Устройство для распознавания ситуаций

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах идентификации ситуаций по нескольким параметрам при нечетком соотнесении их возможных значений с конкретной ситуацией. Техническим результатом является повышение устойчивости распознавания ситуаций за счет учета на i-м цикле распознавания оценок, полученных на предыдущих циклах. Для этого устройство содержит генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, блок памяти постоянных значений, вычислители функции принадлежности, умножители на коэффициенты важности, сумматоры, блок выделения максимального сигнала, блок объединения информации. 5 ил., 2 табл.

Предлагаемое изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах идентификации ситуаций по нескольким параметрам при нечетком соотнесении их возможных значений с конкретной ситуацией, а также при распознавании классов объектов наблюдения на основе разнородной исходной информации.

Известно устройство для распознавания ситуаций (авторское свидетельство СССР 1357934, G 06 K 9/00), содержащее многоразрядные регистры сдвига генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, блок памяти постоянных значений и блок выделения максимального сигнала.

Известно также устройство для распознавания ситуаций (авторское свидетельство РФ 2012056, G 06 K 9/00) содержащее многоразрядные регистры сдвига, генератор тактовых импульсов, вычислители функции принадлежности, умножители, сумматоры и блок выделения максимального сигнала.

Недостатком известных устройств является их неустойчивость к флюктуациям значений параметров. Например, если устройство в течение некоторого времени распознает воздушный объект (ВО) как летательный аппарат (ЛА) и в какой-то момент времени совокупность значений параметров под воздействием случайных факторов (возмущения среды, ошибки измерения и т.д.) стала более соответствовать такому объекту, как стая мигрирующих птиц, то данное устройство сразу же откажется от предыдущего решения и будет предлагать новое решение. Однако ситуация, как правило, не может измениться мгновенно. Необходимо определенное время для того, чтобы она преобразовалась в другую ситуацию. Поэтому устройство, распознающее текущую ситуацию, должно обладать определенным запасом устойчивости по отношению к случайным изменениям значений параметров текущей ситуации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качество прототипа устройство для распознавания ситуаций (авторское свидетельство РФ 2012057, G 06 K 9/00), содержащее многоразрядные сдвиговые регистры по числу параметров, характеризующих ситуацию, информационные входы которых являются соответствующими входами устройства, генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, блок памяти постоянных значений, вычислители функции принадлежности, умножители на коэффициенты, сумматоры и блок выделения максимального сигнала, выход которого является выходом устройства, причем выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовыми входами всех многоразрядных сдвиговых регистров, выходы каждого из которых подключены к первым входам одноименных вычислителей функции принадлежности, а также к входу счетчика импульсов, выходы которого соединены с входами блока памяти постоянных значений, выходы которого подключены ко вторым входам каждого вычислителя функции принадлежности, выходы которого через умножитель на коэффициенты соединены с входами соответствующих сумматоров, выходы которых подключены к входам блока выделения максимального сигнала.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.1).

На выходы многоразрядных сдвиговых регистров 1 по сигналам генератора 2 заносятся результаты измерений S_i ^j параметров, характеризующих возможные ситуации (i= l, . ..,M; j=l,...,N, где М - число измеряемых параметров; N - число ячеек регистров, соответствующее количеству измерений каждого параметра и числу распознаваемых ситуаций). Таким образом, в установившемся состоянии в каждом регистре 1 находится N отсчетов соответствующего параметра.

Каждому j-му отсчету i-го параметра S_i ^j соответствует функция принадлежности характеризующая принадлежность j-го отсчета i-го параметра некоторой заданной ситуации.

В каждом из вычислителей функции принадлежности 3 определяется ее значение для текущих отсчетов S_i ^j. Вычислители выполнены в виде ПЗУ и программируются на соответствующую функцию принадлежности, например: где - эталонное значение i-го параметра; Δ^j_i = Δ^j_imax•σ_j(t)- допустимое отклонение текущего значения параметра от эталонного; Δ^j_imax- максимальное допустимое отклонение текущего параметра от эталонного; σ_j(t)- коэффициент сжатия максимального допустимого отклонения параметра.

