К построению нейрофункциональной коммуникационной среды систем обработки знаний Арзуманян, Рачья Вагаршакович

Введение к работе

Последнее десятилетие двадцатого века характеризуется возрастанием интереса к исследованиям мозга. Предыдущие этапы развития помогли осознать основную трудность подобного рода исследований, предельная сложность изучаемое объекта, что приводит к необходимости интегрировать результаты, полученніде в рамках широкого спектра научных направлений - философии, психологииі биологии, вычислительной техники, что делает невозможным на сегодняшний день создание законченной, замкнутой модели Процессов мышления и обработки информации мозгом. Выходом могло бы служить построение иерархии моделей, каждая и? которых отражала точку зрения одной или нескольких смежных областей знаний. Так как объект исследований исключает возможность проведения широкомасштабны*, экспериментов непосредственно на нем, появляется необходимость в разработке имитационных моделей, ориентированных на доступные; средства вычислительной техники.

Осознание Сложности процессов мышления, представления и обработки знаний происходило и в рамках эволюции средств вычислительной техники. Исследования в области создания интеллектуальных систем привели к необходимости пересмотра базисных постулатов теории вычислений, с переходом от понятий 'обработка данных", "коммутация" к нозыы -"обработки знаний", "коммуникация". В диссертационной работа рассматриваются модели, опирающиеся как на принципы, разработанные г рамках исследований мозга, так и на исследования в области искусственного интеллекта (ИИ). Результатом такого синтеза могло бы быть создание нового поколения нейрокомпьютерных систем, позволяющих проектировать системы обработки знаний (003), отражающие существующий уровень понимания процес ч представления и манипулирования знаниями в живых системах.

В диссертационной работе предлагается проект СОЗ, опирающийся на нейрофизиологические модели коммуникационных отношений в центральной нервной системе (ЦНС) человека и высших животных. В качества инструмента, позволяющего реализовать представление и обработку знаний в С03, используется методология процессов структурной самоог інизаиии. Предлагаемая модель может быть отнесена к качественным и опирается на следующие основные положения. 003 рассматривается как звено замкнутой модели, включающей внешнюю среду. Процессы приобретения л накопления знаний в С03 вынесены' в отдельную подсистему. алгоритмы

*ункциониропанин которой отображаются на процессы структурной ..-амоорганиэации. Это позволяет говорить о самоорганизующейся ^нефункциональной коммуникационной среде (СНКМС) СШ. Таким образом, СНКМК мовет быть представлена в виде структурированной системы, с несколькими уровнями иерархии, обмены к которой обеспечивают мощные коммутационные сети.

Цедыо настоящей диссертационной работы является разработка коммуникационной среды систем обработки знаний, опирающейся на нейрофизиологические модели коммуникационных процеосов в ЦНС и аппарат цифровых автоматов с программируемыми структурой, процессом и коммутацией, исследование принципов Функционирования иерархических коммуникационных систем представления и манипулирования знаниями.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие с>енолыые_запааи:

исследованы основные принципы коммуникационных отношений в системах представления и манипулирования знаниями с использованием аппарата цифровых автоматов с программируемыми структурой, коммутацией и процессом;

исследованы нейрофизиологические модели кокмуникациокнык отношений в центральной нервной системе;

разработана модель коммуникационной системы обработки знаний с элементами структурной самоорганизации;

разработаны и исследованы коммутационные сети, поддерживающие обмены данными в коммуникационной системе обработки знаний.

Предметом нпслепотзштя являются методы представления и

манипулирования знаниями в системах обработки знаний, реализованные в базисе нейрокомпьюгерных систем и моделирующие коммуникационные процессы в центральной нервной системе.

М^тппи ипплпчопппин базируются: на теорию цифровых автоматов с программируемыми структурой, коммутацией и процессом; на данных теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в рамках нейрофизиологии; на теоретических положениях. проектирования коммутационных сетей с гиперкубической топологией. Дія подтверждьния теоретических результатов провооилосъ имитационное моделирование на ЭВМ.

