JPH06162232A - Neural network device consisting of quantum neuron - Google Patents

Neural network device consisting of quantum neuron

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JPH06162232A
JPH06162232A JP4317194A JP31719492A JPH06162232A JP H06162232 A JPH06162232 A JP H06162232A JP 4317194 A JP4317194 A JP 4317194A JP 31719492 A JP31719492 A JP 31719492A JP H06162232 A JPH06162232 A JP H06162232A
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JP
Japan
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neuron
quantum
neurons
neural network
value
Prior art date
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Pending
Application number
JP4317194A
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Japanese (ja)
Inventor
Sei Matsuda
聖 松田
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Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Original Assignee
Tokyo Electric Power Co Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Electric Power Co Inc filed Critical Tokyo Electric Power Co Inc
Priority to JP4317194A priority Critical patent/JPH06162232A/en
Publication of JPH06162232A publication Critical patent/JPH06162232A/en
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Abstract

PURPOSE:To provide the neural network device using a quantum neuron for taking a quantized random value. CONSTITUTION:This device is provided with a quantum neuron 1 which consists of multiplying means 31-3n for multiplying neuron values which the respective neurons 21-2n have by weight corresponding to its neurons 21-2n, an adding means 4 for adding all of outputs of these multiplying means 31-3n, an arithmetic means 7 for adding and subtracting half of weight corresponding to its quantum neuron itself to and from the output of its adding means 4, a deciding means 8 for comparing the output of its arithmetic means 7 with a threshold determined in advance, and the quantum neuron which takes a quantized random neuron value is provided. By using plural quantum neurons thereof 1, a network is constituted. In such a way, the number of neurons, the number of connections, and the calculation time can be curtailed remarkably, and also, a between approximate solution can be obtained within a short period.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は量子ニューロンからなる
神経回路網装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a neural network device composed of quantum neurons.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、例えば、在庫を持つ複数の供給元
からそれぞれの需要を持つ複数の消費先へ品物を最小の
費用で輸送する場合などのように、整数解の組合せ最適
化の近似解を求めるのに、ニューロンを用いたニューラ
ルネットワークが利用されるようになってきた。
2. Description of the Related Art In recent years, for example, when an item is transported from a plurality of suppliers having an inventory to a plurality of consumers having respective demands at a minimum cost, an approximate solution of combination optimization of integer solutions is obtained. Neural networks using neurons have come to be used for obtaining.

【0003】このようなニューラルネットワークは、図
5の概念図に示すように多数のニューロンが複雑に接続
されたネットワークであり、各ニューロン値は接続され
た他のニューロン値に結合の重みを掛け合わせた値の総
和から入出力関数によって定まる。同図において、
i ,nj ,nk はニューロン、xi ,xj ,xk はそ
れぞれのニューロンni ,nj ,nk の値、wjiはニュ
ーロンni からニューロンnj への結合の重みであり、
jk,wij,wik,wki,wkj,wii,wjj,wkkも同
様である。ネットワークの結合形態や入出力関数によっ
て多くのバリエーションがあるが、ここで扱う対称結合
ニューラルネットワークは全ニューロンが相互に双方向
に接続されたネットワークであり、しかも任意のニュー
ロンni からニューロンnj への結合の重みとニューロ
ンnj からニューロンni への結合の重みが等しい(対
称)、すなわち、wij=wjiである。
Such a neural network is a network in which a large number of neurons are connected in a complicated manner as shown in the conceptual diagram of FIG. 5, and each neuron value is obtained by multiplying another connected neuron value by a connection weight. It is determined by the input / output function from the sum of the values In the figure,
n i , n j , n k are neurons, x i , x j , x k are the values of the respective neurons n i , n j , n k , w ji is the weight of the connection from the neuron n i to the neuron n j Yes,
The same applies to w jk , w ij , w ik , w ki , w kj , w ii , w jj , and w kk . Although there are many variations depending on the connection form of the network and the input / output functions, the symmetric connection neural network handled here is a network in which all neurons are connected bidirectionally, and moreover, from any neuron n i to neuron n j . equal weight of the binding of the weights and the neuron n j binding to neuron n i of (symmetric), that is, w ij = w ji.

【0004】通常、従来のニューロン値は“0”または
“1”の二値かもしくは連続値をとり、また、ニューロ
ンの状態遷移は以下のように定義されている。
Usually, the conventional neuron value takes a binary value of "0" or "1" or a continuous value, and the state transition of the neuron is defined as follows.