Коэффициент сжатия допустимого отклонения σ_j(t) формируется следующим образом. По импульсам генератора 2 заполняется счетчик импульсов 7, на выходе которого формируется пропорциональный сигнал. Код сигнала поступает на адресные входы блока постоянных значении 8, на выходе каждого из которых формируются переменные значения величины σ_j(t), являющиеся функцией времени, которые, поступая на вторые входы вычислителей функций принадлежности 3, изменяют формируемые значения по формуле (1).

В умножителях 4 формируются взвешенные значения функций принадлежности важность i-го параметра, 0≤γ_i≤1), которые в сумматорах 5 преобразуются во взвешенные нормированные суммы: интерпретируемые как оценки распознаваемых ситуаций.

В качестве распознанной ситуации принимается та, у которой значение сформированной взвешенной нормированной суммы К_j на блоке 6 максимально, т. е.: Из описания работы устройства следует, что, несмотря на обеспечиваемую непрерывность процесса распознавания ситуации, оно не учитывает на текущем цикле распознавания результаты, полученные на предыдущих циклах, то есть не обладает памятью. Это является недостатком, так как случайное однократное изменение параметров может привести к ошибочному решению и тем самым нарушить устойчивость функционирования устройства. В свою очередь учет результатов распознавания предыдущих циклов позволяет получать более устойчивые оценки распознаваемых ситуаций.

Цель предлагаемого изобретения - повышение устойчивости распознавания ситуаций за счет учета на текущем цикле распознавания результатов, полученных на предыдущих циклах. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для распознавания ситуаций, содержащее многоразрядные сдвиговые регистры по числу параметров, характеризующих ситуацию, информационные входы которых являются соответствующими входами устройства, генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, блок памяти постоянных значений, вычислители функции принадлежности, умножители на коэффициенты, сумматоры и блок выделения максимального сигнала, выход которого является выходом устройства, причем выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовыми входами всех многоразрядных сдвиговых регистров, выходы каждого из которых подключены к первым входам одноименных вычислителей функции принадлежности, а также генератор тактовых импульсов соединен с входом счетчика импульсов, выходы которого соединены с входами блока памяти постоянных значений, выходы которого подключены ко вторым входам каждого вычислителя функции принадлежности, выходы которого через умножитель на коэффициенты важности соединены с входами соответствующих сумматоров, выходы которых подключены к входам блока выделения максимального сигнала, введены блоки объединения информации, причем выходы умножителей на коэффициент соединены с первыми входами введенных блоков объединения информации, выходы которых соединены со вторыми входами этих блоков и с входами блока выделения максимального сигнала.

Сравнительный анализ показывает, что заявляемое устройство отличается от известных наличием новых элементов - блоков объединения информации и связями каждого из них с другими элементами устройства. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна". Анализ известных авторам аналогичных технических решений показывает, что указанная выше совокупность отличительных признаков является неизвестной и, таким образом, заявляемое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг.2 изображена структурная схема устройства. Устройство содержит М многоразрядных регистров сдвига 1, генератор тактовых импульсов 2, М вычислителей функции принадлежности 3, М умножителей на коэффициенты 4, N сумматоров 5, N блоков объединения информации 6, счетчик импульсов 7, блок памяти постоянных значений 8, а также блок выделения максимального значения 9.

Изображенные на схеме элементы устройства соединены следующим образом. Выход генератора тактовых импульсов 2 соединен с тактовыми входами всех многоразрядных сдвиговых регистров 1, выходы каждого из которых подключены к первым входам одноименных вычислителей функции принадлежности 3, а также выход генератора тактовых импульсов соединен с входом счетчика импульсов 7, выходы которого соединены с входами блока памяти постоянных значений 8, выходы которого подключены ко вторым входам каждого вычислителя функции принадлежности 3, выходы которого через умножитель на коэффициенты 4 соединены с входами соответствующих сумматоров 5, выходы которых подключены к первым входам блоков объединения информации 6, выходы которых соединены со вторыми входами этих блоков и входами блока выделения максимального сигнала 9.

