Пристрій для моделювання адаптивного нейрона

Пристрій 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 містить блок задання діаметра соми нейрона, блок задання діаметра аксонного горбика нейрона, блок формування рівня дисбалансу енергії і блок обчислення різниці, який виходом з'єднаний з другим входом другого функціонального перетворювача, вихід блока задання діаметра соми нейрона з'єднаний з другим входом блока обчислення різниці, вихід блока задання діаметра аксонного горбика нейрона підк U 2 (19) 1 3 19466 4 управління коефіцієнтами чутливості, перший доE(1) F ( XBX Y) , датковий функціональний перетворювач з'єднаний BX 1 першим входом з відповідним гальмівним входом де E(1) - рівень дисбалансу енергії, ХBX - вепристрою, другим входом з виходом пристрою, а BX виходом з входом другого додаткового функціоналичина сумарної вхідної дії, Y - величина вихідного льного перетворювача, додаткове регульоване сигналу нейрона, яка виступає в якості одного з джерело енергії підключене до виходу другого аргументів функції F1. Тобто залежність (XBX - Y) функціонального перетворювача, і блок множення, формується поза блоком просторово-часового входи якого з'єднані з виходом блока формування підсумовування. коефіцієнта чутливості, виходом першого додаткоВ основу корисної моделі поставлена задача вого функціонального перетворювача і виходом створення пристрою для моделювання адаптивнододаткового регульованого джерела енергії відпого нейрона, в якому введення нових вузлів і зв'язвідно, а вихід блока множення підключений до ків дозволяє збільшити рівень паралелізму обробвідповідного входу блока просторово-часового лення даних за рахунок розширення підсумовування. функціональних можливостей блока просторовоНедоліком цього пристрою є недостатній річасового підсумовування в результаті одночасного вень паралелізму оброблення сигналів через вузьпорівняння накопиченої суми вхідних сигналів з кі функціональні можливості блока просторововеличиною вихідного сигналу нейрона. часового підсумовування, оскільки в ньому не пеПоставлена задача вирішується тим, що у редбачене порівняння результату підсумовування, пристрої для моделювання адаптивного нейрона, наприклад, з рівнем вихідного сигналу нейрона. який містить суматор, послідовно з'єднані блок Найбільш близьким за технічною суттю є припросторово-часового підсумовування і блок екстстрій для моделювання адаптивного нейрона [а.с. ремального регулювання, перший функціональний СРСР №553635, кл.G06G7/60, 1977p.], який місперетворювач, послідовно з'єднані регульоване тить суматор, послідовно з'єднані блок простороджерело енергії і другий функціональний перетвово-часового підсумовування, перший функціонарювач, а також блок задання діаметра соми нейльний перетворювач і блок екстремального рона, блок задання діаметра аксонного горбика регулювання, послідовно з'єднані регульоване нейрона, блок формування рівня дисбалансу енеджерело енергії і другий функціональний перетворгії і блок обчислення різниці, який виходом з'єдрювач, а також містить блок задання діаметра сонаний з другим входом другого функціонального ми нейрона, блок задання діаметра аксонного горперетворювача, вихід блока задання діаметра бика нейрона і послідовно з'єднані блок соми нейрона з'єднаний з другим входом блока формування рівня дисбалансу енергії, третій фунобчислення різниці, вихід блока задання діаметра кціональний перетворювач і блок обчислення різаксонного горбика нейрона підключений через ниці, який виходом з'єднаний з другим входом друсуматор до третього входу другого функціональногого функціонального перетворювача, вихід блока го перетворювача, вихід блока просторовозадання діаметра соми нейрона з'єднаний з дручасового підсумовування з'єднаний з четвертим гим входом блока обчислення різниці, вихід блока входом другого функціонального перетворювача і задання діаметра аксонного горбика нейрона підкз входом блока формування рівня дисбалансу