Устройство для моделирования условно-рефлекторных связей Советский патент 1982 года по МПК G06G7/60 

1

Изобретение относится к электрическому моделированию центральной нервной системы и предназначено для использования в системах искусственного, интеллекта для образования временных условнорефлекторных связей между ана- нейтронных сетей в целях самообучения и самоорганизации этих систем, р связи с чем может найти применение в роботах, а также в физиологи-| ческих экспериментах для моделирования условнорефлекторных комплексов.

Известно устройство для моделирования нервной системы, содержащее линейные и нелинейные преобразователи, пороговые элементы,-элементы И, сумматоры, накопители, линии задержки, позволяющие перестраивать моделируемые физиологические реакции посредством переадресации входного сигнала .fXzo

Однако устройство не моделирует условнорефлекторные связи.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для моделирования условных рефлексов, содержащее N групп источников

.напряжения, N источников условных сигналов, ш источников безусловных сиг. налов и N ассоциативных блоков обработки сигналов.

Каждый ассоциативный блок содержит регистры и накопители. Работа известного устройства заключается в образовании пространственной комбинации импульсов, поступающих на рецепторы, и пространственной комбинации (мпульсов, поступающих на эффекторы 2}.

Однако данное устройство-недостаточно точно моделирует некоторые свойства условнорефлекторных связей, играющих существенную роль в процессах обучения и переобучения, связанных с условнорефлекторной деятельностью, например угасание условных рефлексов, выработку условных рефлексов в условиях неопределенности сочетания условных и безусловных сигналов и т.п. ,Кроме того, устройство относительно , сложно, и при применении его в решении конкретных задач образования связей между сетями возникают трудности, так как пространственная ассоциация комбинации импульсов при помощи регистров, учитывая многократные преобразования сигналов, несущих информацию в нейронных сетях, и их вариабель ность была бы затруднительной и требо вала бы еще большего усложнения. Цель изобретения - повышение точности модели ро вани я. Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее N групп источников напряжения, М источников условных сигналов, m источников безусловных сигналов и N ассоциативных блоков обработки сигналов, введены m преобразователей частоты в напряжение блок из N групп по m ключей и модель ритмообразующего нейрина, выход которой подключен к первым входам ассоциативных блоков обработки сигналов выходы каждого i-ro (i 1,2,...,N) ассоциативного блока обработки сигналов соединены соответственно с управляющими входами ключей i-ой группы, и формационные входы которых подключены к выходу i-ro источника условных си|- налов и к второму входу (-го асСОЦИативного блока обработки сигналов, выход каждого источника безусловных сигналов через соответствующий преобразователь частоты в напряжение соеди нен Q одним из входов первой группы каждого ассоциативного блока обработки сигналов, выходы i-ой группы источ ников напряжения подключены к второй группе входов ассоциативного бло ка обработки сигналов, выходы блока ключей являются выходами устройства. Причем каждый ассоциативный блок обработки сигналов содержит узел интегрирования условных сигналов и m узлов интегрирования безусловных си1- налов, первые выходы которых подключены соответственно к группе входов суммирования узла интегрирования условных сигналов, информационный вход которого является вторым рходом блока, 1-ый (j 1,2,...,m) вход первой группы которого соединен с первым вхо дом узла интегрирования безуслов ных сигналов, второй выход которого является одним из выходов блока. пер вый и второй выходы узла интегрирования условных сигналов подключены соответственно к второму и третьему вхо дам всех узлов интегрирования безусловных сигналов, третий выход каждого узла интегрирования безусловных сигналов соединен с соответствующими входами суммирования соответствующих узлов интегрирования безусловных сигналов, четвертые входы которых подключены к первому входу блока, вторая группа входов которого соединена соответственно с пятыми входами узла интегрирования безусловных сигналов, порогозадающий вход узла интегрирования услов;Ных сигналов подключен к одному извходов второй группы блока. Узел интегрирования условных си|- налов содержит преобразователь частоты в напряжение, интегратор, схему сравнения, элемент задержки и сумматор, входы которого подключены к группе входов суммирования узла и к пороГозадающему входу узла, информационный вход которого через преобразователь частоты в напряжение соединен с первым выходом узла и с входом интегратора, выход которого подключен к первому входу схемы сравнения, выход которой соединен с вторым выходом узла, выход сумматора через элемент задержки подключен к второму входу схемы сравнения. Узел интегрирования безусловных сигналов содержит два сумматора, схему сравнения, элемент запоминания напряжения, первый и второй ключи, управляющие входы которых соединены соответственно с вторым и четвертым входами узла, первый вход которого подключен к входу первого ключа, выход которого соединен с первым выходом узла и с первым входом первого сумматора, выход которого подключен к входу второго ключа, выход которого соединен с входом элемента запоминания напряжения, выход которого подключен к третьему выходу узла, к второму входу первого сумматора и к первому входу схемы сравнения, выход которой соединен с вторым выходом узла, пятый и суммирующие входы которого подключены к входам второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом схемы сравнения, управляющий вход элемента запоминания напряжения подключен к третьему входу узла. На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 - схема ассоциативного блока обработки сигналов; на фиг, 3 - схема узлов интегрирования условных и безусловных сигналов; на фиг. график функции U f(t) на входе- схемы сравнения.