Устройство работает следующим образом. На входы регистров 1.i (i=1,..., М) по сигналам генератора 2 заносятся результаты измерений параметров, характеризующих состояние ситуации (i=1,...,М; j=l,...,N, где М - число измеряемых параметров; N - число ячеек регистров, соответствующих количеству измерений i-го параметра и числу распознаваемых параметров). Таким образом, в установившемся состоянии в каждом регистре 1.i (i=1,...,М) находится N отсчетов соответствующего параметра.

Каждому значению параметра соответствует функция принадлежности характеризующая принадлежность j-го отсчета i-го параметра некоторой заданной ситуации.

В каждом из вычислителей функции принадлежности 3.i (i=1,...,М) определяется ее значение для текущего отсчета S_i ^j. Вычислители выполнены в виде ПЗУ и программируются на соответствующую функцию принадлежности, например по формуле (1).

В умножителях 4. i (i=l,...,M) формируются взвешенные значения функций принадлежности которые в сумматорах 5.i (i=1,...,М) преобразуются во взвешенные нормированные суммы по формуле (2), интерпретируемые как оценки распознаваемых ситуаций.

В блоках объединения информации 6.i (i=1,...,М) происходит вычисление результирующей оценки распознаваемой ситуации путем объединения данных, полученных на предыдущем и текущем цикле распознавания. Программирование блоков 6. i (i=1,...,М) осуществляется в зависимости от области, в которой планируется использовать данное устройство. Примерами стратегий являются: оптимистическая (выбор наибольшего: K_j=max{K_j-1, К_j,}) и пессимистическая (выбор наименьшего: К_j= min{К_j-1, К_j}). Кроме того, для объединения информации, полученной на различных циклах распознавания того или иного процесса, можно использовать, например, формулу среднего арифметического

Полученные результирующие значения оценок распознаваемых ситуаций поступают на вход блока выделения максимального сигнала 9, который принимает решение о наблюдаемой ситуации путем определения максимального значения сформированных оценок по формуле (3), а также на вторые входы блоков объединения информации 6.i (i=1,...,M) для их учета на следующем цикле распознавания.

При поступлении очередных результатов измерений происходит обновление выходного сигнала. При этом параллельно с работой устройства по импульсам генератора 2 заполняется счетчик импульсов 7, на выходе которого формируется пропорциональный сигнал. Код сигнала поступает на адресные входы блока ПЗУ 8. j (j=l,...,N), на выходе каждого из которых формируются в соответствии с переменными входными сигналами переменные значения величины σ_j(t), которые становятся функцией времени.

Таким образом, значения σ_j(t), поступающие на вторую группу входов вычислителей 3. i (i=1,...,М), изменяют формируемые значения функций принадлежности (1).

Рассмотрим работу i-го канала.

На вход многоразрядного сдвигового регистра 1.i последовательно поступает информация о результатах N измерений S_i-го параметра, характеризующих возможные ситуации, которые по сигналам генератора 2 заносятся в данный регистр. Таким образом, в установившемся состоянии в регистре 1.i находится N отсчетов S_i-го параметра.

Из многоразрядного регистра 1. i информация по N параллельным каналам поступает на первые входы блока 3.i.j (j=l,...,N), который содержит в себе вычислитель функции принадлежности 3.i. На вторые входы поступают значения σ_j(t), которые формируются в блоке 8.j на основании значений счетчика импульсов 7. Каждый из блоков 3.1.j определяет степень соответствия текущего значения S_i-го параметра каждой из N распознаваемых ситуаций, то есть в вычислителе функции принадлежности 3.i происходит параллельное сопоставление j-го отсчета S_i-го параметра с эталоном этого параметра. На выходе каждого блока 3. i. j (j=l,...,N, i=const) формируется количественная оценка степени соответствия текущего значения S_i-го параметра эталонному.

