專利名稱：第三代計算工具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種計算工具，簡稱魯特，亦稱為整體方案計算工具或稱為正交及均勻法工具專家。
本發(fā)明的目的是普及推廣應用正交及均勻法和統(tǒng)計學基礎，用來創(chuàng)建或優(yōu)化科研、決策和預測等社會實踐活動中的方案、計劃，為現(xiàn)實世界中的不確定性數量關系的數字化信息提供一種切實可行的方法。
計算工具從上古時代的八卦蓍節(jié)、到宋代的算盤再到現(xiàn)代的計算尺、計算器，經歷了無數次的演變和升級。每一次升級都提升了人們的計算能力，例如算盤的普及算法是加減乘除，開方運算就已經很難讓普通人所掌握，計算尺雖然能進行對數運算，不能進行統(tǒng)計運算，(電子)計算器雖然能進行統(tǒng)計運算，不能進行整體方案(正交或均勻法方案設計)運算。本工具就是一個能讓普通人都能進行正交或均勻法整體方案統(tǒng)計運算的計算工具。下面進一步闡述本發(fā)明的思路、背景和技術方案。
我們把現(xiàn)實世界中的數量關系劃分為四類一、度(計)量關系反映了現(xiàn)實世界中的對應和投影關系，特點是靜態(tài)和具有可測(度)量性和離散性，主要的運算關系有加、減、乘、除、冪、開方和對數運算，主要的計算工具有算盤、計算尺等；二、依存關系，反映的是動態(tài)的有明確數學模型現(xiàn)實世界，主要的運算關系有函數取值運算、微分、積分、求導數、取極限等，主要的工具有計算器(機)；三、邏輯關系，真假、是非等邏輯關系，主要運算有邏輯與、邏輯和、邏輯非以及組合運算，代表性的計算工具有帶有智能判斷運算程序的智能計算機和八卦盤；四、不知道具體的數學模型且由許多偶然事件組成的不確定性數量關系，主要數學運算是數理統(tǒng)計(排列、組合、概率及概率分布)、數據矩陣(數據場)等，主要計算工具有魯特(正交及均勻法工具專家)。現(xiàn)實世界中的數量關系絕大部份都是不確定性的數量關系，其它三類是特殊的數量關系，是研究不確定性數量關系的基礎，就象研究特殊三角形(直角、等腰和等邊)是研究一般三角形的基礎一樣，而現(xiàn)實世界中一般三角形則是普遍現(xiàn)象。
五千年前我們的祖先，便用八卦來對事物進行數象理占活動。到今天，我們也不得不用數字去描述物質的形態(tài)、相對位置和(變化或運動等)屬性，尤其是用計算機復述的所有物質或世界的數字化特征更為明顯。聲音、圖象的數字化，使得100％的重現(xiàn)原聲原形已不成問題。世界是物質的，物質是由可無限可分割的基本粒子組成的，基本粒子的波粒二象性就是數字化的源泉?；玖Ｗ硬ǖ男再|要用數字化信息準確無誤的描述傳遞，基本粒子的形態(tài)運動軌跡也要用數字信息來準確描述。
因此，世界是以數字化為特征的物質的，也就是數字化了的世界，同理，現(xiàn)實世界的生存變化都是以數字化為特征的。這樣，我們也不難理解我們的祖先用數字(地道的二進制數)描述世界(象)，揭示其變化規(guī)律(理)，來達到預測的目的(占)，即八卦的精髓數象理占。研究和揭示物質運動變化的規(guī)律也就是認識和把握其在一定條件下的必然時空態(tài)勢。在現(xiàn)實生活中的一般生活現(xiàn)象都是不明確數量模型的數量關系。要尋找必然把握規(guī)律，就必須從不確定性數量關系的研究開始。
對于不確定性數量關系研究的準確性和效率主要取決于采樣，就是怎樣抽取盡量少的樣本，才能最大限度的代表總體。我們知道，只有當樣本數接近總體時，研究結果的誤差才等于零，在大多數情況全面采樣試驗我們是無法做到的。一種科學的取樣方法——正交法，便運用而生，對離散性總體而言，正交法取樣數與全面實驗數效率提高一倍，對連續(xù)總體則效率更高，這種采樣方法在三維空間上達到了最優(yōu)，因此，這種方法也被稱為D-最優(yōu)法(行列式最優(yōu)法)，其相應統(tǒng)計模型是方差分析。對于連續(xù)性多因素總體或水平數超過10以上的總體可能采用均勻法效率更高，均勻法比正交法效率高一倍(試驗或驗證次數少一半)，也可以采用正交法和均勻法混合使用，或進行三次設計或最優(yōu)設計。