Устройство для моделирования нейронных ансамблей Советский патент 1982 года по МПК G06G7/60 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЙРОННЫХ Изобретение относится к бионике и вычислительной технике и предназначено для моделирования биологических процессов, а также для использования в качестве структуры для решения за-, дач, распознавания образов, задач исследования операций, краевых задач теории поля. Известно устройство для моделирования нейронной сети, содержащее блоки моделирования нейронов с синаптическими элементами, которые имеют сиг нальный и управляющий входы, генератор равномерно распределенных случайных чисел с преобразователем закона распределения, генератор тактовых импульсов и блок триггеров. Блоки моделирования нейронов представляют собой пороговое устройство с синаптическими .элементами на входе, с числоимпугьсным кодированием выходных импульсов, которые генерируются при превышении порогового уровня на аддитивно-нако пительном узле. Синаптические элеменАНСАМБЛЕЙТЫ устройства представлены в виде обычного ключа с сигнальным и управляющим входом, причем сигнал проходит через ключ в зависимости от разрешающего потенциала на управляющем входе синаптического ключа l. Однако в известном устройстве блоки моделирования нейронов представляют собой обычные пороговые элементы, работающие по принципу все или ничего, и являющиеся весьма упрощенными моделями реальных-нервных клеток, что снижает точность моделирования. Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объекту является устройство для моделирования нейронных ансамблей, содержащее наборное поле, блок ввода, блок вывода, генератор и блок моделирОи.ания нейронов, состояи й из нейроноподобных элемен тов 2. В этом устройстве нейроподобные элементы выполнены на элементах ана-: лотовой техники. Практика использова ния таких элементов показывает, что они обладают довольно низкой стабиль ностью параметров, особенно в зависи мости от времени и температуры, что существенно затрудняет моделирование на их основе тонких нейрофизиологических процессов. В известном устрой стве обеспечение требуемой структуры связей между нейроноподобными элементами осуществляется вручную, посредством механических контактов (тумблеров или шнуровых пар). Надежность таких контактов очень низка. Указанный способ соединения нейроноподобных элементов, кроме того, не позволяет автоматизировать процесс настройки устройства перед началом работы и не позволяет вести активную, -гибкую перестройку структуры связей между моделями нейрона в процессе работы устройства. Последнее обстоятельство значительно снижает . эффективность работы устройства и его функциональные возможности. Целью изобретения является увеличение надежности известного устройства, расширение его функциональных возможностей и повышение точности моделирования. Поставленная цель достигается тем что в устройство, содержащее наборно поле, блок ввода, блок вывода, генератор и блок моделирования нейронов, состояидий из нейроноподобных элементов, введены коммутатор, распределитель и дешифратор связи, выходы которого соединены с группой управляющих входов коммутатора, первая группа информационных входов которого подключена к соответствующим выходам нейроноподобных элементов, входы которых соединены с первой группой информационных выходов коммутатора соответственно вторая группа информаци онных выходов которого подключена к входам блока вывода, первый выход ге нератора соединен с управлякзщими вхо дами блока вывода, блока ввода, распределителя, дешифратора связи и с управляющим входом коммутатора, вторая группа информационных входов которого подключена к выходам блока ввода, первая группа выходов наборно .го поля соединена с входами дешифратора связи, соответственно вторая группа выходов наборного поля соедияена с соответствующими входами распределителя, каждая группа выходов которых подключена к управляюи им входам соответствующего нейроноподобно-го элемента, второй выход генератора соединен с входом приращения подинтегральных функций каждого нейроноподобного элемента. На фиг4 1 приведена структурная схема устройства для моделирования. нейронных ансамблей; на фиг. 2 - функциональная схема цифрового нейроноподобного элемента; на фиг. 3 - структурная схема распределителя; на фиг. 4 - функциональная схема дешифратора связи; на фиг. 5 - функциональная схема коммутатора. Устройство,для моделирования нейоонных ансамблей (фиг. 1) содержит коммутатор 1, блок 2 ввода, наборное поле 3 дешифратор 4 связи, блок 5 Моделирования нейронов, содержащий цифровые нейроноподобные элементы 6 , б, ...,6ц, генератор 7, блок 8 вывода, распределитель 9. Цифровой нейроноподобный элемент (фиг. 2 включает в себя цифровые интеграторы 10.,... 10ьц-я цифровые сумматоры 11 и 12, входы 13 ,.., 1 3, выход Ik и управляющие входы 15-1 ,-., 15ц, 16-20. Распределитель (фиг, 3 содержит два дешифратора 21 и 22, три регистра 23-25 и CH+I) К элементов И 26 (где И- число основных входов цифрового нейронопо добного элемента, С - число нейроноподобных элементов. Дешифратор связи ( Оиг. h) состоит из первого дешифратора 27, двух регистров 28 и 29, шести элементов И 30-35 и второго дешифратора Зб. Коммутатор 1 (фиг. 5), содержащий элементы И и триггеры kQ, предназначен для автоматической реализации необходимой структуры соединений между нейроноподобными элементами 6., 3 также для связи блока моделирования нейронов 5 либо через блок 8 вывода с средствами регистрации активности нейроноподобных элементов, либо через блок 2 ввода с источником световых или акустических сигналов, т.е. с внешней средой, Блок 2 служит для связи устройства с внешней средой, В качестве исходной информации, которая подлежит альнейшей обработке в блоке моделирования нейронов, используются аналоговые акустические или цветовые сигналы. Поскольку блок моделирования нейронов выполнен на