По N параллельным каналам полученные значения поступают на вход блоков 4. i. j (j=l,...,N, i=const), которые входят в состав умножителя 4.i и предназначены для получения взвешенных значений функций принадлежности путем умножения каждого из поступивших значений на коэффициент 0≤γ_i≤1: Это позволяет учитывать важность S_i-го параметра для характеристики той или иной ситуации.

На входы сумматора 5.j поступают взвешенные значения функций принадлежности от всех блоков 4.i.j (i=l,...,M, j=const) и преобразуются в нем во взвешенные суммы по формуле (2), интерпретируемые как оценки распознаваемых ситуаций.

Полученное значение поступает на первый вход блока объединения информации 6.i. На второй вход поступает значение, полученное на предыдущем цикле распознавания (если текущий цикл является первым, то второй вход не используется). Внутри блока происходит вычисление результирующей оценки распознаваемой ситуации в зависимости от выбранной стратегии.

Полученные в блоках объединения информации 6.i (i=l,...,M, j=const) результирующие значения оценок распознаваемых ситуаций поступают на входы блока выделения максимального сигнала 9, который принимает решение о наблюдаемой ситуации путем определения максимального из поступивших значений, а также на вторые входы блоков объединения информации 6.i (i=l,...,M) для их учета на следующем цикле распознавания.

Произведем сравнение предлагаемого устройства и прототипа по критерию устойчивости распознавания ситуации.

Предположим, что необходимо определить по результатам измерения скорости, высоты и эффективной площади рассеивания (ЭПР), какой из трех воздушных объектов (стая мигрирующих птиц, автоматический дрейфующий аэростат (АДА), гидрометеообразование) наблюдается.

Априори известно, что каждый из объектов обладает ожидаемыми (наиболее вероятными, эталонными) S_oi значениями параметров и максимальными Δ^j_imax допустимыми отклонениями значений этих параметров, а также коэффициентами сжатия σ_j(t) допустимых отклонений. Пусть для стаи птиц эталонные значения скорости миграции S_oV, высоты полета S_оH и ЭПР S_oS соответственно равны 50 км/ч, 1000 м, 0,1 м², а максимальные допустимые отклонения Δ¹_imax от этих значений соответственно не превышают 10 км/ч, 500 м, 0,03 м². Пусть σ_j(t) = 1.
Представим данную информацию в следующем виде: (50±10 км/ч, 1000±500 м, 0,1±0,07 м²). Опишем исходные данные для АДА: (50±30 км/ч, 1000±700 м, 0,5±0,07 м²) и гидрометеообразования: (40±20 км/ч, 3000+1000 м, 0,5±0,02 м²).

Пусть поступила следующая информация: на высоте около S_н= 1100 м со скоростью примерно S_V=45 км/ч перемещается воздушный объект, имеющий ЭПР S_s = 0.45 м².

На фиг. 3 представлена информация о признаке "высота" для объекта "стая мигрирующих птиц".

Значения функций принадлежности по скорости, высоте и ЭПР по формуле (1) равны:
стая птиц -
АДА -
гидрометеообразования -
Например, значение показывает, что распознаваемый ВО соответствует типу АДА по высоте на 0,90.

Блок 8. i запрограммирован на функцию σ_j(t), которая характеризует допустимое отклонение значения i-го параметра от эталонного. Функция может иметь вид, представленный на фиг.4.

Данный график показывает, что с течением времени устройством предъявляются все более жесткие требования к точности обрабатываемой информации.

Если функция имеет вид, представленный на фиг.5, то ее можно интерпретировать следующим образом: доверие к докладу наблюдателя поста визуального наблюдения о высоте полета ВО изменяется в зависимости от времени суток. В темное время суток доверие к докладу снижается, что описывается большим значением σ_j(t), т.е. наблюдателю разрешается сделать большую погрешность при оценке значения высоты полета ВО. Это позволяет осуществлять адаптацию устройства распознавания к условиям физической реальности.

