Патент РФ 2027223: Устройство для моделирования адаптивных связей

и устройство для моделирования адаптивных связей

Изобретение относится к области моделирования функциональных свойств нервной системы, а именно: для построения нейронных сетей и может быть использовано в качестве элемента нейроподобных сетей для моделирования сложных биологических процессов, в частности, при изучении адаптивных процессов памяти в нейрофизиологических экспериментах.

Известен способ моделирования системы адаптивных связей, основанный на принципе персептрона, впервые описанном Розенблаттом Ф. в 1958 г. (Rosenblatt F. The рerceрtron: A рro­balistic model for information storage and organization in the brain, 1958, Р sychol. Rev., 65, 388- 408. в русском переводе: Розенблатт Ф. Принципы нейродинамики, М., "Мир", 1966), заключающийся в процессе восприятия воздействующих факторов путем фиксации связей, участвующих в восприятии. Основанием для данного способа и других подобных попыток созда­ния самоорганизующейся сети нейронов является доказательство Мак-Каллока и Питтса (McCulloch W., Рitts W., 1943, A logical calculus of the ideal imminent in nervous activity, Buli. Math. Bioрhys., 5, 145-137. Русский переводв сборнике "Автоматы" под редакцией Мак-Карти Д. и Шеннона К., ИЛ. М. 1956.), что любую вычислительную функцию можно реализовать с по­мощью должным образом организованной сети идеальных нейронов, логические свойства которых можно с достаточным основанием приписать реальному нейрону.

Однако, этот способ находит ограниченное практическое приложение, т.к. затрагивает только рецепторную часть восприятия. Известен способ программной организации адаптивных связей, принимаемый в качестве прототипа, реализованный в "экспертных системах", "интеллектуальных решателях", "базах знаний" (см., например, Амосов Н.М., Касаткин А.М., Касаткина Л.М. Моделирование разумного поведения.- Киев, Институт кибернетики АН УССР, 36с, 1974). Способ основан на сборе данных об объектной области и формализации их системным программистом с последующим вводом в "память" системы в виде базы данных посредством терминала (блока) ввода для последующего использования этой базы данных в адаптивных процессах системы.

Функционально блок-схема системы, реализующей этот способ, содержит последовательно соединенные рецепторные терминалы, базу данных с "интеллектуальным" блоком, к которой под­ключен терминал системного программиста и эффекторные терминалы. Таким образом, известные вычислительные системы реализуют систему адаптивных связей программно.

Одним из известных устройств, принимаемых в качестве прототипа, является "интеллектуальный решатель СФИНКС" (Брябрин В.М., Диалоговая информационно-ло­гическая система, Труды Межд. конф. по Искусственному интеллекту, Ленингр.- Репино, 1977), содержащий в блоке памяти, соединенном с рецепторными и эффекторными терминалами, глав­ную базу данных (ГБД) и модельную базу данных (МБД). МБД содержит "знания" системы о предметной области в виде совокупности объектов, как терминальных, так и являющихся описа­ниями объектов МБД. МБД заполняется программистом, формализующим объектные сведения, являющимся, следовательно, неотъемлемым звеном системы в процессе образования адаптивных связей.

Недостаток функционирующей таким образом системы, обусловленный ее ограниченным приложением, и определяется обязательным участием программиста- системного аналитика, осуществляющего свою деятельность при помощи терминала системного программиста, что обуслав­ливает недостаточное быстродействие для работы в реальном масштабе времени, ограниченные функциональные возможности создаваемой базы данных из-за ограничения поступающих данных об объектной области при вводе через терминал системного программиста и недостаточную достоверность образующихся адаптивных связей вследствие трудности процесса формализации знаний.

Цель изобретения- расширение функциональных возможностей и повышение достоверности моделирования адаптивных связей путем повышения достоверности образования адаптивных свя­зей, а также обеспечение самоорганнизации образования адаптивных связей.

Представленная цель достигается тем, что в способе моделирования адаптивных связей, включающем сбор данных об объектной области и создание базы данных путем ввода данных в блок памяти системы, согласно изобретению, одновременно со сбором данных производится оценка их новизны и значимости, в результате чего формируются условия для образования адаптив­ных связей, а создание базы данных производится с учетом сформированных признаков воздей­ствующей среды и признаков ответных реакций при образовании адаптивных связей.

