Устройство для моделирования активности популяций Советский патент 1980 года по МПК G06G7/60 

1

Изобретение отноеится к облаети электрического моделирования, в чаетноети к моделированию динамики чиеленности ноиуляции в моделях экологичееки.ч систем и может быть использовано для прогнозиро- 5 вания роста и развития нчивотной поиуляцин, как в естественных условиях, так и н условиях ведения сельского хозяйства.

Известно устройство для моделирования иейроиной сети, содержащее расиоло- ю женные в виде однородного слоя нейронные элементы, выход каждого из которых через цепь обратной связи соединен е его возбуждаюндим входом, который подключен к тормозным входам соседних нейронных эле- 15 ментов. Недостатком известного устройства является невозможноеть моделировать на нем один из главных признаков динамики развития популянии -- ее циклический характер.20

Наиболее близким техническим решенном к изобретению является устройство для моделирования процессов ритмообразовання в дыхательиом центре, в которое, 25 кроме связей нейронных элементов в виде носледовательности, содержит также связи между иейтронными элементами, обуславливающие циклические ячейки из нескольких нейроцных элементов, что обеспечивает зо

возможность образования ритмической активноетн.

Однако возможиост1 нрнмеиеиия устройств моделирования динамики роета н развития иоиуляцнн ограничена. При работе с cтpoйcтвo нельзя учесть такие факторы, как «рождаемость, «уровень ннтаиия, «возраст, «сезоиность, «плодовитость и т. п.

Для достаточпо точного моделирования динамики роста н развития иои ляции необходимо обеснечнть моделирование возрастного раснределеиия иопуляции с учетом сответствующего расиределения уровня питапия, плодовптостп, сезонной половой акTiiBHoeTH обоих иолов нонуляцпн, учет реакцни егютемы на периодические н случайные воздействия.

Цель изобретения -- новьииенне точности моделирования.

Поставленная цель достигается тем, что в устройетво для моделирования активности нонуляции, содержан ее две грунны нз п нейронных элементов, введены две группы из (п-1)-го коммутаторов, ключ, блокн задержки, коммутаторы, третья группа 1 ейронных элементов, ф 1льтр i сумматор, выход которого является выходом устройства. ВыходгэТ нейронн -)1х элементов первой второй групп соед 1пень с гр ппой входов

nepiioro н второго нейронного элемсмгга третьей группы соответствсипо и с входами сумматора, выход каждого t-ro нейронного элемента, кроме д-го первой и второй групн, через блок задержки подключен ко вход} ;;-го коммутатора первой и второй групп соответственно, выходы которого соединены с соответствующими входами первой группы (t+l)-ro нейронного элемента своей группы. Выход первого нейронного элемента третьей группы подключен через блок задержки к входу первого коммутатора п через ключ к входу второго пейронпого элемента третьей грунны, выход которого соединен через фильтр с входом первого нейронного элемента третьей группы и с управляющим входом первого коммутатора, выходы которого подключены с соответствующим входом третьего нейронного элемента третьей группы, выход которого через блок задержки соединен с входом второго коммутатора, выходы которого подключены к соответствующим входам первой группы нейронных элементов первой и второй групп. Управляющий выход второго коммутатора соединен с унравляющИ Мп входами коммутаторов первой и второй группы. Управляющие входы ключей, фильтра и второго коммутатора, и входы второй группы нейронных элементов первой и второй групп являются входами устройства.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство содержит две идентичные грунны 1, 2 нейронных элементов, каждая из которых состоит, по крайней мере, из трех нейронных элементов 3, 4 и 5, сосдпненных через блоки задср/ккн 6 п 7 со входами нереходных коммутаторов 8, 9, выходы которых соедииены с первой группой входов последующих элементов 4 н 5, вторая группа входов которых является входом устройства. Выход каждого пептронного элемента 3, 4 и 5 соединен с соответствующим входом сумматора 10, выход которого является выходом устройства п через ключи 11, 12 и 13 со своим тормозящим входом, а также со входами третье группы нейронных элементов 14. При этом выходы нейронных элементов первой группы соединены с соответствующнми входами первого нейронного 15 элемента третьей грунпы, а входы группы 2 пейропных элементов - с соответствующнмп входами второго нейронного элемента 16 третьей группы. Выход элемента 15 через ключ 17 соединен с одним из входов элемента 16 и через блок задержки 18 с информативным входом нервого коммутатора 19, управляющпй вход которого соединен с выходом элемента 16, который через перестраиваемый фильтр 21, второй вход которого является одиим из входов устройства, подключен к одному из входов элемента 15. Выходы коммутатора 19 соединены с соответ ствующими входами нейронного эле.мента 20, выход которого через блок задержки 22 подключен к информативному входу второго ко.ммутатора 26, выход которого подключен ко входам нейронных элементов 3 нервой и второй груни, а управляющий выход- ко входам коммутаторов 8, У, первой п второй групп нейронных элементов. tSxoдами устройства, являются управляющий вход коммутатора 23, вторая группа входов нейронных элементов перви и второй групп, унравляющие входы ключей 8, 9 и 17 и управляющий вход иерестраиваемого фильтра 21.

