационные пузырьки, создающие каверны (волнистая стрелка — плохое действие).

Это веполь с вредной связью.

Вредная связь может быть устранена введением В 3 в соответствии со схемой (4.1). Тогда для данной задачи структурное решение можно представить схемой (4.3).

Для снижения сопротивления в качестве В 3 можно использовать:

1. Волоски (рис. 4.5) — макроуровень В 3 . Они превращают турбулентный поток (поток с вихрями) в ламинарный (ровный — без вихрей).

2. Вещества с длинными молекулами (волоски В 3 на микроуровне ). В качестве этих веществ могут использоваться гели, полимеры и т. п. Такое явление называется эффектом Томса.

Рис. 4.5. Подводное крыло, покрытое волосками

На рис. 4.5 В 3  — это волоски.

Подобные решения можно использовать и на других объектах, обтекаемых водой.

Пример 4.11. Подводный аппарат

В устройстве, уменьшающем сопротивление подводного аппарата, используется слабый раствор полимера (В 3 на микроуровне), образующийся в пограничном слое забортной воды при смешении подогретой жидкой смеси либо гранулированного или порошкообразного полимера с морской водой. Подогретая жидкая смесь представляет собой дисперсию макромолекул полимера, растворимую в морской воде при температуре окружающей среды, но нерастворимую в воде при температуре выше 70о С. Когда подогретая жидкая смесь попадает в холодную воду при соответствующих условиях окружающей среды, частицы набухают и растворяются, образуя клейкую массу. В пограничном слое обтекающего потока они образуют молекулярный раствор макромолекул, препятствуя образованию турбулентного потока (рис. 4.6). В этом изобретении использован эффект Томса.

В вепольной схеме по схеме (4.1) в данном изобретении:

В 1  — морская вода;

В 2  — подводный аппарат;

П 1  — поток воды;

В 3  — клейкая смесь.

Рис. 4.6. Подводный аппарат с клейкой массой.

Патент США 3 435 796

1 — подводный аппарат, 2 — формирующая насадка (головка), 3 — радиальный канал, 4 — входное отверстие, 5 — насос, 6 — клапан, 7 — нагреватель, 8 — смесительный бак, 9 — добавка, 10 — поток воды, 11 — клейкая масса — дисперсия полимера (пунктирная линия).

Пример 4.12. Трубопровод

Для снижения потерь напора при перемещении жидкости по трубопроводу и достижения жидкостью свойства псевдопластичности в нее вводят длинноцепочный полимер, например полиакриламид, в количестве 0,01‒0,2% по весу (рис. 4.7). В этом изобретении (а. с. 244 032) использован эффект Томса.

В вепольной схеме по схеме (4.1) в данном изобретении:

В 1  — жидкость;

В 2  — трубопровод;

П 1  — поток жидкости;

В 3  — длинноцепочный полимер.

Рис. 4.7. Трубопровод

Пример 2.13. Снижение гидродинамического сопротивления

Снижение гидродинамического сопротивления может быть достигнуто за счет образования присадок под воздействием какого-либо поля из молекул самой жидкости, аналогичных по свойствам полимерным молекулам. В данном примере В 3   — присадки.

4.3. Устранение вредных связей введением В

3

=В

1

, В

2

или их видоизменений

Устранение вредных связей в системе производится введением между веществами В 1 и В 2 третьего вещества В 3 , являющегося веществом В 1 или В 2 , или их видоизменением (они обозначаются В ' 1 , В ' 2 ).

В отличие от схемы (4.1) в данном случае В 3 вводится и не водится. Используются ресурсы системы — берутся имеющиеся в системе вещества В 1 или В 2 или их видоизменения В 1 » , В 2 » . Это описано схемой (4.4).

Это более идеальная схема, так как мы не вводим дополнительных веществ, а используем только имеющиеся.

Продолжим рассмотрение задачи 4.9 (подводные крылья).

Согласно схеме (4.4), в качестве В 3 может быть использованы крыло , вода или их видоизменения .

Сначала продемонстрируем примеры устранения вредных связей использованием самих веществ (крыла и воды).

Пример 4.14. Дополнительное крыло

Для недопущения вредного действия кавитации можно использовать в качестве В 3 дополнительное крыло (рис. 4.8). Это крыло создает поток, который уносит квитанционные пузыри за крыло. Таким образом, крыло не разрушается.

Рис. 4.8. Подводное крыло с дополнительным крылом

Пример 4.15. Поток воды над крылом

Для недопущения кавитации можно использовать в качестве В 3 воду .

Дополнительный поток жидкости над крылом можно создать, сделав в крыле тонкие сквозные отверстия (рис. 4.9). Тогда за счет разницы давлений (Р1 и Р2) вода с нижней части крыла будет «подсасываться» на верхнюю поверхность крыла. Напомним, что разница в давление над крылом и под крылом создается за счет формы крыла. Длина периметра верхней части больше нижней, поэтому сверху скорость прохождения потока больше, чем внизу, а следовательно, в соответствии с законом Бернулли давление будет меньше, там, где скорость потока выше.

Рис. 4.9. Подводное крыло с дополнительным потоком воды

Где: Р 1  — давление над крылом; Р 2  — давление под крылом.

Подобная подача воды в зону засасывания крыла повышает в ней давление и отдаляет возникновение кавитации при данной скорости обтекания крыла.

Чтобы подача жидкости в верхнюю часть крыла меньше сказывалась на снижении подъемной силы крыла, осуществляют отсос воды из среднего продольного канала за счет набегающего потока (рис. 4.9). Отсос создается за счет разряжения, получаемого путем потока жидкости, проходящего перпендикулярно вертикальным каналам, используя явление эжекции.

Скорость протекания воды в среднем продольном канале будет меньше, чем в верхней части крыла, а давление, соответственно, больше. При этом давление нагнетания на нижней поверхности крыла, в отличие от варианта на рис. 4.10, будет сохранено.

Рис. 4.10. Подводное крыло с дополнительным потоком воды

В крыле делаются канавки (рис. 4.11), в которых закручивается поток воды, создавая около поверхности крыла приторможенный слой воды, отдаляющий появления кавитации.

Рис. 4.11. Подводное крыло с канавками

Теперь продемонстрируем примеры устранения вредных связей использованием видоизменение веществ (крыла и воды).

Пример 4.16. Паровая каверна

Вредное действие кавитации можно предотвратить, если на верхней поверхности крыла создать искусственную газовую каверну (газовый пузырь вокруг крыла), которая поглотит кавитационные пузырьки.

Кавитацию можно предотвратить, если крыло будет двигаться в газовой среде — в газовой каверне (газовый пузырь вокруг крыла). Газовую каверну можно получить путем:

Видоизменение воды

Превратим воду в газ — пар (фазовый переход первого рода). Если нагреть крыло, то вокруг него образуется паровой пузырь (паровая каверна). Каверна (рис. 4.12) позволит не только предохранить крыло от эрозии, но и уменьшить сопротивление движению крыла в воде.

В 3 = В' 1  — пар.

Рис. 5.25. Подводное крыло с паровой каверной

Разложить воду на кислород и водород .

В 3 = В ' 1  — кислород и водород.

Пример 4.17. Ледяной покров

Для предупреждения квитанционной эрозии гидродинамических профилей, например подводных крыльев, используется защитный слой, представляющий собой корку льда (а. с. 412 062), постоянно намораживаемого на поверхность крыльев (фазовый переход первого рода) (рис. 4.13).

В 3 = В 2 » — лед.

Рис. 4.13. Подводное крыло, покрытое коркой льда

Пример 4.18. Видоизменение крыла

Можно изменить форму крыла, так чтобы кавитационные пузыри образовывались только ближе к задней кромке крыла и потоком воды выносились за его пределы (геометрический эффект). Таким образом, схлопывание пузырей будет происходить не на крыле. Видоизменение профиля (формы) крыла представляет собой как бы переворачивание его на 180о (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Видоизмененное подводное крыло

Можно изменить форму крыла (геометрический эффект), так чтобы оно само создавало сплошную квитанционную каверну, которая замыкается вне профиля крыла и не разрушает его. Крыло такой формы называются суперкавитирующим (рис. 4.15). Это осуществляется за счет создания суперкавитации.

В 3 = В ’2  — другой профиль крыла.

Строго говоря, в примере 4.15 рис. 4.9‒4.11 тоже демонстрируют изменение крыла.

Рис. 4.15. Суперкавитирующее подводное крыло, создающее сплошную кавитационную каверну

4.4. Устранение вредных связей введением вещества В

3

=В

’

1

, В

’

2

 и поля П

2

Видоизмененные вещества В ' 1  или В ' 2  могут браться в готовом виде или получаться на месте. Устранение вредных связей в системе производится введением между веществами В 1 и В 2 видоизмененного вещества В 1 (В ' 1 ) или В 2 (В ' 2 ), осуществляемое введением дополнительного поля П 2 , которое, воздействуя на имеющееся вещество В 1 или В 2, видоизменяет их, получая В ' 1   или В ' 2 . Это можно представить в виде схемы (4.5).

Пример 4.19. Снижение гидродинамического сопротивления

Для снижения гидродинамического сопротивления движения тел, например судов, путем уменьшения сил трения, в пограничном слое создают электромагнитное поле, генерирующее комплекс молекул. В этом изобретении не вводят в пограничный слой высокомолекулярный состав, а вместо него используют видоизмененную внешнюю среду В ' 2 , путем воздействия электромагнитным полем. Кроме того, это изобретение может использоваться для снижения сопротивления жидкости в трубопроводе.

На рис. 4.16 показан один из вариантов, описанных в а. с. 364 493. Носовая часть объекта, движущегося в жидкости, выполняется из алюминия или железа. Ее соединяют с положительным полюсом источника тока, а корпус соединяют с отрицательным полюсом. Между корпусом и носовой частью имеется изоляционная прокладка. При подаче напряжения образуются частицы гидроокиси алюминия — Al (OH) 3, которые в пограничном слое снижают гидродинамическое сопротивление, аналогично вводимым в пограничный слой добавкам полимеров. При генерировании частиц Al (OH) 3 непосредственно используется окружающая среда.

В данном решении использованы физико-химические эффекты.

Для данного изобретения вепольная структура (4.5) будет иметь вид (4.6)

Рис. 4.16. Снижение гидродинамического сопротивления

по а. с. 364 493

В данном примере: В 1  — вода, В 2  — судно, подводное крыло и т. п., П 1  — поток воды, П 2  — электромагнитное поле, В ' 2 . — комплекс молекул.

4.5. «Оттягивание» вредного действия

Устранение вредного действия поля П 1 на вещество В 1 осуществляется введением второго вещества В 2 , оттягивающего на себя вредное действие поля П 1 .

Оттягивание вредного действия можно представить в виде (4.7).

Пример 4.20. Предохранитель

При резком увеличении тока в сети провод может перегореть. Чтобы этого не произошло, используют предохранитель, который может быть одноразовый (плавкий предохранитель) или многократного использования — автомат.

4.6. Устранение вредных связей введением П

2

Вредное действие устраняется переходом к двойному веполю, в котором нейтрализацию вредного действия поля П1 осуществляет поле П2. Это можно представить в виде (4.8).

Задача 4.10. Искусственная шаровая молния

Условия задачи

В лаборатории под руководством академика П. Л. Капицы исследовалась искусственная шаровая молния в герметичной кварцевой цилиндрической камере, заполненной гелием под давлением 3 атм. (рис. 4.17). Под действием мощного электромагнитного поля в гелии возникает плазменный шнуровой разряд, стягивающийся в сферический сгусток плазмы — «шаровую молнию». Для удержания «шаровой молнии» в центре камеры используют соленоид, кольцеобразно расположенный вокруг камеры. По программе эксперимента нужно было увеличить мощность шаровой молнии, для чего повысить мощность электромагнитного излучения.

Плазма стала более горячей и, следовательно, менее плотной. Шаровая молния при этом становится легче и всплывает вверх, касаясь стенок камеры и разрушая их. Электромагнитные силы не уравновешивают архимедовы силы. Чтобы удержать молнию в центре камеры, попробовали повысить мощность магнитного поля в соленоиде, но ничего не получилось: молния поднималась вверх — только чуть медленнее. Сотрудники предложили строить новую установку с более мощным соленоидом, но П. Л. Капица поступил иначе. Как?

