DE1218186B - Verfahren und Anordnung zur Verschluesselung und Speicherung von topologisch darstellbaren Strukturen, insbesondere von chemischen Strukturformeln, Schaltbildern und Schemata - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G06k
Deutsche Kl.: 42 m-14

Pai BS. flö # Z.

Nummer:

Aktenzeichen: B 55354IX c/42 m

Anmeldetag: 31. Oktober 1959

Auslegetag: 2. Juni 1966

In der Dokumentation ist es oft erwünscht, flächenhafte, topologische Schemata so zu verschlüsseln und zu speichern, daß sie auf entsprechende Anfrage hin mit maschineller Hilfe unter einer großen Anzahl ähnlicher Dokumente herausgesucht werden können. Besonders in der Chemie ist die Verschlüsselung organischer Strukturformeln noch nicht befriedigend gelöst. Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, für Dokumentationszwecke eine vollständige Darstellung der Kekuleschen Strukturformel so zu treffen, daß später nach beliebigen Ausschnitten dieser Formel gesucht werden kann.

Verfahren, die dieser Forderung nachkommen, sind zwar grundsätzlich bekannt, erfordern aber einen sehr erheblichen Arbeitsaufwand bei der Verschlüsselung. Man geht dabei bisher in folgender Weise vor:

1. Man teilt die Strukturformel in einzelne Punkte (Bausteine, z. B. Atome) auf und numeriert diese fortlaufend in beliebiger Reihenfolge, eventuell auch nach gewissen vereinbarten Regeln, mit Ordnungszahlen.

2. Für jede dieser Ordnungszahlen stellt man eine Zahlenreihe auf, die in der Programmierung für datenverarbeitende Maschinen meist als »Wort« bezeichnet wird und in der in bestimmter Reihenfolge aufgeführt sind:

Verfahren und Anordnung zur Verschlüsselung und Speicherung von topologisch darstellbaren
Strukturen, insbesondere von chemischen
Strukturformeln, Schaltbildern und Schemata

Anmelder:

Badische Anilin- & Soda-Fabrik

Aktiengesellschaft, Ludwigshafen/Rhein

Als Erfinder benannt:

Dr. Ernst Meyer,

Dipl.-Math. Klaus Wenke, Ludwigshafen/Rhein; Dipl.-Ing. Günther Lenhard, Mannheim

a) die Ordnungszahl selbst,

b) ein Symbol, das den betreffenden Baustein charakterisiert,

c) die Ordnungszahlen derjenigen benachbarten Bausteine, mit denen der zu charakterisierende Baustein unmittelbar, z. B. durch chemische Bindung, verknüpft ist,

d) eventuell weitere Angaben über jene kennzeichenbaren Stellen der Bausteine, an denen eine Verknüpfung mit benachbarten Bausteinen besteht.

Den auf solche Weise gebildeten, aus einer Vielzahl von »Worten« entstehenden Speichersatz, der für eine bestimmte chemische Verbindung als charakteristisches »Dokument« zu gelten hat, speichert man z. B. auf einem Magnetband.

Bei einer Recherche unter einer Vielzahl von »Dokumenten« geht man so vor, daß man das topologisch dargestellte Bild einer »Frage«, das dem der gesuchten Struktur entweder vollständig äquivalent sein oder auch nur Teile derselben umfassen kann, in ähnlicher Weise verschlüsselt wie das Dokument. Die Wahl der Ordnungszahlen für die darzustellende ao Frage ist dabei an sich beliebig, d. h., es braucht der Speichersatz der Frage gegenüber dem des Dokuments nur »ähnlich« bzw. »äquivalent«, hingegen nicht mit ihm »identisch« zu sein. Mit Hilfe einer elektronischen,- datenverarbeitenden Anlage kann man so die Äquivalenz feststellen und entsprechende Dokumente aussortieren.

In analoger Weise wie chemische Strukturformeln kann man auch elektrische Schaltbilder oder andere, flächenhaft topologisch darstellbare Schemata verschlüsseln.

Bei dem beschriebenen Verfahren ist es nun sehr mühsam, für jeden einzelnen Baustein seine Ordnungszahl und die Ordnungszahlen der mit ihm verbundenen Bausteine zu notieren und später auf Lochkarten zu übertragen. Außerdem hat sich gezeigt, daß dabei leicht Fehler unterlaufen können.