Устройство содержит источники 1, моделирующие безусловные сигналы, 5 источники 2, моделирующие условные сигналы, источники 3 напряжения, преобразователи частоты в напряжение, ассоциативные блоки 5 обработки сигналов, модель ритмообразующего ней- Ю рона 6, блок 7 ключей, эффекторные выходы 8 и ассоциативные-ВЫХОДЫ 9В качестве источников условных и безусловных сигналов могут быть использованы соответствушдие модели 15 аффекторных и эффекторных нейронных сетей, а также сети распознавания образов.

Блок 5 (фиг. 2) содержит узел 10 интегрирования условных сигналов и м П1узлов 11 интегрирования безусловных сигналов.

На фиг. 3 представлены схемы узлов 10 и 11, их взаимные соединения и соединения их с блоком 7. Соедине- 25 ния узла 10 с остальныгни узлами 11 блока 5 идентичны.

Узел 10 содержит преобразователь 12 частоты в напряжение, интегратор 13, схему 14 сравнения, эле- зо мент 15 задержки и сумматор 16.

Узел 11 содержит первый ключ 17, первый сумматор 18, второй ключ 19, элемент 20 запо «1нания входного напряжения, схему 21 сраввения и вто- j рой сумматор 22.

В нормальном положении все ключи устройства закрыты.

Устройство работает следующим образом.40

Устройство моделирует большинство операций, связанных с выработкой и угасанием условных временных связей, вариабельность которых зависит от временно-пространственного сочетания j сигналов Х(Х,Х2,...,Х) и безусловных сигналов Y(Y,У2,...,Y) как в словиях достаточной определенности этих сочетаний, так ив условиях неопределенности, а также влияния, свя-Lj занные с моделируемым типом нервной системы и моделируемым эмоциональным состоянием.