Рис. 4.17. Установка для получения искусственной шаровой молнии

Разбор задачи

Представим задачу в вепольном виде (4.9).

Дан неэффективно управляемый веполь:

В 1  — молния;

П 1  — гравитационное поле, действует на молнию;

В 2  — газ, который не уравновешивает действие гравитационного поля.

Чтобы повысить управляемость рассмотренного веполя необходимо ввести противодействующее поле П 2 в соответствии со схемой (4.10).

Поле П 2 должно противодействовать гравитационному полю П 1 . Эффективнее всего было бы использовать электромагнитное поле, но для этого нужно было бы полностью переделывать установку. В соответствии с тенденцией развития веполей первоначально следует использовать механические поля. Наиболее эффективное в данном случае — поле центробежных сил.

П. Л. Капица предложил завертеть газ, придавая ему непрерывное вращение. Вместе с газом завертелся и сам разряд и перестал всплывать… Газ заставляли непрерывно вращаться воздуходувки, хорошо знакомые всем по домашнему пылесосу. Впрочем, именно домашний пылесос и был использован на первых порах (рис. 4.18).

П 2  — центробежное поле.

Рис. 5.31. Создание центробежных сил с помощью пылесоса

4.7. Устранение вредных связей введением В

3

и П

2

Вредное действие устраняется переходом к смешанному веполю, в котором вводимое вещество В 3 генерирует поле П 2 , нейтрализующее вредное действие поля П 1 (4.11).

Задача 2.10. Искусственная шаровая молния (продолжение)

Поле центробежных сил П 2 создается турбиной В 3 (4.12).

4.8. Устранение вредных связей введением В

3

, П

2

и П

3

Вредное действие устраняется переходом к смешанному веполю, в котором на вводимое вещество В 3 под воздействием поля П 3 , генерируя поле П 2 , нейтрализующее вредное действие поля П 1 (4.13).

Задача 4.11. Извлекание шарика

Условия задачи

Не редки случаи, когда необходимо извлечь завальцованный в корпус шарик (рис. 4.19). Для этого приходится ломать конструкцию. Как вытащить шарик, не ломая конструкцию?

Рис. 4.19. Шарик, завальцованный в корпус

Разбор задачи

Представим задачу в вепольном виде (4.14).

Дан веполь с вредной связью:

В 1  — корпус;

П 1  — поле механических сил, удерживающее шарик в корпусе;

В 2  — шарик.

Вредная связь может быть устранена введением В 3 , которое под воздействием поля П 3 генерирует поле П 2 , нейтрализующее вредное действие поля П 1 . В соответствии со схемой (4.13) для данной задачи структурное решение можно представить схемой (4.15).

Согласно схеме (4.15) необходимо ввести В 3 , которое под воздействием поля П 3 создаст П 2 , выталкивающее шарик.

Один из вариантов решения.

Под шарик В 2 заранее вводят каплю жидкости В 3 (рис. 4.20), которую при необходимости нагревают (поле П 3 ) и испаряющаяся жидкость создает давление (поле П 2 ), выталкивающее шарик В 2 из корпуса В 1 (фазовый переход первого рода).

Рис. 5.33. Введение капли жидкости под шарик

4.9. Устранение вредных связей между веществом и полем введением В

2

и П

3

Вредное действие между веществом и полем устраняется введением вещества В 2 и поля П 3 в преобразовательном веполе (4.16) или введением вещества В 2 и поля П 2 в видоизменительном веполе (4.17), или вместо поля П 2 может вводиться третья вариация того же поля П “„ 1  (4.18). Введенное поле (П 3 , П 2 или П “„ 1 ) воздействует на введенное вещество В 2, вещество, которое меняет свойство В 2 , управляя полем П ” 1 .

Задача 4.12. Автомобильное стекло

Условия задачи

Водитель может быть ослеплен светом фар следующего за ним автомобиля в зеркало заднего вида (рис. 4.21). Как быть?

Рис. 4.21. Ослеплен светом фар

Разбор задачи

Представим задачу в вепольном виде (4.19).

Дан веполь с вредной связью:

В 1  — зеркало заднего вида;

П « 1  — свет фар, от сзади идущего автомобиля (оптическое поле);

П « 1  — отраженный свет, воздействующий на водителя.

Воспользуемся схемой (4.17).

Недостаток может быть устранен, если заднее стекло автомобиля покрыть электрохромной пленкой В 2 (оксид никеля и электропроводящий слоя оксида олова). Здесь использован электрохромный эффект. Коэффициент прозрачности таких стекол меняется под действием электрического тока П 2 . Получаются управляемые тонированные стекла. Это позволяет водителю изменять интенсивность света П ” 1 , поступающего снаружи. Таким образом, управляют полем П ” 1 , изменяя поле П 2 . Подобные пленки используют и вместо жалюзи (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Электрохромная пленка

4.10. Устранение вредных связей между веществом и полем заменой В

1

на В

2

и введением П

3

Вредное действие между веществом и полем устраняется заменой вещества В 1 на другое вещество В 2 и введением поля:

— П 3 (4.20);

— П 2 в веполе на видоизменение (4.21);

— третья вариация поля П “„ 1  (4.22).

Введенное поле (П 3 , П 2 или П “„ 1 ) воздействует на В 2 , которое управляя полем П 2 или П ” 1 .

Задача 4.13. Диод

Условия задачи

Диод пропускает ток в одну сторону и не пропускает в другую. Он это делает всегда. Чтобы сделать управляемый процесс, ставят, например, реле. Это значительно усложняет систему. Как быть?

Разбор задачи

Представим задачу в вепольном виде (4.23).

Дан веполь с неуправляемой связью:

В 1  — диод;

П « 1  — напряжение переменного тока;

П « 1  — напряжение постоянного тока.

Пунктирная стрелка показывает, что действие недостаточное (неуправляемое).

Воспользуемся схемой (4.20). Заменяем В 1 на В 2 , в котором имеется возможность управлять выходным полем П ” 1 .

Решение задачи

Недостаток может быть устранен заменой диода В 1 тиристором В 2 . Тиристор выполняет ту же функцию, что и диод (пропускает ток в одну сторону и не пускает в другую), но имеет еще один управляемый вход. Если на управляющий вход не подать ток П “„ 1  открытия, то тиристор не пропустит ток даже в прямом направлении. Но стоит подать хоть краткий импульс, как он тотчас открывается и остается открытым до тех пор, пока есть прямое напряжение. Если напряжение снять или поменять полярность, то тиристор закроется.

Поле П “„ 1  — ток открытия (электрическое поле).

7.1. Общие представления

В информационных системах и особенно в программировании не существует веществ и полей.

В связи с этим вещество (В) мы переименовали в элемент и обозначили буквой Э, или на английском буквой E (Element), поле — в действие и обозначили Д, или на английском буквой A (Action). Тогда веполь мы будем называть ЭлД или на английскомEl-Action.

Закон увеличения степени ЭлДа (El-Action) алогично закону увеличения степени вепольности, описанному в главе 6, представлен на рис. 7.1—7.4.

Рис. 7.1. Общая тенденция развития ЭлД

Рис. 7.2. Тенденция изменения структуры ЭлД

Рис. 7.3. Тенденция изменения комплексного ЭлД

Рис. 7.4. Тенденция изменения форсированного ЭлД

8.1. Новая структура веполя

Вводится новая структура веполя или ЭлД (на английском El-Action). Кроме элементов и действий, вводится еще один компонент — знание.

Новая структура включает «элемент (Эл) , на английском Element (E) », «действие (Д) , на английском Action (A) », и «знания (З), на английском Knowledge (K) ».

Модель, включающую элемент, действие и знание, будем называть ЭлДЗ (на английском EAK). Методику анализа и преобразования ЭлДЗ будем назвать ЭлДЗ анализ.

Возможны следующие этапы учета знаний (K) в системе.

1. Знания вне системы. Не ЭлДЗ система.

2. Частичные знания водятся при проектировании системы. Остальные необходимые знания находятся вне системы (в надсистеме).

3. Все необходимые знания вводятся в систему. Управление знаниями находится вне системы (в надсистеме).

4. Управление знаниями осуществляется в системе.

Пример 8.1. Сверление отверстия

Необходимо просверлить отверстие в детали.

1. Знания (З) вне системы.

Сверлят вручную. Действие (Д) — это вращение. Оно действует на элемент (Э) — сверло. Знания (З) вне системы. Они находятся у рабочего. Он знает, где необходимо просверлить отверстие и как его сверлить.

2. Частичные знания в системе.

Делается специальное приспособление (кондуктор) для сверления отверстия. Рабочему не нужно не только делать разметку места сверления, но и кернить. Эти знания уже заложены в систему в виде приспособления.

Знание (З) управляет действием (Д), которое воздействует на элемент (Э). Знания, как делать отверстие (технология изготовления), — вне системы (у рабочего). Пунктирная стрелка обозначает, что используется частичные знания.

3. Все знания о процессе в системе.

Станки с числовым программным управлением (ЧПУ) имеют все необходимые знания для осуществления технологии изготовления изделия. Управление этими знаниями — программирование — вне системы. Управление знаниями выполняется оператором.

4. Управление знаниями осуществляется в системе.

Программирование (З 2  — знание, управляющее знаниями З 1 ) должно осуществляться в самом станке. Это следующий этап развития.

Этапы 2—4 (частичные знания в системе, все знания о процессе в системе, управление знаниями осуществляется в системе) могут быть в общем виде описаны более сложными схемами, чем модели (8.2) — (8.4).

Элемент (Э) может первоначально содержать какие-то знания (З). Для управления элементом (Э) часто необходимо знание (З) о его состоянии. Это знание учитывается при проектировании, заранее подстраивая действие под данное состояние. При работе системы не учитывается изменение состояния элемента. Действие всегда одинаково.

Тогда модель (8.2) можно представить так:

где З 1  — знание о состоянии элемента Э. Это знание З 1 изменяет действие Д в зависимости от состояния элемента Э. Пунктирные стрелки означают, что знание о состоянии элемента введено заранее.

На этапе 3, если состояние элемента (Э) контролируется, т. е. система постоянно получает информацию о состоянии элемента, то модель (8.3) может быть представлена так:

Этот случай характерен для любых самонастраивающихся систем.

Пример 8.2. Самонаводящаяся ракета

С помощью головки самонаведения, расположенной в носовой части ракеты, получаются данные о координатах цели, направлении и скорости ее передвижения.

Эти данные передаются в систему автоматического управления ракетой, которая направляет ракету в нужном направлении и с нужной скоростью.

Этап 4 при контролировании состояния элемента (Э) может быть представлен, например, так:

где:

З 1  — знание, управляющее действием (Д);

З 2  — знание о состоянии элемента (Э);

З 3  — знание, управляющее знаниями (З 1 ).

Пример 8.3. Самонаводящаяся ракета

В примере 8.2 с самонаводящейся ракетой З 3 может представлять собой, например, изменение цели, отмену действия или самоуничтожение и т. д.

Пример 8.4. Изготовления шоколада

Рассмотрим процесс изготовления шоколада.

1. Знания (З) вне системы.

Сначала процесс осуществлялся человеком вручную. Он знал весь процесс. Выбирал необходимые бобы какао, жарил их и молол до нужной консистенции. Таким образом, знания о процессе изготовления шоколада были только в голове работника, т. е. знания не присутствовали в системе.

2. Частичные знания в системе.

На следующем этапе делались простейшие механизмы и машины. Они уже включали определенные знания, например, как размельчать бобы какао, — была создана мельница. Это этап частичного включения знаний в систему. Далее процесс все более автоматизировался. В систему вносили все большие знания.

3. Все знания о процессе в системе.

Создали полностью автоматизированную систему. В систему внесли все необходимые знания для изготовления определенного вида шоколада.

4. Управление знаниями осуществляется в системе.

На следующем этапе в систему изготовления шоколада необходимо ввести управление знаниями изготовления шоколада.