Es wäre zwar möglich, für die Verschlüsselung und Speicherung der Daten einer topologisch dargestellten chemischen Formel die aus der Lochkartentechnik üblichen Mittel zu verwenden. Hierbei müßte man wie in der nachfolgend beschriebenen Erfindung zunächst die Strukturformel topographisch in ein Koordinationssystem eintragen und die Zahl der möglichen Bindungsstriche, also die möglichen Kanten des Graphen, auf eine endliche Zahl begrenzen. Sodann wäre für jede tatsächlich vorhandene Bindung der zu speichernden Strukturformel das entsprechende Bit auf »1« zu setzen, z. B. die Karte zu lochen. Um hierbei die Eindeutigkeit des Vorhandenseins bestimmter, insbesondere diagonaler Bindungsstriche zu gewährleisten, müßte man entweder von der üblichen Schreibweise nach Kekule abweichen und damit

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die Lesbarkeit und/oder Vergleichbarkeit der Strukturformel selbst durch fachlich nicht geschulte Hilfskräfte weitestgehend aufgeben oder aber die Zahl der Bits wesentlich erhöhen.

Demgegenüber liegt der erfinderischen Lösung die Forderung zugrunde, die Ähnlichkeit bzw. Identität der Struktur auch auf dem Aufzeichnungsträger zu gewährleisten und mit geringem Denkaufwand eine Kontrolle zu ermöglichen. Eine weitere Forderung für die Verschlüsselung von chemischen Reaktionen verlangt die Beibehaltung gleicher Koordinaten für identische Atome in Ausgangsstoffen und Endprodukten. Diese Forderung wird durch die Verwendung transparenter Aufzeichnungsträger erfüllt, während sie mit den Mitteln der Lochkartentechnik auf vergleiehbar einfache Weise nicht gelöst werden kann.

Es wurde nun gefunden, daß man die Verschlüsselung durch folgendes Verfahren erheblich vereinfachen und beschleunigen kann, wenn man in an sich bekannter Weise die einzelnen Punkte (Bausteine) des Strukturbildes mindestens hinsichtlich ihrer Bindung an andere Punkte des gleichen Bildes sowie der Besonderheiten dieser Bindung durch kennzeichnende Daten in Speiehern festhält und dazu auf ein gerastertes Blatt als mechanisch, optisch, magnetisch und/oder elektrisch auswertbare linienhafte Markierungen überträgt, die sodann durch Relativbewegungen des soweit vorbereiteten gerasterten Blattes gegenüber Tastorganen, die den Markierungen entsprechend empfindlich sind, in vorzugsweise elektrische Impulse umgesetzt werden. — Ausgehend hiervon besteht die · Erfindung darin, daß das zu verschlüsselnde Strukturbild aus ausschließlich waagerechten, senkrechten oder diagonal durch Striche markierten Verbindungen der Rasterpunkte auf dem Blatt niedergelegt ist und durch ausgerichtet fortschreitende schwingende Relativbewegungen der Tastorgane gegenüber dem Blatt abgefragt wird.

Unter koordinatenbereichsweiser Umsetzung von Punktverbindungen in speichergerechte Impulse wird folgendes verstanden: Man synchronisiert den Durchs lauf des Blattes mit der Verteilung der an einem Abtastorgan empfangenen Impulse auf die verschiedenen Zellen eines Speicherbereichs so, daß einzelnen bzw. verschiedenen Strichverbindungen zweier Punkte auch verschiedene Speicherzellen eindeutig zugeordnet · sind.

An Hand der Abbildungen, die schematisch An~ Ordnungen zur Ausführung des Verfahrens wiedergeben, sei die Erfindung näher erläutert:

Man wählt auf einem Blatt ζ. B. ein rechtwinkliges Koordinatennetz mit der Ordinate^ bis L und der Abszisse 1 bis 7 und läßt als mögliche Verbindungslinien zwischen benachbarten Punkten (Bausteinen) der zu verschlüsselnden Struktur nur die Seiten und die Diagonalen eines Rasters zu, dessen Punkte aus den Knoten der ordinatenparallelen Geraden A, B, C... L und 1,2,3 ... 7 gebildet werden (A b b. 1). Dann überträgt man die zu verschlüsselnde Struktur punktweise in dieses Netzwerk bzw· Raster und hebt die Verbindungslinien zwischen den Punkten (Bausteinen) durch Mittel hervor, die den mechanischen, optischen, magnetischen und/oder elektrischen Tastorganen der Verschlüsselungsvorrichtung entsprechen. Es wird also z. B. auf einem vorzugsweise transparenten Blatt eine Schwärzung der Strukturlinien bei opti^ sehen Tastorganen gewählt oder es werden die Linien bei elektrischen Tastorganen leitend gemacht. Ferner sind auf geeigneten präparierten Blättern magnetisch hervorgehobene oder zum Zwecke mechanischer Abtastung reliefartig gestaltete bzw. aus dem Blattwerkstoff ausgestanzte Striche abtastbar. Die Abtastung sejbst wird wie folgt vorgenommen:

