CC BY
28
УДК 004.42:531.3
DOI 10.21685/2307-4205-2018-3-11
Н. С. Кузнецов, В. В. Смогунов, Л. Р. Фионова, Н. К. Юрков
ГИБРИДНЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ ИНЖЕНЕРИИ ГЕТЕРОСТРУКТУР ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
N. S. Kuznetsov, V. V. Smogunov, L. R. Fionova, N. K. Yurkov
HYBRID INTELLIGENCE ENGINEERED HETEROSTRUCTURES
OF COMPUTERS
Аннотация. Показано, что становление и развитие цифровой цивилизации породило принципиально новую проблему взаимодействий в человек-машинной системе, а это в свою очередь создало множество задач в проблеме создания гибридного интеллекта, синтезе надежных систем мехатроники, преодолении барьеров на пути от homo sapiens к homo intellectus и бесконфликтному миру без катастроф и заблуждений прошлого. Дан анализ концептуальных моделей гибридного интеллекта. Показан путь от технологии инженерии анализа катастроф гетероструктур, созданной на основе использования закона катастроф, к искусственному интеллекту. Главными показателями интеллекта здесь являются умение решать задачи, задаваемые окружающей действительностью, доведение решения задачи до реализации интеллектуального продукта и получение экономического эффекта от реализации в гетерогенной конкурентной среде. Доказано, что все катастрофы на Земле происходят под действием внешних сил (солнечных излучений, электромагнитных полей, силы взаимодействия планет, метеорных потоков и др.), а также определяются воздействием внутренних сил Земли. Проведен системный анализ гибридного интеллекта, задействованного в инженерии гетероструктур, дан анализ моделей программной инженерии гетероструктур, в том числе и моделей, разрабатываемых авторами. Проведено моделирование тепловых и виброударных воздействий, а также исследования гетероструктур кровообращения человека. Показана конкурентоспособность предложенных моделей при решении актуальных проблем современности.
Ключевые слова: вычислительная техника, модели, гибридный интеллект, технологии, инженерия, гете-роструктура.
Abstract. It is shown that the emergence and development of digital civilization has created a fundamentally new problem of interactions in a man-machine system, and this, in turn, has created many tasks in the problem of creating hybrid intelligence, the synthesis of reliable mechatronics systems, overcoming barriers on the way from homo sapiens to homo intellectus and a conflict-free world without catastrophes and delusions of the past. The analysis of conceptual models of hybrid intelligence is given. The way is shown from the technology of engineering of the analysis of the catastrophe of heterostruc-tures, created on the basis of the use of the law of catastrophes, to artificial intelligence. The main indicators of intelligence here are the ability to solve problems set by the surrounding reality, bringing the solution to the problem to the realization of an intellectual product and obtaining the economic effect of implementation in a heterogeneous competitive environment. It is proved that all catastrophes on Earth occur under the influence of external forces (solar radiation, electromagnetic fields, forces of interaction of planets, meteor showers, etc.), and also are determined by the influence of the internal forces of the Earth. A systematic analysis of the hybrid intelligence involved in the engineering of heterostructures was carried out; an analysis of the models of software engineering of heterostructures, including the models developed by the authors, was given. The simulation of thermal and vibro-impact effects, as well as studies of human blood circulation heterostructures, has been carried out. The competitiveness of the proposed models when solving actual problems of modernity is shown.
Key words: computing, models, hybrid intelligence, technology, engineering, heterostructure.
Введение
Инженерия гетерогенных структур мехатроники в современной трактовке - учение о методах и средствах создания надежной мехатроники вычислительной техники.
Инженерия - область человеческой интеллектуальной деятельности, основной задачей которой является применение достижений науки, законов природы, природных ресурсов для решения конкретных проблем и задач, стоящих перед человечеством.
Мехатроника - область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации систем с компьютерным управлением движения, основанная на законах в области механики, электроники, микропроцессорной техники, информатики, а также на компьютерном управлении движения агрегатов.
Мехатронное устройство - это выделившийся в последнее десятилетие новый класс машин, базирующийся на использовании точной механики, электропривода, электроники, компьютерного управления.
В настоящее время в научном сообществе достигнуто понимание острой необходимости учета гетерогенности социотехнологической среды современной цивилизации.
Гетерогенными, по своей глубинной сущности, являются все компоненты цивилизации -страны, народы, экономики, культуры и прочее не только между собой, но и внутри каждого компонента. Эволюция материальных и духовных объектов неизбежно ведет к усилению гетерогенности их структур. Наконец, сам человек представляет собой сложнейшую гетерогенную структуру с растущим множеством подвидов homo sapiens.
Становление и развитие цифровой цивилизации создало принципиально новую проблему взаимодействий в гетероструктуре человек-компьютер, а это в свою очередь поставило множество задач в понимании гибридного интеллекта, создании надежных систем мехатроники, преодолении барьеров на пути от homo sapiens к homo intellectus и бесконфликтному миру без катастроф и заблуждений прошлого.
Этой проблеме и некоторым решениям первостепенных задач посвящена данная статья.
Концептуальные модели гибридного интеллекта
Среди концептуальных моделей гибридного интеллекта выделяют:
- модели, включающие естественный интеллект человека и искусственный компьютерный интеллект;
- модели последовательные, параллельные, смешанные;
- модели, содержащие нейросетевые, генетические, статистические и другие алгоритмы;
- модели, базирующиеся на групповом интеллекте экспертов и искусственном интеллекте;
- модели, рассчитанные на специальные применения - разработки торговых роботов, финансовых прогнозов, системной футурологии и пр.;
- адаптивные системные модели динамики, включающие алгоритмы и программы искусственного интеллекта, ориентированные на конкретного человека вкупе с интеллектом этого человека и групповым интеллектом экспертов по конкретной проблематике [1].