Устройство работает следующим образом.

На вторую группу входов нейтронных элементов нервои и второй грунн ноступают последовательности импульсов, моделирующие иеходное количество животных соответствующих возрастных грунн (нейронные элементы 3, 4 и о), нопуляции самок (первая группа пейтроииых элемептов). iJpii этом первые нейтронные элементы 6 групп 1 и 2 моделируют младшую возрастную группу, а последующие элементы 4, 5 - соответствующие старшие возрастные грунны.

Одновременно на вход коммутатора 23 постунает унравляющий сигнал, соответствующий моделируемому уровню нитания популяции и открывающий входы нейронных элементов 3 групп 1 и 2. Каждый элемент

3имеет, по крайней мере, четыре таких входа с различиыми весами. При этом, если па коммутатор 23 поступает управляющий сигнал, превышающий порог, соответствующий высокому уровню питания, то пнфор.матпвпый сигнал через коммутатор 23 нроходит на входы с максимальным заданным весом. При более низких управляющих сигналах информативный сигнал постунает на входы с соответственно меньшими весами. Кроме того, иредусмотрен один вход с миН11мальным весом, соответствующий условиям «голодания нонуляции. Управляющий сигнал с выхода коммутатора 23 поступает на входы коммутаторов 8 и 9, информативные сигналы на входы которых поступают соответственно с выходов нейронных элементов 3 и 4 (через блок задержки) соответственно. В зависимости от величины управляющего сигнала в коммутаторах 8 и 9 открывается доступ на входы элементов