Man läßt das die Struktur und eventuell weitere Angaben enthaltende Blatt gemäß Abb. 1 parallel zur Ordinate A bis L des Rasters über einen aufgereihten Satz von Tastorganen U bis Z laufen, die mit einer elektronischen Anlage derart gekoppelt sind, daß ihre Impulse zu verschiedenen aufeinanderfolgenden Zeiten verschiedene Speicherzellen belegen.

Ein Beispiel soll diesen als Synchronisation bezeichneten Vorgang erläutern:

Das in A b b. 1 dargestellte Rasterblatt mit der eingezeichneten Struktur laufe unter dem Abtastorgan X durch. Wenn nun zeitlich mitten zwischen den Durchlaufen der Punktzeilen H und G ein Impuls ausgelöst und auf einer Speicherzelle T₁ registriert wird, so zeigt bei der späteren Datenverarbeitung die besetzte Speicherzelle T₁ eindeutig an, daß zwischen den Rasterpunkten H4 und G5 eine Verbindung besteht. Trifft beim weiteren Durchlauf des Blattes auf dem Tastorgan X ein weiterer Impuls — gleichzeitig mit dem Durchlauf der Zeile E — ein, so wird er infolge der Synchronisierung auf eine andere Speicherzelle T₂ geleitet, deren Besetzung eine Verbindung der Rasterpunkte E3 und ES eindeutig anzeigt.

Der Inhalt des Speichers wird, gegebenenfalls über einen Zwischenspeicher, z. B. ein Magnetband, in eine datenverarbeitende Anlage gegeben. Diese erstellt daraus nach an sich bekannten Methoden selbsttätig einen Speichersatz, der jenen entspricht, die nach bereits bekannten Verfahren erhalten werden.

Wählt man als Durehjaufrichtung des Blattes die Qrdinate des Rasters, so werden bei diesem Auswerteschritt Bindungsstriphe, die parallel dazu verlaufen (z. B. E3 bis G 3 in Abb, Ij, vpn den zwischen den Rasterpjmkten durchlaufenden Tastorganen U bis Z nicht erfaßt. Diesem Sachverhalt kann man auf verschiedene Weise begegnen:

1. Man läßt das Blatt ein zweites Mal in gewissem Winkel zur ersten Durchlaufrichtung unter einer Reihe von Tastorganen, z.B. Photozellen (Mbis Q in Ab b. 1) durchlaufen und registriert dabei die im ersten Durchlauf nicht erfaßten Striche in analoger Weise in besonderen Speicherzellen.

2. Man kann einen zweiten Satz von Abtastorganen α bis η so anordnen, daß er über den durchlaufenden Punktreihen des Rasters liegt. Es ist dann nur dafür zu sorgen, daß die durchlaufenden Rasterpunlcte des Blattes nicht als Striche registriert werden. Das kann z. B. durch zeitweiliges Abschalten der Tastorgane geschehen. Man kann auch — gegebenenfalls richtungsabhängig — die Tastorgane nur für Markierungen empfindlich machen, die größer als ein Rasterpunkt sind. Hierfür eignen sich insbesondere Fotozellen oder Magnetköpfe mit länglicher Aufnahmecharakteristik im Gegensatz zu punkt- bzw. kreisförmiger Aufnahmeempfindlichkeit. Schließlich kann man die Rasterpunkte so ausführen, daß sie yon den Tastorganen nicht wahrgenommen werden.

3. Man wählt bei entsprechend geänderter Zeitsteuerung die Durchlauf richtung des Blattes schräg zum Rastemetz, z. B, in RichtungR^-S

in A lib, 1, Bei schräger Laufrichtung werden alle möglichen Bindungsstriche von einem einzigen Satz von Tastorganen erfaßt,

4. Es ist ferner möglich, das Blatt nicht ausschließlich geradlinig unter einem feststehenden Satz von Äbtastorganen durchlaufen zu lassen, sondern der geradlinigen Bewegung eine vorzugsweise schwingende Bewegung zwischen den Tastorganen und dem Blatt zu überlagern. Auch auf diese Weise werden in einem einzigen Durchlauf alle Striche erfaßt.

