Введение к работе
Актуальность темы. В области управления техническими системами нечеткое моделирование позволяет получать более адекватные результаты по сравнению с результатами, которые основываются на использовании традиционных аналитических моделей и алгоритмов управления.
Но для построения любых систем (автоматизированных и автоматических) управления требуются эффективные, надежные и недорогие технические средства, которые могли бы осуществлять выполнение нечетких алгоритмов управления в реальном масштабе времени с высокой точностью вычисления.
На сегодняшний день известны достижения в области теоретических основ создания и конструирования специализированных нечетко-логических средств таких отечественных ученых как Мелихов А.Н., Баронец В.Д., Берштейн Л.С, Коровин С.Я., Павлов А.В., Васильев В.Н., Быковский А.Ю., Аверкин А.Н., Городецкий, А. Е., Ерофеев А. А., Жуйков А.Ю., так и зарубежных деятелей, таких как Ямакава Т. (Япония), Такаги Т. (Япония), Ясунобу С. (Япония), сотрудников фирмы Togai Infra Logic (США), фирмы Omron (Япония), компании Fuji Electric (Япония), компании Siemens Nixdorf (Германия), сотрудников City University of New York, The University of Tennessee, the University of Maiami, Northwestern University (Evanston, IL), Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, MA), University of Colorado (Boulder, CO).
В настоящее время техническую базу реализации нечетких технологий составляют микропроцессорные средства и микроконтроллеры, аналоговые и аналого-цифровые СБИС. Однако микропроцессоры и однокристальные микроконтроллеры не способны в полной мере реализовать все потенциальные возможности нечеткой логики ввиду наличия у них существенных недостатков, основные из которых: низкое быстродействие в части реализации сложных операторов, ошибки в вычислениях из-за наличия цифровых методов вычисления. Также известны устройства, построенные на оптических методах обработки информации, которые используют методы Фурье-оптики и Фурье- голографии. Эти методы, в свою очередь, в конструируемых устройствах достаточно трудновыполнимы и не позволяют реализовать весь комплекс операций над нечеткими множествами и отношениями, что не дает возможности реализации нечетко-логического вывода в целом.
Поэтому возникает задача разработки и развития методов проектирования и конструирования совершенно нового класса вычислительных устройств, обладающих значительным запасом быстродействия, надежности, простотой настройки параметров, меньшей конструктивной сложностью и реализующих при этом принципы нечеткой логики с сохранением точности выполняемых вычислений на произвольном интервале времени.
Актуальность темы подтверждается ее поддержкой Российским фондом фундаментальных исследований РФФИ: грант № 10-07-00158.
Объектом исследования настоящей диссертационной работы являются методы и средства проектирования нечетко-логических устройств для построения современных эффективных и надежных систем принятия решений в слабо формализованных задачах и слабо структурированных предметных областях.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью настоящей диссертационной работы является решение научно-технической задачи по разработке методов проектирования структурных и схемотехнических решений нового класса устройств и систем обработки нечетко-логической информации, обладающих значительным быстродействием, запасом надежности, простотой конструкции, простотой настройки параметров и обеспечивающих высокую точность вычисления на произвольном интервале времени обработки информации. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
обзор существующих на сегодняшний день нечетко-логических устройств сбора и обработки информации, определение их достоинств и недостатков;
проведение вычислительного эксперимента по использованию нечетких динамических моделей при моделировании хаотических процессов в детерминированных системах;
обоснование выбора оптических методов обработки информации для решения поставленной задачи по созданию нового класса устройств и систем обработки нечетко-логической информации;
разработка оптических устройств, реализующих различные операции над нечеткими множествами и операторы нечеткой логики;
разработка оптоэлектронных нечетких процессоров, реализующих различные алгоритмы нечеткого вывода, таких как: алгоритм Мамдани, алгоритм Такаги-Сугено, алгоритм Цукамото;
исследование временных характеристик разработанных оптических и оптоэлектронных устройств обработки нечетко-логической информации.