D процессе исследований получены следующие иовыв—Лазавыв результаты, выносимые на залиту:

1. кзтохгі синтеза і-зраржичзсліиа кегшукмвацнокныг. сред систем обработки зїкшмЯ, в багисе нсГцлзгс^зэ^тзтвртсжс систем с гнперкубической архитектурой;

2. автоматнкз и логичоогяэ 'Иодвлм &сга<іуки:сационньсс процессов в системах обработки зтаявй с элементе*» структурной' самоорганизации;

3. гипаркубичесхив интерфейса агйрафукхшажальной коммуникационной среды система обработки Внзкий;

4. алгоритмы обмена далвыми в етнмутаинемюй сети "двоичная гнпор^мна*';

-Ц) ьеэтоды папаиекия еСфвктивности обменов данными в ксгсеутацконной сети "двоичная гипершина" чере-э организацию распредея^авой обработки информации или введение дополнительных гиперхубичееккх каналов связи; .

б) алгоритмы обмена данными для коммутационной сети "двоичная гиперсиня" с дополнительными гиперкубичессими каналами связи.

Пвяугтнг.мп nftmtn^ft, рдДдтм ^n/yratfr:

в разработке модели интеллектуальной системы- обработки знаний с элементами структурной- самоорганизации;

в разработке _ методов синтеза нейрофункциональной самоорганизующейся коммуникационной среды систем обработки знаний;

в разработке алгоритмов образования активных коммуникационных каналов связи в самоорганнзукщейся нейрофункциональной среде;

- - в 'разработке методов организации обмена данными в двухуровневой иерархической коммутационной среде с гкперкубической топологией.

Это позволило создать имитационную модель нейрофункциональной шкмуникадаокной ' среды системы обработки знаний с элементами структурной самоорганизации. Отработанные на имитационной модели подходы используются при создании конкретних образцов интеллектуальных систем в рамках проводимых в НИИ МВС научно-исследовательских работ.

РіїЯЛИЯЯІІня ррэрлыът*} рдбеггы. Работа является результатом исследований, проводимых автором под руководством члена-корреспондента РАН А.В.Каляева в рамках ыехвуэозехай научно-технической программы "Принципы создания универсального сверхпроизводительного супермакронейрокомпыотера с программируемой самоорганизующейся архитектурой и элементами иокусственнсго интеллекта" (Распоряжение N³ 57 от 19.05.8С г. Министерства науки, высшей школы и технической * политики Российской Федерации), а также при выполнении научно-исследовательских и хоздоговорных тем, проводимых в НИИ МВС.

Результати диссертационной работы использовались в учобкжд процессе ТРТУ при выполнении дипломных работ.

Апрабяиия одбрувг. Основные результаты диссертацкшшой работы докладывались и обсугдапись на: XII Всесоганом семинара по одкородгшм пычислительныы средам и сиотоличассим структурах: (Лъив, 19Э1 г.), XIV, XV Семинарах по однородшш внчиолительныга срадоа* и систолическим структурам <Львов, 1992 г.). Секции "Кнфорзгаткз&цмя , снетега безопасности" III конгресса "Нн>Ъоркационнцэ коашушзхгаге&>, озти. системы, технологии" Ма&дународіїого форума ккформаткз&цй::. (r.tloucsa 1992 г.), Научном сеашкаро НИЦ КЕС, Научгю-техшзчэскмг секиклрш: і: научно-методических конференциях професзсорско-преподасательсиого состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ (1090-1993 гг.).

ПуГишггягщи. Основные результаты диссертационной работы отрагены в восьми печатных работах.

Суруктупа м оЯ-ы>м рябати. Диссертационная работа состоит из сведения, четырех разделов и зохлячегаш, кзло&екных ка 228 страгащак» содержи? 133 рисунка, 1 таблицу, 00 наименований библиографии, 129 страниц приложения, всего 357 страниц.

Во-Лведеиии обосновывается актуальность тощ, формулируется цель и задачи исследования.

В пеовсы рядд>-лд формулируется задача представления и манипулирования знаниями в системах ucsycexxs^soro интеллекта. Для анализа кокмуниг.ационных отковаикй в системах обработки знаний предлагаетег Использовать аппарат автоматов с программируемыми структуре Л, коммутацией и процессом. і

В системах ІШ больиую роль приобретают проблемы, связанные с понятием "знания" - катодами их представления, обработки. При обработке знаний наиболее фундаментальной и важной проблемой становится, превдэ всего, описакиа смыслового содергимого проблем самого широкого диапазона, а таске наличие такой формы описания знании (языка представления званий), которая гарантирует, что обработка их содержимого формальньзв* правилами преобразования будет осуществляться правильно.