【0005】2値モデル: xi (t+1) =1 (Σj wijxj (t) +hi >
0) xi (t+1) =0 (Σj wijxj (t) +hi <
0) xi (t+1) =xi (t) (Σj wijxj (t) +hi =
0) 連続モデル: xi (t+1) =f[f-1( xi (t))+( Σj ijj (t)
+hi ) ]ε[0,1] f(z)=1/(1+exp (-z/T) ) (Tは適当
な定数) 上記モデルにおいて、xi はニューロンni の値、wij
はニューロンnj からニューロンni への結合の重み、
i はニューロンni のしきい値、fはニューロンの入
出力関数である。
Binary model: xi (t + 1) = 1 (Σj wijxj (t) + hi>
0) xi (t + 1) = 0 (Σj wijxj (t) + hi <
0) xi (t + 1) = xi (t) (Σj wijxj (t) + hi =
0) Continuous model: x i (t + 1) = f [f -1 (x i (t)) + (Σ j w ij x j (t)
+ H i )] ε [0,1] f (z) = 1 / (1 + exp (−z / T)) (T is an appropriate constant) In the above model, x i is the value of neuron n i , and w ij
Is the weight of the connection from neuron n j to neuron n i ,
h i is the threshold value of the neuron n i , and f is the input / output function of the neuron.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従来、整数解の組合せ
最適化問題をニューラルネットワークを用いて解く場
合、解の整数は発火したニューロンの個数で表現する方
法(数え上げ法)がよい解を得易いといわれている。し
かしながら、従来の数え上げ法では対称結合ニューラル
ネットワークを構成するニューロン数を多数必要とし、
またこれに伴ないニューロン間の結線数も多くなる。そ
の結果、従来の逐次計算機でシミュレートする場合、計
算時間はニューロン数の自乗に比例するので、計算時間
が大となると共に記憶容量も大となるという欠点があっ
た。
Conventionally, when a combinational optimization problem of integer solutions is solved by using a neural network, it is easy to obtain a good solution by expressing the integer of the solution by the number of fired neurons (counting method). It is said that. However, the conventional counting method requires a large number of neurons that form a symmetric connected neural network,
As a result, the number of connections between neurons also increases. As a result, when simulating with a conventional sequential computer, the calculation time is proportional to the square of the number of neurons, so that there is a drawback that the calculation time becomes long and the storage capacity becomes large.

【0007】そこで、整数解の組合せ最適化問題に適し
た新しい対称結合ニューラルネットワークの構築が要望
されるようになってきた。本発明は上記のような状況に
鑑みてなされたもので、その目的は、従来のように二値
または連続値を持つニューロンの代わりに量子化された
飛び飛びの値をとる量子ニューロンを用いた神経回路網
装置を提供することにある。
Therefore, there has been a demand for the construction of a new symmetric connected neural network suitable for the combinatorial optimization problem of integer solutions. The present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is to provide a nerve using a quantum neuron that takes a quantized discrete value instead of a conventional neuron having a binary or continuous value. To provide a network device.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の請求項1は、それぞれのニューロンがもつ
ニューロン値にそのニューロンに対応した重みを乗算す
る乗算手段と、この乗算手段の出力の全てを加算する加
算手段と、その加算手段の出力に当該量子ニューロン自
身に対応した(帰還)重みの半分を加減算する演算手段
と、その演算手段の出力を予め決められたしきい値と比
較する判定手段とからなり,量子化された飛び飛びのニ
ューロン値をとる量子ニューロンを備え、この量子ニュ
ーロンを複数用いてネットワークを構成したことを特徴
とする。また、請求項2は、請求項1の量子ニューロン
からなる神経回路網装置において、量子ニューロンを複
数用いたネットワークで得られた近似解に、さらに量子
ゆらぎを与えることによって最小解を得る振動手段を設
けたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the first aspect of the present invention provides a multiplication means for multiplying a neuron value of each neuron by a weight corresponding to the neuron, and an output of the multiplication means. And an arithmetic means for adding / subtracting half of the (feedback) weight corresponding to the quantum neuron itself to the output of the adding means, and comparing the output of the arithmetic means with a predetermined threshold value. It is characterized by comprising a quantum neuron which takes a quantized discrete neuron value, and a network is constructed by using a plurality of the quantum neurons. According to a second aspect of the present invention, in the neural network device including the quantum neurons according to the first aspect, a vibrating means that obtains a minimum solution by further giving quantum fluctuations to the approximate solution obtained by the network using a plurality of quantum neurons is provided. It is characterized by being provided.

