Элементы, моделирующие болевые ощущения

3К
УДК 004.942
В.П. Карчевский
Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Стаханов, Украина


Предлагается в интеллектуальных системах использовать элементы, в которых по аналогии с
нейронными сетями живых организмов осуществляется передача, как обычной информации, так и
информации об отказах.

Определенный прогресс в развитии элементной базы интеллектуальных
систем возможен на пути использования аналогий с живыми организмами и
технической интерпретацией этих аналогий.
Боль имеет важное значение для адаптации организма к среде и его
нормальной жизнедеятельности, включая разумное поведение и интеллектуальные, мыслительные функции. Передача информации об обычных и болевых
раздражениях осуществляется в нейронных сетях живых организмов. Согласно
теории специфичности боль связана со своим исключительно обособленным
рецепторным аппаратом и самостоятельными путями проведения в центральную
нервную систему. В теории интенсивности допускается, что одни и те же
рецепторы, одни и те же системы отвечают в зависимости от силы раздражения
как не болевым, так и болевым ощущениям. Промежуточную позицию занимает
распространенная теория «воротного контроля» Р. Мелзака и П. Уолла [1].
Боль учит живое осторожности, заставляет его беречь свое тело,
предупреждая о грозящей опасности и сигнализируя о болезни. Но боль может и
сама становиться причиной нарушений в организме, причиной расстройства
деятельности органов и систем. Это патологическая боль, которая может
проявляться в следующих формах: невралгия (повреждение чувствительных
нервов), каузалгия (перерыв нервных стволов), фантомная (боль в той части тела,
которая отсутствует, например, после ампутации).
Рассмотрим подход к построению искусственных схем, в которых по
аналогии с нейронными сетями живых организмов осуществляется передача как
обычной информации, так и информации об отказах.

Рассмотрим некоторый ~-элемент (тильда-элемент) с n входами и одним
выходом, функция которого представлена следующим образом
 f ( x1 ,..., xi ,..., x n ),
f 
 ~,
~
360
если
если
xi xi  0,1,
xi  x i  ~ ,
«Искусственный интеллект» 4’2002
Элементы, моделирующие болевые ощущения
3К
где f ( x1 ,..., xi ,..., x n ) – двоичная функция.
То есть такой ~-элемент функционирует как двоичный, если на всех его
входах имеются логические («не болевые») сигналы 0 или 1 [2], [3]. Если же хотя
бы на одном входе элемента будет сигнал об отказе ~ («болевой»), то и на его
выходе будет сигнал ~. Следовательно, этот элемент выполняет функцию
трансляции сигнала об отказе с входов на выход.
Определим идеальный ~-элемент, который кроме трансляции сигналов об
отказе с входов на выход должен также обеспечивать генерирование на выходе
сигнала ~ при отказе внутри самого элемента. В этом случае
 ~
f ( x1 ,..., x n ),
f 
 ~,
~
если
если
x i  i  N ,
 j  j  N ,
где {  1 ,..., i ,  j ,... } – множество состояний элемента, N – подмножество состояний
элемента, присущее исправному элементу.
Очевидно, что функционирование ~-элемента может быть описано
трехзначной логической функцией. От алфавита 1, 0 и ~ можно перейти
соответственно к симметричному алфавиту 1, –1, 0 и к несимметричному
алфавиту 2, 1,0. Все возможные варианты соответствия между алфавитами
приведены в табл. 1 и 2. Однако все 12 вариантов соответствия между алфавитами
можно свести к двум: симметричный вариант, когда сигнал ~ находится между
информационными сигналами и несимметричный вариант.
Таблица 1
Варианты соответствия
алфавитов 1,0,-1 и 1,0,~
Таблица 2
Варианты соответствия
алфавитов 2,1,0 и 1,0,~
1 ~ ~ 0 1 0 1
0 0 1 ~ ~ 1 0
-1 1 0 1 0 ~ ~
2 ~ ~ 0 1 0 1
1 0 1 ~ ~ 1 0
0 1 0 1 0 ~ ~
Недостатком элементов, функционирующих в симметричном алфавите,
является обязательное появление сигнала об отказе при изменении
информационных сигналов. Для элементов с несимметричным алфавитом
характерны более жесткие допуски на уровни сигналов.
В соответствии с предложенным автором арифметико-логическим
способом [2] любую трехзначную функцию f 3 можно представить через две
двухзначных функции f 12 , f 22 , между значениями которых выполняется
арифметическая операция вычитания: f 3  f 12  f 22 . Функции f 12 и f 22 задаются
в алфавите 0, 1; их аргументами являются характеристические функции
1
xik  
0
при
xi  k ,
при
xi  k ,
где xi , k   1,0,1.
Исходя из этого, например, функцию ~-элемента И-НЕ с двумя входами
можно представить так:


f 3  x1 , x 2   x11  x 21 x10 x 20  x11 x 12 .
«Штучний інтелект» 4’2002
361
Карчевский В.П.
3К