Например, система будет адаптироваться и изменять процесс для различных сортов какао и конкретно под бобы, имеющиеся в системе. Система будет изучать процесс изготовления шоколада и улучшать его. Система будет сама перестраиваться под различные сорта шоколада. Система будет создавать новые рецепты шоколада и саморазвиваться. Система будет создавать подобные себе системы.

Учет знаний и закономерностей их развития — это современные тенденции развития техники. Особенно важно их учитывать при развитии информационных технологий.

Часто веполь изображают в виде треугольника. Аналогично можно представить и ЭлД . Тогда ЭлДЗ в общем виде можно изобразить так:

Таким образом, вепольный и ЭлД анализ являются частными случаями ЭлДЗ анализа, при условии, что знания не учитываются или не рассматриваются при анализе и синтезе системы.

Для полноты картины необходимо учитывать изменения элементов (Э), действий (Д) и знаний (З) во времени, т. е. их динамизацию. Схематично это изобразим в виде стрелки с буквой t (время).

8.2. Параметрический анализ

Для полноты картины необходим учет всех параметров составляющих компонентов (элемента, действия и знаний).

8.2.1. Данные об элементе

В качестве данных об элементе можно рассматривать:

1. Структуру;

2. Свойства;

3. Изменения во времени.

Структура элемента

Под структурой элемента понимается:

— Внутреннее строение и/или состав;

— Форма;

— Агрегатное состояние с учетом цепочки дробления (рис. 6.6).

Структура зависит от самого элемента.

Пример 8.5. Структура технической системы

Для технических элементов это может быть, например, конструкция (устройство) элемента, его состав (пластмасса, металл, «умное» вещество, например, материал с эффектом памяти формы, чип и т. д.). Форма элемента и его агрегатное состояние (твердый, жидкий, газообразный, плазма).

Пример 8.6. Структура организационной системы

Для организационных систем, например, структура компании или подразделения.

Пример 8.7. Структура бизнес-системы

Для бизнес-системы, например, структура и состав бизнеса, какой-то сделки и т. д.

Пример 8.8. Структура информационной системы

Для информационных систем — это может быть структура элемента, вид информации и ее параметры и т. д.

Свойства элемента

Описываются все свойства и параметры элемента.

Это могут быть:

— технические свойства, включая вес и габариты;

— экономические характеристики;

— эстетические характеристики;

— эргономические характеристики;

— экологические характеристики;

— психологические характеристики;

— и т. п.

Изменения во времени

Учитывает изменяется ли элемент во времени и характеристики изменения, т. е. элемент динамичный или статичный и характеристики динамичности.

8.2.2. Данные о действии

В качестве данных об элементе можно рассматривать:

1. Вид действия;

2. Градиент действия (grad Д).

Вид действия

Любое действие, воздействие и взаимодействие любой природы:

1. Потоки:

— вещества;

— поля;

— информации.

2. Силы;

3. Энергия;

4. и т. д.

Градиент действия

Градие́нт (от лат. gradiens, род. падеж gradientis — шагающий, растущий) — вектор, своим направлением указывающий направление наибольшего возрастания некоторой величины ψ, значение которой меняется от одной точки пространства к другой (скалярного поля), а по величине (модулю) равный скорости роста этой величины в этом направлении.

Градиент — вектор, своим направлением указывающий направление наискорейшего возрастания некоторой величины ψ. Другими словами, направление градиента есть направление наибыстрейшего возрастания функции [.

Учитывая, что величина, с которой мы имеем дело, — это действие (Д), формулу (8.10) можно представить

Таким образом, для действия указывается его:

— направление:

— сила;

— скорость.

В некоторых случаях нужно указывать более высокие производные и интеграл действия.

8.2.3. Данные о знании

Сначала дадим некоторые определения.

Знание — форма существования и систематизации результатов познавательной деятельности человека. Выделяют различные виды знания: научное, обыденное (здравый смысл), интуитивное, религиозное и др. Обыденное знание служит основой ориентации человека в окружающем мире, основой его повседневного поведения и предвидения, но обычно содержит ошибки, противоречия. Научному знанию присущи логическая обоснованность, доказательность, воспроизводимость результатов, проверяемость, стремление к устранению ошибок и преодолению противоречий.

Знание — субъективный образ объективной реальности, то есть адекватное отражение внешнего и внутреннего мира в сознании человека в форме представлений, понятий, суждений, теорий.

Знание в широком смысле — совокупность понятий, теоретических построений и представлений.

Отличительные характеристики знания все еще являются предметом неопределенности в философии. Согласно большинству мыслителей, для того чтобы нечто считалось знанием, это нечто должно удовлетворять трем критериям:

— быть подтверждаемым;

— быть истинным;

— заслуживающим доверия.

В качестве данных о знаниях можно рассматривать:

1. Структуру;

2. Свойства;

3. Изменения во времени.

Структура знаний

Под структурой знаний мы понимаем:

1. Вид знания

2. Составные части знания и их взаимодействия.

Свойства знаний

Под свойствами знаний мы понимаем то, что могут дать эти знания.

Изменения во времени

Знания могут быть:

1. неизменными;

2. меняющимися, например адаптирующимися.

8.1.2. Закономерности развития ЭлДЗа

Развитие ЭлДЗа осуществляется по закону, подобному закону увеличения степени вепольности (рис. 6.1—6.5) и закону увеличения степени ЭлДа (рис.7.1—7.40. Общая тенденция развития ЭлДЗа представлена на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Общая тенденция развития ЭлДЗа

Тенденцию развития ЭлДЗа начнем рассматривать с этапа, когда в систему еще не введены знания (З). Это предшествующий этап — развития ЭлДа (рис. 8.2—8.4). Такой этап мы условно назвали не ЭлДЗ система.

Простой ЭлДЗ — это этап введения в систему знания (З). Следующий этап увеличения управляемости системы — это изменение и согласование элементов (Э), действий (Д) и знаний (З). Согласование означает, что необходимо, чтобы действие (Д) отзывалось на знания (З), элемент (Э) отзывался на действие (Д), а знание воспринимало изменение состояния элементов (Э) и действий (Д), управляя ими.

Структура ЭлДЗ отличается от структур, изображенных на рис. 7.1—7.4, тем, что дополнительно вводится знание (З).

Изменение структуры означает, что для каждой из структур, изображенных на рис. 7.1 и 7.4, дополнительно вводится знание (K). Схема изменения структуры ЭлДЗ показана на рис. 8.2 и 8.3.

Рис. 8.2. Тенденция изменения структуры ЭлДЗа

Рис. 8.3. Тенденция изменения комплексного ЭлДЗа

Следующий этап — форсированный ЭлДЗ. Форсирование означает увеличение степени управляемости. Форсированный ЭлДЗ предусматривает форсирование элемента (Э), действия (Д), знаний (З) и структуры.

Рис. 8.4. Тенденция изменения форсированного ЭлДЗа

Закономерности увеличения управляемости элемента, действия и аналогичны закономерностям изменения вещества и поля. В самом общем виде будут изложены ниже. Также ниже будут описаны закономерности управления знаниями.

8.2. Закономерность управления элементом

Закономерность управления элементом представлена на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Структура законов эволюции систем

Управление элементом аналогично управлению веществом.

Закономерность перехода к КПМ не характерна для информационных систем, поэтому она не учитывается.

Закономерность изменения степени дробления рассматривается в общем виде (рис. 6.6). Элементы могут быть раздроблены и иметь жесткие или гибкие связи между собой.

8.3. Закономерности управления действием

Закономерность управления действием представлена на рис. 8.6.

Закономерность заключается в том, что любая система в своем развитии стремится изменить концентрацию (насыщенность) действий в необходимый момент в нужном месте по необходимому условию .

Рис. 8.6. Закономерность управления действиями

Механизмы изменения концентрации (насыщенности) действий аналогичны механизмам изменения энергетической и информационной концентрации (насыщенности), которые, прежде всего, относятся к рабочему органу (рис. 8.7—8.8).

Рис. 8.7. Тенденция замены вида действия

Рис. 8.8. Тенденция перехода моно-, би-, полидействия

8.4. Закономерности развития знаний

Нами выявлены следующие закономерности развития знаний:

— Расширение — сжатие.

— Дифференциация — специализация.

— Комбинация известных знаний и интеграция.

— Интеллектуализация.

8.4.2. Расширение — сжатие (свертывание)

Тенденцию «расширение — сжатие» можно продемонстрировать на примере развития различных теорий.

Пример 8.9. Развитие теории электромагнитного взаимодействия

Первоначально электричество и магнетизм считались двумя отдельными силами. Затем многие ученые замечали связь электрических и магнитных явлений. Первым из них был Джованни Доменико Романьози (1802 г.). Далее свой вклад внесли Ганс Христиан Эрстед, Доминика Франсуа Араго, Жан-Батисто Био, Фелекс Савару, Андре-Мари Ампер, Макл Фарадей (1820 г.) Это этапы расширения знаний.

Джеймс Максвелл в 1873 г. свел их воедино, создав классическую электродинамику. Это этап сжатия знаний.

Пример 8.10. Развитие теории гравитации

Опишем только некоторые из шагов развития теории гравитации.

Первый вклад внес древнегреческий астроном Клавдий Птолемей (87—165), разработав геоцентрическую модель мира (центральное положение во Вселенной занимает неподвижная Земля).

Коперник (1473—-1543 гг.) изучал небесные тела в течение 40 лет (этап расширения знаний). В 1543 г. была опубликована его книга «О вращении небесных тел», где была описана гелиоцентрическая модель мира (Солнце является центром небесных тел).

Затем накопились данные, дополняющие и противоречащие теоретическим знаниям Коперника (расхождение астрономических таблиц с наблюдениями), — это этап расширения. Уже теория Коперника не объясняла все имеющиеся дополнительные знания.

Гильберт (1540—1603) предположил, что силы тяготения подобны силе магнитов. Рене Декарт предположил, что тяготение создают вихри тонкой невидимой материи, а планеты подобны телам, попавшим в водяные воронки. Но строгий порядок в мысли о тяготении внес Иоганн Кеплер (1571—1630), который вывел количественные законы движения планет. Потом Галилей добавил закон инерции и принцип независимости действия сил. Роберт Гук (1635—1703) сделал практически первый эскиз закона: «Все небесные тела производят притяжение к их центрам, притягивая не только свои части, как мы это наблюдали на Земле, но и другие небесные тела, находящиеся в сфере их действия».

Следующий этап сделал Кеплер (1571—1630). Он вывел количественные законы движения планет. Его теория включала знания, описанные Коперником (вел три закона, полностью объясняющие видимую неравномерность движения планет). Это этап сжатия.

Галилей добавил закон инерции и принцип независимости действия сил. Многие ученые высказывали предположения о силе притяжения. Это был этап расширения.

Самый значительный вклад в теорию гравитации внес Исаак Ньютон (1642—1727). Он учел знания Коперника, Кеплера и Галилея, открыл закон всемирного тяготения в 1666 году. Вывел формулу силы гравитационного притяжения. Это был этап сжатия. Дальнейшее накопление знаний (расширение) показало неточность теории Ньютона.

Очередной этап сжатия осуществил Эйнштейн в 1915 году, создав общую теорию относительности. Теория Ньютона, в полном согласии с принципом соответствия, оказалась приближением более общей теории, применимым при выполнении двух условий:

1. Гравитационный потенциал в исследуемой системе не слишком велик.

2. Скорости движения в этой системе незначительны по сравнению со скоростью света.

Далее снова стали накапливаться знания, не объясняемые теорией относительности, например гравитационные процессы в квантовых масштабах. К настоящему времени проводятся исследования, но теория квантовой гравитации пока не создана.

Делаются попытки создать единую теорию поля. Пока это этап расширения знаний.

На этапе расширения знаний находится и «Теория всего (Theory of everything —TOE)». Это попытка создать теорию, описывающую все фундаментальные взаимодействия (гравитационноее, электромагнитное, сильное и слабое).

8.4.3. Дифференциация — специализация

От одной области науки отпочковывается наука, и она начинает самостоятельно развиваться.