лючений через суматор до третього входу другого енергії, який виходом з'єднаний з другим входом функціонального перетворювача, вихід блока проблока екстремального регулювання, вихід якого сторово-часового підсумовування з'єднаний з четз'єднаний з п'ятим входом другого функціональновертим входом другого функціонального перетвого перетворювача і з другим входом суматора, вхід рювача і з входом блока формування рівня регульованого джерела енергії з'єднаний з виходисбалансу енергії, який виходом з'єднаний з друдом другого функціонального перетворювача і гим входом блока екстремального регулювання, виходом пристрою, а вихід - з третім входом блока вихід якого з'єднаний з п'ятим входом другого фуекстремального регулювання, входи блока проснкціонального перетворювача і з другим входом торово-часового підсумовування є входами присуматора, вхід регульованого джерела енергії строю, крім того, вихід першого функціонального з'єднаний з виходом другого функціонального пеперетворювача підключений до шостого входу ретворювача, виходом пристрою і другим входом другого функціонального перетворювача і до перпершого функціонального перетворювача, а вихід шого входу блока обчислення різниці, а його вхід - з третім входом блока екстремального регулюз'єднаний з виходом блока формування рівня дисвання, вихід третього функціонального перетвобалансу, вихід другого функціонального перетворювача підключений до шостого входу другого рювача з'єднаний з (п+1)-м входом блока простофункціонального перетворювача, входи блока рово-часового підсумовування. просторово-часового підсумовування є входами На Фіг.1 представлена структурна схема припристрою. строю для моделювання адаптивного нейрона; на Недоліком цього пристрою є недостатній ріФіг.2 - функціональна схема блока просторововень паралелізму оброблення через вузькі функцічасового підсумовування; на фіг. 3 наведено прикональні можливості блока просторово-часового лад процесу оброблення у блоці просторовопідсумовування, оскільки для визначення сигналу, часового підсумовування. що характеризує рівень дисбалансу енергії, необПристрій для моделювання адаптивного нейхідно використання функціонального перетворюрона (Фіг.1) містить п входів 11,....,1n пристрою, які вача, який реалізує функцію підключені до відповідних входів блока 2 просторово-часового підсумовування, вихід 3 якого з'єд 5 19466 6 наний з входом блока 4 екстремального регулюці 2 просторово-часового підсумовування реалізування, а також містить регульоване джерело 5 ється залежність енергії, функціональні перетворювачі 6, 7, блок 8 (1) E(1) F ( XBX Y) , формування рівня дисбалансу енергії, блок 9 обBX 1 числення різниці, блок 10 задання діаметра соми тобто величина ХBX перетворюється у величинейрона, суматор 11, блок 12 задання діаметра ну сигналу на його виході 3, який характеризує аксонного горбика нейрона. Вихід 13 пристрою рівень дисбалансу енергії E(1) , а величина вихідз'єднаний з входом регульованого джерела 5 енеBX ргії і входом 14 блока 2 просторово-часового підного сигналу нейрона Y подається з виходу 13 сумовування, вихід 15 якого з'єднаний з входом 16 пристрою на вхід 14 блока 2 просторово-часового функціонального перетворювача 6 і входом блока підсумовування. 8 формування рівня дисбалансу енергії. Вихід Величина сумарної вхідної дії ХBX подається блока 4 екстремального регулювання з'єднаний з на вхід блока 8 формування рівня дисбалансу входом 17 функціонального перетворювача 6 і енергії. Цей блок виконує функціональне перетвовходом 18 суматора 11, вихід регульованого джерення величини ХBX у сигнал E(1) на своєму вирела 5 енергії з'єднаний з входом 19 функціональBX ного перетворювача 6 і з входом 20 блока 4 екстході, який характеризує рівень дисбалансу енергії, ремального регулювання. Вихід блока 8 що обумовлений швидкістю зміни вхідної дії ХBX: формування рівня дисбалансу енергії з'єднаний з d E(2) X (t) . (2) входом 21 блока 4 екстремального