WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 13 |

В реальной жизни при распознавании сигналов человеком, пороговая граница соотношения мощностей сигнал/шум снижается до значений, меньших 1. В качестве примера приведем изображение сигналов в виде импульсов прямоугольной (рис. 1.1,а) и прямолинейной (рис. 1.1,б) формы при критическом соотношении мощностей сигнал/шум. При рассмотрении этих изображений зрительно без труда устанавливаются наличие импульса между отметками времени, равными 41 и 61 мин и линейная форма тренда, в то время как для математических моделей и систем распознавания без участия оператора эта задача является пока неразрешимой.

а Соотношение сигнал/шум =1 11 21 31 41 51 61 71 81 --Время, мин б Соотношение сигнал/шум =-1 11 21 31 41 51 61 71 81 ---Время, мин Рис. 1.1. Примеры типичных сигналов в технологических процессах:

а - П-образный импульс управления; б - линейный тренд Современные представления об информационных процессах, происходящих в человеческом мозге учитывают их ассоциативный характер, поэтому при построении математических моделей для компьютерного моделирования и решения задач классификации и распознавания также предусматривают ассоциативные операции с информацией в виде информационных гранул – чанков (chunk) [5]. Чанки – элементы знаний с четкими смысловыми границами (1 бит, слово, образ) извлекаются (актуализируются) из долговременной памяти в кратковременную (оперативную) память, где соотносятся с оперативной информацией, поступающей с объекта также в виде элементарных единиц информации, которые человек способен сразу и целиком распознать, закодировать и запомнить. Объём оперативной памяти невелик, составляет 7 ± 2 чанков, поэтому способности специалиста к распознаванию технологических ситуаций всецело определяются знаниями (образами, понятиями и решающими правилами) об объекте, хранящимися в долговременной памяти.

Выбор того, какие именно чанки следует извлечь из долговременной памяти Амплитуда сигнала, отн.

ед.

отн.

ед.

Амплитуда сигнала, (прошлого опыта) в виде эталонов для сопоставления носит интуитивный характер и по законам ассоциаций происходит на подсознательном уровне.

Поэтому эти знания не могут быть в полной мере вербализованы и использованы в математических моделях или базах знаний экспертных систем.

Нейронные поля в этом плане имеют больше возможностей.

Соединения ассоциативных элементов, роль которых выполняют нелинейные элементы – нейроны, формируют как идентифицируемые объекты в виде кластеров, так и границы распознавания, которые имеют нечеткий характер.

В процессе обучения человека происходит запоминание - перенесение из кратковременной памяти в долговременную - как свойств задействованных нейронов с их синапсами, так и характеристик входных элементов – рецепторов, с входными каналами связи нейронов. При математическом описании работы и обучения нейросети это соответствует моделированию нечетких ассоциативных границ, например, путем представления активационной функции нейрона в виде функции принадлежности (ФП) [7].

ФП – функция, определяющая степень вероятности принадлежности параметра к тому или иному понятию. Однако пока не существует ответов на вопросы о том, какой вид должна иметь ФП, т.е. быть разной или одинаковой формы для нейронов промежуточных слоев, как должно осуществляться обучение таких нейросетей.

Для решения задачи распознавания в 1957 г. Ф. Розенблатт [8] создал перцептрон, содержащий 3 слоя элементов. В этой конструкции 2-ой, промежуточный слой, нейронов содержал модели ассоциативных элементов.

Однако их характеристики отдельно не определялись, а обучение перцептрона происходило путем изменения весов связей выходного нейрона.

Ничего не было предусмотрено и для повышения помехоустойчивости нейросети, так как входная информация поступала прямо на рецепторы перцептрона. В итоге трехслойный перцептрон был способен решать только простые задачи. Для преодоления этой ограниченности обратили внимание на многослойную конструкцию нейросети, предназначенную для моделирования процессов заданной сложности. Однако научный поиск оптимального количества слоев нейронов и их характеристик продолжается по настоящее время, а достигнутые результаты невелики и основываются в основном на эвристических приёмах программирования.

Академик Н.М. Амосов [9] предложил нейроструктуры рассматривать как активные семантические сети моделей (М-сети). Принцип работы такой нейросети основывался на том, что в каждый дискретный момент времени состояние М-сети может быть описано распределением возбуждений её узлов. Далее применяли специальную процедуру пересчёта для отображения состояния М-сети на её последующее или конечное состояние в момент +1.

