Устройство дифференциального автомата: Дифавтомат: устройство, принцип работы, назначение

Содержание

Дифавтомат: устройство, принцип работы, назначение

Дифференциальный автомат – это низковольтный комбинированный электрический аппарат, совмещающий в одном корпусе функции двух защитных устройств – УЗО и автоматического выключателя. Благодаря этому данное изделие является достаточно популярным и широко применяется как в бытовых условиях, так и на производстве. В этой статье мы рассмотрим устройство, назначение и принцип работы дифавтомата.

Назначение

Рассмотрим вкратце для чего нужен дифавтомат. Внешний вид его изображен на фото:

Во-первых, данный электрический аппарат служит для защиты участка электрической сети от повреждения из-за протекания по нему сверхтоков, которые возникают при перегрузке или коротком замыкании (функция автоматического выключателя). Во-вторых, дифференциальный автомат предотвращает возникновение пожара и поражение людей электрическим током в результате возникновения утечки электричества через поврежденную изоляцию кабеля линии электропроводки или неисправного бытового электроприбора (функция устройства защитного отключения).

Устройство и принцип действия

Для начала приведем обозначение на схеме по ГОСТ, по которому наглядно видно, из чего состоит дифавтомат:

На обозначении видно, что основными элементами конструкции дифавтомата является дифференциальный трансформатор (1), электромагнитный (2) и тепловой (3) расцепители. Ниже кратко охарактеризуем каждый из приведенных элементов.

Дифференциальный трансформатор имеет несколько обмоток, в зависимости от количества полюсов устройства. Данный элемент осуществляет сравнение токов нагрузки по проводникам и в случае их несимметричности на выходе вторичной обмотки данного трансформатора появляется так называемый ток утечки. Он поступает на пусковой орган, который без выдержки времени осуществляет расцепление силовых контактов автомата.

Также следует упомянуть о кнопке проверки работоспособности защитного аппарата «TEST». Данная кнопка подключается последовательно с сопротивлением, которое включается или отдельной обмоткой на трансформатор либо параллельно одной из имеющихся. При нажатии на данную кнопку сопротивление создает искусственный небаланс токов – возникает дифференциальный ток и дифавтомат должен сработать, что свидетельствует о его исправном состоянии.

Электромагнитный расцепитель представляет собой электромагнит с сердечником, который воздействует на механизм отключения. Данный электромагнит срабатывает в случае достижения тока нагрузки порога срабатывания – обычно это случается при возникновении короткого замыкания. Данный расцепитель срабатывает мгновенно, за доли секунд.

Тепловой расцепитель осуществляет защиту электрической сети от перегрузки. Конструктивно представляет собой биметаллическую пластину, которая деформируется при протекании через нее тока нагрузки, превышающего номинальный для данного аппарата. При достижении определенного положения биметаллическая пластина воздействует на механизм отключения дифавтомата. Срабатывание теплового расцепителя происходит не сразу, а с выдержкой времени. Время срабатывания прямо пропорционально величине тока нагрузки, протекающего по дифференциального автомату, а также зависит от температуры окружающей среды.

На корпусе указывается порог срабатывания дифференциального трансформатора – ток утечки в мА, номинальный ток теплового расцепителя (при котором работает неограниченное время) в А. Пример маркировки на корпусе – С16 А / 30 мА. В данном случае маркировка “С” перед значением номинала показывает кратность срабатывания электромагнитного расцепителя (класс аппарата). Буква “С” указывает, что электромагнитный расцепитель сработает при превышении номинала 16А в 5-10 раз.

На видео ниже подробно рассказывается, как работает и из чего состоит дифавтомат:

Область применения

Для чего применяют дифференциальный автомат, если существует два отдельных защитных аппарата (УЗО и автомат), каждый из которого выполняет свою функцию?

Основное преимущество дифавтомата – компактность. Он занимает меньше места на DIN-рейке в электрическом распределительном щитке, чем в случае установки двух отдельных аппаратов. Эта особенность особенно актуальная при необходимости установки в распределительном щитке нескольких устройств защитного отключения и автоматических выключателей. В данном случае посредством установки дифавтоматов можно значительно сэкономить место в распределительном щитке и соответственно уменьшить его размер.

Дифференциальный автомат широко применяется для защиты электропроводок практически повсеместно, как в быту, так и в помещениях другого назначения (в различных учреждениях, на предприятиях).

Дифавтомат ничем не уступает аналогичным по характеристикам УЗО и автоматическому выключателю, поэтому каких-либо ограничений в его применении нет. Данный защитный аппарат можно устанавливать, как на вводе (в качестве резервирующего), так и на отходящих линиях электропроводки для обеспечения пожаробезопасности, безопасности людей в отношения поражения электричеством, а также для защиты от сверхтоков.

Вот мы и рассмотрели устройство, назначение и принцип работы дифавтомата. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Наверняка вы не знаете:

Дифавтомат устройство и принцип работы.

Приветствую Вас уважаемые гости и постоянные читатели сайта elektrik-sam.info!

Начинаем очередную серию публикаций в рамках курса «Автоматические выключатели, УЗО и дифавтоматы — подробное руководство», на этот раз посвященную дифференциальным автоматам. Начнем с рассмотрения устройства и принципа работы дифавтоматов.

Автоматический выключатель дифференциального тока или дифавтомат — это устройство, объединяющее в одном корпусе функции автоматического выключателя и УЗО. Т.е. он позволяет защитить контролируемую цепь от токов перегрузки и токов короткого замыкания (

функции автоматического выключателя) и от токов утечки (функции УЗО), позволяя защитить человека от возможного поражения электрическим током и предотвратить возможность возгорания в результате нарушения изоляции токоведущих частей электроустановки.

Конструктивно дифавтоматы изготавливаются из диэлектрического материала и имеют защелку для установки на DIN-рейку. Установка производится так же, как и установка УЗО.

Для однофазной сети 220В выпускаются двухполюсные дифавтоматы. К клеммам верхних полюсов подключается фазный и нулевой проводник питающей сети, а к зажимам нижних полюсов – фазный и нулевой проводник от нагрузки. При этом, в зависимости от марки производителя и серии они для своей установки на DIN-рейку могут занимать как два, так и более модулей.

Для трехфазной сети 380В выпускаются четырехполюсные дифавтоматы. К верхним клеммам подключаются три фазных провода и ноль со стороны питания. К нижним клеммам три фазных провода и ноль от нагрузки.

При установке на DIN-рейку четырехполюсные дифавтоматы занимают место больше четырех модулей, в зависимости от марки производителя. Т.е. полюсов для подключения проводов четыре, а занимаемое место в электрощите более четырех модулей, за счет блока дифференциальной защиты.

Применение двухполюсных дифавтоматов, которые при установке занимают два модуля, позволяет сэкономить место в электрощите и упростить монтаж, вместо отдельно установленных автоматического выключателя и УЗО (которые вместе занимают три модуля).

Мы помним из раздела, посвященного устройствам защитного отключения, что УЗО не защищает от сверхтоков и требует установки последовательно с ним автоматического выключателя.

При разветвленной проводке с большим количеством групп, экономия места в электрощите может быть довольно существенной. Однако, зачастую стоимость дифавтомата больше, чем стоимость отдельно установленных автомата и УЗО.

Конструктивно дифавтомат состоит из двух- или четырехполюсного автоматического выключателя и включенного последовательно с ним модуля дифференциальной защиты. Подробно конструкцию и принцип работы автоматических выключателей и

УЗО мы рассматривали в предыдущих разделах, ссылки на них внизу этой статьи.

Повторим вкратце основные моменты.

Модуль автоматического выключателя обычно устанавливается в фазные проводники и содержит тепловой расцепитель для защиты от токов перегрузки и электромагнитный расцепитель (катушку соленоида с подвижным сердечником) для защиты от токов короткого замыкания.
Принцип действия такой же, как и у обычного автоматического выключателя.

При возникновении тока перегрузки биметаллическая пластина нагревается проходящим через нее электрическим током, изгибается, и, если ток в цепи не уменьшается, приводит в действие механизм расцепления, размыкая защищаемую цепь.

При коротком замыкании ток в цепи мгновенно возрастает, наводимое в катушке соленоида магнитное поле перемещает сердечник, который приводит в действие механизм расцепителя и размыкает силовые контакты.

Для защиты силовых контактов дифавтомата от разрушающего действия электрической дуги, применяется дугогасительная камера.

Модуль дифференциальной защиты представляет собой дифференциальный трансформатор тока

, через который проходит фазный и нулевой проводник (первичная обмотка) и обмотка управления (вторичная обмотка). В четырехполюсных дифавтоматах через дифференциальный трансформатор тока проходит три фазных проводника и нулевой.

В обычном режиме работы через фазный провод проходит ток к нагрузке, а через нулевой проводник от нагрузки, т.е. токи равны и направлены встречно. Геометрическая сумма токов равна нулю, наводимые ими магнитные потоки в обмотке трансформатора тока взаимно компенсируют друг друга, и результирующий магнитный поток равен нулю.

При возникновении тока утечки баланс токов нарушается, поскольку в фазном проводе вместе с током нагрузки протекает и ток утечки. Токи в фазном и нулевом проводниках наводят разные по величине магнитные потоки, их баланс нарушается и в тороидальном сердечнике трансформатора тока возникает разностный магнитный поток. Под действием разностного магнитного потока во вторичной обмотке управления возникает ток. Когда величина этого тока превысит пороговое значение, срабатывает механизм расцепления и силовые контакты дифавтомата отключаются от питающей сети.

Как и УЗО, модуль дифференциальной защиты дифавтоматов может быть

электромеханическим или электронным. В электронных при возникновении утечки, ток в обмотке управления подается на плату электронного усилителя с катушкой электромагнитного сброса и через механизм расцепителя отключает силовые контакты дифавтомата от питающей сети.

Дифавтоматы с электронным модулем дифференциальной защиты, в отличие от электромеханических, могут потерять работоспособность при обрыве фазного или нулевого проводника со стороны питающей сети (подробно об этом смотрите видео работа УЗО при обрыве нуля), поскольку отсутствует питание, необходимое для работы платы усилителя.

Дифавтоматы некоторых производителей имеют встроенные индикаторы, которые позволяют определить причину срабатывания:

— дифавтомат сработал от перегрузки по току: тепловая защита или электромагнитный расцепитель от токов короткого замыкания;
— или сработал модуль дифференциальной защиты дифавтомата в результате утечка тока.

Если таких индикаторов нет, тогда в случае отключения дифавтомата, неясно что вызывало срабатывание – перегрузка по току, или дифавтомат сработал в результате возникновения тока утечки.

Для проверки исправности модуля дифференциальной защиты на корпусе устройства расположена специальная кнопка «Тест». При нажатии на эту кнопку создается искусственный ток утечки и если дифавтомат отключился, значит он исправен.

Более наглядно принцип работы смотрите в видео Дифавтомат устройство и принцип работы:

Интересные материалы по теме:

Автоматические выключатели УЗО дифавтоматы — руководство.

Как выбирать автоматические выключатели, УЗО, дифавтоматы?

Конструкция (устройство) УЗО.

Устройство УЗО и принцип действия.

Принцип работы трехфазного УЗО.

Работа УЗО при обрыве нуля.

Как проверить тип УЗО?

Почему УЗО выбирают на ступень выше?

УЗО основные характеристики. Часть 1.

УЗО основные характеристики. Часть 2.

Автоматические выключатели — конструкция и принцип работы.

Дифференциальный автомат. Назначение и принцип работы дифференциального автомата

Дифференциальный автоматический выключатель представляет собой уникальное устройство, в котором одновременно сочетаются функции автоматического выключателя и защитные свойства УЗО.

Дифференциальный автомат предназначен для защиты человека от поражений электрическим током при его соприкосновении с токоведущими частями электрооборудования либо при утечке электрического тока. В этом случае дифференциальный автомат выполняет функции устройства защитного отключения.

Также устройство осуществляет защиту электрической сети от коротких замыканий и перегрузок, выполняя функции автоматического выключателя.

Конструкция устройства

Конструктивно диф автоматы из состоят рабочей и защитной части.

Рабочая часть представляет собой автоматический выключатель, в котором имеется специальный механизм независимого расцепления и рейка сброса с помощью внешнего механического воздействия. В различных типах диф автоматов устанавливаются четырехполюсные или двухполюсные автоматические выключатели.

Дифференциальный автомат, как и обычный автоматический выключатель, оборудован двумя расцепителями:

  • - электромагнитный расцепитель отключает линию электропитания в случае короткого замыкания;
  • - тепловой расцепитель срабатывает в случае возникновения перегрузки защищаемой группы.

Защитной частью устройства является модуль дифференциальной защиты. Он обнаруживает дифференциальный электрический ток на землю (ток утечки). Кроме этого, модуль преобразовывает электрический ток в механическое воздействие, с помощью которого через специальную рейку осуществляется сброс выключателя.

Для обеспечения питания модуля защиты от электрического тока он включается последовательно с автоматическим выключателем.

В модуле защиты от электрического тока имеются некоторые дополнительные устройства, среди которых дифференциальный трансформатор, обнаруживающий остаточный электрический ток, а также электронный усилитель с катушкой электромагнитного сброса.

Для проверки исправности модуля дифференциальной защиты на корпусе устройства расположена специальная кнопка «Тест». При нажатии на эту кнопку создается искусственный ток утечки и автомат (если он исправен) должен отключиться.

Как работает диф автомат

В диф автомате, как и в устройстве защитного отключения, в качестве датчика утечки тока применяется специальный трансформатор. Работа этого трансформатора основана на изменении дифференциального тока в проводниках, подающих электрическую энергию на электроустановку, на которой обеспечивается защита.

Ток утечки отсутствует, если нет повреждений изоляции электропроводки или к токоведущим частям установки никто не прикасается. В этом случае в нулевом и фазном проводе нагрузки будут протекать равные токи.

Этими токами в магнитном сердечнике трансформатора тока наводятся встречно направленные равные магнитные потоки. В результате этого ток вторичной обмотки равен нулю и чувствительный элемент – магнитоэлектрическая защелка не срабатывает.

В случае возникновения утечки, к примеру, если человек случайно прикоснется к фазному проводнику или при нарушении изоляционных свойств диэлектрика, происходит нарушение баланса тока и магнитных потоков.

Во вторичной обмотке возникает электрический ток, который приводит в действие магнитоэлектрическую защелку. Сработавшая защелка воздействует на механизм, расцепляющий автомат и контактную систему.

Где применяются диф автоматы

Дифференциальный автомат может с успехом применяться в однофазных и трехфазных сетях переменного тока. Эти устройства способствуют значительному повышению уровня безопасности в процессе постоянной эксплуатации различных электроприборов.

Кроме этого, дифференциальные автоматические выключатели способствуют предотвращению пожаров, вызванных возгоранием изоляции токоведущих частей некоторых электрических приборов.

Похожие материалы на сайте:

Понравилась статья - поделись с друзьями!

 

Строение дифавтомата и его применение

Дифавтомат – это комплексный защитный аппарат, который выполняет защитные функции двух аппаратов, а именно автоматического выключателя и устройства защитного отключения. Он комбинирует в себе два защитных коммутационных прибора – УЗО и автоматический выключатель. Их используют в электрощитах 220/380 Вольт в быту и на производстве.

Предназначение

Дифавтоматы используют для защиты проводки от перегрузки, сверхтоков, короткого замыкания, а также для защиты человека от поражения электрическим током при утечках. Утечки могут возникать в результате пробоя на корпус электрических нагревателей (ТЭНов), например, в бойлерах – водонагревательных баках, электрических духовых шкафах, плитах, стиральных или посудомоечных машинах, а также в результате старения или при повреждении изоляции.

Все эти проблемы можно локализировать, установив устройство, которое сравнивает токи между фазой и нулем, а если через фазу протекает больше, например, на 30 мА, чем через ноль – значит где-то есть утечка и цепь разорвется. Оно называется УЗО (устройство защитного отключения).

Интересно:

Слово «дифференциальный», значит разницу между чем-либо или между какими-либо состояниями тела, схемы или системы. Синонимами этого слова будут: различный, неодинаковый. Поэтому устройство, сравнивающее токи в проводах, называют дифференциальным автоматом или дифзащитой.

Те же причины могут вызвать короткие замыкания. И если вы подключите на одну линию слишком много электроприборов – ваша проводка выйдет из строя от перегрева, поэтому её защищают автоматическими выключателями.

Дифференциальный автомат совмещает в себе УЗО и автоматический выключатель, поэтому он является универсальным защитным аппаратом.

Устройство и характеристики

Как уже было сказано дифавтомат состоит из УЗО и автоматического выключателя, это изображено на схеме, которую приводят на лицевой стороне таких устройств. Это помогает определить, что установлено в электрощите при его обслуживании. Ниже мы расскажем, как отличить УЗО, автомат и дифавтомат.

На рисунке подписаны составляющие функциональные узлы дифавтомата.

Электромагнитный расцепитель нужен для того чтобы мгновенно разорвать цепь при коротком замыкании, то есть, когда токи внезапно возрастают в десятки и тысячи раз свыше номинальных.

Тепловой расцепитель – работает медленнее. Это биметаллическая пластина, которая под действием повышенной нагрузки (больше номинальной на 10%, например) изгибается и также разрывает силовые контакты.

Дифференциальный трансформатор сравнивает токи между проводами (фазой и нулем), и, если есть утечка – силовые контакты размыкаются.

Кнопка тест просто замыкает через сопротивление фазу до дифтрансформатора на ноль – после него. Возникает большая разница токов и контакты разрываются.

Нужна для безопасной проверки срабатывания дифференциальной части устройства.Что внутри дифавтомата? Такой вопрос часто задают те, кто впервые столкнулся с этим видом коммутационных аппаратов.

В нём есть:

1. Тепловой расцепитель;

2. Электромагнитный расцепитель;

3. Дифференциальный трансформатор;

4. Схема обработки данных от трансформатора, если её можно так назвать;

5. Силовые контакты;

6. Дугогасительная камера;

7. Кнопка «ТЕСТ» - нужна для проверки работы дифференциальной части.