Выработка нормального условного рефлекса. X тождествен У, ec/w за X остоверно следует У, при этом воздей ствие X опережает воздействие У, и воздействие У продолжается более д/wтельное время, чем X. При этом достоверность следствия Х-У определяется числом предшествующих этих следствий и уменьшается при Х-У. Работает устройство в этом случае следующим образом. С выхода некоторого источника 2 сигнал X поступает на второй вход соответствующего блока 5. Вслед за этим с выхода источника 1 через соответствующий преобразователь 4 сигнала У поступает на соответствующий вход блоков 5. Однако У будет обрабатываться лишь EI том блоке 5i на вход которого за некоторое обусловленное время поступит сигнал X. Си1- нал X поступает на вход поеобразова- теля 12 частоты в напряжение (Фиг.З) ; напряжение с выхода которого открывает ключ 17 узла 11 данного блока 5. В том из узлов 11-, на вход ключа 17 которого поступает напряжение, пропорциональное частоте импульсов си(- |Нала У, напряжение через открытый, ключ 17 поступает на первый вход сумматора 18 и одновременно подается на соответствующий вход сумматора 1б узла 10. В узле 10 напряжение с выхода преобразователя 12 поступает на вход интегратора 13. В интегратора прюисходит интегрирование напряжения } выхода преобразователя 12 по времени , в течение которого напряжение по tTynaeT на вход интегратора 13.

ъ

С момента t прекращения подачи напряжения U (фиг. А) напряжение U выхода интегратора начинает падать за счет разрядки интегрирующего конденсатора.

При достижении U U2 (где Uj напряжение на втором входе схемы 1 сравнения, обусловленное напряжением на первом входе сумматора 16) на выходе схемы 1f сравнения появляется напряжение, которое поступает на управляю1иий вход элемента 20. В узле 11 напряжение с выхода сумматора 18 поступает на информационный вход ключа 19 которьй работает в ритме поступления на его управляющий вход потенциалов с выхода модели ритмообразующего нейрона 6. Напряжение на управляющем входе элемента 20 с выхода сумматора 18 зaпo «инaeтcя в момент закрытия ключа 19 или управляющего входа элемента 20.

