Устройство для моделирования условно-рефлекторных связей
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик
G 06 G 7/60
9кударстааккыФ камктат
CCC1 .ко двлам кзааратакк% и етарыткв
Опубликовано 07. 09.82 ° Бюллетень,% 33 (53) ИК 681.333 (088.8) Дата опубликования описания 09. 09..82 (72) Автор изобретения
В. Л. Кузьменко (7Г) Заявитель
Львовский государственный медицинский (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ
УСЛОВНОРЕфЛЕКТОРНЫХ СВЯЗЕЙ
Изобретение отйосится к электрическому моделированию центральной нервной системы и предназначено для ис" пользования в системах искусственного интеллекта для образования временных условнорефлекторных связей между аналогами нейтронных сетей в целях самообучения и самоорганизации этих сис" тем, в связи с чем может найти приме" нение. в роботах, а также в физиологи-,в ческих экспериментах для моделирования условнорефлекторных комплексов.
Известно устройство для моделирования нервной системы, содержащее линейные и нелинейные преобразователи, пороговые элементы,- элементы И, сум" маторы, накопители, линии задержки, позволяющие перестраивать моделируе" мые физиологические реакции посредством переадресации входного сигналами,ао
Однако устройство не моделирует условнорефлекторные связи.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является устрой2 ство для моделирования условных рефлексов, содержащее М групп источников напряжения, К источников условных сигналов, m источников безусловных сигналов и и ассоциативных блоков обработки сигналов.
Каждый ассоциативный блок содержит регистры и накопители. Работа извест" ного устройства заключается в образовании пространственной комбинации им" пульсов, поступающих на рецепторы, и пространственной комбинации импульсов, поступающих на эффекторы f2), Однако данное устройство недо" статочно 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
957236. сложно, и при применении его в реше" нии 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 вариабельность была бы затруднительной и требовала бы еще большего усложнения. 19
Цель изобретения - повышение точности моделирования„
Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее Й групп источников напряжения, Й источников 1%
1словных 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 20 ритмообразующего нейрона, выход которой подключен к первым входам ас" социативных блоков обработки сигналов, выходы каждого i-ro (i= 1,2,...,N) ассоциативного блока обработки сигна- gg лов соединены соответственно с управляющими входами ключей i-ой группы, информационные входы которых подключены к выходу i--ro источника условных сигналов и к второму входу 1-го ассоциативного блока обработки сигналов, выход каждого источника безусловных сигналов через соответствующий преобразователь частоты в напряжение соединен r. одним из входов первой группы каждого ассоциативного блока обработ- З ки сигналов, выходы i"oé группы источников напряжения подключены к второй группе входов i-го ассоциативного блока обработки сигналов, выходы блока ключей являются выходами устройства.
Причем каждый ассоциативный блок обработки сигналов содержит узел интегрирования условных сигналов и m
43 узлов интегрирования безусловных сигналов, первые выходы которых подключены соответственно к группе входов суммирования узла интегрирования ус" ловных сигналов, информационный вход которого является вторым входом блока, -ый (j 1,2,...,m) вход первой группы которого соединен с первым входом )-го узла интегрирования безусловных сигналов, второй выход которого является одним из выходов блока, пер- з вый и второй выходы узла интегрирова« ния условных сигналов подключены соответственно к второму и третьему вхо дам всех узлов интегрирования безуслов» ных сигналов, третий выход каждого узла интегрирования безусловных сигналов соединен с соответствующими входа" ми суммирования cooTветствующих 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 сигналов содержит преобразователь частоты в напряжение, интегратор, схему сравнения, элемент задержки и сумматор, входы которого подключены к группе входов суммирования узла A к порогозадающему входу узла, информацион1 I ный 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 вто" рому входу первого сумматора и к первому входу схемы сравнения, выход которой соединен с вторым выходом уз" ла, пятый и суммирующие входы которого подключены к входам второго сум" матора, 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 интегрирова5 572 ния условных и безусловных сигналов; на фиг. 4 - график Функции 0 ** f () на входе. схемы сравнения, Устройство содержит источники моделирующие безусловные сигналы, 3 источники 2, моделирующие условные сигналы, источники 3 напряжения, пре" образователи 4 частоты в напряжение, ассоциативные блоки 5 обработки сигналов, модель ритмообразующего нейрона 6, блок 7 ключей, эффекторные выходы 8 и ассоциативные выходы 9.
В качестве источников условных и безусловных сигналов могут быть использованы соответствующие модели 1З аффекторных и зффекторных нейронных сетей, а также сети распознавания образов.
Блок 5 (Фиг. 2) содержит узел 10 интегрирования условных сигналов и 2в тузлов 11 интегрирования безусловных сигналов.