Пример 8.11. Физика

Первоначально физика была единой наукой. Затем появились отдельные науки — механика, термодинамика, оптика, электродинамика, атомная физика и т. д. Механика разделилась на классическую механику, релятивистскую механику, механику сплошных сред. Последняя наука разделилась на гидромеханику, акустику и механику твердого тела. Каждый из разделов продолжает делиться и специализироваться дальше.

8.4.4. Комбинация известных знаний и интеграция

Новые знания образуются и соединением уже известных.

Пример 8.12. Физика и химия

Например, были науки физика и химия. Затем появились науки физическая химия и химическая физика.

Новые знания могут появляться путем комбинирования старых.

Знание «А» известно, знание «Б» тоже известно. Новое знание «В» получают соединением «А» и «Б».

Пример 8.13. Физика и химия

Периодичность солнечных пятен была давно известна, периодичность явлений в ионосфере — тоже; открытие состояло в том, что было найдено явление взаимосвязи между активностью солнечных пятен и функциями ионосферы.

Могут быть и более сложные варианты получение новых знаний: формула «А + Б» дает новое знание «В», затем «В + известное Г» дает новое знание «Д».

Пример 8.14. Солнечная активность

Периодичность в солнечной активности известна, периодичность в слипании коллоидов — тоже. Сначала установили взаимосвязь между этими явлениями. Затем полученное новое явление связали с известным явлением, состоящем в том, что тело человека — коллоидальная система. В итоге было открыто явление взаимосвязи некоторых процессов в организме с периодичностью солнечных пятен.

Обратный прием: исследование явления «А» с целью установления, что оно есть совокупность двух ранее неизвестных явлений «В» и «Б».

Пример 8.15. Радиоактивное излучение

Сначала было известно вообще радиоактивное излучение, затем — применяя магнитное поле — установили, что лучи радия — совокупность трех разных лучей. Так открыли явления альфа-, бета- и гамма-радиоактивности.

Другие схемы:

По аналогии. Есть группа явлений и, допустим, есть другая более или менее похожая на нее вторая группа явлений; тогда можно рассчитывать, что явлению «А» в первой группе соответствует еще не известное явление «А1» во второй группе.

Подвергать сомнению самоочевидные и общепризнанные явления. На каждом этапе развития техники эксперимента полезно проверить, казалось бы, достоверные явления.

Исключение неуниверсального явления. Допустим, явление «А» хорошо объединяет ряд факторов, но не объясняет какого-то одного факта. Тогда есть смысл попытаться отказаться от явления «А» или заменить его частными явлениями. При этом существование границ между частными явлениями — само по себе новое явление.

Отыскание среди явлений взаимопротиворечивых. Такая противоречивость далеко не всегда очевидна.

8.4.5. Интеллектуализация

Переход от неуправляемых к управляемым знаниям происходит по следующей цепочке: адаптивные (самонастраивающиеся) знания, самообучаемые и самоорганизующиеся знания и, наконец, саморазвивающиеся и самовоспроизводящиеся знания.

На сегодняшний день имеются системы адаптирующиеся, самонастраивающиеся и самообучающиеся, способные адаптировать и накапливать знания в процессе обучения. Развитие искусственного интеллекта постепенно приводит к получению саморазвивающихся и самовоспроизводящихся знаний.

Эта закономерность — развитие знаний в будущем.

Пример 8.16. Алгоритм открыл периодическую таблицу элементов

Междисциплинарная группа ученых из Стэнфорда создала алгоритм Atom2Vec, который всего за несколько часов открыл периодическую таблицу элементов. Но более всего поражает даже не скорость, с которой ИИ сделал то, на что ушли столетия у человечества, а использованный для этого лингвистический метод, приложенный к материаловедению.

Физики Стэнфорда использовали гипотезу Зеллига Харриса о распределенной структуре языка.

Лингвистическая концепция Харриса основана на идее, что базовые классы сущностей языка могут быть сгруппированы по сходным свойствам распределения. Например, слово «тетя» связано со словами «женщина», «дядя» и «мужчина» так, что тётю можно описать формулой:

Тётя = Дядя — Мужской + Женский

Основываясь на этой лингвистической аналогии, исследовательская группа создала алгоритм Atom2Vec с концепциями, взятыми из Word2Vec от Google, и запустила его на двухслойной нейронной сети для разбора естественного языка.

Только применили Atom2Vec не к словам, а к атомам. А в итоге получилась периодическая таблица элементов.

8.5. Структурный анализ для систем обработки информации

Рассмотрим особенности применения EAK анализа для систем обработки информации.

Процесс обработки информации характерен для многих систем, но для систем обработки информации он является главным. Он имеет свои особенности и закономерности.

В этих системах элемент представлен в виде данных (Д) и на английском (Data — D), действие  — функция (Ф) и на английском (Function — F) и знание (З) и на английском (Knowledge — K). Модель, включающая Данные, Функцию, Знание (на английском Data, Function, Knowledge), будем называть ДаФЗ, на английском — DFK.

Методику анализа и преобразования ДФЗ будем назвать ДаФЗ- анализ, на английском — DFK-анализ.

В системах обработки информации мы имеем дело с данными и функциями.

Данные — это часть информации, поступающей в систему.

Функция — это действие по обработке данных в системе.

Знание — это совокупность обоснованной, доказательной, эмпирической и воспроизводимой информации. Главное отличие знаний от данных состоит в их структуризации и активности. Знания доступны вне связи с поступающими данными и задаются во время разработки системы или ее обновления. Появление в базе новых факторов или установление новых связей может стать источником изменений в принятии решений.

8.5.2. ДаФЗ-анализ

Система неуправляема, если функция постоянна и не зависит от данных. Этот случай можно представить, как неполный ДаФЗ (8.12):

Как правило, имеются некоторые предварительные знания , которые могут быть использованы для корректировки функций в соответствии с классом входных данных. Такую модель будем называть полный ДаФЗ, простой ДаФЗ или ДаФЗ. Эту модель можно представить в следующем виде (8.13):

Система может адаптировать свои функции путем анализа входных данных и выбора наилучшей стратегии обработки данных. Такую структуру будем называть адаптивным ДаФЗ. Она может быть представлена в следующем виде (8.14):

Эта концепция может помочь исследовать различные системы обработки информации, определять эффективность их работы и выбрать путь для улучшения идеальности таких систем.

Пример 8.17. Система сжатия данных

Рассмотрим систему сжатия данных.

1. Тип входных данных неизвестен. В этом случае единственным надежным подходом является метод сжатия без потерь. При этом осуществляется относительно низкая степень сжатия. Эта система не использует знаний, поэтому это неполный ДаФЗ (8.12).

2. Если тип данных известен (например, изображение или звук), то для этого типа данных может быть использована конкретная схема сжатия (например, JPEG для изображений и MP3 для аудиопотоков). Выбранная схема сжатия использует структуру данных, что позволяет осуществить более высокую степень сжатия данных по сравнению с первым примером. Эта схема использует только внешние знания, полученные извне системы, без какого-либо анализа входных данных. Это пример простого ДаФЗ (8.13).

3. Наилучшая производительность сжатия может быть осуществлена путем анализа входных данных и определения типа данных (например, фото, рисунок, текст и т. д.). Выбирается наилучший метод сжатия для конкретного типа данных. Эта система использует как внешние знания, полученные извне системы, так и внутренние знания, собранные путем анализа входных данных. Это пример адаптивного ДаФЗ (8.14).

8.5.3. Закономерности увеличения степени ДаФЗа

Системы обработки информации подчиняются закону увеличения степени ДаФЗа. Мы сформулировали четыре закономерности увеличения степени ДаФЗа.

1. Закономерность многоступенчатой обработки.

2. Закономерность обработки многих источников.

3. Закономерность приспособляемости.

4. Закономерность многоступенчатой обработки.

Закономерность многоступенчатой обработки

Закономерность многоступенчатой обработки гласит: любая система обработки информации, как правило, обрабатывает данные в несколько этапов. То есть при увеличении сложности обработки обработка разделена на несколько этапов. Есть ряд различных причин многоступенчатой обработки:

1. Распределенные системы. Система, в которой обработка информации осуществляется различными компонентами.

Пример 8.18. Глобальные сети информации

В глобальной сети информация распределена на многих серверах. Обработка информации осуществляется на серверах и на персональном компьютере клиента.

2. Оптимизационное развитие. Сложные системы делятся на компоненты так, что каждый компонент может быть разработан и проверен самостоятельно. Минимизация связи между компонентами позволяет развивать систему более эффективно и быстро.

Пример 8.19. Разделение на компоненты

Практически все системы обработки информации разделены на компоненты, например программные комплексы разделены на модули, а отдельные программы — на функции.

В соответствии с закономерностью многоступенчатой обработки простой ДаФЗ  становится простым многоступенчатым ДаФЗом . В простом многоступенчатом ДаФЗ каждая стадия обработки не зависит от всех других, только передаются данные. Простой многоступенчатый ДаФЗ превращается в согласованный многоступенчатый ДаФЗ , в котором частичное количество знаний осуществляет обмен между этапами обработки. Наконец, согласованный многоступенчатый ДаФЗ становится общим многоступенчатым ДаФЗ . В общем многоступенчатом ДаФЗ все знания полностью распределяются между всеми этапами обработки (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Закономерность многоступенчатой обработки

1. Простой многоступенчатый ДаФЗ.

Пример 8.20. Веб-страница

Изображение на веб-странице делается фотоаппаратом, а представляется на мониторе. Фотоаппарат фиксирует световой сигнал, обрабатывает его и создает файл изображения. Компьютер, представляющий веб-страницу, может дополнительно обрабатывать файл, например адаптировать цвета и размеры для лучшего представления на мониторе. Фотоаппарат и монитор не обмениваются информацией.

2.Согласованный многоступенчатый ДаФЗ. Имеются случаи, когда вместе с информацией включаются и метаданные.

Пример 8.21. Цифровой зеркальный фотоаппарат

Цифровой зеркальный фотоаппарат (DSLR) фиксирует необработанное (или частично обработанное) изображение вместе с настройками съемки. Необработанное изображение передается на персональный компьютер, на котором эти параметры используются для завершения обработки изображения и получения окончательной фотографии.

3. Общий многоступенчатый ДаФЗ. Алгоритм обработки разделен на подпрограммы, которые могут иметь общую структуру, чтобы содержать все знания. Глобальные знания используются для обработки информации от каждого входа.

Закономерность обработки многих источников

Закономерность обработки многих источников гласит: система обработки информации с разными источниками, как правило, обрабатывает несколько источников совместно. Несколько входов с одинаковыми или различными видами информации могут совместно обрабатываться, исследуя корреляцию между ними.

Пример 8.22. Несколько источников информации

Несколько источников информации — это видео, содержащее видео- и аудиоинформацию. Отношение между ними может быть использовано для улучшения распознавание речи, уменьшения шума и сжатия видео.

В соответствии с закономерностью обработки многих источников любой простой ДаФЗ со многими источниками имеет тенденцию стать когерентным ДаФЗ со многими источниками. В когерентном ДаФЗ со многими источниками отслеживаются и обрабатываются все источники информации, но обработка выполняется независимо. Когерентный ДаФЗ со многими источниками может преобразовываться в согласованный ДаФЗ со многими источниками, где знания частично распределяются посредством подсистем между разными источниками. В конце концов, согласованный ДаФЗ со многими источниками может влиться в коллективный ДаФЗ со многими источниками с центральной обработкой знаний (рис. 8.10).

Рис. 8.10. Закономерность обработки многих источников

Пример 8.23. Видеоконференция

1. Простой ДаФЗ со многими источниками.

Две независимые системы находятся рядом. Например, видеоконференция с двумя независимыми системами: аудио и видео.

2. Когерентный ДаФЗ со многими источниками.

Управление видеоконференцией осуществляется на основании аудио и видеосигналов. Например, направленный микрофон ориентируется на говорящего человека на основании обработки видеосигнала.

3. Согласованный ДаФЗ со многими источниками.

В видеоконференции изображение может быть увеличено на основании обработки видеосигнала и направления звука говорящего, в то время как микрофон ориентирован на основании обработки звука и расположение говорящего человека. Это может быть особо полезно для выявления основного докладчика, когда имеется несколько человек в фоновом режиме.