Наряду с фон-неймановской архитектурой программ и моделей со строгим следованием заданному алгоритму используются множество других архитектур - гарвардская, использующая раздельную память для исполняемого кода и данных и позволяющая вносить модификации в саму себя, мутируя таким образом; нейросетевая и другие с внесением человеческих качеств, таких как компетентность и здоровье.
Системный анализ моделей гибридного интеллекта позволяет утверждать, что определяющим в успешности применения той или иной модели является интеллект человека, применяющего ту или иную модель [2].
Проблема понимания процессов образования человеческого интеллекта представляет собой одну из важнейших проблем современных науки и образования [3].
Под интеллектом в настоящее время понимают совокупность умственных функций, которые превращают восприятие в новые знания по некоторому генетически наследуемому и социально выстроенному алгоритму.
Несомненное лидерство в экономике и политике принадлежит странам и территориям с преимущественным развитием методов гибридного интеллекта интеллектуального капитала и технологических инноваций. Дело в том, что интеллект в отличие от материальных активов и ресурсов неисчерпаем: чем более интенсивно государство, регион, индивид употребляют интеллект в деле, тем быстрее и масштабнее интеллект возрастает.
Главными показателями интеллекта являются умение решать задачи, задаваемые окружающей действительностью, доведение решения задачи до реализации интеллектуального продукта и получение экономического эффекта от реализации в гетерогенной конкурентной среде.
Основными компонентами рейтинга конкурентоспособности гибридного интеллекта являются правительство, финансы, инфраструктура, менеджемент, национальная экономика, международные
экономические отделения, люди, наука и технология. Во всех компонентах рейтинга присутствует интеллект. Важными показателями конкурентоспособности территории является имидж лидеров, прежде всего политиков.
Процесс коммуникации осуществляется с помощью слов и понятий, языка и текстов; понимание, интерпретация информации реализуются Я-интеллектом индивида. Структура интеллекта человека с позиций информационно-логического понимания интеллекта представляет собой гетерогенную структуру, основным элементом которого считается сознание. Сознание определяет смысл и цель жизни, а также потребности, интересы и ценности жизни человека и его деятельности, реализуя их через конкретные алгоритмы [4].
Питающей основой - «болотом» интеллекта, необходимой для его жизнедеятельности и эволюции, является социотехнологическая среда. Ценности среды, знания, развивающие среду, в известном смысле, есть отчужденная форма интегрального интеллекта, в котором индивидуальный интеллект принципиально случаен, интеллектуальный процесс - индивидуален и не индивидуален одновременно. Более того, можно констатировать, что существует некая сумма интеллектов всех ранее живших людей - «большое болото», из которого проистекают гибридные интеллекты социумов разных регионов мира.
Многие ученые в настоящее время по разным научным специальностям, в разных странах мира констатируют кризис современной цивилизации и выделяют социальную сущность противоречий, из-за которых кризис цивилизации развивается. Интегрируя эти противоречия, можно выделить противоречия цивилизации с природой, противоречия человека с человеком, противоречия человека с самим собой. Если первых две группы противоречий понятны, более или менее изучены и могут разумно решаться, то противоречия человека с самим собой, как и прежде, являются наименее изученными и наиболее опасными. Одним из возможных путей преодоления этого противоречия является понимание прогрессивности гибридного интеллекта как суммы естественного человеческого интеллекта и современных средств коммуникаций, решающей в значительной мере эту проблему.
Нельзя не отметить существенное ускорение эволюции цивилизации за счет развития гибридного интеллекта, включающего, в нашем понимании, все современные средства коммуникаций -транспорт, связь, телевидение, компьютерные системы.
Сумма естественного интеллекта индивида и гибридного интеллекта компьютерной системы всегда предпочтительнее суммы индивидуальных интеллектов, даже самых мощных, при решении противоречий человека с самим собой. Одной из возможных реализаций теоретических результатов может быть известная идея о вживлении в организм человека микрочипов взаимодействия интеллекта человека с компьютерными программами, в частности проекты создания нейрокомпьютерных оболочек головного мозга, т.е. по существу усилителей интеллекта человека или «идеального» гибридного интеллекта [4, 5].
Нашими исследованиями моделей гибридного интеллекта установлены некоторые закономерности при решении задач, намеченных во введении, а также создан информационно-измерительный комплекс «Динамика гетерогенных структур».
Информационно-измерительный комплекс «Динамика гетерогенных структур» содержит:
Часть 1. Обработка больших массивов информации. Классификация. Отбрасывание резко выделяющихся данных. Параметрические, непараметрические критерии. Средние, дисперсии. Последовательный анализ. Корреляции. Регрессии. Выбор новых закономерностей. Проверка гипотез. Экспериментальная проверка.
Часть 2. Визуализация внешнего вида. Цифровая флуоресцентная наноскопия. Интроскопия гетероструктур. Определение собственных частот и форм колебаний. Лазерная интерферометрия. Оптико-электронное зондирование.
Часть 3. Алгоритмы и программы математического моделирования напряженно-деформированного состояния гетероструктур; нестационарных тепловых полей, в том числе с фазовыми переходами; вибрационных и ударных процессов.
