Обзор и анализ нейросетей (стр. 1 из 3)

Введение

При современном уровне развития техники, когда даже бытовые приборы оснащаются микропроцессорными устройствами, все более актуальным становится разработка новых систем автоматического управления.

Но в связи с возрастающей сложностью объектов управления и с увеличением требований к системам управления за последнее десятилетие резко повысилась необходимость в создании более точных, более надежных систем управлении, обладающих большими функциональными возможностями.

Интеллектуальные системы на основе искусственных нейронных сетей (ИНС) позволяют с успехом решать проблемы идентификации и управления, прогнозирования, оптимизации. Известны и другие, более традиционные подходы к решению этих проблем, однако они не обладают необходимой гибкостью и имеют существенные ограничения на среду функционирования.

Нейронные сети позволяют реализовать любой требуемый для процесса нелинейный алгоритм управления при неполном, неточном описании объекта управления (или даже при отсутствии описания), создавать мягкую адаптацию, обеспечивающую устойчивость системе при нестабильности параметров.

ИНС могут применяться для различных задач: аппроксимация функций, идентификация, прогнозирование, управление, классификация образов, категоригизация, оптимизация.

Широкий круг задач, решаемый НС, не позволяет в настоящее время создавать универсальные, мощные сети, вынуждая разрабатывать специализированные НС, функционирующие по различным алгоритмам.

В данной работе рассматривается возможность применения искусственной нейросети регулятора. Проблема синтеза нейросетевых регуляторов рассматривается с двух позиций, а именно: прямые методы синтеза и косвенные методы синтеза нейросетевых систем управления. В данном случае рассматриваются прямые методы синтеза нейросетевых регуляторах совместно с наблюдающими устройствами.

1. Обзор и анализ нейросетей

Искусственные нейронные сети получили широкое распространение за последние 20 лет и позволили решать сложные задачи обработки данных, часто значительно превосходя точность других методов статистики и искусственного интеллекта, либо являясь единственно возможным методом решения отдельных задач. Нейронные сети (НС) успешно применяются в самых различных областях – бизнесе, медицине, технике, геологии, физике. Такой впечатляющий успех определяется несколькими причинами: НС – исключительно мощный метод моделирования, позволяющий воспроизводить чрезвычайно сложные зависимости; они нелинейные по своей природе и кроме того, нейронные сети справляются с проблемой размерности, которая не позволяет моделировать линейные зависимости в случае большого числа переменных.

1.1 Свойства нейронных сетей

Несомненно, что технические средства, построенные на тех же принципах, что и биологические нейронные сети, обладают рядом схожих свойств. К таким свойствам относятся:

· массовый параллелизм,

· распределенное представление информации и вычисления,

· способность к обучению и способность к обобщению,

· адаптивность,

· свойство контекстуальной обработки информации,

· толерантность к ошибкам,

· низкое энергопотребление.

Можно выделить основные идеи, лежащие в основе нейронных сетей и нейромоделирования:

 Нейросеть воспроизводит структуру и свойства нервной системы живых организмов: нейронная сеть состоит из большого числа простых вычислительных элементов (нейронов) и обладает более сложным поведением по сравнению с возможностями каждого отдельного нейрона. Нейросеть получает на входе набор входных сигналов и выдает соответствующий им ответ (выходные сигналы нейросети), являющийся решением задачи.

 Искусственная нейросеть, как и естественная биологическая нейронная сеть, может обучаться решению задач: нейросеть содержит внутренние адаптивные параметры нейронов и своей структуры, и меняя их, может менять свое поведение.

 Место программирования занимает обучение, тренировка нейронной сети: для решения задачи не нужно программировать алгоритм.

 Нейронная сеть обучается решению задачи на некотором "учебнике" − наборе ситуаций, каждая из которых описывает значения входных сигналов нейросети и требуемый для этих входных сигналах ответ. "Учебник" задает набор эталонных ситуаций с известными решениями, а нейронная сеть при обучении сама находит зависимости между входными сигналами и ответами.

Аппаратная реализация ИНС – нейрокомпьютер – имеет существенные отличия (как по структуре, так и по классу решаемых задач) от вычислительных машин, выполненных в соответствии с традиционной архитектурой фон Неймана. Сравнительные характеристики нейрокомпьютеров и традиционных компьютеров и традиционных компьютеров приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 Сравнительные оценки традиционных ЭВМ и нейрокомпьютеров.