Сущзствуюние на сегодняаынй день СОЗ являются програюсегз продуктом, однако функционирование в режиме реального времени,

автономном режиме приводит к появлении кесгхих ограничении по врггколи, накладываемых на подобные системы. Это, в свою оччредь, прнвоянт к. необходимости разрабатывать специализированные вычислительные сиг.'г«>мы, поддерживающие параллельные СОЗ,

Проектирование параллельных систем обработки знаний, оодегггтг.ик принципиалы'о большое число обрабатывающих элементов (ОЭ), переродит проблему проектирования коммутационном сети (КС) таких систем п новую плоскость. Кроме того, к ХС предъявляются дополнительные .требования, не характерные для муль^ипроцессоршх систем. Необходимость обеспечи-п пЛрааоиіоіио новых зависимостей между э^ементаки 003 в процессе функционирсванич приводит к расширению Функций каналов связи, которые становится активными элементами. Это приводит г. тому, что в системах. ИИ становится невозможным проло2ить четкую грачь мегду" "обработкой" и "коммутацией", что позволяет говорить не просто о коммутации, а о "коммуникации" и коммуникационных средах (КМС) СОЗ.

Требования к КМС СОЗ должны, быть формализованы о применением HOKOTopaw аппарата, позволяющего . перейти к анализу и синтезу коммуникационных сред. С данной точки зрения интерес представляет аппарат аптоыатоь с .программируемыми процессом, структурой и коммутации Г.. СОЗ мовно описать в виде некоторой алгебраической структури ( 0-V ) ^гЯ^е 0 ~ І 0{ Ой .... О^Ь — множество объектов, определенны*, в данной системе, V "}%> 'Z-, <, «Т $ " множество коммуникационных отношений, определенных на множестве С/ .

Ка^сый и^ элементов множества (.' представляется в виде неко"орого концепта L і , содержащего описание объекта, множества входов У\ ^: і Xj. ь. %-*. s < < \ .1,11 г . на котором когут быть заданы кокмуникацисчкы*- о"ношекич, описываемые множеством алгебраических структур г/= ч Н;.,Ьд , . уПпх , и множества, выходов 1~\ У*-^¹ "> у* г Анализ показывает ч. о киядиті иа \и емектов множества С монет быть реализован в виле совокупности подавтоматов с программируемой структурой и коммутацией, объединенных коммутационной сетью. Множеств, коммутацио1"ных отношений V также реализуется о Биде совокупное ги подавтоматов с програккирукгой структурой и коммутацией, объединенных никоторой коммутационной сіугьо.

В це.гам СОЗ представляется в віте структурирозанной систєїїл, элементы которой реализуют множества концептов С- ' , коммунихациоіїнку отношений на входах концептов Jv ~\Х-{^^-Zi^'' -^/п/, йеммуникациаингсі отношений V ' 1 V< , I% '> - > 1 і , а такзе могных коммута'эюквых сетой,

сСеспечиїзанщих связь между подсистемами различного уровни иерархии или различного Функционального к&знечелош.

Анализ суше сі вужчих систем представления и ыанипулздюваюдо скиниями показывает, их реализуемость в предлагаемом базисе овгоъсатов с. программируемыми, структурой, коммутацией н .процессом.

Ко rrr^ip^pf f^agpjfff. їда основе предлагаемого в пзрвеи разделе подхода к анализу СОЭ, разрабатывается модель ксашуникашюкной системы с элементами структурний самоорганизации.

Естественнонаучный ' подход ' к ' рассмотрыасо проблем опирается иа методологи», в' основе Которой лежит . стремлекгги _ расчленить сложную проблему на ряд независимых задач, то есть рассиатрЯвагвдая проблема представляется в виде некоторой системы, поведение и' -фумадна зоторой определяются через поведение и функции ее подсистем. При изучении мозга, такой подход приводит к- появлению нагая проблем, сложность которых оказывается, соизмеримой с сложностью основной. Дакиое свойство яьляется одним Из основных характеристик слоеных ' систем "- трудность представления ее а ' виде _sструктурированной системы с обозримым числом иерархий и подсистем, Таким образом, современный уровень представлений о мозге ' требует целостного подхода -к рассматриваемой проблеме,. когда одной из важнейших' характеристик системы признается ее целгістность. Большое .* место' проблема целостности 'занимала в творчестве А.А. Ухтомского, который .впервые -экспериментально и теоретически обосновал основной принцип деятельности ЦНС, - принцип доминант. С точки зрения принципа доминанты важнейшей характеристикой интеграционных процессов - ЦНС является способность осуіцествлять в данный момент времени одну определенную Форму адаптивного поведения.

