RU2797406C1 - Random series generator - Google Patents
Random series generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2797406C1 RU2797406C1 RU2022128147A RU2022128147A RU2797406C1 RU 2797406 C1 RU2797406 C1 RU 2797406C1 RU 2022128147 A RU2022128147 A RU 2022128147A RU 2022128147 A RU2022128147 A RU 2022128147A RU 2797406 C1 RU2797406 C1 RU 2797406C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bit
- input
- fuzzy
- neuro
- values
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для генерации случайной последовательности значений из заданного множества значений с требуемыми характеристиками генерируемой последовательности.The invention relates to computer technology and is intended to generate a random sequence of values from a given set of values with the required characteristics of the generated sequence.
Известен генератор случайной последовательности по Патенту РФ №2250489 «Генератор случайной последовательности» МПК G06F 7/58, H03K 3/84 опубликованный 20.04.2005 Бюл. №11, включающий источник случайных чисел, N-разрядный селектор-мультиплексор, оперативное запоминающее устройство, блок контроля интервалов, блок контроля количества генераций, J-входовый элемент ИЛИ, блок элементов И. Этот аналог обеспечивает формирование конечной последовательности заданных значений набора данных по заданному в интервальном виде закону распределения со случайной частостью появления значений в пределах интервалов.A random sequence generator is known according to RF Patent No. 2250489 "Random Sequence Generator" IPC G06F 7/58,
Недостатком данного устройства является формирование ограниченной последовательности заданных значений набора данных, что обусловлено реализованным в устройстве подходе к заданию закона распределения, который предполагает указание абсолютных значений требуемого числа наблюдений элементов заданного набора данных на выходе устройства для каждого из интервалов.The disadvantage of this device is the formation of a limited sequence of given values of the data set, which is due to the approach implemented in the device to setting the distribution law, which involves specifying the absolute values of the required number of observations of the elements of a given data set at the output of the device for each of the intervals.
Известен генератор случайной последовательности по Патенту РФ №2313125 «Генератор случайной последовательности» МПК G06F 7/58, H03K 3/84, G07C 15/00 опубликованный 20.12.2007, Бюл. №35. Это устройство содержит источник случайных чисел, оперативное запоминающее устройство, N-разрядный селектор-мультиплексор, K Р-разрядных регистров, K блоков сравнения, шифратор приоритетов, N инверторов. Устройство обеспечивает формирование неограниченной последовательности заданных значений набора данных, частность появления которых определяется только заданным законом распределения.A random sequence generator is known according to RF Patent No. 2313125 "Random Sequence Generator" IPC G06F 7/58,
Однако данное устройство имеет недостаток - узкую область применения, ограниченную возможностью моделирования дискретных случайных процессов, характеризующихся отсутствием вероятностной связи между состояниями случайного процесса (между генерируемыми значениями заданного набора данных), отсутствием вероятностной зависимости каждого очередного состояния случайного процесса от предыдущего.However, this device has a drawback - a narrow scope, limited by the possibility of modeling discrete random processes, characterized by the absence of a probabilistic connection between the states of a random process (between the generated values of a given data set), the absence of a probabilistic dependence of each next state of a random process from the previous one.
Из известных наиболее близким аналогом (прототипом), по своей технической сущности, заявленному устройству является генератор случайной последовательности по Патенту РФ №2542903 «Генератор случайной последовательности» МПК G06F 7/58, G06F 1/02, опубликованный 27.02.2015, Бюл. №6. Устройство-прототип содержит источник случайных чисел, оперативное запоминающее устройство, первый и второй селекторы-мультиплексоры, K блоков хранения границ интервалов, K блоков сравнения, шифратор приоритетов, N инверторов, первый и второй регистр. Устройство-прототип обеспечивает формирование значений элементов случайного процесса, учитывая вероятностные связи между состояниями этого процесса.Of the known closest analogue (prototype), in terms of its technical essence, the claimed device is a random sequence generator according to RF Patent No. No. 6. The prototype device contains a source of random numbers, random access memory, the first and second selectors-multiplexers, K storage blocks of interval boundaries, K comparison blocks, priority encoder, N inverters, first and second registers. The prototype device provides the formation of the values of the elements of a random process, taking into account the probabilistic relationships between the states of this process.
Однако прототип имеет недостаток - относительно низкую достоверность генерируемой последовательности заданных значений набора данных в условиях, характерных для случайных процессов, протекающих в реальных системах, в реальной вычислительной технике, когда состояния генерируемого случайного процесса зависят не только от количественно заданных значений границ интервалов этих состояний, но и от этих значений, задаваемых с учетом комплексной неопределенности, которая проявляется одновременно и совокупно в виде недостоверности и нечеткости информации.However, the prototype has a drawback - a relatively low reliability of the generated sequence of given values of the data set under conditions typical for random processes occurring in real systems, in real computing, when the states of the generated random process depend not only on the quantitatively given values of the boundaries of the intervals of these states, but and from these values, given taking into account the complex uncertainty, which manifests itself simultaneously and collectively in the form of unreliability and fuzziness of information.
Данное устройство позволяет получать текущие вероятностно-временные значения элементов заданного набора данных с учетом заданных количественно значений верхних границ интервалов, на которые разбивается множество адресов этого набора данных, определяемых на каждом последующем шаге работы устройства вероятностями переходов случайного процесса из состояния в состояние, в то время как при исследовании многих случайных процессов, протекающих в реальных системах, широкое применение находят нейро-нечеткие модели [1-6], объективно основанные на параллельной, комплексной обработке данных, задаваемых с учетом комплексной неопределенности значений границ интервалов для различных состояний случайного процесса, где эти значения носят не только количественный (достоверно идентифицируемый), но также одновременно недостоверный и нечеткий характер, традиционно описываемый с привлечением математики нейро-нечетких сетей (ННС), где нейросетевая компонента ННС отвечает за устранение аспекта комплексной неопределенности типа недостоверность данных, а функции устранения аспекта комплексной неопределенности типа нечеткость в рамках ННС реализуются в рамках компоненты, основанной на алгоритмах преобразования нечетких множеств.This device allows you to obtain the current probabilistic-temporal values of the elements of a given data set, taking into account the quantitatively specified values of the upper boundaries of the intervals into which the set of addresses of this data set is divided, determined at each subsequent step of the device operation by the probabilities of transitions of a random process from state to state, while as in the study of many random processes occurring in real systems, neuro-fuzzy models [1-6] are widely used, objectively based on parallel, complex data processing, given taking into account the complex uncertainty of the values of the boundaries of the intervals for various states of the random process, where these values are not only quantitative (reliably identifiable), but also simultaneously unreliable and fuzzy, traditionally described with the involvement of the mathematics of neuro-fuzzy networks (NFN), where the neural network component of the NNN is responsible for eliminating the aspect of complex uncertainty of the data unreliability type, and the functions of eliminating the aspect of complex uncertainties of the fuzzy type in the framework of the NNN are implemented within the framework of a component based on algorithms for the transformation of fuzzy sets.
Целью изобретения является разработка устройства, обеспечивающего повышение достоверности генерируемой последовательности за счет обеспечения возможности генерации заданного набора данных с учетом как количественно заданных значений верхних границ интервалов, на которые разбивается множество адресов этого набора данных, так и с учетом комплексной неопределенности значений этих границ интервалов для различных состояний генерируемого случайного процесса, создание генератора случайной последовательности, способного с высокой достоверностью формировать значения элементов случайного процесса, характеризующего реальное поведение сложной вычислительной системы, когда верхние границы интервалов для различных состояний этого случайного процесса имеют как количественно, так и качественно - одновременно недостоверно и нечетко выраженный физический смысл.The aim of the invention is to develop a device that improves the reliability of the generated sequence by providing the possibility of generating a given data set, taking into account both the quantitatively specified values of the upper boundaries of the intervals into which the set of addresses of this data set is divided, and taking into account the complex uncertainty of the values of these interval boundaries for various states of a generated random process, the creation of a random sequence generator capable of generating with high reliability the values of the elements of a random process that characterizes the real behavior of a complex computing system, when the upper boundaries of the intervals for various states of this random process are both quantitatively and qualitatively - both unreliable and fuzzy physical meaning.
Указанная цель достигается тем, что в известный генератор случайной последовательности, содержащий K блоков сравнения, где K≥2 - максимально возможная мощность заданного множества генерируемых значений, первый селектор-мультиплексор, второй селектор-мультиплексор, оперативное запоминающее устройство, шифратор приоритетов, N инверторов, где N=[log2K] - число двоичных разрядов, достаточное для адресации элементов заданного множества генерируемых значений, K блоков хранения границ интервалов, выполненных в виде оперативных запоминающих устройств, первый регистр, второй регистр и источник случайных чисел, дополнительно включен блок нейро-нечеткой сети, предназначенный для проверки и выявления значений верхних границ интервалов (на которые разбивается множество адресов заданного набора данных, определяемых на каждом последующем шаге вероятностями переходов случайного процесса из состояния в состояние), задаваемых и идентифицируемых с учетом комплексной неопределенности этих значений, а также для обработки и трансформирования таких исходных данных, заданных одновременно в недостоверной и нечеткой форме к виду, позволяющему достоверно и однозначно идентифицировать и трактовать значения исходных данных о границах интервалов для различных состояний исследуемого процесса. При этом Р-разрядный, где Р>N, выход «Случайное число» источника случайных чисел соединен с Р-разрядными входами «Случайное число» K блоков сравнения, Р-разрядный выход k-го блока хранения границ интервалов, где k=1, 2, …, K, соединен с Р-разрядным входом «Верхняя граница» k-го блока сравнения, выход «Результат сравнения» k-го блока сравнения соединен с k-ым инверсным входом шифратора приоритетов, n-ый инверсный выход которого, где n=1, 2, …, N, соединен с входом n-го инвертора, вход выбора первого селектора-мультиплексора соединен с управляющим входом источника случайных чисел, с входом выбора второго селектора-мультиплексора и является управляющим входом генератора, первый N-разрядный информационный вход первого селектора-мультиплексора является первым N-разрядным адресным входом генератора, N-разрядный выход первого селектора-мультиплексора соединен с N-разрядным адресным входом оперативного запоминающего устройства, инверсные входы «Чтение/запись» и «Выбор кристалла» которого являются соответственно первым входом «Чтение/запись» и первым входом «Выбор кристалла» генератора, M-разрядный выход оперативного запоминающего устройства, где М≥2 - количество разрядов, достаточное для представления максимального значения из числа значений, входящих в состав заданного множества генерируемых значений, является M-разрядным выходом «Результат» генератора, М-разрядный информационный вход оперативного запоминающего устройства является М-разрядным информационным входом генератора. При этом P-разрядный информационный вход k-го блока хранения границ интервалов является k-ым Р-разрядным информационным входом генератора, n-ый разряд N-разрядного информационного входа второго регистра соединен с инверсным выходом n-го инвертора, а N-разрядный выход второго регистра подключен ко второму N-разрядному информационному входу первого селектора-мультиплексора и ко второму N-разрядному информационному входу второго селектора-мультиплексора, первый N-разрядный вход которого является вторым N-разрядным адресным входом генератора, а его N-разрядный выход соединен с N-разрядным прямым входом блока нейро-нечеткой сети, N-разрядный прямой выход которого соединен с N-разрядным информационным выходом этого блока и подключен к N-разрядному информационному входу первого регистра, N-разрядный нейро-нечеткий вход блока нейро-нечеткой сети является N-разрядным нейро-нечетким входом устройства, N-разрядный выход первого регистра соединен с N-разрядными адресными входами K блоков хранения границ интервалов, соответствующие инверсные входы «Выбор кристалла» и «Чтение/запись» которых объединены между собой и являются соответственно вторым входом «Выбор кристалла» и вторым входом «Чтение/запись» генератора, входы инициализации первого и второго регистров являются соответственно первым и вторым входом «Установка» генератора, а входы сброса первого и второго регистров объединены и являются входом «Обнуление» генератора.This goal is achieved by the fact that in a known random sequence generator containing K blocks of comparison, where K≥2 is the maximum possible power of a given set of generated values, the first selector-multiplexer, the second selector-multiplexer, random access memory, priority encoder, N inverters, where N=[log 2 K] is the number of binary digits sufficient to address the elements of a given set of generated values, K blocks for storing the boundaries of the intervals, made in the form of random access memory devices, the first register, the second register and the source of random numbers, an additional block of neuro- fuzzy network, designed to check and identify the values of the upper boundaries of the intervals (into which the set of addresses of a given data set is divided, determined at each subsequent step by the probabilities of transitions of a random process from state to state), set and identified taking into account the complex uncertainty of these values, as well as for processing and transformation of such initial data, given simultaneously in an unreliable and fuzzy form, to a form that allows you to reliably and unambiguously identify and interpret the values of the initial data on the boundaries of the intervals for various states of the process under study. In this case, the P-bit, where P>N, the output "Random number" of the source of random numbers is connected to the P-bit inputs "Random number" of K comparison blocks, the P-bit output of the k-th storage block of interval boundaries, where k=1, 2, ..., K, connected to the P-bit input "Upper limit" of the k-th comparison block, the output "Comparison result" of the k-th comparison block is connected to the k-th inverse input of the priority encoder, the n-th inverse output of which, where n=1, 2, ..., N, connected to the input of the n-th inverter, the selection input of the first selector-multiplexer is connected to the control input of the random number source, to the selection input of the second selector-multiplexer and is the control input of the generator, the first N-bit information the input of the first selector-multiplexer is the first N-bit address input of the generator, the N-bit output of the first selector-multiplexer is connected to the N-bit address input of the RAM, the inverse inputs "Read/Write" and "Crystal Select" are respectively the first input “Read/Write” and the first input “Crystal Select” of the generator, M-bit output of random access memory, where M≥2 is the number of bits sufficient to represent the maximum value from among the values included in the given set of generated values, is M- bit output "Result" of the generator, the M-bit information input of the RAM is the M-bit information input of the generator. In this case, the P-bit information input of the k-th storage block of the interval boundaries is the k-th P-bit information input of the generator, the n-th bit of the N-bit information input of the second register is connected to the inverse output of the n-th inverter, and the N-bit output of the second register is connected to the second N-bit information input of the first selector-multiplexer and to the second N-bit information input of the second selector-multiplexer, the first N-bit input of which is the second N-bit address input of the generator, and its N-bit output is connected to The N-bit direct input of the neuro-fuzzy network block, the N-bit direct output of which is connected to the N-bit information output of this block and connected to the N-bit information input of the first register, the N-bit neuro-fuzzy input of the neuro-fuzzy network block is An N-bit neuro-fuzzy input of the device, the N-bit output of the first register is connected to the N-bit address inputs of K blocks for storing the boundaries of the intervals, the corresponding inverse inputs "Crystal selection" and "Read / write" of which are combined with each other and are, respectively, the second input “Crystal Select” and the second “Read/Write” input of the generator, the initialization inputs of the first and second registers are respectively the first and second inputs of the “Installation” of the generator, and the reset inputs of the first and second registers are combined and are the “Reset” input of the generator.