Поставленная цель достигается также тем, что в систему для моделирования адаптивных связей, содержащую блок памяти с рецепторными и эффекторными терминалами, согласно изобретению, введено устройство активации памяти, состоящее из блока детекторов нового, первого и второго модуляторов, блока детекторов положительной значимости и блока детекторов отрицательной значимости, к которым подключены терминал рецепторов значимости, а блок памяти выполнен в виде N (N>>1) последовательно соединенных модулей памяти. При этом выходы модулей памяти и подключенный ко входам блоков детекторов положительной и отрицательной значимости выход рецепторного терминала соединены со входами детекторов нового, а входы каждого из модулей памяти соединены следующим образом: первый- с выходом первого модулятора, второй- с выходом второго модулятора, третий- с выходом детекторов нового и с первыми входами первого и второго модуляторов, четвертый- с выходом блока детекторов по­ложительной значимости и со вторым входом первого модулятора, пятый- с выходом блока детекторов отрицательной значимости и со вторым входом второго модулятора. Кроме того, мо­дули памяти, блоки детекторов нового и значимости и блоки модуляторов системы выполнены из однотипных элементов- нейристоров, состоящих из порогового усилителя, связанного входами с выходами двух синаптических коммутаторов. При этом пороговый усилитель выполнен, например, по схеме последовательно соединенных инвертирующих масштабных усилителей, имеющих суммирующие входы, а каждый из синаптических коммутаторов состоит из N (N>>1) ячеек, имеющих N сигнальных входов по числу первых входов ячеек, первый вход управдения (УПР1), объединяющий вторые входы ячеек, второй вход управления (УПР2), объединяющий третьи входы ячеек, и выход, объединяющий выходы ячеек, причем, ячейка синаптического коммутатора выполнена, например, в виде электролитического элемента, соединенного первым выводом с первым входом ячейки, вторым выводом через последовательно соединенные развязывающий резистор и первый, управляющий, ключ- со вторым и третьим входами ячейки, а через второй ключ- с выходом ячейки.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других технических решений в данной области, признаки, отличающие заявленные технические решения от прототипа, не были выявлены, что обеспечивает соответствие критерию "существенные отличия" заявленным техническим решениям.

Способ осуществляют путем организации определенного порядка фиксации связей между воспринимающими воздействие (рецепторными) и осуществляющими действие (эффекторными) элементами- в соответствии с условиями, обеспечивающими адаптацию системы. Связь должна образовываться если значимость воздействующего на систему раздражителя и его новизна не равны нулю, а эффективность этой связи должна быть пропорциональна произведению величины приведенного сигнала значимости на величину приведенного сигнала новизны. Это и есть условие самоорганизации или условие образования адаптивных связей.

Способ реализуется с использованием блока памяти, образующего связи посредством специализированных (синаптических) настраиваемых коммутаторов, являющихся (в составе порогового усилителянейристора) основными конструктивными элементами всех блоков системы.

Необходимые условия для фиксации связей обеспечивают специализированные рецепторы: детекторы нового и детекторы значимости, причем последние подразделяются на детекторы по­ложительной значимости и детекторы отрицательной значимости и изначально должны быть настроены так, что при благоприятном воздействии факторов внешней и внутренней среды выдают пропорциональный сигнал детекторы положительной значимости, а при неблагоприятном воздей­ствии появляется припорциональный выходной сигнал детекторов отрицательной значимости.

Воздействие факторов среды на детекторы нового и значимости могут привести к их акти­вации: выдачи пропорциональных сигналов. Управление фиксацией связей в модулях памяти происходит под воздействием выходных сигналов модуляторов, пропорциональных произведению уровня выходного сигнала детекторов нового и уровня выходного сигнала детекторов значимости.

Условия фиксации связей в синаптических коммутаторах модулей памяти следующие: связи образуются между возбужденными рецепторными элементами и возбужденными в данный момент эффекторными элементами там, где это схемотехнически предусмотрено ветвлением цепей си­наптических коммутаторов. Эффективность образующихся адаптивных связей (т.е. коэффициент передачи по данному входу синаптического коммутатора) пропорциональна уровню выходного сигнала соответствующего модулятора и длительности его воздействия.

Заявляемые технические решения иллюстрируются следующими графическими материалами.