【0009】[0009]

【作用】本発明の量子ニューロンからなる神経回路網装
置によると、ニューロン数、結線数、計算時間が大幅に
削減することができ、しかも短い時間内によりよい近似
解を得ることができる。さらに、この近似解に振動手段
によって量子ゆらぎを与えると、近似解の精度はさらに
向上して最小解が得られる確率が大幅に向上する。
According to the neural network system including quantum neurons of the present invention, the number of neurons, the number of connections, and the calculation time can be significantly reduced, and a better approximate solution can be obtained within a short time. Further, when quantum fluctuation is given to the approximate solution by the vibrating means, the accuracy of the approximate solution is further improved and the probability that the minimum solution is obtained is significantly improved.

【0010】次に、本発明の基本原理について説明す
る。まず、本発明の量子ニューロンからなる対称結合ネ
ットワーク(QSNN:Symmetric Networks with
Quantum Neurons)を次のように定義する。すなわ
ち、任意のニューロンni の値xi はmi からMi まで
のいずれかの整数値をとり、各時刻毎に1つのニューロ
ン(例えばニューロンnk )が、以下のように順次更新
される(k以外の他のすべてのニューロンnj (j≠
k)に関してVj (t+1) =Vj (t) ):
Next, the basic principle of the present invention will be described. First, a symmetric coupling network (QSNN: Symmetric Networks) including quantum neurons of the present invention.
Quantum Neurons) is defined as follows. That is, the value x i of an arbitrary neuron n i takes an integer value from mi to M i, and one neuron (for example, neuron n k ) is sequentially updated at each time as follows. (All neurons other than k, n j (j ≠
V j (t + 1) = V j (t)) for k):

【数1】 [Equation 1]

【0011】次に、ネットワークのエネルギーEを従来
通りに以下のように定義する。
Next, the energy E of the network is conventionally defined as follows.

【数2】 [Equation 2]

【0012】上記の定義から量子ニューロンからなる対
称結合ネットワークは、各格子点(各ニューロン値xi
が{mi ,…,Mi }のいずれかの整数値)におけるエ
ネルギーの極小値に収束することが導き出せる(証明は
省略する:社団法人 電子情報通信学会 電子情報通信
学会研究報告 信学技報Vol.92,No.59松田
聖著「量子化された慎重なニューロンとゆらぎ」19
92年5月27日参照のこと)。したがって、量子ニュ
ーロンからなる対称結合ネットワークは、任意の初期値
を持つニューロンから計算を開始してもエネルギー極小
値で止まることが保証される。
From the above definition, a symmetric connection network composed of quantum neurons is used for each lattice point (each neuron value x i
Can be derived to converge to the minimum value of the energy at {m i , ..., M i } (an integer value) (Omit proof: The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, IEICE Technical Report, IEICE Technical Report) Vol.92, No.59 Kiyoshi Matsuda, "Quantized and Careful Neurons and Fluctuations" 19
(See May 27, 1992). Therefore, the symmetric connection network consisting of quantum neurons is guaranteed to stop at the minimum energy value even if the calculation is started from a neuron having an arbitrary initial value.

【0013】次に、量子化に伴なう量子ゆらぎついて説
明する。一般に対称結合神経回路網では多くの場合、極
小値(近似解)に落ち込み、最適解(最小値)が得られ
難いことである(上記シミュレーションでも最適解は得
られていない)。そこで、模擬徐冷など対称結合神経回
路網の動作を確率的にすることにより、よりよい近似解
を得ようという試みが以前から行われている。しかし、
模擬徐冷は多大の計算時間を要し、現実的ではない。
Next, the quantum fluctuation associated with the quantization will be described. In general, in a symmetric neural network, it is often difficult to obtain a minimum value (approximate solution) and obtain an optimal solution (minimum value) (the optimal solution has not been obtained even in the above simulation). Therefore, attempts have been made to obtain a better approximate solution by probabilistically operating the symmetrical connection neural network such as simulated slow cooling. But,
Simulated annealing requires a lot of calculation time and is not realistic.

【0014】そこで、本発明では量子化に伴なうある種
のゆらぎ(量子ゆらぎ)を与える振動手段を設けること
により、最適解へ到達する確率を大幅に向上するように
したものである。
Therefore, in the present invention, the probability of reaching the optimum solution is greatly improved by providing a vibrating means for giving a certain kind of fluctuation (quantum fluctuation) accompanying the quantization.

【0015】量子ゆらぎを伴なう量子ニューロンの状態
遷移は以下のように定義される。
The state transition of a quantum neuron accompanied by quantum fluctuation is defined as follows.