Блок нейро-нечеткой сети, предназначенный для проверки и выявления значений верхних границ интервалов (на которые разбивается множество адресов заданного набора данных, определяемых на каждом последующем шаге вероятностями переходов случайного процесса из состояния в состояние), задаваемых и идентифицируемых с учетом комплексной неопределенности этих значений, а также для обработки и трансформирования таких исходных данных, заданных одновременно в недостоверной и нечеткой форме к виду, позволяющему достоверно и однозначно идентифицировать и трактовать значения исходных данных о границах интервалов для различных состояний исследуемого процесса, состоит из счетчика, регистра хранения, нейро-нечеткого программируемого вычислителя и запоминающего элемента, N-разрядный выход которого является N-разрядным информационным выходом блока нейро-нечеткой сети, N-разрядный вход нейро-нечеткого программируемого вычислителя соединен с N-разрядным информационным выходом регистра хранения и является N-разрядным нейро-нечетким входом блока нейро-нечеткой сети и N-разрядным нейро-нечетким входом устройства, вход разрешения выходов А нейро-нечеткого программируемого вычислителя соединен с разрешающим выходом регистра хранения, N выходов А нейро-нечеткого программируемого вычислителя соединены с соответствующими N входами запоминающего элемента, N-разрядный прямой выход регистра хранения является N-разрядным прямым выходом блока нейро-нечеткой сети, N-разрядный вход регистра хранения соединен с N-разрядным выходом счетчика, N-разрядный вход которого является N-разрядным прямым входом блока нейро-нечеткой сети.A block of a neuro-fuzzy network designed to check and identify the values of the upper boundaries of the intervals (into which the set of addresses of a given data set is divided, determined at each subsequent step by the probabilities of transitions of a random process from state to state), specified and identified taking into account the complex uncertainty of these values, as well as for processing and transforming such initial data, given simultaneously in an unreliable and fuzzy form, to a form that allows you to reliably and unambiguously identify and interpret the values of the initial data on the boundaries of the intervals for various states of the process under study, consists of a counter, a storage register, a neuro-fuzzy programmable a calculator and a storage element, the N-bit output of which is the N-bit information output of the neuro-fuzzy network block, the N-bit input of the neuro-fuzzy programmable calculator is connected to the N-bit information output of the storage register and is the N-bit neuro-fuzzy input of the block neuro-fuzzy network and an N-bit neuro-fuzzy input of the device, the enable input of outputs A of the neuro-fuzzy programmable computer is connected to the enable output of the storage register, N outputs A of the neuro-fuzzy programmable computer are connected to the corresponding N inputs of the storage element, N-bit direct the output of the storage register is the N-bit direct output of the neuro-fuzzy network block, the N-bit input of the storage register is connected to the N-bit output of the counter, the N-bit input of which is the N-bit direct input of the neuro-fuzzy network block.
Благодаря новой совокупности существенных признаков, за счет введения блока нейро-нечеткой сети, обеспечивающего предварительное выявление и селекцию значений верхних границ интервалов, идентифицируемых с учетом комплексной неопределенности этих значений и принятие решения об их математической природе, а также запись, хранение результатов анализа значений верхних границ интервалов, заданных одновременно в недостоверной и нечеткой форме, и математически корректное вычислительное преобразование и распознавание этих значений с использованием нейро-нечетких математических методов, в заявленном генераторе случайной последовательности достигается возможность повышения достоверности генерируемой последовательности заданных значений набора данных за счет обеспечения возможности их генерации с учетом наличия не только количественной меры идентификации состояний случайного процесса, но и качественной - комплексной неопределенности, т.е., одновременно недостоверно и нечетко заданных значений верхних границ интервалов состояний для конкретного шага моделирования этого дискретного случайного процесса.Thanks to a new set of essential features, due to the introduction of a neuro-fuzzy network block, which provides preliminary identification and selection of the values of the upper limits of the intervals identified taking into account the complex uncertainty of these values and making a decision about their mathematical nature, as well as recording and storing the results of the analysis of the values of the upper limits intervals specified simultaneously in an unreliable and fuzzy form, and mathematically correct computational transformation and recognition of these values using neuro-fuzzy mathematical methods, in the claimed random sequence generator, it is possible to increase the reliability of the generated sequence of given data set values by providing the possibility of their generation taking into account the presence of not only a quantitative measure of identification of the states of a random process, but also a qualitative measure - complex uncertainty, i.e., both unreliably and fuzzy set values of the upper boundaries of the state intervals for a specific step of modeling this discrete random process.
Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых:The claimed device is illustrated by drawings, in which:
на фиг. 1 - структурная схема генератора случайной последовательности;in fig. 1 - block diagram of a random sequence generator;
на фиг. 2 - структурная схема блока нейро-нечеткой сети 11;in fig. 2 - block diagram of the neuro-
на фиг. 3 - схема построения нейро-нечеткой сети;in fig. 3 - scheme for constructing a neuro-fuzzy network;
на фиг. 4 - структурная схема блока сравнения.in fig. 4 is a block diagram of the comparison block.
Генератор случайной последовательности (см. фиг. 1) состоит из первого селектора-мультиплексора 1, второго селектора-мультиплексора 2, первого регистра 3, источника случайных чисел 4, оперативного запоминающего устройства 5, K блоков хранения границ интервалов 61-6K, K блоков сравнения 71-7K, шифратора приоритетов 8, N инверторов 91-9N, второго регистра 10 и блока нейро-нечеткой сети 11.The random sequence generator (see Fig. 1) consists of the first selector-
Элементы соединены между собой следующим образом (см. фиг. 1). Р-разрядный выход «Случайное число» 42 источника случайных чисел 4 соединен с Р-разрядными входами «Случайное число» 711-71K K блоков сравнения 71-7K, Р-разрядный выход 65k k-го блока хранения границ интервалов 6k, где k=1, 2, …, K, соединен с Р-разрядным входом «Верхняя граница» 72k k-го блока сравнения 7k. Выход «Результат сравнения» 73k k-го блока сравнения 7k соединен с k-ым инверсным входом 81k шифратора приоритетов 8, n-ый инверсный выход 82n которого, где n=1, 2, …, N, соединен с входом 91n n-го инвертора 9n. Вход выбора 130 (вход SE) первого селектора-мультиплексора 1 соединен с управляющим входом 41 источника случайных чисел 4 с входом выбора 23 (входом SE) второго селектора-мультиплексора 2 и является управляющим входом 07 генератора, первый N-разрядный информационный вход 110 (вход для разрядов A1-AN) первого селектора-мультиплексора 1 является первым N-разрядным адресным входом 01 генератора, N-разрядный выход 140 (выход для разрядов Q1-QN) первого селектора-мультиплексора 1 соединен с N-разрядным адресным входом 52 (входом для разрядов A1-AN) оперативного запоминающего устройства 5, инверсные входы «Чтение/запись» 54 (вход ) и «Выбор кристалла» 51 (вход ) которого являются соответственно первым входом «Чтение/запись» 02 и первым входом «Выбор кристалла» 04 генератора. Причем М-разрядный выход 55 (выход для разрядов C1-CM) оперативного запоминающего устройства 5 является М-разрядным выходом «Результат» 013 генератора, М-разрядный информационный вход 53 (вход для разрядов D1-DM) оперативного запоминающего устройства 5 является М-разрядным информационным входом 03 генератора. При этом Р-разрядный информационный вход 63k (вход для разрядов D1-DP) k-го блока хранения границ интервалов 6k является k-ым Р-разрядным информационным входом 09k генератора, n-ый разряд N-разрядного информационного входа 101 второго регистра 10 соединен с инверсным выходом 92n n-го инвертора 9n, а N-разрядный выход 104 второго регистра 10 подключен ко второму N-разрядному информационному входу 120 (входу для разрядов B1-BN) первого селектора-мультиплексора 1 и ко второму N-разрядному информационному входу 22 (входу для разрядов B1-BN) второго селектора-мультиплексора 2, первый N-разрядный вход 21 которого является вторым N-разрядным адресным входом 05 генератора, а его N-разрядный выход 24 соединен с N-разрядным прямым входом 111 блока нейро-нечеткой сети 11, N-разрядный прямой выход 112 которого соединен с N-разрядным информационным выходом 113 блока нейро-нечеткой сети 11 и подключен к N-разрядному информационному входу 31 (входу для разрядов D1-DN) первого регистра 3, N-разрядный нейро-нечеткий вход 114 блока нейро-нечеткой сети 11 является N-разрядным нейро-нечетким входом 014 устройства, N-разрядный выход 34 первого регистра 3 соединен с N-разрядными адресными входами 621-62K K блоков хранения границ интервалов 61-6K, соответствующие инверсные входы «Выбор кристалла» 611-61K (входы ) и «Чтение/запись» 641-64K (входы ) которых объединены между собой и являются соответственно вторым входом «Выбор кристалла» 08 и вторым входом «Чтение/запись» 010 генератора. Входы инициализации 33 и 103 (входы С) первого 3 и второго 10 регистров являются соответственно первым 06 и вторым 012 входом «Установка» генератора, а входы сброса 32 и 102 (входы R) первого 3 и второго 10 регистров объединены и являются входом «Обнуление» 011 генератора.The elements are interconnected as follows (see Fig. 1). R-bit output "Random number" 42 of the source of
Комплексная неопределенность представляет собой такой вид описания слабоструктурированных и трудно формализуемых данных, при котором недостаточность наших знаний о возможном состоянии среды и объекта исследований, а также тот факт, что мы полностью или частично не имеем информации о значениях границ интервалов для различных состояний генерируемого случайного процесса, одновременно и совокупно проявляются как недостоверность и нечеткость исходных данных о состояниях исследуемого процесса [7-10].Complex uncertainty is a type of description of semi-structured and difficult to formalize data, in which the lack of our knowledge about the possible state of the environment and the object of research, as well as the fact that we completely or partially do not have information about the values of the interval boundaries for various states of the generated random process, simultaneously and cumulatively manifest themselves as unreliability and fuzziness of the initial data on the states of the process under study [7-10].
Физическая и математическая сущность значений границ интервалов - численные пределы границ состояний случайного процесса. Значения границ интервалов представляют собой набор двоичных кодов, определяющих пороговые, граничные значения вероятности появления соответствующих элементов заданного набора данных (набора данных в заданном интервале). Для задания интервалов указываются их верхние границы, значения верхних границ интервалов.The physical and mathematical essence of the values of the boundaries of the intervals is the numerical limits of the boundaries of the states of a random process. The values of the boundaries of the intervals are a set of binary codes that determine the threshold, boundary values of the probability of occurrence of the corresponding elements of a given data set (data set in a given interval). To set the intervals, their upper limits, the values of the upper limits of the intervals are indicated.
Число «N, (N=[log2K]; N≥1)» (блоков, разрядов, входов, выходов и т.п.) определяется в соответствии с количеством двоичных разрядов, достаточных для адресации элементов заданного множества генерируемых значений случайной последовательности (т.е, для адресации элементов набора данных), с количеством вычислителей (нейронов) в каждом слое ННС и, как правило, составляет от 2 (двух) до 10 (десяти).The number "N, (N=[log 2 K]; N≥1)" (blocks, bits, inputs, outputs, etc.) is determined in accordance with the number of bits sufficient to address the elements of a given set of generated random sequence values (i.e., for addressing elements of a data set), with the number of calculators (neurons) in each layer of the NNN and, as a rule, ranges from 2 (two) to 10 (ten).
Число «K, (K≥2)» характеризует максимально возможную мощность заданного множества генерируемых значений случайной последовательности (т.е., количество элементов в заданном наборе данных) и, как правило, составляет от 2 (двух) до 500 (пятисот).The number "K, (K≥2)" characterizes the maximum possible power of a given set of generated values of a random sequence (i.e., the number of elements in a given data set) and, as a rule, ranges from 2 (two) to 500 (five hundred).
Число «М, (М≥2)» характеризует количество двоичных разрядов, достаточное для представления максимального значения из числа значений, входящих в состав заданного множества генерируемых значений случайной последовательности (т.е, для представления значений элементов заданного набора данных) и, как правило, составляет от 2 (двух) до 10 (десяти).The number "M, (M≥2)" characterizes the number of binary digits sufficient to represent the maximum value from the number of values that are part of a given set of generated values of a random sequence (i.e., to represent the values of elements of a given data set) and, as a rule, , ranges from 2 (two) to 10 (ten).
Число «Р, (Р>N)» характеризует разрядность информационных входов генератора и определяется в соответствии с количеством, большим, чем количество двоичных разрядов, достаточных для адресации элементов заданного множества генерируемых значений случайной последовательности и, как правило, составляет от 3 (трех) до 11 (одиннадцати).The number "P, (P>N)" characterizes the capacity of the information inputs of the generator and is determined in accordance with the number greater than the number of binary digits sufficient to address the elements of a given set of generated random sequence values and, as a rule, ranges from 3 (three) up to 11 (eleven).
