Устройство для моделирования нейронных ансамблей

 

Союз Советсиик

Социапистическиз

Респубики

asxe cxoaav es gnaasns3r (6I ) Дополнительное к авт. свнд-ву (51)М. Кл. (22)Заявлено 24.03.80 {21) 2923169/18-24 с присоединением заявки,%

G 06 G 7/60

3Ъвударстаепей какитет

СССР ав делам иаобретеиий и втарытий (23) Приоритет

Опубликовано 07. 02. 82. Бюллетень № 5

Дата опубликования описания 09. 02 . 82 (53) У,П.К681. 333

;п88.8) (72) Авторы изобретения

А.В. Каляев, 0.8. Чернухин, Г.А. Галуе

Таганрогский радиотехнический институт (7 I ) Зая в и тел ь (4) УСТРОЙСТВО ДЛЛ ИОДЕЛ11РОВАНИЯ НЕ11РОННЫХ

АНСАМБЛЕЙ

Изобретение относится к бионике и вычислительной технике и предназна-! чено 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 сигнальный и управляющий входы, генератор равномерно распределенных случайных чисел с преобразователем закона распределения, генератор тактовых имI5 пульсов и блок триггеров. Блоки моделирования нейронов представляют собой пороговое устройство с синаптическими . элементами на входе с числоимпульс1

20 ным кодированием выходных импульсов, которые генерируются при превышении порогового уровня на аддитивно-накопительном узле. Синаптические элементй устройства представлены в виде обычного ключа с сигнальны л 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 упрощенны" ми моделями реальных-нервных клеток, что снижает точность моделирования.

Из известных технических решений наиболее близкин по технической сущ" ности к предлагаемому объекту является устройство для моделирования ней" ронных ансамблей, содержащее наборное поле, блок ввода, блок вывода, генератор и блок моделиро ания нейронов, состоящий из нейроноподобных элемен тов (21, В этом устройстве нейроподобные элементы выполнены на элементах ана-.

03910 4

51 сигналов, т.е. с внешней средой.

Блок 2 служит для связи устройства

3 9 логовой техники. Практика использования таких элементов показывает, что они обладают довольно низкой стабильностью параметров, особенно в зависимости от времени и температуры, что существенно затрудняет модели рование на их основе тонких нейрошизиологических процессов. В известном устройстве 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 наборное поле, блок ввода, блок вывода, генератор и блок модели ро вани я ней роно в, состоящий 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 информационных выходов которого подключена к входам блока вывода, первый выход генератора соединен с управляющими входами блока вывода, блока ввода, распределителя, дешифратора связи и с управляющим входом коммутатора, вторая группа информационных входов которого подключена к выходам блока авода, первая группа во ходов наборного поля соединена с входами дешифратора связи, соответственно вторая группа выходов наборного поля соединена с соответствующими .входами рас5

2О

45 пределителя, каждая группа выходов которых подключена к управляющим входам соответствующего нейроноподобно-. го элемента, второй выход генератора соединен с входом приращения подинтегральных функций каждого нейроноподобного элемента.

На фиг. 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 ней">онных ансамблей (Фиг. 1) содержит коммутатор 1, блок 2 ввода, наборное поле 3, дешифратор 4 связи, блок 5 моделирования нейронов, содержащий цифровые нейроноподобные элементы 6, 6»,...,61<, генератор 7, блок 8 вывода, распределитель 9. Цифровой нейроноподобный элемент (фиг. 2) включает в себя цифровые интеграторы 10,,...

10„ >,цифровые сумматоры 11 и 12, входы 13,...,13и, вых .>д 14 и управляющие входы 15А,...,15и, 16-20. Распределитель (с>иг. 3 ) содержит два дешифратора 21 и 22, три регистра 23-25 и (И+4) K элементов И 26 1,где И - число основных входов цифрового нейронопо» добного элемента, !, - число нейроноподобных элементов). Дешифратор связи (с>иг. ) состоит из первого дешифратора 27, двух регистров 28 и 29, шести элементов И 30-35 и второго дешифратора 36.