Управляющий вход элемента 20 закрывается в момент скачкообразного повышения напряжения на втором входе схмы Т сравнения, прекращая поступлени 79 напряжения в элемент 20. Напряжение с выхода элемента 20 поступает на вто рой вход-сумматора 18, вес которого задается меньше единицы. Одновременно напряжение с выхода элемента 20 посту пает на соответствукниие входы сумматоров 22 atex других узлов 11, повыша тем самым пороговое напряжение на вто рых входах соответствующих схем 2Т сравнения. Таким образом порог для всех других возможных сочетаний Х-У п вышается. Последний процесс усиливает способность системы к дифференцировке При новом сочетании Х-У напряжение первого входа сумматора 18 суммируется с напряжением второго его входа и в момент закрытия ключа 19 или управляющего входа элемента 20 суммиро ванное напряжение запоминается на эл мента 20. Таким образом, напряжение и5 на выходе элемента 20 будет дискретно расти по зависимости izn-H . и, 11 au/, {-О где )t - начальное напряжение на пер вом входе схемы сравнения пр первом сочетании Х-У, равное b и« где b - вес первого сум матора 18; а - вес его второго входа; п - число сочетаний Х-У. При достижении Uc U, напряжения на втором входе схемы 21 сравнения напряжение с ее выхода поступает на управляющий вход ключа 7 блока 7 и ,открывает его. С этого момента .сигнал X поступает на соответствующий ассоциативный вход 9 устройства в момент времени t,,-, опережая эквивалентт ный теперь ему сигТнал У на соответствующем выходе 8 устройства на отрезбк времени tgto. Угасание условного рефлекса в условиях отсутствия подкреплений сигнала X сигналом У. В этом случае при существовании обратной связи 8 при весе второго входа сумматора 18 ниже единицы, например 0,9, в результате поступления сигнала X на выходе сумматора появится напряжение величины другой, чем было до этого на выходе элемента 20. При многократных п неподкрепленных сигналов X на выходе элемента 20 образуется напряжение Uy В момент, когда i- (. U ключ J перейдет в закрытое состояние и условная связь Х-У прервется. 6 При поступлении неподкрепленного сигнала X элемент 20 находится в активном запоминающем состоянии более длительное время, чем в случае подкрепления Х-У, так как на соответствуюи4ий вход сумматора 16 не поступает напряжение с выхода ключа 17. Дискретизация поступления напряжения на вход элемента 20 осуществляется в этом случае за счет модели нейрона 6, который управляет ключом 19. При этом в зависимости от ритма работы модели нейрона 6 ключ 19 может срабатывать К раз в течение активизации элемента 20. В соответствии с этим угасание условного рефлекса Х-У будет ускорять-, ся Угасание и торможение условного рефлекса Х-У при появлении новых сочетаний Х-У. При появлении сочетания услооного сигнала с новым безусловHbtM сигналом одновременно с угасанием связи Х-У происходит и ее торможение, так как на один из суммирующих входов сумматора 22 узла 11 , на-вход котороего ранее поступал сигнал У, поступает теперь напряжение с выхода блока 11, на Вход которого поступил данный безусловный сигнал У. Это приводит к повышению порогового напряжения на втором входе схемы 21 сравнения, что приводит к ускорению дифференциации и переобучению устройства на новое сочетание условного и безусловного сигналов. Моделирование на устройстве условнорефлекторных процессов в зависимости от типа нервной системы и эмоционального состояния. В основу классификации типов нервной системы по И.П. Павлову положено соотношение возбудимых и Topt4O3Hbtx процессов при выработке рефлексов и их подвижность. Сильный, подвижный тип нервной системы, характеризущийся сильными возбудимыми и сильными тормозными процессами, большой подвижностью моделируется на устройстве путем задания быстрых (эитмав модели ритмообразующего нейрона, управляющего работой ключа 19 (фиг. 3). 8 интервале времени trttj. активизации, элемента 20 ключ 19 будет открыт несколько раз. В результате конечное напряжение на выходе элемента 20 за интервал времени t;,,t будет определяться как где п - число, показывающее сколько раз ключ 19 перешел в открытое состояние за время Таким образом при п сочетаниях Х-У напряжение на выходе элемента 20 за-. . поминания будет равно И .И 5 - -с- ,-„ и и J . - д 1 Л При угасании связи Х-У будет имет1 место соотношение , - а Og. Подвижност.ь процессов возбуждения ,и торможения при повышении ритма jieftсмекерного нейрона 6 способствует ускорению обучения и переобучения устрой- ства, что а естественном аналоге характеризует сильный подвижный тип нервной системы. Напротив, уменьшение ритма модели ритмообразующего нейрона 6 будет задерживать эти процессы, что характери зует слабый тип нервной деятельности. Моделирование двух крайних вариантов сильного типа (возбудимого и тормозного) осуществляется весом второго входа сумматора 18. При весе его, при ближающемся к единице, будут преобладать возбудимые процессы, т.