Блок нейро-нечеткой сети 11, изображенный на фиг. 2, предназначен для проверки и выявления значений верхних границ интервалов (на которые разбивается множество адресов заданного набора данных, определяемых на каждом последующем шаге вероятностями переходов случайного процесса из состояния в состояние), задаваемых и идентифицируемых с учетом комплексной неопределенности этих значений, а также для обработки и трансформирования таких исходных данных, заданных одновременно в недостоверной и нечеткой форме к виду, позволяющему достоверно и однозначно идентифицировать и трактовать значения исходных данных о границах интервалов для различных состояний исследуемого процесса.The neuro-
Блок нейро-нечеткой сети 11 (фиг. 2) состоит из счетчика 11.1, регистра хранения 11.2, нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3 и запоминающего элемента 11.4, N-разрядный выход 11.4-2 которого является N-разрядным информационным выходом 113 блока нейро-нечеткой сети 11, N-разрядный вход 11.3-1 (I1-IN) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3 соединен с N-разрядным информационным выходом 11.2-1 регистра хранения 11.2 и является N-разрядным нейро-нечетким входом 114 блока нейро-нечеткой сети 11 и N-разрядным нейро-нечетким входом 014 устройства, вход 11.3-2 (OEI) разрешения выходов А нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3 соединен с разрешающим выходом 11.2-3 регистра хранения 11.2, N выходов A (A1-AN) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3 соединены с соответствующими N входами 11.4-11-11.4-1N запоминающего элемента 11.4, N-разрядный прямой выход 11.2-4 регистра хранения 11.2 является N-разрядным прямым выходом 112 блока нейро-нечеткой сети 11, N-разрядный вход 11.2-2 регистра хранения 11.2 соединен с N-разрядным выходом 11.1-2 счетчика 11.1, N-разрядный вход 11.1-1 которого является N-разрядным прямым входом 111 блока нейро-нечеткой сети 11.The neuro-fuzzy network block 11 (Fig. 2) consists of a counter 11.1, a storage register 11.2, a neuro-fuzzy programmable calculator 11.3 and a memory element 11.4, the N-bit output 11.4-2 of which is the N-
Счетчик 11.1 блока нейро-нечеткой сети 11 предназначен для регистрации и последовательного сравнения, по количеству разрядов, поступающих в двоичном коде данных, характеризующих значения верхних границ интервалов, и преобразования этих данных из параллельного кода в последовательный. Техническая реализация счетчика 11.1 возможна на базе серийно выпускаемого программируемого суммирующего счетчика с функцией оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и управляемым сбросом, схема которого известна и описана, например, в [Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 816 с., С. 246-247, рис. 3.46].The counter 11.1 of the block of the neuro-
Регистр хранения 11.2 блока нейро-нечеткой сети 11 предназначен для принятия решения о математической природе исходных данных (пороговых, граничных значений вероятности появления генерируемого набора данных в заданном интервале), заданных в виде двоичного кода - значения верхних границ интервалов заданы количественно или с учетом комплексной неопределенности этих значений, т.е., заданы одновременно в недостоверной и нечеткой форме и нуждаются в дополнительной проверке и подтверждении. Регистр хранения 11.2 может быть технически реализован на базе серийно выпускаемого типового регистра хранения на триггерах, описанного в литературе [Основы электроники: учебник для СПО / О.В. Миловзоров, И.Г. Панков. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2016. - 407 с. С. 232-233, рис. 4.3.8].The storage register 11.2 of the block of the neuro-
Нейро-нечеткий программируемый вычислитель 11.3 блока нейро-нечеткой сети 11 предназначен для осуществления процедуры нейро-нечеткого преобразования исходных данных - значений верхних границ интервалов, заданных одновременно в недостоверной и нечеткой форме к виду, позволяющему достоверно идентифицировать и трактовать значения этих верхних границ интервалов для конкретного шага моделирования дискретных случайных процессов. Нейро-нечеткий программируемый вычислитель 11.3 блока нейро-нечеткой сети 11 с точки зрения теории ННС представляет собой программно-аппаратный аналог пятислойной нейро-нечеткой сети прямого распространения сигнала, такой, как ANFIS (Adaptive-Network-Based Fuzzy Inference System - адаптивная сеть нечеткого вывода) [1, 2]. Вариант такой ННС представлен на фиг. 3. С точки зрения теории ННС, нейро-нечеткий программируемый вычислитель 11.3 блока нейро-нечеткой сети 11 выполняет функции: фаззификации, т.е., преобразования численных входных значений в степени соответствия лингвистическим переменным (функции первого слоя ННС); записи и хранения нечетких правил, представляющих собой набор нечетких правил типа «Если-То» (функции второго слоя ННС); записи и хранения данных, определяющих функции принадлежности нечетких множеств, используемых в нечетких правилах (функции третьего слоя ННС); принятия решений, т.е., совершения операции вывода на основании имеющихся правил (функции четвертого слоя ННС) и функции дефаззификации, нацеленные на преобразование результатов вывода в численные значения исходных данных о границах интервалов для различных состояний исследуемого процесса (функции пятого, выходного слоя ННС). Нейро-нечеткий программируемый вычислитель 11.3 может быть технически реализован на базе серийно выпускаемой микропроцессорной секции (МПС или MPS - Micro-Processoring Section) типа MPS К1804ВС1, описанной, например, в [Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 816 с., С. 371-376, рис. 6.14].The neuro-fuzzy programmable calculator 11.3 of the block of the neuro-
Запоминающий элемент 11.4 блока нейро-нечеткой сети 11 предназначен для записи и хранения проверенных и подтвержденных результатов анализа значений верхних границ интервалов, а также для преобразования этих данных из последовательного кода в параллельный. Запоминающий элемент 11.4 может быть технически реализован на базе серийно выпускаемого программируемого динамического оперативного запоминающего устройства с N входами и N-разрядным выходом, в соответствии с описанием, представленным в работе [Основы электроники: учебник для СПО / О.В. Миловзоров, И.Г. Панков. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2016. - 407 с. С. 229-231, рис. 4.3.2].The storage element 11.4 of the block of the neuro-
Первый селектор-мультиплексор 1, входящий в общую структурную схему генератора случайной последовательности, предназначен для коммутации на свой N-разрядный выход сигналов одной из двух групп: с первого N-разрядного информационного входа 110 (входа для разрядов A1-AN) либо со второго N-разрядного информационного входа 120 (входа для разрядов B1-BN). Схема построения первого селектора-мультиплексора 1 известна, он может быть технически реализован на базе серийно выпускаемого N-разрядного мультиплексора, как показано в [Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., перер. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 816 с., С. 94-95].The first selector-
Второй селектор-мультиплексор 2, входящий в общую структурную схему генератора случайной последовательности, предназначен для коммутации на свой N-разрядный выход сигналов одной из двух групп: с первого N-разрядного входа 21 (входа для разрядов A1-AN) либо со второго N-разрядного информационного входа 22 (входа для разрядов B1-BN). Он отвечает за запись значений верхних границ интервалов, величина которых может быть задана количественно либо одновременно недостоверно и нечетко, границ, на которые разбивается множество адресов заданного набора данных, определяемых на каждом последующем шаге заданными вероятностями переходов случайного процесса из состояния в состояние. Схема построения второго селектора-мультиплексора 2 известна и аналогична схеме первого селектора-мультиплексора 1. Он может быть технически реализован на базе серийно выпускаемого N-разрядного мультиплексора, как показано в [Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 816 с., С. 94-95].The second selector-
Первый регистр 3, входящий в общую структурную схему генератора случайной последовательности, предназначен для регистрации и хранения двоичных кодов, определяющих генерацию последовательности значений заданного набора данных, а также за регистрацию и хранение значений новых для каждого последующего шага, проверенных и подтвержденных (с помощью нейро-нечеткой сети) верхних границ интервалов, величина которых может быть задана количественно либо одновременно недостоверно и нечетко, и динамично изменяется по методам марковских цепей, зависит от вероятности перехода случайного процесса из состояния в состояние и соответствует значениям требуемых на данном шаге вероятностей наблюдения соответствующих элементов заданного набора данных. Описание работы и схема таких регистров известны и приведены, например, в книге [Аверченков О.Е. Схемотехника: аппаратура и программы. - М.: ДМК Пресс, 2012. - 588 с., С. 443-445].The
Источник случайных чисел 4, входящий в общую структурную схему генератора случайной последовательности, предназначен для генерирования Р-разрядных случайных чисел, известен, и может быть технически реализован, как показано, например, в [Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 816 с., С. 260-261].The source of
Оперативное запоминающее устройство 5, входящее в общую структурную схему генератора случайной последовательности, предназначено для хранения значений элементов заданного набора данных. Схема построения оперативного запоминающего устройства известна, он может быть технически реализован на базе серийно выпускаемого оперативного запоминающего устройства, как показано в [Аверченков О.Е. Схемотехника: аппаратура и программы. - М: ДМК Пресс, 2012. - 588 с., С. 246-247].
Блоки хранения границ интервалов 61-6K, входящие в общую структурную схему генератора случайной последовательности, предназначены для хранения двоичных кодов, определяющих новые, проверенные и подтвержденные (с помощью нейро-нечеткой сети) верхние границы интервалов, т.е., граничные значения вероятности появления соответствующих элементов заданного набора данных (набора данных в заданном интервале). Они выполненных в виде оперативных запоминающих устройств, структура их построения известна, они могут быть технически реализованы на базе серийно выпускаемых оперативных запоминающих устройств, как показано в [Аверченков О.Е. Схемотехника: аппаратура и программы. - М.: ДМК Пресс, 2012. - 588 с., С. 246-247].Blocks for storing the boundaries of intervals 6 1 -6 K , included in the general block diagram of the random sequence generator, are designed to store binary codes that define new, verified and confirmed (using a neuro-fuzzy network) upper boundaries of the intervals, i.e., boundary values the probability of occurrence of the corresponding elements of a given data set (data set in a given interval). They are made in the form of random access memory devices, the structure of their construction is known, they can be technically implemented on the basis of commercially available random access memory devices, as shown in [Averchenkov O.E. Circuit engineering: hardware and software. - M.: DMK Press, 2012. - 588 p., S. 246-247].
Блоки сравнения 71-7K, входящие в общую структурную схему генератора случайной последовательности, предназначены для сравнения случайного значения, генерируемого источником случайных чисел, и значения на выходе соответствующего регистра, а также для формирования результата сравнения. Принцип работы и структура любого k-го блока сравнения 7к известны, описаны в прототипе (см. патент РФ №2542903 «Генератор случайной последовательности» МПК G06F 7/58, G06F 1/02, опубликованный 27.02.2015, Бюл. №6, фиг. 4), структурная схема проиллюстрирована, на примере k-го блока сравнения 7k, на фиг. 4.Comparison units 7 1 -7 K included in the overall block diagram of the random sequence generator are designed to compare the random value generated by the source of random numbers, and the value at the output of the corresponding register, as well as to generate the result of the comparison. The principle of operation and structure of any k-
Шифратор приоритетов 8, входящий в общую схему генератора случайной последовательности, предназначен для преобразования значения логического нуля на одном из его входов в соответствующий двоичный код на его выходе, причем преобразование осуществляется с учетом приоритетов, определяемых номером входа. Схема реализации шифратора приоритетов известна и подробно описана, например, в [Аверченков О.Е. Схемотехника: аппаратура и программы. - М.: ДМК Пресс, 2012. - 588 с., С. 414-418].The
Инверторы 91-9N, входящие в общую схему генератора случайной последовательности, предназначены для инвертирования сигналов с инверсных выходов шифратора приоритетов. Схема реализации инвертора известна и подробно описана, например, в [Аверченков О.Е. Схемотехника: аппаратура и программы. - М.: ДМК Пресс, 2012. - 588 с., С. 426].Inverters 9 1 -9 N included in the general scheme of the random sequence generator are designed to invert signals from the inverse outputs of the priority encoder. The inverter implementation scheme is known and described in detail, for example, in [Averchenkov O.E. Circuit engineering: hardware and software. - M.: DMK Press, 2012. - 588 p., S. 426].
Второй регистр 10, входящий в общую схему генератора случайной последовательности, предназначен для хранения двоичных кодов, определяющих вероятности появления соответствующих элементов заданного набора данных. Он отвечает за регистрацию и хранение значений предыдущих (для прошлого шага) проверенных и подтвержденных с помощью ННС верхних границ интервалов (полученных с учетом наличия не только количественно, но и одновременно недостоверно и нечетко заданных значений этих границ), величина которых динамично изменяется по методам марковских цепей, зависит от вероятности перехода случайного процесса из состояния в состояние и соответствует значениям требуемых на прошедшем шаге вероятностей наблюдения соответствующих элементов заданного набора данных. Он аналогичен первому регистру 3, описание работы и схема таких регистров известны и приведены, например, в книге [Аверченков О.Е. Схемотехника: аппаратура и программы. - М.: ДМК Пресс, 2012. - 588 с., С. 443-445].The
В заявленном устройстве генерирование заданных значений набора данных с учетом как количественных значений границ между генерируемыми величинами этого набора данных (границ интервалов), так и с учетом комплексной неопределенности этих значений, осуществляется поэтапно. Первым этапом является генерирование заданных значений набора данных с учетом количественно заданных верхних границ интервалов, реализуемое на основе закона распределения, который задается путем указания требуемой вероятности появления соответствующего элемента заданного набора данных. При этом применяется подход [11], основанный на использовании источника случайных чисел, распределенных равномерно в диапазоне [0; 1). Данный диапазон разбивается на совокупность интервалов, количество которых соответствует количеству элементов в заданном наборе данных. Величины интервалов соответствуют значениям требуемых вероятностей наблюдения соответствующих элементов заданного набора данных. Вероятность попадания случайного числа, сформированного источником случайных чисел, внутрь каждого интервала равна его длине. Номер интервала используется в качестве адреса для извлечения элемента заданного набора данных из оперативного запоминающего устройства, а для задания интервалов указываются их верхние границы.In the claimed device, the generation of set values of a data set, taking into account both the quantitative values of the boundaries between the generated values of this data set (boundaries of the intervals), and taking into account the complex uncertainty of these values, is carried out in stages. The first step is the generation of the given values of the data set, taking into account the quantitatively specified upper bounds of the intervals, implemented on the basis of the distribution law, which is specified by specifying the required probability of the occurrence of the corresponding element of the given data set. In this case, the approach [11] is applied, based on the use of a source of random numbers distributed uniformly in the range [0; 1). This range is divided into a set of intervals, the number of which corresponds to the number of elements in the given data set. The values of the intervals correspond to the values of the required probabilities of observing the corresponding elements of a given data set. The probability of hitting a random number generated by a random number source inside each interval is equal to its length. The interval number is used as an address for retrieving an element of a given data set from random access memory, and for setting intervals, their upper bounds are indicated.
Исходное задание начальных вероятностей появления элементов заданного набора данных, на первом шаге - без учета комплексной неопределенности значений верхних границ интервалов, осуществляется следующим образом.The initial assignment of the initial probabilities of the occurrence of elements of a given data set, at the first step, without taking into account the complex uncertainty of the values of the upper boundaries of the intervals, is carried out as follows.
Пусть Н={h1, h2, …, hk, …, hK} - множество требуемых вероятностей появления элементов заданного набора данных, где K - количество элементов заданного набора данных, а В={b1, b2, …, bk, …, bK} - множество количественно заданных соответствующих значений начальных верхних границ интервалов. Тогда начальное, количественно, полно, достоверно и однозначно заданное значение верхней границы k-го интервала будет равно сумме значений вероятностей появления элементов из заданного набора данных от 1-го до k-го:Let Н={h 1 , h 2 , …, h k , …, h K } be the set of required probabilities of occurrence of elements of a given data set, where K is the number of elements of the given data set, and B={b 1 , b 2 , …, b k , …, b K } is the set of quantitatively specified corresponding values of the initial upper bounds of the intervals. Then the initial, quantitatively, completely, reliably and uniquely specified value of the upper boundary of the kth interval will be equal to the sum of the probabilities of the occurrence of elements from the given data set from the 1st to the kth:
Таким образом, диапазон [0; 1) на первом шаге генерации будет разбит на следующие интервалы:Thus, the range [0; 1) at the first generation step will be divided into the following intervals:
Используется Р-разрядный источник случайных чисел с равномерным законом распределения. При этом Р-разрядный двоичный код, формируемый на выходе источника случайных чисел, и Р-разрядный двоичный код, используемый для задания начальной (для первого шага) верхней границы интервала, рассматриваются количественно, как числа из диапазона [0; 1) без указания целой части.A P-bit source of random numbers with a uniform distribution law is used. In this case, the P-bit binary code generated at the output of the random number source, and the P-bit binary code used to set the initial (for the first step) upper bound of the interval, are considered quantitatively as numbers from the range [0; 1) without specifying the whole part.