4. Коллективный ДаФЗ со многими источниками.

В видеоконференции видеоизображение будет увеличено и направленный микрофон ориентирован на основании совместного анализа видео- и аудиоканалов.

Закономерность приспособляемости

Закономерность приспособляемости гласит: система обработки информации имеет тенденцию приспосабливать прежние данные для повышения своей эффективности. То есть система имеет тенденцию изучения информации, полученной раньше, и можно приспособить ее, чтобы получить наилучшие результаты для поступающей информации.

Пример 8.24. Система распознавания речи

Неконтролируемая система обучения, распознавание речи, поисковые системы и т. д.

Статический ДаФЗ не изменяется во времени, имеет набор априорных знаний (З) и функциональности (Ф). Меняться могут только данные (Д1 — Дn). Статический ДаФЗ может стать обучающимся ДаФЗ, если база знаний (З1 — Зn) меняется в зависимости от поступающих данных (Д1 — Дn). В эволюционном ДаФЗ изменяются во времени не только знания (З1 — Зn), но и функции (Ф1 — Фn), воздействуют на данные (Д1 — Дn), (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Тенденция приспособляемости

Пример 8.25. Система распознавания речи

1. Статический ДаФЗ.

Для распознавания речи используется только заранее фиксированный словарь. Изменяться во времени могут только данные (Д1 — Дn), например информация, которую произносит человек. Знания (З) и функция (Ф) остаются неизменными. Знания — фиксированный словарь, функция — распознавание речи.

2. Обучающийся ДаФЗ.

Система реализована в виде системы неконтролируемого обучения. Словарь адаптируется и включает новый образец, каждый раз, когда речь произнесена с высокой степенью достоверности. Со временем словарь (З1 — Зn) приспосабливается под говорящих, использующих эту систему. Система знаний (З1 — Зn) приспосабливается к окружающей среде, но функция (Ф) не меняется.

3. Эволюционный ДаФЗ.

Система не только адаптирует свои знания (З1 — Зn), но и изменяет свои функции (Ф1 — Фn) или добавляет новые возможности. Добавляется новая функциональность (Ф1 — Фn) — система может говорить, синтезируя речь на основании собранных знаний. Может воспроизводиться речь не только любого, даже не существующего человека, но и любого существа, возможен синтез новой музыки и любых новых звуков.

Комплексный ДаФЗ

Можно применять комбинации описанных выше законов. На рис. 8.12 показан пример обучающегося коллективного ДаФЗ со многими источниками.

Имеются два источника информации Д1n и Д2n. Коллективное знание Зn изучает изменение данных во времени. Функция Ф1n воздействует на эволюционирующие данные Д1n, поэтому Д1n—Ф1n—Зn является развивающейся ДаФЗ. При многоступенчатой обработке на источник Д2n воздействуют Ф2 и Ф’2 под воздействием общего обучающегося знания Зn.

Рис. 8.12. Пример комплексного ДаФЗ

Пример 8.26. Распознавание объекта

Система может осуществлять распознавание любого объекта, не только по аудио и визуальной информации, но и по запаху, температуре, электромагнитным излучениям и т. д. Кроме того, система может осуществлять синтез существующих и несуществующих объектов по любым параметрам.

9.1. Вопросы для самопроверки

1. Что такое вепольный анализ? Дайте определение.

2. Что такое веполь? Дайте определение.

3. Что такое вещество в вепольном анализе? Дайте определение. Виды веществ.

4. Что такое поле в вепольном анализе? Дайте определение. Виды полей.

5. Назначение вепольного анализа. Виды использования вепольного анализа. Представление исходной структуры задачи. Получение структурного решения задачи. Перспективы развития структуры системы.

6. Виды связей.

7. Виды вепольных структур. Назовите их.

8. Что такое невепольная система? Дайте определение.

9. Что такое комплексный веполь? Виды комплексного веполя.

10. Что такое внутренний комплексный веполь, внешний комплексный веполь, комплексный веполь на внешней среде, комплексный веполь на видоизмененной внешней среде? Приведите примеры.

11. Что такое цепной веполь?

12. Что такое двойной веполь?

13. Виды устранения вредных связей.

14. Нахождение технологического эффекта.

15. В чем специфика использования вепольного анализа для информационных систем?

16. Чем отличается новое представление вепольного анализа?

17. Как называется вепольный анализ для информационных систем?

18. Каковы закономерности развития знаний?

19. Опишите закономерности развития нового вида вепольного анализа для информационных систем.

20. Опишите вепольный анализ для систем обработки информации.

21. Опишите закономерности развития систем обработки информации.

9.2. Темы докладов и рефератов

1. История развития вепольного анализа. Покажите изменения в вепольном анализе.

2. Тенденции развития вепольного анализа.

3. Вепольный анализ будущего.

4. Вепольный анализ для информационных технологий.

9.3. Выполните задания

1. Приведите примеры различных видов веществ (элементов), полей (действий) и знаний.

1.1. Приведите примеры различных веществ (элементов).

1.2. Приведите примеры различных полей (действий).

1.3. Приведите примеры различных знаний.

2. Построить вепольные структуры для примеров.

2.1. Пример 9.1. Турбина реактивного двигателя

Турбины реактивных двигателей работают при высоких температурах. Чтобы сохранить прочностные свойства лопаток турбин, приходится в исходный материал добавлять легирующие добавки, например кобальт, который увеличивает в значительной мере стоимость турбины, но придает ей устойчивость к высоким температурам. Компания «Пратт энд Уитни» (Pratt & Whitney) разработала технологию изготовления лопаток, позволяющую снизить содержание в них кобальта на 30%. Для этого лазером сверлят в лопатках мельчайшие отверстия. Воздух, проходящий через отверстия, охлаждает лопатки, и, кроме того, снижается аэродинамическое сопротивление. Таким образом, турбины можно изготовить из менее жаропрочного материала.

2.2. Пример 9.2. Борьба с кавитацией

Кавитация вызывает эрозию (разрушение) материала устройств, где она происходит. С кавитацией пытаются бороться, при этом достаточно важно, чтобы кавитация подавлялась равномерно. Предложено для подавления воздействовать на кавитационные пузырьки ультразвуковыми колебаниями в диапазоне частот от 1 до 50 кГц.

2.3. Пример 9.3. Измерение мощности

Калориметрический метод измерения мощности. Для измерения мощности, поглощаемой нагрузкой в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне, определяется количество тепла, отдаваемое нагрузкой рабочему телу (воде), причем часто само рабочее тело используется как нагрузка. С помощью измерительного узла регистрируется температура рабочего тела и по ее значению определяется значение мощности.

2.4. Пример 9.4. Декоративный светильник

Известны декоративные светильники, использующие оптоволокно. Такой светильник (рис. 9.1) состоит из лампы, рефлектора, температурного фильтра и светофильтра, соединительной головки и оптоволоконного кабеля. В этом светильнике светофильтр был один и жестко закреплен.

Составьте вепольную схему.

Рис. 9.1. Декоративный светильник из оптоволокна

Изобретен декоративный светильник, который с изменением атмосферного давления меняет цвет (рис. 9.2). В данном изобретении светофильтры закреплены на гофрированной вакуумной камере, которая меняет свой объем в зависимости от атмосферного давления и передвигает разноцветные светофильтры.

Рис. 9.2. Декоративный светильник. А. с. 779 726

1 — сферический корпус из термостойкого пластика, состоящий из верхней полусферы А и нижней полусферы Б, 2 — опора, 3 — отверстие в нижней части корпуса, 4 — вентиляционное отверстие, 5 — горловина, 6 — кольцевая скобка, соединяющая половины А и Б, 7 — световоды, вмонтированные в горловину 5, 8 — основа, 9 — герметичная гофрированная вакуумная камера, 10 — стойка, 11 — отражатель, 12 — источник света, 13 — питающий электрический шнур, 14 — направляющая, 15 — рычаг, 16 — шарнир, 17 — закрепление рычага, 18 — светофильтр (светопропускающая пластина, разграниченная на отдельные цветовые секторы), 19 — светоотражающие козырьки.

2.5. Пример 9.5. Страховой канат

Предложен страховочный канат переменной жесткости. Канат имеет петлю, которая соединена связкой, имеющей меньшую прочность на разрыв, чем у каната (рис. 9.3). При срыве человека рвется, прежде всего, связка, гася часть энергии падения.

Рис. 9.3. Страховочный канат

2.6. Пример 9.6. Канат с амортизатором

При сильном ветре рвется канат, связывающий якорь и катер. М. Лобов из Пензы предложил (аналогично предыдущему примеру) сделать петлю из каната и соединить ее резиновым бинтом (рис. 9.4). Такие петли делаются в месте крепления каната к якорю и к катеру.

Рис. 9.4. Канат с амортизатором

2.7. Пример 9.7. Линия электропередач

Линия электропередач с участком провода, образующим петлю, параллельно которой установлен элемент, предохраняющий провод от обрыва при сверхрасчетных механических нагрузках, отличающаяся тем, что, с целью упрощения линии, элемент, предохраняющий провод от обрыва, выполнен в виде перемычки с механической прочностью, меньшей, чем механическая прочность провода линии.

3. Определите, какой это вид знаний.

3.1. Пример 9.8. Приток и отток холодного молекулярного газа

В астрофизике давно известны приток и отток холодного молекулярного газа, встречающиеся на просторах Вселенной. Но только недавно коллектив астрономов Европейской южной обсерватории (ESO) выявил причину этих процессов, обнаружив колоссальный «фонтан» молекулярного газа. Он находится в самой яркой галактике скопления Abell 2597, расположенного на расстоянии миллиарда световых лет от Млечного пути в созвездии Водолея.

Данные наблюдений говорят о том, что «фонтан» подпитывается энергией расположенной в ядре галактики сверхмассивной черной дыры. Она выбрасывает в пространство мощную струю холодного молекулярного газа, который затем выпадает обратно в виде межгалактического «ливня».

Чтобы лучше понять, как устроен процесс, ученые воспользовались помощью комплекса ALMA (Atacama Large Millimeter Array). Было обнаружено, что холодные молекулы с температурой до минус 250—260° C падают по направлению к черной дыре. Наряду с этим, астрономы при помощи смонтированного на Очень Большом Телескопе ESO (VLT) приемника MUSE проследили и движение более теплого газа, который выбрасывается из окрестностей черной дыры.

Оба массива данных позволили сформировать полную картину процесса. Холодный газ падает в направлении черной дыры, выделяя в ее окрестностях огромное количество энергии, что приводит к образованию быстродвижущихся джетов, состоящих из раскаленной плазмы. Джеты активно выбрасывают вещество из области черной дыры, образуя великолепный галактический «фонтан». Но, не имея не малейшего шанса вырваться из гравитационных объятий своей галактики, эта плазма охлаждается, замедляется и, в конце концов, выпадает обратно на черную дыру, после чего цикл повторяется заново.

3.2. Пример 9.9. Генетика

В соответствии с положениями классической генетики приобретенные в течение жизни свойства живых организмов не наследуются, если при этом не изменяется структура ДНК, находящейся в ядре соответствующих клеток, отвечающих за наследственность. Однако это положение не могло объяснить успехи практической гибридизации животных и растений, позволяющие получать новые и наследуемые свойства организмов в сравнительно короткое время. Ведь структура ДНК в ядре клетки очень устойчива и плохо поддается мутациям.

В последние годы успехи молекулярной и клеточной биологии позволили объяснить этот парадокс. Оказывается, в клетках организма вне ядра (в цитоплазме) тоже существует ДНК, а также информационная РНК, которая более чувствительна к внешним воздействиям и одновременно может влиять на наследственность. Одно из самых необычных проявлений РНК-интерференции и РНК-сайленсинга заключается в том, что они делают возможной неслыханную с точки зрения классической генетики вещь — наследование приобретенных признаков. Интерференция и сайленсинг не изменяют последовательности генов в ДНК, но могут управлять тем, насколько определенные гены будут активны. Действительно, легко представить, что если в клетки потомства из яйцеклетки попадут регуляторные РНК, они смогут принести с собой определенную схему, паттерн активности генов. Причем, как выясняется, этот паттерн способен наследоваться на протяжении нескольких поколений.