4и 5 с соответствующими заданными весами. Нейронные элементы 4 и 5 работают аналогично нейронному элементу 3. С выхода элемента 3, моделирующего иервую возрастную группу, импульсная носледовательность через блок задержки 6, моделирующий временной интервал перехода из первой возрастной группы во вторую, поступает на информативный вход коммутатора 8, а с выхода коммутатора 8 - на соотвествующий вход элемента 4. Выбор входа определяется величиной еигнала на управляющем входе коммутатора 8. 11рн 3a,ii,aHной максимальной величине управляющего сигнала импульсная последовательность с выхода элемента 3 нереходит па вход элемента 4, вес которого равен 1, что соответствует полному выживапию особей в первой возрастнй грунне, Если величина управляющего сигнала меньще некоторого заданного норога, то информатнвныи сигнал с выхода элемента 3 ностунает на вход элемента 4 с соответственно меньщпм весом, что моделирует частичное выживаиие особей нервой возрастной группы. Аналогично происходит нереход импульсной последовательности с выхода элемента 4 на входы элемента 5 через блок задержки 7 и коммутатор 9. Сигналы с выходов элементов первой грунны поступают на входы элеме1гга 15 третьей 14 грунны нейронных элементов, моделирующего половую активность самок, а сигналы с выходов второй грунны 2 - на входы нейронного элемента 16, моделирующего половую активность самцов. Различие весов входов нейронных элементов 15 и 16 моделируют активность каждо возрастной группы. Нанример, вес входа элемента 15, соединенного с элементом 4 может быть выще весов входов, нодключенных к элементам 3 и 5. Соответствующее или иное распределение весов входов быть в нейронном элементе 16. При этом то пли иное распределение весов входов элементов 15 и 16 задается в завнсимости от вида моделируемой популяции. Учитывая известные факты, что половая активность у большинства видов земных организмов зависит от сезонности, а также является взаимозависимой, между нейронными элементами 15 и 16, установлены связи, в которые введены доиолннтельпые элементы. Выход элемента 15 через ключ 17, управляющий вход которого является одним из входов устройства, подключен к возбуждающему входу нейронного элемента 16. При этом в зависимости от сезонности ключ 17 закрыт или открыт, моделируя во втором случае стимуляцию половой активности нощляции самцов половой активностью самок, что справедливо для большинства видов. Однако в некоторых случаях имеется противоположная зависимость, когда половая активность самцов стимулирует активность самок (у рыб, некоторых видов птиц). Для моделирования этого процесса выход элемента 16 через перестраиваемый фильтр 21 подключен к возбуждающему входу элемента 15. В этом случае если частота следоваиия ГПИПМЬСОЕ на входе элемента 16 достигнет некоторого значення, онределяемого управлением фильтра, соответствующего возросшей активности иопуляции самцов, импульсная последовательность по/тается на возбуждающий вход элемента 15, моделируя стимуляцию активности популяцпп самок возросщей активностью нонуляции самцов. Выходной сигнал элемента 15, нронорциональнон сумме выходных сигналов элеMeirroB нервоп грунпы, через блок задержки 18, моделирующий «время беременности, поступает на инфор.матнвные входы коммутатора 19, управляющне входы которого подключены к выходу элемента 16. В завнснмостн от частоты нмнульсов, нодаваемых с выхода элемента 16, открывается однн из входов нейронного элемента 20, моделирующего «количество новорожденных, т. е. плодовитость ионуляции. Таким образом, максимальная «рождаемость зависит от оитимального сочетания актнвноетн самцов н самок в нонуляции. Веса входов нейронного элемента 20 задаются в зависимости от тина моделируемой популяции. Одиовременно с поступленнем сигналов групн 1 н 2 на входы элементов 15 и 16, сигналы нз первых двух групн 1 и 2 поступают на входы сумматора, веса которого одп1 ако15ы п каждый равен 1, а выход которого является выходом устройства. Сигналы с выхода элемента 20 ностунают через блок задержки 22, моделирующий «время созревания, на информативный вход коммутатора 23, а с его выхода - на входы первых нейронных элементов 3 грунн 1 и 2. При этом коммутатор устроен таким образом, что входной управляющий сигнал, пройдя через набор полосовых фильтров, после соответствующего преобразования в нанряжение нодается на уиравляющий вход одиого из трех ключей в зависимости от частоты входного управляющего сигнала, открывая доступ информативному сигналу к одному из входов элемента 3. При этом если частота входного сигнала коммутатора 23 достаточно велика, то открывается вход с макснмальным весом. входная частота уменьщается, то открываются входы с соответственно меньщим весом. И, наконец, если на входе коммутатора 23 нет еигнала или частота входного сигнала ниже некоторой заданной пороговой велнчины, то информативный сигнал ностунает на вход с минимальным весом. Таким расиределением информативного сигнала по входам нейронного элемента 3 достигается моделирование влияния уровня питания на выживаемость особей популяции. При максимальном уровне питания сигналы постунают на входы е максимальным весом. Унравляющие входы коммутатора 23 могут быть подключены к выходу блока модели внещней среды, активность которого моделирует уровень питания ПОНЗЛЯЦИИ. Для моделирования случайных факторов, способных вызвать осцилляцию численностп популяцин, выходы всех нейтронных элементов грунн 1 и 2 групп подсоединены через ключи П, ..., 13 к своим собственным тормозным входам. Ключи открываются но заданному извне панряженню, источником