элементах цифровой техники, необходимо эти входные аналоговые сигналы перевести в цифровую форму представления. В связи с этим блок ввода представляет собой совокупность аналого- 5 цифровых преобразователей. Наборное поле 3 представляет собой панель с кнопочными переключател;.ми, посредством которых можно задавать номера

нейроноподобных элементов, номера 0 входов этих элементов, номера цифровых интеграторов в заданном нейроноподобном элементе, а также значения основных параметров, характеризующих работу моделей нейрона: синаптичес- 5 кие веса,...,-у порог в, длительность временгюго суммирования с , вес пространственного суммирования jb и вес выходного сигнала R. Нажатое состояние переключателя соответст-20 вует логической единице, отжатое логическому нулю. Вся указанная информация задается на наборном поле 3 в двоичном коде путем нажатия или отжатия соответствующих кнопочных пе-25 реключателей. Необхо/ф мая структура рвязей между-нейроноподобными элеменг тами 6 jiii, . 6ц, а соединение выхода заданногЪ нейроноподобного элемента с блоком 8 вывода или со- 30 единение входов нужного нейроноподобного элемента с блоком 2 ввода реализуется коммутатором 1 путем подачи в него управля зщих сигналов из дешифратора i связи.35

Структура соединений между элементами 6 ,6,... .IK ° 5 образуется следующим образом. Чнход первого нейроноподобного элемента 6 может быть соединен с первыми входами всех эле-. 40 ментов 6 ,6,j,.. .,6к, выход второго нейроноподо(ного элемента 6 можно подключить к вторым входам всех элементов б,, ,6.,... ,6 и выход К-го элемента 6| подсоединяется к К-ым 45

входам элементов 6. ,, Таким

образом, получить структуру связей по типу полного графа. При , этом ) входов каждого нейроноподобного элемента ( Ч - число входов 50 нейроноподобного элемента, К - число нейроноподобных элементов) остаются свободными и используются для подключения элементов 6д ,62. . - ,6 через коммутатор 1 к блоку 2 ввода. Для ре- jj ализации выбранной структуры связей между элементами ,62,... ,6 блока 5 на наборном поле 3 KHono4HHhW переключателями задаются (в двоичном