Коммутатор 1 (фиг. 5), содержащий элементы И 37-39 и триггеры 40, предназначен для автоматической реализации необходимой структуры соединений между нейроноподобными элементами

61,6,...,6y, а также для связи блока моделирования нейронов 5, либо через блок 8 вывода с средствами регистрации активности нейроноподобных эле" ментов, либо через блок 2 ввода с источником световых или акустических с внешней средой. В качестве исходной информации, которая подлежит дальнейшей обработке в блоке мо-. делирования нейронов, используют" ся аналоговые акустические или саетовые сигналы. Поскольку блок моделирования нейронов выполнен на

10 6 ходе) номеР (= 1,...,К ) нейроноподобного зле лента и номер g (=1,..., И) входа этого элемента. Зта информация поступает в дешифратор 4 связи и записывается соответственно в регистры 28 и 29 r. 4 . После этого на выходах соответствующих дешифраторов 36 и 27 (Фиг. 4) появляются сигналы, которые передаются в коммутатор 1. flo этим сигналам коммутатор 1 настраивается на реализацию канала связи между выходом g-го нейронопо-, добного элемента и 1 -и входом 1-ro нейроноподабного элемента. Реализация сформированного канала связи осуществляется путем нажатия кнопки "Реали" зация канала связи", расположенной на наборносл поле 3. При нажатии этой кнопки на выходе элемента И 30 (фиг.4) появляется импульс, приходящий из генератора 7. Этот импульс и обеспечивает реализацию заданного канала связи. Разрушение какого-либо канала связи осуществляется аналогично - задается номер нейроноподобного элемента, номер его входа и нажимается кнопка "Разрушение канала связи". Нажатие этой кнопки обеспечивает подачу управляющего импульса в коммутатор 1 (фиг. 5). Этот импульс также приходит из генератора 7 и при нажатии указанной кнопки проходит через элемент И, 31 (фиг. 4) в ко лмутатор 1. При необходимости подключить один из(И - К) свободных входов какого-либо нейраноподобного элемента 6,,6,...,6К к блоку 2 ввода, нужна на йаборном поле 3 задать номер q(4=1,...,V,) этого эле" мента и номер выбранного свободного входа в этом элементе. Эта информация в виде двоичных кодов заносится в регистры 28 и 29 (фиг. 4). Далее эта информация через дешифраторы 36, и 27 (фиг. 4) поступает в коммутатор l и настраивает его на формирование канала связи между выбранными свободными входами заданного нейроноподобного элемента и блоком 2 ввода..Реализация этого канала связи происходит при нажатии кнопки "Ввод информации", расположенной на наборном no" ле 3. Нажатие этой кнопки обеспечивает подачу управляющего импульса из генератора 7 через зле лент !1 32 (фиг.4) в коммутатор 1, что и иводит к реализации коммутатором 1 заданного канала связи. Разрушение этого или какого-либо другого канала связи между элементами 6л,6,...,бк и блокам 2

5 9039 элементах цифровой техники, необходимо эти входные аналоговые сигналы перевести в цифровую форму представления. В связи с этим блок ввода представляет собой совокупность аналогоцифровых преобразователей. Наборное поле 3 представляет собой панель с кнопочными переключател .ми, посредством которых можно задавать номера нейроноподобных элементов, номера входов этих элементов, номера цифровых интеграторов в заданном нейрона" подобном элементе, а также значения основных параметров, характеризующих работу моделей нейрона: синаптичес- 15 кие веса Я„,..., порог 9, длительность времен юго суммирования сС вес пространственного суммирования 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. Необходимая структура связей между нейроноподобными элемен тами 6,Г1,...,+, а также соединение выхода заданного нейроноподобного элемента с блоком 8 вывода или со- зО единение входов нужного нейроноподобного элемента с блоком 2 ввода реализуется коммутатором l путем подачи в него управляющих сигналов из дешифратора 4 связи.