На рис. 1 показан оптоэлектронный вариант ~-элемента 2И-НЕ [2], [4].
Структура элемента соответствует вышеуказанной функции. В этом потенциальном
элементе сигналам –1, 0, 1 (0, ~, 1) соответствуют напряжения U-1, U0, U1, причем
 E  U 1  U пор , - U пор  U 0  U пор , U пор  U 1  E , где Е(–Е) – напряжения питания
элемента, а Uпор – пороговое напряжение.
Рис. 1. Схема потенциального ~-элемента 2И-НЕ,
работающего в симметричном алфавите
В табл. 3 приведено функционирование элемента при различных его
состояниях.
Состояние  1 характеризует функционирование элемента без дефектов,
остальные состояния –  2  11 – при наличии таких одиночных дефектов, как
обрывы и короткие замыкания светодиодов и фототранзисторов. При четырех дефектах (короткие замыкания фототранзисторов VT1, VT2, VT4 и VT5 – состояния
 7 ,  8 , 10 , 11 ) на одном из наборов входных сигналов нарушается функция
трансляции сигнала об отказе. При остальных дефектах элемент либо функционрует как исправный, либо генерирует сигнал об отказе.
Рис. 2. Структура на ~-элементах 2И-НЕ
362
«Искусственный интеллект» 4’2002
Элементы, моделирующие болевые ощущения
3К
Однако только состояние  2 (например, обрыв выхода) полностью соответствует функции генерирования сигналов об отказе идеального ~-элемента. Поэтому в ~-комбинационных устройствах имеет место накопление дефектов (аналогия
с невралгией) и застревание сигналов об отказе (аналогия с каузалгией). Также в
комбинационных устройствах дефект соединения выхода с входом одного и того
же элемента можно интерпретировать и как аналог генератора патологически
усиленного возбуждения [5]. Важно отметить, что комбинационные устройства
можно строить заменой двоичных элементов соответствующими ~-элементами
для любого алфавита.
Таблица 3
Состояния входных и выходных сигналов ~-элемента 2И-НЕ
Сигналы
на входах
элемента
x1
x2
0
0
1
1
0
~
1
~
~
0
1
0
1
~
0
~
1
~
Сигналы на выходе элемента
при различных его состояниях
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
0
0
0
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
0
~
~
~
~
~
1
1
1
~
~
~
~
~
~
1
~
1
0
~
~
~
~
~
1
1
~
0
~
~
~
~
~
1
~
1
0
~
~
~
0
~
1
1
1
0
~
1
~
~
~
1
1
1
~
~
~
~
~
~
1
1
~
0
~
~
0
~
~
1
1
1
0
1
~
~
~
~

Рассмотрим построение ~-дискретных устройств с памятью [2], [6]. По
аналогии с RS-триггерами, которые построены на двух двоичных логических
элементах 2И-НЕ, проанализируем такую же структуру на ~-элементах 2И-НЕ
(рис. 2). Пусть сигнал ~ в некоторый момент времени появится на одном из выходов
структуры, тогда и на другом выходе будет сигнал ~. Можно утверждать, что каким
бы ни было последующее изменение сигналов на входах, вывести такую структуру с
указанного состояния будет невозможно. Но такое состояние в рассмотренном
выше ~-элементе 2И-НЕ соответствует выключенному питанию элементов, а значит,
при включении питания на обоих выходах структуры будет сигнал ~. Таким образом,
RS-триггер не может быть непосредственно построен на двух ~-элементах 2И-НЕ с
рассмотренным симметричным алфавитом. Этот вывод можно обобщить: любое
устройство с памятью не может быть построено заменой двоичных элементов ~элементами с сигналами –1, 0, 1 (0, ~, 1) и с сигналами 0, 1, 2 (~,0,1).
В [2] описано, что ~RS-триггер можно создать, если не допустить появления
~-сигналов на вторых входах ~-элементов 2И-НЕ, которые посредством обратной
связи подключены к выходам триггера (рис. 3). Кроме того, в такой ~RS-триггер
для его устойчивой работы целесообразно дополнительно вводить специальные
элементы синхронизации (рис. 4). При построении триггеров можно также
выбрать такое соответствие алфавитов, когда ~  0.
«Штучний інтелект» 4’2002
363
Карчевский В.П.
3К
Элементы D3 и D4 (рис. 3) реализуют функцию y  x  1  x  1 , а элементы
синхронизации D1 и D2 (рис. 4) построены в соответствии с формулой
f
3
x1 c   x  1 c  1  x 0 c  1  x 1 c 1   x  1 c 1  c  1 x  1  x 0  x  1  x  1 c 1  .
1
0
Так как x  x  x
1
 1 , то f
3
 x , c   c 1  x 1 c1   x  1 c1 .
Рис. 3. ~RS-триггер с блокировкой~ сигнала
в обратной связи: а) схема; б) условное обозначение
Рис. 4. -~RS-триггер с специальными элементами синхронизации