коде) номер 4С- 1 . « К ) нейроноподобного элемента и номер 5(з 1,..., И) входа этого элемента. Зта информация поступает в дешифратор ( связи и записывается соответственно в регистры 28 и 29 фиг. k , После этого на выходах соответствующих дешифраторов 36 и 27 (фиг. ) появляется сигналы, которые передаются в коммутатор 1. По этим сигналам коммутатор 1 настраивается на реализацию канала связи между выходом j-ro нейронопо-, добного элемента входом -j-ro нейроноподобного элемента. Реализация сформированного канала связи осуществляется путем нажатия кнопки Реализация канала связи, расположенной на наборном поле 3- 1ри нажатии этой кнопки на выходе элемента И 30 (фиг. появляется импульс, приходящий из генератора 7. Этот импульс и обеспечивает реализацию заданного канала связи. Разрушение какого-либо канала связи осуществляется аналогично - задается номер иейроноподобного элемента, номер его входа и нажимается кнопка Разрушение канала связи. Нажатие этой кнопки обеспечивает подачу управляющего инпульса в коммутатор -1 (фиг. 5)- Этот импульс также приходит из генератора 7 и при нажатии указанной кнопки проходит через элемент И)3 (фиг. k в коммутатор 1. При необходимости подключить один из (и-к) свободных входов какого-либо нейроноподобного элемента 6. ,6,2,. .. ,6к к блоку 2 ввода, нужно на наборном поле 3 задать номер f(i l ,. ,К этого элемента и номер выбранного свободного входа в этом элементе. Эта информация в виде двоичных кодов заносится в регистры 28 и 29 (фиг. О- Далее эта информация через дешифраторы 36 и 27 (фиг. k поступает в коммутатор 1 и настраивает его на формирование канала связи между выбранными свободньили входами задан,ного нейроноподобного элемента и блоком 2 ввода. Реализация этого канала связи происходит при нaжatии кнопки Ввод информации, расположенной на наборном поле 3- Нажатие этой кнопки обеспечивает подачу управляю1цего импульса из генератора 7 через элемент И 32 (фиг.) в коммутатор 1 , что п-иводит к реализации коммутатором 1 заданного канаг ла связи. Разрушение этого или какого-либо другого канала связи мбжду элементами 6 ,62.,... ,6ц и Г поком 2 ввода осуществляется путем задания наборном поле 3 номера элемента 6j номера его свободного входа. После этого нажимается на наборном поле 3 кнопка Блокировка ввода и из генератора 7 через элемент И 33 (фиг.О в коммутатор 1 поступает управляющий импуль, обеспечивающий разрушение коммутатором 1 заданного канала связи. Если нужно выход какого-либо эле мента Ь ,631 , . . ,6j подключить к блоку 8 вывода, то на наборном полотне 3 задается номер t этого элемента Эта информация в двоичном коде заносится в регистр 28 (йиг. k) блока и далее через дешифратор 36 поступает коммутатор 1. После этого нажатие кнопки Вывод информации, расположе ной на наборном поле 3 обеспечивает подачу из генератора 7 через элемент И 3 ( фиг. дешифратора k в коммутатор 1 управляющего импульса, что а свою очередь позволяет коммутатору 1 реализовать заданный канал связи. Разрушение этого или другого канала связи между элементами 6- и блоком 8 осуществляется при задании номера элемента и нажатия кнопки Блокировка вывода, расположенной на наборном поле 3- При нажатии той кнопки из генератора 7 элемент И 35 (Лмг. А ) дешифратора k р коммутатор 1 подается управляющий импульс, что и обеспечивает разрушение канала связи коммутатором 1. Основой устройства является блок 5 моделирования нейронов. Блок 5 состоит из цифровых нейроноподобных элементов 6, ,6,;,...,, каждый из которых реализован на основе цифровых ин теграторов и цийровых сумматоров. Сх ма во го нейроноподобного элемен та представлена на фиг. 2. В регистры подынтегральных функций цифровых интеграторов 1G , ...lOj (фиг. 2) записываются в двоичном дополнительном коде значения синаптических весов . регистры подынтегральны функций интеграторов 1 (v, ц. , 0, соответственно записываются значения веса пространственного суммирования р, порога &, длительности временного суммирования сС и веса выходной ве личины R. Запись у1 азанных параметров в регистры подынтегральных функций цифровых интеграторов осуществля ется через входы 15/( 15 16, 18 19 и 20 цифровых нейроноподобных эле ментов. Генератор 7 содержит генератор тактовых и/ пульсов и генератор стандартных сигналов, предназначенный для формирования и подачи в блок моделирования нейронов 5 (Лиг, 1) приращений независимой переменной t. Приращения fit представляют соббй импульсы, длительность которых равна времени прохождения тактовых импульсов, что обусловлено спецификой работы цифровых интеграторов, на к6торых реализованы нейроноподобные элементы 6/|,...,6,, блока моделирования нейронов 5 (.фиг. 1 . Блок 8 вывода предназначен для регистрации активности нейроноподобных элементов 6 ,6/2 «С-к фиг. 1 . Он содержит преобразователи типа коданалог, что позволяет фиксировать выходные характеристики нейроноподобных элементов на самописцах или графопостроителях. Распределитель 9 служит для записи в регистры подынтегральных функций цифровых интеграторов нейроноподобных элементов 6 ,6, . . . ,6 параметров д,. . . ,3,p,&,ot и R (фиг.