Структура соединений лежду элементамии 6, 6,...,6 < блока 5 образует ся следующим образом. Выход первого нейроноподобного элемента 6 может быть соединен с первыми входами всех зле- 1р ментов 6,6,...,6к, выход второго нейроноподобнаго элемента 6 можно подключить к вторым входам всех элементов б,6@,...,6,< и выход К-го элемента 6К подсоединяется к К-ым 45 входам элементов 6 1,6,...,6К. Таким образом, .можно получить структуру связей по типу полного графа.. При, этом (И-К} входов ка:<дога нейронопоДобного элемента (l1 — - число входов 5О нейроноподобного элемента, К - число нейроноподобных элементов) остаются свободными и используются для подключения элементов 6,6,...,6 к через коммутатор 1 к блоку 2 ввода. Для реализации выбранной структуры связей между элементами 6,6g,...,б < блока 5 на наборном поле 3 кнопочными переключателями задаются (в двоичном

7 9039 ввода осуществляется путем задания на наборном поле 3 номера элемента 6 и номера его свободного входа. После этого нажимается на наборном поле кнопка "Блокировка ввода" и из генератора 7 через элемент И 33 (фис.,4) в коммутатор 1 поступает управляющий импульч, обеспечивающий разрушение коммутатором l заданного канала связи. Бсли нужно выход какого-либо эле- 1о мента 61,6,...,6к подключить к блоку 8 вывода, то на наборном полотне 3 задается номер < этого элемента.

Эта информация в двоичном коде заносится в регистр 28 (фиг. 4) блока и далее через дешифратор 36 поступает в коммутатор 1. После этого нажатие кнопки "Вывод информации", расположенной на наборном поле 3, обеспечивает подачу из генератора 7 через элемент И 34 (фиг. 4) дешифратора ч в коммутатор 1 управляющего импульса, что в свою очередь позволяет коммутатору 1 реализовать заданный канал связи. Разрушение этого или другого 25 канала связи между элементами 6„. и блоком 8 осуществляется при задании номера элемента 6 . и нажатия кнопки "Блокировка вывода", расположенной на наборном поле 3. При нажатии 30 той кнопки из генератора 7 через элемент И 35 (Ьиг. 4 ) дешифратора ч в коммутатор 1 подается управляющий импульс, что и обеспечивает разрушение канала связи коммутатором 1. Основой устройства RBJIRBTcB блок 5 мо делирования нейронов. Блок 5 состоит из цифровых нейроноподобных элементов 6,6,..., с, каждый из которых реализован на основе цифровых ин- )g теграторов и цифровых сумматоров. Схема цифрового нейронаподобного элемента представлена на Фиг. 2. В регистры подынтегральных функций цифровых интеграторов 18,... 10 (фиг. 2) за- 4> писываются в двоичном дополнительном коде значения синаптических весов

Я,..., Яи. В регистры подынтегральных функций интеграторов 10...,l 0„,10, 10„„ соответственно записываются значения веса пространственного суммирования

f6, порога 8, длительности временнога суммирования 0L и веса выходной величины R. Запись указанных парамет1 ров в регистры подынтегральных функций цифровых интеграторов осуществляется через входы 15,1,...,15„, 16, 18, 19 и 20 цифровых нейроноподобных элементов. Генератор 7 содержит генера10 тор тактовых импульсов и генератор стандартных сигналов, предназначенный для формирования и подачи в блок моделирования нейронов 5 (йиг. 1) приращений независимой переменной д t.

Приращения Ьй представляют собай импульсы, длительность которых равна времени прохождения 21 -x тактовых импульсов, что обусловлено спецификой работы цифровых интеграторов, на которых реализованы нейроноподобные элементы 61,...,6<, блока моделирования нейронов 5 (Фиг. 1) .