регулювання і з BX dt BX входом функціонального перетворювача 7, вихід Блок 4 екстремального регулювання виконує якого з'єднаний з входом 22 функціонального пепошук мінімуму функції Q, що залежить від рівня ретворювача 6 і входом 23 блока 9 обчислення енергетичних витрат Еф на функціональну поведірізниці, вихід якого з'єднаний з входом 24 функцінку нейрона Y(s-i), i = l,...,k, які виробляються у онального перетворювача 6. Вихід блока 10 зарегульованому джерелі 5 енергії. Рівень енергетидання діаметра соми нейрона з'єднаний з входом чних витрат Еф(s), який подається на вхід 19 фун25 блока 9 обчислення різниці, вихід суматора 11 кціонального перетворювача 6, має таку залежз'єднаний з входом 26 функціонального перетвоність рювача 6, а вихід блока 12 задання діаметра акEф (s) Q(Y(s - 1,...,s - k)) , (3) сонного горбика 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. Інформаційний вихід суматора 31 з'єднаний з входом 38 блока 32 порогового оброблення і 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 і виходом 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. 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 x1(і=1,...n), які підсумовуються у блоці 2 просторово-часового підсумовування, на виході 15 якого формується величина сумарної вхідної дії ХBX. Крім того в бло 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 BX блока 4 екстремального регулювання і обумовлений швидкістю зміни вхідної дії (2), тобто (4) XBX : Q Q(EФ,E(2) ) . BX У блоці 4 екстремального регулювання величина дисбалансу енергії E(1) виду (1) є параметBX ром налаштування пошукового алгоритму. Величина сигналу h1 на виході блока 4 екстремального регулювання утворює першу складову динамічного порогу активації нейрона - зміну діаметра його аксонного горбика, яка подається на вхід 18 суматора 11. Значення самої величини діаметра аксонного горбика утворює величина h(0) на виході блока 12 задання діаметра аксон1 ного горбика, яка подається на вхід 27 суматора 11. Величини h1 і (5) h1 h(0) h1 , 1 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 дисбалансу енергії E(2) , що BX обумовлений швидкістю зміни вхідного сигналу (2), впливає і на функціональний перетворювач 7, який реалізує функцію виду 7 19466 8 ознак блоків 281-285 віднімання на входи 431-435 sign(E(2) , ) , (6) блока 30 накопичення подаються сигнали ознак, BX що дорівнюють одиниці при наявності додатної де ненульової інформації на виходах 421-425 відповідних блоків 281-285 віднімання, тобто при наявнос1 при E2 , BX ті ненульової різниці на відповідних виходах 421sign(E( 2) , ) 0 при E2 , 425 у поточному циклі. Отже, у цьому випадку на (7) BX BX виході елемента АБО-HI 34 формується нульовий 1 при E2 . сигнал, який будучи поданий на вхід 40 заборони BX блока 29 порівняння, не викликає припинення проТут змінна завдає полосу „нечутливості" або цесу оброблення, а будучи поданий на вхід 39 „невпливу" параметра на функціональний передозволу селектора 33, не дозволяє проходження творювач 6 і на блок обчислення різниці 9. інформації з його інформаційного входу на виВеличина сигналу h2 на виході функціональхід 15. ного перетворювача 7 утворює другу складову У другому циклі у блоках 281-285 віднімання динамічного порогу активації нейрона - зміну діаформуються різниці між величинами {11,3,5,8,15} і метра його соми, яка подається на вхід 23 блока 9 мінімальною величиною (q1=3) першої групи. Ці обчислення різниці. різниці є величинами {8,0,2,5,12} другої групи. МіЗначення самої величини діаметра соми утвонімальна величина другої групи дорівнює (q2=2) і (0) на виході блока 10 задання формується у блоці 29 порівняння, а далі з його рює величина h 2 інформаційного виходу 35 подається на інформадіаметра соми нейрона, яка подається на вхід 25 ційний вхід 36 блока 30 накопичення. Одночасно у блока 9 обчислення різниці. Величини h2 і блоці 30 накопичення відбувається утворення за два такта трикратної мінімальної величини q1 (0) (8) h2 h h2 , 2 першої групи, тобто першої часткової суми, яка впливають як параметри на функціональний дорівнює (S1 9) . перетворювач 6 по його входах 22 і 24 відповідно. 