Вместе с тем, либо в рамках генерации случайных чисел с равномерным законом распределения, либо извне, от оператора устройства могут быть заданы значения верхних границ интервалов, обладающие комплексной неопределенностью, т.е., заданные качественно, и имеющие одновременно недостоверно и нечетко выраженный физический смысл.At the same time, either within the framework of generating random numbers with a uniform distribution law, or from the outside, from the device operator, the values of the upper limits of the intervals can be set, which have a complex uncertainty, i.e., set qualitatively, and having both an unreliable and fuzzy physical meaning .
Если задано множество требуемых вероятностей появления элементов заданного набора данных Н={0,125; 0,125; 0,25; 0,5}, то количественно заданные значения верхних границ интервалов будут равны соответственно 0,125, 0,25, 0,5 и 1. В соответствии с правилами перевода [12] правильных десятичных дробей в двоичное представление данные значения в четырехразрядном коде представляются соответственно в виде чисел 0,0010, 0,0100, 0,1000, 0,1111. А в устройство заносятся только дробная часть этих чисел: соответственно значения 0010, 0100,1000 и 1111.If a set of required probabilities of occurrence of elements of a given data set is given H={0.125; 0.125; 0.25; 0.5}, then the quantitatively specified values of the upper limits of the intervals will be equal to 0.125, 0.25, 0.5, and 1, respectively. numbers 0.0010, 0.0100, 0.1000, 0.1111. And only the fractional part of these numbers is entered into the device: the values 0010, 0100,1000 and 1111, respectively.
Аналогичным образом, если источник случайных чисел сформировал значение 1101 (в десятичном представлении 0,8125), то, представляя это значение как дробную часть числа из диапазона [0; 1), т.е. как 0,1101, и учитывая множество количественно заданных (для первого этапа) начальных верхних границ интервалов из предыдущего абзаца, видно, что случайное значение попало в интервал, ограниченный числами 0,1000 и 0,1111.Similarly, if the random number source generated the value 1101 (in decimal representation 0.8125), then representing this value as a fractional part of a number from the range [0; 1), i.e. as 0.1101, and given the set of quantitatively specified (for the first stage) initial upper bounds of the intervals from the previous paragraph, it can be seen that the random value fell into the interval limited by the numbers 0.1000 and 0.1111.
Для того, чтобы генератор случайной последовательности был способен моделировать дискретные случайные процессы, протекающие в реальных системах, с учетом значений границ интервалов для различных состояний случайного процесса, задаваемых как количественно, так и качественно - с учетом комплексной неопределенности значений этих границ между генерируемыми величинами заданного набора данных, в соответствии с теорией марковских процессов [13], сначала задают начальные значения вероятности переходов случайного процесса из состояния в состояние.In order for the random sequence generator to be able to simulate discrete random processes occurring in real systems, taking into account the values of the boundaries of the intervals for various states of the random process, set both quantitatively and qualitatively - taking into account the complex uncertainty of the values of these boundaries between the generated values of a given set data, in accordance with the theory of Markov processes [13], first set the initial values of the probability of transitions of a random process from state to state.
При этом, на каждом последующем шаге функционирования генератора, вероятности появления элементов заданного набора данных будут иметь новые, определяемые в соответствии с марковской моделью, значения верхних границ интервалов, и генерируемые случайные значения на каждом новом шаге будет попадать в новый (лишь для этого шага) интервал. Данное пошаговое уточнение, идентификация значений множества верхних границ интервалов позволяет получать значения элемента из заданного набора данных с учетом наличия количественных значений этих верхних границ интервалов для конкретного шага моделирования дискретных случайных процессов.At the same time, at each subsequent step of the generator operation, the probabilities of occurrence of elements of a given data set will have new values of the upper bounds of the intervals, determined in accordance with the Markov model, and the generated random values at each new step will fall into a new one (only for this step) interval. This step-by-step refinement, identification of the values of the set of upper bounds of the intervals makes it possible to obtain the values of an element from a given data set, taking into account the presence of quantitative values of these upper bounds of the intervals for a specific step of modeling discrete random processes.
Помимо количественных пороговых величин, учет комплексной неопределенности значений верхних границ интервалов для конкретного шага, реализуемый в предложенном генераторе случайной последовательности, осуществляется в рамках процедур, основанных на известных результатах исследований в области теории нейро-нечетких сетей, изложенных в работах [1-6]. Анализ работ [1-6] позволяет сформировать математически корректный нейро-нечеткий алгоритм приведения заданных одновременно в недостоверной и нечеткой форме исходных данных - значений верхних границ интервалов для различных состояний марковской цепи, к ближайшему полному и однозначному заданному множеству.In addition to quantitative threshold values, accounting for the complex uncertainty of the values of the upper boundaries of the intervals for a particular step, implemented in the proposed random sequence generator, is carried out within the framework of procedures based on the well-known results of research in the field of the theory of neuro-fuzzy networks, described in [1-6]. The analysis of works [1-6] makes it possible to form a mathematically correct neuro-fuzzy algorithm for reducing the initial data given simultaneously in an unreliable and fuzzy form - the values of the upper boundaries of the intervals for various states of the Markov chain, to the nearest complete and unambiguous given set.
Таким образом, в рамках моделирования дискретных случайных процессов, формируемых с учетом как количественно, так и качественно - одновременно недостоверно и нечетко идентифицированных значений верхних границ интервалов для различных состояний марковской цепи, ряд характеристик генерируемого процесса моделируется на основе параметрически заданных исходных данных, традиционными методами, а моделирование с учетом комплексной неопределенности значений этих границ интервалов (т.е., с учетом одновременно недостоверно и нечетко заданных пороговых значений состояний для конкретного шага моделирования дискретных случайных процессов) - путем последовательных преобразований с использованием методов теории ННС, сводится к возможности их относительно параметрического моделирования, т.е. осуществляется переход от одновременно недостоверно и нечетко поставленной задачи идентификации верхних границ интервалов, к параметрической.Thus, within the framework of modeling discrete random processes, which are formed taking into account both quantitatively and qualitatively - both unreliably and fuzzy identified values of the upper boundaries of the intervals for various states of the Markov chain, a number of characteristics of the generated process are modeled on the basis of parametrically specified initial data, by traditional methods, and modeling taking into account the complex uncertainty of the values of these boundaries of the intervals (i.e., taking into account both unreliably and fuzzy threshold values of states for a specific step of modeling discrete random processes) - by successive transformations using the methods of the theory of NNN, is reduced to the possibility of their relatively parametric modeling, i.e. the transition from the simultaneously unreliable and fuzzy task of identifying the upper boundaries of the intervals to the parametric one is carried out.
Известно [1-6], что с точки зрения дополнительной проверки и подтверждения с помощью процедур нейро-нечеткой верификации значений верхних границ интервалов для конкретного шага с учетом комплексной неопределенности этих исходных данных для различных состояний марковской цепи, существует возможность определения этих значений, заданных как количественно, так и качественно - одновременно недостоверно и нечетко. Эта возможность реализуется с использованием нейро-нечетких вычислительных методов и алгоритмов, позволяющих путем последовательных математических нейро-нечетких преобразований, осуществить переход от недостоверно и нечетко определенных верхних пороговых значений состояний к виду, пригодному для однозначного принятия достоверного решения о значениях этих верхних границ интервалов для конкретного шага моделирования дискретных случайных процессов.It is known [1-6] that from the point of view of additional verification and confirmation using neuro-fuzzy verification procedures for the values of the upper boundaries of the intervals for a specific step, taking into account the complex uncertainty of these initial data for various states of the Markov chain, it is possible to determine these values given as quantitatively and qualitatively - both unreliable and fuzzy. This possibility is implemented using neuro-fuzzy computational methods and algorithms that allow, through sequential mathematical neuro-fuzzy transformations, to make the transition from unreliably and fuzzy upper threshold values of states to a form suitable for unambiguously making a reliable decision about the values of these upper limits of intervals for a particular step of modeling discrete random processes.
При этом значения верхних границ интервалов для различных состояний марковской цепи и для конкретного шага моделирования дискретных случайных процессов могут быть дополнительно проверенны и подтверждены на основе математических методов принятия решений в слабоструктурированных задачах - нейро-нечетких вычислительных методов и алгоритмов, которые достаточно просто могут быть аппаратно реализуемы в форме ННС. Нейро-нечеткие сети, основанные на них вычислительные методы и алгоритмы объединят в себе нейронные сети и нечеткую логику, собирают наилучшие свойства обоих методов, и в то же время освобождаются от их проблем. С одной стороны, такие структуры включают вычислительную мощность и способность к обучению нейронных сетей, а с другой стороны интеллектуальные возможности нейронных сетей усиливаются свойственными классическим способам «мышления» нечеткими правилами выработки решений [1, 2, 4].At the same time, the values of the upper limits of the intervals for various states of the Markov chain and for a specific step in the modeling of discrete random processes can be additionally checked and confirmed on the basis of mathematical decision-making methods in semi-structured problems - neuro-fuzzy computational methods and algorithms that can be implemented quite simply in hardware. in the form of NNS. Neuro-fuzzy networks, computational methods and algorithms based on them will combine neural networks and fuzzy logic, collect the best properties of both methods, and at the same time get rid of their problems. On the one hand, such structures include the computational power and learning ability of neural networks, and on the other hand, the intellectual capabilities of neural networks are enhanced by fuzzy decision-making rules inherent in the classical ways of “thinking” [1, 2, 4].
Вычислительный нейро-нечеткий алгоритм такого класса состоит из пяти слоев по N вычислителей (нейронов) в каждом. При этом количество N вычислителей (нейронов) входного, промежуточных и выходного слоев соответствует коду адресации элементов набора данных, равно N=[log2K] и зависит от количества двоичных разрядов, достаточных для описания значений верхних границ интервалов для различных состояний марковской цепи, от количества экспертов и соответствующего количества входов устройств аппаратной реализации нейро-нечеткой сети. Причем N вычислителей (нейронов) в каждом слое ННС (в каждой ветви нейро-нечеткого алгоритма) отвечают за преобразование одновременно недостоверно и нечетко распознанных и определенных значений верхних пороговых значений состояний к виду, позволяющему однозначно и достоверно идентифицировать и трактовать значения этих верхних границ интервалов для конкретного шага моделирования дискретных случайных процессов.A computational neuro-fuzzy algorithm of this class consists of five layers of N calculators (neurons) in each. At the same time, the number N of calculators (neurons) of the input, intermediate and output layers corresponds to the addressing code of the elements of the data set, is equal to N=[log 2 K] and depends on the number of binary digits sufficient to describe the values of the upper bounds of the intervals for various states of the Markov chain, from the number of experts and the corresponding number of inputs of devices for the hardware implementation of the neuro-fuzzy network. Moreover, N calculators (neurons) in each layer of the NNN (in each branch of the neuro-fuzzy algorithm) are responsible for converting simultaneously unreliably and fuzzy recognized and certain values of the upper threshold values of the states to a form that allows you to unambiguously and reliably identify and interpret the values of these upper limits of the intervals for specific step of modeling discrete random processes.
В нашем случае N может принимать значения от 2 (двух) до 10 (десяти), соответствующие количеству входов микропроцессорной секции MPS К1804ВС1, на базе которой построен программируемый вычислитель 11.2 блока нейро-нечеткой сети 11.In our case, N can take values from 2 (two) to 10 (ten), corresponding to the number of inputs of the MPS K1804BC1 microprocessor section, on the basis of which the programmable computer 11.2 of the neuro-
Нейро-нечеткие сети позволяют осуществить дополнительную проверку и подтверждение истинности характеристик моделируемого генерируемого процесса, причем вывод этих характеристик - значений верхних границ интервалов, осуществляется на основе аппарата нечеткой логики, а параметры функций принадлежности настраиваются при помощи алгоритмов обучения нейронной сети. При этом модуль нечеткого управления представляется в форме многослойной сети, в которой слои выполняют функции элементов алгоритма нечеткого вывода [1, 2, 4].Neuro-fuzzy networks allow for additional verification and confirmation of the validity of the characteristics of the simulated generated process, and the derivation of these characteristics - the values of the upper boundaries of the intervals, is carried out on the basis of the fuzzy logic apparatus, and the parameters of membership functions are adjusted using neural network training algorithms. In this case, the fuzzy control module is presented in the form of a multilayer network, in which the layers act as elements of the fuzzy inference algorithm [1, 2, 4].
Классический алгоритм нечеткого вывода в ННС состоит из пяти функциональных этапов: этап фаззификации, на котором преобразующий численные входные значения в степени соответствия лингвистическим переменным; этап получения, записи и хранения нечетких правил, содержащий набор нечетких правил типа «Если-То»; этап получения, записи и хранения данных, на котором определяются функции принадлежности нечетких множеств, используемых в нечетких правилах; этап принятия решений, в рамках которого осуществляются операции вывода на основании имеющихся правил, а также этап дефаз-зификации, на котором преобразуются результаты вывода в численные значения верхних границ интервалов [1, 2].The classic fuzzy inference algorithm in the NNN consists of five functional stages: the fuzzification stage, which transforms numerical input values into the degree of correspondence to linguistic variables; the stage of obtaining, recording and storing fuzzy rules, containing a set of fuzzy rules of the "If-Then" type; the stage of obtaining, recording and storing data, which determines the membership functions of fuzzy sets used in fuzzy rules; the decision-making stage, within which inference operations are carried out based on the existing rules, as well as the defuzzification stage, at which the inference results are converted into numerical values of the upper boundaries of the intervals [1, 2].