Блок 8 вывода предназначен для реги ст рации акти вности ней роно подобных элементов 6,1,6,...,6 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 P,..., ф,P,9, aL и Й. (фиг. 1) . Для осуществления записи конкретного параметра (из указанных выше ) в соот вет ст вующи и цифровой и нтегратор заданного нейроноподобного элемента, необходимо задать на наборном поле 3 (кнопочными переключателями ) номер этого нейроноподобного эле,мента и номер нужного интегратора в этом элементе. Двоичный код номера цифрового нейроноподобного элемента (задаваемый на наборном поле кнопочными переключателями1 записывается Ц регистр 2 ) (фиг. 3) . В регистр 25 записывается двоичный код номера цифро8of о интегратора в заданном нейроноподобном элементе. Регистр 23 служит для записи значения (в двоичном дополнительном коде) одного из параметров р,..., ф, Р,&,о(, Я, который подлежит записи в выбранный интегратор, заданного нейронопадобного элемента.

Информация из регистров 24 и 25 (фиг. 3) поступает на дешифратары 21 и 22, В соответствии с заданным номером цифровага нейраноподабнага we" мента и номером цифрового интеграта" ра в этом элементе выходные сигналы дешифратаров 21 и 22 открывают один из элементов И. Через этот элемент И значения (в двоичном дополнительном коде) заданного параметра (записанное в регистре 23) подается на соответствующий вход заданного нейранаподобного элемента, записывается в с

Формула изобретения

9 90391 регистр подынтегральной функции выбранного цифрового интегратора. Пос1 ле задания всех необходимых параметров®,...,g„,g,ô,d., К во все нейрОноподОбнье элементы 61,6,...,61 и реализовав заданную структуру свя" зей между ними, устройство готово к работе.

Устройство работает следующим образом. 1О

Из генератора 7 в блок 5 модели" рования нейронов подается значение . независимой переменной М. 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 цифровой код и через коммутатор 1 подаются на выбранные входы заданных цифровых нейроноподобных элементов 6, (1 = 1,...,К ) блока 5 моделирования нейронов. Заданная структура связей между элементами блока 5 моделирования нейронов и алгоритм работы отдельного нейроноподобного элемента определяют закон функционирования всего нейроноподобного ансамбля. Цифровая информация, поступающая в блок моделирования нейронов, обрабатывается в этом блоке в соответствии с законом функционировани я нейроноподобного ансамбля. При необходимости фиксации процесса функционирования отдельного нейроноподобного элемента (или груп-

35 пы элементов), его выход (их выходы) подключается (подключаются) через коммутатор 1 к блоку 8 вывода, к котофому в свою очередь подсоединены самЬЕисцы или графопостроители. Информация о функционировании нейроноподобного элемента (группы элементов), получаемая на самописцах или графопостроителях, является очень наглядной, что облегчает анализ поведения неиро45 ноподобного ансамбля в целом. В случае.необходимости, можно, в процессе функционирования нейроноподобно" го ансамбля образовывать новые или и сключить имеющиеся каналы связи. Это

50 достигается при помощи блоков 1, 3 и 4 описанным выше способом.

Использование новых элементов и .связей позволяет автоматизировать. процесс настройки устройства перед началом работы и вести активную, 55 гибкую перестройку структуры связей

0 10 между его элементами в процессе рабо-. 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 точност ь модели оо вани я.

Устройство для моделирования нейронных ансамблей, содержащее наборное поле блок ввода, блок вывода, / генератор и блок моделирования нейронов, состоящий из нейроноподобных элементов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности моделирования, в него введены коммутатор, распределитель и дешифратор связи, выходы которого соединены с группой управляющих входов коммутатора, первая группа инйормационных входов которого подключена к соот" ветствующим 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 свпзи с управляющим 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 соответствующими входами распределителя, каждая груп-, па выходов которого подключена к уп-.

Ф равляющим входам соответствующего неироноподобного элемента, второй выход генератора соединен со входом приращения подынтегральных функций каждого нейроноподобного элемента.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Авторское свидетельство СССР

N 496572, кл. 0 06 G 7/60, 1975..

2. Авторское свидетельство СССР и 478329, кл. G 06 G 7/60, 1975 (прототип).

gogo>o

В

Ю р Ъ ъ ф щт Лф

СЪ Ю ь " С>С)

I с Ю в М фо о „> ö>

4 еС, 0

+o о м ое>

Реалию

Pappy

6дод и блоки дылд

Роки