Пристрій для моделювання адаптивного нейрона

Корисна модель відноситься до області моделювання елементів нервової системи і може бути використана в нейрокібернетиці, в адаптивних інформаційно-керуючих системах. Відомо пристрій для моделювання адаптивного нейрона [а.с. СРСР №565306, кл. G06G7/60, 1977p.], який містить регульоване джерело енергії, вхід якого з'єднаний з виходом пристрою, а вихід - з входом функціонального перетворювача, який підключений до виходу блока просторово-часового підсумовування, канали гальмівного сигналу, канали збуджуючого сигналу, канали оптимізованого сигналу, блок управління коефіцієнтами чутливості, який відповідними входами з'єднаний з виходом блока просторово-часового підсумовування, виходом функціонального перетворювача, з входом і виходом регульованого джерела енергії, причому кожний канал оптимізованого сигналу містить блок множення, перший вхід якого з'єднаний з оптимізованим входом пристрою, другий вхід - з відповідним виходом блока управління коефіцієнтами чутливості, а вихід - з відповідним входом блока просторово-часового підсумовування, і додаткове регульоване джерело енергії, вхід якого підключений до відповідного оптимізованого входу пристрою, а вихід - до третього входу блока множення, кожний канал збуджуючого сигналу містить блок формування коефіцієнта чутливості, який підключений до відповідного виходу блока управління коефіцієнтами чутливості, додаткове регульоване джерело енергії з'єднане з відповідним збуджуючим входом пристрою, і блок множення, до входів якого відповідно підключені відповідний збуджуючий вхід пристрою, вихід додаткового регульованого джерела енергії і вихід блока формування коефіцієнта чутливості, а вихід з'єднаний з відповідним входом блока просторово-часового підсумовування, кожний канал гальмівного сигналу містить блок формування коефіцієнта чутливості, який підключений до відповідного виходу блока управління коефіцієнтами чутливості, перший додатковий функціональний перетворювач з'єднаний першим входом з відповідним гальмівним входом пристрою, другим входом з виходом пристрою, а виходом з входом другого додаткового функціонального перетворювача, додаткове регульоване джерело енергії підключене до виходу другого функціонального перетворювача, і блок множення, входи якого з'єднані з виходом блока формування коефіцієнта чутливості, виходом першого додаткового функціонального перетворювача і виходом додаткового регульованого джерела енергії відповідно, а вихід блока множення підключений до відповідного входу блока просторово-часового підсумовування. Недоліком цього пристрою є недостатній рівень паралелізму оброблення сигналів через вузькі функціональні можливості блока просторово-часового підсумовування, оскільки в ньому не передбачене порівняння результату підсумовування, наприклад, з рівнем вихідного сигналу нейрона. Найбільш близьким за технічною суттю є пристрій для моделювання адаптивного нейрона [а.с. СРСР №553635, кл. G06G7/60, 1977p.], який містить суматор, послідовно з'єднані блок просторово-часового підсумовування, перший функціональний перетворювач і блок екстремального регулювання, послідовно з'єднані регульоване джерело енергії і другий функціональний перетворювач, а також містить блок завдання діаметра соми нейрона, блок завдання діаметра аксонного горбка нейрона і послідовно з'єднані блок формування рівня дисбалансу енергії, третій функціональний перетворювач і блок обчислення різниці, який виходом з'єднаний з другим входом другого функціонального перетворювача, вихід блока завдання діаметра соми нейрона з'єднаний з другим входом блока обчислення різниці, вихід блока завдання діаметра аксонного горбка нейрона підключений через суматор до третього входу другого функціонального перетворювача, вихід