Инженерия анализа катастроф гетероструктур
Технологии инженерии анализа катастроф гетероструктур строятся на использовании закона катастроф, которая формулируется следующим образом. Все катастрофы на Земле происходят под действием внешних сил - солнечных излучений, электромагнитных полей, силы взаимодействия
планет, метеорных потоков. Наряду с внешними силами определенное воздействие оказывают внутренние силы Земли.
Важнейшими силовыми воздействиями являются ударные воздействия метеоритов на земную поверхность. Именно с ними связаны катастрофические землетрясения, цунами, извержения вулканов.
Не менее катастрофическое влияние оказывают мощные электромагнитные бури. Операторы энергетических систем, водители транспортных средств, руководители различных рангов, принимающих ответственные решения, теряют, как известно, ориентацию в пространстве состояний; сложные мехатронные системы также часто оказываются под действием электромагнитных импульсов и полей. Недостаточная надежность мехатроники приводит к малоэффективной несвоевременно предупреждающей информации о возможных катастрофах.
Большинство крупных катастроф, таких как землетрясения, связаны с бомбардированием Земли метеоритами - атомная станция Фукусима, арсеналы вооружений, химические, металлургические, нефтедобывающие и перерабатывающие производства, катастрофы космических кораблей, самолетов всегда связаны с недостаточной исследовательностью гетероструктур защиты и управления, включая гетероструктуры человека.
Современная цивилизация - это компьютерная цивилизация, это время перехода биовида homo sapiens в homo intellectus, когда гибридный интеллект человека и компьютера превращает обычную технику в мехатронную, имеющую сложную гетерогенную структуру.
Постоянные аварии и катастрофы космической техники, энергетического оборудования, самолетов, судов, военной техники и вооружений убедительно свидетельствуют о недостаточной изученности гетероструктур.
Блестящее решение данной проблемы по гетеропереходам твердотельной микроэлектроники -важнейшей гетероструктры мехатроники, дал выдающийся русский физик, академик РАН, лауреат Нобелевской премии Ж. И. Алферов.
В электронике гетероструктура - выращенная на подложке многослойная структура из различных полупроводников, отличающихся шириной запрещенной зоны. За развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники Ж. И. Алферов получил Нобелевскую премию 2000 г. Полупроводниковый лазер, сделанный Ж. И. Алферовым в физтехе, представляет собой многослойную гетероструктуру Me - SiO2 - P+GaAs - pAlGaAs - pGaAs - pAl-GaAs - nGaAs - Me с толщиной пакета 12 мкм, выполненную по технологии молекулярно-пучковой эпитаксии. Основой получения надежных полупроводниковых гетероструктур является, по Ж. И. Алферову, близость параметров кристаллических решеток материалов гетеропереходов, что подтверждает надежность работы мехатроники на космических станциях.
Таким образом, в XX в. установлен факт фундаментальности эволюции полупроводников через гетерогенность гетеропереходов и получение надежных гетероструктур путем гомогенезации гетеропереходов на уровне параметров кристаллических решеток.
В мехатронике, состоящей из механических, электротехнических, электронных и компьютерных узлов, гетеропереходы выполняются по паяным, сварным, клеевым, напыляемым, осаждаемым, опрессованным, заливным и другим технологиям. Это соединения кристаллических, аморфных, жидкокристаллических, дискретных и дискретно-непрерывных материалов (табл. 1).
Таблица 1
Классы гетероструктур Гетероструктуры
Наногетерогенные полупроводники Ме - SiO2 - GaAs - PAlGaAs-PAlGaAs - nGaAs - Ме
Микрогетерогенные проводники и диэлектрики Стали, сплавы, керамика, стекло, полимеры, композиты и т.п.
Мезагетерогенные соединения разнородных материалов Металл-керамика, керамика, керамика-стекло, стекло-металл, металл-полимер, полимер-стекло, металл-полупроводник
Макрогетерогенные структуры Механика, электротехника, микроэлектроника, машины, оборудование, здания, сооружения
Мегагетерогенные системы Солнечная система, Земля, природа, человек, цивилизация
Многофазные структуры Твердое тело-жидкость, твердое тело-газ, газ-жидкость
Динамические структуры Жесткозакрепленные, подвижные, разъемные, неразъемные
По данным российских симпозиумов по надежности, пассивные и активные компоненты ме-хатроники состоят на 90...99 % из гетеропереходов, количество отказов электронных компонентов в 60...90 % случаев связано с отказами гетероструктур. Анализ гетеропереходов, применяющихся в механике, электротехнике, компьютерах показывает, что это резьбовые соединения - 51 %, паяные -12 %, развальцованные - 9 %, запрессованные - 9 %, клепанные - 7 %, сварные - 4 %, клеевые -4 %, зачеканенные - 3 %, обжатые - 3 %, намотанные - 2 % и именно эти гетеропереходы в основном определяют надежность мехатроники [6, 7].
Технологически передовыми мехатронными системами являются, в первую очередь, вооружения и военная техника. Министр обороны РФ генерал армии С. К. Шойгу приводит следующие данные по исправной, стоящей на вооружении армии и флота, технике. Военно-космические войска по авиации обладают 63 % исправной техники, противовоздушной обороне - 96 %, в военно-морском флоте - 76 %, бронетанковых войсках - 94 %, по ракетно-артиллерийским вооружениям -93 %. Американские данные не противоречат приведенным и дополняют их данными по отказам американской техники - большая часть неисправностей связана с отказами компьютерных гетеро-структур, включая программное обеспечение. Аналогичные данные публикуют страны члены НАТО.
