Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время глобальная автоматизация различных технологических процессов и компьютеризация затрагивают системы, критичные к отказам компонент, и, как следствие, предъявляются всё более высокие требования к надёжности устройств вычислительной техники и автоматизированных систем управления. Среди общей массы задач своей важностью выделяются задачи управления в системах критического использования (например, системы контроля и обеспечения безопасности на АЭС), а также задачи скоростной обработки бинарных информационных потоков (кодирование, шифрование в реальном времени и некоторые другие). Эти задачи имеют жёсткие ограничения на точность, время решения и устойчивость к отказам используемых устройств. Парадигма нейронных сетей позволяет создавать устройства, удовлетворяющие приведенным требованиям, но препятствием для масштабного производства и внедрения устройств такого типа является отсутствие единых теоретических подходов к синтезу универсальных отказоустойчивых логических устройств.
Таким образом, возникает объективное противоречие между необходимостью разработки отказоустойчивых универсальных нейросетевых логических устройств и отсутствием адекватного подхода для решения задач синтеза отказоустойчивых нейросетей при ограничении на их структурную сложность.
Разрешение данного противоречия возможно при создании адекватных современным условиям и требованиям методов синтеза и их алгоритмизации как однородных, так и неоднородных отказоустойчивых сетей на нейроподобных элементах, а также универсальных логических устройств на их основе. Исходя из вышеизложенного разработка отказоустойчивых логических нейросетевых устройств является актуальной научно-технической задачей.
Объект исследования: универсальные нейросетевые логические устройства.
Предмет исследования: синтез отказоустойчивых иерархических сетей на нейроподобных элементах.
Цель диссертации: разработка метода и алгоритмов синтеза отказоустойчивых универсальных нейросетевых логических устройств с ограничением на структурную сложность.
Задачи исследований:
-
Анализ состояния вопросов создания универсальных логических устройств, научных разработок (методов синтеза, структурно-функциональной организации устройств) в этой области и анализ научно-технических предпосылок повышения отказоустойчивости таких устройств.
-
Разработка методов и алгоритмов синтеза универсальных отказоустойчивых нейросетевых логических модулей на однородных и неоднородных нейроподобных элементах.
-
Создание метода и алгоритма реализации периодических перестановок в бинарных информационных потоках универсальными нейросетевыми логическими модулями, разработка и исследование структурно-функциональной организации (СФО) нейросетевой системы и её программной модели.
-
Исследование взаимосвязи структурной сложности и внутренней сложности преобразований в иерархических нейросетевых системах и разработка алгоритма поиска квазиоптимальной конфигурации нейросетевой системы.
-
Разработка, тестирование и экспериментальная проверка качества функционирования универсального нейросетевого логического модуля (НЛМ).
Научная новизна результатов исследований:
-
Модифицирован существующий метод и разработан алгоритм синтеза отказоустойчивого базисного нейроподобного элемента, отличающийся уменьшенным числом двоичных элементов памяти за счет расширения множества отказов при сохранении уровня отказоустойчивости.
-
Созданы алгоритмы синтеза отказоустойчивых универсальных нейросетевых логических модулей на базисных нейроподобных элементах (НЭ), учитывающие ограничения на общую сложность модуля и сложность нейроподобных элементов.
-
Разработаны структурно-функциональная организация и алгоритмическая модель иерархической нейросетевой системы шифрования, позволяющие за счет использования особенностей обработки информации иерархическими нейросетевыми модулями повысить скорость выполнения перестановочных операций в бинарных информационных потоках.
-
Разработаны алгоритмы поиска квазиоптимальных конфигураций иерархических нейросетевых систем, учитывающие взаимосвязь структурной сложности и внутренней сложности преобразований в бинарном информационном потоке.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается корректным и обоснованным применением положений и методов теории проектирования устройств ЭЦВМ и АСУ, математической логики и теории алгоритмов, теории множеств и графов, теории вероятностей, а также подтверждается имитационным моделированием с использованием зарегистрированных в установленном порядке программных средств.