К сожалению современные защитные аппараты, которые устанавливают на дин-рейку редко предназначены для разборки. Их корпуса собраны на заклёпках и на практике это одноразовые устройства, которые в случае неполадок нельзя перебрать или подчистить контакты, как это было со старыми «АПшками» и даже автоматическими пробками. Внутри дифавтомата мы видимо все перечисленные выше и указанные на схеме узлы. Подробно его устройство рассмотрено в этом видео:

Характеристики, по которым выбирают дифавтомат:

1. Значение дифференциального тока, выбирается по тем же правилам, что и для УЗО;

2. Значение номинального тока, выбирается также, как и для автомата;

3. Коммутируемый ток – определяет какой ток КЗ выдержит устройство.

На рисунке синим овалом выделен дифференциальный ток – 0.03 А или 30 мА. Зелёным овалом выделен номинальный ток и класс быстродействия, здесь это 16А и класс C (определяет по какой кривой времятоковой характеристики работает устройство). Красным квадратом выделен условный ток КЗ (коммутационная способность) – 6000 А, цифра 3 – класс токоограничения.

Важно: Дифавтоматы бывают одно- и трёхфазными.

Схема подключения

Подключение дифавтомата предельно просто, ниже вы видите пример такой схемы для трёхфазной сети.

Для однофазной сети:

Чем отличается дифавтомат отличается от УЗО и простого автомата

Начнём с того, что УЗО обычно подключают последовательно с обычным автоматом. Это нужно для того, чтобы защитить линию от КЗ и человека от поражения электричеством в случае утечки. Дифавтомат выполняет обе эти функции и объединяет эти устройства. Для наглядности мы привели для вас схему.

Чтобы на щитке не перепутать дифавтомат с УЗО нужно внимательно осмотреть лицевые панели модулей, и найти схему. Они отличаются, на рисунке ниже вы можете увидеть в чем разница, места на которые обратить внимания выделены.

В маркировке УЗО обычно указывают только номинальный ток, который способны выдержать его контакты, в таком виде «25А», то есть 25 Ампер. А также дифференциальный ток. На дифавтомате плюс к этому указывают класс быстродействия и коммутационную способность (ток КЗ), как на обычных автоматах, например, C16 – класс быстродействия C, 16 Ампер.

Если на лицевой панели изображена схема – то можно ориентироваться и по ней. На схеме дифавтомата обычно изображают и расцепители.

Ранее ЭлектроВести писали, что делать если срабатывает УЗО или дифавтомат при подключении стиральной машины.

По материалам electrik.info.

Принцип работы дифференциального автомата, его устройство и составные детали

Дифференциальный автомат является совокупностью двух приборов совмещенных в одном корпусе. Первый – это автоматический выключатель, защищающий от токов короткого замыкания и перегрузок. Второй – устройство защитного отключения (УЗО), предохраняющее от поражения человека электротоком и от пожара из-за повреждения изоляции проводников. Принцип работы дифавтомата основывается на тех же методах и способах защиты, которые используются в автоматических выключателях и УЗО.

Составные части дифавтомата

Дифференциальные автоматы производятся двух или четырехполюсными. Двухполюсные устройства работают в однофазной электросети, четырехполюсные – в трехфазных сетях.

Стандартизация и унификация привела к тому, что практически все дифференциальные автоматы выпускаются в виде модулей определенных размеров с креплением, рассчитанным для монтажа на DIN-рейку.

Двухполюсный автоматический выключатель дифференциального тока представляет собой прибор состоящий из:

  • устройства включения и отключения электрического тока;
  • контактной группы;
  • дугогасящей камеры;
  • токовых расцепителей.

Четырехполюсные дифавтоматы имеют такое же устройство, как и двухполюсные, только контролируют три фазы вместо одной. При срабатывании токовых расцепителей в любой фазе отключаются все три.

Группа включения-выключения

Устройство включения/отключения представляет собой систему рычагов и пружин, которая обеспечивает быстрое срабатывание (замыкание/размыкание контактов) независимо от скорости перевода рычага автомата в ручном режиме в положение включено/выключено.

При срабатывании расцепителей оно также быстро размыкает контакты. Это необходимо для того, чтобы избежать образования дуги и преждевременного выгорания контактов. Конструкция устройства такова, что при любом состоянии дифференциального автомата, переключение происходит за счет энергии заранее взведенной пружины.

Контакты и дугогасящая камера

Контактная группа представляет собой систему подвижных и неподвижных контактов, которые соединены с выходными клеммами дифференциального автомата.

Для увеличения износостойкости и уменьшения переходного сопротивления контактов, некоторые производители покрывают их металлокерамикой. В качестве металла используется серебро, как имеющее наименьшее удельное сопротивление. Для более надежного контакта, они подпружиниваются.

Дугогасящая Камера изготавливается из фибры. Внутри находятся металлические пластины, которые рассекают дугу, распределяют в пространстве, уменьшая тем самым ее мощность.

Фибра при нагревании мгновенно выделяет газы, которые вызывают гашение дуги. Во избежания разрыва корпуса от избыточного давления, возникающего при гашении электрической дуги, в нем предусмотрены отверстия. Корпус изготавливается из негорючего пластика.

Токовые расцепители

В дифференциальном автомате имеется три токовых расцепителя, действующих от превышения каких-либо значений тока, и механический, который осуществляет включение/отключение автомата за счет давления на внешний рычаг. Действие дифавтомата как раз и основывается на работе этих расцепителей.

Электромагнитный

Электромагнитный расцепитель по сути является соленоидом. Принцип действия заключается в следующем. Когда проходящий через катушку ток превышает определенное пороговое значение, магнитный сердечник втягивается, давит на рычаг, тот освобождает пружину, которая мгновенно разъединяет контакты.

Это пороговое значение называется током отсечки. Такой тип защиты мгновенного действия используется для предохранения от короткого замыкания.

По превышению отсечки в сравнении с номинальным током, дифференциальные автоматы делятся на несколько классов. Наиболее распространенные: В (3-5 кратное превышение от номинала), С (в 5-10 раз), D (в 10-20 раз больше номинала).

Тепловой

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, обвитую изолированным проводом. При длительном превышении номинального тока провода греются, нагревают пластину.

При достижении определенной температуры пластина изгибается и давит на рычаг, который освобождает предохранительную планку. Та в свою очередь позволяет пружине разомкнуть контакты. Здесь проявляется тепловое действие тока.

Расцепитель настроен таким образом, что начинает срабатывать при превышении номинала в 1,2 раза. При таком превышении он может сработать, примерно, через час.

Если превышение больше, то срабатывание происходит значительно быстрее. Такая защита не позволяет отключаться автомату при запуске электродвигателя, когда кратковременные пусковые токи в несколько раз превышают номинальный. Ее еще называют защитой от перегрузок.

Дифференциальный

Расцепитель дифференциального типа срабатывает при различии тока, проходящего через нулевой и фазовый проводники свыше определенного значения, называемого током уставки или отключения.

Он состоит из измерительной части (трансформатора тока) и исполнительной (поляризационного реле).

Первичной обмоткой является фазовый и нулевой проводники, проходящие сквозь кольцо магнитопровода. Для увеличения индукции первичную обмотку делают многовитковую.

Выводы вторичной обмотки подсоединяются к управляющим контактам поляризованного реле. При наведении в ней электродвижущей силы, реле размыкает контакты дифференциального автомата.

При отсутствии токов утечки суммарное поле будет равно нулю, и во вторичной обмотке ток не наведется. Если нарушается изоляция проводников или человек случайно касается оголенного провода находящегося под напряжением, возникает разность токов в фазном и нулевом проводниках.

Это приводит к наведению ЭДС во вторичной обмотке, которая посредством поляризованного реле размыкает контакты дифференциального автомата.

Для защиты человека от электротока применяется уставка 10 мА или 30 мА. Для предотвращения пожара от повреждения изоляции уставка обычно составляет 100 мА или 300 мА.

В дифавтомате все расцепители действуют на один и тот же рычаг сложной формы, только точки приложения разные. Рычаг освобождает планку, удерживающую размыкающую пружину.

Проверка работы

Чтобы проверить, как работает система защиты от токов утечки, в дифференциальных автоматах устанавливают резистор и последовательно с ним кнопку «тест». Эта цепочка включается в обход трансформатора тока. Один конец подсоединяется к нулевому проводнику перед навивкой на ферромагнитное кольцо.

Второй подключается к фазе на выходе из магнитопровода трансформатора. При нажатии кнопки ток начинает течь через сопротивление, минуя трансформатор.

Таким способом моделируется утечка в линии. Если прибор исправен, то он должен отключиться.

Для правильного функционирования дифференциальные автоматы необходимо применять в линиях с глухо заземленной нейтралью. Корпуса оборудования и устройств, находящихся под защитой дифференциального автомата должны быть надежно заземлены.

Разница между ВДТ (УЗО) и АВДТ (Дифференциальным автоматом)

Как же все-таки отличить УЗО от дифавтомата? В чем разница?  На самом деле эти приборы предназначены для решения разных задач, и поэтому знать, чем они отличаются и какую функцию выполняют, нужно знать даже обычному жильцу – хотя бы в общих чертах. Часто путают УЗО с дифференциальным автоматическим выключателем. 

Если положить рядом УЗО и дифавтомат, их схожесть будет сразу заметна. Но они выполняют совершенно разные задачи. Вспомним, какие функции выполняет УЗО и дифференциальный автомат.

Устройство защитного отключения срабатывает (УЗО), если в сети, к которой оно подключено, появляется дифференциальный ток - ток  утечки. При возникновении тока утечки пострадать в первую очередь может человек, если прикоснется к поврежденному оборудованию. Кроме того, при появлении тока утечки в электропроводке, изоляция будет греться, что может привести к возгоранию и пожару.

Поэтому УЗО устанавливают для защиты от поражения электрическим током, а также от повреждений электропроводки в виде утечек которые сопровождаются с пожаром.

Дифференциальный автомат - это уникальное устройство, совмещающее в себе и автоматический выключатель (более понятный для населения как «автомат»), и ранее рассмотренное УЗО. Т.е. дифференциальный автомат способен защитить вашу проводку и от коротких замыканий, и от перегрузок, а также от возникновения утечек, связанных с ранее описанными ситуациями.

Визуальное отличие

Определить, какое устройство перед вами – УЗО или же диф. автомат – довольно легко даже визуально. Несмотря на внешнее сходство (рычажок переключателя, наличие кнопки «Тест», одинаковая корпусная часть с нанесенной на ней схемой, а также цифрами и буквами), достаточно внимательно приглядеться, чтобы увидеть, что обозначения на этих приборах разные. А ещё проще определить, УЗО или дифавтомат перед вами, по расположению кнопки «Тест» и переключателя. У АВДТ рычажок расположен слева, кнопка – справа, а вот у УЗО – наоборот.

Различие по маркировке

На поверхности УЗО номинальный ток обозначается исключительно цифрами. Латинский литер (B, C, D) перед ними – это неотъемлемый признак АВДТ. На корпусной части УЗО стоит маркировка «25А». Она означает, что номинальный ток в цепи, в которую включен этот аппарат, не должен превышать 25А. На АВДТ проставлена маркировка «С16». Буквой обозначается характеристика встроенных расцепителей.

 

Различие в электрической схеме

Схема наносится на многие устройства. При взгляде на УЗО или на диф. автомат можно заметить, что нанесенные на них схемы похожи, но не идентичны. На схеме ВД имеется овал – этим символом обозначен дифференциальный трансформатор, являющийся основной частью прибора. Он отвечает за обнаружение тока утечки. К отличительным символам на схеме АВДТ относятся обозначения расцепителей – электромагнитного соленоида и биметаллической пластины, которые обеспечивают срабатывание автомата при появлении в цепи токов КЗ или перегрузок.

Различие в аббревиатуре

На таких устройствах как правило по русски написано что это УЗО (ВД) или дифавтомат АВДТ. Устройство защитного отключения (УЗО) сейчас правильно называются выключатели дифференциальные (ВД). Дифференциальный автомат — он же автоматический выключатель дифференциального тока (АВДТ).

По ценовым параметрам УЗО и дифавтоматы отличаются. Особенно это касается импортной продукции. Нормальный дифавтомат стоит чуть дешевле, чем УЗО в комплекте с обычным автоматом.

Положительным аспектом АВДТ является удобство монтажа: для электрика важно закрутить в тесном монтажном боксе на пару винтов меньше. С другой стороны это повышает надежность цепи: чем меньше соединений тем лучше. Но если устройство сломается, то подлежит полной замене.

В случае применения УЗО в паре с автоматом, процесс ремонта выглядит дешевле: меняется либо один элемент, либо другой. Это необходимо учитывать при проектировании ваших сетей, учитывая риск тех или иных негативных событий и их возможную частоту.

Качество импортных устройств выше. Отечественные тоже достаточно неплохи, но проигрывают в таких важных характеристиках как время срабатывания, уступают в надежности механических частей, элементарно уступают в качестве корпусов.

Что касается надежности срабатывания эти два устройства ничем не уступают друг другу.

 


Поделиться записью

Принцип работы дифавтомата, как работает дифференциальный автомат

Difference (англ.)- разница. Именно от этого слова произошло название «дифференциальный автомат», в этом случае имеется в виду разница между величинами входных токов в сети. Устройство, которое срабатывает в случае возникновения аварийной ситуации из-за несовпадения силы тока «туда и оттуда» и одновременно отключает фазу и ноль, называется дифференциальным автоматом.

Автоматический выключатель дифференциальный IEK АВДТ 32

Главным его предназначением и основным принципом работы является единовременное отслеживание возможного короткого замыкания (КЗ) и последующее отключение питания. Кроме этого, контролируется наличие токов утечки, в случае отклонения от нормы, производится обесточивание линии. Можно выделить несколько основных функций, выполняемых этим устройством:

  1. Контроль значений токов, недопустимость КЗ и обесточивание линии при возникновении нештатной ситуации.
  2. Отслеживание превышения максимально допустимых значений напряжения и отключение при возможной перегрузке (исключает возможность перегрева проводов и повреждение изоляции).
  3. Проверка наличия токов утечки в связи с повреждением токоведущих или изоляционных составляющих.

Схема дифавтомата

Таким образом, дифференциальный автомат совмещает в себе два устройства и образует комплекс устройства защитного отключения (УЗО) и автомата защиты. Как и у всех универсальных устройств, у него есть свои сильные и слабые стороны.

Преимущества

  • при условии правильного подключения, одним из главных преимуществ дифавтомата является безопасное для человека подключение к электрической сети;
  • комплексное решение правильного совмещения УЗО и номинала по току;
  • контроль и защита электрической сети от перепадов напряжения;
  • компактное размещение;
  • несложное подключение.

Недостатки

  1. При отсутствии соответствующих флажков на определенных моделях дифавтоматов, отсутствует возможность определения причины срабатывания устройства, что делает устранение неисправности более сложным процессом.
  2. Невозможность менять поломавшиеся составляющие дифференциального автомата по отдельности. К примеру, если выйдет из строя только УЗО или автомат, все равно придется менять все устройство. Таким образом, в случае поломки придется заплатить полную стоимость дифавтомата.
  3. Ограниченность выбора. Не всегда нужная модель может оказаться в наличии, поэтому существует вероятность остаться без света на неопределенное время, необходимое для ее доставки.

Оптимальное применение дифавтомата

Для бытового размещения в простой сети с минимальным количеством подключенных электроприборов, рассчитанной на одного потребителя (например, на дачах) наиболее приемлемым вариантом будет установка дифавтомата вместо УЗО. Этим можно существенно улучшить защиту вашей сети от резких скачков напряжения.

Применение дифавтомата будет достаточно эффективным в случае, если сеть периодически подвержена воздействию влаги (баня, подвальные помещения, уличное освещение) и нуждается в мощном потреблении электроэнергии.

Если нет возможности поставить дифавтомат, можно заменить его связкой устройств УЗО+ двухполюсной автомат. По функционалу это практически то же самое, разница лишь в более сложном подключении.

Характеристики и выбор дифавтомата

Выбирая устройство, прежде всего надо определиться с выбором места его установки, и уже после этого подбирать дифференциальный автомат с техническими характеристиками, соответствующими вашим требованиям.

Кроме того, необходимо точно знать напряжение сети, в которой будет устанавливаться устройство. В зависимости от его величины (напряжения), существуют разные типы дифавтоматов. Различить их можно по надписям на корпусе устройства, рядом с отметкой о частоте тока( 50 Гц).

Номинал, равный сечению провода, следит за недопустимостью превышения током нагрузки допустимых показателей, а в случае отклонения от нормы, отключает питание.

Различаются дифавтоматы и по типу электромагнитного расцепителя, в зависимости от величины пускового тока они могут быть разной чувствительности:

B — предназначена для работы с превышениями норм от 3 до 5 раз. Этот вариант наиболее приемлем в случаях минимальной нагрузки на сеть, его часто устанавливают на дачах;

С — максимальная перегрузка колеблется в интервале от 5-10 раз. Оптимальное место установки – жилые квартиры и дома;

D — отключение происходит, если номинал превышен в 10-20 раз. В основном устанавливаются на предприятиях, фабриках или офисных помещениях, требующих больших энергозатрат.

Автоматический дифференциальный выключатель в разрезе

Еще один параметр, на который стоит обратить внимание при выборе такого устройства – это отключающий дифференциальный ток и его класс. Обычно для потребительских сетей используют дифавтоматы с номиналом тока утечки 10 мА (линия с единственным потребителем) или 30 мА (более распространенные устройства, применяемые для нескольких потребителей).

Немаловажной характеристикой защитного устройства является и его класс ограничения силы тока, а также номинальная отключающая способность. В случае резких перепадов напряжения или максимальной сетевой нагрузки, необходимо понимать, насколько быстро отреагирует защитное устройство на нештатную ситуацию. Именно это показывает класс токоограничения дифавтомата, в зависимости от класса (по нарастающей от 1 до 3), устройство отключает электропитание в случае аварии. Предпочтение отдается дифавтоматам 3 класса, как самым быстродействующим. К сожалению, стоимость такого устройства будет гораздо выше подобных дифавтоматов более низкого уровня.

Эксплуатационные условия

Основные модели дифференциальных автоматов довольно чувствительны к погодным условиям и предполагают эксплуатацию при температурах от -7°C до +30°С. В случаях, когда дифференциальный автомат будет расположен на улице, в неотапливаемом здании, а также в помещениях с резкой сменой температур или периодическим посещением, необходимо выбирать модели защитных устройств, устойчивые к минусовым температурам. На внешнем корпусе такого устройства производители ставят специальный значок в форме снежинки, обозначающий, что данный дифавтомат будет корректно работать даже при очень низких температурах (до -30°С). Цена таких устройств тоже будет значительно выше стоимости обыкновенных моделей.