которого может быть генератор елучайных еигпалов, с последующим преобразованием чаетоты в паиряжение. В зависимости от веса тормозного входа достигается тот или иной вид осцилляции. Временная ст .ихронизадня работы устройства осуществляется иодбором блоков задержки 6, 7, 18 и 22. Моделирование роста численности иоиуляцин осуществляется в результате циркуляции сигиалов в системе от элемента 3 к элемеиту 20 и от последнего к элементу 3 н т. д. Влияние стимуляции роста ионуляции, а также ее угнетеипя осуществляется как путем спонтанного изменения входных сигналов иа коммутатор 23, так н путем воздействия на остальиые, иезадействоваппые в системе 1к)збужда1ощие и тормозные входы (вторая i-руииа входов иейронных элемеитов первой и второй групп).

Динамика естественной убыли популяции моделируется весами входов иейроппых элементов групп 1, 2, а динамика прироста - весами входов нсйгроииых э.чсме1ггов 15, 1G н 20 группы 14 нсчггропиых -хчсмситов.

Работа устройства рассмотрена в усло15НЯХ введення в него трех возрастных групп (нейроииые элементы 3, 4 и 5) особей ноиуляци, что, конечно, не исключает их больщего числа, сслн этого требуют условия эксперимента. Введе(н-1е в устройство больniero чнела «возрастных грунн, онравдапо в том случае, если и а нем изучается влияние на рост нонуляцни нзбнрательного «забоя или «отстрела онределеппых возрастных грунн.

На устройстве можно моделировать любую популяцню с ноловым размножением (нонуляцню диких животиых в условиях нх естеетвенного суихествовання, в условиях ведения охотничьего или рыбного хозяйства, нопуляцню сельскохозя11ственных жнвотных в условиях животноводческих ферм).

Одно из возможиых ирнменеиий устройства - моделированне сун1,ествования популяции в условиях оскуднення внешней среды н сокран1;ення естественных площадей существования с долговременным прогпознрованием.

Устройство позволяет путем «нронгрывання различных варпантов выработать оптимальиую етратсгню воздействий но отнон1ению изучаемой популяции.

Формула изобретения

Устройство для моделирования активиоети поиуляции, содержащее две груииы из л. пейронных элементов, отличающееся те.м, что, с целью иовыщения точности моделирования, в него введены две грунпы из (п-1)-го коммутаторов, ключи, блоки задержки, коммутаторы, третья грунна нейройных элементов, фильтр и сумматор, выход которого является выходом устройства, в))1ходы нейроиных элементов нервой и второй грунн соединены с групной входов нервого и второго нейронных элементов третьей

группы соответственно н с входамн сумматора, выход каждого -i-ro нейронного элеГлента, кроме п-го иервой и второй груни, через блок задержки подключены к входу /-го коммутатора первой н второй грунн

соответственно, В1)1ходы которого соединены с соответетвуюищми входамн иервой грун1Н)1 (t-fl)-ro нейронного элемента своей 1рупны, выход нервого нейронного элемента третьей грунны подключен через блок задержки к входу нервого коммутатора н че)ез ключ к входу второго нейронного элемента третьей грунны, выход которого соедннен через фильтр с входом иервого нейронного элемента третьей груииы и с унравляющим входом нервого коммутатора, выходы которого нодключены к соответствующим входам третьего нейронного элемента третьей груниы, выход которого через блок задержки соединеи с входом второго

коммутатора, выходы которого подключены к соответствуюпи-гм входам первой грунны первых нейронных элементов нервой н второй групп, управляющпй выход второго коммутатора соедннен с унравляющими

входами коммутаторов иервой и второй грунн, унравляющне входы ключей, фильтра и второго коммутатора, н входы второй группы нейронных элементов нервой н второй грунн являются входамн устройства.