在文獻上把包含有采樣點(試驗點)和統(tǒng)計模型的信息稱為信息矩陣M，如果希望采樣點使信息矩陣M越小越好，這就是所謂的優(yōu)化。基于以上理論，均勻法則是A-最優(yōu)法，即采樣點在對角線方向達到最優(yōu)。顯然，2水平的正交法與均勻法是等價的。當然不同的偽蒙特卡羅法都有相應的統(tǒng)計模型，本發(fā)明的工具中將以最基本的正交法及均勻法和相應的統(tǒng)計模型為出發(fā)點，不斷升級多種信息矩陣，以適應不同的客觀存在。
本發(fā)明是通過計算機技術和面向對象的計算機技術來實現(xiàn)的，是計算機技術和數理統(tǒng)計學、運籌學、決策論、系統(tǒng)論以及正交或均勻法方案設計理論的有機結合。本發(fā)明給人們提供了一種全面動態(tài)的分析和解決問題的簡便工具，能極大地激發(fā)個人的創(chuàng)新能力和科學決策能力；本工具界面清晰易懂易于普及，因此，也能提高社會整體創(chuàng)新能力和科學決策能力。本發(fā)明也試圖通過這種工具軟件來普及或形成一種社會全面動態(tài)的思維方式，以提高人們從大量偶然事件中尋找和把握必然性的能力。作為一種計算工具，其效能的大小與工具的使用者有極大的關系，反復使用本工具，將能提高和完善綜合性方案。
二戰(zhàn)之后，日本面臨著恢復和發(fā)展國民經濟的問題，他們把正交試驗設計方法作為質量管理技術之一，從英美引進，1949年以田口玄一為首的一批研究人員在日本電訊研究所研究電話通訊的系統(tǒng)質量時應用此方法，獲得了巨大的成功并得到迅速推廣，為日本戰(zhàn)后經濟恢復起到了不可估量的作用。因此，正交試驗設計法成為日本發(fā)展經濟的國寶，在各工業(yè)領域廣泛使用成為工程技術人員的共同語言。
我國學者自上世紀60年代未引入正交試驗設計法并推廣，雖然應用項目取得了顯著的經濟效益，但由于涉及到大量復雜的數理統(tǒng)計分析運算，使這一方法并沒有得到有效的推廣，其中由我國學者方開泰王元首創(chuàng)的均勻法，效率更高、計算更復雜、推廣普及更難。
綜上所述，只有數字化的信息，才能實現(xiàn)100％地復制，才能真實地反映客觀存在，因此，對不確定性數量關系的數字化描述，必需借助一定的工具，魯特則是我們在這方面的嘗試，希望能起到拋磚引玉的作用。
魯特(正交及均勻法工具專家)作為第三代計算工具有如下特點1、能全面動態(tài)地進行最基本的統(tǒng)計分析運算；2、能自動進行一定的步驟，隨著數據庫文件的增加，將能更全面地與你一起做出更合理的解決方案；3、適用范圍廣，幾乎適應于識字和會提出問題的人，不像市面上眾多的統(tǒng)計分析軟件只適用于有統(tǒng)計學或專業(yè)知識的人。所以，魯特與前兩代計算工具有著本質的區(qū)別，也與其它統(tǒng)計學軟件有著本質的區(qū)別。
我們根據正交、均勻法試驗設計原理和數理統(tǒng)計學的有關技術以及運籌學、決策論的一些原理，結合計算機面向對象技術和有關技術開發(fā)了正交及均勻法專家(計算)工具包，也稱為整體方案專家(計算)工具包。該工具包具有如下特征(1).一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征是用于不確定性數量關系計算即研究不確定性客觀總體時采用了下述一種或一種以上方法抽樣(研究樣本的方法)正交法(方案設計)、均勻法(方案設計)、決策論法、統(tǒng)籌法、穩(wěn)健設計(三次設計)法和可靠性設計法，自動用相應的統(tǒng)計學模型和運算方法進行計算并直接顯示最優(yōu)方案的結果。該工具方便易用，當有不明白之處，只要把鼠(光)標指向所在問題或啟用幫助系統(tǒng)，便會彈出(或)顯示注釋并通過多種文檔形式提供注釋和實例等幫助，因素(條件或對象)、水平(位級或參數)等輸入框有很多備選條目，也能手動輸入。
(2).一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征是其中的正交法模塊能實現(xiàn)如下功能自動選擇正交表；自動安排觀察(實驗)方案；自動進行方差分析或區(qū)間(參數)估計或相關與回歸等數理統(tǒng)計分析計算中的一種或一種以上；自動生成報告；每一步自動過程均能人工干預和調整。
(3).一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征是其中的均勻法模塊能實現(xiàn)如下功能自動選擇均勻表；自動安排觀察(實驗)方案；自動進行回歸以及逐步回歸等數理統(tǒng)計分析計算中的一種或一種以上；自動生成報告；每一步自動過程均能人工干預并調整。
(4).一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征是其中的其它模塊均采用了智能向導技術和面向對象技術，一步步引導用戶直達目的。
(5).一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征是其中的運籌學決策論模塊均能實現(xiàn)智能化，只要把要進行的項目和要解決的問題或要實施的目的、方案以及相關參數輸入本工具軟件，通過本工具的運算便能產生一套完整科學的方案或工藝或結論。
(6).一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征是使用者可以完全不懂正交或均勻法、數理統(tǒng)計、運籌學、決策論，也可以隨著本工具的使用逐步學會以上所述內容，本工具包的每一個按扭或名詞在鼠(光)標停留幾秒鐘均會自動彈出解釋框或實例，或通過幫助系統(tǒng)獲取或達到以上目的。
(7).一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征是輸入的是問題或方案以及相應的試驗或驗證結果，輸出的是方案或優(yōu)化后的方案，隨著專家系統(tǒng)的實例增加將能進一步提高工具專家的智能化。
(8).一種第三代計算工具，簡稱魯特，其外部特征具有計算機或個人電腦或掌上個人電腦的特征，唯一的不同在于本工具有特有功能鍵，如，用正交法采樣(或設計方案)按F1或其它鍵，方差分析F2或其它鍵，用均勻法采樣(或設計方案)按F3或其它鍵，逐步回歸按F4或其它鍵，幫助按F9或其它鍵，存貯按F10或其它鍵等等，用戶可以自定義功能鍵。
實施例工藝優(yōu)化問題一種藥物的糠衣片，在貯藏和運輸過程中發(fā)生嚴重裂片，致使該藥品百分百的退貨。
題目給工程命一個題目，如×××片裂片原因及解決辦法因素與水平(問題分析或著眼點)藥片在環(huán)境中開裂，其環(huán)境影響因素有①溫度、②濕度、③光；藥片本身的因素有①素片處方，現(xiàn)有處方輔料中無高分了材料，通過加入高分子材料來改善片芯的彈性，降低可開裂性②包衣方式，目前的藥物采用的是糠衣，可通過改用薄膜衣來提高防濕抗裂的性能。
工具包用戶界面有另一窗口可參考模板或其它案例，以幫助擴大用戶的思路，指標欄填上觀察或考查指標本例中，七天后的裂片率，如

圖1所示。
剔除非主要因素，在上述中光會使藥片褪色，也可通過預試驗證實，無法確定時則選擇此因素。
在用戶界面中，選擇好因素并給每個因素確定幾個變量(通稱為幾水平或幾位級)?？梢允謩蛹尤?，也可以從預設值中讀取，可以增加預設，如圖2所示。
選擇或輸入以上數據后，工具包將自動生成正交表，選擇“查看”按扭，將可以看到自動生成的方案(實驗安排或優(yōu)化工藝)。
按方案安排實驗，將每組實驗(或觀察)結果填入后，單擊“計算”按扭，將進行有關方差分析、相關與回歸、逐步回歸等計算并得出最優(yōu)化的結果。
本例中的實驗結果實驗七天的裂片為(三次實驗結果累加)，①，0②300％③250％，④0，⑤300％⑥0，⑦0，⑧150％。得出1.發(fā)生裂片的必然性是A1B1C1D2，即在實驗擬定的條件，溫度40℃，濕度100％RH，片芯處方1和包糖衣的情況下必然發(fā)生裂片。
2.包薄膜衣則是唯一的解決方案，薄膜衣能抗?jié)穹懒?。絕對控制濕度是做不到的。
例二預測決策實例抽樣調查已成為政府決策、市場調查、民意測驗、風險投資以及金融、經濟、教育、心理、人文科學研究的重要工具。
眾所周知，在抽樣調查中的純隨機抽樣是效率不高的方法，而用正交或均勻法抽樣可提高效率和結論的可靠性，即用正交或均勻法可保證樣本能代表總體。
例如，在XX市一個超市的投資前要做一個市場調查，下列因素需要考慮V2.0版本暫不支持這個方案，如有需要可升級到3.0。
題目本例中，可XXX超市的可行性研究因素與水平A、性別男，女；B、教育程度11(小學)，12(中學)，13(大學)；C、采購時間周日白天，周日晚上，周未，節(jié)假日；D、地區(qū)XX市可分為12個地區(qū)；E、年齡將消費對象分成4個年齡段，x1，x2，x3，x4。
欲使抽樣結論可靠，使以上因素在抽樣調查中的比例與實際相適應，比如，xx市的消費對象四個年齡段比例為(4∶3∶3∶2)，在調查對象中也要符合這個比例，我們用擬水平法，將因素E視為12個水平(x1，x1，x1，x1，x2，x2，x2，x3，x3，x3，x4，x4)，類似地將其它因素的水平值和水平數做相應地調整，對男女比例80∶20一項，可采用剔除這一因素，而在取樣有意按8∶2或純女性進行；然后根據調整后的水平數Q1，Q2，……Q5找一個合適的均勻表Un(q1×q2×q3×q4×q5)來安排調查對象。這樣的抽樣調查結論的可靠性可大大提高。
輸入以上要素后，本工具會自動生成抽樣調查方案(可人為調整)，將抽樣調查的結果輸入后，系統(tǒng)會自動進行回歸計算并生成回歸方程，在臨界F欄試著輸入不同值，進行逐步回歸計算。通過回歸方程可以清楚地知道哪個為主要因素，將為是否投資建超市的決策提供依據。
例三在科研探索中的實例問題有一多種(八、九種)有機和無機鹽的混合物溶液，組份不明，欲知其沸點？題目在題目欄輸入工程命題，如不明物混合物沸點。
因素與水平影響沸點的主要因素有三個，1、壓力，2、組份，3、溫度。將壓力、組成和溫度以及選定的水平值，按指定位置輸入后，系統(tǒng)會自動安排試驗方案，將測定值。將會找到一個不同壓力下同組份的沸點。
例四，質量管理實例問題某國營廠生產一種檢查癌細胞的碘化鈉晶體φ40，應力越小越好，應力不超過2。該廠生產了30多批，應力最低降到7度，無望達到2以下的質量指標。
題目碘化鈉φ40生產質量管理因素與水平用正交法安排生產小試，首先選因素生產中控制的因素有升溫速度、恒溫溫度、恒溫時間、降溫速度。有生產經驗的工程技術人員都認為降溫速度不重，可以剔除，經過充分討論后決定再試一次。在降溫速度的水平安排上，生產中采用了1.5A和1.7A電流兩個水平，建議增加一個等速降溫(15℃/H)水平，生產人員一致反對，因為以前試驗過等速降溫，應力很高且生產中控制起來很麻煩。
通過改進后的正交表安排如下試驗及結果1，A1B1C3D2，62，A2B1C1D1，73，A3B1C2D3，154，A1B2C2D1，85，A2B2C3D3，0.56，A3B2C1D2，77，A1B3C1D3，1
8，A2B3C2D2，69，A3B3C3D1，13通過本次實驗找到了最好的應力值0.5(5號試驗)和1(7號試驗)。
事后工廠總結有兩大突破，第一打破了國外資料中恒溫600℃的框框，降低了恒溫溫度，第二，恰巧都是降溫速度項中的等速降溫是質量控制中的主要因素。
本工具中備有300例正交及均勻法應用實例題錄，提供了原始參考文獻來源。
權利要求
1.一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征是用于不確定性數量關系的計算，即研究不確定性客觀總體時采用了下述一種或一種以上方法抽樣(研究樣本的方法)正交法(方案設計)、均勻法(方案設計)、決策論法、統(tǒng)籌法、穩(wěn)健設計(三次設計)法和可靠性設計法，本工具自動用相應的統(tǒng)計學模型運算并能直接顯示最優(yōu)化方案的結果。使用本工具非常方便，當有不明白之處，只要把鼠(光)標指向疑難點或啟用幫助系統(tǒng)，便會彈出(或)顯示注釋并通過多種文檔形式提供注釋實例等幫助，因素(條件或對象)、水平(位級或參數)等輸入框有很多備選條目，也能手動輸入。
2.一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征是其中的正交法模塊能實現(xiàn)如下功能自動選擇正交表；自動安排觀察(實驗)方案；自動進行方差分析或區(qū)間(參數)估計或相關與回歸等數理統(tǒng)計分析計算中的一種或一種以上；自動生成報告；每一步自動過程均能人工干預并調整。
3.一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征是其中的均勻法模塊能實現(xiàn)如下功能自動選擇均勻表；自動安排觀察(實驗)方案；自動進行方差分析、相關與回歸以及逐步回歸等數理統(tǒng)計分析計算中的一種或一種以上；自動生成報告；每一步自動過程均能人工干預并調整。
4.一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征是其中的其它模塊均采用了智能向導技術和面向對象技術，一步步引導用戶直達目的。
5.一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征是其中的運籌學決策論模塊均能實現(xiàn)智能化，只要把要進行的項目和要解決的問題或要實施的目的、方案以及相關參數輸入本工具，通過本工具的運算便能產生一套完整科學的方案或工藝或結論。
6.一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征是使用者可以完全不懂正交或均勻法、數理統(tǒng)計、運籌學、決策論，也可以隨著本工具的使用逐步學會以上所述內容，本工具包的每一個按扭或名詞在鼠(光)標停留幾秒鐘均會自動彈出解釋框或實例，或通過幫助系統(tǒng)獲取或達到以上目的。
7.一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征是輸入的是問題或方案以及相應的試驗或驗證結果，輸出的是方案或優(yōu)化后的方案，隨著專家系統(tǒng)的實例增加將能進一步提高工具專家的智能化。
8.一種第三代計算工具，簡稱魯特，其外部特征具有計算機或個人電腦或掌上個人電腦或叫個人數字終端的一般特征，其不同點是本工具有特殊的功能鍵，如，用正交法采樣(或設計方案)按F1或其它鍵，方差分析F2或其它標注鍵，用均勻法采樣(或設計方案)按F3或其它標注鍵，逐步回歸按F4或其它標注鍵，幫助按F9或其它標注鍵，存貯按F10或其它標注鍵等等，用戶可以自定義功能鍵。
9.一種第三代計算工具，簡稱魯特，其特征還在于本工具的網絡特性，可使用在線的網絡數據源或能通過網絡下載最新數據源。本工具的性能特征是具有客戶服務器結構或客戶、中間件服務器結構網絡系統(tǒng)；或是桌面應用系統(tǒng)的PDA(個人數據終端)或PC(個人微型計算機)或計算機。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種計算工具。它就像算盤、計算器等計算工具一樣，主要用于不確定性數量關系中的最基本的統(tǒng)計運算，不懂統(tǒng)計學的人使用本工具，可以進行基本的統(tǒng)計運算。在操作界面只輸入問題，由計算機自動采用正交法或均勻法或其它偽蒙特卡羅法，進行“抽樣”，安排人們進行試驗或驗證并用相應的統(tǒng)計方法進行優(yōu)化計算，然后直觀地顯示結果。本工具廣泛用于科研、優(yōu)化、決策和咨詢等活動，常使用本工具能養(yǎng)成全面動態(tài)的思維方式，可以提高人們從大量偶然事件中尋找和把握必然性的能力。尤其適合于制造業(yè)的質量管理工程或與不確定因素相關的制造業(yè)信息化等，為增加企業(yè)競爭力有立竿見影之效。
文檔編號G06F9/44GK1424651SQ02149189
公開日2003年6月18日 申請日期2002年11月28日 優(yōu)先權日2002年4月19日
發(fā)明者劉振民 申請人:劉振民