Введение к работе
Актуальность проблемы. Расширение круга задач, решаемых :овременными вычислительными системами, внедрение методов штеллектуалиэации: человеко-машинных интерфейсов, нечетких іетодов обработки информации,экспертных систем и т.п., повы-іение требований к быстродействию вычислительных средств, >беспечивающих решение этих задач, особенно в режиме реаль-юго времени (например, в бортовых системах управления) тре-іует создания новых эффективных методов обработки информа-іии.
Актуальной становится задача создания интеллектуальных, іейроподобньїх и экспертных систем, в которых обрабатываемая інформация является неполной и противоречивой.
Интеллектуальные системы должны помогать человеку (напри-іер, летчику) принимать решения в неопределенной и многокри-'ериальной обстановке, формировать логические выводы и объ-[снять причины принятия решения. Эти системы должны обеспе-іивать работу в условиях ограниченных временных ресурсов,что [акладывает серьезные требования к: быстродействию создавае-іьіх вычислительных средств и их элементной базы.
Решение указанных проблем на основе математического ап-іарата булевой алгебры (двоичной логики), в ряде случаев не іффективно в связи с тем,что эта логика исключает применение іечетких переменных.
Применение логик, обобщающих двоичную - непрерывной и не-іеткой позволяет рассматривать методы обработки цифровой и [налоговой информации с единых позиций,вести построение этих :истем на новых методологических принципах. Актуальность со-щания вычислительных средств на основе обобщенных логик в юследние годы возрастает в связи с развитием нейро-нечетких іетодов обработки информации, которые используются для соз-іания обучаемых систем.
Исследования математического аппарата непрерывной и не-іеткой логик ведутся во всем мире в течение двух последних іесятилетий. Основы теории непрерывной логики заложены в ра-іотах: Мак-Нотона, Уилкинсона Г., Мариноса П., Мукаидоно М., ^инэбурга С.А., Левина В.И., Золотовой Т.М., Розенблата М.А. і др.
Теория и методы нечеткой логики получили существенное ра-
звитие в работах Заде Л., Кендела А., Дюбуа Д., Ямакавы Т. Мелихова А.Н.,Борисова А.Н., Орловского С.А, Аверкина А.Н Перфильевой ГЛ.Г. и др. Теория и применение расширенной л гики на базе математического аппарата предикатной алгеб выбора развивается в работах Волгина Л.И.
Проведенный анализ разрабатываемых перспективных вычисл тельных средств (нейро, нечетких и др.) показывает, что о не могут считаться универсальными,то есть выполнять функци аналогичные универсальной ЭВМ фон Неймана для решения зад различного вида. Так, нейрокомпьютер эффективно реализует а горитмы распознавания образов, нечеткий компьютер ориентир ван на обработку нечеткой информации. В тоже время, вышеп речисленные компьютеры не ориентированы на решение чисто е числительных задач. Однако требования предъявляемые к ее ременным . интеллектуальным вычислительным средствам треб> обеспечения возможности реализации разнотипных алгоритм искусственного интеллекта (вычислительных, нейро, нечеткі/ в единой вычислительной среде. Кроме того необходимо, чтоС интеллектуальные вычислительные средства могли вести обраС тку информации представленной как в дискретной, так и в не рерывной форме.
Исследования гибридных вычислительных средств изложень работах отечественных и зарубежных ученых: Преснухина Л. Смолова В.В., Корна Г., Шмидта Н., Гитиса Э. И.,Кустова В. Маслова А.А.,Дубового Н.Д., Шахова Э.К., и др.
Однако реализация на гибридных вычислительных средстЕ интеллектуальных методов обработки информации на основе нг ро-нечетких моделей требует применения новых подходов к пс троению этих вычислительных средств.
Решению проблемы создания гибридных интеллектуальных е числительных средств, работающих с четкой и нечеткой инфг мацией представленной в дискретной или непрерывной форме г священа данная диссертационная работа.
Целью работы является исследование и создание теории і строения нового класса вычислительных средств на основе і тематического аппарата гибридной алгебры и логики, кото] позволяет осуществлять обработку четкой и нечеткой инфорі ции в единой гибридной вычислительной сети.
Математический аппарат и методы проектирования вычисли1
льных средств нового типа должны позволить выполнение разнородных алгоритмов обработки информации и искусственного интеллекта в вычислительной среде, использующей стандартные элементы и узлы цифровой и аналого - цифровой вычислительной техники.
Гибридные непрерывно - логические вычислительные средства должны обеспечивать:
а) возможность работы с четкими и нечеткими объектами
(действительные, комплексные числа и интервалы);
б) возможность работы с дискретными и непрерывными пере
менными;
в) возможность выполнения алгебраических и логических
операций и правил (импликаций) в едином логическом элемент
ном базисе;
г) построение, синтез математических и логических функ
ций с четкими и нечеткими переменными;
д) преобразование непрерывных переменных в дискретные и
наоборот;
е)осуществление логической обработки образной информации. Обтьктами и задачами работы являются:
-
Разработка и исследование нового математического аппарата гибридной алгебры.