Впервые такая динамическая нейросеть была практически реализована для целей управления нейророботом “Спиди”. Нововведением А.Н. Амосова являлось также то, что промежуточные нейроны конкретно предназначались для моделирования эмоций и чувств (страха, уверенности, риска и т.п.) на основе ассоциаций. Обучение нейроробота “Спиди” происходило путем задания матрицы весов связей между нейронами, обеспечивающей в целом заданный уровень “смелости” или “осторожности” при выполнении нейророботом отданного приказа на действие. В первоначальный этап обучения “Спиди” входило также построение передаточных характеристик сенсоров нейроробота, которые в дальнейшем не изменялись. К сожалению, в России это направление, связанное с представлением нейросети как детерминированной модели, не получило развитие и было забыто.

1.3. Модель составного нейрона в компьютерных программах - эмуляторах Повысить до необходимого уровня шумовую помехозащищенность нейросетей, реализуемых на стандартном программном обеспечении и получить удовлетворительные результаты по распознаванию ТС на реальных технологических объектах возможно путем совместного применения ассоциативной фильтрации и суммирования сигналов с дополнительных информационных входов. В качестве примера рассмотрим механизм обработки информации с использованием множественной корреляции, который реализуется в схеме составного нейрона, предназначенного для распознавания изображения цветных объектов. Схема построена на основе информационной теории цветного человеческого зрения и приведена на рис.1.2.

Рис. 1.2. Составной нейрон Зрительный нейрон содержит синапсы с величиной связей Wi, сумматор S, нелинейный активатор F. Он осуществляет преобразование вектора входного сигнала яркости X в электрический импульс Y, который изменяется при сканировании глазом изображения. Отличительной особенностью модели составного нейрона по сравнению с обычной структурой является наличие на входе слоя ассоциаторов красного (R), зеленого (G), синего (B) цвета с передаточными характеристиками в виде ФП. Составной нейрон применяется на входе нейросети и его ассоциаторы выполняют роль нечетких фильтров информации, поступающей от дополнительных информационных каналов. Такой дополнительной информацией, наряду с сигналом яркости Y, в данном случае являются сигналы цветности R,G,B.

Спектральные характеристики глаза хорошо изучены, поэтому определение на их основе ФП ассоциаторов не представляет трудностей. Вид ФП, рассчитанный и построенный с помощью компьютерной программы, реализованной в Exсel показан на рис. 1.3.

1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Диапазон изменения параметра, доли ед.

R - Красный G - зеленый В - синий Рис. 1.3. Характеристики ассоциаторов R, G, B как функции принадлежности Выбор формы ФП обеспечивает полосовую фильтрацию помех в каналах сигналов R, G, B и, тем самым, эффективное подавление мультиколлинеарности (межканальной корреляции), которая представляет нежелательное явление в рассматриваемом механизме множественной корреляции.

Степень вероятности, доли ед.

Эффективность применения ассоциаторов покажем на примере расчета множественной корреляции основного сигнала Y c сигналами цветности R, G, B. Методика расчета известна и состоит в определении коэффициента множественной корреляции Ry/rgb по заданным значениям локальных коэффициентов корреляции между сигналами rij:

Ry/rgb = (1- /11)0,5, (1.1) где - определитель (4Х4) - мерной корреляционной матрицы, 1 ryr ryg ryb rry 1 rrg rrb = rgy rgr 1 rgb ; (1.2) rby rbr rbg 11 – определитель, получаемый из вычеркиванием первой строки и первого столбца.

В качестве исходных условий расчета в этом примере покажем, что мощность шума равна мощности входных сигналов (C/Ш = 1, Ry/i = 0,707), а характеристики ассоциаторов обеспечивают подавление посторонних сигналов на уровне, при котором взаимные коэффициенты корреляции rij не превышают 0,25. Таким образом задается, что при использовании для распознавания только одного какого-либо сигнала, объекты неразличимы.

Эффект от применения всех сигналов получаем, подставляя в определители исходные данные для расчета множественной корреляции. В этом случае значение коэффициента Ry/rgb = 0,999, что соответствует подавлению шумов на уровне более 35 дб и, следовательно, надежному распознаванию объекта составным нейроном.

Рассмотренный пример показывает целесообразность применения составных нейронов не только для зрительного распознавания изображений.

В сложных технологических объектах также возможно выделение новых информационных каналов и применение множественной корреляции для распознавания ТС.

Таким образом, при обработке технологической информации с помощью нейросетей на их входе следует применять составные нейроны с ассоциаторами.

1.4. Методика определения характеристик ассоциаторов как функций принадлежности Вид ФП задается экспертом-технологом и может быть произвольным.

Например, для входных параметров в технологических процессах целесообразно принимать следующие формы ФП [7]:

“низкий” “оптимальный” “высокий” В качестве исходной используют ФП нейтрального характера, описываемую кривой вероятности погрешности Гаусса. Построение ФП удобно производить в Excel, применяя вначале функцию “Частота” для расчета гистограммы распределения выбранного технологического параметра (например, температуры в обжиговой печи), а затем, ориентируясь на внешний вид полученной гистограммы, производить синтез ФП по алгоритму, сочетающему вычислительные и графические возможности электронных таблиц (рис. 1.4).

