Машина учится думать

Механическая прачка

Сто лет назад Америка и Западная Европа переживали настоящую техническую революцию в бытовой сфере. В конце XIX — начале ХХ вв. были разработаны первые образцы бытовых приборов, без которых немыслима наша сегодняшняя жизнь, — холодильник и пылесос, фен и утюг и конечно же стиральная машина. Одним изобретателям прототипом для ее создания послужила маслобойка, от которой стиральная машина унаследовала круглый резервуар в виде кадки и деревянные пестики, которые «топтали» белье (рис. 1). Другие авторы пытались механизировать ребристую стиральную доску, изогнув ее дугой и снабдив рычагом для перекатывания по слою белья (рис. 2).

Рис. 1. Ручная стиральная машина Favorite (1900 г.)

Рис. 2. Механизированная стиральная доска (1885 г.)

Год за годом совершенствовались элементы стиральной машины — деревянный бак уступил место металлическому, нагрев воды стал происходить прямо в баке, на смену ручному приводу пришел электрический, а валкам для отжима — центрифуга. Машина научилась многому — греть воду, перелопачивать белье, сливать мыльный раствор, полоскать белье и отжимать его после полоскания. Не хватало только одного — «мозга», в памяти которого хранилась бы последовательность всех этих операций, который мог бы в нужное время дать электромагнитному клапану команду открыться и впустить в бак воду, термоэлектронагревательному элементу (ТЭНу) — нагреть воду до нужной температуры, барабану машины — вращаться с нужной скоростью и т.д. И пока такого «мозга» не было, машине требовалось присутствие человека, говоря современным языком, — оператора, который вручную производил переключение с режима на режим. Получалось, что, несмотря на весь технический прогресс, женщине нужно было находиться «при машине», будь она ручная (рис. 3) или механическая.

Рис. 3. Ручная стиральная машина Renfrew (1930 г.)

Прогресс между тем на месте не стоял, и в начале 1930-х гг. машина, наконец, обрела «мозг». Им стал механический командоаппарат, или, как его часто называют, таймер. Он представлял собой набор насаженных на один вал кулачков — металлических дисков, на окружности которых были вырезаны углубления. К окружности каждого кулачка прижимались контакты различных электрических цепей — цепи питания ТЭНа, электромотора и др. «Провалившись» в углубление вращающегося кулачка, контакт размыкал либо замыкал соответствующую цепь. Тот, кто в детстве читал книжку ВладимираОдоевского «Городок в табакерке», поймет, что речь идет о механическом программном устройстве — в табакерке с его помощью воспроизводилась мелодия, а в стиральной машине — программа ее работы.

Со временем пружинный привод кулачков был заменен электрическим с помощью так называемого шагового электродвигателя, вал которого вращается не непрерывно, а как бы небольшими медленными рывками. Так на свет появился электромеханический командоаппарат (рис. 4), а вместе с ним — автоматические стиральные машины (рис. 5). Знакомство наших соотечественников с этим передовым для своего времени видом бытовой техники состоялось только в середине 1970-х гг., когда в городе Киров по лицензии итальянской фирмы Merloni Elettrodomestici был построен завод, приступивший к выпуску «Вяток» — клона машин Ariston. К этому времени американцы и европейцы давно уже пользовались подобными машинами, позволявшими выбирать любую из 12, 14 и даже 16 программ стирки.

Рис. 4. Устройство электромеханического командоаппарата: 1 — шаговый электромотор, 2 — передаточные шестерни, 3 и 4 — пакеты кулачков, 5 — скользящие контакты

Рис. 5. Стиральная машина Constructa с электромеханическим командоаппаратом (1950 г.)

От четкой логики к «размытой»

В середине 1990-х гг. автоматические стиральные машины, казалось бы, достигли пика совершенства. Ощетинившиеся частоколом контактов электромеханические таймеры (рис. 6) обеспечивали выполнение свыше двух десятков программ стирки. В сочетании с дополнительными электронными блоками (так называемые гибридные схемы) они позволяли достичь высоких результатов стирки. Но время неумолимо требовало снижения энергопотребления и расхода воды, новые ткани нуждались в особых режимах стирки. И подобно тому, как в определенный момент на смену поршневой авиации пришла реактивная, в мир бытовой техники ворвалась электроника…

Рис. 6. Электромеханический командоаппарат

Возможно, кое-кто из читателей помнит, какую сенсацию произвело появление на российском рынке во второй половине 1990-х гг. стиральной машины Ariston Dialogic. Это была одна из первых машин нового поколения — с микропроцессорным управлением рабочими операциями, с программой принятия решений, основанной на так называемой «размытой» логике (Fuzzy logic). До 1500 программ стирки! В это трудно было поверить. Еще удивительнее выглядел «мозг» этой стиральной машины — никаких кулачков и контактов, только электронные компоненты, собранные на компактной плате управления (рис. 7).