Дифференциальный автомат IEK ВД1-63

Как подключить защитное устройство

В верхней части корпуса дифавтомата находятся юстировочные винты и контактные пластины для подсоединения фазы и нуля, идущих со счетчика. Снизу расположены контакты для подключения самой линии.

Подключить устройство непосредственно в электрическом шкафу тоже довольно просто. Единственный нюанс – по окончании сборки необходимо дополнительно, с максимальным усилием, закрепить контакты. Делается это потому, что обычно применяются медные провода, а, как известно, медь довольно мягкий металл.

Наиболее популярная схема подключения

Схема подключения дифавтомата на входе

Существует несколько способов подключения дифавтомата. Наиболее востребованной стала схема с установкой устройства сразу после счетчика – на входе. Преимущество такого подключения состоит в том, что в случае возникновения аварийной ситуации, отключение электропитания будет произведено по всем потребителям одновременно. Недостаток состоит в том, что из-за полного обесточивания становится довольно сложно определить, где именно случилась поломка. Эта проблема решается установкой после основного дифавтомата отдельных защитных устройств для каждой группы потребителей. В этом случае, существует возможность поочередного включения и определения причины поломки после срабатывания защиты.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 4 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Дифференциал или УЗО. Устройство УЗО. Подключение автомата Difa

Домашний электрик - тема довольно сложная и разноплановая, и знать основные детали желательно каждому домовладельцу, поскольку от этого зависят не только денежные затраты, но и безопасность вашего дома. В этой статье мы попробуем разобраться, что лучше - Автомат Дифа или УЗО.

Введение в тему, или что такое диффузор?

Чтобы разобраться с этой проблемой, сначала попробуем определить основные понятия.Итак, Дифа Автомат.

Устройство, называемое дифференциальным автоматом, успешно сочетает в себе функции как УЗО, так и обычного выключателя. Эта машина защищает человека в случае прикосновения к оголенным участкам проводящей части провода или к тем частям электрических сетей, которые находятся под нагрузкой из-за повреждения проводки или других подобных факторов. На сегодняшний день существует огромное количество таких устройств, которые рассчитаны на разные рабочие токи, и на разные токи утечки.

Его главной отличительной особенностью является то, что он состоит из двух хорошо разделенных функциональных частей: выключателя (на два или четыре полюса), а также модуля защиты от поражения электрическим током. Установка диафи-автомата должна производиться исключительно на монтажной DIN-рейке, и такая конструкция занимает гораздо меньше места, чем комбинация УЗО и автоматического выключателя.

Учитывая время срабатывания, которое составляет всего 0,04 секунды, дифференциальные автоматы обеспечивают наиболее адекватную защиту от поражения человека электричеством практически в любых условиях эксплуатации.Немаловажно и то, что дифференциальный автомат качественно защищает устройства в сети от перегрузок, неизбежно возникающих при различного рода нештатных ситуациях. И далее. Его конструкция обеспечивает максимально быстрое отключение электроэнергии в условиях, когда напряжение превышает 250 В в любой части сети.

Учитывая незавидные характеристики бытовых электрических сетей, а также степень их износа, последняя характеристика особенно важна.

Основные преимущества Difavomat

• Очень быстрая скорость отклика.
• Защита оборудования от скачков напряжения и перегрузок.
• Возможность работы в условиях от -25 до +50 градусов Цельсия.
• Огромный порог износостойкости.

Что такое УЗО?

Нельзя игнорировать второго «оппонента» в споре на тему «Дифа Автомат или УЗО». Что такое УЗО?

Это сокращение означает «устройства защитного отключения».Срабатывание выполняется при регистрации наличия токов утечки. Проще говоря, сколько тока пришло к устройству по одному проводу, такое же количество должно идти на другой участок разводки. Если ток начинает уходить на землю или провод заземления, мгновенно срабатывает защита, немедленно отключая сеть от источника питания.

Такую систему необходимо (!) Размещать на розеточных группах, а также на котлах, стиральных машинах и электроплитах. Такие устройства не защищают (!) Ваше оборудование и проводку от системных перегрузок или коротких замыканий.

Последнее обстоятельство часто не учитывают электрики, которые ради удешевления схемы часто используют только одно УЗО. Кроме того, есть и имущественный интерес, когда он выдается на дифференциальный автомат, стоимость которого выше.

Основные сведения об УЗО

В чем сам принцип УЗО? Его работа основана на реакции датчика тока на изменение дифференциального значения тока в проводниках.

Что такое датчик тока? Это самый распространенный трансформатор, но выполненный по типу тороидального сердечника. Порог срабатывания устанавливается магнитоэлектрическим реле, которое имеет чрезвычайно высокую чувствительность.

Важно отметить, что все УЗО, выполненные по этой классической схеме, представляют собой чрезвычайно надежные и простые аппараты, обладающие очень высокой надежностью и надежностью.

Следует предупредить, что сегодня существуют электронные выключатели, в основе которых лежит специальная электронная схема.Реле или цепь воздействуют на механизм, который в случае необходимости размыкает электрическую цепь. Сюда входит устройство УЗО.

Какие детали привода?

  • Из группы прямого контакта установить максимальное значение тока.
  • Пружина, которая напрямую размыкает цепь, если в ее работе есть какие-то сбои.

Если вы хотите самостоятельно проверить устройство на работу, достаточно нажать кнопку «Тест». В этом случае во вторичную обмотку искусственно подается ток, и реле срабатывает (должно, в любом случае).Так что при необходимости вы легко и без всяких затрат сможете проверить исправность всего вашего оборудования.

Принцип работы УЗО

Если говорить о номинальном режиме работы, то ток (I1 = I2) течет во встречно-параллельном направлении, наводя магнитные токи во вторичной обмотке трансформатора (Ф1 = Ф2). У них абсолютно одинаковая ценность, за счет чего они взаимно компенсируют друг друга. Поскольку ток во вторичной обмотке в этом случае практически равен нулю, реле работать не может.

Работа УЗО с утечкой

При контакте с токопроводящими частями возникает ток утечки. В этом случае ток I1 не равен I2, и поэтому во вторичной обмотке появляется вторичный ток, величина которого достаточна для срабатывания защитного реле. Срабатывает пружинное переключение, УЗО выключается.

Различия между двумя системами защиты

Чтобы продолжить наше повествование, мы также должны выяснить, в чем разница между УЗО и автоматом Difa.Нельзя сказать, что различия настолько кардинальные, но они все же есть.

Следует отметить, что освещение этого вопроса чрезвычайно важно, так как иногда даже некоторым электрикам невозможно отличить эти устройства друг от друга. Впрочем, удивляться тут нечему: они очень похожи даже на фотографии.

Основное различие между диф-автоматом и УЗО состоит в том, что они предназначены для нескольких разных целей. Об этом мы уже упоминали выше, но повторим еще раз: УЗО нельзя использовать для защиты оборудования и проводки от перегрузки или короткого замыкания! Причем перед УЗО необходимо смонтировать автоматический выключатель, который убережет само устройство от подобного рода неприятностей.В этом разница между УЗО и автоматом Дифа.

Обязательно учитывайте это при покупке или консультации у специально «продуманных» электриков, которые с радостью сэкономят на собственном оборудовании.

Дифавтомат в этом плане намного лучше, поскольку совмещает в одном корпусе и УЗО, и автоматический выключатель. Соответственно, такое устройство не только защищает человека от поражения электрическим током, но и уберегает вашу проводку и оборудование от выгорания в случае короткого замыкания.Таким образом, УЗО и дифа-автомат, разницу между которыми мы только что разоблачили, представляют собой несколько разнородные механизмы.

Напомним еще раз, что дифференциальный автомат можно использовать в качестве предохранителя в тех домах, где существует постоянная опасность хронических перегрузок в сети.

Это подробное отличие УЗО от диф-автомата. Но как сделать правильный выбор в магазине? Ведь мы уже говорили, что эти устройства чрезвычайно похожи между собой даже на фотографиях.

Покупаем правильно!

Во-первых, обратите внимание на прямое название самого устройства. Сегодня практически все производители наконец-то вышли навстречу потребителям, желающие указать на корпусе самого устройства информацию о том, диафоа или УЗО перед вами. Поэтому покупать такую ​​технику китайского производства мы бы не стали. Стойкие азиаты либо вообще ничего не говорят, либо используют только понятные обозначения.

Примерно к той же категории относится совет по внимательному ознакомлению с маркировкой, которая всегда должна указываться на одном и том же корпусе устройства или на его упаковке (менее надежный вариант).

Итак, если вы видите на корпусе только номинальный ток (16 например), а букв перед этим обозначением нет, то вы держите УЗО в руках. Обратите внимание, что «16» в данном случае означает «ампер». Если перед числами стоят буквы B, C или D, значит, у вас в руках дифа-автомат. Буквы обозначают типовые характеристики тепловых и электромагнитных расцепителей, но на бытовом уровне обращать на них особое внимание не стоит.

Кроме того, не помешает еще и схему подключения посмотреть.Этот метод несколько сложнее, но дает 100% гарантию дифференциации. Эта информация также должна быть отображена на корпусе. Итак, если на схеме указано только наличие диф-автомата с обозначением «Тест», то перед вами УЗО (не путайте!). Соответственно, если есть «Тест» и указаны обмотки расцепителей, то вы держите в руках дифференциальный автомат.

Наконец, имеет смысл обратить внимание и на габаритные размеры.Если говорить о старых моделях автоматов Difa, то они на порядок шире, чем УЗО. В те времена просто не умели выпускать достаточно компактные релизы, поэтому требовался корпус большего внутреннего объема. Внимание! Просто все современные дифференциальные автоматы занимают меньше места!

Однако важно предупредить, что последний пункт серьезно не рассматривается, так как в настоящее время существует множество абсолютно идентичных по размеру устройств.

Переходим к основному

Итак, Автомат Дифа или УЗО? Какой вывод сделан на основании вышеизложенного? Что лучше выбрать, что надежнее и подходит для эксплуатации в отечественных реалиях? Чтобы ответить на этот вопрос, сравним устройства сразу по шести показателям.Сравнивая все за и против, мы постараемся прийти к единому мнению.

Объем, занимаемый прибором в щите

Конечно, в этом аспекте существенные отличия могут увидеть только те люди, у которых очень мало места в квартире, что делает невозможным разметку нормального электрического щита в коридоре. Однако, учитывая всеобщее стремление к компактности и красоте, таких у нас в стране большинство. К тому же лучше все разместить на как можно меньшем пространстве, так как в дальнейшем щит не придется расширять, если возникнет необходимость в установке в квартире более мощного электрооборудования.

Итак, в настоящее время УЗО (трехфазное - в том числе) занимает гораздо больше места в щите, нежели дифференциальный автомат. Что является причиной этого? Самые внимательные читатели уже могли найти ответ на этот вопрос в статье.

Мы уже говорили о необходимости установки устройств защиты перед УЗО, чтобы из-за этого вся конструкция в щите начала занимать больше места. Если установить там дифференциальный автомат, можно сэкономить место.Например: в стандартном случае УЗО с отсекающими автоматами занимают сразу три модуля, а дифференциальный автомат - только два.

Таким образом, в этом «раунде» машина победила, позволив оставить место для расширения конструкции.

Простой монтаж

Как и в других случаях, для многих электриков важна скорость и простота монтажа всей конструкции. Если вас интересует установка УЗО, фаза подводится к переключателю, а с его выхода устанавливается перемычка на вход отключающего устройства.К входу также подключен ноль. Следует отметить, что существует сразу несколько схем подключения, которые изучаются профессиональными электриками. Как правило, в повседневной жизни они не нужны.

Как смонтировать дифференциальный автомат?

А как насчет подключения диффузора? Если говорить о дифференциальном автомате, то фаза и ноль сразу цепляются за входные клеммы устройства, так что в общей схеме получается на сколько меньше перемычки и перехода.Соответственно, внутренняя конструкция закрылков также значительно упрощается.

Таким образом, подключение диффузора происходит намного проще и быстрее, поэтому в этом случае мы уверены, что мы в выигрыше.

Преимущества эксплуатации

Теоретически можно предположить, что однажды на линии розеток в ванной сработало УЗО. Сразу можно предположить, что где-то на линии произошла утечка тока. Конечно, алгоритм устранения неполадок несколько сложнее, но основные выводы можно сделать сразу.

Если выключатель отключился, то причина вполне очевидна: перегрузка или короткое замыкание. Вам нужно только выяснить причину и устранить ее. Учитывая, что причина выключения машины более-менее ясна, сделать это не так уж и сложно.

А теперь давайте посмотрим на все то же самое, но применительно к дифференциальному автомату. Здесь, когда вы его выключаете, причина сразу не выясняется, поэтому вам придется проверить все известные причины. Соответственно, времени на это уйдет гораздо больше.Этим УЗО отличается от автомата Дифа в этом отношении.

Таким образом, на данном этапе мы предпочли бы УЗО.

Вопрос стоимости

Так как сегодня на рынке очень много самых разных производителей, рассмотрим стоимость продукции EKF, которая довольно популярна среди профессиональных электриков. Так, стандартный EKF-DIA-автомат на 16 А стоит около 600 рублей, УЗО на ту же силу тока - те же 600 рублей, а автомат отключения продается по цене около 40 рублей.Приобретая все-таки на специализированных сайтах, можно вообще рассчитывать на машины для отключения, которые в таких случаях продаются чуть ли не на весу.

Перед подключением диафавтомата необходимо убедиться в отсутствии частых и резких падений напряжения. Почему мы об этом говорим? Это станет ясно после рассмотрения специфики замены этого оборудования.

Учитывая колебания стоимости в зависимости от поставщика, сложно говорить о преимуществах того или иного варианта.

Срок службы и стоимость замены

Можно предположить, что характеристики этого критерия автоматически вытекают из предыдущего. Всем известно, что любое электрооборудование имеет определенный срок эксплуатации, по истечении которого эксплуатировать его становится небезопасно. Предположим, что по какой-то причине вышло из строя УЗО или устройство автоматического отключения. Что делать дальше? Заменить вышедшую из строя деталь, после чего система продолжит работу в предыдущем режиме.

А вот с диффузором не все так однозначно.Предположим, что обмотка любого из расцепителей вышла из строя, а встроенное УЗО на тестировании показало свою полную работоспособность. Увы, но это не беда, так как в любом случае вам придется заменить весь Difa Automaton, цена которого делает это мероприятие крайне невыгодным. Гораздо проще заменить копеечный автомат, который часто выходит из строя.

Таким образом, в этом раунде снова победа над УЗО.

Надежность работы

Среди специалистов широко распространено мнение, что устройства, совмещающие сразу несколько функций, менее надежны, чем автоматы, предназначенные только для одного.Итак, УЗО или автомат Дифаво? Что выбрать, чтобы обеспечить максимальную надежность?

Об этом можно долго спорить, но практика однозначно показала, что на практике процент отказов практически такой же. Не исключено, что этот параметр зависит исключительно от производителя. Так что в данном случае сделать вывод об однозначной пользе того или иного устройства крайне сложно.

Можно только сказать, что УЗО, схема подключения которого мы рассмотрели выше, предполагает большую надежность в условиях бытовых падений напряжения.Естественно, если не забыть перед этим подключить автоматический выключатель, о чем мы уже неоднократно упоминали выше.

Таким образом, в большинстве случаев лучшим выбором будет УЗО. Однако все зависит от характеристик вашей сети, а также от размера электрического щита.

Difference Engine | вычислительная машина

Difference Engine , одна из первых вычислительных машин, чуть ли не первый компьютер, спроектированная и частично построенная в 1820–30-е годы Чарльзом Бэббиджем.Бэббидж был английским математиком и изобретателем; он изобрел короволова, реформировал британскую почтовую систему и был пионером в области исследования операций и актуарной науки. Именно Бэббидж первым предположил, что погоду прошлых лет можно было определить по годичным кольцам деревьев. Он также всю жизнь увлекался ключами, шифрами и механическими куклами (автоматами).

Разностная машина

Завершенная часть разностной машины Чарльза Бэббиджа, 1832. Этот усовершенствованный калькулятор был предназначен для создания таблиц логарифмов, используемых в навигации.Ценность чисел была представлена ​​положениями зубчатых колес, отмеченными десятичными числами.

Музей науки Лондон

Подробнее по этой теме

компьютер: The Difference Engine

Чарльз Бэббидж был английским математиком и изобретателем: он изобрел короволова, реформировал британскую почтовую систему и был пионером ...

Как член-основатель Королевского астрономического общества, Бэббидж видел очевидную потребность в разработке и создании механического устройства, которое могло бы автоматизировать долгие и утомительные астрономические вычисления.Он начал с письма в 1822 году сэру Хэмфри Дэви, президенту Королевского общества, о возможности автоматизации построения математических таблиц, в частности таблиц логарифмов для использования в навигации. Затем он написал статью «О теоретических принципах механизма для расчета таблиц», которую он зачитал обществу позже в том же году. (Он выиграл первую золотую медаль Королевского общества в 1823 году.) Таблицы, которые использовались тогда, часто содержали ошибки, которые могли быть проблемой жизни и смерти моряков в море, и Бэббидж утверждал, что, автоматизируя производство таблиц, он может гарантировать их точность.Заручившись поддержкой в ​​обществе своей «Разностной машины», как он ее называл, Бэббидж затем обратился к британскому правительству с просьбой профинансировать разработку, получив один из первых в мире государственных грантов на исследования и технологические разработки.

Бэббидж очень серьезно подошел к проекту: он нанял мастера-машиниста, организовал пожаробезопасную мастерскую и построил пыленепроницаемую среду для тестирования устройства. До этого времени вычисления редко производились с точностью до 6 цифр; Бэббидж планировал регулярно выдавать 20- или 30-значные результаты.Разностная машина была цифровым устройством: она работала с дискретными цифрами, а не с гладкими величинами, и цифры были десятичными (0–9), представленными позициями на зубчатых колесах, а не двоичными цифрами («битами»), как это делал немецкий математик. -философ Готфрид Вильгельм фон Лейбниц одобрил (но не использовал) в своем «Счетчике шагов». Когда одно из зубчатых колес поворачивалось с 9 на 0, это заставляло следующее колесо перемещаться на одну позицию, неся цифру, точно так же, как работал калькулятор Лейбница Step Reckoner.