На наш взгляд, это объективные данные, согласующиеся с общими сведениями по влиянию различных факторов на надежность техники. Наибольшее влияние оказывают температурные, вибрационные и ударные воздействия [6-8].
Поскольку подавляющее большинство гетеропереходов представляет собой соединения разнородных материалов, требуются новые подходы к обеспечению надежности гетероструктур ме-хатроники. Одним из плодотворных подходов является динамика гетерогенных структур, базирующаяся на системных моделях гибридного интеллекта в технологиях инженерии гетероструктур [9].
Современные изделия мехатроники представляют собой набор блоков, состоящих в зависимости от назначения изделия из блоков приема, передачи и обработки информации, а также блоков питания, преобразователей, исполнительных и т.п.
Рис. 1. Обобщенная структура мехатронной системы: ГИ - гибридный интеллект;
БКУ - блоки компьютерного управления; ИУ - информационное устройство; СЭП - силовые электронные преобразователи; ИД - исполнительные двигатели; МУ - механическое устройство; РО - рабочий орган; ОР - объект работ
Основными элементами блока являются платы с установленными на них электрорадиоиздели-ями, элементами коммутации, корпусов и рабочей среды. Платы представляют собой пластины-носители электрорадиоизделий. Платы могут быть выполнены из фольгированного стеклотекстолита - однослойные и многослойные с коммутирующими элементами из фольговых медных проводников, а также из керамики или металла с многослойным покрытием из слоев диэлектриков и металлических коммутирующих слоев. Электрорадиоизделия выполняют роль функциональных элементов блока. Назначение, устройство и конструктивное оформление электрорадиоизделий ва-
рьируются неограниченно, однако все варианты имеют, по меньшей мере, два сходных признака: все без исключения электрорадиоизделия имеют электрические вводы-выводы, практически во всех случаях электрорадиоизделия крепятся к плате [8, 9].
Подавляющее большинство технологических операций при нанесении покрытий, монтаже, сборке и герметизации изделий представляют собой операции соединения различных его элементов и деталей.
Считается, что в любом изделии всегда можно выделить конструктивный элемент, процессы в котором явились причиной отказа. При установлении причины и механизма отказов объектом физико-химического анализа являются не конструктивные, а определенные физические структуры, вплоть до моноатомных слоев. За границу структуры принимают поверхность, на которой скачкообразно изменяются термодинамические параметры в пространстве и во времени.
Современный анализ отказов предполагает три основных группы задач и методов проведения анализа: обобщение информации об отказах, инструментальное исследование отказов, математическое моделирование процессов, приводящих к отказам с использованием детерминированных моделей математической физики.
Обобщение и анализ информации об отказах изделий проводились по отчетам и обзорам Центров анализа отказов, а также с привлечением реальных данных по технически неизбежному отходу и браку в процессе серийного производства с использованием алгоритмов информационного обеспечения анализа отказов.
Суммировав и обработав информацию по всем проанализированным источникам, можно утверждать, что самыми отказывающими элементами конструкций являются различного рода соединения разнородных материалов. В частности наибольшее число отказов приносят соединения, по которым проходят электрические сигналы. Это явление получило специальное название «Тирания контактных соединений». Переход от дискретной технологии к интегральной позволил в существенной мере решить проблему повышения надежности операционных элементов изделий, однако не устранил «тирании контактных соединений», значительная часть приборов в интегральном исполнении отказывают из-за дефектности контактных электромонтажных соединений. Более того, переход к интегральным технологиям привел к тому, что современное изделие, изготовленное по этой технологии, например, на 90 % состоит из соединений разнородных материалов, при этом до 95 % отказов приходится на отказы соединений разнородных материалов.
Детальный анализ информации об отказах изделий в производстве опытных образцов изделий, при изготовлении установочных партий и серийных изделий с одной стороны, технологических потерь и брака - с другой и, наконец, информации об отказах из эксплуатации, показывает, что причинами отказов в подавляющем большинстве случаев являются отказы сварных и паяных соединений многослойных структур и залитых соединений разнородных материалов [10, 11].
Анализ комплекса тепловых воздействий производства гетероструктур, сборок с их применением воздействующих факторов эксплуатации позволяет из рассматриваемого множества задач по определению тепловых полей выделить три типовые задачи, характерные для всего множества в целом.
В первой задаче температура окружающей среды предполагается заданной функцией времени T = /(т), эта задача соответствует технологическому процессу спаивания гермопереходов в печи.
Во второй задаче предполагается известным и однородным поле температур Т0 = const в начальный момент времени. Это соответствует случаю, когда гермопереход нагрет в печи и выдержан в ней настолько долго, что температура во всех его точках успела полностью выровняться. В момент времени т = 0 задается температура, являющаяся заданной функцией в последующие моменты времени. Эта задача соответствует режимам технологического термоциклирования, сушки, климатических испытаний и т.п.
В третьей задаче на торцевой поверхности токоввода в момент времени т = 0 задается температура, являющаяся заданной функцией в последующие моменты времени. Эта задача соответствует технологическим режимам пайки или сварки подводящих проводников.