Методы исследования. В настоящей диссертационной работе применены методы теории аппарата нечетких систем и нечеткой логики, методы теории нелинейных динамических систем и нечетких динамических систем, методы теории искусственных нейронных сетей, методы классических (градиентных) методов обучения и адаптации искусственных нейронных сетей и нейро-нечетких сетей, методы теории обучения и адаптации искусственных нейронных сетей и нейро-нечетких сетей с использованием генетических алгоритмов, методы оптических приемов обработки информации и оптоэлектронной схемотехники, методы математического моделирования с использованием пакетов прикладных программ MATLAB/Toolbox/Fuzzy Logic и MATLAB/Toolbox/Control.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
-
установлено, что аппарат нечетких динамических систем является адекватным инструментом моделирования хаотических процессов в детерминированных системах;
-
предложена общая методика проектирования нечетко-логических устройств обработки информации, отличающаяся от известных использованием быстродействующих пространственно-распределенных волноводно-оптических структур для построения проблемно-ориентированных устройств принятия решений в слабо формализованных задачах (устройств фаззификации и дефаззификации, базисных операторов нечеткой логики, нечетких процессоров).
-
разработаны частные методики синтеза базовых функциональных узлов нечетких процессоров на основе оптических методов обработки информации, позволяющие обрабатывать двумерные массивы функций принадлежности нечеткого множества с требуемой точностью и в реальном масштабе времени, что обеспечивает существенный выигрыш в быстродействии и точности по сравнению с существующими нечетко - логическими процессорными схемами.
Достоверность научных результатов и выводов настоящей диссертационной работы подтверждается:
результатами проведения вычислительного эксперимента по моделированию динамических процессов типа «детерминированный хаос»;
обсуждением полученных результатов на научных конференциях и экспертизой публикаций в ведущих научных изданиях;
результатами проведения вычислительного эксперимента по моделированию временных характеристик разработанных оптических и оптоэлектронных устройств обработки нечетко-логической информации;
получением 30 патентов по разработанным оптическим нечетко- логическим устройствам.
Практическая ценность результатов настоящей диссертационной работы состоит в возможности использования разработанных методов проектирования нового класса оптических нечетко-логических устройств для конструирования высокоэффективных, как по быстродействию и надежности, так и по точности вычисления устройств и систем, обладающих простотой конструкции, простотой настройки параметров для решения слабо формализованных задач управления и принятия решений.
Положения настоящей диссертационной работы, представляемые к защите:
возможность использования аппарата нечетких динамических систем по моделированию динамических процессов типа «детерминированный хаос»;
методы проектирования оптических и оптоэлектронных нечетко - логических устройств для создания технической базы построения современных эффективных как по быстродействию, так и по надежности и энергоемкости систем принятия решения в слабо формализованных задачах;
структуры и схемотехнические решения оптических и оптоэлектронных нечетко-логических устройств, реализующих основные операции нечеткой логики, и оптоэлектронных нечетких процессоров, реализующих типовые классы нечетко-логических алгоритмов Мамдани, Такаги-Сугено и Цукамото.
Апробация результатов. Основные результаты, полученные в настоящей диссертационной работе, были доложены, обсуждены и одобрены на:
XI Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математики (осенняя открытая секция), Сочи - Дагомыс, 16 - 23 октября 2010 г.;
V международной конференции «Параллельные вычисления и задачи управления PACO 2010», г. Москва, Институт проблем управления РАН им. В.А. Трапезникова, 26 - 28 октября 2010 г.;
Конгрессе по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT'10», п. Дивноморское, 2 - 9 сентября 2010 г.;
IX Международной научно-технической конференции «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства ИНЭРТ-2010», г. Ростов-на- Дону, 6 - 8 октября 2010 г.;
I-ом Международном семинаре студентов, аспирантов и ученых «Системный анализ, управление и обработка информации», п. Дивноморское, 27 - 30 сентября 2010 г.;
Международной научно-практической конференции «Передовые информационные технологии, средства и системы автоматизации и их внедрение на российских предприятиях AITA-2011», г. Москва, Институт проблем управления РАН им. В.А. Трапезникова, 4- 8 апреля 2011 г.;
XII Всероссийском симпозиум по прикладной и промышленной математике (осенняя открытая сессия), Макросимпозиум "Нечеткие системы, мягкие вычисления и интеллектуальные технологии" (IV Всероссийская научная конференция), Сочи - Адлер, 1 - 8 октября 2011 г.;
VII международной конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА - 2011», г. Санкт-Петербург, 17-21 октября 2011 г.
Список публикаций. Основные положения настоящей диссертационной работы отражены в 1 1 опубликованных научных работах, из них 4 статьи в журналах, рецензируемых ВАК; получено 30 патентов Российской Федерации на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Она содержит 180 страниц основного текста, 52 формулы, 46 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 86 наименований.
Похожие диссертации на Разработка методов проектирования оптических и оптоэлектронных устройств для обработки нечетко-логической информации в системах принятия решений
-