На фиг1 приведена возможная блок-схема системы, осуществляющей предложенный способ моделирования адаптивных связей; на фиг2 - блок-схема синаптического коммутатора; на фиг3- возможная блок-схема ячейки синаптического коммутатора; на фиг4- возможная блок-схема порогового усилителя; на фиг5- функциональная схема блока памяти.

Устройство для моделирования адаптивных связей содержит: блок памяти 1, состоящий из N (N>>1) последовательно включенных модулей памяти 2, вход первого из которых соединен с выходом рецепторного терминала 3, а выход последнего- со входом эффекторного терминала 4. Посредством магистральной связи блок памяти 1 подключен к устройству активации памяти 5, состоящему из блока детекторов нового 6, первого 7 и второго 8 модуляторов и блока детекторов значимости, включающего блок детекторов положительной значимости 9, отмеченный значком "+" и блок отрицательной значимости 10, отмеченный значком "-". К последним названным бло­кам подключены терминалы рецепторов значимости 11.

Каждый из модулей блока памяти 1 соединен с устройством активации памяти 5 следующими связями: выходом- с одним из входов блока детекторов нового 6, первым входом- с выходом первого модулятора 7, вторым входом- с выходом второго модулятора 8, третьим вхо­дом- с выходом блока детекторов нового и с первыми входами первого 7 и второго 8 модуляторов, четвертым входом- с выходом блока детекторов отрицательной значимости 10 и со вторым входом второго модулятора 8. Выход рецепторного терминала 3 подключен также к од­ному из входов (свободному) блока детекторов нового 6 и ко входам (свободным) блоков детекторов положительной 9 и отрицательной 10 значимости.

Основной конструктивный элемент, из которого выполнены все блоки устройства- нейристор, состоящий из порогового усилителя, связанного входами с выходами двух синаптических коммутаторов, состоящих, в свою очередь, из N (N>>1) однотипных ячеек. Синаптический коммутатор 12 (фиг2) имеет N сигнальных входов по числу содержащихся в нем ячеек 13, вы­ход, объединяющий вторые входы ячеек и два входа управления: УПР1- объединяющий вторые входы ячеек и УПР2- объединяющий третьи входы ячеек.

Ячейка синаптического коммутатора 13 может быть выполнена, например, в виде электролитического элемента 14, первым выводом соединенного со входом ячейки, а вторым выво­дом- через развязывающий резистор 15 и первый, управляемый ключ 16 со входами ячейки УПР1 и УПР2 и через второй ключ- с выходом ячейки.

В качестве порогового усилителя может использоваться, например, устройство, приведенное на фиг4. Оно выполнено на базе интегральных усилителей 17 (например, КР140УД1208), включенных по схеме последовательно соединенных инвертирующих масштабных усилителей, имеет два входа: "возбуждающий" ("+"вх.) и "тормозной" ("-"вх.) с приоритетом у тормозного (вследствие конечного значения питающих напряжений). К каждому входу может быть подведено неограничесноого количество входных цепей через проводимости (например, резисторы), определяющие коэффициент передачи каждой сигнальной цепи. Конструктивно предполагается подключение к каждому из входов по одному синаптическому коммутатору, имеющему около 10000 входных электродов для адаптивного образования возбуждающих и тормозных связей. Установка связей в том или ином коммутаторе определяется наличием вышеназванных условий образования связей. Порог усилителей определяется воздействием установившихся ранее тормозных связей с уровнями сигналов, приложенных к ним.

Синаптический коммутатор может быть выполнен в виде любого устройства, реализующего описанные условия образования связей, но реально должен быть выполнен в виде элемента, функционирующего за счет свойств своей молекулярной (или другого уровня) структуры, т.к. на уровне программных средств построение схемы на 10000 входов, выполняющей условия образования связей, реально не представляется возможным. В одном из вариантов реализации, предложенном на фиг3, единичная проводимость в ячейке коммутатора образована электролитическим элементом 14, подключенным между выходом предшествующего (рецепторного) порогового усилителя и входом порогового усилителя данного коммутатора. Если ячейка уже обладает проводимостью (имеет ионные носители в канале), то связь фуннкционирует по схеме масштабного усилителя. Если в канале нет носителей, то ячейка заперта. Чтобы вызвать появление носителей в канале, необходимо провести гальванический процесс в прямом направлении. Условия для этого возникают (фиг3), когда на входе ячейки присутствует дос­таточный уровень входного сигнала, на вход управлени УПР1 поступает высокий уровень (с выхода порогового усилителя данного нейристора, возбужденного по каким-либо своим цепям), который открывает ключ 16 и присутствует сигнал УПР2 "неспецифического подкрепления" дос­таточно низкого уровня (с выхода модулятора). При этом в электролитическом элементе начинают накапливаться ионные носители, концентрация которых затем и определит проводимость ячейки коммутатора по данной цепи. Транзистор в данной схеме выполняет роль автоматического ключа, препятствующего спонтанному гальваническому процессу при отсутствии сигнала УПР2 (т.к. вход порогового усилителя всегда имеет потенциал виртуального нуля), при этом предполагается, что проводимость резистора в цепи базы транзистора сама по себе определяет пренебрежимо малый коэффициент передачи ячейки коммутатора.