Во всех трех задачах нужно определить зависимость температуры и ее производных по координатам от времени. Математическая модель, соответствующая рассмотренным задачам, строится следующим образом: рассматривается составной цилиндр, температурное поле в котором удовлетворяет системе уравнений нестационарной теплопроводности:
dTj (r, z, т) | d2Tj (r, z, T) 1 дТ, (r, z, т) д2Т, (r, z, T) 1 ( 0 0 < < R Ч
-j-= а,\-J—-+--J—-+-J—2-\; (т > 0, 0 < r < R ),
дт I dr r dr dz I '
где T, - температура; r, z - координаты; т - текущее время; а, - температуропроводность. Краевые условия заданной задачи имеют вид
Т (r, z, 0) = Т2 (r, z ,0) = Тз(г , z, 0) = Т4 (r, z, 0) = Т5 (r, z, 0) = const. На границе J и J + 1 слоев:
Т,(r,z,T) = Т,+i(r,z ,t); дТ, ( r,z ,t) dTJ+1(r, z ,t)
A .-= A . '
на оси: r = 0
на торцах: z = 0, L
на боковой поверхности: r = R
J dr J+1 dr
дТ (0, z ,t) = 0>
dr
дТ (r z t) ± A j J K у + aJ { - Tj (r, z ,t)} = 0;
■5
-Х5 ^,г,т) + а5{ -Т5(г,г,т)} = 0.
дг
Здесь - коэффициент теплопроводности у'-го слоя; ау. - коэффициент теплообмена у'-го
слоя; Тс - температура окружающей среды.
Аналитическое решение рассмотренной задачи нам не известно, среди известных решений рассмотрена задача о двухслойном составном цилиндре. Наиболее целесообразным подходом к решению поставленной задачи представляется разработка численного алгоритма, при этом система уравнений может быть приведена к системе уравнений теплового баланса для элементарных объемов. Разбивая конструкцию гермоперехода на элементарные слои - кольца - N слоев по радиусу М -слоев по высоте, можно для каждого кольца проинтегрировать уравнение теплопроводности по объему и получим
дТ (г г т)
[ ' йУ = а. [ ДТйУ;
дт '
у 04 у
интеграл | ДТ йУ по теореме Остроградского - Гаусса равен интегралу | УТ , и тогда его можно
уу Яу
заменить для каждого слоя выражением
гдТ. (г, г ,т) йТ.
[ Л }дУУ = У,.
у. дт йт
В результате получается система уравнений в полных производных N•M порядка, решаемая методом Рунге - Кутта четвертого порядка.
В вычислительном эксперименте при решении второй технологической задачи установлено наличие ранее не известного импульса градиента температур в угловой точке соединения разнородных материалов. Этот эффект заключается в появлении на начальном этапе охлаждения соединения разнородных материалов, в первые несколько секунд разности температур на поверхности диэлектрика и металла и быстром изменении градиента температуры от нуля до максимума и от максиму-
ма до некоторого значения в указанном интервале времени. Другой стороной этого эффекта является смена знака градиента температуры в тонком поверхностном слое в окрестности угловой точки. Параметры импульса градиента температуры зависят от соотношений теплофизических характеристик соединяемых материалов и условий охлаждения [12].
Результаты вычислительного эксперимента при решении третьей задачи нестационарной теплопроводности гетероструктур подтверждают экспериментальные результаты. При импульсных тепловых воздействиях пайки и сварки на токовод основную роль в термостойкости играет локализация градиента температуры в угловых точках соединения диэлектрика с токовводом. Это явление приводит к микротрещинам и последующей негерметичности и обусловлено существенным различием тепловых коэффициентов соединяемых материалов.
Системное рассмотрение комплекса тепловых воздействующих факторов производства и эксплуатации позволяет утверждать, что проблема обеспечения качества гетероструктур при импульсных тепловых воздействиях на токоввод не может быть успешно решена известными способами. Одним из эффективных путей кардинального решения этой проблемы может быть способ изготовления гермопереходов с защитой торцовых поверхностей теплопроводящими полимерными композициями.
Решение рассмотренных технологических задач нестационарной теплопроводности гетеропереходов на основе разработанных математических моделей, алгоритмов и программ расчетов позволяет теоретически обоснованно подойти к вопросам проектирования технологии производства гетероструктур и одновременно сформулировать основные требования к конструкции гермопереходов и применяемым материалам. Например, предложены комплексы характеристик и коэффициентов термостойкости микрогетерогенных материалов:
K = °вХ(1 - ^
С уаЕ '
где ов- предел прочности; X - коэффициент теплопроводности; ц - коэффициент Пуассона;
С - теплоемкость; у - удельный вес; а - КЛТР; Е - модуль упругости.
Для мезагетерогенных соединений разнородных материалов предлагается использование материалов с близкими физико-механическими характеристиками [13].
Для макрогетерогенных изделий мехатроники дополнительно вводятся диссипативные характеристики структур.
Важнейшими технологиями инженерии гетероструктур являются экспериментальные технологии оценки форм колебаний и волн в мехатронных системах. Например, изучение динамики ленточных моделей и многослойных пластинчатых моделей не вполне канонических форм с помощью динамических фигур Вдовикиной. Анализ результатов позволяет сделать вывод о характере распространения волновых процессов в многослойных гетерогенных пластинчатых структурах.
Моделировались колебания трапециевидной, овальной и треугольной пластинчатых структур, в последнем случае - со сложной формой гипотенузы.
Важнейшими технологиями инженерии гетероструктур являются экспериментальные технологии оценки волновых процессов. Например, изучение динамики ленточных моделей и многослойных пластинчатых моделей не вполне канонических форм с помощью динамических картин. Анализ результатов позволяет сделать вывод о характере распределения волновых процессов в многослойных гетерогенных пластинчатых структурах.