Практическая ценность результатов исследований. Разработанные программные продукты позволяют синтезировать квазиоптимальные по уровню отказоустойчивости конфигурации как базисного нейроподобного элемента, так и сложных иерархических систем на однородных и неоднородных нейроподобных элементах (НЭ).
Разработана структурная схема и соответствующая алгоритмическая модель отказоустойчивого универсального НЛМ для реализации булевых функций двух переменных, корректно выполняющего свои функции при отказах базисных элементов. Они доведены до решений в виде функциональных схем, позволяющих создавать специализированные устройства обработки бинарных информационных потоков, устройства логического управления и перспективные отказоустойчивые нейросетевые системы шифрования, работающие в реальном времени. Технические решения создают реальную основу для постановки ОКР.
На защиту выносятся следующие научные результаты
-
Модифицированный метод синтеза отказоустойчивого нейроподобного элемента с расширенным множеством отказов.
-
Алгоритм синтеза отказоустойчивого универсального нейросетевого логического модуля на однородных базисных НЭ, позволяющий находить квазиоптимальную конфигурацию нейросетевого логического модуля, учитывающий ограничения на общую структурную сложность модуля и сложность базисных НЭ.
-
Алгоритм синтеза отказоустойчивого универсального нейросетевого логического модуля на НЭ, позволяющий синтезировать квазиоптимальный нейросетевой логический модуль с учетом возможности варьирования сложности базисных НЭ при заданном ограничении на общую структурную сложность модуля.
-
Структурно-функциональная организация нейросетевой системы, реализующей метод периодических перестановок в бинарном информационном потоке, и функциональная схема универсального нейросетевого логического модуля.
Практическое использование результатов работы. Результаты диссертации используются в учебном процессе КурскГТУ на кафедре комплексной защиты информационных систем в дисциплине «Программно- аппаратная защита информации», КГУ на кафедре программного обеспечения и администрирования информационных систем в дисциплинах «Прикладная теория цифровых автоматов» и «Архитектура вычислительных сетей и компьютерных систем», в опытно-конструкторских работах на ФГУП «Курский завод «МАЯК».
Апробация работы. Основные результаты, положения и выводы диссертации были представлены на Международной научно-технической конференции «Медико-экологические информационные технологии – 2008» (Курск, 2008), Всероссийской научно-технической конференции «ИНФОРМТЕХ – 2008» (Курск, 2008), Межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов в области научных исследований «Молодёжь и XXI век» (Курск, 2008), а также на научных семинарах кафедры коплексной защиты информационных систем КурскГТУ в период с 2005 по 2008 год.
Публикации по теме диссертации. Содержание диссертации опубликовано в 10 работах, среди которых имеются 2 статьи в научных изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки РФ.
Личный вклад соискателя. Все выносимые на защиту научные результаты получены соискателем лично. В опубликованных работах по теме диссертации личный вклад соискателя сводится к следующему: в [2, 4, 8] проведен анализ взаимосвязи между внутренней критосложностью и структурной сложностью нейросетевых систем, предложен алгоритм, позволяющий рассчитывать конфигурацию такой системы, соответствующую максимальной критосложности при заданном ограничении на структурную сложность; в [3, 7] проведен детальный анализ математической модели иерархической нейронной сети, предложены варианты повышения криптостойкости систем шифрования, построенных на основе таких сетей; в [5, 6, 9] предложен алгоритм поиска конфигурации нейроподобного элемента, отвечающей максимальной функциональной отказоустойчивости при заданном ограничении на его сложность, в [10] предложен алгоритм синтеза логического нейросетевого модуля.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, приложений и списка литературы, включающего 109 наименований. Диссертация содержит 146 страниц текста и 7 приложений, поясняется 74 рисунками и 32 таблицами.
Области возможного использования. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при проектировании отказоустойчивых нейросетевых логических устройств, устройств автоматического управления повышенной надёжности, а также отказоустойчивых аппаратных систем шифрования бинарного информационного потока в реальном времени.