Однако система различий была больше, чем просто калькулятор. Он механизировал не только один расчет, но и целую серию вычислений по ряду переменных для решения сложной задачи. Он вышел далеко за рамки калькуляторов и в других отношениях. Как и в современных компьютерах, у Difference Engine было хранилище, то есть место, где можно было временно хранить данные для последующей обработки, и он был разработан для штамповки своих выходных данных в мягкий металл, который впоследствии можно было использовать для изготовления печатной формы.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Тем не менее, разностная машина выполнила только одну операцию. Оператор установит все свои регистры данных с исходными данными, а затем единственная операция будет многократно применяться ко всем регистрам, в конечном итоге приводя к решению. Тем не менее, по сложности и смелости конструкции он превосходил любые существовавшие в то время счетные устройства.

Полный двигатель, рассчитанный на размер комнаты, никогда не был построен, по крайней мере, Бэббиджем.Хотя он получал несколько государственных субсидий, они были спорадическими - правительства менялись, финансирование часто заканчивалось, и ему приходилось лично нести часть финансовых затрат, - и он работал с допусками строительных методов того времени или приближался к ним и столкнулся с многочисленные трудности строительства. Все проектирование и строительство прекратились в 1833 году, когда Джозеф Клемент, машинист, ответственный за сборку машины, отказался продолжать работу, если ему не была внесена предоплата. (Завершенная часть разностной машины находится на постоянной выставке в Музее науки в Лондоне.) См. Также Аналитическая машина .

Исторические заметки из книги Стивена Вольфрама «Новый вид науки»

От: Стивен Вольфрам, Новый вид науки
Примечания к главе 2: Решающий эксперимент
Раздел: Почему эти открытия не были сделаны раньше
Page 876

История клеточных автоматов. Несмотря на их очень простую конструкцию, примерно в 1950-х годах ничего похожего на обычные клеточные автоматы, похоже, не рассматривалось ранее.Тем не менее, в 1950-е годы, во многом вдохновленные появлением электронных компьютеров, были независимо представлены несколько различных видов систем, эквивалентных клеточным автоматам. Можно идентифицировать множество прекурсоров. Операции с последовательностями цифр использовались с древних времен в арифметических вычислениях. Конечно-разностные приближения к дифференциальным уравнениям начали появляться в начале 1900-х годов и были довольно хорошо известны к 1930-м годам. И машины Тьюринга, изобретенные в 1936 году, основывались на размышлении о произвольных операциях над последовательностями дискретных элементов.(Такие понятия в физике, как модель Изинга, по-видимому, не оказали прямого влияния.)

Самый известный способ введения клеточных автоматов (и который в конечном итоге привел к их названию) заключался в работе Джона фон Неймана, который пытался разработать абстрактную модель самовоспроизводства в биологии - тему, которая возникла в результате исследований в области кибернетики. Примерно в 1947 году - возможно, на основе химической инженерии - фон Нейман начал с размышлений о моделях, основанных на трехмерных фабриках, описываемых уравнениями в частных производных.Вскоре он начал думать о робототехнике и, возможно, представил, как реализовать пример с использованием игрушечного конструктора. Однако по аналогии с электронными схемами он понял, что 2D должно быть достаточно. И следуя предложению 1951 года Станислава Улама (который, возможно, уже независимо рассматривал проблему), он упростил свою модель и получил двумерный клеточный автомат (он, очевидно, надеялся позже преобразовать результаты обратно в дифференциальные уравнения). Конкретный клеточный автомат, который он построил в 1952-1953 годах, имел 29 возможных цветов для каждой ячейки и сложные правила, специально разработанные для имитации работы компонентов электронного компьютера и различных механических устройств.Чтобы дать математическое доказательство возможности самовоспроизведения, фон Нейман затем обрисовал в общих чертах создание конфигурации из 200 000 клеток, которые будут воспроизводить себя (детали были заполнены Артуром Берксом в начале 1960-х годов). Фон Нейман, по-видимому, полагал - предположительно отчасти из-за сложности реальных биологических организмов и электронных компьютеров - что нечто подобное этому уровню сложности неизбежно будет необходимо для системы, чтобы демонстрировать сложные возможности, такие как самовоспроизведение.В этой книге я показываю, что это абсолютно не так, но с интуицией, которую он получил из существующей математики и инженерии, фон Нейман, вероятно, никогда не мог себе этого представить.

Две непосредственные нити возникли из работы фон Неймана. Первый, в основном в 1960-х годах, был все более причудливым обсуждением создания реальных самовоспроизводящихся автоматов - часто в форме космических кораблей. Второй был попыткой лучше понять суть самовоспроизведения с помощью математических исследований детальных свойств клеточных автоматов.В течение 1960-х годов были найдены конструкции для все более простых клеточных автоматов, способных к самовоспроизведению (см. Стр. 1186) и универсальным вычислениям (см. Стр. 1121). Начиная с начала 1960-х годов были замечены несколько довольно простых общих черт клеточных автоматов, которые, как считалось, имеют отношение к самовоспроизведению, и изучались с использованием все более сложного технического формализма. (Примером был результат так называемого Эдемского сада, согласно которому в клеточных автоматах могут быть конфигурации, которые возникают только как начальные условия; см. Стр. 963.Также были сделаны различные явные конструкции клеточных автоматов, поведение которых проявляло определенные простые особенности, возможно, относящиеся к самовоспроизведению (такие как так называемая синхронизация расстрельной команды, как на странице 1039).

К концу 1950-х годов было отмечено, что клеточные автоматы можно рассматривать как параллельные компьютеры, и особенно в 1960-х годах последовательность все более подробных и технических теорем - часто аналогичных теоремам о машинах Тьюринга - была доказана относительно их формальных вычислительных возможности.В конце 1960-х годов начали предприниматься попытки связать клеточные автоматы с математическими обсуждениями динамических систем - хотя, как обсуждается ниже, на самом деле это уже было сделано десятью годами ранее, с другой терминологией. К середине 1970-х работа над клеточными автоматами стала в основном эзотерической, и интерес к ней в значительной степени угас. (Некоторые работы, тем не менее, продолжались, особенно в России и Японии.) Обратите внимание, что даже в информатике использовались различные имена для клеточных автоматов, включая автоматы тесселяции, клеточные пространства, итерационные автоматы, однородные структуры и универсальные пространства.

Как упоминалось в основном тексте, к концу 1950-х годов уже существовали всевозможные универсальные компьютеры, на которых было бы легко выполнить моделирование клеточных автоматов. Но по большей части эти компьютеры использовались для изучения традиционных гораздо более сложных систем, таких как уравнения в частных производных. Однако примерно в 1960 году было проведено несколько симуляций, связанных с двумерными клеточными автоматами. Станислав Улам и другие использовали компьютеры в Лос-Аламосе для создания нескольких примеров того, что они называли рекурсивно заданными геометрическими объектами - по сути, результатов развития обобщенных двумерных клеточных автоматов из отдельных черных клеток (см. Стр. 930).Особенно после получения больших изображений в 1967 году Улам отметил, что по крайней мере в одном случае довольно простые правила роста порождают сложную структуру, и упомянул, что это может иметь отношение к биологии. Но, возможно, из-за того, что традиционные математические методы почти не продвинулись в этом направлении, результат не был широко известен и никогда не использовался. (Улам попытался построить одномерный аналог, но в итоге получил не клеточный автомат, а вместо этого последовательности, основанные на числах, обсуждаемых на странице 910.Примерно в 1961 году Эдвард Фредкин смоделировал двумерный аналог правила 90 на компьютере PDP-1 и отметил его свойства самовоспроизведения (см. Стр. 1186), но в целом его больше интересовало обнаружение простых физических свойств.

Несмотря на отсутствие научных исследований, один пример клеточного автомата действительно широко вошел в развлекательные вычисления в начале 1970-х годов. Очевидно, частично мотивированный вопросами математической логики, а частично работой Улама и других над «играми-симуляторами», Джон Конвей в 1968 году начал проводить эксперименты (в основном вручную, но позже на компьютере PDP-7) с различными различные правила двумерного клеточного автомата, и к 1970 году он придумал простой набор правил, которые он назвал «Игра в жизнь», которые демонстрируют ряд сложного поведения (см. стр. 249).Во многом благодаря популяризации Scientific American Мартином Гарднером, Life стала широко известна. Огромное количество усилий было потрачено на поиск особых начальных условий, которые дают определенные формы повторяющегося или другого поведения, но практически не было проведено систематической научной работы (возможно, отчасти потому, что даже Конвей относился к системе в значительной степени как к отдыху), и почти без исключения только когда-либо исследовались очень конкретные правила Жизни. (В 1978 году Джонатан Миллен в качестве возможного одномерного аналога Жизни, который легче было реализовать на ранних персональных компьютерах, кратко рассмотрел то, что оказалось тотальным правилом кода 20 k = 2, r = 2 со страницы 283.)

Совершенно оторванные от всего этого, даже в 1950-х годах определенные типы двумерных и одномерных клеточных автоматов уже использовались в различных электронных устройствах и специализированных компьютерах. Фактически, когда в середине 1950-х годов стала выполняться цифровая обработка изображений (для таких приложений, как оптическое распознавание символов и подсчет микроскопических частиц), правила двумерных клеточных автоматов обычно использовались для удаления шума. И в течение нескольких десятилетий, начиная с 1960 года, была создана длинная линия так называемых клеточных логических систем для реализации двумерных клеточных автоматов, в основном для обработки изображений.Большинство используемых правил были специально настроены на простое поведение, но иногда отмечалось, что это в значительной степени развлекательный вопрос, который, например, мог генерироваться шаблонами чередующихся полос ("кластеризация").

В конце 1950-х - начале 1960-х годов схемы электронной миниатюризации и ранние интегральные схемы часто основывались на том, что идентичные логические элементы располагались на линиях или сетках для формирования так называемых ячеистых массивов. В начале 1960-х годов был интерес к итеративным массивам, в которых данные будут многократно проходить через такие системы.Но появилось несколько принципов проектирования, и технология изготовления микросхем с более сложными и менее однородными схемами быстро развивалась. Тем не менее, начиная с 1960-х годов, идея создания массивов или параллельных компьютеров неоднократно появлялась, особенно в таких системах, как ILLIAC IV 1960-х и 1970-х годов, а также систолические массивы и различные массивно-параллельные компьютеры 1980-х годов. Однако обычно правила, придуманные для каждого элемента таких систем, намного сложнее, чем для любого из рассматриваемых мной простых клеточных автоматов.

По крайней мере, с начала 1940-х годов электронные или другие цифровые линии задержки или регистры сдвига были обычным способом хранения данных, таких как цифры чисел, а к концу 1940-х годов было отмечено, что так называемые регистры сдвига с линейной обратной связью (см. стр.976) может генерировать сложные выходные последовательности. Эти системы оказываются по существу одномерными аддитивными клеточными автоматами (как правило 90) с ограниченным числом ячеек (сравните стр. 259). Обширный алгебраический анализ их поведения проводился начиная с середины 1950-х годов, но большая часть его была сосредоточена на таких вопросах, как периоды повторения, и даже не выявил явно вложенных шаблонов.(Связанный анализ линейных повторений над конечными полями был проведен в нескольких случаях в 1800-х годах и более подробно в 1930-х.) Общие одномерные клеточные автоматы связаны с нелинейными регистрами сдвига с обратной связью, и некоторые их исследования, в том числе неожиданно близкие к правилу 30 (см. стр. 1093) - были созданы с использованием специального оборудования Соломоном Голомбом в 1956–1995 годах для применения в устойчивом к помехам радиоуправлении - хотя опять же с упором на такие вопросы, как периоды повторения. Регистры сдвига с линейной обратной связью быстро стали широко использоваться в приложениях связи.Регистры сдвига с нелинейной обратной связью, похоже, широко использовались для военной криптографии, но, несмотря на постоянные слухи, подробности того, что было сделано, по-прежнему остаются в секрете.

В чистой математике бесконечные последовательности нулей и единиц рассматривались в различных формах, по крайней мере, с конца 1800-х годов. Начиная с 1930-х годов развитие символической динамики (см. Стр. 963) привело к исследованию отображения таких последовательностей на самих себя. К середине 1950-х годов проводились исследования (в частности, Густав Хедлунд) так называемых блочных карт с коммутацией сдвигов, которые оказались в точности одномерными клеточными автоматами (см. Стр. 963).В 1950-х и начале 1960-х годов в этой области (по крайней мере, в США) проводились работы ряда выдающихся чистых математиков, но, поскольку они были в значительной степени применимы к криптографии, большая часть их держалась в секрете. И то, что было опубликовано, было в основном абстрактными теоремами о слишком глобальных функциях, чтобы раскрыть какую-либо сложность, о которой я говорю.

Определенные типы клеточных автоматов также возникали - обычно под разными названиями - в широком диапазоне ситуаций. В конце 1950-х и начале 1960-х годов то, что по сути было одномерными клеточными автоматами, изучались как способ оптимизации схем для арифметических и других операций.Начиная с 1960-х годов, моделирующие идеализированные нейронные сети в некоторых × имели нейроны, связанные с соседями по сетке, что давало двумерный клеточный автомат. Точно так же различные модели активных сред - особенно сердца и других мышц - и процессов реакции-диффузии использовали дискретную сетку и дискретные состояния возбуждения, соответствующие двумерному клеточному автомату. (В физике дискретные идеализации статистической механики и динамические версии систем, таких как модель Изинга, были в некоторой степени близки к клеточным автоматам, за исключением того решающего различия, что случайность была встроена в их основные правила.Аддитивные клеточные автоматы, такие как правило 90, неявно возникли в исследованиях биномиальных коэффициентов по модулю простых чисел в 1800-х годах (см. Стр. 870), но также появились в различных условиях, таких как «леса низкорослых деревьев», изученные около 1970 года. К концу 1970-х, несмотря на все эти разные направления, исследования систем, эквивалентных клеточным автоматам, в значительной степени прекратились. То, что это должно было произойти как раз в то время, когда компьютеры впервые стали широко доступны для исследовательской работы, является иронией.Но в каком-то смысле это было удачно, потому что это позволило мне, когда я начал работать над клеточными автоматами в 1981 году, определить поле по-новому (хотя, к моему более позднему сожалению, я решил - в попытке признать историю - использовать имя «клеточные автоматы» для изучаемых мной систем). Публикация моей первой статьи о клеточных автоматах в 1983 г. (см. Стр. 881) привела к быстрому росту интереса к этой области, и с тех пор с тех пор количество статей постоянно увеличивалось (о чем свидетельствует количество исходных документов в Указанный ниже индекс научного цитирования) были опубликованы по клеточным автоматам - почти все они следуют указанным мною направлениям.

Стивен Вольфрам, Новый вид науки (Wolfram Media, 2002), стр. 876.
© 2002, Stephen Wolfram, LLC

Ричард Фейнман и машина связи

У. Дэниэл Хиллис для Physics Today

Однажды, когда я обедал с Ричардом Фейнманом, я сказал ему, что планирую создать компанию по созданию параллельного компьютера с миллионом процессоров. Его реакция была однозначной: «Это определенно самая глупая идея, которую я когда-либо слышал.«Для Ричарда безумная идея была возможностью либо доказать, что она ошибочна, либо доказать, что она верна. В любом случае он был заинтересован. К концу обеда он согласился провести лето, работая в компании.

Интерес Ричарда к вычислениям уходит корнями в его дни в Лос-Аламосе, где он руководил «компьютерами», то есть людьми, которые работали с механическими калькуляторами. Там он сыграл важную роль в создании некоторых из первых программируемых счетных машин для физического моделирования.Его интерес к этой области возрос в конце 1970-х, когда его сын Карл начал изучать компьютеры в Массачусетском технологическом институте.

Я познакомился с Ричардом через его сына. Я был аспирантом лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, и Карл был одним из студентов, помогавших мне с моим дипломным проектом. Я пытался сконструировать компьютер достаточно быстро, чтобы решать проблемы здравого смысла. Машина, как мы ее представляли, будет содержать миллион крошечных компьютеров, соединенных коммуникационной сетью.Мы назвали это «машиной связи». Ричард, всегда интересовавшийся деятельностью сына, внимательно следил за проектом. Он скептически относился к этой идее, но всякий раз, когда мы встречались на конференции или я посещал Калифорнийский технологический институт, мы не спали до раннего утра, обсуждая детали запланированной машины. Впервые он, казалось, поверил, что мы действительно собираемся попытаться построить его, было на обеденном собрании.

Ричард прибыл в Бостон на следующий день после регистрации компании.Мы были заняты сбором денег, поиском места для аренды, выпуском акций и т. Д. Мы поселились в старом особняке недалеко от города, и когда появился Ричард, мы все еще оправлялись от шока от первых нескольких миллионов долларов в банке. Несколько месяцев никто не думал ни о чем техническом. Мы спорили о том, как должно называться название компании, когда Ричард вошел, отсалютовал и сказал: «Ричард Фейнман явился на службу.Хорошо, босс, какое у меня задание? »Собравшаяся группа студентов Массачусетского технологического института была поражена.

После поспешного частного обсуждения («Я не знаю, вы наняли его ...») мы сообщили Ричарду, что его задание будет заключаться в консультировании по применению параллельной обработки к научным задачам.

«Звучит как вздор», - сказал он. «Дай мне что-нибудь реальное».

Итак, мы отправили его купить канцелярские товары.Пока его не было, мы решили, что больше всего нас беспокоит маршрутизатор, который доставляет сообщения от одного процессора к другому. Мы не были уверены, что наш дизайн сработает. Когда Ричард вернулся с покупки карандашей, мы дали ему задание разобрать роутер.

Машина

Маршрутизатор машины подключения был частью оборудования, которое позволяло процессорам обмениваться данными.{12] $ провода. Вместо этого мы планировали соединить процессоры в 20-мерный гиперкуб, чтобы каждому процессору нужно было напрямую общаться только с 20 другими. Поскольку множеству процессоров приходилось обмениваться данными одновременно, многие сообщения будут конкурировать за одни и те же провода. Задача маршрутизатора заключалась в том, чтобы найти свободный путь через эту 20-мерную пробку или, если он не мог, удерживать сообщение в буфере, пока путь не станет свободным. Наш вопрос Ричарду Фейнману заключался в том, предоставили ли мы достаточно буферов для эффективной работы маршрутизатора.