Es ist zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung nicht unbedingt erforderlich, ein Blatt unter einer Reihe von fest angeordneten Abtastorganen ig durchlaufen zu lassen, Wesentlich ist vielmehr nur die Vorkehrung einer Relativbewegung zwischen der auf das Blatt übertragenen Struktur und einem oder mehreren Tastorganen — bei gleichzeitiger zeitlicher Steuerung der empfangenen Impulse auf verschiedene, einzelnen Koordinatenbereiche des Rasters eindeutig zugeordnete Speicherzellen,

In Abb. 2 ist die Anordnung der Punkte im Rasterfeld anders gewählt als in Abb. 1, ohne vom grundsätzlichen Erfindungsgedanken abzuweichen. Wenn dort das Abtastorgan X einen Impuls zeitlich genau zwischen den Durchläufen der Punktzeilen/ und H erhält, so geht daraus zunächst eindeutig hervor, ob ein Diagonalstrich von JA nach HS oder yon H4 nach /S vorhanden ist. Diese Schwierigkeit kann dadurch umgangen werden, daß man die Abtastorgane nicht genau über die Kreuzungspunkte der Diagonalen (d. h. über die Mittelpunkte der Rasterquadrate) führt, sondern seitlich so verschiebt, daß die von den beiden Diagonalstrichen verursachten Impulse zu verschiedenen Zeiten ausgelöst werden. Man erkennt indes sofort, daß sich nach A b b. 2 bei gleichen Rasterfeldabmessungen größere Strukturbilder als nach Abb. 1 auswerten lassen.

Eine Eigenart des hier beschriebenen Verfahrens liegt darin, daß sämtlichen Rasterpunkten des Blattes, auf dem die zu verschlüsselnde Struktur aufgezeichnet ist, Ordnungszahlen zugeordnet sein müssen, von denen für die Verschlüsselung aber nur ein Teil ausgenutzt wird. Die einzelnen Zahlen des Speichersatzes (Dokuments) sind daher im Mittel größer als bei einer Verschlüsselung »von Hand«, beanspruchen also im »Dokumentenspeicher« bei der ersten Eingabe mehr Speicherzellen. Es ist aber durch ein entsprechendes, an sich bekanntes Maschinenprogramm leicht möglich, die zunächst als besetzt anfallenden Ordnungszahlen des vorläufigen Speichersatzes in kleinere des endgültigen Speichersatzes umzuwandeln, die dann von »1« an fortlaufend numeriert sein können.

Nach dem soweit beschriebenen Verfahren wird nur die Verschlüsselung der Tatsache mechanisiert, d. h. einer im wesentlichen selbsttätig arbeitenden Anlage übertragen, daß bestimmte Bausteine eines Strukturbildes unmittelbar miteinander verbunden sind. Zur vollständigen Verschlüsselung gehören meistens aber noch Angaben, welcher Art die Bausteine selbst und die Bindungen zwischen ihnen sind. Bei einer chemischen Strukturformel zum Beispiel, deren Bausteine Einzelatome sind, muß man angeben, welche chemischen Elemente durch einzelne Rasterpunkte verkörpert werden. Im »Dokument« muß ferner die Tatsache festgehalten werden, ob zwischen bestimmten Atomen etwa Doppel- oder Dreifachbindungen bestehen. Erst dann kann der vollständige Speiehersatz von der datenverarbeitenden Anlage erstellt werden.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, der Verschlüsselungsanlage diese Angaben einzugeben. Man kann ergänzende Tatsachen z. B. über eine Tastatur oder mittels Lochkarten in eine datenyerarbeitende Anlage übertragen, von wo sie zur Erstellung des Speichersatzes abgerufen werden können. Möglich ist es aber auch, bestimmte Rasterpunkte, z. B. solche, die Kohlenstoffatome darstellen sollen, besonders dick zu markieren und durch besondere in der Auswerteeinriehtung vorgesehene Tastorgane selbsttätig registrieren zu lassen. Andere Atome dagegen, z. B. Wasserstoffatome, können unmarkiert bleiben; und wieder andere, z.B. Stickstoffatome, können ihrer Lage nach durch Lochungen oder optische, mechanische, elektrische oder magnetische Markierungen, gegebenenfalls an geeigneten Stellen außerhalb des Rasterfeldes, gekennzeichnet werden. Möglich ist es auch, ergänzende unterschiedliche Tatsachen zur Charakterisierung der Bausteine auf dem Blatt gleichzeitig auf verschiedene Weise zu markieren, z. B. die Kohlenstoffatome optisch, die Stickstoffatome magnetisch usw. Bei konsequent mit optisch wirksamen Mitteln ausgeführter Markierung kann man auch verschiedene Farben verwenden und die Abtastung mit mehreren Gruppen von Fotozellen vornehmen, die für verschiedene Farben empfindlich sind.