Принцип доминанты относится к области меясистемных отношений. Он описывает, меланнзм , активизации наиболее вавкой системы и подавления конкурирующих, обеспечивая саму воэмоаность реализации реакции. Однако он не мажет определить характер реакции, семантическую нагтэузку, которую несет данная доминанта. Характер . реакции должен определять другхій принцип, определяющий уже характер внутрисистемных отношений. Таким принципом может служить - принцип детерминанты. Каждая Физиологическая реакция осуществляется по определенному алгоритму, который специфичен и' присущ только данной реакции. Для активизации алгоритма требуется появление соответствующих раздражителей в среде или определённая степень возбуждения мотивационных центров, то есть такой "алгоритм тахяе является продуктом интегратчвной деятельности ЦНС

и отображается на некоторые нейрональные механизмы, получившие ньэваиие детерминпн-гных структур.

На основе рассматриваемое моделей физиологических реакций разрабатывается коммуникационная система обработки знаний с элементами структурной самоорганизации, в которой процессы накопления новых знаний, их обработка отображаются на отдельную подсистему -коммуникационную среду. Исходя из алгоритмов функционирования формулируются требования, предъявляемые к СНКМС, а именно:

установление какала связи. СНКМС должна обеспечивать установление коммуникационного канала связи. Условия, при которых прсисхолит установление канала описываются алгоритмами Функционирования СНККС;

активизация канала связи. При выполнении ряда условий, описываемых алгоритмами функционирования, должна происходить активизация определенных коммуникационных каналов связи СНКМС;

разрушение каналов связи. Если некоторые из коммуникационных каналов связи не активизируются в течение определенного промежутка времени, СНКМС должна обеспечить их разрушение;

торможение активности конкурирующих каналов езязи. Воэмуцающие воздействия среды могут привести к активизации нескольких каналов связи. Появляется необходимость в торможении всех, за исключением одної-о из каналов связи;

большая связность. СНКМС должна быть в состоянии обеспечить прокладку болъшого числа коммуникационных каналов. Следовательно, это мощная система коммутации, позволяющая строить разнообразные каналы связи между потенциально большим числом источников и приемников.

В трвта-<чг Р^ЛТГУ"*¹⁰! на основе предлагаемой во втором разделе модели коммуникационной системы, разрабатываются структура СНКМС, Едтгоматные и логические модели коммуникационных процессов в СНКМС. На верхнем уровне иерархии СНКМС представляется в виде коммуникационной системы, с многослойной структурой — Рис.1а. Здесь подсистема L1 служит для образования и функционирования коммуникационных каналов связи первого типа, отражающих активность моделей входных воздействий (КВВ). Возбуждение какой-либо из МВВ оэначаот, что ситуация, отражаемая моделью представляет интерес для системы, и- она должна предпринять чекотбрые действия в ответ на ее возникновение, что . осуществляется через возбуждение некоторых из моделей выходных воздействий (МВДВ). В функции подсистемы L2 входит сохранение в

_Е~^зе

KC-t

;.'С5

. l_L_

_\-л

=фсцс

КС2

=>СКС2

кс:

Пвыв
і

±Ч>

=снмвз

V.

I и I'

=^

^OJ и_вьв

Й=?„

а)

но,

ШОП

C013U

_-о

-О стой

Оісоїзо

ш

Qiconi

осоїзоО

Qotoui

[01301

-¹^

ЮС 013

!10(

'СОПОО

000 ^ч^ 001

00С01

5)

Рис. 1

течение определенного промежутка времени следов активности данных моделей. Кроме сохранения пледов активности МВВ и МВЫВ, в функции подсистем L1 и L2 входит и организация каналов связи между ними. Это приводит к необходимости проектировать КС, . которая позволила 6ч осуществлять передачу возбуждения между элементами. СНКМС.