В течение первых нескольких месяцев Ричард начал изучать принципиальные схемы маршрутизатора, как если бы они были объектами природы. Он был готов выслушать объяснения того, как и почему все работает, но в основном он предпочитал выяснять все сам, моделируя действие каждой из схем карандашом и бумагой.

Тем временем остальные из нас, счастливые найти что-то, чем занять Ричарда, занялись заказом мебели и компьютеров, наняли первых инженеров и договорились о том, что Агентство перспективных исследовательских проектов обороны (DARPA) заплатит. на разработку первого прототипа.Ричард проделал замечательную работу, сосредоточившись на своем «задании», лишь изредка останавливался, чтобы помочь подключить компьютерный зал, настроить механический цех, обменяться рукопожатием с инвесторами, установить телефоны и весело напомнить нам о том, какими сумасшедшими мы все были. Когда мы наконец выбрали название компании Thinking Machines Corporation, Ричард был в восторге. «Это хорошо. Теперь мне не нужно объяснять людям, что я работаю с кучкой психов. Я могу просто назвать им название компании.«

Техническая сторона проекта явно выходила за рамки наших возможностей. Мы решили упростить процесс, начав с 64 000 процессоров, но даже тогда объем работы был огромным. Нам пришлось разработать собственные кремниевые интегральные схемы с процессорами и маршрутизатором. Нам также пришлось изобрести механизмы упаковки и охлаждения, написать компиляторы и ассемблеры, разработать способы одновременного тестирования процессоров и так далее. Даже простые проблемы, такие как соединение плат вместе, приобрели совершенно новый смысл при работе с десятками тысяч процессоров.Оглядываясь назад, можно сказать, что если бы мы хоть как-то понимали, насколько сложным будет проект, мы бы никогда не начали.

«Организуйте этих парней»

Я никогда раньше не управлял большой группой, и я был явно не в себе. Ричард вызвался помочь. «Мы должны организовать этих ребят», - сказал он мне. «Позвольте мне рассказать вам, как мы сделали это в Лос-Аламосе».

У каждого великого человека, которого я знаю, было определенное время и место в своей жизни, которые они использовали в качестве ориентира; время, когда все работало так, как должно, и великие дела были достигнуты.Для Ричарда это время было в Лос-Аламосе во время Манхэттенского проекта. Всякий раз, когда что-то становилось «дерзким», Ричард оглядывался назад и пытался понять, чем сейчас было иначе, чем тогда. Используя этот подход, Ричард решил, что мы должны выбрать эксперта в каждой важной области машины, такой как программное обеспечение, упаковка или электроника, чтобы стать «лидером группы» в этой области, по аналогии с лидерами группы в Лос-Аламосе.

Вторая часть кампании Фейнмана «Давайте организовываться» заключалась в том, что мы должны начать регулярную серию семинаров с приглашенными докладчиками, которые могут иметь интересные дела с нашей машиной.Идея Ричарда заключалась в том, что мы должны сосредоточиться на людях с новыми приложениями, потому что они будут менее консервативны в отношении того, какой компьютер они будут использовать. На наш первый семинар он пригласил Джона Хопфилда, своего друга из Калифорнийского технологического института, чтобы он рассказал нам о своей схеме построения нейронных сетей. В 1983 году изучение нейронных сетей было таким же модным, как изучение ESP, поэтому некоторые люди считали Джона Хопфилда немного сумасшедшим. Ричард был уверен, что ему подойдет компания Thinking Machines Corporation.

Хопфилд изобрел способ построения [ассоциативной памяти], устройство для запоминания паттернов. Чтобы использовать ассоциативную память, ее тренируют на серии шаблонов, таких как изображения букв алфавита. Позже, когда в памяти появляется новый образец, он может вспомнить аналогичный образец, который он видел в прошлом. Новое изображение буквы «А» будет «напоминать» воспоминание о другой букве «А», которую она видела ранее.Хопфилд выяснил, как такую ​​память можно построить с помощью устройств, похожих на биологические нейроны.

Похоже, что метод Хопфилда работает не только, но и на Connection Machine. Фейнман выяснил детали того, как использовать один процессор для моделирования каждого из нейронов Хопфилда, с силой связей, представленной в виде чисел в памяти процессоров. Из-за параллельной природы алгоритма Хопфилда все процессоры можно было использовать одновременно со 100% эффективностью, поэтому Connection Machine будет в сотни раз быстрее, чем любой обычный компьютер.

Алгоритм для логарифмов

Фейнман довольно подробно разработал программу для вычисления сети Хопфилда на машине связи. Больше всего он гордился подпрограммой для вычисления логарифмов. Я упоминаю об этом здесь не только потому, что это умный алгоритм, но и потому, что это особый вклад Ричарда в мейнстрим информатики. Он изобрел его в Лос-Аламосе.

Рассмотрим задачу поиска логарифма дробного числа от 1.{-k] $ может использоваться всеми процессорами. Все вычисления заняли меньше времени, чем деление.

Концентрация на алгоритме простой арифметической операции была типичной для подхода Ричарда. Ему нравились детали. Изучая маршрутизатор, он обращал внимание на действие каждого отдельного гейта, а при написании программы настаивал на понимании реализации каждой инструкции. Он не доверял абстракциям, которые не могли быть напрямую связаны с фактами.Когда несколько лет спустя я написал для [Scientific American] общую статью о машине подключения, он был разочарован тем, что в ней упущено слишком много деталей. Он спросил: «Откуда можно знать, что это не просто чушь?»

Настойчивость Фейнмана в рассмотрении деталей помогла нам раскрыть потенциал машины для численных вычислений и физического моделирования. В то время мы убедили себя, что машина соединений не будет эффективна при «обработке чисел», потому что у первого прототипа не было специального оборудования для векторов или арифметики с плавающей запятой.Оба эти требования были «известны» как требования для обработки чисел. Фейнман решил проверить это предположение на проблеме, с которой он был подробно знаком: квантовой хромодинамике.

Квантовая хромодинамика - это теория внутреннего устройства атомных частиц, таких как протоны. Используя эту теорию, в принципе возможно вычислить значения измеримых физических величин, таких как масса протона. На практике для таких вычислений требуется столько арифметических операций, что самые быстрые компьютеры в мире могут быть загружены ими на долгие годы.Один из способов сделать это вычисление - использовать дискретную четырехмерную решетку для моделирования части пространства-времени. Поиск решения включает сложение вкладов всех возможных конфигураций определенных матриц на звеньях решетки или, по крайней мере, некоторой большой репрезентативной выборки. (По сути, это интеграл по путям Фейнмана.) Проблема, которая усложняется, состоит в том, что вычисление вклада даже одной конфигурации включает в себя умножение матриц вокруг каждого маленького контура в решетке, и количество контуров растет как четвертая степень числа размер решетки.Поскольку все эти умножения могут выполняться одновременно, есть много возможностей, чтобы все 64000 процессоров были заняты.

Чтобы выяснить, насколько хорошо это будет работать на практике, Фейнману пришлось написать компьютерную программу для КХД. Поскольку единственный компьютерный язык, с которым Ричард был действительно знаком, был Basic, он создал параллельную версию Basic, на которой он написал программу, а затем моделировал ее вручную, чтобы оценить, насколько быстро она будет работать на Connection Machine.

Он был в восторге от результатов. «Эй, Дэнни, ты не поверишь в это, но эта твоя машина действительно может сделать кое-что [полезное]!» Согласно расчетам Фейнмана, машина соединений, даже без какого-либо специального оборудования для арифметики с плавающей запятой, будет лучше, чем машина, которую CalTech создавала для выполнения вычислений КХД. С этого момента Ричард все больше и больше подталкивал нас к рассмотрению численных приложений машины.

К концу того лета 1983 года Ричард завершил свой анализ поведения маршрутизатора и, к нашему большому удивлению и удивлению, представил свой ответ в виде набора дифференциальных уравнений в частных производных. Физику это может показаться естественным, но для разработчика компьютеров рассматривать набор логических схем как непрерывную дифференцируемую систему немного странно. Уравнения маршрутизатора Фейнмана были в терминах переменных, представляющих непрерывные величины, такие как «среднее число 1 бит в адресе сообщения.«Я гораздо больше привык рассматривать анализ с точки зрения индуктивного доказательства и анализа случая, чем брать производную от« числа единиц »по времени. Наш дискретный анализ показал, что нам нужно семь буферов на чип; уравнения Фейнмана предполагают, что мы только нужно было пять. Мы решили перестраховаться и проигнорировать Фейнмана.

Решение проигнорировать анализ Фейнмана было принято в сентябре, но к весне следующего года мы уперлись в стену. Чипы, которые мы разработали, были немного велики для производства, и единственный способ решить проблему - сократить количество буферов на чип до пяти.Поскольку уравнения Фейнмана утверждали, что мы можем делать это безопасно, его нетрадиционные методы анализа стали казаться нам все лучше и лучше. Мы решили пойти дальше и сделать чипы с меньшим количеством буферов.

К счастью, он был прав. Когда мы сложили чипсы, машина заработала. Первой программой, запущенной на машине в апреле 1985 года, была игра Конвея «Жизнь».

Клеточные автоматы

Игра в жизнь - это пример класса вычислений, интересовавший Фейнмана, который называется [клеточные автоматы].Подобно многим физикам, которые всю свою жизнь исследовали все более и более низкие уровни детализации атома, Фейнман часто задавался вопросом, что же находится на дне. Одним из возможных ответов был клеточный автомат. Идея состоит в том, что «континуум» на своих самых низких уровнях может быть дискретным как в пространстве, так и во времени, и что законы физики могут быть просто макро-следствием среднего поведения крошечных клеток. Каждая ячейка может быть простым автоматом, который подчиняется небольшому набору правил и взаимодействует только со своими ближайшими соседями, как расчет решетки для КХД.Если бы Вселенная действительно работала таким образом, то это, вероятно, имело бы проверяемые последствия, такие как верхний предел плотности информации на кубический метр пространства.

Идея клеточных автоматов восходит к фон Нейману и Уламу, которых Фейнман знал в Лос-Аламосе. Недавний интерес Ричарда к этому предмету был вызван его друзьями Эдом Фредкином и Стивеном Вольфрамом, оба из которых были очарованы физическими моделями клеточных автоматов.Фейнман всегда быстро указывал им, что он считает их конкретные модели «странными», но, как и машину связи, он считал предмет достаточно сумасшедшим, чтобы вложить в него немного энергии.

Есть много потенциальных проблем с клеточными автоматами как моделью физического пространства и времени; например, нахождение набора правил, подчиняющихся специальной теории относительности. Одна из самых простых задач - просто сделать так, чтобы физика выглядела одинаково во всех направлениях.Наиболее очевидный образец клеточных автоматов, такой как фиксированная трехмерная сетка, имеет предпочтительные направления вдоль осей сетки. Можно ли реализовать даже ньютоновскую физику на фиксированной решетке автоматов?

У Фейнмана было предложенное решение проблемы анизотропии, которое он попытался (безуспешно) проработать подробно. Его идея заключалась в том, что лежащие в основе автоматы, вместо того, чтобы быть соединенными в регулярную решетку, такую ​​как сетка или узор из шестиугольников, могли быть связаны случайным образом.Волны, распространяющиеся через эту среду, в среднем будут распространяться с одинаковой скоростью во всех направлениях.

Клеточные автоматы начали привлекать внимание Thinking Machines, когда Стивен Вольфрам, который также проводил время в компании, предложил использовать такие автоматы не как модель физики, а как практический метод моделирования физических систем. В частности, мы могли бы использовать один процессор для моделирования каждой ячейки и правил, выбранных для моделирования чего-то полезного, например гидродинамики.Для двумерных задач было изящное решение проблемы анизотропии, поскольку [Фриш, Хасслахер, Помо] показали, что гексагональная решетка с простым набором правил приводит к изотропному поведению на макроуровне. Вольфрам использовал этот метод на Connection Machine, чтобы создать красивый фильм о турбулентном потоке жидкости в двух измерениях. Просмотр фильма взволновал всех нас, особенно Фейнмана, физическим моделированием. Мы все начали планировать дополнения к оборудованию, такие как поддержка арифметики с плавающей запятой, которая позволила бы нам выполнять и отображать различные симуляции в реальном времени.

Объяснитель Фейнмана

Между тем у нас были большие проблемы с объяснением людям, что мы делаем с клеточными автоматами. Когда мы заговорили о диаграммах переходов между состояниями и конечных автоматах, глаза потускнели. В конце концов Фейнман сказал нам объяснить это так:

«Мы заметили в природе, что поведение жидкости очень мало зависит от природы отдельных частиц в этой жидкости.Например, поток песка очень похож на поток воды или поток стопки шарикоподшипников. Поэтому мы воспользовались этим фактом, чтобы изобрести тип воображаемой частицы, которую нам особенно просто моделировать. Эта частица представляет собой идеальный шарикоподшипник, который может двигаться с одной скоростью в одном из шести направлений. Поток этих частиц в достаточно большом масштабе очень похож на поток природных флюидов ».

Это было типичное объяснение Ричарда Фейнмана.С одной стороны, это привело в ярость экспертов, которые работали над проблемой, потому что в нем не было даже упоминания обо всех умных проблемах, которые они решили. С другой стороны, слушатели обрадовались, поскольку они могли уйти от этого с реальным пониманием явления и того, как оно связано с физической реальностью.

Мы попытались воспользоваться талантом Ричарда к ясности, заставив его критиковать технические презентации, которые мы сделали при представлении наших продуктов.Перед коммерческим анонсом Connection Machine CM-1 и всех наших будущих продуктов Ричард критиковал запланированную презентацию предложение за предложением. «Не говорите« отраженная акустическая волна ». Скажите [эхо] ". Или: «Забудьте все эти« локальные минимумы ». Просто скажите, что в кристалле застрял пузырь, и вы должны его вытряхнуть». Ничто не злило его сильнее, чем простая сложная речь.

Заставить Ричарда дать такой совет иногда было непросто.Он делал вид, что ему не нравится работать над проблемами, выходящими за рамки заявленной им области знаний. Часто в «Думающих машинах», когда его просили совета, он грубо отказывался со словами: «Это не мой отдел». Я никогда не мог понять, что это за отдел, но в любом случае это не имело значения, поскольку большую часть времени он проводил, работая над проблемами «не для моего отдела». Иногда он действительно сдавался, но чаще он возвращался через несколько дней после своего отказа и замечания: «Я думал о том, о чем вы спросили на днях, и мне это кажется... "Это сработало бы лучше всего, если бы вы не ожидали этого.

Я не имею в виду, что Ричард не решался делать «грязную работу». Фактически, он всегда был волонтером для этого. Многие посетители «Мыслительных машин» были шокированы, увидев, что у нас есть нобелевский лауреат, который паяет печатные платы или красит стены. Но то, что Ричард ненавидел или, по крайней мере, делал вид, что ненавидит, просили дать совет. Так почему же люди всегда просили его об этом? Потому что, даже когда Ричард не понимал, он всегда понимал лучше, чем все мы.И что бы он ни понимал, он мог дать понять и другим. Ричард заставил людей почувствовать себя детьми, когда взрослые относятся к нему как к взрослому. Он никогда не боялся говорить правду, и каким бы глупым ни был ваш вопрос, он никогда не заставлял вас чувствовать себя дураком.

Очаровательная сторона Ричарда помогла людям простить его за его некрасивые качества. Например, Ричард во многих отношениях был сексистом. Когда подходило время для ежедневной тарелки супа, он оглядывался в поисках ближайшей «девушки» и спрашивал, не принесет ли она ему.Не имело значения, была ли она поваром, инженером или президентом компании. Однажды я спросил женщину-инженера, которая только что стала жертвой этого, беспокоит ли ее это. «Да, это меня действительно раздражает», - сказала она. «С другой стороны, он единственный, кто когда-либо объяснял мне квантовую механику, как если бы я мог ее понять». В этом была суть очарования Ричарда.

Вид игры

Ричард работал в компании время от времени в течение следующих пяти лет.В конечном итоге к машине было добавлено оборудование с плавающей запятой, и по мере того, как машина и ее преемники начали коммерческое производство, они все больше и больше использовались для решения задач численного моделирования, которые Ричард впервые применил в своей программе QCD. Интерес Ричарда сместился с конструкции машины на ее применение. Как оказалось, создание большого компьютера - хороший повод поговорить с людьми, которые работают над одними из самых интересных проблем науки.Мы начали работать с физиками, астрономами, геологами, биологами, химиками - каждый из них пытался решить какую-то проблему, которую раньше было невозможно решить. Чтобы понять, как выполнять эти вычисления на параллельной машине, необходимо разбираться в деталях приложения, что Ричард любил делать.

Для Ричарда решение этих проблем было чем-то вроде игры. Он всегда начинал с самых простых вопросов вроде: «Какой самый простой пример?». или "Как узнать, правильный ли ответ?" Он задавал вопросы, пока не свел проблему к какой-то важной головоломке, которую, как он думал, он сможет решить.Затем он брался за работу, что-то писал на блокноте и смотрел на результаты. Пока он решал эту головоломку, его было невозможно прервать. «Не приставай ко мне. Я занят», - говорил он, даже не поднимая глаз. В конце концов он либо решит, что проблема слишком сложна (в этом случае он потеряет интерес), либо найдет решение (в этом случае он потратит следующие день или два, объясняя ее всем, кто слушает). Таким образом он работал над проблемами поиска в базах данных, геофизического моделирования, сворачивания белков, анализа изображений и чтения страховых форм.

Последний проект, над которым я работал с Ричардом, относился к моделированной эволюции. Я написал программу, которая моделировала эволюцию популяций воспроизводящих половым путем существ на протяжении сотен тысяч поколений. Результаты были неожиданными, поскольку физическая форма населения резко увеличивалась, а не благодаря ожидаемому устойчивому улучшению. Летопись окаменелостей показывает некоторые свидетельства того, что реальная биологическая эволюция может также демонстрировать такое «прерывистое равновесие», поэтому Ричард и я решили более внимательно изучить, почему это произошло.К тому времени он чувствовал себя плохо, поэтому я пошел и провел с ним неделю в Пасадене, и мы разработали модель эволюции конечных популяций, основанную на уравнениях Фоккера-Планка. Вернувшись в Бостон, я пошел в библиотеку и обнаружил книгу Кимуры на эту тему, и, к моему большому разочарованию, все наши «открытия» были изложены на первых нескольких страницах. Когда я перезвонил и рассказал Ричарду о том, что я нашел, он был в восторге. "Эй, мы все правильно поняли!" он сказал.«Неплохо для любителей».