Моделировались колебания и волны в трапециевидных, овальных и треугольных пластинчатых структурах, в последнем случае - со сложной формой гипотенузы. Модели всех форм - геометрически симметричные, имели ребро жесткости, совпадающее с осью симметрии и скрепленное с пластиной в центре масс или в трех точках вдоль продольной оси жесткости. Исполнение моделей отличалось от канонических случаев наличием граничных условий (консольное защемление) по оси симметрии, а не по краям. Источник возмущения располагался снизу в области центра масс. Для визуализации картин использовались стеклянные микросферы в бакелитовой оболочке.
Картины в целом нестабильны в смысле динамичности самой фигуры - на фоне некоторой разряженности скопившейся среды (серый фон на рис. 2) наблюдалась ее концентрация на узловых линиях спиральной формы (черные линии) и движения волны вдоль узловых линий. Направление перемещения среды показаны стрелками. Наличие вихрей экспериментально доказывает появление
в определенном диапазоне частот связанных колебаний различных видов: продольных, поперечных, крутильных.
В модели космических кораблей типа Шатлл кроме динамичных фигур (серый фон со спиралями) присутствуют статические (черный фон), свидетельствующие об отсутствии перемещений в этих зонах (рис. 2).
Зоны пучностей занимают передние кромки пластин. При закреплении ребра жесткости в центре масс имеется зона пучности в области ребра жесткости в более широкой (хвостовой) части модели. Обнаруженные зоны пучностей по локализации совпадают с зонами разрушения в области передней кромки крыла и в области оси жесткости космического корабля «Колумбия» - точки на рис. 2.
Технологии инженерии исследования гетероструктур человека построены на теории эволюции человека и применения ИВК ДГС.
Вероятно, самой актуальной проблемой XXI в. является проблема безопасности социотехно-сферы как результата жизнедеятельности населения Земли. А в центре этой проблемы - безопасность человека. В связи с чем рассмотрен процесс трансформации человека как биовида и основные угрозы для человечества: воздействие внешних возмущений из космического пространства, нежелание человека заботиться о своем собственном здоровье через самоконтроль основных предикторов.
Трансформация человека и социотехносферы - многовековой сложнейший процесс зарождения и гибели гетероструктур. Считается, что современный физический биовид человека сформировался около 50 тыс. лет назад и с тех пор развивался сам и создавал способы и средства выживания, а также орудия облегчения своего труда, саморазвиваясь в приобретении знаний, умений, навыков.
С позиций современной генетики биовид homo sapiens включал бесконечное множество людей с разнородными качествами. Во все времена рождались люди генетически, а не воспитанием и самовоспитанием созданные выдающимися. Например, индийский принц - просветленный, стал Буддой, основоположником буддизма; Александр Македонский - родился великим полководцем; мессия Иерусалима Иисус Христос - чудотворец, миротворец, распятый римлянами и др. Как известно, эволюция животного - путь видовой специализации, связанной с занятием тем или иным видом своей особенной ниши, устраняющей конкуренцию с другими видами. Основной путь биологической эволюции у homo sapiens заключается в специализации конкурентной борьбы. Использование методологии гибридного интеллекта для определения эволюционной цепочки видов человека позволило выдвинуть гипотезу о массовой трансформации в настоящее время человека через древние подвиды homo habilis и homo erectus к кроманьонцам и далее - homo sapiens, faber, stepitans, ludens, creators, symbol analist, informatikus, contrjlis, solis, kibernetik organon, posthuman gumanistics и чисто футуристической формы homo immortalis omnipotent в реально создающей новую социотехно-сферу - homo intellectus (рис. 3).
Рис. 2. Космический корабль типа Шатлл
Инженерия исследований гетероструктур программиста
Рис. 3. Эволюционная цепочка видов человека
Выдвинутая гипотеза весьма убедительно подтверждается анализом исследований ученых многих специальностей: генетиков, антропологов, биологов, философов, психологов, социологов, инженеров и др. Доля физического труда повсеместно уменьшается при неуклонном увеличении доли умственного труда. Постиндустриальное общество превращается в цифровую цивилизацию, отдельные государства через процессы глобализации превращаются в единую социотехнологиче-скую сферу [14].
Основной гетероструктурой человеческого организма, определяющей нормальное функционирование всех систем, является интегративная метасистема кровообращения, включающая мозг, сердце, сосуды, кровь, а также лимфатическую, эндокринную и нервную системы. Кровообращение представляет собой сверхсложную систему с гетерогенной структурой и нейрогуморальным регулированием функционирования. Нарушения в ней приводят к рассинхронизации всех систем, болезням сердца, сосудов, головного мозга.
Заболеваемость сердца и сосудов превратились в главную проблему для большинства населения Земли, что однозначно связывается с умственной деятельностью [15]. Доказано стимулирующее влияние гибридного интеллекта на процессы развития социотехносферы XXI в., особенно усилившееся во второй половине XX в. после создания микрочипов, системных программ анализа и моделирования умственных процессов [15].