На вход нейро-нечеткой сети поступает входной образ - данные, характеризующие численные входные значения верхних границ интервалов и распознанные, определенные как количественно, так и качественно - одновременно недостоверно и нечетко. Определяется, какие из данных, характеризующих значения верхних границ интервалов, в данный момент времени распознаны количественно, а какие данные идентифицированы одновременно недостоверно и нечетко. В целях дополнительной проверки и подтверждения, с помощью процедур нейро-нечеткой верификации, значений верхних границ интервалов, необходимо математически корректно, используя ННС, преобразовать распознанные одновременно недостоверно и нечетко данные.The input image is received at the input of the neuro-fuzzy network - data characterizing the numerical input values of the upper boundaries of the intervals and recognized, determined both quantitatively and qualitatively - both unreliably and fuzzy. It is determined which of the data characterizing the values of the upper limits of the intervals are quantitatively recognized at a given time, and which data are identified both unreliably and indistinctly. For the purpose of additional verification and confirmation, using the procedures of neuro-fuzzy verification, the values of the upper limits of the intervals, it is necessary to mathematically correct, using the NNN, to convert the data recognized both unreliably and fuzzy.
При этом первый (входной) слой ННС реализует первый этап, процедуру фаззификации - преобразования численных входных значений в степени соответствия лингвистическим переменным, характеризуемым функциями принадлежности для каждой входной переменной - значений верхних границ интервалов для каждого конкретного шага. На первый вход первого слоя поступают входные сигналы, характеризующие конкретное значение одновременно недостоверно и нечетко заданного значения верхней границы интервалов x1, на второй - мнения экспертов х2 о данном значении. На выходе слоя получаем значение функции принадлежности для этих сигналов. Параметры функций принадлежности для конкретных значений верхних границ интервалов для каждого конкретного шага становятся весами связей для нейронов первого слоя ННС, и они могут модифицироваться в процессе обучения. В качестве функций принадлежностей входных и выходных переменных - значений верхних границ интервалов, используется функция Гаусса в видеIn this case, the first (input) layer of the NNN implements the first stage, the fuzzification procedure - the transformation of numerical input values in the degree of compliance with linguistic variables, characterized by membership functions for each input variable - the values of the upper bounds of the intervals for each specific step. The first input of the first layer receives input signals that characterize a specific value at the same time unreliably and fuzzy set value of the upper limit of the intervals x 1 , the second - the opinions of experts x 2 about this value. At the output of the layer, we obtain the value of the membership function for these signals. The parameters of the membership functions for specific values of the upper limits of the intervals for each specific step become the weights of connections for the neurons of the first layer of the NNN, and they can be modified in the learning process. As the membership functions of the input and output variables - the values of the upper boundaries of the intervals, the Gaussian function is used in the form
где qi, wj - параметры функции принадлежности для конкретных значений верхних границ интервалов, требующие настройки в процессе обучения ННС, xn - значения верхних границ интервалов, поступающие на вход ННС.where q i , w j are the parameters of the membership function for specific values of the upper bounds of the intervals that require adjustment in the learning process of the NNN, x n are the values of the upper bounds of the intervals coming to the input of the NNN.
Конфигурация связей второго слоя соответствует структуре правил:The configuration of the links of the second layer corresponds to the structure of the rules:
Правило R1: если x1 есть и х2 есть W1,Rule R 1 : if x 1 exists and x 2 is W 1 ,
Правило R2: если x1 есть и х2 есть W2,Rule R 2 : if x 1 exists and x 2 is W 2 ,
Правило Rn: если х1 есть и х2 есть Wn,R n rule: if x 1 is and x 2 is W n ,
где - нечеткие множества, элементы которых описывают одновременно не-Where - fuzzy sets, the elements of which simultaneously describe indistinct
достоверно и нечетко заданные значения верхних границ интервалов.Reliably and indistinctly specified values of the upper limits of the intervals.
Тогда правило (R1, R2, …, Rn) можно представить в виде нечеткой импликации (соединением двух высказываний в одно).Then the rule (R 1 , R 2 , …, R n ) can be represented as a fuzzy implication (combining two statements into one).
Второй слой реализует этап логического вывода. Число нейронов N во втором слое ННС равно количеству правил. Каждый узел слоя связан с предыдущим слоем таким образом, что узел второго слоя ННС, соответствующий k-му правилу, соединен со всеми нейронами первого слоя ННС, соответствующими нечетким множествам условий этого правила. Выходным значением второго слоя будет являться вес правила:The second layer implements the inference stage. The number of neurons N in the second layer of the NNN is equal to the number of rules. Each node of the layer is connected to the previous layer in such a way that the node of the second layer of the NNN corresponding to the kth rule is connected to all neurons of the first layer of the NNN corresponding to the fuzzy sets of conditions of this rule. The output value of the second layer will be the weight of the rule:
где - нечеткие множества, элементы которых описывают функции принадлежности для конкретных одновременно недостоверно и нечетко заданных значений верхних границ интервалов.Where - fuzzy sets, the elements of which describe the membership functions for specific, at the same time, uncertainly and fuzzily given values of the upper boundaries of the intervals.
Элементы третьего слоя осуществляют нормализацию степеней выполнения правил и вычисляют нормализованные значения конкретных верхних границ интерваловThe elements of the third layer carry out the normalization of the degree of execution of the rules and calculate the normalized values of specific upper bounds of the intervals
Четкие значения конкретных верхних границ интервалов, задающие заключение каждого правила, в четвертом слое рассматриваются как нечеткое множество с гауссов-ской функцией принадлежности. Адаптивные узлы четвертого слоя рассчитывают вклад каждого нечеткого правила в выход ННС по формулеThe clear values of specific upper bounds of the intervals that define the conclusion of each rule are considered in the fourth layer as a fuzzy set with a Gaussian membership function. The adaptive nodes of the fourth layer calculate the contribution of each fuzzy rule to the NNN output by the formula
Пятый слой представляет собой реализацию функций дефазификации. На выходе пятого слоя формируется итоговые четкие значения верхних границ интервалов.The fifth layer is the implementation of the defuzzification functions. At the output of the fifth layer, final clear values of the upper boundaries of the intervals are formed.
Этапы функционирования вычислительного нейро-нечеткого алгоритма, реализуемого ННС, подробно, алгоритмически и аналитически описаны в [1, 2]. На выходе вычислительного нейро-нечеткого алгоритма имеем выходной образ - данные, которые достоверно и однозначно характеризуют принадлежность значений верхних границах интервалов к пространству непротиворечивых, проверенных и подтвержденных значений.The stages of functioning of the computational neuro-fuzzy algorithm implemented by the NNN are described in detail, algorithmically and analytically in [1, 2]. At the output of the computational neuro-fuzzy algorithm, we have an output image - data that reliably and unambiguously characterize the belonging of the values of the upper boundaries of the intervals to the space of consistent, verified and confirmed values.
Рассмотренный в [4-6] и детально описанный в [1, 2] вычислительный нейро-нечеткий алгоритм позволяет устранить комплексную неопределенность данных, характеризующих значения верхних границ интервалов для конкретного шага, позволяет однозначно распознать, проверить и подтвердить истинные значения этих верхних границ интервалов, а в конечном итоге, повысить достоверность формирования значения элементов случайного процесса, характеризующего реальное поведение сложной вычислительной системы - когда верхние границы интервалов для различных состояний этого случайного процесса имеют как количественно, так и качественно - одновременно недостоверно и нечетко выраженный физический смысл.Considered in [4-6] and described in detail in [1, 2], the computational neuro-fuzzy algorithm makes it possible to eliminate the complex uncertainty of the data characterizing the values of the upper limits of the intervals for a particular step, makes it possible to unambiguously recognize, verify and confirm the true values of these upper limits of the intervals, and ultimately, to increase the reliability of the formation of the value of the elements of a random process that characterizes the real behavior of a complex computing system - when the upper boundaries of the intervals for various states of this random process have both quantitatively and qualitatively - both unreliably and fuzzy physical meaning.
Иными словами, анализ рассмотренного в [4-6] и детально описанного в [1, 2] вычислительного нейро-нечеткого алгоритма позволяет сделать вывод о технической возможности реализации достоверной идентификации существенных параметров генерируемого потока данных с учетом как количественно заданных значений верхних границ интервалов, на которые разбивается множество адресов этого потока данных, так и с учетом комплексной неопределенности значений этих границ интервалов для различных состояний генерируемого случайного процесса. Это позволяет снизить неопределенность, а, следовательно, повысить достоверность генерируемой последовательности заданных значений набора данных.In other words, the analysis of the computational neuro-fuzzy algorithm considered in [4–6] and described in detail in [1, 2] allows us to conclude that it is technically possible to implement reliable identification of the essential parameters of the generated data stream, taking into account both quantitatively specified values of the upper boundaries of the intervals, on which the set of addresses of this data stream is divided, and taking into account the complex uncertainty of the values of these interval boundaries for various states of the generated random process. This allows to reduce the uncertainty, and, consequently, to increase the reliability of the generated sequence of set values of the data set.
С учетом этого в заявленном устройстве осуществляется генерирование заданных значений набора данных с учетом наличия не только количественной меры идентификации состояний случайного процесса, но и качественной - комплексной неопределенности, т.е., одновременно недостоверно и нечетко заданных значений верхних границ интервалов состояний для конкретного шага моделирования этого дискретного случайного процесса.With this in mind, in the claimed device, the set values of the data set are generated, taking into account the presence of not only a quantitative measure for identifying the states of a random process, but also a qualitative measure - complex uncertainty, i.e., both unreliably and fuzzy set values of the upper boundaries of the state intervals for a specific modeling step this discrete random process.
Техническая реализация принципа повышения достоверности распознавания значений верхних границ интервалов в заявленном устройстве осуществлена путем введения предварительного анализа и выявления этих значений верхних границ интервалов, задаваемых и идентифицируемых с учетом комплексной неопределенности данных значений, а также дополнительной проверки и подтверждения этих значений, заданных одновременно в недостоверной и нечеткой форме, с использованием нейро-нечетких методов к виду, позволяющему достоверно и однозначно идентифицировать и трактовать значения этих исходных данных о границах интервалов для различных состояний исследуемого процесса (в заявленном устройстве реализованы в рамках блока нейро-нечеткой сети 11).The technical implementation of the principle of increasing the reliability of recognition of the values of the upper limits of the intervals in the claimed device is carried out by introducing a preliminary analysis and identifying these values of the upper limits of the intervals, set and identified taking into account the complex uncertainty of these values, as well as additional verification and confirmation of these values, set simultaneously in unreliable and fuzzy form, using neuro-fuzzy methods to a form that allows you to reliably and unambiguously identify and interpret the values of these initial data on the boundaries of the intervals for various states of the process under study (in the claimed device, they are implemented within the framework of the neuro-fuzzy network block 11).
Генератор случайной последовательности работает следующим образом.The random sequence generator works as follows.
В исходном положении на управляющем входе 07, перовом 06 и втором 012 входах «Установка» установлены значения логического нуля, а на первом 02 и втором 010 входах «Чтение/запись» и на первом 04 и втором 08 входах «Выбор кристалла» - значения логической единицы. Генератор работает в следующих режимах: режим подготовки к генерации; режим генерации.In the initial position, the
Режим работы генератора с учетом не только количественно заданных значений верхних границ интервалов состояний, но и этих значений, задаваемых с учетом их комплексной неопределенности, определяется комбинацией сигналов на управляющем входе 07, первом 06 и втором 012 входах «Установка», первом 02 и втором 010 входах «Чтение/запись», а также на первом 04 и втором 08 входах «Выбор кристалла». Для перевода устройства в режим подготовки необходимо на управляющий вход 07 генератора, первый 04 и второй 08 входы «Выбор кристалла», первый 02 и второй 010 входы «Чтение/запись» подать значения логического нуля, а на первый 06 и второй 012 входы «Установка» - значение логической единицы.The mode of operation of the generator, taking into account not only the quantitatively specified values of the upper limits of the state intervals, but also these values, set taking into account their complex uncertainty, is determined by a combination of signals at the
В режиме генерации на управляющем входе генератора 07, первом 02 и втором 010 входах «Чтение/запись» устанавливаются значения логической единицы, а на первом 04 и втором 08 входах «Выбор кристалла» и первом 06 и втором 012 входах «Установка» - значения логического нуля.In the generation mode, the
В режиме подготовки генератора к работе выполняются следующие шаги.The following steps are performed in the generator standby mode.
Первый шаг - занесение множества А={а 1, а 2, …, a K} значений элементов заданного набора данных в оперативное запоминающее устройство, при этом:The first step is to enter the set A={ a 1 , a 2 , …, a K } of the values of the elements of a given data set into the random access memory, while:
0≤a k≤2M-1 - элемент заданного набора данных, где ;0≤ a k ≤2 M -1 - element of the given data set, where ;
М≥2 - количество двоичных разрядов, достаточное для представления значений элементов заданного набора данных;M≥2 - the number of binary digits sufficient to represent the values of the elements of a given data set;
K≥2 - количество элементов в заданном наборе данных;K≥2 - the number of elements in a given data set;
N≥1 - количество двоичных разрядов, достаточное для адресации элементов набора данных.N≥1 - the number of binary digits sufficient to address the elements of the data set.
Второй шаг - установка множества В={b1, b2, …, bK} количественных значений начальных верхних границ интервалов, на которые разбивается все множество адресов заданного набора данных А.The second step is setting the set B={b 1 , b 2 , …, b K } of quantitative values of the initial upper bounds of the intervals into which the entire set of addresses of the given data set A is divided.