В блоке 4. i осуществляется учет важности i-го параметра для распознавания ситуации. Задание важности параметров производится на основе опроса экспертов в конкретной предметной области. Полученные оценки важности параметров хранятся в виде констант в блоках 4. Например, эксперт считает, что для распознавания типа ВО информация о скорости и высоте полета ВО более важна, чем о ЭПР, т.к. ТТХ ВО не меняются, а значение ЭПР зависит от ракурса наблюдения ВО, и это выражается следующими количественными характеристиками: γ₁ = 0,8; γ₂ = 0,7; γ₃ = 0,6. Тогда взвешенные значения отсчетов параметров, определяемые по формуле стаи мигрирующих птиц, Л/А и гидрометеообразования соответственно равны:
по скорости - 0,72; 0,72; 0,70;
по высоте - 0,63; 0,63; 0,0;
по ЭПР " 0,0; 0,54; 0,54.

В блоке 5.j формируется нормированная взвешенная сумма по всем параметрам для каждого из возможных объектов. Результирующие оценки для стаи птиц, Л/А и гидрометеообразования, вычисленные по формуле (2), соответственно равны: 0,45; 0,63; 0,41.

В блоках 6.j осуществляется учет результатов распознавания предыдущего цикла распознавания в соответствии с формулой (4). При первом цикле распознавания используется текущее значение К_j.

В блоке 9 в соответствии с формулой (3) определяется тип воздушного объекта. Например, для первого цикла распознавания К_с = mах{0,45; 0,63; 0,41} = 0,63. Это означает, что система распознала наблюдаемый объект как АДА. Таким образом, получены результаты на первом цикле распознавания ситуации.

Пусть для прототипа на выходе блока 5.i, а следовательно, и на i-м входе блока выделения максимального сигнала 9, последовательно в моменты времени t_j (j=1,...,10) появляются следующие оценки наблюдаемого ВО (табл.1).

Найдем математическое ожидание М[К] по следующей формуле:

Используя следующую формулу для среднеквадратического отклонения:

получаем, что σ[K]_прот = 0,144.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства. Пусть на выходе i-го сумматора в момент времени t₁ получена оценка K₁=0,63. Пусть также в моменты времени t_j (j= 2, ..., 10) появляются следующие оценки одной из возможных ситуаций, представленные в табл.1. Для предлагаемого устройства на i-й вход блока выделения максимального сигнала поступают значения оценок, преобразованные в блоке объединения информации но формуле (4) и представленные в табл.2.

Используя формулу для вычисления среднеквадратического отклонения оценки распознаваемой ситуации от реальной, находим: σ[K]_пред = 0,077.

Сопоставляя полученные результаты, можно утверждать, что предлагаемое устройство, благодаря введению блоков объединения информации, позволяющих учитывать при распознавании ситуации результаты предыдущих циклов распознавания, повышает устойчивость распознавания ситуации на
в

Формула изобретения

Устройство для распознавания ситуаций, содержащее многоразрядные сдвиговые регистры по числу параметров, характеризующих ситуацию, информационные входы которых являются соответствующими входами устройства, генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, блок памяти постоянных значений, вычислители функции принадлежности, умножители на коэффициенты важности, сумматоры и блок выделения максимального сигнала, выход которого является выходом устройства, при этом выход генератора тактовых импульсов соединен с входом счетчика импульсов и с тактовыми входами всех многоразрядных сдвиговых регистров, выходы каждого из которых подключены к первым входам соответствующих вычислителей функции принадлежности, выходы счетчика импульсов соединены с входами блока памяти постоянных значений, выходы которого подключены к вторым входам всех вычислителей функции принадлежности, выходы каждого из которых через соответствующий умножитель на коэффициенты важности соединены с входами соответствующих сумматоров, отличающееся тем, что в него введены блоки объединения информации, при этом выходы сумматоров соединены с первыми входами соответствующих блоков объединения информации, выходы блоков объединения информации соединены с вторыми входами блоков объединения информации и с входами блока выделения максимального сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7