Оглядываясь назад, я понимаю, что почти во всем, над чем мы работали вместе, мы оба были любителями. В цифровой физике, нейронных сетях и даже в параллельных вычислениях мы никогда не знали, что делаем. Но то, что мы изучали, было настолько новым, что никто не знал точно, что они делали. Только любители добились прогресса.

Говорить хорошие вещи, которые вы знаете

На самом деле, я сомневаюсь, что Ричарда больше всего интересовал "прогресс".Он всегда искал закономерности, связи, новый взгляд на что-то, но я подозреваю, что его мотивацией было не столько понимание мира, сколько поиск новых идей для объяснения. Акт открытия не был для него завершен, пока он не научил этому кого-то другого.

Я помню разговор, который у нас был примерно за год до его смерти, когда мы гуляли по холмам над Пасаденой. Мы исследовали незнакомую тропу, и Ричард, выздоравливающий после тяжелой операции по поводу рака, шел медленнее, чем обычно.Он рассказывал длинную и забавную историю о том, как он читал о своей болезни и удивлял своих врачей, предсказывая их диагноз и свои шансы на выживание. Я впервые слышал, как далеко зашел его рак, поэтому шутки не казались такими уж смешными. Он, должно быть, заметил мое настроение, потому что он внезапно остановил рассказ и спросил: «Эй, в чем дело?»

Я заколебался. «Мне грустно, потому что ты умрешь».

«Ага, - вздохнул он, - меня это тоже иногда беспокоит.Но не так много, как вы думаете ». И после еще нескольких шагов:« Когда ты станешь таким же старым, как я, ты начнешь понимать, что ты все равно рассказал другим людям все хорошее, что знаешь ».

Несколько минут мы шли молча. Затем мы подошли к месту, где пересекалась еще одна тропа, и Ричард остановился, чтобы осмотреть окрестности. Внезапно его лицо озарила ухмылка. «Эй, - сказал он, забыв все следы печали, - держу пари, я могу показать тебе лучший путь домой.«

Так он и сделал.

Посетите главную страницу или подпишитесь на наш блог

Возможное вычислительное устройство нанометрового масштаба на основе складывающегося клеточного автомата (Журнальная статья)

Бенджамин, С. С., и Джонсон, Н. Ф. Возможное вычислительное устройство нанометрового масштаба, основанное на добавляющем клеточном автомате . США: Н. П., 1997. Интернет. DOI: 10,1063 / 1,118851.

Бенджамин, С. К., и Джонсон, Н. Ф. Возможное вычислительное устройство нанометрового масштаба на основе складывающегося клеточного автомата . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.1063/1.118851

Бенджамин, С. К., и Джонсон, Н. Ф. Вт. «Возможное вычислительное устройство нанометрового масштаба на основе складывающегося клеточного автомата». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.1063/1.118851.

@article {osti_544515,
title = {Возможное вычислительное устройство нанометрового масштаба на основе добавляющегося клеточного автомата},
author = {Бенджамин, С. К. и Джонсон, Н. Ф.},
abstractNote = {Мы представляем простой одномерный клеточный автомат (CA), который обладает тем свойством, что начальное состояние, состоящее из двух двоичных чисел, быстро переходит в конечное состояние, которое является их суммой.Мы называем этот КА добавляемым клеточным автоматом (АКА). ACA требует только 2N ячеек с двумя состояниями, чтобы добавить любые два N {минус} 1-битных двоичных числа. ACA может быть непосредственно реализован как беспроводное вычислительное устройство нанометрового масштаба. Обрисована возможная реализация с использованием связанных квантовых точек. {copyright} {ital 1997 Американский институт физики.}},
doi = {10.1063 / 1.118851},
url = {https://www.osti.gov/biblio/544515}, journal = {Applied Physics Letters},
номер = 17,
объем = 70,
place = {United States},
год = {1997},
месяц = ​​{4}
}

Моделирование трехмерной гидродинамики на клеточном автомате

  • 1.

    С. Вольфрам, изд., Теория и приложения клеточных автоматов (World Scientific, Сингапур, 1986).

    Google Scholar

  • 2.

    Т. Тоффоли и Н. Марголус, Cellular Automata Machines (MIT Press, Кембридж, Массачусетс, 1987).

    Google Scholar

  • 3.

    Г. Вайсбух, «Динамика сложных систем», (Аддисон-Уэсли Рединг, Массачусетс, (1991).

    Google Scholar

  • 4.

    U. Frisch, B. Hasslacher, Y. Pomeau, Phys. Rev. Lett. 56 : 1505–1508 (1986).

    Google Scholar

  • 5.

    У. Фриш, Д. д'Юмьер, Б. Хасслахер, П. Лаллеманд, Ю. Помо, Ж.-П. Заклепка, Комплексные системы 1 : 648 (1987).

    Google Scholar

  • 6.

    Д. Х. Ротман, Геофизика 53 : 509–518 (1988).

    Google Scholar

  • 7.

    A. J. C. Ladd, M. E. Colvin, Phys. Rev. Lett. 60 : 975–978 (1988).

    Google Scholar

  • 8.

    M. Van der Hoef, D. Frenkel, Phys. Сборка 41, : 4277 (1990).

    Google Scholar

  • 9.

    Д. Х. Ротман и Дж. Келлер, J. Stat. Phys. 52 : 1119 (1988).

    Google Scholar

  • 10.

    C. Appert, S. Zaleski, Phys. Rev. Lett. 64 : 1 (1990).

    Google Scholar

  • 11.

    Д. Х. Ротман и С. Залески, Ред. Мод. Phys. 66 : 1417–1479 (1994).

    Google Scholar

  • 12.

    N. Margolus, T. Toffoli, G. Vichniac, Phys. Rev. Lett. 56 : 1694–1697 (1986).

    Google Scholar

  • 13.

    А. Клокер и Д. д'Юмьер, Комплексные системы 1 : 584–597 (1987).

    Google Scholar

  • 14.

    Д. д'Юмьер, П. Лаллеманд и У. Фриш, Europhys. Lett. 2 : 291 (1986).

    Google Scholar

  • 15.

    Н. Марголус и Т. Тоффоли, Машины с клеточными автоматами, в статье Методы решеточного газа для уравнений с частными производными, , в Дж. Дулен, изд. (Аддисон-Уэсли, Рединг, Массачусетс, 1990), стр. 219–249.

    Google Scholar

  • 16.

    Н. Марголус, Cam-8: компьютерная архитектура, основанная на клеточных автоматах, в Автоматах формирования паттернов и газовых решеток A.Lawniczak и R. Kapral, ред. (Американское математическое общество, Провиденс, Род-Айленд, 1995).

    Google Scholar

  • 17.

    М. Энон, Комплексные системы 1 : 475–494 (1987).

    Google Scholar

  • 18.

    М. Энон, Комплексные системы 1 : 763–789 (1987).

    Google Scholar

  • 19.

    М. Энон, Оптимизация правил столкновений в решеточном газе FCHC и добавление остальных частиц, в книге Дискретная кинетическая теория, газовая динамика решетки и основы гидродинамики , Р. Монако, изд. (World Scientific, Сингапур, 1989 г.), стр. 146.

    Google Scholar

  • 20.

    JA Somers и PC Rem, Получение численных результатов из трехмерного газа FCHC-решетки, в Springer Proceedings on Physics, Workshop on Numerical Methods for Simulation of Multi-Phase and Complex Flow (Springer-Verlag, Берлин, 1992), стр 59–78.

    Google Scholar

  • 21.

    J. Hardy, O. de Pazzis, Y. Pomeau, Phys. Ред. A 13 : 1949–1961 (1976).

    Google Scholar

  • 22.

    Г. Д. Дулен, изд., Методы решеточного газа для уравнений с частными производными (Аддисон-Уэсли, Рединг, Массачусетс, 1991).

    Google Scholar

  • 23.

    R. Cornubert, D. d'Humiéres и D. Levermore, Physica D 47 : 241 (1991).

    Google Scholar

  • 24.

    I. Ginzbourg, P. M. Adler, J. Phys. II Франция 4 : 191–214 (1994).

    Google Scholar

  • 25.

    Б. Ферреоль и Д. Х. Ротман, Моделирование потока через решетку-Больцмана через песчаник Фонтенбло, Transport Porous Media , в печати (1995).

  • 26.

    Б. Дубрулль, У. Фриш, М. Хенон и Ж.-П. Заклепка, J. Stat. Phys. 59 : 1187–1226 (1990).

    Google Scholar

  • 27.

    В. Куворден, М. Эрнст и Дж. Сомерс, J. Stat. Phys. 74 : 1085 (1994).

    Google Scholar

  • 28.

    H. Hasimoto, J. Fluid Mech. 5 : 317 (1959).

    Google Scholar

  • 29.

    А. С. Сангани и А. Акривос, Int. J. Многофазный поток 8 : 343 (1982).

    Google Scholar

  • Границы | Подход с использованием квантовых конечных автоматов к моделированию химических реакций

    1 Введение

    В последнее время связь между сложными реакциями и их термодинамикой получила широкое распространение среди исследовательских сообществ.Первоначально, в 1970-х годах, Конрад [1] обработал информацию о молекулярных системах и заявил, что сложные биохимические системы не могут быть проанализированы на классических компьютерах. До сих пор в искусственных подходах для решения проблем используются сложные биомолекулы или системы реакции-диффузии на основе логических вентилей [2–4]. Классические системы ненадежны и неспособны описывать квантовые системы. Некоторые задачи, невозможные в классических системах, могут быть реализованы в квантовых системах. Квантовые вычисления относятся к компьютерной технологии, основанной на принципах квантовой механики, которая описывает поведение и природу материи и энергии на квантовом уровне [5].Квантовые вычисления демонстрируют вычислительную мощность и другие свойства компьютеров, основанных на принципах квантовой механики.

    Модели конечных автоматов - это абстрактные вычислительные устройства, которые играют решающую роль в решении вычислительных задач в теоретической информатике. Классическая теория автоматов тесно связана с теорией формального языка, где автоматы ранжируются от самых простых до самых мощных в зависимости от их способности распознавания языка [6]. Классическая теория автоматов имеет большое значение из-за ее практических приложений в реальном времени при разработке нескольких областей.Поэтому естественной целью является изучение квантовых вариантов классических моделей автоматов, которые играют важную роль в квантовой обработке информации.

    Теория квантовых автоматов разработана с использованием принципов квантовой механики и классических автоматов. Квантовые вычислительные модели позволяют исследовать ресурсы, необходимые для вычислений. Вскоре после мозгового штурма квантового алгоритма факторизации Шора [7] были представлены первые модели квантовых конечных автоматов (QFA).Первоначально Кондакс и Уотроус [8], а также Мур и Кратчфилд [9] отдельно предложили концепцию квантовых автоматов. С тех пор было изучено и продемонстрировано множество моделей квантовых автоматов в различных направлениях, таких как QFA, латвийский QFA, 1.5-way QFA, двусторонний QFA (2QFA), квантовая последовательная машина, квантовые автоматы pushdown, квантовая машина Тьюринга, квантовые многосчетные машины, квантовые автоматы с очередями [10], квантовые многоголовочные конечные автоматы, QFA с классическими состояниями (2QCFA) [11, 12], краткость состояний двусторонних вероятностных конечных автоматов (2PFA), QFA, 2QFA и 2QCFA [13 –15], интерактивные системы доказательств с QFA [16, 17], квантовые конечные автоматы матричного произведения состояний [18], распознавание обещаний QFA [19–22], квантово-омега-автоматы [23] и полуквантовые два -ходовые конечные автоматы [24–26], преимущества QFA [27], связанные с временной сложностью, неоднородные классы QFA полиномиального размера [28, 29], QFA и отношения линейной темпоральной логики [30], и многое другое за последние два десятилетия [ 31–34].Эти модели эффективны при определении границ различных вычислительных возможностей и выразительной мощности [35–37]. Квантовые компьютеры более мощные, чем машины Тьюринга и даже вероятностные машины Тьюринга. Таким образом, математические модели квантовых вычислений можно рассматривать как обобщения их физических моделей.

    Вычислительная биохимия - быстро развивающаяся область исследований на стыке биологии, химии, информатики и математики. Это помогает нам применять вычислительные модели для понимания биохимических и химических процессов и их свойств.Комбинация химии и классической теории автоматов обеспечивает конструктивные средства уточнения количества объектов, позволяющих понять энергетическую стоимость вычислений [38]. Исследования в области химических вычислений постоянно росли. Существует два способа моделирования сложных химических реакций: абстрактные устройства и формальные модели, основанные на перезаписи мультимножества [39]. Сети сложных химических реакций осуществляют химические процессы, имитирующие работу классических моделей автоматов.Недавно Дуэнас-Диез и Перес-Меркадер [38, 40] разработали химические конечные автоматы для обычных языков и химические автоматы с несколькими стеками для контекстно-свободных и контекстно-зависимых языков. Кроме того, дается термодинамическая интерпретация принятия / отклонения химических автоматов. Полезно понять энергетическую стоимость химических вычислений. Они использовали реактор с одним горшком (смешанный контейнер), где химические реакции и молекулярное распознавание происходят после нескольких этапов, без использования какой-либо вспомогательной геометрической помощи.

    В классической теории автоматов известно, что двусторонние детерминированные конечные автоматы (2DFA) могут быть разработаны для всех регулярных языков. Также было исследовано, что 2PFA может быть разработан для нерегулярного языка L = {anbn | n≥1} за экспоненциальное время [38, 40]. Исследования последовательно развивались в области квантовых вычислений и обработки информации. В теории квантовых автоматов было доказано, что 2QFA может быть разработан для L с односторонней ограниченной ошибкой и остановлен за линейное время.Более того, было продемонстрировано, что 2QFA также может быть разработан для неконтекстно-свободного языка L = {anbncn | n≥1} [8]. Следовательно, 2QFA строго более мощный, чем его классические аналоги, основанный на способности распознавания языка.

    Область химии и химических вычислений играет важную роль в развитии вычислительных моделей, имитирующих поведение систем на атомарном уровне. На это сильно влияет вычислительная мощность квантовых компьютеров. Исходя из вышеупомянутых фактов, мы смоделировали химические реакции в форме формальных языков и представили те, которые используют двусторонние QFA.Основная цель - изучить, как химические реакции выполняют идентификацию химической последовательности, эквивалентную моделям квантовых автоматов, без использования биохимии или каких-либо вспомогательных устройств. Решающим преимуществом этого подхода является то, что химические реакции в форме подписей принятия / отклонения могут обрабатываться за линейное время с односторонней ограниченной ошибкой (если автомат допускает ошибку только в одном направлении, т. Е. Либо в случаях «нет», либо в случаях «да»). Эта статья имеет следующий вид: Подраздел посвящен предыдущим работам.В разделе 2 даются некоторые предварительные сведения. Определение двусторонних QFA дано в разделе 3. В разделе 4 химические реакции транскрибируются на формальных языках и моделируются с использованием подхода двусторонних QFA. Краткое изложение работы приведено в Разделе 5. Наконец, Раздел 6 является заключением.

    1.1 Предыдущие работы

    Область химических вычислений имеет богатую и интересную историю. Различные исследователи представили химические вычисления, используя концепцию систем реакции-диффузии на основе логических вентилей и подходов искусственного интеллекта.В начале 1970-х Конрад [1] дифференцировал обработку информации в молекулах с помощью цифровых вычислений. Почти десять лет спустя Okamoto et al. [43] предложили концепцию теоретического химического диода в циклических ферментных системах. Доказано, что его можно использовать для анализа динамического поведения событий метаболического переключения в биокомпьютере. В 1991 году Hjelmfelt et al. [44] разработали нейронные сети и конечные автоматы с использованием химических диодов. Было обнаружено, что выполнение универсальной машины Тьюринга возможно с использованием соединительных химических диодов.Hjelmfelt et al. построил синхронизированные конечные автоматы из двоичного сумматора, двоичного декодера и стековой памяти и показал, что конечные автоматы можно моделировать с помощью синхронизированных нейронных сетей.

    В 1995 году Тот и Шоуолтер [45] реализовали логические вентили И и ИЛИ, используя системы реакции-диффузии, в которых сигналы программируются с помощью химических волн. Это была первая эмпирическая реализация химических логических ворот. В 1997 году Магнаско [46] показал, что логические вентили могут быть построены и реализованы в химической кинетике гомогенных растворов.Доказано, что такие конструкции обладают вычислительной мощностью, эквивалентной машине Тьюринга. Адамацки и Лейси Костелло [47] экспериментально поняли химический элемент XOR, следуя тому же подходу, который использовали Тот и Шоултер в 2002 году. Кроме того, Górecki et al. [48] ​​построили химические счетчики для обработки информации в возбудимых реакционно-диффузионных системах.

    Это одно из самых многообещающих новых направлений исследований. Некоторые трудности могут быть вызваны соединением нескольких вентилей вместе для сложных вычислений.Таким образом, недавно исследователи начали сосредотачиваться на собственных химических вычислениях, то есть без систем реакции-диффузии. В 1994 году Адлеман [49] предложил концепцию вычисления ДНК и решил проблему гамильтонова пути, изменив нити ДНК. В 2009 году Бененсон [2] рассмотрел инструменты биологических измерений для биокомпьютеров нового поколения. Prohaska et al. [3] изучили белковый домен с помощью вычисления хроматина и представили хроматин как мощную машину для химических вычислений и обработки информации.В 2012 году Брайант [4] доказал, что хроматиновый компьютер вычислительно универсален, используя его для решения примера комбинаторной задачи.