【0016】wkk<0 のとき、0<c<0.5 なる
cに対して
When w kk <0, for c such that 0 <c <0.5,

【数3】 kk>0 のとき、0.5<c<1 なるcに対して[Equation 3] When w kk > 0, for c <0.5 <c <1,

【数4】 さて、wkk<0 ならば、0<c<0.5 なる任意の
cに対して、Σj kjj +hk +0.5・wkk/2>
0 ならば、Σj kjj +hk +c・wkk/2>0
であり、同様に、Σj kjj +hk −0.5・wkk
2<0 ならば、Σj kjj +hk −c・wkk/2<
0 であるので、QSNNにおいて成された状態遷移は
FQSNNにおいてもなされる。
[Equation 4] Now, if w kk <0, then for any c such that 0 <c <0.5, Σ j w kj x j + h k + 0.5 · w kk / 2>
If 0, then Σ j w kj x j + h k + c · w kk / 2> 0
And similarly, Σ j w kj x j + h k −0.5 · w kk /
If 2 <0, Σ j w kj x j + h k −c · w kk / 2 <
Since 0, state transitions made at QSNN are also made at FQSNN.

【0017】しかし、Σj kjj +hk +0.5・w
kk/2>0 および Σj kjj+hk −0.5・w
kk/2<0 のいずれも成り立たず、QSNNでは状態
変化が発生しない場合でも、Σj kjj +hk +c・
kk/2>0 または Σjkjj +hk −c・wkk
/2<0のいずれかが成り立つする場合があり、FQS
NNでは状態変化が発生し得る。
However, Σ j w kj x j + h k + 0.5 · w
kk / 2> 0 and Σ j w kj x j + h k −0.5 · w
Even if none of kk / 2 <0 holds and no state change occurs in QSNN, Σ j w kj x j + h k + c ·
w kk / 2> 0 or Σ j w kj x j + h k −c · w kk
Either of / 2 <0 may be satisfied, and FQS
A state change can occur in the NN.

【0018】このように、c=0.5では許されず、c
≠0.5で可能な状態遷移を“量子ゆらぎ”と呼ぶ。量
子ゆらぎを伴う量子ニューロンからなる回路網をFQS
NN(Symmetric Networks with Quantum Neuro
ns and Fluctuation)と呼ぶ。なお、FQSNNの場
合、エネルギーの収束性は保証されない。計算の打ち切
りは、以下のような擬似収束を検出することによって行
われる。すなわち、“一定期間、エネルギー値が変化し
ない”か“一定期間、特定のエネルギー値が頻繁に出現
する”等である。
Thus, when c = 0.5, it is not allowed, and c
The state transition that is possible when ≠ 0.5 is called “quantum fluctuation”. FQS is a circuit network consisting of quantum neurons with quantum fluctuations.
NN (Symmetric Networks with Quantum Neuro)
ns and Fluctuation). In the case of FQSNN, energy convergence is not guaranteed. The calculation is terminated by detecting the following pseudo convergence. That is, "the energy value does not change for a certain period" or "a specific energy value frequently appears for a certain period".

【0019】FQSNNの状態遷移の式(3)あるいは
式(4)に関しては多くの変種が可能である。例えば、
定義中に適合する場合でも状態遷移を確率的にしたり、
あるいはcの値を動的に制御(模擬徐冷)したりするな
ども考えられる。
Many variations are possible with respect to equation (3) or equation (4) of the FQSNN state transitions. For example,
Even if it fits in the definition, make the state transition stochastic,
Alternatively, the value of c may be dynamically controlled (simulated slow cooling).

【0020】なお、二値ニューロンも量子ニューロンの
特種とみなせるので、量子ゆらぎは二値ニューロンから
なる神経回路網装置に対しても適用可能でかつ有効であ
る。例えば、巡回セールスマン問題等にも適用可能であ
る。
Since the binary neuron can be regarded as a special kind of the quantum neuron, the quantum fluctuation can be applied and effective for the neural network device including the binary neuron. For example, it can be applied to the traveling salesman problem.

【0021】[0021]

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照して説明す
る。図1は本発明の一実施例の構成図であり、図2は図
1の点線で囲まれた量子ニューロンの機能構成図であ
る。図1に示すように、本発明の量子ニューロンからな
る神経回路網装置は、複数の量子ニューロン1を用いて
ネットワークを構成したものであり、各量子ニューロン
1は図2に示すように、ニューロン21,…,2n、乗
算器31,…,3n、加算器4、しきい値設定器5、量
子ニューロンの重み設定器6、演算器7及び判定器8よ
り構成されている。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings. 1 is a block diagram of an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a functional block diagram of the quantum neuron surrounded by the dotted line in FIG. As shown in FIG. 1, the neural network device composed of quantum neurons of the present invention constitutes a network using a plurality of quantum neurons 1. Each quantum neuron 1 has a neuron 21 as shown in FIG. , 2n, a multiplier 31, ..., 3n, an adder 4, a threshold value setting device 5, a quantum neuron weight setting device 6, a computing device 7, and a judging device 8.