блока просторово-часового підсумовування з'єднаний з четвертим входом другого функціонального перетворювача і з входом блока формування рівня дисбалансу енергії, який виходом з'єднаний з другим входом блока екстремального регулювання, вихід якого з'єднаний з п'ятим входом другого функціонального перетворювача і з другим входом суматора, вхід регульованого джерела енергії з'єднаний з виходом другого функціонального перетворювача, виходом пристрою і другим входом першого функціонального перетворювача, а вихід - з третім входом блока екстремального регулювання, вихід третього функціонального перетворювача підключений до шостого входу другого функціонального перетворювача, входи блока просторово-часового підсумовування є входами пристрою. Недоліком цього пристрою є недостатній рівень паралелізму оброблення через вузькі функціональні можливості блока просторово-часового підсумовування, оскільки для визначення сигналу, що характеризує рівень дисбалансу енергії, необхідно використання функціонального перетворювача, який реалізує функцію E(1) = F1 ( X BC - Y ), BX де E(1) -рівень дисбалансу енергії , ХBX - величина сумарної вхідної дії, Y - величина вихідного сигналу BX нейрона, яка виступає в якості одного з аргументів функції F1. Тобто залежність (ХBX-Y) формується поза блоком просторово-часового підсумовування. В основу корисної моделі поставлена задача створення пристрою для моделювання адаптивного нейрона, в якому введення нових вузлів і зв'язків дозволяє збільшити рівень паралелізму оброблення даних за рахунок розширення функціональних можливостей блока просторово-часового підсумовування в результаті одночасного порівняння накопиченої суми вхідних сигналів з величиною вихідного сигналу нейрона. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої для моделювання адаптивного нейрона, який містить суматор, послідовно з'єднані блок просторово-часового підсумовування і блок екстремального регулювання, перший функціональний перетворювач, послідовно з'єднані регульоване джерело енергії і другий функціональний перетворювач, а також блок завдання діаметра соми нейрона, блок завдання діаметра аксонного горбка нейрона, блок формування рівня дисбалансу енергії і блок обчислення різниці, який виходом з'єднаний з другим входом другого функціонального перетворювача, вихід блока завдання діаметра соми нейрона з'єднаний з другим входом блока обчислення різниці, вихід блока завдання діаметра аксонного горбка нейрона підключений через суматор до третього входу другого функціонального перетворювача, вихід блока просторово-часового підсумовування з'єднаний з четвертим входом другого функціонального перетворювача і з входом блока формування рівня дисбалансу енергії, який виходом з'єднаний з другим входом блока екстремального регулювання, вихід якого з'єднаний з п'ятим входом другого функціонального перетворювача і з другим входом суматора, вхід регульованого джерела енергії з'єднаний з виходом другого функціонального перетворювача і виходом пристрою, а вихід - з третім входом блока екстремального регулювання, входи блока просторовочасового підсумовування є входами пристрою, крім того, вихід першого функціонального перетворювача підключений до шостого входу другого функціонального перетворювача і до першого входу блока обчислення різниці, а його вхід з'єднаний з виходом блока формування рівня дисбалансу, вихід другого функціонального перетворювача з'єднаний з (n+1)-м входом блока просторово-часового підсумовування. На Фіг.1 представлена структурна схема пристрою для моделювання адаптивного нейрона; на Фіг.2 функціональна схема блока просторово-часового підсумовування; на Фіг.3 наведено приклад процесу оброблення у блоці просторово-часового підсумовування. Пристрій для моделювання адаптивного нейрона (Фіг.1) містить n входів 11,...,1n пристрою, які підключені до відповідних входів блока 2 просторово-часового підсумовування, вихід 3 якого з'єднаний з входом блока 4 екстремального регулювання, а також містить регульоване джерело 5 енергії, функціональні перетворювачі 6, 7, блок 8 формування рівня дисбалансу енергії, блок 9 обчислення різниці, блок 10 завдання діаметра соми нейрона, суматор 11, блок 12 завдання діаметра аксонного горбка нейрона. Вихід 13 пристрою з'єднаний з входом регульованого джерела 5 енергії і входом 14 блока 2 просторово-часового підсумовування, вихід 15 якого з'єднаний з входом 16 функціонального перетворювача 6 і входом блока 8 формування рівня дисбалансу енергії. Вихід блока 4 екстремального регулювання з'єднаний з входом 17 функціонального перетворювача 6 і входом 18 суматора 11, вихід регульованого джерела 5 енергії з'єднаний з входом 19 функціонального перетворювача 6 і з входом 20 блока 4 екстремального регулювання. Вихід блока 8 формування рівня дисбалансу енергії з'єднаний з входом 21 блока 4 екстремального регулювання і з входом функціонального перетворювача 7, вихід якого з'єднаний з входом 22 функціонального перетворювача 6 і входом 23 блока 9 обчислення різниці, вихід якого з'єднаний з входом 24 функціонального перетворювача 6. Вихід блока 10 завдання діаметра соми нейрона з'єднаний з входом 25 блока 9 обчислення різниці, вихід суматора з'єднаний з входом 26 функціонального перетворювача 6, а вихід блока завдання діаметра аксонного горбка нейрона з'єднаний з входом 27 суматора 11. Блок 2 просторово-часового підсумовування (Фіг.2) містить входи 11,…,1n (де n - максимальна кількість величин у групі), блоки 281,…,28n віднімання, блок 29 порівняння, блок 30 накопичення, суматор 31, блок 32 порогового оброблення, селектор 33 та елемент АБО-НІ 34. Інформаційний вихід 35 блока 29 порівняння з'єднаний з від'ємним входом блоків 281,...,28n віднімання і з інформаційним входом 36 блока 30 накопичення, вихід якого з'єднаний з входом 37 суматора 31 і від'ємним входом 38 блока 32 порогового оброблення. Інформаційний вихід суматора 31 з'єднаний з входом селектора 33, інформаційний вихід якого є виходом 15 блока 2 просторово-часового підсумовування, вхід 14 і вихід 3 якого з'єднані з відповідним входом порогу і виходом підсумкового сигналу блока 32 порогового оброблення. Вхід 39 дозволу селектора 33 і вхід 40 заборони блока 29 порівняння з'єднані з виходом елемента АБО-НІ 34, входи якого підключені до виходів ознак блоків 281,...,28n віднімання, а вхід 41 заборони блока 32 порогового оброблення з'єднаний з його виходом підсумкового сигналу. Входи 11,...,1n пристрою підключені до перших додатних входів блоків 281,...,28n віднімання, інформаційні виходи 421,…,42n яких з'єднані відповідно з їхніми другими додатними входами і з відповідними входами блока 29 порівняння, а виходи ознак блоків 281,...,28n віднімання з'єднані з входами 431,...,43n блока 30 накопичення. Пристрій для моделювання адаптивного нейрона (Фіг.1) працює таким чином. На входи 11,...,1n пристрою поступають вхідні сигнали xi (i=1,...n), які підсумовуються у блоці 2 просторово-часового підсумовування, на виході 15 якого формується величина сумарної вхідної дії ХBX. Крім того в блоці 2 просторово-часового підсумовування реалізується залежність E(1) = F1 ( X BC - Y ), BX (1) тобто величина ХBX перетворюється у величину сигналу на його виході 3, який характеризує рівень дисбалансу енергії E(1) , а величина вихідного сигналу нейрона Y подається з виходу 13 пристрою на вхід 14 блока 2 BX просторово-часового підсумовування. Величина сумарної вхідної дії ХBX подається на вхід блока 8 формування рівня дисбалансу енергії. Цей блок виконує функціональне перетворення величини Х B X у сигнал E( 2) на