-
Исследование алгебраической структуры непрерывно- логических функций и логических функций, построенных на основе математических моделей гибридной алгебры.
-
Разработка алгоритмов реализации алгебраических и логических операций в базисе гибридной логики.
-
Исследование непрерывно - логических, нечетких и гибридных функций: разработка методов анализа и синтеза непрерывно-логических , нечетких и гибридных функций, исследование методов минимизации НЛФ.
-
Разработка методов аналого - цифрового преобразования на основе непрерывной и гибридной логик.
-
Разработка и исследование специализированных гибридных непрерывно-логических устройств, гибридной логической сети нового типа и непрерывно-логического образного компьютера.
-
Исследование цифрового и аналого-цифрового аппаратного базиса гибридных непрерывно-логических устройств.
Методы исследования. При решении поставленной задачи использовался математический аппарат непрерывной и нечеткой
логик, булевой алгебры, теории нечетких множеств, методы ( тимиэации и аппроксимации, методы исследования дискретны: непрерывных автоматов.
При анализе элементного базиса ГНЛВС применялись систв автоматизации проектирования (САПР), разработанные для о ременных кристалов БИС.
Проверка эффективности предложений, исследованных в ра( те,проводилась экспертным путем на математических и прогр; мных моделях и моделях гибридных узлов в системе САПР.
Научная новизна. В работе осуществлено решение научі проблемы создания теории построения вычислительных сред* нового класса - гибридных непрерывно - логических устройс предназначенных для обработки четкой и нечеткой информац] представленной в дискретной или непрерывной форме, а та изложены результаты научных исследований по созданию высо производительных цифровых и аналого-цифровых устройств и і теллектуальных процессоров, внедрение которых внесет зна1 тельный вклад в создание интеллектуальных систем для разлі ных отраслей народного хозяйсва, ускорение научно- технич' кого прогресса.
В процессе исследований и разработок получены следую] новые научные результаты, выносимые на защиту: 1) теория построения нового класса вычислительных средст их элементного Оазиса на основе математического аппар гибридной алгебры и логики;
2)математические модели гибридной алгебры, позволяющие о ществлять операции с четкими и нечеткими объектами в лин но-упорядоченном множестве;
-
методы и алгоритмы структурного анализа и минимизации прерывно-логических (нечетких) функций;
-
методы анализа и синтеза непрерывно-логических и гибри ных функций с четкими и нечеткими объектами;
-
алгоритмы обработки четкой и нечеткой информации, в числе представленной в образном виде;
-
структуры цифровых и аналоге -цифровых специализирован гибридных непрерывно-логических элементов и устройств;
-
результаты исследования интеллектуальной вычислитель сети нового типа , построенной из элементов гибридной алг бры и методика решения различных интеллектуальных и вычи лительных задач на этой логической сети и структура гибр
\ юго компьютера нового типа.
Практическая ценность работы. Предложенные принципы и методы позволяют разрабатывать и создавать высокопроиэводите -тьные устройства обработки четкой и нечеткой информации, интеллектуальные процессоры и аналого-цифровые измерительные устройства. Вычислительные средства нового типа, а также созданные на основе нового математического аппарата гибридной шгебры математические и программные модели могут найти применение при создании на основе нейро-нечетких методов интел-чектуальных систем в различных областях науки и техники (авиационная, пищевая, автомобильная и др.).
Созданный элементный базис гибридных непрерывно-логичес-сих устройств, предназначенный для реализации этих элеметов ia основе электронных технологий современных СБИС позволяет осуществлять проектирование гибридных автоматов и специализированных процессоров, осуществляющих обработку четкой и іечеткой информации на высоком технологическом уровне.
Разработанные в процессе проведения НИР структуры и тех-шческие решения гибридных непрерывно - логических устройств івляются оригинальными и защищены Авторскими свидетельствами Г.ССР и патентами РФ.
Разработанные методы обработки, информации и гибридные непрерывно-логические устройства значительно расширяют сущест-зующие возможности вычислительной техники при решении интел-іектуальньїх задач.
Реализя'гчя результатов. Созданная автором теория гибридной ілгебрьі была использована при разработке математических ос-юв построения интеллектуальных суперкомпьютеров нового поселения на базе аппарата гибридной и нечеткой логик,проводимой в Государственном Научном Центре РФ (ГосНИИАС) (приказ № 511 от 02.12.1993г.) фундаментально-поисковой НИР по заказу Іинистерства науки и технической политики РФ.