На Фиг. 3 представлены схемы узлов 10 и 11, их взаимные соединения и соединения их с блоком 7. Соедине. 2$ ния узла 10 с остальными узлами 11 блока 5 идентичны.
Узел 10 содержит преобразователь 12 частоты в напряжение, интегратор 13, схему 14 сравнения, эле" зе мент 15 задержки и сумматор 16.
Узел 11 содержит первый ключ 17, .первый сумматор 18, второй ключ 19, элемент 20 запо мнания входного напряжения, схему 21 сравнения и второй сумматор 22.
В нормальном положении все ключи устройства закрыты.
Устройство работает следующим образом. 46
Уст ройство моделирует большинство операций, связанных с выработкой и угасанием условных временных связей, вариабельность которых зависит от временно-пространственного сочетания 4 сигналов Х(Х1,Х<,...,Х ) и безуслов° ных сигналов Y(Y<,Y<,...,У„,) как в условиях достаточной определенности этих сочетаний, так и в условиях неопределенности, а также влияния, .свя50 ванные с моделируемым типом нервной системы и моделируемым эмоциональным состоянием.
Выработка нормального условного рефлекса. Х тождествен ", если за Х достоверно следует У, при этом воздей ствие Х опережает воздействие У, и воздействие У продолжается более дли" тельное время, чем Х. При этом до36 б стоверность следствия X-У определя-ется числом предшествующих этих следствий и уменьшается при Х-У. Работает устройство -в этом случае следующим образом. С выхода некоторого источника 2 сигнал Х поступает на второй вход соот ветст вующе ro 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 в, том блоке 5, на вход которого за некоторое обуслов" ленное время поступит сигнал Х. Сигнал X поступает на вход преобразова1 теля 12 частоты в напряжение (Фиг.3), 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 сигнала У, напряжение через открытый ключ 17 поступает на первый вход сумматора 18 и одновременно подается на соответствующий вход сумматора 16 узла 10. В узле 10 напряжение с выхода преобразователя 12 поступает на вход интегратора 13. В интегратора происходит интегрирование напряжения Од выхода преобразователя 12 по време" ни, в течение которого напряжение по
Ступает на вход интегратора 13.
С момента t прекращения подачи напряжения О (Фиг. 4) напряжение U выхода интегратора начинает падать за счет разрядки интегрирующего конденсатора.
При достижении U 7 0 (где U напряжение на втором входе. схемы 14. сравнения, обусловленное напряжением на первом входе сумматора 16) на выходе схемы 14 сравнения появляется напряжение, которое поступает на управляющий вход элемента 20. В узле 11 напряжение с выхода сумматора 18 поступает на информационный вход ключа 19, который 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 запоминается в момент закры- тия ключа 19 или управляющего входа элемента 20.
Управляющий вход элемента 20 закрывается в момент скачкообразного по« вышения напряжения на втором входе схе" мы 14 сравнения, прекращая поступление
957236 напряжения в элемент 20. Напряжение с выхода элемента 20 поступает на второй вход сумматора 18, вес которого задается меньше единицы. Одновременно напряжение с выхода элемента 20 посту-S пает на соответствующие входы сумматоров 22 вСех других узлов ll, повышая тем самым пороговое напряжение на вторых входах соответствующих схем 21 сравнения. Таким образом порог для всех других возможных сочетаний Х-У повышается, Последний процесс усиливает способность системы к дифференцировке.
При новом сочетании X""У напряжение первого входа сумматора 18 суммирует" >> ся с напряжением второго его входа и в момент закрытия ключа 19 или управляющего входа элемента 20 суммированное напряжение запоминается на элемента 20. Таким образом, напряжение
U на выходе элемента 20 будет диск5 ретно расти tо зависимости =n-4
5 =Х 01 Ч4)
i--0 2S где U4 - начальное напряжение Hà пер> вом входе схемы сравнения при, первом сочетании Х-У, равное
Ь U>, где Ь - вес первого сум+ матора 18; 3О а - вес его второго входа;
n - число сочетаний Х-У.