4. Определите, какой это вид ДаФЗ.

4.1. Пример 9.10. 3D-дисплей

В Фраунгоферовском институте (США) представлен 3D-дисплей для профессионального применения, на который можно смотреть без специальных очков. Растр на дисплее обычный, линзовый. Система обработки изображения «нарезает» изображение на вертикальные полоски (для левого и правого глаза). При этом специальная камера отслеживает положение зрителя и расстояние до экрана и в зависимости от этих данных адаптирует «нарезку» таким образом, чтобы зритель всегда находился в самом центре стереозоны.

4.2. Пример 9.11. Внешняя навигация играющих квадрокоптеров

Для управления играющими квадрокоптерами (например, перекидывающими тенисные шарики) необходимо отслеживать их положение с точностью порядка 1мм, причем много раз в секунду. Традиционные навигационные системы (GPS, инерциальные, гироскопические системы), которые могут обеспечивать требуемую точность, слишком тяжелы для размещения на квадрокоптерах. В FMA (Flying Machine Arena, США) используют систему захвата движения, известную в киноиндустрии. Восемь 4-мегапиксельных камер установлены над ареной, рядом с видеокамерами установлены светодиоды, излучение которых отражается от маркеров на летательных аппаратах. Положение каждого аппарата отслеживается с точностью 1мм и частотой 200 кадров в секунду, что после обработки позволяет посылать сигналы управления каждому квадрокоптеру 60 раз в секунду.

4.3. Пример 9.12. Новая электронная кожа

Группа исследователей из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф в Германии разработала электронную кожу, позволяющую человеку ориентироваться на местности. Исследователи действительно смогли сделать нечто подобное. Правда до способностей Тони Старка экспертам пока далеко, зато вот наделить вас возможностью без труда ориентироваться на местности при отсутствии смартфонов и вообще любых других навигационных устройств можно уже сегодня. И все это благодаря особой электронной коже.

5. Определите, какой это вид веполя

5.1. Пример 9.13. Оптогенетика

Для стимуляции конкретного нейрона исследователь использовал электрические импульсы. Это не дает необходимой точности.

Новая область экспериментальной технологии названа оптогенетикой. Нейроны возбуждают с помощью волоконной оптики. Это может использоваться, например, для разработки имплантатов, берущих на себя функции отдельных поврежденных сегментов мозга. В нервные клетки методом генной инженерии внедряют ген особо чувствительного белка chR2, который при попадании света изменяет проводимость ионных каналов. При направлении света с помощью светодиодов можно возбудить отдельные нейроны. DARPA создала проект помощи инвалидам с помощью оптогенетики.

5.2. Пример 9.14. Механофоры

Для определения состояния сооружений, например зданий, мостов и т. п., теперь при строительстве новых сооружений в них закладывают «механофоры». Это класс материалов, разработанных в Университете штата Иллинойс, которые под нагрузкой меняют свой цвет. По изменению цвета можно судить о состоянии сооружения. Разрабатываются новый класс механофоров, способных самостоятельно восстанавливать свою функциональность в случае повреждения.

5.3. Пример 9.15. Анализ сложных событий

Созданы системы обработки информации (например, StreamBase Systens и Tibco) сложных событий (нескольких событий, происходящих одновременно), способные в режиме реального времени перерабатывать огромные потоки информации, опираясь на базы данных нового типа и на алгоритмы распознавания образов. Подобные системы дают возможность принимать мгновенные решения в любой сфере — будь это сделка на фондовой бирже, приказ установить слежку за потенциальным террористом или отмена денежного перевода с подозрительной кредитки. К примеру, мобильник, снабженный приемником GPS, сможет выбирать из бесконечного потока рекламы только то, что актуально для его владельца.

5.4. Пример 9.16. Гомоморфное кодирование

Компания IBM разработала способ кодирования данных, чтобы посторонние лица могли сортировать их и выполнять поисковые манипуляции, не имея реального доступа к их содержанию. Они использовали двойную слепую схему. Она позволяет выискивать ошибки кодировки и исправлять их, не вскрывая содержимое файлов. Этот способ не требует суперкомпьютеров.

5.5. Пример 9.17. Мобильная диагностика

С помощью мобильных телефонов можно передавать медицинскую информацию из самых глухих мест в центры, где квалифицированные специалисты могут поставить диагноз. Компании Santa и Mobile Click Diagnostics создали такую возможность. Сотрудники Калифорнийского университета из Беркли и Лос-Анджелеса приладили к серийному сотовому телефону детали недорогих микроскопов. Это устройство способно записывать и анализировать микрофотографии, выявляя малярийного паразита или возбудителей туберкулеза.

5.6. Пример 9.18. Живая память: Бактерии как носитель информации

Ученые из Китая научились хранить информацию в колонии бактерий.

Исходное сообщение переводится в комбинацию цифр, которая с помощью специального алгоритма сжимается. Синтезируется соответствующий фрагмент ДНК, который заносится в бактериальную клетку. Потенциал этого метода велик. Помимо высокой плотности хранения информации расширяются условия, при которых она не теряется. Бактерии более устойчивы к перепадам окружающей сред. Бактерия Deinococcus radiodurans устойчива к воздействию жесткого излучения и почти не чувствительна к внешним электромагнитным полям. Теоретически информация может сохраняться даже при ядерном апокалипсисе.

5.7. Пример 9.19. Самолет без движущихся частей

Инженеры MIT (Массачусетский технологический университет) построили первый в мире самолет без движущихся частей. Вместо пропеллеров или турбин легкий самолет питается от «ионного ветра» — бесшумного, но могучего потока ионов, который создается на борту самолета, и это создает достаточную тягу, чтобы продвигать самолет для устойчивого полета.

В отличие от самолетов, работающих на турбинах, ионный самолет не зависит от использования ископаемого топлива. И в отличие от пропеллерных беспилотных летательных аппаратов, новый полностью бесшумен.

Профессор аэронавтики и космонавтики в Массачусетском технологическом университете Стивен Барретт ожидает, что в ближайшей перспективе такие ионно-силовые двигательные системы могут использоваться для управления менее шумными беспилотными летательными аппаратами. Кроме того, он предлагает использовать ионные двигатели в сочетании с более традиционными системами сжигания топлива для создания более экономичных, гибридных пассажирских самолетов и других летательных аппаратов.

5.8. Пример 9.20. Контроль и идентификация товара в магазине

Система включает связанные между собой сканирующее устройство, устройство для сбора товара, камеру, терминал оплаты самообслуживания и сервер.

Каждому средству для сбора товара присвоен индивидуальный идентификационный номер. Сканирующее устройство предназначено для считывания указанного номера средства для сбора товара, сканирования штрихкодов товаров и формирования списка выбранных товаров и итогового штрихкода.

Камера установлена на средстве для сбора товара и выполнена с возможностью считывания визуального образа товара и отслеживания его перемещения после сканирования штрихкода.

Терминал оплаты выполнен с возможностью обратной связи с сервером, при этом сервер выполнен с возможностью получения и анализа информации с камеры и терминала оплаты.

Покупатель активирует приложение на сканирующем устройстве, выбирает средство для сбора товара, считывает указанный номер посредством сканирующего устройства, сканирует штрихкоды выбранных товаров, формируя таким образом список покупок, располагает указанные товары в устройстве для сбора товаров, затем передает созданный посредством сканирующего устройства итоговый штрихкод на считывающее устройство терминала оплаты самообслуживания, оплачивает покупку, получает чек (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Система контроля и идентификации товара в магазине

5.9. Пример 9.21. Чтение рентгеновских снимков

Алгоритм под названием CheXNeXt — это первый алгоритм в мире, который за считанные секунды может оценивать рентгеновские снимки на наличие признаков множества заболеваний одновременно и выдавать результаты, которые вполне соответствуют выводам профессиональных рентгенологов.

Алгоритмы, вроде CheXNeXt, однажды могут помочь врачам-диагностам быстрее ставить диагноз и не тратить лишнее время на консультации с другими врачами.

5.10. Пример 9.22. Наблюдение за жизненными показателями пациентов

Управление по контролю за продуктами и лекарства США одобрило первый в мире алгоритм, наблюдающий за жизненными показателями пациентов и способный потенциально предсказать их смерть.

Алгоритм получил название Wave Clinical Platform, он разработан компанией ExcelMedical.

Платформа фиксирует малейшие изменения в жизненных показателях и посылает врачам предупреждение за шесть часов до потенциально скоропостижной смерти пациента. Алгоритм наблюдает за больными постоянно, и это практически невозможно осуществить с помощью исключительно человеческих работников. Как всем известно, медицинских работников не хватает по всему миру, и к каждому пациенту, даже тяжелому, невозможно поставить человека, который следил бы за ним постоянно и неустанно.

Wave создан именно для решения этой проблемы. Он в реальном времени показывает физиологическую и медицинскую информацию, которую может посмотреть медицинский работник как на рабочей станции, так и буквально со смартфона. При любом изменении показателей Wave автоматически подсчитывает риски и дает предупреждение заранее, если считает, что пациент находится в опасности или вскоре будет находиться.

Алгоритм не просто наблюдает за биометрическими показателями, но анализирует их системно. Например, небольшое снижение частоты дыхания в других системах сразу вызовет тревогу. Но если это снижение коррелирует с повышением давления, новый алгоритм, просчитав вероятности, даст знать о потенциально летальной ситуации

В клинических испытаниях, проведенных в медицинском центре Питтсбургского университета, Wave использовали в группе пожилых пациентов, и там, где систему подключали, она предотвратила шесть скоропостижных смертей.

5.11. Пример 9.23. Вирус убивает злокачественные опухоли

Раковые клетки окружают фибробласты (другие клетки), защищающие раковые клетки от иммунной системы. Фибробласты также снабжают раковые клетки питательными веществами для роста.

Создали вирус, который убивает раковые клетки, кроме того, он также может уничтожать соседние клетки (фибробласты), которые обманным путем защищают рак от иммунной системы.

В настоящее время любая терапия, которая убивает «обманутые» фибробластные клетки, может также убивать фибробласты по всему телу — например в костном мозге и коже, вызывая токсичность.

Ученые использовали вирус под названием Enadenotucirev, он заражает только раковые клетки, здоровые клетки при этом оставляя. Вирусу добавили генетические инструкции, заставляющие инфицированные раковые клетки продуцировать белок, называемый биспецифическим Т-клеточным агентом.

Белок был предназначен для связывания с двумя типами клеток и склеивания их. В этом случае один конец был нацелен на связывание с фибробластами. Другой конец специально привязан к Т-клеткам — типу иммунной клетки, который отвечает за уничтожение дефектных клеток. Это заставило Т-клетки уничтожить прикрепленные фибробласты.

5.12. Пример 9.24. Идентифицировать человека по походке

Компания Watrix разработала систему, способную идентифицировать человека с расстояния в 50 метров, даже он стоит спиной к камере или прячет лицо. Никаких специальных камер для этого не нужно — алгоритм способен анализировать уже существующие записи наблюдения и по ним определять личность человека с вероятностью в 94%.

Пока программа не может работать в реальном времени. Ей нужно примерно 10 минут, чтобы проанализировать около часа видео, в это время она формирует в базе силуэт человека и создает модель индивидуальной походки.

5.13. Пример 9.25. Сокращение энергии на производство удобрений

Азотные удобрения наиболее распространены в мире. На их производство тратится огромное количество энергии.

В Принстонском университете разработали метод, резко сокращающий расходы энергии, необходимые для этого.

Производители вытягивают азот из воздуха и объединяют его с водородом. Азотный газ обилен, составляя около 78 процентов в атмосфере. Но атмосферный азот трудно использовать, потому что он заперт на пары атомов, называемые N2, и связь между этими двумя атомами является второй самой сильной по своей природе.

Поэтому требуется много энергии, чтобы разделить молекулу N2 и позволить атомам азота и водорода объединиться. Большинство изготовителей используют метод Хабера-Боша, подвергая N2 и водород железному катализатору в камере, нагретой до более чем 400 оС. Метод использует около 2% потребления энергии в мире.