2 Операція (8) виконується в блоці 9 обчислення У третьому циклі у блоках 281-285 віднімання різниці. Таким чином, функціональний перетворюформуються різниці між величинами {8,0,2,5,12} та вач 6 реалізує функцію мінімальною величиною (q2=2) другої групи. Ці (9) J=F2(XBX, Еф, h1,h1, h2,h2), різниці є величинами {6,0,3,10} третьої групи, оскіаргументом якої є величина сумарної вхідної льки від'ємна величина не враховується. Мінімадії ХВХ, яка подається на вхід 16 функціонального льна величина третьої групи, яка дорівнює (q3=3), перетворювача 6, а параметрами - енергетичні формується у блоці 29 порівняння і подається з витрати на виконання функціональної активності його інформаційного виходу 35 на інформаційний Еф і компоненти динамічних і сумарних порогів вхід 36 блока 30 накопичення, де у цей час форактивації нейрона, які подаються на входи 19, 17, мується друга часткова сума (S1 6) , яка дорів22, 26, 24, функціонального перетворювача 6 від2 повідно. нює трикратній мінімальній величині q2 другої груОтже, у даному пристрої відтворено деякі мепи. Одночасно у блоці 30 накопичення ханізми впливу структурно-метаболічних процесів закінчується за чотири такти формування першої у сомі нейрона на його функціональну активність у часткової суми (S1) величин першої групи, яка довигляді функціональної зміни розмірів соми та акрівнює п'ятикратній мінімальній величині q1 першої сонного горбика нейрона. групи, тобто (S1 S1 15) . Кратність цієї часткоРозглянемо приклад паралельного просторо4 во-часового підсумовування п'яти величин початвої суми (S1) визначається кількістю додатних некової групи (Фіг.3). Нехай підсумовуються величинульових величин першої групи. ни, що дорівнюють {11,3,5,8,15}, та порівнюються з У четвертому циклі у блоках 281-285 відніманпорогом, який дорівнює (t0=21). П'ять величин поня формуються різниці між величинами {6,0,3,10} даються відповідно на входи 11-15 пристрою, утвота мінімальною величиною (q3=3) третьої групи. Ці рюючи початкову групу для просторово-часового різниці є величинами {3,0,7} четвертої групи, оскіпідсумовування (Фіг.2), а величина порогу подальки від'ємні величини не враховуються. Мінімається на вхід 14 блока 32 порогового оброблення. льна величина четвертої групи, яка дорівнює Оскільки у початковому стані на виході блока (q4=3), формується у блоці 29 порівняння і пода29 порівняння присутній нульовий сигнал, то в ється з його інформаційного виходу 35 на інфорпершому циклі оброблення від кожної початкової маційний вхід 36 блока 30 накопичення, де у цей величини віднімається нуль з виходу 35 блока 29 вже сформовано за три такти другу часткову суму порівняння, який подається на від'ємний вхід бло(S2 S2 8) , яка дорівнює чотирикратній мінімаків 281-285. На виходах 421-425 блоків 281-285 від3 німання отримують різниці, фактично рівні початльній величині q2 другої групи. Крім того у блоці 30 ковим величинам {11,3,5,8,15}, які паралельно накопичення продовжується формування за два подають на другі додатні входи блоків 281-285 і на такти третьої часткової суми (S2 S3 9) , кратвходи блока 29 порівняння, де відбувається виді2 лення мінімальної величини з п'яти величин, яка ність якої визначається кількістю ненульових ведорівнює (q1=3) і подається на інформаційний вхід личин третьої групи. Одночасно перша часткова 36 блока 30 накопичення. Разом з тим з виходів сума (S1=15) подається з виходу блока 30 накопи 9 19466 10 чення на вхід 37 суматора 31, де додається до мують одиничний сигнал. В цей час у суматорі 31 його вмісту (S0=0). підсумовуються четверта накопичена сума (S4=38) Так формується перша накопичена сума та п'ята часткова сума (S5 ) , як мінімальна вели(S1=S0+S1=0+15), яка з виходу суматора 31 пода1 ється знов на другий вхід суматора 31, де підсу2 чина п'ятої групи, яка дорівнює (S5 S5 4) , і мовується з другою частковою сумою (S =8) і фо0 рмує другу накопичену суму (S2=S1+S2=15+8=23), формується остаточна накопичена сума а також одночасно подається на вхід 38 блока 32 (S5=S4+S5=38+4=42). В результаті одиничний сигпорогового оброблення, де відбувається її порівнал з виходу елемента АБО-НІ 34, будучи поданий няння з порогом (t0=21). Оскільки значення порогу на вхід 40 заборони блока 29 порівняння, фактичбільше першої накопиченої суми ( 1=t0–S1=21– но припиняє процес оброблення даних, а будучи 15=6), то підтверджується нульовий підсумковий поданий на вхід 39 дозволу селектора 33, дозвосигнал (у=0) на виході 3 блока 32 порогового обляє зчитування остаточної накопиченої суми роблення, який подається на його вхід 41 заборо(S5=42) з виходу 15 блока 2 просторово-часового ни і не викликає припинення процесу порогового підсумовування. оброблення. Отже, час просторово-часового підсумовуванУ п'ятому циклі у блоках 281-285 віднімання ня Т у блоці 2 можна обчислити таким чином: формуються різниці між величинами {3,0,7} та мі(10) T=N tц, + tSM=N(tSVB + tmin) + tSM, німальною величиною (q4=3) четвертої групи. Ці де N - кількість циклів, причому Nmax=n; n - рорізниці є величинами {0,4} п'ятої групи, оскільки змірність вхідної групи величин; tSVB,tSM,tmin - час від'ємні величини не враховуються. Мінімальна віднімання, підсумовування і порівняння двох вевеличина п'ятої групи, яка дорівнює (q5=4), формуличин (чисел). Якщо tmin=tSM=tSVB=t то вираз (10) ється у блоці 29 порівняння і подається з його інмає вигляд: формаційного виходу 35 на інформаційний вхід 36 T=(2N+1)t. (11) блока 30 накопичення, в якому формується за Для даного способу оброблення даних доведено, що у середньому кількість циклів N залежить один такт четверта часткова сума (S4 S4 6) , 1 від кількості R груп однакових mr величин у початяка дорівнює двократній мінімальній величині q4 ковій групі, тобто четвертої групи. В той же час третя часткова сума R N n (mr 1) , (12) (S3 S3 9) , яка вже сформована у блоці 30 2 r 1 накопичення, підсумовується з другою накопичеде R, mr - випадкові величини. ною сумою (S2=23) у суматорі 31 і формується Тоді значення часу Т (11) може суттєво змен3 третя накопичена сума (S3=S2+S =23+9=32). Одшитись у випадку значної розмірності вхідної групи ночасно відбувається у блоці 32 порогового обровеличин (n 100), що характерно для формальних блення порівняння другої накопиченої суми S2 з нейронів. Крім того, з наведеного прикладу видно, порогом (t0=21), і оскільки значення порогу менше що формування підсумкового сигналу (у) як резначення другої накопиченої суми ( 2=t0-S2=21– зультату порогового оброблення виконується ра23=-2), то формується одиничний підсумковий сигніше, ніж накопичується остаточна сума, а у пронал (у=1), який припиняє процес порогового оброцесі оброблення у кожному циклі задіяні всі дані, блення у блоці 32, будучи поданий на його вхід 41 тобто реалізовано максимальний рівень паралелізаборони, але процес формування остаточної назму. копиченої суми продовжується. У суматорі 31 підТаким чином, запропонований пристрій для сумовуються третя накопичена сума (S3=32) та моделювання адаптивного нейрона за рахунок розширення функціональних можливостей блока четверта часткова сума (S4 S4 6) і формуєть1 просторово-часового підсумовування дозволяє ся четверта накопичена сума (S4=S3+S4=32+6=38). збільшити рівень паралелізму оброблення і відпоУ шостому циклі у блоках 281-285 віднімання відно до цього зменшити час порогового обробформуються різниці між величинами {0,4} та мінілення даних. мальною величиною (q5=4) п'ятої групи. Ці різниці є величиною {0} шостої групи. В результаті на виходах ознак блоків 281-285 зафіксовано нульові сигнали, які на виході елемента АБО-НІ 34 фор 11 Комп’ютерна верстка В. Мацело 19466 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601