Обладающий высокой чувствительностью нейристор с синаптическими коммутаторами без установившихся связей может спонтанно "возбуждаться" от наводок. Более того, для приближения протекающих процессов к реально происходящим, уровень этих наводок должен задаваться достаточным для обеспечения такого спонтанного генерирования (например, специаль­ными излучателями, расположенными вблизи модулей памяти 2, на фиг1 не показанными). Вы­ходные сигналы спонтанно генерирующего нейристора используются в качестве управляющих (УПР1) для выполнения условий образования самых первых адаптивных связей.

Блок памяти системы сообщен с объектной средой посредством рецепторного терминала 3 (специализированных датчиков) и эффекторного терминала 4 (специализированных исполнительных устройств).

В каждом из N модулей памяти 2 блока памяти 1 должно находится достаточное для вы­полнения планируемой адаптивной функции количество нейристоров, расположенных слоями. Блок детекторов нового 6 устройства активации памяти представляет собой наборы рецепторов, образующих за счет формирования адаптивных связей "маски восприятия" по механизму, опи­санному в (Соколов Е.Н. Нейронные механизмы памяти и обучения. -М., Наука, 1981). Если в последующем восприятии область установившихся связей не перекрывается "маской", то на вы­ходе детекторов нового появляется сигнал, пропорциональный новизне.

Блоки детекторов значимости 9, 10 представляют собой наборы нейристоров, которые за счет определенной организации связей обеспечивают функцию перемножения уровня сигналов детекторов значимости 9, 10 и детекторов нового 6 (в соответствии с известной функцией модулятора сигналов одной полярности).

Устройство реализует функцию образования адаптивных связей следующим образом.

Функциональное назначение блока детекторов нового 6, модуляторов 7, 8 и блоков значимости 9, 10, предопределенное спецификой связей, задается первоначально ("наследственно"), что способствует ускорению общего процесса развития основных адаптивных функций в условиях определенной объектной среды и делает более определенным планируемый результат, хотя при этом затруднит образование адаптивных связей в случае достаточно резкого изменения условий объектной среды.

В рецепторном терминале 3 и модулях памяти 2 блока памяти 1 связи изначально не уста­новлены. В соответствии с вышеприведенными условиями образования связей сначала будут образовываться связи между рецепторным терминалом 3, где произошло возбуждение рецепторов объектной средой, блоками детекторов нового 6, блоками детекторов положительной и отрицательной значимости 9, 10, а также со всеми нейристорами тех модулей памяти 2, где из-за отсутсвия связей и за счет достаточного уровня наведенных помех возникают спонтанные генерации. При этом для оптимизации адаптивных функций в блоке памяти 1 необходимо обеспечить строго поочередное образование адаптивных связей от слоя к слою (например, путем поочередного включения питания слоев памяти): сначала в процесс вовлекается рецепторный терминал 3 и 1-й модуль памяти, а также эффекторный терминал 4 и N-й модуль памяти; затем добавляется 2 модуль памяти и N-1 модуль памяти и т.д. При этом время образования связей в каждом последующем слое должно значительно превышать время образования адаптивных связей в предыдущем слое.

Связи, образующиеся в результате описанного процесса, ставят в зависимость реакцию системы (ее эффекторную реакцию) от рецепции объектной среды, а также от результатов оценки ее новизны и значимости, т.е. образующиеся связи являются адаптивными.