Группа под руководством Эмили Картер, декана инженерного дела Принстона и профессора Герхарда Р. Андлинджера по энергетике и окружающей среде, предложила использовать свет для ослабления связи в молекуле атмосферного азота.

Процесс взаимодействия света с металлическими наноструктурами, меньшими одной длины волны свет, происходит при комнатной температуре. Для концентрации света и усиления электрические поля стали использовать поверхностный плазмонный резонанс, повышающий мощность катализатора для разделения молекул азота [.

5.14. Пример 9.26. Прогнозировании орбит экзопланет

Искусственный интеллект позволяет точнее, чем обычные методы, рассчитать стабильность орбит Татуинов. Предположительно, что эти планеты могут быть обитаемые.

«Татуины» — планеты, вращающиеся вокруг двух звезд.

Движение вокруг двух звезд вместо одной может привести к большим изменениям на орбите планеты, что означает, что планета может быть выброшена из планетной системы либо поглощена одной из двойных звезд. Традиционные подходы к вычислению орбит для планет значительно усложняются, как только выясняется существование двойной звезды.

Планетам необходимо выживать в течение миллиардов лет, чтобы жизнь на них эволюционировала, поэтому выяснение того, стабильны орбиты или нет, является очень важным вопросом для обитаемости. Новая работа показывает, как машинное обучение может делать точные прогнозы, даже если стандартный подход, основанный на законах гравитации и движения Ньютона, не работает.

5.15. Пример 9.27. Наночастицы помогают сельскому хозяйству

Ученые из Израильского технологического института в Хайфе предложили использовать липосомы для быстрой доставки питательных веществ растения по сравнению с обычными средствами.

Липосома представляет собой полый шар около 100 нанометров в поперечнике и состоит из жировых молекул, экстрагированных из растений сои.

Раньше они использовались для доставки лекарств к определенным частям тела.

Теперь исследователи заполнили эти крошечные «пакеты» удобряющими питательными веществами. Их можно использовать в виде спрея.

Когда растительный лист поглощает эти наночастицы, липосомы распространяются на клетки других листьев растения и его корней, где жировые оболочки разрушаются и высвобождают молекулярный груз.

5.16. Пример 9.28. Быстрая зарядка смартфонов

Для увеличения подаваемой мощности без перегрева блока питания и самого смартфона компания Samsung продолжает развивать идею многопоточности (подача энергии происходит сразу двумя потоками).

Это позволило увеличить выходную мощность зарядного устройства до 18 Вт, реализовав эффективное рассеивание тепла. Как результат, смартфон заряжается быстро и не нагревается.

Процессоры Qualcomm с Quick Charge нового поколения смогут поддерживать передачу энергии уже тремя путями, что повысит мощность зарядки вдвое — до 32 Вт.

5.17. Пример 9.29. Нанотехнологии против вирусов

Заражение клетки вирусом через рецепторы и корецепторы на поверхности клеток. Для блокирования проникновения вируса использовали наночастицы на твердых материалах, таких как золото и серебро. Они не адаптируются к поверхности вируса, что позволяет вирусу проникать в клетку.

Немецко-индийская исследовательская группа разработала наногели, с разной степенью гибкости адаптирующиеся к поверхности вируса. Это увеличивает их взаимодействие с вирусными частицами и уменьшает вероятность того, что патогены смогут снова отсоединиться.

Сгенерированные наногели могут достигать ингибирующего эффекта до 90 процентов. Вещества остаются активными в течение относительно длительного времени, а также обеспечивают защиту от вирусных частиц, высвобождаемых из уже инфицированных клеток.

Наногель можно приготовить по очень низкой цене по сравнению с производством обычных противовирусных препаратов. Таким образом, они могут без проблем использоваться для лечения животных. Кроме того, полимерные гели являются безвредными и «дружественными к клеткам» — в отличие от жестких, негибких материалов — и могут быть разделены на мелкие фрагменты и выделены почками.

5.18. Пример 9.30. Золото плавят при комнатной температуре

Людвиг де Кнооп с физического факультета Технологического университета Чалмерса в Швеции установил, что при увеличении напряженности электрического поля до экстремальных значений поверхностные слои золота фактически расплавились при комнатной температуре.

Атомы золота перешли в возбужденное состояние. Под воздействием электрического поля они внезапно потеряли свою упорядоченную структуру, и почти все межатомные связи исчезли. В течение дальнейших экспериментов исследователи обнаружили, что также есть возможность «переключаться» между твердым и расплавленным состоянием металла.

Совместно с теоретиком Микаэлем Юхани Куисма из университета Ювяскюля в Финляндии Людвиг де Кнооп и его коллеги открыли новое направление в материаловедении.

Благодаря теоретическим расчётам исследователи могут выдвинуть предположения о причинах способности золота плавиться при комнатной температуре. Возможно, поверхностное плавление можно рассматривать, как так называемый низкоразмерный фазовый переход. В таком случае открытие связано с областью исследований топологии, первопроходцы которой — Дэвид Тоулесс, Дункан Холдейн и Майкл Костерлиц получили Нобелевскую премию по физике 2016 года. Исследователи под руководством Микаэля Юхани Куисма изучают эту способность.

В любом случае, плавление поверхностных слоев золота при помощи данного метода открывает новые перспективы для его применения в будущем в различных прикладных целях.

Возможность контролировать и изменять свойства поверхностных слоев атомов, это открывает двери для различных путей применения этой технологии. Например, она может применяться в различных типах датчиков, катализаторов и транзисторов. Также могут открыться возможности для новых концепций бесконтактных компонентов.

5.19. Пример 9.31. Гравитационный аккумулятор

Швейцарская компания Energy Vault предложила новую технологию энергосбережения в виде «гравитационного аккумулятора».

Предлагается построить 35-метровую башню, которая при помощи специального механизма будет поднимать несколько блоков по 35 тонн в моменты низкого энергопотребления. Когда нагрузка на сети возрастет, блоки опустятся, приведя в действие электрогенераторы. По словам швейцарцев, создать своеобразный энергонасос — простое и действенное решение. Технология аналогична закачиванию насосом воды на более высокую отметку, а затем работающего как генератор, приводимый в действие спадающей водой. Правда, вода не понадобится. Ее заменят блоки, которые можно будет делать практически из любого материала. Например, из свалочного мусора. Тогда стоимость упадет еще ниже, а природе будет причинен меньший ущерб. Подобный «гравитационный аккумулятор» решит основную проблему с сохранностью энергии.

Технология уже проходит обкатку в Индии. Компания Tata Power установила около штаб-квартиры маленький 22-метровый прототип. В будущем разработчики планируют ставить промышленные генераторы, которые в 5 раз больше по высоте (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Гравитационный аккумулятор

5.20. Пример 9.32. Твердотельные батареи

Японская компания TDK создала крошечные твердотельные аккумуляторы для носимых устройств и смартфонов. Батареи выдерживают до 1 тыс циклов перезарядки и безопаснее, чем традиционные литий-ионные аккумуляторы (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Крошечный аккумулятор

Батарея может быть установлена как в домашние устройства, такие как пульты дистанционного управления, так и в смартфоны и планшеты.

Сейчас компания готовится выслать партнерам первую тестовую партию аккумуляторов и запустить их в массовое производство. Установка батареи позволит уменьшить размер гаджетов или увеличить их мощность за счет установки дополнительных компонентов.

Ранее химики из Университета Ватерлоо нашли решение двух самых сложных проблем при создании литий-кислородных батарей. Разработанный учеными аккумулятор показал 100-процентную кулоновскую эффективность, измеряемую отношением отданных ампер-часов к ампер-часам, полученным от зарядного устройства.

5.21. Пример 9.33. Самолет нового поколения России

В Национальном исследовательском центре «Институт имени Н. Е. Жуковского» (НИЦ) разрабатывается воздушное судно нового типа.

Об этом журналистам сообщил гендиректор НИЦ Андрей Дутов, передает ТАСС. Для нового самолета была создана технологичная силовая установка — 500-киловаттный гибридный авиадвигатель. Сейчас заканчивается подготовительная работа к проведению летных испытаний двигателя. Специалисты в данном вопросе тщательно прорабатывают все аспекты работы, поэтому первый полет намечен на 2019 год, хотя двигатель фактически готов. Этот гибридный двигатель, по словам представителя НИЦ, будет опережать по своему потенциалу и техническим характеристикам аналоги из Siemens и Airbus.

Данная силовая установка призвана решить важнейшую задачу для российской авиации — переход к технологически новым, «чистым» разработкам самолетов. Ведь с появлением электродвигателей, способных зарекомендовать себя на рынке, российское авиастроение выйдет на новый качественный уровень. Это очень важный этап, в котором создание новой силовой установки является первым шагом на пути к запуску в небо первого полностью электрического самолета. Прототип двигателя уже демонстрировался специалистами на авиавыставке МАКС в Геленджике, вызвав очень большой интерес общественности.

По словам гендиректора НИЦ им. Жуковского, до 2025 года Россию ждет качественный технологический скачок в области создания новых образцов авиации. Это позволит до 2035 года получить действующий электрический самолет пассажировместимостью 50 человек. Данный самолет будет предназначаться для курсирования по региональным авиалиниям.

5.22. Пример 9.34. «Интернет ушей»

Ученые из Университета Кейс Вестерн Резерв в Кливленде создают новое поколение «умного дома» с новым комплектом датчиков, которое назвали «Интернетом ушей». Эта система, помимо «Интернета вещей» или IоT (всей бытовой техники, развлекательных центров, камер систем безопасности, осветительных, отопительных и охлаждающие систем и т п.), будет воспринимать не только вибрации и звуки шагов и прочих движений в помещении, которые можно связать с человеком или животным, но также и любые едва различимые колебания электромагнитного поля.

Через десяток лет или около того дом будущего, возможно, будет представлять собой здание, способное адаптироваться к потребностям жильцов, используя данные, получаемые всего лишь от нескольких крохотных датчиков, встроенных в стены и пол, без необходимости использования камер, способных нарушать право на личную жизнь.

Нас постоянно окружает электромагнитное поле с частотой 60 Гц, и человек, обладая некоторой электропроводностью и в какой-то мере замыкая поле на себя, соответственно, замеряет возмущения этого поля. Получается возможность определить присутствие человека даже по его дыханию, если он даже не издает ни звука.

Система обеспечит ряд преимуществ.

1. Обеспечение энергоэффективности зданий, особенно в плане освещения и обогрева, поскольку система приспосабливается к перемещению людей из комнаты в комнату, более эффективно распределяя энергию.

2. Возможность осуществления замеров и отслеживания структурной целостности здания, что позволит проводить оценку его безопасности для проживающих в нём людей. Это может иметь неоценимое значение, например, при землетрясении или урагане.

Человек создает динамическую нагрузку на здание, особенно если оно старое. Таким образом, можно предсказывать угрозу структурных повреждений в результате превышения допустимой весовой нагрузки на пол или неправильного распределения веса людей.

5.23. Пример 9.35. 3D-сканирование всего тела человека

В Калифорнийском университете в Дейвисе разработали сканер, который выдает трехмерное изображение тела человека. Он получил название EXPLORER («Исследователь»).

EXPLORER объединил в себе два метода визуализации — позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) и рентгеновскую компьютерную томографию (КТ). Оба метода сегодня используются очень активно. Однако устройства, способные с их помощью предоставлять медикам исчерпывающие сведения относительно состояния человека, — разные.

Устройство поможет революционизировать как клинические исследования, так и лечение пациентов. В частности, EXPLORER повысит скорость и точность диагностики, пригодится для наблюдений за прогрессированием различных болезней, для изучения свойств новых лекарств и так далее.

EXPLORER имеет ряд преимуществ перед другими системами визуализации.

1. Получение изображений занимает в 40 раз меньше времени, чем в случае использования технологии ПЭТ. На сканирование всего человеческого тела уходит порядка 20—30 секунд.

2. Чувствительность устройства в 40 раз превышает показатели современных коммерчески доступных систем сканирования.