е. выработка условных рефлексов будет проис- -ходить быстро, а их угасание - замедленно, при задании веса значительно меньше единицы (например,О,5) выработка условных рефлексов будет задерживаться, но угасание их - ускоряться Моделирование влияния положительных эмоций, повышающих подвижность условнорефлекторных процессов, и моделирование отрицательных, замедляютих условнорефлекторные процессы, -так же осуществляется изменением ритма модели ритмообразующего нейрона о. Моделирование условнорефлекторных процессов в условиях неопределенности, сочетания условных и безусловных сигналов. Реальная ситуация, когда условий сигнал не всегда сопровождается одним и тем же безусловным сигиалом, а безусловному сигналу не ecei да предшествует один и тот же условный, создает известную неопределенность в принятии решения, которое требует выделения закономерных сочетаний (информативных) от случайных 95 -„ . 610 (шум). в данном случае разрешение неопределенности в работе устройства происходит без вмешательства экспери ментатора автоматически. Каждое сочетание условного сигнала с безусловным происходит в силу описанных выше механизмов выработки и угасания условных рефлексов, приводит к увеличению дифференцировочного напряжения на вхоч - - -о, «- с дах всех других сумматоров 22 блока 5, кроме входов сумматора блока 11, на вход которого поступил безусловный сигнал в данном сочетании с условным. Если до этого были другие сочетания условного сигнала с безусловным и на входе данного сумматора 22. было создано опорное дифференцировочное напряжение, то после поступления на его вход безусловного сигнала это дифференцировочное напряжение снижается за счет снижения напряжения на выходах элементов 20 других узлов 11 данного, блока 5 по причине отсутствия напряжения на первых входах сумматоров 18 этих блоков и активизации элемента 20. Если при этом из возможных сочетаний Х-У, Х-Уп ,...,Х-УП выделяется неко-. торое, например Х-У, своей частотой появления по сравнению с другими сочетаниями, то условный рефлекс вырабатывается в конечном итоге на это сочетание и оно выделяется как наиболее достоверное, при этом скорость выработки условного рефлекса, естественно, задерживается по сравнению с условиями Такое замедление выработки модели условного рефлекса соответствует замедлению его выработки а условиях неопределенности в реальной естественной системе. Как любая система обработки информации, устройство для принятия решения в условиях неопределенности (шума) требует избыточности. достигается путем увеличения количества запросов (вводимых сочетани) Как и в предыдущих случаях, ритмы модели нейрона 6 .определяют скорость принятия решения, т.е. выбора наиболее достоверного сочетания условного и безусловного сигналов. Здесь, однако, можно моделировать некоторые вариабельности принятия решения естественной систег-юй, в том числе и человеком. Известны склонности принятия слишком поспешных решений, так же, как и склонност к нерешительности. На устройстве эти вариабельности моделируют Ья ритмом модели нейрона 6. При повышении частоты ритма происходит быс рая дифференцировка условных рефлексов, т.е. быстрое угасание предыдущи и выработка новых. Для принятия решения в этой ситуации необходимо минимальное количество новых сочетаний. Однако здесь возможны ошибки, свойст венные поспешному принятию решений. Например, после быстрого угасания реф лекса на сочленение Х-У2 и выработки рефлекса на сочленение Х-У снова с большей частотой появляется Х-У. В этом случае принятие решения Х-У является поспешным и ошибочным. Напротив, при замедлении ритмов модели нейрона 6 происходит более длител ная дифференцировка и выборка истинных сочетаний. В этом случае система ошибаться будет меньше, но и принятие решения будет замедлено. Слишком частые и слишком медленные ритмы .модели нейрона 6 обеспечивают моделирование некоторого парадоксального явления в выработке решений, заключающегося в том, ЧТО при сли.шком быстрых ритмах, как и при слишком медленных, вероятности ошибки и запаздывание в принятии решений увеличиваются подобно тому, как слишком нерешительный человек в конце концов принимает ошибочное решение. Подбором ритма модели ритмообразующего нейрона 6 вырабатывается оптимальная стратегия принятия решений. Моделирование нестабильности усл.