Категории сравнения	ЭВМ традиционной архитектуры	Нейрокомпьютер
Процессор	СложныйВысокоскоростнойОдин или несколько	ПростойНизкоскоростнойБольшое количество
Память	Отделена от процессораЛокализованаАдресация не по содержанию	Интегрирована в процессорРаспределеннаяАдресация по содержанию
Вычисления	ЦентрализованныеПоследовательныеХранимые программы	РаспределенныеПараллельныеСамообучение
Надежность	Высокая уязвимость	Живучесть
Специализация	Численные и символьные операции	Проблемы восприятия
Среда функционирования	Строго определенаСтрого ограничена	Без ограничений

1.2 Области применения нейронных сетей

Искусственные нейронные сети в настоящее время широко используются при решении самых разных задач и активно применяются там, где обычные алгоритмические решения оказываются неэффективными или вовсе невозможными. В числе задач, решение которых доверяют искусственным нейронным сетям, можно назвать следующие: распознавание текстов, системы безопасности и видео-наблюдения, автоматизация процессов распознавания образов, адаптивное управление, аппроксимация функционалов, прогнозирование – и это далеко не все. С помощью нейросетей можно выполнять распознавание оптических или звуковых сигналов. Аппаратные реализации ИНС идеально подходят для решения задач идентификации и управления, так как обеспечивают, благодаря параллельной структуре, чрезвычайно высокую скорость выполнения операций.

Описанные возможности в основном относятся к слоистым нейронным сетям, обучаемым алгоритмом обратного распространения, и растущим нейронным сетям на основе вариантов алгоритма каскадной корреляции. Но существуют и другие классы нейронных сетей − нейросети ассоциативной памяти, нейросети для квантования данных, сжатия данных путем построения главных независимых компонент, нейронные сети для разделения смеси сигналов и др. Т.е. круг задач, решаемых нейронными сетями, очень и очень широк, поскольку широк и сам набор нейросетевых алгоритмов.

1.3 Классификация нейронных сетей

Существует широкий спектр достаточно универсальных способов организации инструментальных средств и собственно процесса применения нейронных сетей на различной программно-аппаратной базе. Всегда можно подобрать наиболее оптимальный для некоторой задачи − всё определяется свойствами задачи и требованиями к решению.

Однако применение нейросетей осложняется рядом причин. Нельзя придумать какую то одну универсальную ИНС, которая бы подошла для различных типов задач. Нейросети используют в двух вариантах:

1) Строится нейросеть, решающая определенный класс задач,

2) Под каждый экземпляр задачи строится некоторая нейросеть, находящая квази-оптимальное решение этой задачи.

Существуют несколько видов нейросетей. Их классификация представлена на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 Классификация ИНС

Наиболее распространенным семейством сетей прямого действия являются многослойные персептроны, в них нейроны расположены слоями и соединены однонаправленными связями, идущими от входа к выходу сети. Сети прямого действия являются статическими в том смысле, что на заданный вход они вырабатывают одну совокупность выходных значений, не зависящих от предыдущего состояния сети.

Рекуррентные сети являются динамическими, так как в силу обратных связей в них модифицируются входы нейронов, что приводи к изменению состояния сети. Поведение рекуррентных сетей описывается дифференциальными или разностными уравнениями, как правило, первого порядка. Это гораздо расширяет области применения нейросетей и способы их обучения. Сеть организована так, что каждый нейрон получает входную информацию от других нейронов, возможно, и от самого себя, и от окружающей среды.

Так же можно выделить два основных подхода к реализации нейросетей: цифровой и аналоговый. Преимуществом аналоговых реализаций являются: высокое быстродействие, надежность и экономичность. Однако сфера возможного массового использования обучаемых аналоговых нейрочипов достаточно узка. Это обусловлено большой сложностью аппаратной реализации высокоэффективных обучающих алгоритмов и необходимостью специальной подготовки потенциальных пользователей для оптимальной организации адаптивного процесса. В то же время широкое распространение могут получить обученные аналоговые нейрокомпьютеры (нейросети) с фиксированной или незначительно подстраиваемой структурой связей – нейропроцессоры.

Задача создания нейропроцессоров сводится к обучению цифровой нейросетевой модели нужному поведению на обычном цифровом компьютере.

Сети также можно классифицировать по числу слоев. В этом случае важную роль играет нелинейность активационной функции, так как, если бы она не обладала данным свойством или не входила в алгоритм работы каждого нейрона, результат функционирования любой n-слойной нейронной сети сводился бы к перемножению входного вектора сигналов φ на матрицу весовых коэффициентов. То есть фактически такая нейронная сеть эквивалентна однослойной нейросети с весовой матрицей единственного слоя W. Кроме того, нелинейность иногда вводится и в синаптические связи.