Так Как СНКМС относится к системам с массивным параллелизмом и состоит и» принципиально большого числа элементов, проектирование полнодоступного коммутатора становится невозможным. В качестве альтернативы предлагается использовать коммутационные системы, обеспечивающие обмены по полному графу с разделением во времени. К такого рода системам относятся коммутационные сети с гиперкубической топологией

^я Ч'?^гРвР^1ГПЫ ра-івала разрабатывается коммутационная сеть

гиперкубической топологии типа "двоичная гипершина" (ГШ-п). Каждой вершине гиперкубического графа ПС—п в ГШ-п ставится в соответствие шина, каждому ребру - обрабатывающий элемент (ОЭ). На Рис.16 приведена структура ГШ-3, построенная на основе ПС-3 с Н=2³ узлами. Каждому ОЭ ГШ-п ставится в соответствие номер (xn-i...LUiVi]...хи), который означает, что ОЭ присоединен к двум шинам (Xr.-x. . .u±. . .хе) и

(Xn-l.. .V1...XB).

На основе анализа топологических свойств ГШ-п предлагаются базисные елгоритмы обмеїїа данными в ней, - "один-к-одному" и "один-ко-всем" (трансляции). Проводится анализ коммутационных возможностей ГШ-п для случая параллельной трансляции, когда в сети реализуется обмен типа "все-ко-всем", то есть каждый из узлов ГШ-п организует свой алгоритм трансляции. Так sax трансляция наиболее полно использует коммуникационные возможности ГШ-п, рассмотрение алгоритма параллельной трансляции позволяет получить предельные характеристики коммутационных возможностей ГШ-П.

Полученные результаты показывают, что большая часть обменов в ПЗ-п при параллельной трансляции происходит между близлежащими узлами, образующими ансамбль, диаметр которого намного меньше диаметра всей сети, то есть при введении дополнительного коммутационного ресурса каналы связи должны быть локальными, охватывая достаточно узкий круг узлов. На основе полученных результатов предлагаются два пути увеличения эффективности ГШ-п.

Первый заключается в организации распределенной обработки информации, при котором Функции ОЭ ГШ-п оказываются распределенными

внутри некоторого ансамбля, формулируются ограничения на предельный размер ансамбля и требования, без выполнения которых распределенная обработка в ГШ-п. становится невозможной.

Ьторсй подход заключается в введении дополнительных каналов связи. Он позволяет, оставаясь в рамках гиперкубической топологии, значительно увеличить коммутационный ресурс сети. При этом удается использоаать сильные стороны сетей ГШ-n и ГК-п. Количество портов ввода/вывода в норой сети но зависит от диаметра сети. Cfcra сохраняет все топологические характеристики, присущие семейству гиперкубических сотой. Базисные алгоритмы обмена данными строятся комбинированием соответствующих алгорич-мов маршрутизации ь ГШ-n и ГК-п, каждый из которых работает на своем уровне иерархии. Коммутационная сеть ыожегс быть использована в качестве компромисса между требованиями, предъявляемыми к быстродействию проектируемой сети и технологическими ограничениями СБИС-реализации.

В приложении на осново синтезированных в четвертом разделе автоматов с программируемыми структурой, процессом и коммутацией строится имитационная модель и проводится экспериментальная проверка предлагаемого подхода к проектирования» СНКМС СОЗ.

При построении имитационной модели были усложнены функции элементарных ячеек СНКМС. Это связано с ограничениями, накладьщае&деми объемом памяти и быстродействием используемой вычислительной техники.

В качестве примера рассматривалось поведение транспортной тележки в дсумерной внешней среде. Тележка в состоянии различать во внешней среде "препятствия" и "проходимые участки". В качестве ответного отклика тележка может реализовывать следующие реакции - "вперед", "стоп" , "поворот". Броме того, при помощи обучах&гейск системы в СОЗ тележки отображаются ряд шаблонов "поведония", позволяющих єй реагировать на ряд стандартных, заранее прогнозируемых ситуаций.

В результате накопления опыта функционирования в внешней среде и появления в СНКМС новых коммуникационных каналов, тележка оказывается в состоянии выработать стратегию преодоления "препятствий".