В 1991-1995 годах ГосНИИАС по заказу НТК ВВС проводились отраслевые НИР: "Хиромантия" (ПСМ СССР №192 от 29.06.90г.), 'Амплитуда" (Решение ВПК №91 от 29.05.91г.), "Лунодром" (договор №942/ 21184 от 10.01.92г.), в которых были использова-ш результаты теоретических разработок автора по теории гибридной алгебры для создания интеллектуальных бортовых вычис-тительных комплексов летательных аппаратов на новых архитектурных принципах. Созданные с использованием полученных в
диссертации результатов аналого -цифровые элементы гибридь непрерывно- логических устройств прошли аппаратное модели^ вание в НИИ "Квант". Проведенное математическое и аппарать программное моделирование новых алгоритмов и вычислительt структур, подтвердило правильность новой алгебраической т рии и перспективность предложенных гибридных непрерывно-/ гических архитектур.
Результаты научных исследований автора были также примем ны в НИР "Разработка и создание интеллектуальных САПР и j равления"(проект 6.02), проводимых в рамках важнейших нарс нехозяйственных проектов и программ ГКНТ РФ (распоряжеь Миннауки и технической политики РФ от 22.04.96г. № 517Ф), созданию интеллектуальных систем управления для пищевой щ мышленности.
Все работы проводились под руководством автора как наї ного руководителя или ответственного исполнителя и при е непосредственном участии в разработках.
На защиту выносятся следующие основные научные результат полученные автором:
-
Теория нового математического аппарата гибридной алг« ры и гибридной логики,предназначенного для построения сие: обработки четкой и нечеткой информации,гибридных непрерьіві логических, а также интеллектуальных вычислительных среде:
-
Алгоритмы реализации алгебраических и логических опе[ ций в базисе гибридной логики, алгоритмы непрерывно-логич< кой аппроксимации функций и образной обработки четкой и і четкой информации.
-
Методы анализа и синтеза непрерывно - логических и п ридных функций, являющиеся основой для проектирования непі рывных автоматов.
-
Новые методы аналого-цифрового преобразования инфорі ции на основе гибридной и непрерывной логик.
-
Общие принципы построения и структуры специализиров, ных цифровых логических и математических процессоров, pea. зующих алгоритмы обработки четкой и нечеткой информации основе гибридной алгебры.
-
Архитектура, структурная организация гибридной логич< кой сети нового типа, обеспечивающей" высокое быстродейст при выполнении алгоритмов обработки четкой и нечеткой инф мации на вычислительных ячейках массовых операций гибрид
гебры.
7. Структура интеллектуального суперкомпьютера (неокомпью-ра), методика решения различных задач обработки четкой и четкой информации в вычислительной среде нового типа.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссер-ции докладывались и обсуждались:
на региональном научно-техническом семинаре по статистиче-ому анализу, моделированию и автоматизации контроля обьек-в с конструктивно-сложной структурой, (г.Таганрог,1972г.);
региональном научно-техническом семинаре по преобраэо-нию, обработке и контролю информации и автоматизированными едствами, (г.Таганрог,1974);
на республиканской научно-технической конференции по воп-сам разработки ВТ и АСУ и внедрение в народное хозяйство, .Тбилиси, 1974);
на первой Всесоюзной научно - технической конференции по ектромеханотронике, (г.Ленинград, 1987г.);
на Республиканской научно-технической конференции " Применив микропроцессоров в народном хозяйстве",(г.Таллин,1988) на зональной конференции "Математические и программные ме-ды проектирования управляющих и информационных систем",(г. нэа, 1988г.);
на научно-технической конференции " Математические и прог-ммные методы проектирования информационных и управляющих стем" (г.Пенза, 1990г.);
на Второй Всесоюзной школе "Автоматизация создания матема-ческого обеспечения и архитектуры систем реального време-"(г.Иркутск, 1990г.);
на 1 Всероссийской научной конференции "Непрерывная логика ее применение в технике, экономике и социологии"(г. Пенза, 94г.);
на Международной научно-технической конференции "Непрерыв--логические и нейронные сети и модели"(г.Ульяновск,1995г); на Международной научно-технической конференции "Непрерыв--логические методы и модели в науке, технике и экономике" .Пенза, 1995г.);
а Международной научно-технической конференции " Непрерыв-я и смежная логики в технике,экономике и социологии"(г.Пе-а, 1996г.); а конференциях "Нейрокомпьютеры и их применение"(г.Москва,
-a-
199б-1997гг.);
на Второй Всероссийской НТК " Прогрессивные экологиче< безопасные технологии хранения и комплексной перерабс сельхозпродукции для создания продуктов питания повышен! пищевой и биологической ценности" (г.Углич, 1996г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 9 ] бот, в том числе 19 авторских свидетельств и патентов изобретения.
Структура и обьем. Диссертационная работа изложена на : страницах машинописного текста, иллюстрирована 62 рисунк; и 34 таблицами. Она состоит из введения, 8 глав, заключен) списка литературы из 242 наименований и ряда приложений 98 страницах машинописного текста.