Концептуально моделирование боли в дискретных устройствах позволяет
осуществлять их контроль в процессе функционирования. Важна идея совмещения,
интегрирования в ~-устройствах не только функций логической обработки сигналов,
но также датчиков дефектов и каналов передачи «болевых» сигналов. Но даже в
простом логическом элементе (рис. 1) короткие замыкания фототранзисторов
нарушают логику функционирования: иногда пропадает «болевой» сигнал (табл. 3).
Если обеспечить, что фототранзисторы ~-элемента 2И-НЕ в закрытом, открытом и
коротко замкнутом состоянии будут иметь существенно разные сопротивления
(Rзакр>>Rоткр>>Rкз), то увеличивающийся ток в нагрузке при коротком замыкании
можно использовать для пережигания плавких дополнительных вставок, включенных
364
«Искусственный интеллект» 4’2002
Элементы, моделирующие болевые ощущения
3К
последовательно с фототранзисторами. При этом дефект короткого замыкания
преобразуется в обрыв фототранзистора. При обрыве же фототранзистора ~элемент 2И-НЕ осуществляет генерирование сигнала ~ и функция трансляции сигнала
~ не нарушается. Это один из способов создания теоретически идеального ~-элемента.
С другой стороны, даже идеальный ~-элемент 2И-НЕ, как показано в
предыдущем разделе, не позволяет без проблем строить соответствующие
устройства с памятью.
Поэтому естественно рассматривать применение комбинированных
~-дискретных устройств, в которых используются двоичные и троичные элементы
[2], [7]. На рис. 5 показано такое двухвходовое устройство. Элементы D1 и D2
предназначены для преобразования троичного алфавита в двоичный, элемент D3,
наоборот, для преобразования двоичного алфавита в троичный. Элементы D4 и
D5 обеспечивают трансляцию «болевого» сигнала. Такое дискретное устройство
соответствует теории «воротного контроля» в объяснении боли.
Рис. 5. Комбинированное дискретное устройство
для трансляции сигнала ~


С целью контроля дискретных устройств в процессе функционирования к
ним могут быть подключены датчики отказов. Информация с датчиков может поступать на схемы обработки диагностической информации либо на индикаторы
по отдельным каналам. Такая организация контроля дискретных устройств будет соответствовать теории специфичности. Боль в соответствии с этой теорией связана со
своим исключительно обособленным рецепторным аппаратом и самостоятельными
путями проведения в центральную нервную систему.
Дискретное устройство на рис. 6 построено в соответствии с описанным
принципом [2], [8]. Причем в качестве датчиков отказов используются сами
двоичные дискретные устройства, только дублированные. Их выходы подключены к входам, можно в этом случае сказать, «специфического» уже троичного ~элемента сравнения (рис. 7). На выходе элемента сравнения формируется
«болевой» сигнал. Так как ~-элементам присуще самодиагностирование, то
можно практически получить повышенную надежность системы контроля
двоичных блоков для рассматриваемой структуры. Естественно в структуру могут
войти дополнительные ~-элементы для передачи, комбинационной обработки и
фиксации «болевых» сигналов. На рис. 7 указана также функция ~-элемента
сравнения.
«Штучний інтелект» 4’2002
365
Карчевский В.П.
3К
Рис. 6. Дублированное дискретное
устройство с обнаружением отказов