Рис. 7. Электронная плата управления стиральной машины Ariston Dialogic

Dialogic, Fuzzy Control, Prological, 6th Sense — все эти и многие другие «фирменные» обозначения электронных систем управления указывают на использование особой логики принятия решений, отличной от двоичной логики «да-нет», «ноль-единица», «включено-выключено». Что же такое «размытая» логика?

Впервые термин «размытая» или «нечеткая» логика (Fuzzy logic) был введен Лотфи Заде (Lotfi Zadeh), профессором университета Беркли, что в Калифорнии (рис. 8). Случилось это в 1965 г., и, как утверждают, толчком для создания новой теории послужил спор профессора со своим другом о том, чья жена привлекательнее. К единому мнению спорящие, естественно, так и не пришли. Но это позволило Заде сформулировать концепцию выражения нечетких понятий (типа «привлекательность», «молодость» и пр.) в числовой форме.

Рис. 8. Лотфи Заде (род. в 1921 г. в Баку), создатель «размытой» логики

Вы скажете: но ведь, например, «молодость» связана с возрастом, и, следовательно, ее можно четко отразить числами. На самом деле четкость здесь ничего хорошего не дает: если установить некий формальный возрастной интервал (скажем, от 16 до 30 лет) и оставаться в рамках классической двоичной логики, допускающей только «да» или «нет», то результат будет порой противоречить логике человеческой: если ваш возраст равен «30 лет + 1 день», то вы сразу выпадаете из категории «молодой». Обидно, да?

По теории, предложенной Лотфи Заде, в возрасте от 0 до 16 лет принадлежность человека к категории «молодой» растет постепенно. Говоря языком математики, ранг такой принадлежности растет от 0 до 1. В возрасте от 16 до 30 все ясно — ранг равен 1. А после 30 лет этот ранг также постепенно уменьшается от 1 до 0. Получилась не ступенчатая, а как бы размытая градация, которая ближе к человеческой логике, чем к машинной.

«Нечеткая» логика, построенная подобным образом, позволяет микропроцессору — электронному «мозгу» технического устройства — оперировать промежуточными понятиями: например, не просто «холодно» и «жарко», а еще и «прохладно», «тепло» и «очень тепло». Благодаря этому «мозг» может гибко реагировать на меняющиеся параметры среды и принимать решения из широкого набора вариантов, заложенных в его память.

И вот что очень важно: для систем, работающих на принципах «размытой» логики, необходим не только «мозг», но и набор «органов чувств» — датчиков, измеряющих состояние различных параметров. В стиральной машине это датчики температуры и прозрачности моющего раствора, жесткости воды, загрузки белья. По совокупности их показаний микропроцессор принимает решение о том, какой из тысяч возможных режимов стирки ему выбрать.

Например, датчик прозрачности моющего раствора сообщает, во-первых, что раствор мутный (это значит, что белье сильно загрязнено) и, во-вторых, что раствор остается мутным в течение долгого времени. А это верный признак того, что загрязнение носит жирный характер — ведь нежирные пятна смываются с ткани быстро. Значит, микропроцессор выберет оптимальный для этой ситуации вариант длительной стирки с максимально допустимой для данного типа ткани температурой.

Сила и слабость электроники

Плата управления современной стиральной машины (рис. 9) — это сложный набор сотен электронных компонентов. Главный из них — микропроцессор, в котором «прошиты» база знаний и блок решений, преобразующий нечеткие входные данные в команды. Современные машины допускают «апгрейд» программного обеспечения, загрузку более совершенных программ работы.

Рис. 9. «Мозг» современной стиральной машины (Miele)

Те возможности, которые еще несколько лет имелись только в машинах верхнего ценового диапазона, теперь вошли в «обязательную программу» большинства моделей. Это умение «раскладывать» белье в барабане при обнаружении дисбаланса загрузки, способность распознавать избыточную пену при стирке и ряд других функций.

Особенно ярко проявляются преимущества электронных систем управления в плане сервисного обслуживания. Специалист сервисного центра может подключить к машине диагностическое оборудование и тщательно протестировать ее компоненты (рис. 10). Более того, машина в состоянии провести самодиагностику своих систем и выдать на цифровом дисплее код обнаруженной неисправности. Вам остается только позвонить в сервис-центр и назвать этот код — мастер сразу установит причину сбоя в работе машины и приедет к вам с необходимыми для «лечения» запчастями.

Рис. 10. Диагностика машины с электронным управлением

Но вот о чем приходится напомнить: к сожалению, специфика отечественных электрических сетей и деликатная сущность импортной электронной техники порой приводят к ситуации, когда «лечение» невозможно. Электронные модули управления, превосходно работающие в большом городе, иногда начинают «глючить» в загородных коттеджах, где напряжение, а порой и частота тока в розетке отличаются от номинальных. Нестабильное поведение сложной бытовой техники в этих экстремальных условиях — это еще не самый худший вариант. Увы, бывают и «летальные» для электронных плат случаи пробоя и замыкания (рис. 11). Все, что можно посоветовать потенциальным владельцам «умных» бытовых электроприборов, — обеспечить им правильное питание, и тогда они будут долго и безотказно радовать вас своей работой.

Рис. 11. Электроника требует правильного питания

<