При достижении U> > 06 напряжения на втором входе схемы 21 сравнения напряжение c ee выхода поступает на управляющий вход ключа 7.„. блока 7 и,открывает его. С этого момента сиг" нал Х поступает на соответствующий ассоциативный вход 9 устройства в момент времени t, опережая эквивалент". в ный теперь ему сигнал У на соответствующем выходе 8 устройства на отезок времени 10 2
Угасание условйого рефлекса в условиях отсутствия подкреплений сиг" нала Х 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 Х на выходе сумматора появится напряжение величины другой, чем было до этого на выходе элемента 20. При "многократных и неподкрепленных сигналов Х на выходе элемента 20 образуется напряжение U7
= а1 11 т в момент, когда U7 с U6, ключ J; перейдет в закрытое состояние и условная связь Х-У прервется, При поступлении неподкрепленного сигнала Х элемент 20 находится в активном запоминающем состоянии более длительное время, чем в случае подкрепления X-У, так как на соответствующий 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 и
U7 = a US
Угасание и торможение условного рефлекса Х"У при появлении новых сочетаний Х"У. При появлении сочетания условного сигнала с новым безусловным сигналом одновременно с угасанием связи Х"У происходит и ее торможение, так как на один из суммирующих входов сумматора 22 узла .11, на вход которо го ранее поступал сигнал У, поступает теперь напряжение с выхода блока 1, на вход которого поступил данный без-условный 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.
Иоделирование 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 тормозных процессов при выработке рефлексов и их подвижность.
Сильный, подвижный тип нервной системы, характеризующийся сильными возбудимыми и сильными тормозными про« цессами, большой подвижностью моде" лируется на устройстве путем задания быстрых ритмов модели ритмообразующего нейрона, управляющего работой ключа 19 (Фиг, 3). В интервале времени активизации элемента 20 ключ 19 будет открыт несколько раз. В результате конечное напряжение на выходе
6 10 (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 входах 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 былй другие сочетания условного сигнала с безусловным и на входе данного сумматора 22 было создано опорное дифференцировочное напряжение, то после поступления на его вход безусловного сигнзла это дифференци" ровочное напряжение снижается за счет снижения напряжения на выходах эле" ментов 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-Ул, Х-У,...,Х-Уп выделяется некоторое, например Х-У, своей частотой появления по сравнению с другими соче" таниями, то условный рефлекс вырабатывается в конечном итоге на это соче" тание и оно выделяется как наиболее достоверное, при этом скорость выработки условного рефлекса, естественно, задерживается по сравнению с условиями работы, когда за X всегда следует У .
Такое замедление выработки модели условного рефлекса соответствует замед" лению его выработки в условиях неопределенности B реальной естественной системе. Как любая система обработ" ки информации, устройство для принятия решения в условиях неопределенности (шума) требует избыточности, что достигается путем увеличения количества запросов (вводимых сочетаний).
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 системой, в том числе и человеком.
Известны склонностй принятия слишком поспешных решений, так же, как и склонности к нерешительности, На уст9 . 95723 элемента 20 за интервал времени будет определяться как л =m-1
0 = 2 à U<, 1
1=о S где n - число, показывающее сколько ра 3 ключ 19 пе решел в от крытое состояние за время 4 tg. . Таким образом при и сочетаниях Х-У напряжение на выходе элемента 20 за-. >0 поминания будет рави =и-л и =е K а и<, л j--О
При угасании связи Х-У будет имет место соотношение !
56
0Т- а "5
Подвижность процессов возбуждения . и торможения при повышении ритма пей- . смекерного нейрона 6 способствует ускорению обучения и переобучения устрой" ства, что в 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.
Иоделирование двух крайних вариантов сильного типа (возбудимого и тормозного) осуществляется весом второго входа сумматора 18. При весе его, приближающемся к единице, будут преобладать возбудимые процессы, т.е. выра" ботка условных рефлексов будет происходить быстро, а их угасание - замед- З ленно, при задании веса значительно меньше единицы (например,0,5) выработка условных рефлексов будет задер" живаться, но угасание их - ускоряться.
Иоделирование влияния положительных эмоций, повышающих подвижность условнорефлекторных процессов, и мо-. делирование отрицательных, замедляющих условнорефлекторные процессы, .также осуществляется изменением ритма модели ритмообразующего нейрона 6.
Иоделирование условнорефлекторных процессов в условиях неопределенности сочетания условных и безусловных сигналов. Реальная ситуация, когда условий сигнал не всегда сопровождается одним и тем же безусловным сиг налои„ а безусловному сигналу не всегда предшествует один и тот же условный, создает известную неопределенность в принятии решения, которое требует выделения закономерных соче" таний (информативных) от случайных
9572 ройстве эти вариабельности моделируют" ся ритмом модели нейрона 6. При повышении частоты ритма происходит быст" рая дифференцировка условных рефлек- . сов, т.е. быстрое угасание предыдущих s и выработка новых. Для принятия решения в этой ситуации необходимо минимальное количество новых сочетаний.
Однако здесь возможны ошибки, свойственные поспешному принятию решений. 10
Например, после быстрого угасания реф. лекса на сочленение Х-J2 и выработки рефлекса на сочленение Х-У снова с большей частотой появляется Х-У2.