своєму виході, який характеризує рівень BX дисбалансу енергії, що обумовлений швидкістю зміни вхідної дії ХBX: d E( 2) = C CB ( t ). (2) BX dt Блок 4 екстремального регулювання виконує пошук мінімуму функції Q, що залежить від рівня енергетичних витрат Еф на функціональну поведінку нейрона Y(s-i), i=1,...,k, які виробляються у регульованому джерелі 5 енергії. Рівень енергетичних витрат Е ф(s), який подається на вхід 19 функціонального перетворювача 6, має таку залежність Еф(s) = Q(Y(s-1,…, s-k)), (3) де s -дискретний час, k -ціле додатне число, Y(s-i) -величина, що подається на вхід 20 блока 4 екстремального регулювання. Крім того, функція Q залежить від рівня дисбалансу енергії E( 2) , який подається на вхід 21 блока 4 BX екстремального регулювання і обумовлений швидкістю зміни вхідної дії (2), тобто ХBX:Q=Q(Еф, E( 2) ). BX (4) У блоці 4 екстремального регулювання величина дисбалансу енергії E(1) виду (1) є параметром BX налаштування пошукового алгоритму. Величина сигналу D h1 на виході блока 4 екстремального регулювання утворює першу складову динамічного порогу активації нейрона - зміну діаметра його аксонного горбка, яка подається на вхід 18 суматора 11. Значення самої величини діаметра аксонного горбка утворює величина h1(0) на виході блока 12 завдання діаметра аксонного горбка, яка подається на вхід 27 суматора 11. Величини D h1 і h1=h1(0)+ D h1 (5) , впливають як параметри на функціональний перетворювач 6 по його входах 17 і 26 відповідно. Операція (5) виконується в суматорі 11. Крім впливу на блок 4 екстремального регулювання, величина рівня дисбалансу енергії E( 2) , що BX обумовлений швидкістю зміни вхідного сигналу (2), впливає і на функціональний перетворювач 7, який реалізує функцію виду (6) y = y sign( E( 2) , e ) , BC [ ] де ì 1 при E 2 > e, BC ï ï 2 = í0 при - e < E BC < e, (7) ï - 1 при E 2 < - e. BC ï î Тут змінна e завдає полосу „нечутливості" або „невпливу" параметра y на функціональний перетворювач 6 і sign(E ( 2) , e ) BC на блок обчислення різниці 9. Величина сигналу Dh 2 на виході функціонального перетворювача 7 утворює другу складову динамічного порогу активації нейрона - зміну діаметра його соми, яка подається на вхід 23 блока 9 обчислення різниці. Значення самої величини діаметра соми утворює величина h2(0) на виході блока 10 завдання діаметра соми нейрона, яка подається на вхід 25 блока 9 обчислення різниці. Величини Dh 2 і h2=h2(0)- Dh 2 , (8) впливають як параметри на функціональний перетворювач 6 по його входах 22 і 24 відповідно. Операція (8) виконується в блоці 9 обчислення різниці. Таким чином, функціональний перетворювач 6 реалізує функцію J=F2(ХBX, Еф, D h1 , h1, Dh 2 , h2), (9) аргументом якої є величина сумарної вхідної дії ХВХі яка подається на вхід 16 функціонального перетворювача 6, а параметрами - енергетичні витрати на виконання функціональної активності Е ф і компоненти динамічних і сумарних порогів активації нейрона, які подаються на входи 19, 17, 22, 26, 24, функціонального перетворювача 6 відповідно. Отже, у даному пристрої відтворено деякі механізми впливу структурно-метаболічних процесів у сомі нейрона на його функціональну активність у вигляді функціональної зміни розмірів соми та аксонного горбка нейрона. Розглянемо приклад паралельного просторово-чаcового підсумовування п'яти величин початкової групи (Фіг.3). Нехай підсумовуються величини, що дорівнюють {11,3,5,8,15}, та порівнюються з порогом, який дорівнює (t0=21). П'ять величин подаються відповідно на входи 11-15 пристрою, утворюючи початкову групу для просторово-часового підсумовування (Фіг.2), а величина порогу подається на вхід 14 блока 32 порогового оброблення. Оскільки у початковому стані на виході блока 29 порівняння присутній нульовий сигнал, то на першому етапі оброблення від кожної початкової величини віднімається нуль з виходу 35 блока 29 порівняння, який подається на від'ємний вхід блоків 281-285. На виходах 421-425 блоків 281-285 віднімання отримують різниці, фактично рівні початковим величинам {11,3,5,8,15}, які паралельно подають на другі додатні входи блоків 281-28 5 і на входи блока 29 порівняння, де відбувається виділення мінімальної величини з п'яти величин, яка дорівнює (q1=3) і подається на Інформаційний вхід 36 блока 30 накопичення. Разом з тим з виходів ознак блоків 281-28 5 віднімання на входи 431-435 блока 30 накопичення подаються сигнали ознак, що дорівнюють одиниці при наявності додатної ненульової інформації на виходах 421-42 5 відповідних блоків 281-285 віднімання, тобто при наявності ненульової різниці на відповідних виходах 421-42 5 на поточному етапі. Отже, у цьому випадку на виході елемента АБО-НІ 34 формується нульовий сигнал, який будучи поданий на вхід 40 заборони блока 29 порівняння, не викликає припинення процесу оброблення, а будучи поданий на вхід 39 дозволу селектора 33, не дозволяє проходження інформації з його інформаційного входу на вихід. На другому етапі у блоках 281-285 віднімання формуються різниці між величинами {11,3,5,8,15} і мінімальною величиною (q1=3) першої групи. Ці різниці є величинами {8,0,2,5,12} другої групи. Мінімальна величина другої групи дорівнює (q2=2) і формується у блоці 29 порівняння, а далі з його інформаційного виходу 35 подається на інформаційний вхід 36 блока 30 накопичення. Одночасно у блоці 30 накопичення відбувається утворення за два такта трикратної мінімальної величини q1 першої групи, тобто першої часткової суми, яка дорівнює (S12=9). На третьому етапі у блоках 28 1-285 віднімання формуються різниці між величинами {8,0,2,5,12} та мінімальною величиною (q2=2) другої групи. Ці різниці є величинами {6,0,3,10} третьої групи, оскільки від'ємна величина не враховується. Мінімальна величина третьої групи, яка дорівнює (q3=3), формується у блоці 29 порівняння і подається з його інформаційного виходу 35 на інформаційний вхід 36 блока 30 накопичення, де у цей час формується друга часткова сума (S22=6), яка дорівнює трикратній мінімальній величині q2 другої групи. Одночасно у блоці 30 накопичення закінчується за чотири такти формування першої часткової суми S1 величин першої групи, яка дорівнює п'ятикратній мінімальній величині q1 першої групи, тобто (S1=S14=15). Кратність цієї часткової суми S1 визначається кількістю додатних ненульових величин першої групи. На четвертому етапі у блоках 281-285 віднімання формуються різниці між величинами {6,0,3,10} та мінімальною величиною (q3=3) третьої групи. Ці різниці є величинами {3,0,7} четвертої групи, оскільки від'ємні величини не враховуються. Мінімальна величина четвертої групи, яка дорівнює (q4=3), формується у блоці 29 порівняння і подається з його інформаційного виходу 35 на інформаційний вхід 36 блока 30 накопичення, де у цей час вже сформовано за три такти другу часткову суму (S2=S23=8), яка дорівнює чотирикратній мінімальній величині q2 другої групи. Крім того, у блоці 30 накопичення продовжується формування за два такти третьої часткової суми (S3=S32=9), кратність якої визначається кількістю ненульових величин третьої групи. Одночасно перша часткова сума (S1=15) подається з виходу блока 30 накопичення на вхід 37 суматора 31, де додається до його вмісту (S0=0), а також одночасно подається на вхід 38 блока 32 порогового оброблення, де відбувається її порівняння з порогом (t0=21). Оскільки значення порогу більше першої часткової суми ( D 1=t0-S1=21-15=6), то підтверджується нульовий підсумковий сигнал (у=0) на виході 3 блока 32 порогового оброблення, який подається на його вхід 41 заборони і не викликає припинення процесу порогового оброблення. У суматорі 31 формується перша накопичена сума (S1=S0+S1=0+15), яка з його виходу подається знов на другий вхід суматора 31, де підсумовується з другою частковою сумою (S2=8) і формує другу накопичену суму (S2=S1+S2=15+8=23), одночасно у блоці 32 порогового оброблення відбувається порівняння другої часткової суми S2 з поточним порогом ( D 1=6) і оскільки значення поточного порогу менше значення другої часткової суми ( D 2= D 1-S2=6-8=-2), то формується одиничний підсумковий сигнал (у=1), який припиняє процес порогового оброблення у блоці 32, будучи поданий на його вхід 41 заборони, але процес формування остаточної накопиченої суми продовжується. На п'ятому етапі у блоках 281-285 віднімання формуються різниці між величинами {3,0,7} та мінімальною величиною (q4=3) четвертої групи. Ці різниці є величинами {0,4} п'ятої групи, оскільки від'ємні величини не враховуються. Мінімальна величина п'ятої групи, яка дорівнює (q5=4), формується у блоці 29 порівняння і подається з його інформаційного виходу 35 на інформаційний вхід 36 блока 30 накопичення, в якому формується за один такт четверта часткова сума (S4=S41=6), яка дорівнює двократній мінімальній величині q4 четвертої групи. В той же час третя часткова сума (S3=S32=9), яка вже сформована у блоці 30 накопичення, підсумовується з другою накопиченою сумою (S2=23) у суматорі 31 і формується третя накопичена сума (S 3=S2+S3=23+9=32). Далі у суматорі 31 підсумовуються третя накопичена сума (S3=32) та четверта часткова сума (S4=S41=6) і формується четверта накопичена сума (S4=S3+S4=32+6=38). На шостому етапі у блоках 281-285 віднімання формуються різниці між величинами {0,4} та мінімальною величиною (q5=4) п'ятої групи. Ці різниці є величиною {0} шостої групи. В результаті на виходах ознак блоків 281285 зафіксовано нульові сигнали, які на виході елемента АБО-НІ 34 формують одиничний сигнал. В цей час у суматорі 31 підсумовуються четверта накопичена сума (S4=38) та п'ята часткова сума S51, як мінімальна величина п'ятої групи, яка дорівнює (S5=S05=4), і формується остаточна накопичена сума (S 5= S4+S5=38+4=42). В результаті одиничний сигнал з виходу елемента АБО-НІ 34, будучи поданий на вхід 40 заборони блока 29 порівняння, фактично припиняє процес оброблення даних, а будучи поданий на вхід 39 дозволу селектора 33, дозволяє зчитування остаточної накопиченої суми (S5=42) 3 виходу 15 блока 2 просторово-часового підсумовування. Отже, час просторово-часового підсумовування Т у блоці 2 можна обчислити таким чином: (10) T=N×tц+tSM =N.(tSVB+tmin)+tSM, де N -кількість етапів оброблення, причому Nmax=n; n -розмірність вхідної групи величин; tSVB,tSM,tmin -час віднімання, підсумовування і порівняння двох величин (чисел). Якщо tmin = tSM= tSVB=t то вираз (10) має вигляд: T=(2N+1)t (11) Для даного способу оброблення даних доведено, що у середньому кількість етапів N залежить від кількості R груп однакових mr величин у початковій групі, тобто R N = n å (m r - 1), (12) r =1 де R, mr -випадкові величини. Тоді значення часу Т (11) може суттєво зменшитись у випадку значної розмірності вхідної групи величин (n ³ 100), серед яких можуть бути групи однакових величин* що характерно для формальних нейронів. Крім того, з наведеного прикладу видно» що формування підсумкового сигналу (у) як результату порогового оброблення виконується раніше, ніж накопичується остаточна сума, а у процесі оброблення на кожному етапі задіяні всі дані, тобто реалізовано максимальний рівень паралелізму. Таким чином, запропонований пристрій для моделювання адаптивного нейрона за рахунок розширення функціональних можливостей блока просторово-часового підсумовування дозволяє збільшити рівень паралелізму оброблення і відповідно до цього зменшити час порогового оброблення даних.