【0022】次に、本発明の量子ニューロンからなる神
経回路網装置を、在庫を持つ複数の供給元からそれぞれ
の需要を持つ複数の消費先へ品物を最小の費用で輸送す
る場合に適用した場合について説明する。なお、各供給
元と消費先間の品物1個当たりの輸送費が異なっている
とする。
Next, the case of applying the neural network device composed of quantum neurons of the present invention to the case where an item is transported from a plurality of suppliers having an inventory to a plurality of consumers having respective demands at a minimum cost. Will be described. In addition, it is assumed that the transportation cost per item between each supplier and the consumer is different.

【0023】今、供給元iから消費先jへ輸送する輸送
個数をfij、供給元iから消費先jへの品物1個当たり
の輸送費をcij、供給元iの在庫数をsi 、消費先jの
需要数をdj とすると、次の式(制約式)が成立する。
Now, f ij is the number of goods transported from the supplier i to the consumer j, c ij is the transportation cost per item from the supplier i to the consumer j, and s i is the inventory quantity of the supplier i. , Supposing the number of demands of the consumer j is d j , the following equation (constraint equation) is established.

【0024】[0024]

【数5】 [Equation 5]

【0025】上記式(5)において、第1項は供給元か
ら輸送される品物個数が在庫数と一致することを、第2
項は消費先に輸送される品物の個数が需要数と一致する
ことを、第3項は輸送費が最小となることを表わす。
In the above equation (5), the first term is that the number of goods transported from the supplier coincides with the number of stocks, and the second term is
The term indicates that the number of goods transported to the consumer coincides with the demand quantity, and the third term indicates that the transportation cost is the minimum.

【0026】そこで、以下のように従来と同様にして収
束時の各ニューロンの値から近似解が得られる。すなわ
ち、先のエネルギー式(2)において、ニューロンの添
字を便宜的に二次元にすると(i→pq,j→rs)、
Therefore, an approximate solution can be obtained from the value of each neuron at the time of convergence as in the conventional case as follows. That is, in the above energy formula (2), if the subscript of the neuron is two-dimensional for convenience (i → pq, j → rs),

【数6】 となる。そこで、(6)式のxijを(5)式のfijとみ
なし、
[Equation 6] Becomes Therefore, x ij in equation (6) is regarded as f ij in equation (5),

【数7】 とすると、従来の制約式(5)と、量子ニューロンから
なるネットワークのエネルギー式(6)は同一となる。
[Equation 7] Then, the conventional constraint equation (5) and the energy equation (6) of the network consisting of quantum neurons are the same.

【0027】従来の連続値(最終的には二値に収束す
る)あるいは二値ニューロンを用いた場合、各fijにつ
いて可能な最大値n個のニューロン(xij1 ,…,x
ijn )を用意したネットワークを同様にして構成し、f
ijを(xij1 ,…,xijn )で表現する。すなわち、エ
ネルギー式(2)において、ニューロンの添字を便宜的
に三次元にすると、(i→pqu,j→rsv)
When a conventional continuous value (finally converges to a binary value) or a binary neuron is used, the maximum possible number n of neurons (x ij1 , ..., x) for each f ij is used.
ijn ) is prepared in the same way, and f
ij is expressed by (x ij1 , ..., X ijn ). That is, in the energy equation (2), if the subscript of the neuron is three-dimensionally for convenience, (i → pqu, j → rsv)

【数8】 となる。そこで、(8)式のΣxijk (k=1,…,n
ij)を(5)式のfijとみなし、上記と同様にして、
[Equation 8] Becomes Therefore, Σx ijk (k = 1, ..., n) in the equation (8)
ij ) is regarded as f ij in equation (5), and in the same manner as above,

【数9】 とすると、従来の制約式(5)と、二値あるいは連続値
ニューロンからなるネットワークのエネルギー式(9)
は同一となる。
[Equation 9] Then, the conventional constraint equation (5) and the energy equation (9) of the network consisting of binary or continuous-valued neurons
Are the same.