Третий шаг - начальная установка множества количественно С={c1, c2, …, cK} или, через N-разрядный нейро-нечеткий вход 114 блока нейро-нечеткой сети 11, являющийся N-разрядным нейро-нечетким входом 014 устройства - одновременно в недостоверно и нечетко заданных значений новых (для данного шага) верхних границ интервалов, на которые разбивается множество адресов набора данных А, определяемых на каждом последующем шаге вероятностями переходов случайного процесса из состояния в состояние [13].The third step is the initial setting of the set quantitatively С={c 1 , c 2 , …, c K } or, through the N-bit neuro-
Первый шаг подготовки генератора к работе включает следующие действия. По первому N-разрядному адресному входу 01 генератора на первую группу информационных входов 110 (группу входов A1-AN) первого селектора мультиплексора 1 подается N-разрядный адрес, по которому должно быть записано значение первого элемента а 1. На управляющем входе 07 генератора устанавливают значение логического нуля, который поступает на вход 130 (вход SE) первого селектора-мультиплексора 1, что приводит к коммутации адреса, установленного на входе 110 (входах A1-AN) первого селектора-мультиплексора 1, на N-разрядный адресный вход 52 (вход для разрядов A1-AN) оперативного запоминающего устройства 5. По М-разрядному информационному входу 03 генератора на информационные входы 53 (входы D1-DM) оперативного запоминающего устройства 5 подается значение первого элемента а 1 заданного набора данных, которое записывается в оперативное запоминающее устройство 5 при поступлении на его входы 51 и 54 значений логического нуля по первым входам «Выбор кристалла» 04 и «Чтение/запись» 02 соответственно. Затем, по первому N-разрядному адресному входу 01 генератора на первую группу информационных входов 110 (группу входов A1-AN) первого селектора мультиплексора 1 подается N-разрядный адрес, по которому должно быть записано значение второго элемента а 2, а по М-разрядному информационному входу 03 генератора на информационные входы 53 (входы D1-DM) оперативного запоминающего устройства 5 подают значение элемента а 2 и, путем установки значений логического нуля на первых входах «Выбор кристалла» 04 и «Чтение/запись» 02, записывают значение а 1 в оперативное запоминающее устройство 5. Аналогичным образом в оперативное запоминающее устройство 5 заносятся все K значений элементов заданного набора данных. После чего на первом входе «Чтение/запись» 02 генератора устанавливают значение логической единицы.The first step in preparing the generator for operation includes the following steps. According to the first N-
Второй шаг подготовки генератора к работе выполняется следующим образом. На K Р-разрядных информационных входах «Верхняя граница» 091-09K генератора устанавливают начальные количественные значения верхних границ интервалов. При этом, на вход 091 устанавливают значение b1, которое поступает на группу информационных входов 631 (группу D1-DP) блока хранения границ интервалов 61, на вход 092 - значение b2, которое поступает на группу информационных входов 632 блока хранения границ интервалов 62, на вход 09K - значение bK, которое поступает на группу информационных входов 63K блока хранения границ интервалов 6K. Для записи начальных количественных значений верхних границ интервалов в блоки хранения границ интервалов 61-6K на вторых входах «Выбор кристалла» 08 и «Чтение/запись» 010 устройства устанавливают значение логической единицы, которая поступает на входы 61k и 64k каждого k-ого блока хранения границ интервалов 6k. По окончании записи начальных количественных значений верхних границ интервалов в соответствующие блоки хранения границ интервалов, на вторых входах «Выбор кристалла» 08 и «Чтение/запись» 010 устройства устанавливают значение логического нуля.The second step of preparing the generator for operation is as follows. On K P-bit information inputs "Upper limit" 09 1 -09 K generator set the initial quantitative values of the upper boundaries of the intervals. At the same time, the input 09 1 is set to the value b 1 , which is fed to the group of information inputs 63 1 (group D 1 -D P ) of the block for storing the boundaries of the intervals 6 1 , to the input 09 2 - the value b 2 , which is supplied to the group of information inputs 63 2 blocks storage boundaries intervals 6 2 to the input 09 K - the value of b K , which is supplied to the group of information inputs 63 K block storage boundaries intervals 6 K . To record the initial quantitative values of the upper limits of the intervals in the storage blocks of the boundaries of the intervals 6 1 -6 K , at the second inputs "Crystal selection" 08 and "Read / write" 010 of the device, the value of the logical unit is set, which is fed to the
Третий шаг подготовки генератора к работе выполняется следующим образом. По второму N-разрядному адресному входу 05 генератора на первый N-разрядный вход 21 (входов разрядов A1-AN) второго селектора мультиплексора 2 подается N-разрядный адрес, по которому должно быть записано значение первого элемента, определяющее новое количественное значение верхней границы данного (первого) интервала. Аналогичным образом во второй селектор-мультиплексор 2 заносятся все K новых N-разрядных значений количественно (на первом этапе работы генератора) заданных верхних границ интервалов. На управляющем входе 07 генератора устанавливают значение логического нуля, который поступает на вход 23 (вход SE) второго селектора-мультиплексора 2, что приводит к коммутации адреса, записанного в двоичном коде и установленного на входе 21 второго селектора-мультиплексора 2 на N-разрядный информационный вход 31 (вход регистров D1-DN) первого регистра 3. В режиме подготовки генератора к работе на входы сброса 32 и 102 (входы R) первого 3 и второго 10 регистров соответственно поданы значения логической единицы.The third step of preparing the generator for operation is as follows. According to the second N-
На второй N-разрядный информационный вход 22 (вход для разрядов B1-BN) второго селектора-мультиплексора 2 с выхода 104 второго регистра 10 подается предыдущее (с прошлого шага) значение первого элемента с1 из множества значений вероятностей переходов случайного процесса из состояния в состояние, которое определяет новое, количественно заданное значение верхней границы данного интервала. Это значение первого элемента с1 записывается в первый регистр 3, причем для записи новых для данного шага количественных или проверенных и подтвержденных, преобразованных (с помощью ННС) значений верхних границ интервалов в первый регистр 3 на первом входе «Установка» 06 устройства устанавливают значение логической единицы, которая поступает на вход инициализации 33 (вход С) первого регистра 3. По окончании записи в первый регистр 3 новых (для данного шага) количественных или проверенных и подтвержденных (с помощью ННС) значений верхних границ интервалов в первый регистр 3 на первом входе «Установка» 06 устройства устанавливают значение логического нуля.The second N-bit information input 22 (input for bits B 1 -B N ) of the second selector-
После вышеописанных действий генератор готов к работе.After the above steps, the generator is ready for operation.
В режиме генерации работа устройства с учетом не только количественно заданных значений границ интервалов состояний, но и этих значений, задаваемых с учетом комплексной неопределенности, которая проявляется одновременно и совокупно в виде недостоверности и нечеткости информации, происходит следующим образом (см. фиг. 1).In the generation mode, the operation of the device, taking into account not only the quantitatively set values of the boundaries of the state intervals, but also these values, set taking into account the complex uncertainty, which manifests itself simultaneously and collectively in the form of unreliability and fuzziness of information, occurs as follows (see Fig. 1).
На управляющий вход 07 генератора подают значение логической единицы, которое поступает на вход выбора 13 (вход SE) первого селектора-мультиплексора 1, что обеспечивает коммутацию адреса, поступающего с выхода 104 второго регистра 10, на N-разрядный адресный вход 52 (вход для разрядов A1-AN) оперативного запоминающего устройства 5.The
Источник случайных чисел 4 при наличии на управляющем входе 07 генератора значения логической единицы формирует Р-разрядное случайное значение адреса, которое поступает одновременно на Р-разрядные входы «Случайное число» 711-71K K блоков сравнения 71-7K, где происходит сравнение случайного значения адреса с начальными количественно заданными значениями верхних границ заданных интервалов В={b1, b2, …, bK} (см. фиг. 4). В случае если поступившее значение адреса принадлежит k-му интервалу, т.е. оно меньше либо равно количественно заданному значению верхней границы k-го интервала, то на выходе «Неравенство» (выходе А>В) компараторов 7.11-7.1k-1 формируются значения логической единицы, а на выходах «Неравенство» остальных компараторов значения логического нуля.The source of
Сигналы с выходов «Неравенство» каждого компаратора 7.11-7.1K через элементы ИЛИ 7.31-7.3K и выходы «Результат сравнения» 731-73K K блоков сравнения 71-7K поступают на соответствующие инверсные входы 811-81K (входы регистров ) шифратора приоритетов 8.The signals from the "Inequality" outputs of each comparator 7.1 1 -7.1 K through the OR elements 7.3 1 -7.3 K and the outputs "Comparison result" 73 1 -73 K of the comparison blocks 7 1 -7 K are fed to the corresponding inverse inputs 81 1 -81 K (register inputs )
Таким образом (см. фиг. 1), при выполнении условия bk-1<a k<bk, на входах 811-81K (входах регистров ) шифратора приоритетов 8 будут установлены значения логической единицы, а на входах 81k-1-81K (входах регистров ) - значения логического нуля. В этом случае на N инверсных выходах 821-82N (выходах ) шифратора приоритетов 8 будет сформирован двоичный код в инверсном представлении, соответствующий значению первого номера входа с установленным значением логического нуля, т.е. код соответствующий числу k - номеру интервала, которому принадлежит значение a k. Полученный код после инвертирования в элементах 91-9N поступает на N-разрядный информационный вход 101 второго регистра 10, здесь регистрируется как код предыдущего шага, затем поступает на второй N-разрядный информационный вход 120 (вход для разрядов B1-BN) первого селектора-мультиплексора 1 и второй N-разрядный информационный вход 22 (вход для разрядов B1-BN) второго селектора-мультиплексора 2.Thus (see Fig. 1), under the condition b k-1 < a k < b k , at the inputs 81 1 -81 K (inputs of the registers )
С N-разрядного выхода 24 второго селектора-мультиплексора 2 предыдущие (с прошлого шага), значения верхних границ интервалов, идентифицируемые как количественно, так и одновременно недостоверно и нечетко, поступают на N-разрядный прямой вход 111 блока нейро-нечеткой сети 11 для проверки и выявления значений этих верхних границ интервалов, задаваемых и идентифицируемых с учетом комплексной неопределенности, а также для обработки и трансформирования таких исходных данных, заданных одновременно в недостоверной и нечеткой форме к виду, позволяющему достоверно и однозначно идентифицировать и трактовать значения этих исходных данных о верхних границах интервалов для различных состояний исследуемого процесса.From the N-
Помимо данных о начальных и текущих значениях верхних границ интервалов, получаемых на N-разрядном выходе 24 второго селектора-мультиплексора 2 на основе Р-разрядного случайного значения адреса, генерируемого источником случайных чисел 4 (как предусмотрено в устройстве-прототипе), и которые могут быть идентифицированы как количественно, так и иногда недостоверно, в рамках динамического управления оператором устройства границами интервалов, возможно введение внешних управляющих воздействий, т.е., значений кода, характеризующих новые требуемые оператору значения верхних границ интервалов. Это происходит путем внешнего ввода N-разрядного кода, характеризующего эти, вновь вводимые в динамике управления, значения верхних границ интервалов через N-разрядный нейро-нечеткий вход 114 блока нейро-нечеткой сети 11 с N-разрядного нейро-нечеткого входа 014 устройства (см. фиг. 1).In addition to data on the initial and current values of the upper limits of the intervals obtained at the N-
При этом подразумевается, что вводимые оператором извне управления - новые значения верхних границ интервалов, гарантированно нуждаются в проверке и подтверждении, что эти значения априори обладают комплексной неопределенностью, что вводимые оператором новые пороговые значения состояний для конкретного шага моделирования дискретных случайных процессов заданы одновременно недостоверно и нечетко.This implies that the new values of the upper limits of the intervals introduced by the operator from the outside of the control are guaranteed to need verification and confirmation, that these values a priori have a complex uncertainty, that the new threshold values of the states introduced by the operator for a particular step of modeling discrete random processes are set both unreliably and fuzzy .