    Структуры ДНК и РНК представлены с использованием концепции классической теории автоматов [50, 51]. Krasinski et al. [52] представляли ограниченный фермент в ДНК с автоматами выталкивания в кольцевом режиме. Хренников и Юрова [53] смоделировали поведение белковых структур с помощью классической теории автоматов и исследовали сходство между квантовыми системами и моделированием поведения белков.Бхатиа и Кумар [54] смоделировали вторичные структуры рибонуклеиновой кислоты (РНК), используя двусторонние QFA, которые останавливаются в линейном времени. Дуэнас-Диез и Перес-Меркадер разработали молекулярные машины для химических реакций. Собственные химические вычисления были реализованы за пределами логических вентилей, то есть с помощью химических автоматов [40]. Было продемонстрировано, что химические реакции, записанные на формальных языках, могут быть распознаны машиной Тьюринга без использования биохимии [38]. Недавно Bhatia и Zheng [55] смоделировали вторичные структуры РНК шпильки, псевдоузла и гантели с помощью 2QCFA.

    2 Предварительные сведения

    В этом разделе приведены некоторые предварительные сведения. Мы предполагаем, что читатель знаком с классической теорией автоматов и концепцией квантовых вычислений; в противном случае читатель может обратиться к теории автоматов [6], квантовой информации и вычислениям [5, 56]. Линейная алгебра унаследована от квантовой механики для описания области квантовых вычислений. Это важный математический инструмент, который позволяет нам представлять квантовые операции и квантовые состояния матрицами и векторами, соответственно, которые подчиняются правилам линейной алгебры.В квантовой теории вычислений используются следующие понятия линейной алгебры:

    • Векторное пространство ( V ) [56]: векторное пространство ( V ) определяется над полем F комплексных чисел ℂ, состоящим из непустых набор векторов, удовлетворяющий следующим операциям:

    • Сложение: Если два вектора | a〉 и | b〉 принадлежат V , то | a〉 + | b〉 ∈V.

    • Умножение на скаляр: если | a〉 принадлежит V , то λ | a〉 ∈V, где λ∈ℂ.

    • Нотация Дирака [5]: В квантовой механике нотация Дирака является одной из наиболее характерных особенностей линейной алгебры.Комбинация вертикальных и угловых стержней (|〉 〈|) используется для развертывания квантовых состояний. Он обеспечивает внутреннее произведение любых двух векторов. Бюстгальтер 〈b | и ket | a〉 представляют вектор-строку и вектор-столбец соответственно.

    | a〉 = [α1α2α3], 〈b | = [β1 * β2 * β3 *], | a〉 〈b | = [α1β1 * α1β2 * α1β3 * α2β1 * α2β2 * α2β3 * α3β1 * α3β2 * α3β3 *] [ 1], где βi * обозначает комплексное сопряжение комплексного числа αi.

    • Квантовый бит [34]: Квантовый бит (кубит) - это единичный вектор, определенный в комплексном векторном пространстве ℂ2. В общем, он представлен как суперпозиция двух базисных состояний, помеченных | 0〉 и | 1〉.

    | ϕ〉 = α | 0〉 + β | 1〉 [2]

    • Вероятность появления состояния | 0〉 равна | α | 2, а | 1〉 равна | β | 2. Он удовлетворяет | α | 2+ | β | 2 = 1. Две комплексные амплитуды (α и β) представлены одним кубитом. Таким образом, 2n комплексных амплитуд можно представить n кубитами.

    • Квантовое состояние [5]: квантовое состояние | ψ〉 определяется как суперпозиция классических состояний

    | ψ〉 = α1 | w1〉 + α2 | w2〉 +… + αn | wn〉 [3] где αi s - комплексные амплитуды, а | wi〉 s - классические состояния для 1≤i≤n. Следовательно, квантовое состояние | ψ〉 может быть представлено как n -мерный вектор-столбец.

    • Унитарное преобразование: в квантовой механике преобразование между квантовыми системами должно быть унитарным. Рассмотрим состояние | ψ〉 квантовой системы в момент времени t : | ψ〉 = α1 | w1〉 + α2 | w2〉 +… + αn | wn〉, преобразованное в состояние | ψ ′〉 в момент времени t ': | ψ ′〉 = α1 ′ | w1〉 + α2 ′ | w2〉 +… + αn ′ | wn〉, где комплексные амплитуды связаны соотношением | ψ ′ (t ′)〉 = U (t′ − t) | ψ (t )〉, Где U обозначает зависящий от времени унитарный оператор, для которого выполняется равенство (U (t′ − t)) * U (t′ − t) = 1 и ∑ i = 1n | αi | 2 = | αi ′ | 2 = 1 [5].

    • Гильбертово пространство: физическая система описывается комплексным векторным пространством, называемым гильбертовым пространством H [56].Это позволяет нам описать основу квантовой системы. Прямая сумма | x | y〉: H⊕H → ℂ или скалярное произведение | x | v〉: H⊗H → ℂ двух подпространств удовлетворяет следующим свойствам для любых векторов:

    • Линейность: (α 〈x | + β 〈y |) | z〉 = α | x | z〉 + β | y | z〉.

    • Симметричное свойство: | x | y〉 = | y | x〉.

    • Положительность: | x | x〉 ≥0 и | x | x〉 = 0, если x = 0, где x∈H.

    • где x, y, z∈H и α, β∈ℂ.

    • Квантовый конечный автомат (QFA) [57]: он определяется как пятерка (Q, Σ, sint, Pacc, Uσ), где

    Q - это набор состояний,

    • Σ - это входной алфавит,

    • Гильбертово пространство H и sinit∈H - это начальный вектор, такой что | sinit | 2 = 1,

    • Hacc⊂H и Pacc - оператор проекции принятия на Hacc,

    • Uσ обозначает унитарный переход матрица для каждого входного символа (σ∈Σ).

    Процедура вычисления QFA состоит из входной строки w = σnσ2… σn. Автомат работает, считывая каждый входной символ, и соответствующие им унитарные матрицы применяются к текущему состоянию, начиная с начального состояния. Квантовый язык, принятый QFA, представлен в виде функции fQFA (w) = | sinitUwPacc | 2, где Uw = Uσ1Uσ2… Uσn. Головке ленты разрешается двигаться только в правильном направлении. Наконец, наблюдается вероятность QFA в состоянии принятия: то есть указывается, принята ли входная строка QFA или отклонена.Его также называют квантовым конечным автоматом реального времени.

    В зависимости от движения головки ленты, QFA классифицируется как односторонний QFA, 1,5-сторонний QFA и 2QFA. В 1,5-стороннем QFA головке ленты разрешено двигаться только в правом направлении или она может быть неподвижной, но не может двигаться в левом направлении. Было доказано, что он может быть разработан для неконтекстно-свободных языков, если входная лента круговая [58]. В этом исследовании мы сосредоточились на модели 2QFA из-за большей вычислительной мощности по сравнению с ее классическими аналогами.

    3 двусторонних квантовых конечных автомата

    Квантовый конечный автомат (QFA) - это квантовый вариант классического конечного автомата. В QFA квантовые переходы применяются путем считывания входных символов с ленты [9]. Двусторонний квантовый конечный автомат (2QFA) является квантовым аналогом двустороннего детерминированного конечного автомата (2DFA). В 2QFA ленточная головка может двигаться либо влево, либо вправо, либо может быть неподвижной. Иллюстрация 2DFA показана на рисунке 1.

    РИСУНОК 1 . Представление двусторонних детерминированных конечных автоматов.

    1. [9] Двусторонний квантовый конечный автомат представлен шестеркой (Q, Σ, δ, q0, Qacc, Qrej), где

    Q - конечный набор состояний.

    • Σ - входной алфавит.

    Переходная функция δ определяется как δ: Q × Γ × Q × D → ℂ , где - комплексное число, Γ = Σ∪ {#, $} и D = {- 1,0, + 1} представляют левое, стационарное и правое направление ленточной головки.

    • Q = Qacc∪ Qrej∪ Qnon, где Qnon, Qacc и Qrej представляют собой набор состояний без прерывания, принятия и отклонения, соответственно. Функция перехода должна удовлетворять следующим условиям:

    (i) Условие локальной вероятности и ортогональности:

    ∑ (q ′, d) ∈Q × D∀ (q1, σ1), (q2, σ2) ∈Q × Γδ (q1 , σ, q ′, d) ¯δ (q2, σ, q ′, d) = {1 q1 = q20 q1 ≠ q2}

    (ii) Первое условие отделимости:

    ∑q′∈Q∀ (q1, σ1) , (q2, σ2) ∈Q × Γδ (q1, σ1, q ′, + 1) ¯δ (q2, σ2, q ′, 0) + δ (q1, σ1, q ′, 0) ¯δ (q2, σ2, q ′, - 1) = 0

    (iii) Второе условие отделимости:

    ∑q′∈Q∀ (q1, σ1), (q2, σ2) ∈Q × Γδ (q1, σ1, q ′, + 1 ) ¯δ (q2, σ2, q ′, - 1) = 0

    Для каждого σ∈Γ 2QFA называется упрощенным, если существует унитарный линейный оператор Vσ на внутреннем пространстве произведения такой, что L2 {Q} → L2 {Q}.Функция перехода представлена ​​как

    δ (q, σ, q ′, d) = {q′Vσq0 | if D (q ′) = delse}, [5]

    , где q′Vσq - коэффициент при | q ′〉 в Vσ | q〉.

    Рассмотрим входную строку w , записанную на входной ленте с обоими концевыми маркерами, такими как # w $. Расчет 2QFA производится следующим образом. Головка ленты находится над входным символом σ, а автомат находится в любом состоянии q . Затем состояние 2QFA изменяется на q ′ с амплитудой δ (q, σ, q ′, d) и перемещает головку ленты на одну ячейку вправо, в стационарном и левом направлениях согласно ∈ {−1,0, + 1}.Это соответствует унитарной эволюции в пространстве внутренних произведений ℋn.

    Вычисление 2QFA представляет собой цепочку суперпозиций c0, c1, c2,…., Где c0 обозначает начальную конфигурацию. Для любого ci, когда автомат наблюдается в состоянии суперпозиции с амплитудой αc, он имеет вид Uδ | ci〉 ∑c∈Cnαc | ci〉, где Cn представляет собой набор конфигураций. Вероятность, связанная с конфигурацией, вычисляется абсолютными квадратами амплитуды. Суперпозиция считается действительной, если сумма квадратов модулей их амплитуд вероятности унитарна.В квантовой теории эволюция во времени задается унитарными преобразованиями. Каждая функция перехода δ подсказывает оператор преобразования гильбертова пространства ℋn за линейное время.

    Uδw | q, j〉 = ∑ (q ′, d) ∈Q × Dδ (q, w (j), q ′, d) | q ′, j + d mod | w |〉

    для каждого (q, j) ∈C | w |, где q∈Q, j∈Z | w | и продолжен на ℋn по линейности [9, 59].

    4 Моделирование химических реакций

    Прежде чем мы узнаем химические реакции с помощью двухсторонней модели QFA, важно показать, как работает вычислительная химия.На рисунке 2 показана иллюстрация распознавания языка с помощью модели химических вычислений. Он состоит из трех частей: i) смешанный контейнер, в котором происходит процесс вычислений, ii) входной транслятор, который переводит химические аликвоты во входные символы и выдает их последовательно в зависимости от времени обработки, iii) система для отслеживания реакции автомат как химический критерий. Наконец, химические вычисления создают четко определенные химические сигнатуры принятия / отклонения для входных данных.Например, если количество a s и b s равно на входе, то химическое вычисление производит тепло, то есть ввод считается принятым. В противном случае, если в конце вычисления не выделяется тепло, считается, что ввод отклонен системой. Ниже приведены конструкции двусторонних квантовых конечных автоматов химических реакций.

    РИСУНОК 2 . Представление распознавания языка с помощью химических вычислений. Он воспроизводится из [40] по лицензии Creative Commons CCBY.

    Теорема 1. Двусторонние QFA могут распознавать все регулярные языки.

    Доказательство. Доказательство было показано в [5]. 9.

    4.1 Химическая реакция-1, состоящая из обычного языка

    Для наглядной и наглядной реализации мы можем выбрать реакцию осаждения в водной среде, такой как

    KIO3 + AgNO3 → AgIO3 (s) + KNO3 [6]

    Во время вычисления , если наблюдается белый осадок йодата серебра, то входная строка считается принятой; если в растворе нет осадка, струна отклонена из-за отсутствия реакции.Поэтому мы выбрали рецепты буквенных символов a для йодата калия (KIO3) и b для нитрата серебра (AgNO3) количественно. На рис. 3 показано химическое представление символов a и b , реакции бимолекулярного осаждения [38]. Если осадок AgIO 3 не присутствует в растворе, то вычисление считается отклоненным. Например, входная строка w = aaab считается принятой из-за наличия осадка или, в равной степени, тепла, которое было определено во время вычислений.Но говорят, что ввод w = aa отклонен из-за отсутствия осадка или, точнее, тепла не наблюдается. Оператор Клини-звезда (Σ *) представляет собой набор бесконечных строк любой длины по входному алфавиту, а также пустую строку (ϵ). Язык «(a + b) *» означает строку, содержащую любое количество « a » или « b » в любом порядке или пустую строку. Язык «(ab) *» означает строку, содержащую любое количество « ab » или строку нулевой длины. На рисунке 4 показан соответствующий теоретический график переходов между состояниями 2QFA для распознавания L1.

    РИСУНОК 3 . Иллюстрация кислотно-основной реакции L1.

    РИСУНОК 4 . Диаграмма переходов состояний L1.

    РИСУНОК 5 . Иллюстрация кислотно-основной реакции L2.

    РИСУНОК 6 . Диаграмма переходов состояний L2.

    РИСУНОК 7 . Иллюстрация кислотно-основной реакции L3.

    РИСУНОК 8 . Диаграмма переходов состояний L3.

    Теорема 2. Язык L1 = {(a + b) * a (a + b) * b (a + b) * aa * bb *}, представляющий реакцию осаждения в Eq.6 можно распознать по 2QFA.

    Доказательство. Идея этого доказательства заключается в следующем. В начальном состоянии q0 считывает правый маркер № и перемещает голову в правильном направлении. Если символ b не встречается, значит, осадка нет, и ввод считается отклоненным 2QFA. Аналогично, при считывании символа b состояние q0 изменяется на q1. Если нет символа a , то состояние преобразуется в состояние отклонения qr1. Если входная строка w∈L1 содержит хотя бы один a и один b , то во время вычисления присутствует йодат серебра, и говорят, что он распознается 2QFA.2QFA для L1 определяется следующим образом: M2QFA = (Q, Σ, q0, Qacc, Qrej, δ),

    , где Q = {q0, q1, q2, q3, q4, q5, q6, q7, qa1, qa2 , qr1, qr2}, где q0 и q2 используются для перемещения головки по направлению к $ при считывании a s и b s соответственно. Состояния q1 и q3 используются для подтверждения того, что последний символ, считанный головкой, равен a и b соответственно.

    Σ = {a, b}, q0 - начальное состояние, Qacc = {qa1, qa2} и Qrej = {qr1, qr2}.

    Характеристики переходных функций приведены в таблице 1.

    ТАБЛИЦА 1 . Подробная информация о функциях перехода и головной функции для L1.

    Можно отметить, что в 2QFA матрицы переходов состоят из 0 и 1, т.е. в основном это двусторонний обратимый конечный автомат (2RFA). Таким образом, 2QFA может быть разработан для всех языков, поддерживаемых 2RFA. В матрице перехода каждый столбец и строка имеют только одну запись 1. Следовательно, скалярное произведение любых двух строк равно нулю. Известно, что способность распознавания языков 2RFA эквивалентна 2DFA.

    4.2 Химическая реакция-2, состоящая из контекстно-свободного языка

    Далее мы рассмотрели контекстно-свободный язык из иерархии Хомского, удовлетворяющий сбалансированной химической реакции между NaOH и малоновой кислотой следующим образом:

    h3C3h3O4 + 2NaOH → Na2C3h3O4 + 2h3O [7 ]

    Языком, порожденным вышеупомянутой химической реакцией, является язык L2, состоящий из всех слов Дайка со сбалансированными скобками. На рис. 5 показана кислотно-основная реакция L2. 2QFA разработан для L2 следующим образом:

    Теорема 3.Язык L2, состоящий из языка Дейка, состоящего из всех слов со сбалансированными круглыми скобками, может быть распознан 2QFA с вероятностью 1, в противном случае отвергнут с вероятностью не менее 1−1N, где N - любое положительное число.

    Доказательство. Идея этого доказательства заключается в следующем. Он состоит из трех этапов. Сначала в начальном состоянии q0 считывается первый символ, и обе головки начинают движение к правому маркеру $. Если входная строка начинается с закрытых круглых скобок, то говорят, что она отклонена. При чтении левого маркера № вычисление разбивается на N путей, обозначенных q1,0, q2,0,…, qN, 0.Каждый путь имеет одинаковую амплитуду 1N. Вдоль различных путей N каждый путь детерминированно перемещается к маркеру правого конца $. Каждый расчетный путь отслеживает открытые круглые скобки по отношению к закрытым круглым скобкам. Если в конце расчета наблюдается избыток открытых скобок, то говорят, что он отклонен. Это означает, что значение pH выше среднего значения pH, и наблюдается промежуточный серый оттенок. Во-вторых, при избытке закрытых скобок наблюдается самый темный серый тон, то есть значение pH меньше среднего значения pH.Считается, что он отклоняется 2QFA с вероятностью 1−1N. Если открытые и закрытые круглые скобки встречаются сбалансированно, входная строка считается принятой с вероятностью 1. Следовательно, значение pH равно среднему значению pH, и в конце вычисления наблюдается самый светлый серый тон. 2QFA для L2 определяется следующим образом: M2QFA = (Q, Σ, q0, Qacc, Qrej, δ), где Q = {q0, q1, q2, q3} ∪ {qi, j | 1≤i≤N, 0≤j≤max (i, N − i + 1)} ∪ {pk | 1≤k≤N} ∪ {si, 0, wi, 0, ri, 0 | 1≤i≤N} ∪ { qacc, qrej}, где q1 используется для проверки того, является ли первый символ открытыми скобками или нет, а q2 и q3 используются для обхода входной строки.На рисунке 6 показана диаграмма перехода состояний для L2.

    Σ = {(,)}, q0 - начальное состояние, Qacc = {pN} и Qrej = {qr} ∪ {pk | 1≤k

    Спецификация переходных функций приведена в Таблице 2.

    ТАБЛИЦА 2 . Подробная информация о функциях перехода и головной функции для L2.