Компьютер, INTERNET, средства коммуникации коренным образом изменили жизнь, обеспечивая человека бесконечными возможностями повышения собственного интеллекта и превращения индивидуального интеллекта в гибридный с информационной базой мирового интеллекта. Психика человека далеко не всегда подготовлена к этому и реагирует обострением системных противоречий с социотехносферой, человека с человеком и человека с самим собой. Особую роль играют противоречия человека с самим собой, поскольку именно они ведут к разрушению гармонии жизни, складывающуюся, как правило, к 30-летнему возрасту. Разрушение гармонии жизни приводит к дисбалансам душевного равновесия, кардионеврозам, нарушениям в сердечно-сосудистой системе, инфарктам и инсультам. Частота инфарктов и инсультов с возрастом от 30 до 50 лет возрастает в 100 раз, для людей старше 50 лет - почти 90 % от общей летальности. По официальным данным ООН, в XXI в. в среднем за год умирает около 30 млн человек. При этом с каждым годом процент умерших от инфарктов и инсультов в общей смертности прирастает от 60 до 70 % по разным регионам мира. 2015 г., по предложению В. В. Путина, был объявлен национальным годом борьбы с сердечно-сосудистыми заболеваниями. В процессе выполнения Государственной программы Минздрава РФ выяснилось, что главная проблема заключается во временных запаздываниях медицинской помощи, незнании многими людьми своих заболеваний и ошибок диагностики. Признано чрезвычайно важным ведение самоконтроля давления и пульса, т.е. по существу кровообращения. Использование гибридного интеллекта в анализе предвестников катастроф позволило авторам доказать необходимые для самоконтроля кровообращения предвестники: систолическое, диастолическое, пульсовое давление и их отношения к пульсу, частота сердечных сокращений и вязкость крови.
Применение методологии гибридного интеллекта к анализу данных о кровообращении позволило установить системы связи и закономерности функционирования кровообращения.
Динамика гетероструктур кровообращения зависит от физиологических и функциональных факторов, связанных с воздействием внешних сил. Образ жизни, температура окружающей среды, атмосферное давление, влажность, психоэмоциональные нагрузки непосредственным образом влияют на работу системы кровообращения. Установлено, что активность солнца, изменение атмосферного давления, геомагнитного поля Земли существенно влияют на работу системы кровообращения. Установлены также системные связи максимумов основных метеорных потоков с максимальными землетрясениями, наводнениями и пр. По результатам интеллектуального анализа траектории космических объектов, строения солнечной системы и географии землетрясений выдвинута гипотеза существования экваториальной зоны Земли между тропиками Рака и Козерога, где происходит 95 % землетрясений, инициированных внешними силами и не всегда совпадающими с очертаниями литосферы планеты [14].
Заключение
Определена основная тенденция эволюции компьютерной цивилизации - нарастание гетерогенности материальных и духовных структур современных технологий и социотехнологической сферы.
Сформулирована фундаментальная проблема взаимодействий в гетероструктурах человек-компьютер и первостепенные задачи в ее решении: задача обеспечения конкурентоспособности гибридного интеллекта; задача создания надежных систем мехатроники; задача гуманизации развития современного подвида homo sapiens - homo intellectus.
Решена задача создания конкурентоспособной модели гибридного интеллекта на основе фундаментальных алгоритмов и программ в рамках информационно-вычислительного комплекса «Динамика гетерогенных структур».
Предложены и реализованы технологии инженерии анализа катастроф гетероструктур, установлена основная причина катастроф и отказов гетероструктур - напряженно-деформированное состояние соединений разнородных материалов и гетероструктур кровообращения человека. Открыт импульс градиента температуры на поверхности гетероструктур, ответственный за спусковой меха-
низм процессов, приводящих к катастрофам. Определены комплексы характеристик микрогетерогенных структур, обобщающие комплекс параметров кристаллических решеток Алферова Ж.И. на поликристаллические, аморфные, дискретные микрогетероструктуры. Установлены комплексы для меза- и макрогетероструктур.
Выдвинута и подтверждена гипотеза о массовой трансформации биовида homo sapiens во множество подвидов с базовым подвидом - homo sapiens intellectus.
Заключение
В результате проведенных исследований предложены, апробированы и внедрены конкурентоспособные алгоритмы, программы и методики, обеспечивающие решение первостепенных задач создания безотказных соединений разнородных материалов для надежного функционирования гетеро-структур человек - компьютер, а также мехатронных систем вычислительной техники.
Библиографический список
1. Клачек, П. М. Гибридные адаптивные интеллектуальные системы / П. М. Клачек, С. Н. Корягин,
A. В. Колесников, Е. С. Миронова. - Калининград : Изд-во БФУ им. И. Канта, 2011. - 371 с.
2. Гибридный интеллект / В. В. Смогунов, Е. А. Ломтев, О. В. Кузнецова, В. В. Кашаева, В. В. Богонин. -Пенза : Изд-во ПензГУ, 2007. - 138 с.
3. Кузнецова, О. В. Образование интеллекта / О. В. Кузнецова, В. В. Смогунов, А. А. Землянский, О. А. Вдо-викина. - Бишкек : Илим, 2009. - 246 с.
4. https://rioru/science/20170914/1504708975, html.
5. Smogunov, V. V. Law of disasters. Intellectual analysis / V. V. Smogunov. - Germany : Academic Press, 2013. -106 p.
6. Шкляр В. Н. Надежность систем управления / В. Н. Шкляр. - Томск : Изд-во ТПУ, 2009, 126 с.
7. Литвинов, А. Н. Приближенный метод расчета эффективности гетерогенных вибродемпфирующих покрытий / А. Н. Литвинов // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2009. - Т. 1. -С. 342-344.
8. Литвинов, А. Н. Моделирование напряженно-деформированного состояния слоистого покрытия при динамическом нагружении / А. Н. Литвинов // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. -2015. - Т. 1. - С. 20-22.