Гистограмма температуры обжига в ФУНКЦИЯ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ печи "Тобж"=<опт> 1,0,0,0,0,0,1170 1181 1191 1202 1213 1170 1181 1191 1202 1213 Температура обжига, град С Температура, град.С Рис. 1.4. Гистограмма ТП “Температура обжига” и соответствующая ей ФП В соответствии с возможностями Excel методика определения ФП состоит в следующем.

ед.

Вероятность Частота, отн.

ед.

принадлежности, доли Формируется исходная таблица расчета базовой ФП, описывающей лингвистические переменные <нзк>, <опт>, <вск> (<мал>, <опт>, <блш>).

Фрагмент таблицы представлен ниже. В ней обозначено:

Хисх – исходные значения технологичесА В С D кого параметра (ТП) в нормализованной № п/п Хисх Хэксп ФП=<нзк> форме, заданные шагом 0,025;

1 0 0 1,Хэксп – значения ТП, заданные экспертом;

2 0,025 0,025 - ФП = <нзк> – значения ФП, соответ3 0,05 0,05 - ствующие лингвистической переменной 4 0,075 0,075 - <нзк>.

5 0,1 0,1 - Значения ФП выводятся также в - - - - графической форме. Для коррекции М 0,5 0,5 - экспертом кривой ФП на графике, что - - - - более удобно, используется механизм - - - - Excel динамической связи данных, - - - - автоматически изменяющий значения в N 1,0 1,0 0,ячейках таблицы, при изменении положения координат точек на графике. Поэтому, если эксперта по какойлибо причине не устраивает вид ФП, предлагаемый в исходном варианте, он, согласно правилам работы с диаграммой Excel, может изменить форму графика ФП по своему усмотрению. При этом происходит синхронный пересчет табличных значений ФП.

Исходные значения ФП рассчитывают по формулам, обеспечивающим оптимальные условия распознавания технологических ситуаций нейросетью в случае использования кривой Гаусса.

ФП <нзк> = EXP (–10 Х2эксп); (1.3) ФП <опт> = EXP (–10 (Хэксп – 0,5)2); (1.4) ФП <вск> = EXP (–10 (Хэксп – 1,0)2). (1.5) В представленной версии методики предусмотрена возможность экспертного задания ФП указанных видов для всех используемых ТП.

Сформированные таким образом ФП далее применяются для определения входных сигналов нейросети по текущим значениям ТП в ассоциаторах.

Алгоритм расчета входных сигналов состоит в следующем:

– определяется нормализованное значение ТП:

Хотн = (Х – Хmin) / (Хmax – Хmin), (1.6) где Х – текущее значение ТП, а Хmin, Хmax – минимальное и максимальное значения ТП, заданное экспертом в выбранном диапазоне изменения ФП соответственно;

– найденное значение Хотн ставится в соответствии с табличной величиной Хэксп, заданной экспертом;

– определяется значение ФП, соответствующее установленному Хэксп.

С целью реализации двух последних пунктов разработанного алгоритма составляются формулы Excel, предусматривающие необходимые логические операции. Данные формулы учитывают монотонно возрастающий (убывающий) характер ФП = <вск>, (ФП = <нзк>) и экстремальный характер ФП = <опт>.

Для ФП = <нзк>:

B1 = Если (A1 C1; D1; 0);

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - BN = Если (A1 CN; DN; 0);

D1 = МАКС (B1 : BN).

Для ФП = <вск>:

B1 = Если (A1 C1; D1; 0);

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - BN = Если (A1 CN; DN; 0);

D1 = МАКС (B1 : BN).

Для ФП = <опт>:

B1 = Если (A1 C1; D1; 0);

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - BМ = Если (A1 CМ; DМ; 0);

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - BN = Если (A1 CN; DN; 0);

D1 = Если (A1 0,5; МАКС (B1 : BМ); МАКС (ВМ : BN)).

Здесь текущее значение ТП, равное Хотн, помещается в ячейку А1, далее в ячейках В1 – BN производится сравнение Хотн с дискретными табличными значениями Хэксп и выдаются значения ФП, содержащиеся в ячейках D1 – DN.

В ячейку D1 помещается найденное значение ФП*, соответствующее условию Хотн = Хэксп. Определенная таким образом величина ФП* используется далее как входная величина ТП для синапсов нейросети.

Описанный алгоритм легко тиражируется в Excel согласно необходимому количеству входных ТП в решаемой с помощью нейросети вычислительной задаче.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 13 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.