    4.3 Химическая реакция-3, состоящая из контекстно-зависимого языка

    Чтобы реализовать химический 2QFA для контекстно-зависимого языка, мы использовали сеть реакций Белоусова-Жаботинского (BZ) для нелинейной колебательной химии [38], которая состоит из временных колебаний в системе бромата натрия и малоновой кислоты [60], как показано на рисунке 7, кислотно-основная реакция L3.На рисунке 8 показана диаграмма перехода между состояниями для L3.

    3BrO3− + 5Ch3 (COOH) 2 + 3H + → 3BrCH (COOH) 2 + 4CO2 + 2HCOOH + 5h3O [8]

    В 2019 году Дуэнас-Диз и Перес-Меркадер [38] разработали химическую машину Тьюринга для реакционной сети BZ. Химическая реакция поступает в реактор последовательно как {(BrO3-) n (MA) n (NaOH) n}, где n > 0. На формальном языке это записывается как L3 = {anbncn | n> 0}. Символ a интерпретируется как фракция бромата натрия, b используется для малоновой кислоты и символ, c транскрибируется как количество NaOH.Известно, что L3 является контекстно-зависимым языком и не может быть распознан конечными автоматами или автоматами со стеком. Хотя он может быть распознан КПК с двумя стеками, мы показали, что L3 может быть распознан 2QFA без использования какой-либо внешней помощи.

    Теорема 4. Язык L3 = {anbncn | n> 0} может быть распознан 2QFA за линейное время. Для языка L3 = {anbncn | n> 0} и для произвольных N-вычислительных путей существует 2QFA такое, что для w∈L3; он принимает w с ограниченной ошибкой ϵ и отклоняет w∉L3 с вероятностью не менее 1−1N.

    Доказательство. Схема доказательства для реакционной сети БЖ выглядит следующим образом. Он состоит из двух этапов. Сначала 2QFA просматривают вход, чтобы проверить форму a + b + c +. При чтении правого маркера $ вычисление разбивается на N путей, так что w1,0, w2,0,…, wN, 0. Во-вторых, первый путь используется для проверки, равны ли числа b s и c s. Второй путь используется для проверки начальной части входной строки, чтобы определить, находится ли она в {anbn | n> 0}.При считывании маркера правого конца $ оба пути разделяются на N разных путей с одинаковой амплитудой 1N. Наконец, после считывания маркера правого конца #, если количество a s и b s и количество b s и c s равны в соответствующих вычислительных путях, то все пути попадают в Наблюдаются N -пути квантового преобразования Фурье (QFT) и либо одно состояние принятия, либо состояния отклонения. Предположим, что если входная строка не в исправленном виде, то все пути вычисления читают # в разное время.Таким образом, их амплитуды не компенсируют друг друга, и входная строка считается отклоненной с вероятностью 1−1N. В противном случае считается, что входная строка распознается 2QFA с вероятностью 1.

    5 Резюме

    Таким образом, модель 2QFA может быть эффективно разработана для сбалансированной химической реакции и реакционной сети BZ с односторонней границей ошибки, которые останавливаются в линейное время. В таблице 3 показаны возможности распознавания языка различными вычислительными моделями. Известно, что классические 2DFA и 2PFA по вычислительной мощности равны односторонним детерминированным конечным автоматам (1DFA) [24, 61].Было доказано, что 2PFA могут быть разработаны для нерегулярных языков за ожидаемое полиномиальное время. Кроме того, было продемонстрировано, что химический КПК может быть разработан для вышеупомянутых химических реакций с несколькими стопками. Распознавание языков родными химическими автоматами можно найти в работах. 39–41. Но мы показали, что 2QFA может распознавать такие химические реакции без какой-либо внешней помощи. Было доказано, что 2QFA более мощный, чем классические варианты, потому что он следует принципу квантовой суперпозиции, чтобы быть в более чем одном состоянии одновременно на входной ленте.Для выполнения требуется как минимум O (log n) квантовых состояний для хранения положения головки ленты, где n обозначает длину входной строки.

    ТАБЛИЦА 3 . Сравнение вычислительной мощности моделей.

    6 Заключение

    Улучшение многих существующих вычислительных подходов придает импульс молекулярному и квантовому моделированию на электронном уровне. Это помогает проверить новые абстрактные подходы к рассмотрению молекул и материи. Предыдущие попытки смоделировать вышеупомянутые химические реакции использовали конечные автоматы и выталкивающие автоматы с несколькими стопками.В этом исследовании мы сосредоточились на хорошо известных языках иерархии Хомского и смоделировали те, которые используют двусторонние QFA. Решающее преимущество квантового подхода состоит в том, что эти химические реакции, записанные на формальных языках, могут быть проанализированы за линейное время без использования какой-либо внешней помощи. Мы показали, что двусторонние квантовые автоматы лучше своих классических вариантов за счет использования квантовых переходов. Насколько нам известно, такое моделирование химических реакций с помощью теории квантовых автоматов пока не проводится.В будущем мы попытаемся представить сложные химические реакции на формальных языках и смоделировать их с помощью других квантовых вычислительных моделей.

    Заявление о доступности данных

    Оригинальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью; дальнейшие запросы можно направлять соответствующим авторам.

    Вклад авторов

    AB и SZ смоделировали химические реакции. А.Б. написал рукопись под руководством С.З.

    Конфликт интересов

    Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть построены как потенциальный конфликт интересов.

    Благодарности

    SZ выражает признательность за частичную поддержку со стороны Национального фонда естественных наук Китая (№ 61602532), Фонда естественных наук провинции Гуандун в Китае (№ 2017A030313378) и Программы науки и технологий города Гуанчжоу, Китай. (№ 201707010194). Эта работа также была частично поддержана NSF-China (61772570), программой Pearl River S&T Nova в Гуанчжоу (201806010056) и Гуандунским фондом естественных наук для выдающихся молодых ученых (2018B030306025).

    Ссылки

    3. Прохаска С.Дж., Штадлер П.Ф., Кракауэр округ Колумбия. Инновация в регуляции генов: случай вычисления хроматина. J Theor Biol. (2010). 265 : 27–44. doi: 10.1016 / j.jtbi.2010.03.011

    Pubmed | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    5. Нильсен М.А., Чуанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. Нью-Йорк: AAPT (2002).

    Google Scholar

    6. Хопкрофт Дж. Э., Мотвани Р., Ульман Дж. Д.. Теория автоматов, языки и вычисления . Т. 24 . Нью-Йорк: Пирсон Эддисон Уэсли (2006). 19 п.

    Google Scholar

    7. Shor PW. Полиномиальные алгоритмы факторизации простых чисел и дискретных логарифмов на квантовом компьютере. SIAM Ред. (1999). 41 : 303–332. doi: 10.1137 / s0036144598347011

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    8. Кондач А., Уотрус Дж. О мощности квантовых конечных автоматов. В кн .: Материалы 38-го ежегодного симпозиума по основам информатики; 1997 20–22 октября; Майами-Бич, Флорида.IEEE (1997). п. 66–75.

    Google Scholar

    9. Мур К., Кратчфилд, JP. Квантовые автоматы и квантовые грамматики. Theor Comput Sci. (2000). 237 : 275–306. doi: 10.1016 / s0304-3975 (98) 00191-1

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    10. Бхатия А.С., Кумар А. О мощности квантовых автоматов с очередями в реальном времени. Препринт arXiv arXiv: 1810.12095 (2018).

    Google Scholar

    11. Амбайнис А., Уотрус Дж. Двусторонние конечные автоматы с квантовыми и классическими состояниями. Theor Comput Sci. (2002). 287 : 299–311. doi: 10.1016 / s0304-3975 (02) 00138-x

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    12. Чжэн С., Цю Д., Ли Л., Груска Дж. Односторонние конечные автоматы с квантовыми и классическими состояниями. Языки живые 90 178. Берлин, Гейдельберг: Springer (2012). 273–290 с.

    Google Scholar

    13. Мередетти К., Палано Б., Пигиццини Г. Замечание о лаконичности детерминированных, недетерминированных, вероятностных и квантовых конечных автоматов. RAIRO Theor Inf Appl. (2001). 35 : 477–490. doi: 10.1051 / ita: 2001106

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    14. Чжэн С., Цю Д., Груска Дж., Ли Л., Матеус П. Краткость состояний двусторонних конечных автоматов с квантовыми и классическими состояниями. Theor Comput Sci. (2013). 499 : 98–112. doi: 10.1016 / j.tcs.2013.06.005

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    15. Якарылмаз А., Сэй А. Краткость двусторонних вероятностных и квантовых конечных автоматов .Препринт arXiv arXiv: 0903.0050 (2009).

    Google Scholar

    16. Нисимура Х., Ямаками Т. Применение квантовых конечных автоматов в интерактивных системах доказательства. J. Comput Syst Sci. (2009). 75 : 255–269. doi: 10.1016 / j.jcss.2008.12.001

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    17. Нисимура Х., Ямаками Т. Интерактивные доказательства с помощью квантовых конечных автоматов. Theor Comput Sci. (2015). 568 : 1–18. DOI: 10.1016 / j.tcs.2014.11.030

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    19. Чжэн С., Ли Л., Цю Д., Груска Дж. Задачи обещаний, решаемые квантовыми и классическими конечными автоматами. Theor Comput Sci. (2017). 666 : 48–64. doi: 10.1016 / j.tcs.2016.12.025

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    20. Груска Дж., Цю Д., Чжэн С. Обобщения распределенной проблемы обещаний deutsch – jozsa. Math Struct Comput Sci. (2017). 27 : 311–331. DOI: 10.1017 / s0960129515000158

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    21. Груска Дж., Цю Д., Чжэн С. Потенциал квантовых конечных автоматов с точным допуском. Int J Found Comput Sci. (2015). 26 : 381–398. doi: 10.1142 / s012

    15500215

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    22. Гайнутдинова А., Якарылмаз А. Унарные вероятностные и квантовые автоматы в задачах обещания. Quant Inf Process. (2018). 17 : 28. DOI: 10.1007 / s11128-017-1799-0

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    23. Бхатия А.С., Кумар А. Квантовые ω-автоматы над бесконечными словами и их отношения. Int J Theor Phys. (2019). 58 : 878–889. doi: 10.1007 / s10773-018-3983-0

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    24. Shepherdson JC. Сведение двусторонних автоматов к односторонним. IBM J Res Dev. (1959). 3 : 198–200. doi: rd.32.0198 / rd.32.0198

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    25.Чжэн С., Груска Дж., Цю Д. О сложности состояний полуквантовых конечных автоматов. RAIRO Theor Inf Appl. (2014). 48 : 187–207. doi: 10.1051 / ita / 2014003

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    26. Ли Л., Цю Д. Нижние оценки размера полуквантовых конечных автоматов. Theor Comput Sci. (2016). 623 : 75–82. doi: 10.1016 / j.tcs.2015.09.031

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    27. Чжэн С., Цю Д., Груска Дж.Преимущества пространственно-временной сложности для квантовых вычислений. В кн .: Международная конференция по теории и практике естественных вычислений; 2017 18-20 декабря 2017; Прага, Чешская Республика Springer (2017). п. 305–317. doi: 10.1007 / 978-3-319-71069-3_24

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    28. Ямаками Т. Релятивизации неоднородных семейств квантовых конечных автоматов. В: Международная конференция по нетрадиционным вычислениям и естественным вычислениям; Спрингер (2019). п. 257–271. doi: 10.1007 / 978-3-030-19311-9_20

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    29.Ямаками Т. Неоднородные семейства квантовых конечных автоматов полиномиального размера и квантовые вычисления в логарифмическом пространстве с советами полиномиального размера. В кн .: Международная конференция по теории и приложениям языков и автоматов; 2019 3-7 июня; Tokyo Springer (2019). п. 134–145. doi: 10.1007 / 978-3-030-13435-8_10

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    30. Бхатия А.С., Кумар А. О связи между линейной временной логикой и квантовыми конечными автоматами. J Logic Lang Inf. (2019). 29 : 109–120. doi: 10.1007 / s10849-019-09302-6

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    31. Бертони А., Мерегетти С., Палано Б. Квантовые вычисления: односторонние квантовые автоматы. В кн .: Международная конференция по развитию теории языка; Спрингер (2003). п. 1–20. doi: 10.1007 / 3-540-45007-6_1

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    32. Цю Д., Ли Л. Обзор моделей квантовых вычислений: квантовые автоматы. Front Comput Sci China. (2008). 2 : 193–207. doi: 10.1007 / s11704-008-0022-y

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    33. Амбайнис А., Якарылмаз А. Автоматы и квантовые вычисления. Препринт arXiv: 1507.01988 (2015).

    Google Scholar

    34. Бхатиа А.С., Кумар А. Квантовые конечные автоматы: обзор, состояние и направления исследований . Препринт arXiv arXiv: 1901.07992 (2019).

    Google Scholar

    35. Qiu D, Li L, Mateus P, Sernadas A. Экспоненциально более краткое квантовое распознавание обычных языков, отличных от rmm. J. Comput Syst Sci. (2015). 81 : 359–375. doi: 10.1016 / j.jcss.2014.06.008

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    36. Сингх Бхатия А. О некоторых аспектах квантовых вычислительных моделей . [Кандидатская диссертация]. Патиала (Индия): Институт инженерии и технологий Thapar (2020).

    Google Scholar

    37. Say AC, Якарылмаз А. Квантовые конечные автоматы: современное введение. Вычисления с новыми ресурсами . Нью-Йорк: Спрингер (2014).п. 208–222.

    Google Scholar

    38. Duenas-Diez M, Perez-Mercader J. Природные химические автоматы и термодинамическая интерпретация их экспериментальных реакций принятия / отклонения. Препринт arXiv: 1903.03827 (2019).

    Google Scholar

    39. Окубо Ф., Йокомори Т. Вычислительная мощность детерминизма и обратимости в автоматах химических реакций. Обратимость и универсальность . Спрингер (2018). п. 279–298.

    Google Scholar

    40.Дуэньяс-Диес М., Перес-Меркадер Дж. Как химия вычисляет: распознавание языка небиохимическими химическими автоматами. от конечных автоматов до машин Тьюринга. iScience (2019). 19 : 514–526. doi: 10.1016 / j.isci.2019.08.007

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    41. Фрейвальдс Р. Вероятностные двусторонние машины. В кн .: Международный симпозиум по математическим основам информатики; 1981 31 августа - 4 сентября; Штрбске Плесо, Чехословакия Шпрингер (1981).п. 33–45. doi: 10.1007 / 3-540-10856-4_72

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    42. Дворк К., Стокмейер Л. Пробел во временной сложности для двусторонних вероятностных конечных автоматов. SIAM J Comput. (1990). 19 : 1011–1023. doi: 10.1137 / 0219069

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    43. Окамото М., Сакаи Т., Хаяси К. Механизм переключения циклической ферментной системы: роль «химического диода». Biosystems (1987). 21 : 1–11.doi: 10.1016 / 0303-2647 (87)

    -5

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    44. Hjelmfelt A, Weinberger ED, Ross J. Химическая реализация нейронных сетей и машин Тьюринга. Proc Natl Acad Sci USA. (1991). 88 : 10983–10987. doi: 10.1073 / pnas.88.24.10983

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    47. Adamatzky A, Costello BDL. Экспериментальные логические ворота в реакционно-диффузионной среде: ворота xor и за их пределами. Phys Rev. (2002). 66 : 046112. doi: 10.1103 / Physreve.66.046112

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    48. Горецки Дж., Йошикава К., Игараси Ю. О химических реакторах, которые могут рассчитывать. J. Phys Chem. (2003). 107 : 1664–1669. doi: 10.1021 / jp021041f

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    49. Адлеман Л.М. Молекулярное вычисление решений комбинаторных задач. Наука (1994). 266 : 1021–1024. DOI: 10.1126 / наука.7973651

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    50. Куппусами Л., Махендран А. Моделирование вторичных структур ДНК и РНК с использованием систем вставки-удаления матрикса. Int J Appl Math Comput Sci. (2016). 26 : 245–258. doi: 10.1515 / amcs-2016-0017

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    51. Куппусами Л., Махендран А., Кришна С. Н.. Матричные системы вставки-делеции для биомолекулярных структур. В: Международная конференция по распределенным вычислениям и интернет-технологиям; 9-12 февраля; Бхубанешвар, Индия Спрингер (2011).п. 301–312. doi: 10.1007 / 978-3-642-19056-8_23

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    52. Красински Т., Саковски С., Поплавски Т. К автономным многостадийным биомолекулярным устройствам, построенным на ДНК. В: Шестой Всемирный конгресс по природе и биологическим вычислениям, 2014 г. (NaBIC 2014); 2014 30 июля - 01 августа; Порту, Португалия IEEE (2014 г.). п. 23–28.

    Google Scholar

    53. Хренников А., Юрова Е. Автоматная модель белка: динамика конформационных и функциональных состояний. Prog Biophys Mol Biol. (2017). 130 : 2–14. doi: 10.1016 / j.pbiomolbio.2017.02.003

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    54. Бхатиа А.С., Кумар А. Моделирование вторичных структур РНК с использованием двусторонних квантовых конечных автоматов. Chaos Solit Fractals. (2018). 116 : 332–339. doi: 10.1016 / j.chaos.2018.09.035

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    55. Бхатия А.С., Чжэн С. РНК-2QCFA: развивающиеся двусторонние квантовые конечные автоматы с классическими состояниями вторичных структур РНК.Препринт arXiv arXiv: 2007.06273 (2020).

    Google Scholar

    56. Ван Дж. Справочник по моделям и приложениям, основанным на конечном состоянии . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press (2012).

    Google Scholar

    57. Дзельме-Берзиня И. Квантовые конечные автоматы и логика . [Кандидатская диссертация]. Рига (Латвия): Латвийский университет (2010).

    Google Scholar

    58. Амано М., Ивама К. Неразрешимость на квантовых конечных автоматах. В: STOC ’99: материалы 31-го ежегодного симпозиума ACM по теории вычислений; 1-4 мая 1999 г .; Атланта, Джорджия.Грузия: ACM (1999). п. 368–375.

    Google Scholar

    59. Бхатиа А.С., Кумар А. О мощности двусторонних многоголовых квантовых конечных автоматов. RAIRO Theor Inf Appl.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *