专利名称：第三代计算工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种计算工具，简称鲁特，亦称为整体方案计算工具或称为正交及均匀法工具专家。
本发明的目的是普及推广应用正交及均匀法和统计学基础，用来创建或优化科研、决策和预测等社会实践活动中的方案、计划，为现实世界中的不确定性数量关系的数字化信息提供一种切实可行的方法。
计算工具从上古时代的八卦蓍节、到宋代的算盘再到现代的计算尺、计算器，经历了无数次的演变和升级。每一次升级都提升了人们的计算能力，例如算盘的普及算法是加减乘除，开方运算就已经很难让普通人所掌握，计算尺虽然能进行对数运算，不能进行统计运算，(电子)计算器虽然能进行统计运算，不能进行整体方案(正交或均匀法方案设计)运算。本工具就是一个能让普通人都能进行正交或均匀法整体方案统计运算的计算工具。下面进一步阐述本发明的思路、背景和技术方案。
我们把现实世界中的数量关系划分为四类一、度(计)量关系反映了现实世界中的对应和投影关系，特点是静态和具有可测(度)量性和离散性，主要的运算关系有加、减、乘、除、幂、开方和对数运算，主要的计算工具有算盘、计算尺等；二、依存关系，反映的是动态的有明确数学模型现实世界，主要的运算关系有函数取值运算、微分、积分、求导数、取极限等，主要的工具有计算器(机)；三、逻辑关系，真假、是非等逻辑关系，主要运算有逻辑与、逻辑和、逻辑非以及组合运算，代表性的计算工具有带有智能判断运算程序的智能计算机和八卦盘；四、不知道具体的数学模型且由许多偶然事件组成的不确定性数量关系，主要数学运算是数理统计(排列、组合、概率及概率分布)、数据矩阵(数据场)等，主要计算工具有鲁特(正交及均匀法工具专家)。现实世界中的数量关系绝大部份都是不确定性的数量关系，其它三类是特殊的数量关系，是研究不确定性数量关系的基础，就象研究特殊三角形(直角、等腰和等边)是研究一般三角形的基础一样，而现实世界中一般三角形则是普遍现象。
五千年前我们的祖先，便用八卦来对事物进行数象理占活动。到今天，我们也不得不用数字去描述物质的形态、相对位置和(变化或运动等)属性，尤其是用计算机复述的所有物质或世界的数字化特征更为明显。声音、图象的数字化，使得100％的重现原声原形已不成问题。世界是物质的，物质是由可无限可分割的基本粒子组成的，基本粒子的波粒二象性就是数字化的源泉。基本粒子波的性质要用数字化信息准确无误的描述传递，基本粒子的形态运动轨迹也要用数字信息来准确描述。
因此，世界是以数字化为特征的物质的，也就是数字化了的世界，同理，现实世界的生存变化都是以数字化为特征的。这样，我们也不难理解我们的祖先用数字(地道的二进制数)描述世界(象)，揭示其变化规律(理)，来达到预测的目的(占)，即八卦的精髓数象理占。研究和揭示物质运动变化的规律也就是认识和把握其在一定条件下的必然时空态势。在现实生活中的一般生活现象都是不明确数量模型的数量关系。要寻找必然把握规律，就必须从不确定性数量关系的研究开始。
对于不确定性数量关系研究的准确性和效率主要取决于采样，就是怎样抽取尽量少的样本，才能最大限度的代表总体。我们知道，只有当样本数接近总体时，研究结果的误差才等于零，在大多数情况全面采样试验我们是无法做到的。一种科学的取样方法——正交法，便运用而生，对离散性总体而言，正交法取样数与全面实验数效率提高一倍，对连续总体则效率更高，这种采样方法在三维空间上达到了最优，因此，这种方法也被称为D-最优法(行列式最优法)，其相应统计模型是方差分析。对于连续性多因素总体或水平数超过10以上的总体可能采用均匀法效率更高，均匀法比正交法效率高一倍(试验或验证次数少一半)，也可以采用正交法和均匀法混合使用，或进行三次设计或最优设计。在文献上把包含有采样点(试验点)和统计模型的信息称为信息矩阵M，如果希望采样点使信息矩阵M越小越好，这就是所谓的优化。基于以上理论，均匀法则是A-最优法，即采样点在对角线方向达到最优。显然，2水平的正交法与均匀法是等价的。当然不同的伪蒙特卡罗法都有相应的统计模型，本发明的工具中将以最基本的正交法及均匀法和相应的统计模型为出发点，不断升级多种信息矩阵，以适应不同的客观存在。
本发明是通过计算机技术和面向对象的计算机技术来实现的，是计算机技术和数理统计学、运筹学、决策论、系统论以及正交或均匀法方案设计理论的有机结合。本发明给人们提供了一种全面动态的分析和解决问题的简便工具，能极大地激发个人的创新能力和科学决策能力；本工具界面清晰易懂易于普及，因此，也能提高社会整体创新能力和科学决策能力。本发明也试图通过这种工具软件来普及或形成一种社会全面动态的思维方式，以提高人们从大量偶然事件中寻找和把握必然性的能力。作为一种计算工具，其效能的大小与工具的使用者有极大的关系，反复使用本工具，将能提高和完善综合性方案。
二战之后，日本面临着恢复和发展国民经济的问题，他们把正交试验设计方法作为质量管理技术之一，从英美引进，1949年以田口玄一为首的一批研究人员在日本电讯研究所研究电话通讯的系统质量时应用此方法，获得了巨大的成功并得到迅速推广，为日本战后经济恢复起到了不可估量的作用。因此，正交试验设计法成为日本发展经济的国宝，在各工业领域广泛使用成为工程技术人员的共同语言。
我国学者自上世纪60年代未引入正交试验设计法并推广，虽然应用项目取得了显著的经济效益，但由于涉及到大量复杂的数理统计分析运算，使这一方法并没有得到有效的推广，其中由我国学者方开泰王元首创的均匀法，效率更高、计算更复杂、推广普及更难。
综上所述，只有数字化的信息，才能实现100％地复制，才能真实地反映客观存在，因此，对不确定性数量关系的数字化描述，必需借助一定的工具，鲁特则是我们在这方面的尝试，希望能起到抛砖引玉的作用。
鲁特(正交及均匀法工具专家)作为第三代计算工具有如下特点1、能全面动态地进行最基本的统计分析运算；2、能自动进行一定的步骤，随着数据库文件的增加，将能更全面地与你一起做出更合理的解决方案；3、适用范围广，几乎适应于识字和会提出问题的人，不像市面上众多的统计分析软件只适用于有统计学或专业知识的人。所以，鲁特与前两代计算工具有着本质的区别，也与其它统计学软件有着本质的区别。
我们根据正交、均匀法试验设计原理和数理统计学的有关技术以及运筹学、决策论的一些原理，结合计算机面向对象技术和有关技术开发了正交及均匀法专家(计算)工具包，也称为整体方案专家(计算)工具包。该工具包具有如下特征(1).一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征是用于不确定性数量关系计算即研究不确定性客观总体时采用了下述一种或一种以上方法抽样(研究样本的方法)正交法(方案设计)、均匀法(方案设计)、决策论法、统筹法、稳健设计(三次设计)法和可靠性设计法，自动用相应的统计学模型和运算方法进行计算并直接显示最优方案的结果。该工具方便易用，当有不明白之处，只要把鼠(光)标指向所在问题或启用帮助系统，便会弹出(或)显示注释并通过多种文档形式提供注释和实例等帮助，因素(条件或对象)、水平(位级或参数)等输入框有很多备选条目，也能手动输入。
(2).一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征是其中的正交法模块能实现如下功能自动选择正交表；自动安排观察(实验)方案；自动进行方差分析或区间(参数)估计或相关与回归等数理统计分析计算中的一种或一种以上；自动生成报告；每一步自动过程均能人工干预和调整。
(3).一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征是其中的均匀法模块能实现如下功能自动选择均匀表；自动安排观察(实验)方案；自动进行回归以及逐步回归等数理统计分析计算中的一种或一种以上；自动生成报告；每一步自动过程均能人工干预并调整。
(4).一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征是其中的其它模块均采用了智能向导技术和面向对象技术，一步步引导用户直达目的。
(5).一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征是其中的运筹学决策论模块均能实现智能化，只要把要进行的项目和要解决的问题或要实施的目的、方案以及相关参数输入本工具软件，通过本工具的运算便能产生一套完整科学的方案或工艺或结论。
(6).一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征是使用者可以完全不懂正交或均匀法、数理统计、运筹学、决策论，也可以随着本工具的使用逐步学会以上所述内容，本工具包的每一个按扭或名词在鼠(光)标停留几秒钟均会自动弹出解释框或实例，或通过帮助系统获取或达到以上目的。
(7).一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征是输入的是问题或方案以及相应的试验或验证结果，输出的是方案或优化后的方案，随着专家系统的实例增加将能进一步提高工具专家的智能化。
(8).一种第三代计算工具，简称鲁特，其外部特征具有计算机或个人电脑或掌上个人电脑的特征，唯一的不同在于本工具有特有功能键，如，用正交法采样(或设计方案)按F1或其它键，方差分析F2或其它键，用均匀法采样(或设计方案)按F3或其它键，逐步回归按F4或其它键，帮助按F9或其它键，存贮按F10或其它键等等，用户可以自定义功能键。
实施例工艺优化问题一种药物的糠衣片，在贮藏和运输过程中发生严重裂片，致使该药品百分百的退货。
题目给工程命一个题目，如×××片裂片原因及解决办法因素与水平(问题分析或着眼点)药片在环境中开裂，其环境影响因素有①温度、②湿度、③光；药片本身的因素有①素片处方，现有处方辅料中无高分了材料，通过加入高分子材料来改善片芯的弹性，降低可开裂性②包衣方式，目前的药物采用的是糠衣，可通过改用薄膜衣来提高防湿抗裂的性能。
工具包用户界面有另一窗口可参考模板或其它案例，以帮助扩大用户的思路，指标栏填上观察或考查指标本例中，七天后的裂片率，如
图1所示。
剔除非主要因素，在上述中光会使药片褪色，也可通过预试验证实，无法确定时则选择此因素。
在用户界面中，选择好因素并给每个因素确定几个变量(通称为几水平或几位级)。可以手动加入，也可以从预设值中读取，可以增加预设，如图2所示。
选择或输入以上数据后，工具包将自动生成正交表，选择“查看”按扭，将可以看到自动生成的方案(实验安排或优化工艺)。
按方案安排实验，将每组实验(或观察)结果填入后，单击“计算”按扭，将进行有关方差分析、相关与回归、逐步回归等计算并得出最优化的结果。
本例中的实验结果实验七天的裂片为(三次实验结果累加)，①，0②300％③250％，④0，⑤300％⑥0，⑦0，⑧150％。得出1.发生裂片的必然性是A1B1C1D2，即在实验拟定的条件，温度40℃，湿度100％RH，片芯处方1和包糖衣的情况下必然发生裂片。
2.包薄膜衣则是唯一的解决方案，薄膜衣能抗湿防裂。绝对控制湿度是做不到的。
例二预测决策实例抽样调查已成为政府决策、市场调查、民意测验、风险投资以及金融、经济、教育、心理、人文科学研究的重要工具。
众所周知，在抽样调查中的纯随机抽样是效率不高的方法，而用正交或均匀法抽样可提高效率和结论的可靠性，即用正交或均匀法可保证样本能代表总体。
例如，在XX市一个超市的投资前要做一个市场调查，下列因素需要考虑V2.0版本暂不支持这个方案，如有需要可升级到3.0。
题目本例中，可XXX超市的可行性研究因素与水平A、性别男，女；B、教育程度11(小学)，12(中学)，13(大学)；C、采购时间周日白天，周日晚上，周未，节假日；D、地区XX市可分为12个地区；E、年龄将消费对象分成4个年龄段，x1，x2，x3，x4。
欲使抽样结论可靠，使以上因素在抽样调查中的比例与实际相适应，比如，xx市的消费对象四个年龄段比例为(4∶3∶3∶2)，在调查对象中也要符合这个比例，我们用拟水平法，将因素E视为12个水平(x1，x1，x1，x1，x2，x2，x2，x3，x3，x3，x4，x4)，类似地将其它因素的水平值和水平数做相应地调整，对男女比例80∶20一项，可采用剔除这一因素，而在取样有意按8∶2或纯女性进行；然后根据调整后的水平数Q1，Q2，……Q5找一个合适的均匀表Un(q1×q2×q3×q4×q5)来安排调查对象。这样的抽样调查结论的可靠性可大大提高。
输入以上要素后，本工具会自动生成抽样调查方案(可人为调整)，将抽样调查的结果输入后，系统会自动进行回归计算并生成回归方程，在临界F栏试着输入不同值，进行逐步回归计算。通过回归方程可以清楚地知道哪个为主要因素，将为是否投资建超市的决策提供依据。
例三在科研探索中的实例问题有一多种(八、九种)有机和无机盐的混合物溶液，组份不明，欲知其沸点？题目在题目栏输入工程命题，如不明物混合物沸点。
因素与水平影响沸点的主要因素有三个，1、压力，2、组份，3、温度。将压力、组成和温度以及选定的水平值，按指定位置输入后，系统会自动安排试验方案，将测定值。将会找到一个不同压力下同组份的沸点。
例四，质量管理实例问题某国营厂生产一种检查癌细胞的碘化钠晶体φ40，应力越小越好，应力不超过2。该厂生产了30多批，应力最低降到7度，无望达到2以下的质量指标。
题目碘化钠φ40生产质量管理因素与水平用正交法安排生产小试，首先选因素生产中控制的因素有升温速度、恒温温度、恒温时间、降温速度。有生产经验的工程技术人员都认为降温速度不重，可以剔除，经过充分讨论后决定再试一次。在降温速度的水平安排上，生产中采用了1.5A和1.7A电流两个水平，建议增加一个等速降温(15℃/H)水平，生产人员一致反对，因为以前试验过等速降温，应力很高且生产中控制起来很麻烦。
通过改进后的正交表安排如下试验及结果1，A1B1C3D2，62，A2B1C1D1，73，A3B1C2D3，154，A1B2C2D1，85，A2B2C3D3，0.56，A3B2C1D2，77，A1B3C1D3，1
8，A2B3C2D2，69，A3B3C3D1，13通过本次实验找到了最好的应力值0.5(5号试验)和1(7号试验)。
事后工厂总结有两大突破，第一打破了国外资料中恒温600℃的框框，降低了恒温温度，第二，恰巧都是降温速度项中的等速降温是质量控制中的主要因素。
本工具中备有300例正交及均匀法应用实例题录，提供了原始参考文献来源。
权利要求
1.一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征是用于不确定性数量关系的计算，即研究不确定性客观总体时采用了下述一种或一种以上方法抽样(研究样本的方法)正交法(方案设计)、均匀法(方案设计)、决策论法、统筹法、稳健设计(三次设计)法和可靠性设计法，本工具自动用相应的统计学模型运算并能直接显示最优化方案的结果。使用本工具非常方便，当有不明白之处，只要把鼠(光)标指向疑难点或启用帮助系统，便会弹出(或)显示注释并通过多种文档形式提供注释实例等帮助，因素(条件或对象)、水平(位级或参数)等输入框有很多备选条目，也能手动输入。
2.一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征是其中的正交法模块能实现如下功能自动选择正交表；自动安排观察(实验)方案；自动进行方差分析或区间(参数)估计或相关与回归等数理统计分析计算中的一种或一种以上；自动生成报告；每一步自动过程均能人工干预并调整。
3.一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征是其中的均匀法模块能实现如下功能自动选择均匀表；自动安排观察(实验)方案；自动进行方差分析、相关与回归以及逐步回归等数理统计分析计算中的一种或一种以上；自动生成报告；每一步自动过程均能人工干预并调整。
4.一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征是其中的其它模块均采用了智能向导技术和面向对象技术，一步步引导用户直达目的。
5.一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征是其中的运筹学决策论模块均能实现智能化，只要把要进行的项目和要解决的问题或要实施的目的、方案以及相关参数输入本工具，通过本工具的运算便能产生一套完整科学的方案或工艺或结论。
6.一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征是使用者可以完全不懂正交或均匀法、数理统计、运筹学、决策论，也可以随着本工具的使用逐步学会以上所述内容，本工具包的每一个按扭或名词在鼠(光)标停留几秒钟均会自动弹出解释框或实例，或通过帮助系统获取或达到以上目的。
7.一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征是输入的是问题或方案以及相应的试验或验证结果，输出的是方案或优化后的方案，随着专家系统的实例增加将能进一步提高工具专家的智能化。
8.一种第三代计算工具，简称鲁特，其外部特征具有计算机或个人电脑或掌上个人电脑或叫个人数字终端的一般特征，其不同点是本工具有特殊的功能键，如，用正交法采样(或设计方案)按F1或其它键，方差分析F2或其它标注键，用均匀法采样(或设计方案)按F3或其它标注键，逐步回归按F4或其它标注键，帮助按F9或其它标注键，存贮按F10或其它标注键等等，用户可以自定义功能键。
9.一种第三代计算工具，简称鲁特，其特征还在于本工具的网络特性，可使用在线的网络数据源或能通过网络下载最新数据源。本工具的性能特征是具有客户服务器结构或客户、中间件服务器结构网络系统；或是桌面应用系统的PDA(个人数据终端)或PC(个人微型计算机)或计算机。
全文摘要
本发明涉及一种计算工具。它就像算盘、计算器等计算工具一样，主要用于不确定性数量关系中的最基本的统计运算，不懂统计学的人使用本工具，可以进行基本的统计运算。在操作界面只输入问题，由计算机自动采用正交法或均匀法或其它伪蒙特卡罗法，进行“抽样”，安排人们进行试验或验证并用相应的统计方法进行优化计算，然后直观地显示结果。本工具广泛用于科研、优化、决策和咨询等活动，常使用本工具能养成全面动态的思维方式，可以提高人们从大量偶然事件中寻找和把握必然性的能力。尤其适合于制造业的质量管理工程或与不确定因素相关的制造业信息化等，为增加企业竞争力有立竿见影之效。
文档编号G06F9/44GK1424651SQ02149189
公开日2003年6月18日 申请日期2002年11月28日 优先权日2002年4月19日
发明者刘振民 申请人:刘振民