овнорефлекторных процессов может осуществляться на устройстве посредством увеличения продолжительности пейсмекерных потенциалов модели нейрона 6 с одновременным увеличением интервалов между ними и задания апериодического ритма модели нейрона 6. В данном случае, моделирование пре следует цель проверки гипотезы о том что хорошо известная нестабильность нервных процессов, о том числе и условнорёфлекторных, зависит от перестроек ритмоводящих механизмов нервной системы и их циклов. Данное устройство достаточно точно моделирует процессы выработки условнорефлекторных связей в центральной нервной системе. Устройство позв ляет моделировать угасание и. выработку условных рефлексов в различной степени неопределенности поставлен ных задач-с выделением наиболее правильных решений. Введение в устройство модели пейсмекерного нейрона значительно расширяет диапазон моделируемых функций, позволяет моделировать влияние типа нервной системы и эмоций на условнорефлекторные процессы и их подвижность. Применение устройства в физиологических экспериментах может быть полезным в уточнении роли ритмоводящих механизмов центральной нервной системы в образовании межнейронных и временных условнорефлекторных связей. Устройство может применяться в обучающихся системах, в том числе в роботах. Формула изобретения 1.Устройство для моделирования условнорефлекторных связей,содержащее Н групп источников напряжения, N источников условных сигналов, m источников безусловных сигналов и N ассоциативных блоков обработки сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности моделирования, в него введены п преобразователей частоты в напряжение, блок из N групп по m ключей и модель ритмообразующего нейрона, выход которой подключен к первым входам ассоциативных блоков обработки сигналов, выходы i-ro (i 1,2,...,N) ассоциативного блока обработки сигналов соединены соответственно с управляющими входами ключей i-й группы, информационные входы которого подключены к выходу i-ro источника условных сигналов и к второму входу i-ro ассоциативного блока обработки сигналов, выход каждого источника безусловных сигналов через соответствующий преобразователь частоты в напряжение соединен с одним из входов первой группы каждого ассоциативного блока обработки сигналов, выходы i-й группы источников напряжения подключены к второй группе входов i-ro ассоциативного блока обработки сигналов, выходы блока ключей являются выходами устройства, 2.Устройство по п. 1, о т л ичающееся тем, что каждый ассоциативный блок обработки сигналов содержит узел интегрирования условных сигналов и m узлов интегрирования безусловных сигналов, первые выходы которых подключены соответственно к группе входов суммирования узла интегрирования условных сигналов, информационный вход которого является вторым входом блока j-и ( j 1,2,... /р) вход первой группы которого соединей с первым входом -го узла интегрирования безусловных сигналов, второй выход которого является одним из выходов блока, первый и второй выходы узла интегрирования условных сигналов подключены соответственно к второму и третьему входам всех узлов интегрирования безусловных сигналов, третий выход каждого узла интегрирования безусловных сигналов соединен с соответствующими входами суммирования соответствую1цих узлов интегрирования безусловных сигналов, четвертые входы которых подключены к первому входу блока, вторая группа входов которого соединена соответственно, с пятыми входами узла интегрирования безусловных сигналов, порогозадающий вход узла интегрирования условных сигналов подключен к одному из входов второй группы блока. 3. Устройство по пп. 1 и 2, о т ли чающееся тем, что узел ин тегрирования условных сигналов содержит преобразователь частоты в напряжение, интегратор, схему сравнения, элемент задержки и сумматор, входы ко торого подключены к группе входов суммирования узла и-к порогозадающему входу узла, информационный вход которого через преобразователь частоты в напряжение соединен с первым выходом 95 6 узла и с в содом интегратора, выход которого подключен к первому входу схемы сравнения, выжэд которой соединен с вторым выходом узла, выход сумматора через элемент задержки подключен к второму входу сравнения. . Устройство по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю 1Ц е е с я тем, что узел иитегрирования безусловных сигналов содержит два сумматора, схему сравнения, элемент запоминания напряжения, первый и второй ключи, управляющие входы которых соединены соответственно с вторым и четвертым входами узла, первый вход которого подключен к входу первого ключа, выход которого соединен с первым выходом узла и с первым входом первого сумматора, выход которого подключен к входу второго ключа, выход которого соединен с входом элемента запоминания напряжения, выход которого подключен к третьему выходу узла, к второму входу первого сумматора и к первому входу схемы сравнения, выход которого соединен с вторым выходом узла, пятый и суммирующие входы которого подключены к входам второго сумматора,выход которого соединен с вторым входом схемы сравнения, управляющий вход элемента запо1 нания напряжения подключен к третьему входу узла. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 51790, кл. G 06 G 7/60, 1972. 2.Авторское свидетельство СССР № , кл. G 06 G 7/60, 1972 (прототип).

о

ЛЧЕЬ

а

Пч1}-- /

m PI

,

/Г

f3

ft

f

44}-K

r ff

J,

ff

-4н

лг

a

ff : 4 ff fi ««