Это позволяет сканеру создавать максимально подробные изображения, используя гораздо более низкие дозы радиации, чем требовалось до сих пор. Это очень важно как минимум по двум причинам.

1. Диагностические и клинические исследования можно будет проводить многократно без угрозы для здоровья пациента.

2. Снижение дозы облучения открывает новые возможности для педиатрии, ведь при обследовании юных пациентов медики тщательно контролируют дозу облучения, и ограничения для детей более существенные, чем для взрослых.

5.24. Пример 9.36. Гибкие солнечные батареи

Органические солнечные элементы (ОСЭ), которые можно нанести на поверхность, как краску, или напечатать. Ими решили снабдить одежду, для чего необходимо сделать их гибкими.

Лаборатория Рафаэля Вердузко, специалиста в области химической и биомолекулярной инженерии в Университете Райса, разработала гибкие ОСЭ, которые будут полезны в приложениях, требующих постоянного притока электроэнергии малой мощности.

Они использовали сетку из внедрённых эластичных волокон, делающих активный материал менее хрупким почти без потерь в силе тока (рис. 9.8).

В ОСЭ превращение солнечного света в электрический ток производится углеродистыми материалами и полимерами, в противоположность твёрдым неорганическим материалам, таким как кремний. ОСЭ имеют малую толщину и вес, они полупрозрачны и недороги. Их КПД (15 процентов) не сильно уступает КПД обычных солнечных элементов (22 процента).

Рис. 9.8. Гибкие солнечные батареи

5.25. Пример 9.37. Квантовый компас

Ученые из Имперского колледжа Лондона создали совместно со своими коллегами из компании M Squared Lasers (Шотландия) крайне точный квантовый компас. Основной принцип работы заключается в фиксировании субатомного эффекта магнитного поля Земли. Компас улавливает его изменения, что позволяет крайне точно выявить его месторасположение в пространстве. Компас использует лазеры для того, чтобы охладить атомы водорода внутри до крайне низких температур, после чего датчики фиксируют их перемещение, ускорение и то, как на них воздействует магнитное поле Земли. По факту мы имеем сверхточный акселерометр.

Он может стать не столько альтернативой GPS из-за своих больших размеров, сколько вспомогательной технологией, которая будет работать в случае, если связь со спутниками будет потеряна.

5.26. Пример 9.38. Робот из жидкого металла

Группа ученых из КНР и Австралии спроектировала робота на основе жидкого металла. Он может менять свою форму.

Робот состоит всего из трех частей: пластикового колеса, маленькой литиевой батарейки и капель сплава жидкого металла на основе галлия. Напряжение батарейки изменяется центром тяжести жидкого металла, что способствует перетеканию робота в одну сторону или другую

Дальше развивать мягких роботов с использованием жидкого металла. Их можно будет задействовать в специальных миссиях вроде поиска и спасения жертв землетрясений, так как роботы могут изменять форму, чтобы проникать под двери или пролезать через пространства, в которые не может поместиться человек.

5.27. Пример 9.39. Суперкомпьютер, имитирующий мозг человека

В Школе компьютерных наук университета Манчестера (Великобритания) заработал крупнейший в мире нейроморфный суперкомпьютер SpiNNaker, имитирующий работу человеческого мозга.

Компьютер оснащен процессором в 1 миллион ядер и способен выполнять более 200 триллионов действий в секунду, причем каждый из его чипов имеет 100 миллионов движущихся частей.

В отличие от традиционных компьютеров SpiNNaker уникален тем, что не отправляет большие объемы информации из пункта A в пункт B. Вместо этого он имитирует работу человеческого мозга, одновременно отправляя миллиарды небольших объемов информации в тысячи разных мест.

На создание суперкомпьютера ушло 20 лет разработки, более 10 лет строительства, а также 15 миллионов фунтов стерлингов.

«SpiNNaker полностью пересматривает способ работы обычных компьютеров. Машина больше похожа на мозг, чем на традиционный компьютер.

В конечном итоге создатели компьютера хотят увеличить процессор до 1 миллиарда ядер, что составляет лишь один 1% от объема человеческого мозга, который состоит из чуть менее 100 миллиардов нейронов, которые связаны между собой примерно 1 квадриллионом (это 1 с 15 нулями) синапсов. Для сравнения: мозг мыши состоит из почти 100 миллионов нейронов.

Одно из его фундаментальных применений — помочь нам понять, как работает наш собственный мозг. Это просто невозможно сделать на других машинах.

SpiNNaker уже имитировал работу базальных ганглий — области мозга, которую затрагивает болезнь Паркинсона. Это означает, что на компьютере можно тестировать фармпрепараты.

Теперь нейробиологи, управляя беспрецедентно большим симулятором, смогут раскрыть секреты работы человеческого мозга, а инженеры смогут разрабатывать большие нейронные сети в роботах, чтобы они могли ходить, разговаривать и двигаться.

5.28. Пример 9.40. Ультразвуковой хирургический инструмент

Радиофизики Томского государственного университета создали рабочую модель ультразвукового хирургического инструмента для коагуляции (спайки) тканей.

Хирургический инструмент для коагуляции создан на основе ультразвукового волновода — это искусственный направляющий канал со звукоотражающими стенками, в котором распространяется волна.

К волноводу присоединен пьезоэлемент, на который подается электрическое напряжение, возбуждающее колебания, и инструмент входит в резонанс. Благодаря этому соединения испытывают минимум нагрузки, не перегреваются, инструмент может служить дольше.

Радиофизики разработают целый ряд хирургических инструментов: помимо инструмента для коагуляции тканей они создадут нож, пилу и ножницы. Ультразвуковые колебания от 10 до 100 кГц и амплитудой 5—50 мкм уменьшат трение между тканями и лезвием, благодаря этому хирург будет тратить меньше усилий, а операция пройдет быстрее и станет безопаснее — сократится кровопотеря, заживление будет происходить быстрее. При помощи ультразвуковых инструментов можно «склеивать» сосуды, удалять тромбы, удалять катаракту глаза и производить другие действия.

5.29. Пример 9.41. Технология Brain Gate

В последние годы интерфейс мозг-компьютер, разработанный в рамках международного консорциума BrainGate, позволил людям управлять роботизированной рукой и печатать на виртуальной клавиатуре, используя лишь силу мыслей. В основе системы BrainGate лежит крошечный чип, который имплантируется в моторную кору головного мозга пользователя. Используя 100 встроенных электродов, этот чип обнаруживает электрическую активность отдельных нервных клеток. Данные об электрических сигналах отправляются на компьютер. Он использует ранее «обученные» алгоритмы для выявления конкретных паттернов (моделей) активности мозга, связанных с мыслями пользователей о выполнении той или иной задачи. Затем компьютер отправляет соответствующие команды на управляемое устройство.

Разработка поможет людям с синдромом «запертого внутри». Все они не способны разговаривать и часто не могут общаться с окружающим миром. Эта система поможет не только более активно взаимодействовать с семьей и друзьями, но и позволит людям подробно описывать текущие проблемы и состояние здоровья лицам, осуществляющим уход за ними.

5.30. Пример 9.42. 3D-печать хряща из стволовых клеток

Учeные из Университета Мельбурна разработали технологию создания искусственной хрящевой ткани с помощью стволовых клеток и 3D-принтера. Печать можно производить прямо во время хирургической операции, «ремонтируя» поврежденные суставы.

Используется искусственная ткань, более похожая на естественную. Структура имплантата корректируется в реальном времени прямо во время операции. Для этого используется портативный 3D-принтер.

Печать происходит методом экструзии. Стволовые клетки пациента внедряются в «чернила» из метакрилата желатина и метакрилата гиалуроновой кислоты (оба материала давно используются в медицине). После того как гель примет форму, идеально подходящую для коррекции конкретного дефекта, его облучают ультрафиолетом.

В результате начинаются химические реакции, в ходе которых материал приобретает механические свойства натурального хряща. Эта технология уже была испытана на овцах. Кроме того, исследователи проверили качество получаемой ткани в лаборатории. Для этого они взяли из подкожной ткани доноров мезенхимальные стволовые клетки.

Стволовые клетки этого вида могут превратиться в «кирпичики» кости, хряща, мышц или жировой ткани (отметим, что порой такое многообразие негативно сказывается на результатах, и ученым приходится искать более узкоспециализированных кандидатов). Эти клетки они добавили в «чернила» вместе с химическими стимуляторами, побуждающими их стать именно клетками хряща.

После этого исследователи напечатали искусственную ткань и восемь недель выращивали ее «в пробирке». По истечении этого срока образцы подверглись самому тщательному анализу. Их изучали с помощью оптических и атомно-силовых микроскопов, проверяли взаимодействие с электромагнитным излучением, анализировали экспрессию генов, тестировали иммуногистологическими методами, выясняли механические свойства и так далее.

Все тесты показали отличное соответствие естественной хрящевой ткани человека.

5.31. Пример 9.43. Видеть сквозь стены

Исследователи Калифорнийского университета в Санта-Барбаре представили систему, использующую для слежки окружающие сигналы Wi-Fi и обычный смартфон.

Для радиосигналов не существует дверей или стен. Они смешиваются, отражаясь от различных поверхностей, и с точки зрения Wi-Fi картина мира выглядит весьма смазанной. Люди также отражают сигналы, однако, в отличие от статичных предметов, они не выглядят смазанными. Поэтому если смотреть на мир глазами беспроводных сигналов, можно легко рассмотреть человека за стеной и определить его движения.

Для слежки за человеком за стеной исследователи сначала определили местоположение передатчика Wi-Fi путем измерения силы сигнала вокруг атакуемого дома с помощью смартфона. Если внутри дома ничего не движется, сигнал остается неизменным. Однако малейшее движение меняет сигнал, причем каждое движение делает это по-своему.

Если в обычной комнате есть более двух источников сигнала, разработанная исследователями система обнаруживала присутствие и движение людей с точностью 99%.

6. Решите задачи, используя вепольный анализ.

6.1. Задача 9.1. Золотая цепочка

Условие задачи

На ювелирном заводе звенья золотой цепочки паяют на станках-автоматах. Такие цепочки очень прочны: даже самую тонкую и изящную цепочку разорвать руками не получается. Такая цепочка может стать «удавкой» для еего обладателяей (например, во время ограбления или в иных случаях).

Как быть?

6.2. Задача 9.2. Извлечение запрессованной втулки

Условия задачи

В деталь «А» прочно запрессована втулка «Б», в которую входит металлический стержень «В» (рис. 9.9).

Как извлечь втулку «Б», используя простейшие инструменты, например молоток?

Рис. 9.9. Извлечение запрессованной втулки

6.3. Задача 9.3. Грелка

Условия задачи

Грелка (рис. 9.10), в которую только что налит кипяток, может обжечь больного.

Как быть?

Рис. 9.10. Грелка

6.4. Задача 9.4. Абразивная обработка

Условие задачи

Аппарат для абразивной обработки деталей сложной формы представляет собой коаксиально расположенные две трубы. По внутренней трубе движется воздух, а по наружной — частицы абразива. На конце наружной трубы расположено сопло, формирующее струю абразива (рис. 9.11). Сопло быстро изнашивается и его приходится менять. Как сделать не изнашиваемое сопло?

Рис. 9.11. Аппарат для абразивной обработки деталей А-А — разрез коаксиальных труб; Б-Б — разрез сопла.

Обычно стараются сопло делать из более износостойких материалов, но даже они изнашиваются, а стоимость таких материалов значительно больше.

6.5. Задача 9.5. Упаковка изделий

Условия задачи

Известен способ упаковки и консервации изделий путем окунания их в расплав полимера (рис. 9.12). Снимать такую упаковку с изделий со сложнорельефной поверхностью достаточно тяжело. Приходится ее разрезать, что может привести к порче поверхности изделия.

Как быть?

Рис. 9.12. Упаковка изделий со сложнорельефной поверхностью

6.6. Задача 9.6. Опоры мостов

Условия задачи

Быки (опоры) мостов в зимнее время покрываются льдом и постепенно разрушаются. Вода попадает в трещины быков, при замерзании лед расширяется и откалывает куски.

Необходимо устранить этот недостаток наиболее простым и дешевым способом.