【0028】以上のことより整数解の組合せ最適化等の
問題を本発明の量子ニューロンからなるネットワークを
用いると、従来数え上げ法に比べて非常に少ないニュー
ロン数、結線数、記憶量、計算時間で近似解を得ること
ができるといえる。したがって、同一時間内で数え上げ
法よりも数多くのシミュレーションが可能となり、より
よい解が得られる可能性が増大する。また、対象とする
組合せ最適化問題をニューラルネットワークで表現する
のが容易となる。なお、ニューラルネットワークの計算
は、ニューロン値の更新式(1)を除いて図3のフロー
チャートに示す如く行われる。
From the above, when the network of quantum neurons of the present invention is used to solve problems such as combination optimization of integer solutions, the number of neurons, the number of connections, the amount of memory, and the calculation time are much smaller than those in the conventional counting method. It can be said that an approximate solution can be obtained. Therefore, more simulations than the counting method can be performed in the same time, and the possibility of obtaining a better solution increases. In addition, it becomes easy to express the target combinatorial optimization problem with a neural network. The calculation of the neural network is performed as shown in the flowchart of FIG. 3 except for the updating equation (1) of the neuron value.

【0029】(具体例1)次に、上記実施例において、
在庫を持つ複数の供給元からそれぞれの需要を持つ複数
の消費先へ品物を最小の費用で輸送する場合の式は、既
に説明したように二つの制約条件と最適化関数によって
次のように定式化できる。すなわち、 A(Σj ij−si 2 +B(Σi ij−dj 2 +CΣijijij なる式を最小とすることになる。ここで、供給元iの在
庫数si ,消費先jの需要数dj ,供給元iから消費先
jへの品物1個当たりの輸送費cijに下記のような値を
入れて従来の数え上げ法と本発明のQSNNによる量子
化法についてシミュレートして両者を比較した。なお、
最小輸送費は38である。
(Specific Example 1) Next, in the above embodiment,
The equation for transporting goods from multiple sources with inventory to multiple consumers with their respective demands at the minimum cost is as follows, using the two constraints and the optimization function as follows: Can be converted. That is, the expression A (Σ j x ij −s i ) 2 + B (Σ i x ij −d j ) 2 + C Σ ij c ij x ij is to be minimized. Here, the following values are inserted into the stock number s i of the supplier i , the demand number d j of the consumer j, and the transportation cost c ij per item from the supplier i to the consumer j by adding the following values to the conventional values: The counting method and the quantization method by QSNN of the present invention were simulated and compared. In addition,
The minimum shipping cost is 38.

【0030】各供給元の在庫数:s1 =5,s2 =3,
3 =4,s4 =6 各消費先の需要数:d1 =2,d2 =7,d3 =3,d
4 =2,d5 =4 各供給元と各消費先間の輸送費: c11=5,c12=1,c13=7,c14=3,c15=3 c21=2,c22=3,c23=6,c24=9,c25=5 c31=6,c32=4,c33=8,c34=1,c35=4 c41=3,c42=2,c43=2,c44=2,c45=4
Stock number of each supplier: s 1 = 5, s 2 = 3
s 3 = 4, s 4 = 6 Number of demands of each consumer: d 1 = 2, d 2 = 7, d 3 = 3, d
4 = 2, d 5 = 4 Transportation cost between each source and each consumer: c 11 = 5, c 12 = 1, c 13 = 7, c 14 = 3, c 15 = 3 c 21 = 2, c 22 = 3, c 23 = 6 , c 24 = 9, c 25 = 5 c 31 = 6, c 32 = 4, c 33 = 8, c 34 = 1, c 35 = 4 c 41 = 3, c 42 = 2, c 43 = 2, c 44 = 2, c 45 = 4

【0031】各fijを量子化法ではそれぞれ単一のニュ
ーロン値で、数え上げ法では7つのニューロンで表現す
る。三つの制約条件の重みはA=B=80、C=0.2
3とした。なお、シミュレーションプログラムはMS−
Cで作成し、PC98RX上で実効した。ニューロンの
初期値及び最初に更新するニューロンの選択は乱数(M
S−Cのrand関数)を用いて行った。ニューロンの
更新は乱数で選択したニューロンから順次全ニューロン
を行い、一巡すると再び最初に更新するニューロンを選
択し、これを繰り返した。シミュレーション結果を表1
に示す。
Each f ij is represented by a single neuron value in the quantization method, and is represented by 7 neurons in the counting method. The weights of the three constraint conditions are A = B = 80 and C = 0.2.
It was set to 3. The simulation program is MS-
Created in C and run on PC98RX. The initial value of the neuron and the selection of the neuron to be updated first are random numbers (M
S-C rand function). To update the neurons, all the neurons were sequentially selected from the ones selected by random numbers, and when the circuit made a cycle, the first neuron to be updated was selected again, and this was repeated. Table 1 shows the simulation results
Shown in.

【0032】[0032]

【表1】 [Table 1]

【0033】この表1から従来の数え上げ法では500
個のシミュレーションを行うのに約11時間を要したの
に、本発明の量子化法では10倍の5000シミュレー
ションを半分の約5時間しか要しなかった。一方、シミ
ュレーションで近似解(制約条件を満たした解)が得ら
れる率はほぼ同一の22〜24%なので、近似解を得る
のに要する平均時間は1/20で済む。また、いずれの
方法でも平均輸送費は同一の52.9であるが、得られ
た最小輸送費は41と44であり、量子化法の方が若干
良い結果が出ている。これは量子化法の方が半分の時間
ではあるが、数え上げ法より10倍のシミュレーション
が実効できたからと考えられる。
From Table 1, the conventional counting method is 500
Although it took about 11 hours to perform each simulation, the quantization method of the present invention required 10 times 5000 simulations, which was half, about 5 hours. On the other hand, since the approximate solutions (solutions satisfying the constraint conditions) are obtained at the same rate of 22 to 24% in the simulation, the average time required to obtain the approximate solution is 1/20. Further, the average transportation cost is 52.9, which is the same in both methods, but the obtained minimum transportation costs are 41 and 44, and the quantization method shows a slightly better result. This is probably because the quantization method took half the time, but the simulation was 10 times more effective than the counting method.

【0034】(具体例2:量子ゆらぎ)前の具体例1に
おいて、c=0.33としたゆらぎを常に与えた場合F
QSNNの結果を、QSNNの結果とともに表2に示
す。公平を期すために、QSNNのシミュレーションに
は、FQSNNと同一条件のシミュレーションがすべて
含まれている。
(Specific Example 2: Quantum Fluctuation) In the previous specific example 1, when the fluctuation with c = 0.33 is always given, F
The QSNN results are shown in Table 2 along with the QSNN results. For fairness, QSNN simulations include all simulations under the same conditions as FQSNNs.

【0035】なお、FQSNNの場合、状態遷移は厳密
には収束しない。シミュレーションでは全ニューロンの
連続5巡の更新にわたって状態(エネルギー)が変化し
なかった場合、収束したと便宜上みなした。計算(更
新)を50巡しても収束しなかった場合、シミュレーシ
ョンを打ち切った。
In the case of FQSNN, the state transition does not strictly converge. In the simulation, if the state (energy) did not change over 5 consecutive rounds of updating of all neurons, it was considered as converged for convenience. If the calculation (update) did not converge even after 50 cycles, the simulation was aborted.

【0036】[0036]

【表2】 [Table 2]

【0037】表2に示すように、FQSNNのシミュレ
ーションは500回行ったが、性能は大幅に向上した。
QSNNでは5000回のシミュレーションでも得られ
なかった最適解(=38)が500回中141回のシミ
ュレーションで得られた。平均輸送費も52.9から4
0.9と大幅な向上があった。さらに、解の質の向上の
みならず、ゆらぎにも拘らず99%のシミュレーション
が収束し、シミュレーション当たりの平均時間(収束す
るまでの平均繰り返し回数)は2倍にもならない。収束
性も非常によく、また収束した全シミュレーションが近
似解(制約条件を満たしている)を得ている。
As shown in Table 2, the FQSNN was simulated 500 times, but the performance was significantly improved.
The optimum solution (= 38), which was not obtained even with 5000 simulations in QSNN, was obtained in 141 out of 500 simulations. Average transportation cost is 52.9 to 4
There was a significant improvement of 0.9. Furthermore, not only is the quality of the solution improved, 99% of the simulations converge despite the fluctuation, and the average time per simulation (average number of iterations until convergence) does not double. Convergence is also very good, and all converged simulations obtain approximate solutions (constraints are satisfied).

【0038】以上のことから、従来の対称結合神経回路
網は決定的であり、解(収束点)は、ニューロンの初期
値に全て依存した(初期値敏感性)。したがって、初期
値の選択が新たなテーマとなった。しかし、本発明のF
QSNNは決定的(本例ではwii≦0であり、決定論的
であり、加えたゆらぎも決定論的であった)であるにも
拘らず、本シミュレーション結果は、FQSNNの解
(収束点)が初期値にあまり依存しないことを示してい
る。
From the above, the conventional symmetric connected neural network is deterministic, and the solution (convergence point) depends entirely on the initial value of the neuron (initial value sensitivity). Therefore, the selection of initial values became a new theme. However, the F of the present invention
Although the QSNN is deterministic (w ii ≦ 0 in this example, deterministic, and the added fluctuation was also deterministic), this simulation result shows that the solution of FQSNN (convergence point ) Does not depend much on the initial value.