На основе анализа задачи представясния и манипулирования знаниями в диссертационной работе предлагается модель иейрофушщионапъной коежіукиїациокной срогы скстеїа: cSpsa&orsii o^asssTi. Исследование

комглуиикациоигах отношений з системах ИИ проводится на оснотір аппарата автоматов с nporpat^avpyetaii^-i структурой, коммутацией и процессом, гибкость которого позволяог получить формализованной прздстзвтч:ние проблемы создания Еокмуникацнсжной среды CU3.

На основе анализа Е.оьагукнкацнониых отноіпоїшй в цент рольной нервной система человека и езктеих гиЕотгсых разрабатывается г«одель коммуникационной среды СОЗ, з готсрой процессы образования .таекх связей мегду объектами происходит на осново процессов структурной самоорганизации. Это позволяет говорить о самоорганиэуищихсл иейрофуккцнаиглькых коммукнпацно'ясл: срэдах (СНККС).

Обеспечение необходикнх функций СНКМС требует создания мощной КГ., обвсяечнвсигзей обкзк:/ дакнжгн недду подсистемами СНКМС. Пришдипиыльдо большое число объектов, обмен кзгду которыми долгзга о6еспечи^ть КС делает невозиоігккк проектирование полнодоступыой соти. В качестве: компромисса предлагазтея КС топологки "двоичная гипершнна", позволквщал отображать на себя обмены по полному графу. Дяд предлагаемой сети разработали соответствующие алгоритмы обмена данными и предложена пути ' повысеиия, эффективности КС за счет организации распределенной обработки информации или введения дополнитзльнмх каналов связи, не разккЕЫЗгдих топологию сети.

Осугоичътэ рдзтуьгзіьг лиссертъиии опубликовали в cjishykssixработах:

1. Каляев А.В., Бозич В.П., Арзуманян Р.В. Коммутационная сеть топологии двоичная гипершина/Д^ногопроцессорные вычислительные структуры. Вып. 14(ХШ>. Таганрог: ТРТИ, 1992, - с.ІВ-23

2. Бокич В.И., Арзуманян Р.В. К построенгео коммуникационных систем о элементами структурной самоорганизации.//II Всероссийский научно—тезенический семинар "Кейрокомпькггерные технологии и пути их использования при создании специальных технических комплексов, г.Курок, 1993, - с.12-20.

3. Боасич В.И. , Арзуманян Коммуникационная сеть с топологией "двоичная гипершина"//Х11J Всесоюзный семинар по однородным вычислительным среде*» и систолическим структурам. - Препринт ИПГО5М АН УкССР, Н» 3-91, Львов, 1991, - С.12-1Є.

4. Арзуманян Р.З. , Анализ коммутационных возможностей сети топологяи "д..<оичная шина" //XIV Семинар по однородным вычислительным средам и систоличесгим структурам. - Препринт ИППКИ АН УкССР, Н 6-92, Львов, 1992, - с. 15-20.

5. Арзуманяи Р.Б. Распределенная обработка информации в коммутационной сети типа "двоичная гипьрсина"//ХУ Семинар по однородным вычислительным средам и систолический структурам. — Препринт ИППММ АН УкССР, N0 8-32, Львов, 1992, - с. 10-14.

П. Гхі^ич П-И. , Лрзуманин Р.В. Г.оммутационная сеть топологии дьоичная гипортина с дополнительными гиперкубическими каналами гвяпи. //Многопроцессорные вг^числителькые структуры. Таганрог: ТРТИ, ШУЗ.

7. Еозич П.И., Лрзуманян Р.В. , Ереыенно fJ.A. Гиперкубичаская
аохитекгура нейрокомпьютера с распределенной обработкой инФормации//11
Нс<:роесийский научно-технический семинар "Це.йрокомпыотерные технологии
и пути их использования при создании специальных технических
комплексов. г.Курск. 1003, - с.5-1.7..

8. Божич В.И., Арзум&няк Р. В. Использование нейрокомпьютеров в
питоматизиропанных противопожарных и аварийно-спасательных
сис:темах//Секция "Информатизация систем безопасности" III конгресса
"Информационные коммуникации, сети, системи и технологии"
Международного Форума информатизации, . Москва, 1992, - с.115-117.