9. Смогунов, В. В. Динамика гетерогенных структур / В. В. Смогунов, О. А. Вдовикина, И. П. Климинов,
B. А. Шорин. - Пенза : Изд-во ПензГУ, 2001. - 311 с.
10. Егоров, А. М. Анализ возможных отказов типового наноспутника / А. М. Егоров // Известия вузов. Приборостроение. - 2016. - Т. 59, № 6. - С. 471-476.
11. Смогунов, В. В. Инженерия алгоритмов и моделей наноразрушения гетероструктур / В. В. Смогунов, Н. К. Юрков, Н. С. Кузнецов // Надежность и качество сложных систем. - 2017. - № 2. - С. 16-22.
12. Свербилов, В. Я. Основа мехатроники / В. Я. Свербилов. - Самара : Самарский ГУ, 2011.
13. Эволюция моделей интеллекта / А. Н. Якимов, О. В. Кузнецова, В. В. Смогунов. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2008. - 216 с.
14. Смогунов, В. В. Модели динамики гетероструктур энергетики / В. В. Смогунов, Н. С. Кузнецов, Н. К. Юрков // Надежность и качество сложных систем. - 2017. - № 3 - С. 25-32.
15. Чазова, И. Е. Болезни систем кровообращения / И. Е. Чазова, Е. В. Ощепкова, Л. А. Бокерия, Р. Г. Гудко-ва // Аналитический вестник. - 2015. - № 44. - С. 4-19.
References
1. Klachek P. M., Koryagin S. N., Kolesnikov A. V. et al. Gibridnye adaptivnye intellektual'nye sistemy [Hybrid adaptive intelligent systems]. Kaliningrad: Izd-vo BFU im. I. Kanta, 2011, 371 p.
2. Smogunov V. V., Lomtev E. A., Kuznetsova O. V. et al. GibridnyJ intellekt [Hybrid intelligence]. Penza: Izd-vo PenzGU, 2007, 138 p.
3. Kuznetsova O. V., Smogunov V. V., Zemlyansky A. A. et al. Obrazovanie intellekta [Education intellect]. Bishkek: Ilim, 2009, 246 p.
4. Available at: https://rio.ru/science/20170914/1504708975.html
5. Smogunov V. V. Law of disasters. Intellectual analysis. Germany: Academic Press, 2013, 106 p.
6. Shklyar V. N. Nadezhnost'sistem upravleniya [Reliability control systems]. Tomsk: Izd-vo TPU, 2009, 126 p.
7. Litvinov A. N. Trudy mezhdunarodnogo simpoziuma Nadezhnost' i kachestvo [Works of the international symposium Reliability and quality]. 2009, no. 1, pp. 342-344.
8. Litvinov A. N. Trudy mezhdunarodnogo simpoziuma Nadezhnost' i kachestvo [Works of the international symposium Reliability and quality]. 2015, no. 1, pp. 20-22.
9. Smogunov V. V., Vdovikina O. A. Kliminov I. P. et al. Dinamika geterogennyh struktur [Dynamics of heterogeneous structures]. Penza: Izd-vo PenzGU, 2001, 311 p.
10. Egorov A. M. Izvestiya vuzov, priborostroenie [Proceedings of the universities, Instrument Engineering]. 2016, vol. 59, no. 6, pp. 471-476.
11. Smogunov V. V., Yurkov N. K., Kuznetsov N. S. Nadezhnost' i kachestvo slozhnyh sistem [Reliability and quality of complex systems]. 2017, no. 2, pp. 16-22.
12. Sverbilov V. Ya. Osnova mekhatroniki [The basis of Mechatronics]. Samara: Samarskij GU, 2011.
13. Yakimov A. N., Kuznetsova O. V. et al. Evolyutsiya modeley intellekta [Evolution of models of intelligence]. Penza: Izd-vo PGU, 2008, 216 p.
14. Smogunov V. V., Kuznetsov N. S., Yurkov N. K. Nadezhnost' i kachestvo slozhnyh sistem [Reliability and quality of complex systems]. 2017, no. 3, pp. 25-32.
15. Chazova I. E., Oshchepkova E. V., Bockeria L. A. et al. Analiticheskij vestnik [Analytical Bulletin]. 2015, no. 44, pp. 4-19.
Кузнецов Никита Сергеевич
студент,
Пензенский государственный университет (440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: [email protected]
Смогунов Владимир Васильевич
доктор технических наук, профессор, кафедра теоретической и прикладной механики и графики,
Пензенский государственный университет (440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: [email protected]
Фионова Людмила Римовна
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информационного обеспечения управления и производства, декан факультета вычислительной техники, Пензенский государственный университет (440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: [email protected]
Юрков Николай Кондратьевич
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: [email protected]
Kuznetsov Nikita Sergeevich
student,
Penza State University
(440026, 40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Smogunov Vladimir Vasilyevich
doctor of technical sciences, professor,
sub-department of theoretical
and applied mechanics and graphics,
Penza State University
(440026, 40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Fionova Lyudmila Rimovna
doctor of technical sciences, professor, head of sub-department of information management and production support, dean of the faculty of computer engineering, Penza State University (440026, 40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Yurkov Nikolay Kondrat'evich
doctor of technical sciences, professor,
head of sub-department of radio equipment design
and production,
Penza State University
(440026, 40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 004.42:531.3 Кузнецов, Н. С.
Гибридный интеллект инженерии гетероструктур вычислительной техники / Н. С. Кузнецов, В. В. Смогунов, Л. Р. Фионова, Н. К. Юрков // Надежность и качество сложных систем. — 2018. — № 3 (23). - С. 85-97. - DOI 10.21685/2307-4205-2018-3-11.