Предлагаемый способ и устройство для моделирования адаптивных связей исключают этап ручного сбора и ввода данных с изначальной оценкой их значимости, позволяет с большей достоверностью осуществлять моделирование функциональных свойств нервной системы в реальном масштабе времени воздействия факторов среды с самоорганизацией образования адап­тивных связей, могут найти применение в нейрофизиологических экспериментах и их планировании, для создания систем искусственного интеллекта, в устройствах обработки и распознавания образов, а также в качестве узлов вычислительных структур параллельной обработки данных или самонастраивающихся систем автоматического управления, с многокомпонентными воздействующими факторами.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ моделирования адаптивных связей, включающий сбор данных об объектной обла­сти и создание базы данных путем ввода данных в блок памяти системы, отличающейся тем, что с целью расширения функциональных возможностей моделирования и повышения достоверности образуемых адаптивных связей, одновременно со сбором данных производится оценка их новизны и значимости, в результате чего формируются условия образования адаптивных связей, а создание базы данных производится с учетом сформированных признаков ответных действий для образования адаптивных связей.

2. Устройство для моделирования адаптивных связей, содержащее блок памяти с рецепторными и эффекторными терминалами, отличающееся тем, что в него введено устройство активации памяти, состоящее из блока детекторов нового, первого и второго модуляторов, блока детекторов положительной значимости и блока детекторов отрицательной значимости, к которым подключен терминал рецепторов значимости, а блок памяти выполнен в виде N (N>>1)

последовательно соединенных модулей памяти, при этом выходы модулей памяти и подключенный ко входам блоков детекторов положительной и отрицательной значимости выход рецепторного терминала соединены со входами блока детекторов нового, а входы каждого из мо­дулей памяти соединены следующим образом: первый- с выходом первого модулятора, второй- с выходом второго модулятора, третий - с выходом блока детекторов нового и с первыми входами первого и второго модуляторов, четвертый- с выходом блока детекторов положительной значимости и со вторым входом первого модулятора, пятый- с выходом блока детекторов отрицательной значимости и со вторым входом второго модулятора.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что модули памяти, блоки детекторов нового и детекторов значимости и модуляторы выполнены из однотипных элементов- нейристоров, состоя­щих из порогового усилителя, связанного входами с выходами синаптических коммутаторов.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что пороговый усилитель выполнен, например, по схеме последовательно соединенных инвертирующих масштабных усилителей, имеющих суммирующие входы возбуждающих и тормозных сигналов.

5. Устройство, по п.3, отличающееся тем, что синаптический коммутатор состоит из N (N>>1) ячеек и имеет N сигнальных входов по числу первых входов ячеек, первый вход управления (УПР1), объединяющий вторые входы ячеек, второй вход управления (УПР2), объе­диняющий третьи входы ячеек, и выход, объединяющий выходы ячеек.

6. Устройство, по п.3, отличающееся тем, что ячейка синаптического коммутатора вы­полнена, например, в виде электролитического элемента, соединенного первым выводом с первым входом ячейки и вторым выводом через последовательно соединенный развязывающий резистор и первый, управляемый, ключ- со вторым и третьим входами ячейки, а через второй ключ- с выходом ячейки.

РЕФЕРАТ

Способ моделирования адаптивных связей и устройство для его осуществления.

Изобретение относится к области моделирования функциональных свойств нервной системы и может быть использовано в нейрофизиологических экспериментах и их планировании при изучении адаптивных процессов памяти.

Цель изобретения- расширение функциональных возможностей и повышение достоверности моделирования адаптивных связей путем повышения достоверности образования адаптивных связей, а также обеспечение самоорганизации образования адаптивных связей.

Для достижения поставленной цели в способе, включающем сбор данных об объектной области и создание базы данных путем их ввода в блок памяти системы, одновременно со сбором данных производится оценка их новизны и значимости, в результате чего формируются условия образования адаптивных связей, и создание базы данных производится с учетом сформированных признаков ответных реакций для образования адаптивных связей, а в устройство, содержащее блок памяти с рецепторными и эффекторными терминалами, введено устройство активации памя­ти, состоящее из блоков детекторов нового, детекторов значимости с терминалами рецепторов значимости и модуляторов, а блок памяти выполнен в виде N последовательно соединенных модулей памяти, причем в качестве основного конструктивного элемента названных блоков и модулей применен нейристор, состоящий из порогового усилителя и двух синаптических коммутаторов.