Реализация процедур проверки и подтверждения с помощью процедур нейро-нечеткой верификации значений верхних границ интервалов, задаваемых и идентифицируемых с учетом комплексной неопределенности, а также процедур математически корректной обработки и трансформирования таких исходных данных, заданных одновременно в недостоверной и нечеткой форме к виду, позволяющему достоверно и однозначно их идентифицировать и трактовать, осуществляется в блоке нейро-нечеткой сети 11 следующим образом.Implementation of verification and confirmation procedures using procedures for neuro-fuzzy verification of the values of the upper limits of the intervals that are set and identified taking into account complex uncertainty, as well as procedures for mathematically correct processing and transformation of such initial data, given simultaneously in an unreliable and fuzzy form, to a form that allows reliable and to uniquely identify and interpret them, is carried out in the block of the neuro-
С N-разрядного выхода 24 второго селектора-мультиплексора 2 предыдущие (с прошлого шага), значения верхних границ интервалов, идентифицируемые как количественно, так и одновременно недостоверно и нечетко, поступают и записываются в двоичном коде через N-разрядный прямой вход 111 на N-разрядный вход 11.1-1 счетчика 11.1 блока нейро-нечеткой сети 11.From the N-
Блок нейро-нечеткой сети 11 может быть реализован в соответствии со схемой, предложенной на фиг. 2. Последовательное сравнение по количеству разрядов поступающих в двоичном коде исходных данных - значений верхних границ интервалов, идентифицируемых как количественно, так и одновременно недостоверно и нечетко и принятие решения об их математической природе - значения верхних границ интервалов заданы параметрически, количественно или обладают комплексной неопределенностью и заданы, в нашем случае, весами связей для нейронов первого слоя ННС (выступающими как параметры функций принадлежности нечетких множеств для реализации правил ННС), осуществляется в счетчике 11.1 и регистре хранения 11.2 блока нейро-нечеткой сети 11 следующим образом.The neuro-
Изначально информация, т.е., количественные данные и данные о начальных и текущих значениях верхних границ интервалов, задаваемые качественно - одновременно недостоверно и нечетко, поступающая с N-разрядного выхода 24 второго селектора-мультиплексора 2, различается по количеству разрядов: для записи в двоичном коде количественной информации достаточно 5 (пяти) разрядов двоичного кода, тогда как информация, обладающая комплексной неопределенностью несет в себе помимо обычного числа еще и характеристику весов связей для нейронов первого слоя ННС (параметров функций принадлежности), что объективно требует использования не менее 10 (десяти) разрядов двоичного кода для записи и хранения нейро-нечеткой информации - одновременно недостоверно и нечетко заданных значений верхних границ интервалов. С учетом этого факта построены счетчик 11.1 и регистр хранения 11.2 блока нейро-нечеткой сети 11.Initially, information, i.e., quantitative data and data on the initial and current values of the upper limits of the intervals, set qualitatively - both unreliable and fuzzy, coming from the N-
Счетчик 11.1 и регистр хранения 11.2 блока нейро-нечеткой сети 11 рассчитаны на хранение пяти разрядов поступающей информации, если количество разрядов превышает данную цифру, значит, с точки зрения математики эта информация - начальные и текущие пошаговые значения верхних границ интервалов для состояний генерируемого случайного процесса, поступает в качественной форме - обладают одновременно недостоверностью и нечеткостью. В этом случае и счетчик 11.1 и регистр хранения 11.2 блока нейро-нечеткой сети 11 выполняют функции транзитного узла, причем, с N-разрядного информационного выхода 11.2-1 регистра хранения 11.2 эта информация в двоичном коде сразу поступает для дополнительной проверки и подтверждения с помощью процедур нейро-нечеткой верификации значений верхних границ интервалов, задаваемых и идентифицируемых с учетом комплексной неопределенности, на N-разрядный вход 11.3-1 (I1-IN) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3 (см. фиг. 2).The counter 11.1 and the storage register 11.2 of the block of the neuro-
Также на N-разрядный вход 11.3-1 (I1-IN) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3 через N-разрядный нейро-нечеткий вход 114 блока нейро-нечеткой сети 11 с N-разрядного нейро-нечеткого входа 014 устройства в рамках динамического управления оператором устройства границами интервалов, поступают в двоичном коде внешние управляющие воздействия, т.е., значения кода, характеризующего новые требуемые оператору значения верхних границ интервалов. Эти значения (значения верхних границ интервалов) априори заданы с учетом комплексной неопределенности и нуждаются в дополнительной проверке и подтверждении с помощью процедур нейро-нечеткой верификации.Also, to the N-bit input 11.3-1 (I 1 -I N ) of the neuro-fuzzy programmable calculator 11.3 through the N-bit neuro-
Если на N-разрядный прямой вход 111 и на N-разрядный вход 11.1-1 счетчика 11.1 блока нейро-нечеткой сети 11 поступает в двоичном коде информация (значения верхних границ интервалов состояний генерируемого случайного процесса) в количестве пяти разрядов, значит эта информация поступает в однозначной, достоверной форме, имеет количественный смысл и через N-разрядный выход 11.1-2 счетчика 11.1 поступает на N-разрядный вход 11.2-2 регистра хранения 11.2. Регистр хранения 11.2 записывает эту информацию и со своего N-разрядного прямого выхода 11.2-4 через N-разрядный прямой выход 112 блока нейро-нечеткой сети 11 направляет эти данные (заданные в однозначной, достоверной форме значения элементов генерируемого случайного процесса - количественно заданные, не требующие дополнительной проверки и подтверждения с помощью процедур нейро-нечеткой верификации значения верхних границ интервалов для конкретного шага) на N-разрядный информационный вход 31 (вход регистров D1-DN) первого регистра 3 (см. фиг. 1).If the N-bit
Данные, характеризующие значения верхних границ интервалов (для каждого последующего шага), определенные, распознанные в счетчике 11.1 и сохраненные в регистре хранения 11.2 блока 11 как одновременно недостоверные и нечеткие, и нуждающиеся в дополнительной проверке и подтверждении с помощью процедур нейро-нечеткой верификации с помощью ННС, поступают с N-разрядного информационного выхода 11.2-1 регистра хранения 11.2 на N-разрядный вход 11.3-1 (I1-IN) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3 блока нейро-нечеткой сети 11 (см. фиг. 2).Data characterizing the values of the upper limits of the intervals (for each subsequent step), defined, recognized in the counter 11.1 and stored in the storage register 11.2 of
Нейро-нечеткий программируемый вычислитель 11.3 блока нейро-нечеткой сети 11 осуществляет запись, хранение результатов анализа кода, характеризующего значения верхних границ интервалов, и математически корректное нейро-нечеткое преобразование (верификацию) значений этого кода. Нейро-нечеткое преобразование, т.е. дополнительная проверка и подтверждение с помощью ННС истинных значений исходных данных - значений верхних границ интервалов, заданных одновременно в недостоверной и нечеткой форме к виду, позволяющему достоверно (полно, непротиворечиво) идентифицировать и трактовать значения этих верхних границ интервалов для конкретного шага моделирования дискретных случайных процессов, осуществляется в нейро-нечетком программируемом вычислителе 11.3 блока нейро-нечеткой сети 11 следующим образом (см. фиг. 2).The neuro-fuzzy programmable calculator 11.3 of the block of the neuro-
Нейро-нечеткий программируемый вычислитель 11.3 блока нейро-нечеткой сети 11 (см. фиг. 2) технически реализуется на базе программируемой (с точки зрения матрицы весов связей для нейронов первого слоя ННС, являющихся параметрами функций принадлежности, формулируемых экспертами) микропроцессорной секции (например, серийно выпускаемой MPS К1804ВС1), выполняющей роль программируемого параллельного арифметико-логического устройства (АЛУ), реализующего вычислительный нейро-нечеткий алгоритм работы пятислойной ННС прямого распространения сигнала, такой, как ANFIS (Adaptive-Network-Based Fuzzy Inference System - адаптивная сеть нечеткого вывода) и описанный в работах [1, 2].The neuro-fuzzy programmable calculator 11.3 of the block of the neuro-fuzzy network 11 (see Fig. 2) is technically implemented on the basis of a programmable (in terms of the weight matrix of connections for neurons of the first layer of the NNN, which are parameters of membership functions formulated by experts) microprocessor section (for example, commercially available MPS K1804BC1), which acts as a programmable parallel arithmetic logic unit (ALU) that implements a computational neuro-fuzzy algorithm for the operation of a five-layer NNN of direct signal propagation, such as ANFIS (Adaptive-Network-Based Fuzzy Inference System - adaptive fuzzy inference network) and described in [1, 2].
Если информация с N-разрядного нейро-нечеткого входа 014 устройства, с N-разрядного нейро-нечеткого входа 114 блока нейро-нечеткой сети 11 и с N-разрядного информационного выхода 11.2-1 регистра хранения 11.2 блока нейро-нечеткой сети 11 на N-разрядный вход 11.3-1 (I1-IN) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3 блока нейро-нечеткой сети 11 не поступает, соответственно не поступает команда, инициирующая начало процедуры нейро-нечеткого преобразования значений верхних границ интервалов на вход 11.3-2 разрешения выходов A (OEI) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3.If the information from the N-bit neuro-
В этом случае N выходов A (A1-AN) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3, а значит N-разрядный выход 11.4-2 запоминающего элемента 11.4 и N-разрядный информационный выход 113 блока нейро-нечеткой сети 11 заблокированы. В противном случае есть сигнал на входе 11.3-2 разрешения выходов A (OEI) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3 и одновременно недостоверные и нечеткие значения верхних границ интервалов (для каждого последующего шага), либо с N-разрядного информационного выхода 11.2-1 регистра хранения 11.2 блока нейро-нечеткой сети 11 либо с N-разрядного нейро-нечеткого входа 014 устройства через N-разрядный нейро-нечеткий вход 114 блока нейро-нечеткой сети 11 поступают на N-разрядный вход 11.3-1 (I1-IN) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3, выполняющего функции программируемого параллельного АЛУ и способного реализовать вычислительный нейро-нечеткий алгоритм работы пятислойной ННС прямого распространения сигнала.In this case, the N outputs A (A 1 -A N ) of the neuro-fuzzy programmable calculator 11.3, which means the N-bit output 11.4-2 of the storage element 11.4 and the N-
Нейро-нечеткий программируемый вычислитель 11.3 блока нейро-нечеткой сети 11 (см. фиг. 2), реализующий функции программируемого параллельного АЛУ, опираясь на запрограммированные значения элементов матрицы весов связей для нейронов первого слоя ННС - аналитически описанные параметры функций принадлежности, формулируемые экспертами, осуществляет процедуру вычисления в соответствии с вычислительным нейро-нечетким алгоритмом работы пятислойной ННС прямого распространения сигнала, подробно описанным в работах [1, 2].The neuro-fuzzy programmable calculator 11.3 of the block of the neuro-fuzzy network 11 (see Fig. 2), which implements the functions of a programmable parallel ALU, based on the programmed values of the elements of the matrix of connection weights for neurons of the first layer of the NNS - the analytically described parameters of the membership functions, formulated by experts, performs calculation procedure in accordance with the computational neuro-fuzzy algorithm for the operation of a five-layer NNN of direct signal propagation, described in detail in [1, 2].
При этом входные разряды (ячейки) I1-In N-разрядного входа 11.3-1 (входа I) соответствуют разряду (1, …, N) последовательного кода, поступающего на N-разрядный вход 11.3-1 (вход I) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3 и являются равноправными N входами нейронов первого слоя ННС, на который подаются значения N разрядов кода, имеющего физический смысл одновременно недостоверно и нечетко определенных значений верхних границ интервалов. Набор прямых и обратных связей ННС (см. фиг. 3), программно реализованный в рамках нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3, позволяет учитывать весовые коэффициенты для нейронов первого слоя ННС - аналитически описанных параметров функций принадлежности, формулируемых экспертами, и, на основе реализации нейро-нечеткого вычислительного алгоритма, описанного выражениями (3)-(9) данного описания, получать на N выходах А (А1-AN) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3 значения N разрядов параллельного кода, имеющего физический смысл дополнительно проверенного и подтвержденного, математически корректно верифицированного значения верхних границ интервалов, определенных на основе достоверных (полных) исходных данных.In this case, the input bits (cells) I 1 -In of the N-bit input 11.3-1 (input I) correspond to the bit (1, ..., N) of the serial code arriving at the N-bit input 11.3-1 (input I) of the neuro-fuzzy programmable calculator 11.3 and are equal to N inputs of neurons of the first layer of the NNS, which is fed with the values of N bits of the code, which has a physical meaning at the same time unreliable and fuzzy defined values of the upper boundaries of the intervals. A set of direct and feedback NNNs (see Fig. 3), programmatically implemented within the neuro-fuzzy programmable calculator 11.3, allows you to take into account the weight coefficients for neurons of the first layer of the NNN - analytically described parameters of membership functions formulated by experts, and, based on the implementation of neuro -of a fuzzy computational algorithm described by expressions (3)-(9) of this description, to receive at N outputs A (A 1 -A N ) of a neuro-fuzzy programmable calculator 11.3 the values of N bits of a parallel code, having the physical meaning of additionally verified and confirmed, mathematically correctly verified value of the upper limits of the intervals determined on the basis of reliable (complete) initial data.
При этом, реализуя нейро-нечеткий вычислительный алгоритм работы типовой пятислойной ННС прямого распространения сигнала (см. фиг. 3), подробно описанный в работах [1, 2] и иллюстрируемый выражениями (3)-(9) данного описания, с точки зрения теории ННС нейро-нечеткий программируемый вычислитель 11.3 блока нейро-нечеткой сети 11 выполняет арифметико-логические функции: фаззификации, т.е., преобразования численных входных значений в степени соответствия лингвистическим переменным (функции первого слоя ННС); записи и хранения нечетких правил, представляющих собой набор нечетких правил типа «Если-То» (функции второго слоя ННС); записи и хранения данных, определяющих функции принадлежности нечетких множеств, используемых в нечетких правилах (функции третьего слоя ННС); принятия решений, т.е., совершения операции вывода на основании имеющихся правил (функции четвертого слоя ННС) и функции дефаззификации, нацеленные на преобразование результатов вывода в численные значения исходных данных о границах интервалов для различных состояний исследуемого процесса (функции пятого, выходного слоя ННС). Причем подача на n-ый, где n=1, 2, …, N, вход (In) N-разрядного входа 11.3-1 (входа I) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3 значения разряда кода, характеризующего одновременно недостоверно и нечетко идентифицированные значения верхних границ интервалов (для каждого последующего шага), инициирует выдачу с соответствующего n-го выхода (An) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3 (с выхода суммирующего выходного нейрона пятого слоя ННС данных n-го нейрона четвертого, предпоследнего слоя) запрограммированного, согласно вычислительного нейро-нечеткого алгоритма, описанного в [1, 2], значения дополнительно проверенного и подтвержденного, математически корректно верифицированного значения верхних границ интервалов (фиг. 2).At the same time, by implementing a neuro-fuzzy computational algorithm for the operation of a typical five-layer NNN of direct signal propagation (see Fig. 3), described in detail in [1, 2] and illustrated by expressions (3)-(9) of this description, from the point of view of the theory NNS neuro-fuzzy programmable calculator 11.3 block of neuro-
В результате, на N выходах A (A1-AN) нейро-нечеткого программируемого вычислителя 11.3, на соответствующих разрядах N-разрядного выхода 11.4-2 запоминающего элемента 11.4 и на соответствующих разрядах N-разрядного информационного выхода 113 блока нейро-нечеткой сети 11 (см. фиг. 2), получаем информацию, характеризующую (на основе анализа, полученного в рамках работы ННС) дополнительно проверенные и подтвержденные, верифицированные, однозначные и истинные значения элементов генерируемого случайного процесса - значения верхних границ интервалов (для каждого последующего шага) в интересах повышения достоверности реализации генерируемой последовательности. Запоминающий элемент 11.4 блока нейро-нечеткой сети 11 (см. фиг. 2) записывает, хранит и выдает с соответствующих разрядов своего N-разрядного выхода 11.4-2 через соответствующие разряды N-разрядного информационного выхода 113 блока нейро-нечеткой сети 11 на соответствующие разряды N-разрядного информационного входа 31 (вход регистров D1-DN) первого регистра 3 (см. фиг. 1) код, содержащий дополнительно проверенные и подтвержденные, верифицированные результаты анализа значений верхних границ интервалов - код, однозначно (полно) и численно определяющий пороговые значения вероятности появления соответствующих элементов заданного набора данных.As a result, at the N outputs A (A 1 -A N ) of the neuro-fuzzy programmable calculator 11.3, at the corresponding bits of the N-bit output 11.4-2 of the storage element 11.4 and at the corresponding bits of the N-