Die so eingegebenen Angaben über die Art der Bausteine und Besonderheiten der Bindungen werden zunächst in besonderen Speicherzellen festgehalten und dort bei der Erstellung des Speichersatzes von der datenverarbeitenden Anlage abgerufen.

Aus praktischen Gründen wird man das zu bearbeitende Rasterfeld nicht zu groß wählen. Es kann deshalb vorkommen, daß eine zu verschlüsselnde topologische Struktur auf ihm nicht vollständig Platz findet. In solchen Fällen kann man die Struktur in mehrere Teile teilen und diese auf verschiedenen Rasterblättern aufzeichnen. Wenn man die Bindungen, die dabei zerschnitten worden sind, in Form der Ordnungszahlen oder Koordinaten der zugehörigen Rasterpunkte auf den beiden Blättern, auf einem der oben angedeuteten Wege in die Rechenanlage eingibt, so ist es möglich, durch ein entsprechendes Maschinenprogramm die Einzelteile wieder zu einem geschlossenen Speichersatz zu verarbeiten, der die gleiche Form hat wie ein mit einem genügend großen Rasterfeld gewonnener Speichersatz der verschlüsselten Struktur.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verschlüsselung und Speicherung von topologisch darstellbaren Strukturen, insbesondere von chemischen Strukturformeln, Schaltbildern.und Schemata für die Dokumentation und Recherche mittels datenverarbeitender Anlagen, bei dem die einzelnen Punkte (Bausteine) des Strakturbildes mindestens hinsichtlich ihrer Bindung an andere Punkte des gleichen Bildes sowie der Besonderheiten dieser Bindung durch kennzeichnende Daten in Speichern festgehalten und dazu auf ein gerastertes Blatt als mechanisch, optisch, magnetisch und/oder elektrisch auswertbare linienhafte Markierungen über-

tragen werden, die sodann durch Relativbewegungen des soweit vorbereiteten gerasterten Blattes gegenüber Tastorganen, die den Markierungen entsprechend empfindlich sind, in vorzugsweise elektrische Impulse umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verschlüsselnde Strukturbild aus ausschließlich waagerechten, senkrechten oder diagonal durch Striche markierten Verbindungen der Rasterpunkte auf dem Blatt niedergelegt ist und durch ausgerichtet fortschreitende schwingende Relativbewegungen der Tastorgane gegenüber dem Blatt abgefragt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fortschreitend schwingende Bewegung mechanisch, optisch, magnetisch und/ oder elektrisch empfindlicher Tastorgane gegenüber dem gerasterten Blatt mit einer auf die Rasterpunkte ausgerichteten Grundlinie der Bewegung ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fortschreitend schwingende Bewegung mechanisch, optisch, magnetisch und/ oder elektrisch empfindlicher Tastorgane dem gerasterten Blatt mit einer zwischen den Rasterpunkten hindurch ausgerichteten Grundlinie der Bewegung ausgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundlinie der fortschreitend schwingenden Bewegung mechanisch, optisch, magnetisch und/oder elektrisch empfindlicher Tastorgane in schräger Richtung über das gerasterte und mit den Markierungen versehene Blatt hinweggeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eine fortschreitend schwingende Bewegung gegenüber dem gerasterten Blatt ausführenden mechanisch, optisch, magnetisch und/oder empfindlichen Tastorgane zeitweise unwirksam bzw. unempfindlich gemacht werden.

6. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung von Tastorganen mit langgestreckter Aufnahmeempfindlichkeit.

7. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung farbempfindlicher Fotozellen.

-·■' In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschrift Nr. 2 875 537;

britische Patentschrift Nr. 782 538;

»Elektronik«, 1956, Nr. 11, S. 311;

»radio mentor«, 1958, Nr. 4, S. 211;
as »Umschau«, 1959, Nr. 12, S. 356 bis 359;

. »Electronic Engineering«, Vol. 34, 1959, Nr. 371, S. 45;

»Electronik«, Bd. 7, 1958, Nr. 2, S. 48;

»Nachrichten Technische Zeitschrift (NTZ)«, 1958, Nr. 4, S. 210 bis 219.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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