【0039】なお、二値ニューロンは量子ニューロンの
特殊なケースなので、量子ゆらぎは量子ニューロンに限
らず、二値ニューロンにも適用できる。また、FQSN
Nの計算は、ニューロン値の更新式(1)を除いて、図
4に示すようにフロチャートに従って従来どおり行われ
る。
Since the binary neuron is a special case of the quantum neuron, the quantum fluctuation can be applied not only to the quantum neuron but also to the binary neuron. Also, the FQSN
The calculation of N is performed in the conventional manner according to the flow chart as shown in FIG. 4, except for the updating equation (1) of the neuron value.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来のニューロンのように二値や連続値ではなく、量子
化された飛び飛びの値をとる量子ニューロンからなる対
称結合の神経回路網装置を整数解の組合せ最適化などに
適用することにより、従来よりニューロン数、結線数、
計算時間が大幅に削減でき、しかも同一時間内により良
い近似解を得ることができる。さらにこの近似解に量子
化ゆらぎを与えることにより最適解へ到達する確率が大
幅に増大するという優れた効果を奏する。
As described above, according to the present invention,
By applying a neural network device of symmetric coupling consisting of quantum neurons that take quantized discrete values instead of binary or continuous values as in conventional neurons to the combination optimization of integer solutions, etc. Number of neurons, number of connections,
The calculation time can be greatly reduced, and a better approximate solution can be obtained within the same time. Furthermore, by giving a quantization fluctuation to this approximate solution, an excellent effect that the probability of reaching the optimum solution is significantly increased is exhibited.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例である量子ニューロンからな
る神経回路網装置の構成図。
FIG. 1 is a configuration diagram of a neural network device including quantum neurons according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1の量子ニューロン(点線で囲まれた部分)
の機能構成図。
FIG. 2 is the quantum neuron shown in FIG. 1 (a part surrounded by a dotted line)
FIG.

【図3】本発明のQSNNによる計算手順を示すフロー
チャート。
FIG. 3 is a flowchart showing a calculation procedure by QSNN according to the present invention.

【図4】本発明のFQSNNによる計算手順を示すフロ
ーチャート。
FIG. 4 is a flowchart showing a calculation procedure by the FQSNN of the present invention.

【図5】従来のニューロンからなる神経回路網の概念
図。
FIG. 5 is a conceptual diagram of a conventional neural network composed of neurons.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…量子ニューロン、21,…,2n…ニューロン、3
1,…,3n…乗算器、4…加算器、5…しきい値設定
器、6…量子ニューロンの重み設定器、7…演算器、8
…判定器。
1 ... Quantum neuron, 21, ..., 2n ... Neuron, 3
1, ..., 3n ... Multiplier, 4 ... Adder, 5 ... Threshold value setter, 6 ... Quantum neuron weight setter, 7 ... Arithmetic unit, 8
… Judge.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 それぞれのニューロンがもつニューロン
値にそのニューロンに対応した重みを乗算する乗算手段
と、この乗算手段の出力の全てを加算する加算手段と、
その加算手段の出力に当該量子ニューロン自身に対応し
た重みの半分を加減算する演算手段と、その演算手段の
出力を予め決められたしきい値と比較する判定手段とか
らなり,量子化された飛び飛びのニューロン値をとる量
子ニューロンを備え、この量子ニューロンを複数用いて
ネットワークを構成したことを特徴とする量子ニューロ
ンからなる神経回路網装置。
1. A multiplication means for multiplying a neuron value of each neuron by a weight corresponding to the neuron, and an addition means for adding all outputs of the multiplication means,
The quantum neuron is composed of arithmetic means for adding / subtracting half of the weight corresponding to the quantum neuron itself to the output of the adding means, and judging means for comparing the output of the arithmetic means with a predetermined threshold value. A neural network device comprising a quantum neuron, which comprises a quantum neuron that takes a neuron value of, and a network is configured by using a plurality of the quantum neurons.
【請求項2】 請求項1の量子ニューロンからなる神経
回路網装置において、量子ニューロンを複数用いたネッ
トワークで得られた近似解に、さらに量子ゆらぎを与え
ることによって最小解を得る振動手段を設けたことを特
徴とする量子ニューロンからなる神経回路網装置。
2. A neural network device comprising quantum neurons according to claim 1, further comprising vibrating means for obtaining a minimum solution by further providing quantum fluctuations to an approximate solution obtained by a network using a plurality of quantum neurons. A neural network device consisting of quantum neurons.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013546065A (en) * 2010-10-29 2013-12-26 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション Methods, devices, and circuits for neuromorphic / synaptronic spiking neural networks with synaptic weights learned using simulation

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JP2013546065A (en) * 2010-10-29 2013-12-26 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション Methods, devices, and circuits for neuromorphic / synaptronic spiking neural networks with synaptic weights learned using simulation

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