Таким образом, на N-разрядном информационном входе 31 (входе регистров D1-DN) первого регистра 3, который отвечает за регистрацию и хранение значений как начальных и заданных количественно (поступающих с N-разрядного прямого выхода 112 блока нейро-нечеткой сети 11 (см. фиг. 1)), так и новых, дополнительно проверенных и подтвержденных, верифицированных с помощью ННС, значений верхних границ интервалов (поступающих с N-разрядного информационного выхода 113 блока нейро-нечеткой сети 11), имеем достоверно, однозначно и полно определенные верхние пороговые значения вероятности появления соответствующих элементов заданного набора данных для конкретного шага генерируемого случайного процесса.Thus, at the N-bit information input 31 (input of the registers D 1 -D N ) of the
Тем самым обеспечивается генерирование набора данных с учетом как количественно заданных значений верхних границ интервалов, на которые разбивается множество адресов этого набора данных, так и с учетом комплексной неопределенности значений этих границ интервалов для различных состояний генерируемого случайного процесса. Текущие (изменившиеся по сравнению с начальными) и дополнительно проверенные и подтвержденные с помощью ННС, достоверно, однозначно, полно определенные значения верхних границ интервалов для конкретного шага с N-разрядного выхода 34 первого регистра 3 поступают на N-разрядные адресные входы 621-62K K блоков хранения границ интервалов 61-6K и далее на Р-разрядные входы «Верхняя граница» 721-72K блоков сравнения 71-7K (см. фиг. 4).This ensures the generation of a data set, taking into account both the quantitatively specified values of the upper boundaries of the intervals into which the set of addresses of this data set is divided, and taking into account the complex uncertainty of the values of these interval boundaries for various states of the generated random process. Current (changed compared to the initial ones) and additionally verified and confirmed with the help of NNS, reliably, unambiguously, fully defined values of the upper limits of the intervals for a specific step from the N-
На Р-разрядные входы «Случайное число» 711-71K блоков сравнения 71-7K по-прежнему поступает Р-разрядное случайное значение адреса от источника случайных чисел 4, вновь, но уже для данного конкретного шага происходит сравнение случайного значения адреса с текущими проверенными и подтвержденными, достоверно, однозначно и полно определенными значениями верхних границ заданных интервалов, полученных с учетом как количественной, так и качественной - одновременно недостоверной и нечеткой меры комплексной неопределенности пороговых значений вероятности появления соответствующих элементов заданного набора данных для конкретного шага генерируемого случайного процесса. Цикл повторяется, причем значения предыдущего адреса, поступающего с выхода 104 второго регистра 10 на второй N-разрядный информационный вход 120 (вход для разрядов B1-BN) первого селектора-мультиплексора 1, затем на N-разрядный адресный вход 52 (вход для разрядов A1-AN) оперативного запоминающего устройства 5, служат исходными данными для получения последующих значений элемента из заданного набора данных.The R-bit inputs "Random number" 71 1 -71 K of the comparison blocks 7 1 -7 K still receive the P-bit random address value from the source of
В итоге, в соответствии со случайными адресами, формируемыми источником случайных чисел и в соответствии с вводимыми извне (через N-разрядный нейро-нечеткий вход 014 устройства) и корректируемыми на каждом шаге проверенными и подтвержденными, достоверно, однозначно и полно определенными значениями верхних границ заданных интервалов, полученных с учетом как количественной, так и качественной - одновременно недостоверной и нечеткой меры комплексной неопределенности, происходит чтение текущих вероятностно-временных значений элементов А={а 1, а 2, …, a K] заданного набора данных из оперативного запоминающего устройства 5, которые через выход 55 поступают на М-разрядный выход «Результат» 013 генератора.As a result, in accordance with random addresses generated by the source of random numbers and in accordance with those entered from the outside (through the N-bit neuro-
Генератор прекращает работу, когда на его управляющий вход 07 подается значение логического нуля, что соответствует прекращению формирования источником случайных чисел случайных адресов, либо когда по первому входу «Выбор кристалла» 04 генератора на вход 51 (вход ) оперативного запоминающего устройства 5 подают значение логической единицы.The generator stops working when its
Таким образом, заявленное устройство обеспечивает повышение достоверности генерируемой случайной последовательности за счет обеспечения возможности генерации заданного набора данных с учетом как количественно заданных значений верхних границ интервалов, на которые разбивается множество адресов этого набора данных, так и с учетом комплексной неопределенности значений этих границ интервалов для различных состояний генерируемого случайного процесса. Реализация возможности генерации случайной последовательности с учетом наличия не только количественно, но и одновременно недостоверно и нечетко заданных значений этих верхних границ интервалов происходит за счет реализуемых в блоке нейро-нечеткой сети 11 дополнительной проверки и подтверждения с помощью процедур нейро-нечеткой верификации значений верхних границ интервалов, задаваемых и идентифицируемых с учетом комплексной неопределенности, а также математически корректной обработки и трансформирования таких исходных данных, заданных одновременно в недостоверной и нечеткой форме к виду, позволяющему достоверно и однозначно их идентифицировать и трактовать в интересах осуществления процедуры параметрического моделирования (генерирования) случайных процессов.Thus, the claimed device provides an increase in the reliability of the generated random sequence by providing the possibility of generating a given data set, taking into account both the quantitatively specified values of the upper boundaries of the intervals into which the set of addresses of this data set is divided, and taking into account the complex uncertainty of the values of these interval boundaries for various states of the generated random process. The implementation of the possibility of generating a random sequence, taking into account the presence of not only quantitatively, but also at the same time unreliably and fuzzy set values of these upper limits of the intervals, occurs due to the additional verification and confirmation implemented in the block of the neuro-
Данный результат обусловлен, в итоге, получением на М-разрядном выходе «Результат» 013 генератора текущих вероятностно-временных значений элементов заданного набора данных с учетом наличия как количественно заданных значений верхних границ интервалов, на которые разбивается множество адресов этого набора данных, так и с учетом комплексной неопределенности значений этих границ интервалов для различных состояний генерируемого случайного процессаThis result is due, as a result, to the receipt at the M-bit output "Result" 013 of the generator of the current probabilistic-temporal values of the elements of a given data set, taking into account the presence of both quantitatively given values of the upper boundaries of the intervals into which the set of addresses of this data set is divided, and with taking into account the complex uncertainty of the values of these interval boundaries for various states of the generated random process
Анализ принципа работы заявленного генератора случайной последовательности показывает очевидность того факта, что наряду с сохраненными и описанными в прототипе возможностями по генерации последовательности заданного набора данных, учитывая вероятностные связи между состояниями этого процесса, генератор случайной последовательности способен с высокой достоверностью формировать значения элементов случайного процесса, характеризующего реальное поведение сложной вычислительной системы -когда верхние границы интервалов для различных состояний этого случайного процесса имеют как количественно, так и качественно - одновременно недостоверно и нечетко выраженный физический смысл.An analysis of the principle of operation of the claimed random sequence generator shows the obviousness of the fact that, along with the possibilities stored and described in the prototype for generating a sequence of a given data set, taking into account the probabilistic relationships between the states of this process, the random sequence generator is capable of generating with high reliability the values of the elements of a random process characterizing the real behavior of a complex computing system - when the upper boundaries of the intervals for various states of this random process have both quantitatively and qualitatively - both unreliable and indistinctly expressed physical meaning.
Данный генератор случайной последовательности обеспечивает повышение уровня достоверности моделирования (генерирования) случайных процессов, протекающих в реальных системах, где широкое применение находят как марковские модели, так и слабоформализуемые модели, наблюдаемые в условиях комплексной неопределенности, характеризуемые и описываемые одновременно недостоверно и нечетко заданными параметрами, что расширяет функциональные возможности универсальных генерирующих устройств в современной вычислительной технике, где заявленный генератор случайной последовательности будет использован.This random sequence generator provides an increase in the level of reliability of modeling (generation) of random processes occurring in real systems, where both Markov models and poorly formalized models are widely used, observed under conditions of complex uncertainty, characterized and described at the same time unreliably and fuzzy given parameters, which expands the functionality of universal generating devices in modern computing, where the claimed random sequence generator will be used.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES
1. R. Fuller. Introduction to Neuro-Fuzzy Systems. Advances in Soft Computing Series. Springer - Verlag, Berlin, 1999. - 289 p.;1. R. Fuller. Introduction to Neuro-Fuzzy Systems. Advances in Soft Computing Series. Springer - Verlag, Berlin, 1999. - 289 p.;
2. Хижняков Ю.Н. Алгоритмы нечеткого, нейронного и нейро-нечеткого управления в системах реального времени. - Пермь: ПНИПУ, 2013. - 160 с.;2. Khizhnyakov Yu.N. Fuzzy, neural and neuro-fuzzy control algorithms in real-time systems. - Perm: PNIPU, 2013. - 160 p.;
3. Паращук И.Б., Михайличенко Н.В. Особенности применения нейро-нечетких моделей для систем поддержки принятия решений в задачах оценки эффективности функционирования специализированных дата-центров // Информация и космос. №1, 2019. С. 84-88;3. Parashchuk I.B., Mikhailichenko N.V. Features of the use of neuro-fuzzy models for decision support systems in the tasks of evaluating the effectiveness of the functioning of specialized data centers // Information and space. No. 1, 2019. S. 84-88;
4. Андриевская Н.В., Резников А.С., Черанев А.А. Особенности применения нейро-нечетких моделей для задач синтеза систем автоматического управления. // Фундаментальные исследования. Технические науки. №11. - 2014. С. 1445-1449;4. Andrievskaya N.V., Reznikov A.S., Cheranev A.A. Features of the use of neuro-fuzzy models for the problems of synthesis of automatic control systems. // Fundamental research. Technical science. No. 11. - 2014. S. 1445-1449;
5. Рогозин О.В. Нейро-нечеткая адаптивная система поддержки принятия инновационного решения. // Образовательные технологии. №3. - 2011. С. 100-110;5. Rogozin O.V. Neuro-Fuzzy Adaptive System for Supporting Innovative Decision Making. // Educational technologies. No. 3. - 2011. S. 100-110;
6. Нестерук Г.Ф., Куприянов М.С., Елизаров С.И. К решению задачи нейро-нечеткой классификации. // Сборник трудов VI Междунар. конф. SCM'2003. - СПб.: СПГЭТУ, 2003. т. 1. С. 244-246;6. Nesteruk G.F., Kupriyanov M.S., Elizarov S.I. To the solution of the problem of neuro-fuzzy classification. // Proceedings of the VI Intern. conf. SCM'2003. - St. Petersburg: SPGETU, 2003. Vol. 1. S. 244-246;
7. Иваненко В.И., Лабковский В.А. Проблема неопределенности в задачах принятия решений. - Киев: Наукова думка. 1990. - 136 с.;7. Ivanenko V.I., Labkovsky V.A. The problem of uncertainty in decision making problems. - Kyiv: Science thought. 1990. - 136 p.;
8. Паращук И.Б., Башкирцев А.С., Михайличенко Н.В. Анализ уровней и видов неопределенности, влияющей на принятие решений по управлению информационными системами // Информация и космос. №1, 2017. С. 112-120;8. Parashchuk I.B., Bashkirtsev A.S., Mikhailichenko N.V. Analysis of Levels and Types of Uncertainty Affecting Decision-Making in Information Systems Management // Information and space. No. 1, 2017. P. 112-120;
9. Баюк О.А., Браилов А.В., Денежкина И.Е. и др. Принятие финансовых решений в условиях сравнительной неопределенности. - М.: Вузовский учебник. 2014. - 106 с.;9. Bayuk O.A., Brailov A.V., Denezhkina I.E. et al. Acceptance of financial decisions under comparative uncertainty. - M.: High school textbook. 2014. - 106 p.;
10. Военная системотехника и системный анализ. Модели и методы подготовки и принятия решений в сложных организационно-технических комплексах в условиях неопределенности и многокритериальности. / Под ред. Б.В. Соколова. - СПб.: ВИКУ им. А.Ф. Можайского, 1999. - 496 с.;10. Military systems engineering and system analysis. Models and methods of preparing and making decisions in complex organizational and technical complexes under conditions of uncertainty and multi-criteria. / Ed. B.V. Sokolov. - St. Petersburg: VIKU them. A.F. Mozhaisky, 1999. - 496 p.;
11. Моделирование информационных систем. / Под ред. О.И. Шелухина. Учебное пособие. - М.: Радиотехника, 2005. - 368 с.;11. Modeling of information systems. / Ed. O.I. Shelukhin. Tutorial. - M.: Radio engineering, 2005. - 368 p.;
12. Никитин Б.Я., Скребков В.Н. Теоретические основы вычислительной техники. Часть 2, - Л: ЛВВИУС, 1988, С. 9-11;12. Nikitin B.Ya., Skrebkov V.N. Theoretical foundations of computer technology.
13. Тихонов В.И., Миронов М.А. Марковские процессы - М.: Советское радио, 1977. - 488 с.13. Tikhonov V.I., Mironov M.A. Markov processes - M.: Soviet radio, 1977. - 488 p.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2797406C1 true RU2797406C1 (en) | 2023-06-05 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2250489C1 (en) * | 2003-07-01 | 2005-04-20 | Военный университет связи | Random series generator |
US20070033242A1 (en) * | 1995-02-14 | 2007-02-08 | Wilber Scott A | Random number generator and generation method |
RU2313125C1 (en) * | 2006-06-05 | 2007-12-20 | ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени С.М. Буденного | Generator of pseudo-random series |
US20140237011A1 (en) * | 2013-02-19 | 2014-08-21 | Raytheon Company | Random number generator for generating truly random numbers |
RU2542903C1 (en) * | 2014-06-10 | 2015-02-27 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Random sequence generator |
US20190258458A1 (en) * | 2016-11-10 | 2019-08-22 | Oxford University Innovation Limited | Random number generator |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20070033242A1 (en) * | 1995-02-14 | 2007-02-08 | Wilber Scott A | Random number generator and generation method |
RU2250489C1 (en) * | 2003-07-01 | 2005-04-20 | Военный университет связи | Random series generator |
RU2313125C1 (en) * | 2006-06-05 | 2007-12-20 | ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени С.М. Буденного | Generator of pseudo-random series |
US20140237011A1 (en) * | 2013-02-19 | 2014-08-21 | Raytheon Company | Random number generator for generating truly random numbers |
RU2542903C1 (en) * | 2014-06-10 | 2015-02-27 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации | Random sequence generator |
US20190258458A1 (en) * | 2016-11-10 | 2019-08-22 | Oxford University Innovation Limited | Random number generator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhang et al. | Dynamic extreme learning machine and its approximation capability | |
CN108665070A (en) | Limit TS fuzzy reasoning methods based on extreme learning machine and system | |
Wang et al. | A compact constraint incremental method for random weight networks and its application | |
Karim et al. | Random satisfiability: A higher-order logical approach in discrete Hopfield Neural Network | |
CN111461463A (en) | Short-term load prediction method, system and equipment based on TCN-BP | |
CN113361685B (en) | Knowledge tracking method and system based on learner knowledge state evolution expression | |
Varshavskii et al. | Modeling of case-based reasoning in intelligent decision support systems | |
KR20210041480A (en) | Reinforcement learning pulse programming | |
CN116089870A (en) | Industrial equipment fault prediction method and device based on meta-learning under small sample condition | |
CN114781692A (en) | Short-term power load prediction method and device and electronic equipment | |
RU2797406C1 (en) | Random series generator | |
Papageorgiou et al. | Introducing interval analysis in fuzzy cognitive map framework | |
Lin et al. | On relationship of multilayer perceptrons and piecewise polynomial approximators | |
US6922712B2 (en) | Apparatus, methods, and computer program products for accurately determining the coefficients of a function | |
CN112232565A (en) | Two-stage time sequence prediction method, prediction system, terminal and medium | |
RU2718214C1 (en) | Probabilistic automatic machine | |
CN114254686A (en) | Method and device for identifying confrontation sample | |
CN115238874A (en) | Quantization factor searching method and device, computer equipment and storage medium | |
RU2717629C1 (en) | Random sequence generator | |
Karakuzu | Performance Comparison of a Neural Network and a Fuzzy Network Trained by ELM for Dynamic System Identification Problems | |
Sun et al. | Application of neural network model combining information entropy and ant colony clustering theory for short-term load forecasting | |
Benaddy et al. | Evolutionary prediction for cumulative failure modeling: A comparative study | |
CN112183814A (en) | Short-term wind speed prediction method | |
RU2828686C1 (en) | Random event prediction device | |
WO2024116229A1 (en) | Signal processing device |