Рис. 7. Оптоэлектронный ~-элемент сравнения:
а) схема; б) условное обозначение

Новые ~-элементы, моделирующие болевые ощущения, впервые были
предложены автором еще в 1984 году [4] с целью создания цифровых систем с
«самодиагностированием» в процессе их функционирования. В идеале
применение ~-элементов позволяет: отказаться от синтеза схем встроенного
контроля; сократить количество информационных шин, что очень важно в
интегральной технологии изготовления микросхем; а также обеспечить любую
требуемую глубину диагностирования. Но рассмотренные ~-элементы оказались
не свободными от недостатков: это значительная избыточность; возникают
проблемы при реализации устройств с обратными связями; более сложны
вопросы гонок, состязаний и синхронизации; в настоящее время отсутствует
эффективная интегральная элементная база.
В статье описаны троичные ~-элементы. Важен факт существенной
зависимости свойств таких элементов от выбора физической сущности
«болевого» сигнала ~. Достаточно подробно рассмотрены потенциальные
элементы с сигналом ~, который соответствует нулевому потенциалу. Именно это
позволяет, по крайней мере, получить самоконтроль обрывов входов и выходов.
366
«Искусственный интеллект» 4’2002
Элементы, моделирующие болевые ощущения
3К
Теоретический и практический интерес представляет дальнейшее
исследование и использование троичных потенциальных элементов с сигналом ~,
который соответствует не нулевому потенциалу ~-мажоритарных элементов,
~-пороговых элементов и ~-формальных нейронов.
При построении последовательностных ~-устройств существенен выбор
алфавита; в некоторых случаях для функционирования устройств с памятью
требуется блокировка сигнала ~ в цепях обратной связи или кратковременная
подача на элементы памяти специальных сигналов установки.
В процессе анализа возможного применения ~-элементов выявлены
совпадения предложенных вариантов схемных решений с теоретическими
положениями о боли в живых организмах. Рассмотрены технические дискретные
структуры, моделирующие боль согласно теориям интенсивности, «воротного
контроля» и специфичности.
В определенной мере предложенные ~-элементы, являющиеся
устройствами с обнаружением отказов, – это альтернатива отказоустойчивым
дискретным устройствам. Действительно, отказоустойчивые дискретные системы
содержат встроенные средства диагностирования. Автор же предлагает создавать
такие дискретные элементы и устройства, которые «сами» выполняют функции
диагностирования.
Практически, с учетом современного состояния элементной базы, в
интеллектуальных системах могут быть использованы результаты работы автора:
– для повышения отказоустойчивости систем, в том числе за счет диверсификации схемных решений отдельных частей систем;
– для обеспечения контроля и диагностирования систем в процессе функционирования;
– для придания системам свойств адаптации и реконфигурации внутренней структуры при отказах и адаптации к внешней среде.

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Кассиль Г.Н. Наука о боли. – М.: Наука, 1975. – 399 с.
Карчевский В.П. Дискретные троичные элементы с обнаружением отказов. – К.: УМК ВО, 1990. – 56 с.
Карчевский В.П. Дискретные троичные устройства с обнаружением отказов // Тез. докл. VI
Всесоюз. совещ. по технической диагностике. – Ростов н/Д. – 1987. – С. 101.
Контролируемый логический элемент И-НЕ: А.с. 1339885, МКИ3 НОЗК 19/14 /
В.П. Карчевский. – № 4020416/24-21; Заявл. 10.02.86; Опубл. 23.09.87, Бюл. № 35.
Крыжановский Г.Н. Генераторные механизмы боли // Наука в СССР. – 1986. – № 4. – C. 5157, 118.
RS-триггер: А.с. 1390790, МКИ3 НОЗК / В.П. Карчевский. – № 3968458/24-21; Заявл. 22.10.85;
Опубл. 23.04.88, Бюл. № 15.
Контролируемое логическое устройство: A.с. 1181130, МКИ3 Н О3 К 19/00 / В.П. Карчевский. – № 3716808/24-21; Заявл. 03.02.84; Опубл. 23.11.85, Бюл. № 35.
Дублированное устройство на логических элементах с тремя состояниями (его варианты): A.с.
1280711, МКИ3 Н ОЗ К 10/00 В.П. Карчевский. – № 3693957/24-21; Заявл. 13.01.84; Опубл.
30.12.86, Бюл. № 48.
The elements of intellectual systems, in which one by analogy with neuronal grids of alive organisms the
transfer both customary information, and information on failures implements is described in the article.
Статья поступила в редакцию 26.07.02.
«Штучний інтелект» 4’2002
367