Т). Для осуществления записи конкретного параметра (из указанных выше) в соответствующий цифровой интегратор заданного нейроноподобногр элемента, необходимо задать на наборном поле 3 ( кнопочными переключателями ) номер этого нейроноподобного элеуиента и номер нужного интегратора в этом элементе. Двоичный код номера цифрового нейроиоподобного элемента (задаваемый на наборном поле кнопочными переключателями) записывается Ё регистр 2i САЙГ. ЗК В регистр 25 записывается двоичный код номера цифрового интегратора в заданном нейроноподобном элементе. Регистр 23 служит для записи значения (в двоичном дополнительном коде) одного из параметpoB-jp ,p,&,d,R, который подлежит записи в выбранный интегратор, заданного нейроноподобного элемента. Информация из регистров 24 и 25 (фйг.З) поступает на дешифраторы 21 и 22, В соответствии с заданным номером цифрового нейроноподобного элемента и номером цифрового интегратора в этом элементе выходные сигналы дешифраторов 21 и 22 открывают один из элементов И. Через этот элемент И значения ( в двоичном дополнительном коде) заданного параметра (записанное в pet истре 23) подается на соответствующий вход заданного нейроноподобного элемента, записывается в регистр подынтегральной функции выбранного цифрового интегратора. После задания всех необходимых пара лe poв/ ,. . , .( , Д, R во все ней ррноподобные элементы fvf .б. 6jf и реализовав заданную структуру связей между ними, устройство готово к работе. Устройство работает следующим образом. Из генератора 7 в блок 5 моделирования нейронов подается значение . независимой переменной Л-fc. Световые или акустические непрерывные сигналы поступают из внешней среды (или специализированного источника этих сигналов) в блок 2 ввода. В блоке 2 непрерывно сигналы преобразуются в циф ровой код и через коммутатор 1 подаются на выбранные.входы заданных цифровых нейроноподобных элементов 6 (-i 1,... ,К ) блока 5 « делирования нейронов. Заданная структура связей между элементами блока 5 моделирования нейронов и алгоритм работы отдельного нейроноподобного элемента определяют закон функционирования всего нейронопо добного ансамбля.Цифровая информация, поступающая в блок 5 моделирования нейронов, обрабатывается в этом блоке в соответствии с законом функционирования кейроноподобного ансамбля. При необходимости фиксации процесса функционирования отдельного нейроноподобного элемента (или группы элементов), его выход (их выходы) подключается (подключаются) через ко мутатор 1 к блоку 8 вывода, к кото1{)ому в свою очередь подсоединены сам фисцы или графопостроители. Информация о функционировании нейроноподоСного элемента (группы элементов), по лучаемая на самописцах или графопостроителях, является очень наглядной что облегчает анализ поведения нейро ноподобного ансамбля в целом. 3 слу чае необходимости, можно, в процессе функционирования нейроноподобного ансамбля образовывать новые или иск 1ючить имеющиеся каналы связи. Эт достигается при помощи блоков 1, 3 и Ц описанным выше способом. Использование новых элементов и .связей позволяет автоматизировать процесс настройки устройства перед началом работы и вести активную, гибкую перестройку структуры связей 9 0 между его элементами в процессе раСо-. ты, что существенно увеличивает эффективность его работы и расширяет функциональные возможности. Использование в устройстве для моделирования нейронных ансамблей цифровых нейроноподобных элементов повышает стабильность его работы и увеличивает точность моделирования. Формула изобретения Устройство для моделирования нейронных ансамблей, содержащее наборное поле, блок ввода, блок вывода, генератор и блок моделирования нейронов, состоящий из нейроноподобных элементов, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности моделирования, в него введены коммутатор, распределитель и дешифратор связи, выходы которого соединены с группой управляющих входов KOMMytaтора, первая группа информационных входов которого подключена к соответствующим выходам нейроноподобных элементов, входы которых соединены с первой группой информационных выходов коммутатора соответственно, вторая группа информационных выходов которого подключена к входам блока вывода, первый выход генератора соединен с управляющими входами блока вывода, блока ввода, распределителя, дешифратора связи с управлякмдим входом коммутатора, вторая группа информационных входов которого подключена к выходам блока ввода, первая группа выходов наборного поля соединена с входами дешифратора связи соответственно, вторая группа выходов наборного поля соединена с соответствущими входами распределителя, каждая груп- , па выходов которого подключена к уп-. равляющим входам соответствующего нейроноподобного элемента, второй выход генератора соединен со входом приращения подынтегральных функций каждого нейроноподобного элемента. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 96572, кл. G 06 G 7/60, 1975. 2. Авторское свидетельство СССР № 78329, кл. G 06 G //60, 1975 (прототип).

7

Фуъ.2

Й1

Its

|§.|

)

2S о о

n М 5с§

Реализация канала связи

о;

Разрушение канала сдязи

Ввод информации

Влокаробка ввода

Вывод информации

ВАОкиро ка Вывода