В этом случае принятие решения Х-У2 является поспешным и ошибочным. Напротив, при замедлении ритмов моде" ли нейрона 6 происходит более длительная дифференцировка и выборка истинных сочетаний. В этом случае система 20 ошибаться будет меньше, но и принятие решения будет замедлено. Слишком частые и слишком медленные ритмы, модели нейрона 6 обеспечивают моделирование некоторого парадоксального явления !5 в выработке решений, заключающегося в том, .что при слигшком быстрых ритмах, как и при слишком медленных, вероятности ошибки и запаздывание в принятии решений увеличиваются по- 36 добно тому, как слишком нерешительный человек в конце концов принимает оши" бочное решение.
Подбором ритма модели ритмообразу" ющего нейрона 6 вырабатывается оптимальная стратегия принятия решений.
Моделирование нестабильности условнорефлекторных процессов может осуществляться на устройстве посред- 4 ством увеличения продолжительности пейсмекерных потенциалов модели нейрона 6 с одновременным увеличением интервалов между ними и задания апериодического ритма модели нейрона 6.
В данном случае моделирование преследует цель проверки гипотезы о том. что хорошо известная нестабильность нервных процессов, в том числе и условнорефлекторных зависит от переУ
$0 строек ритмоводящих механизмов нервной системы и их циклов.
Данное устройство достаточно точно моделирует процессы выработки условнорефлекторных связей в центральной нервной системе. Устройство позво ляет моделировать угасание и. выработку условных рефлексов в различной ,степени неопределенности поставлен"
36 12 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 цент" ральной нервной системы в образовании межнейронных и временных,условнореф" лекторных связей.
Устройство может применяться в обучающихся системах, в том числе в роботах.
Формула изобретения
1. Устройство для моделирования условнорефлекторных связей, содержащее N групп источников напряжения, К источников условных сигналов, m источников безусловных сигналов и N ac" социативных блоков обработки сигналов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности моделирования, в него введены и преобразователей частоты в напряжение, блок из N групп no m ключей и модель ритмообразующего нейрона, выход которой подключен к первым входам ассоциативных блоков обработки сигналов, выходы i"ãî (1= 1,2,...,N) ассоциативного блока обработки сигналов соеди" нены соответственно с управляющими входами ключей i-й группы, информационные входы которого подключены к выходу i""го источника условных сигналов и к второму входу 1-го 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 1-й группы источников напряжения подключены к второй группе входов i-ro ассоциативного блока обработки сигналов, выходы блока ключей являются выходами устройства.
2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что каждый ассоциативный блок обработки сигналов содержит узел интегрирования условных сигналов и m узлов интегрирования без9572
3 условных сигналов, первые выходы которых подключены соответственно к группе входов суммирования узла интегрирования условных сигналов, информационный вход которого является 5 вторым входом блока j -й { j = 1,2,... p) вход первой группы которого соединен 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 вто-, ! рому и третьему входам всех узлов интегрирования безусловных сигналов, третий выход каждого узла интегрирования безусловных сигналов со" единен с соответствующими входами . суммирования соответствующих узлов интегрирования безусловных сигналов, зо четвертые входы которых подключены к первому входу блока, вторая группа входов которого соединена соответственно. с пятыми входами узла интегрирования безусловных сигналов, порого- 2s задающий вход узла интегрирования условных сигналов подключен к одному из входов второй группы блока, 3. Устройство по пп, 1 и 2, о т " л и ч а ю щ е е с я тем, что узел ин-зв тегрирования условных сигналов 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 кото- рого через преобразователь частоты s напряжение соединен с первым выходом
36 14 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 сравнения.
4. Устройство по по. 1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что узел ин" тегрирования безусловных сигналов содержит два сумматора, схему сравнения, элемент запоминания напряжения, первый и второй ключи, управляющие вхо- .. ды которых соединены соответственно с вторым и четвертым входами узла, первый вход которого подключен к ехо ду первого ключа, выход которого со- единен 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 KoTopot-o 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 за» поминания напряжения подключен к третьему входу узла.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Авторское свидетельство СССР
N 517904, кл. G 06 G 7/60, 1972.
2. Авторское свидетельство СССР 429433, кл. G 06 G 7/60, 1972 (прототип).
957236
Ф
Ур tg
Составитель А. Яицков
Реаактою С. Таоаненко ТехоеаИ.Рейвес Корректор И Нем ик
««ае»«ЪГ Е«» «««»«»«»»««%4» «Ъ
Заказ 6601/39 Тираж 731 Подйисное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035 Москва Ж"35 Рамаская наб, а. 4/5
»«» »«««»й в% l «»«»»«««ай «»««ъ2 ««в ««««» «««»ъг«»««ъ ««»
Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