Личный рклпд_а&това.л^гввыеТШ[ _еайеги;

i> l1, 3j разработаны алгоритмы обмена данными "один-к-одному" и "один ко всем" в коммутациоішой сети топологии "двоичная гилершина", в [2] - разработана модель коммуникационной системы и алгоритмы, обеспечивающие процессы структурной самоорганизации в предлагаемой модели, в [03 - разработана коммутационная сеть "двоичная гипершина с дополнительными гиперкубчческими каналами евнзи" и алгоритмы обмена дшшимм в ней, в [7] - предложен гиперкубическии интерфейс "двоичная гипершина с распределенной обработкой информации".

_'Ш

оп трти. з.к.43? тнр. 100 _І6д4і

РГб од

'.-^научно - исслеловательскии центр электронной вычислительной техники

НА правах рукописи УДК 681.323

Специальность 05.13.13.- Вычислительные машины, комплексы, системы и сети.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

_Oh^"

Работа выполнена в ГНПП "Импульс" (г. Москва),

Консультант:

- кандидат технических наук,

ст. научный сотрудник Святский Б.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Татарников в.ю.

кандидат„технических наук, доцент Крквошагосо В.Ы.

Ведущее предприятие: ИНЭУИ, Г, Москва

Защита состоится " " —1994г. в —г- часов

на заседании специализированного совета ДП5.01.01. НИЦЭВТ Носква, 113405

С диссертацией иояно ознакомится в библиотеке НИЦЭВТ

Автореферат разослан "- _{: :} 1994г.

Ученый секретарь
специализированного совета Д115.01.01.
доктор технических наук,
профессор р К// Кузин Е.С.

Актуальность темы. Проблема построения тестов контроля цифровых устройств, несмотря на свою многолетнюю историю остается актуальной и по сей день. Зто обусловлено тем. что традиционные методы синтеза тестов оказываются неэффективными в условиях постояігао растущей структурной и Функциональной сложности устройств и их компонентов. Для преодоления вычислительной сложности традиционных методов разработки тестов, основанных на использовании необходимых и достаточных условий обнаружения неисправностей, были предложены и активно развиваются вероятностные методы. Однако, усилия в области использования вероятностных методов в основном были сосредоточены на методах' псевдослучайного тестирования, а также на построении вероятностных мер оценки тестопригодности комбинационных схем, в такой важной с практической точки зрения области, - как интерактивный синтез Функциональных тестов, основным этапом которого является оценка полноты и построение списка необнаруженных неисправностей, возможность использования вероятностных методов изучалась . лишь в незначительной мере. Соответственно, отсутствовали обоснованные критерій применимости вероятностных оценок для конкретных классов схем. Поэтому тема " диссертации, посвященная-исследованию адекватности и эффективности применения одного из вероятностных методов оценки полноты в интерактивной разработке тестов для цифровых, схем различных классов, является весьма актуальной.

Цель работа, основной целью выполненной работы является:

-Сравнительный анализ вероятностных методов оценки полноты тестов контроля цифровых устройств;

-Теоретический анализ вероятностных методов оценки полноты
тестов, основанных на результатах моделирования исправных
схем; ; , ' -. ,.;.'

-исследование сходимости вычислительных процедур, лежащих в основе вычисления" вероятностей обнаружения': неисправностей по результатам^: моделировани/я исправных йхем";"

.-разработка вычислительных процедур, позволяющих повысить эффективность использования вероятностных методов оценки полноты, базирующихся на результатах моделирования исправных схем, а именно:

- обеспечить возможность использования данных методов в
случаях описания схем на уровне логических элементов более
сложных, чем элементарные вентили;

-повысить скорость вычисления для схем с памятью;'

- Формализовать решение задачи разделения множества
рассматриваемых неисправностей в схеме, на обнаруживаемые и
необнаруживаемые на исследуемом тесте, что необходимо
для использования вероятностных методов при интерактивном
построении тестов.

Методы исследование. В исследованиях, выполненных в диссертационной работе, использовались методы теории вероятностей на конечных дискретных пространствах, методы теории статистических решений, методы технической диагностики цифровых устройств, методы исследования сходимости решений для нелинейных систем уравнений, а также ряд теорем математического анализа.

Научная новизна результатов состоит в следующем: -предложена классификация вероятностных методов оценки обнаруживаемое" неисправностей ;

-Исследованы математические модели, используемые для вычисления вероятности очувствления пути для неисправности на линии вентильной сети, на заданной входной двоичной последовательности;

- введен ряд новых понятий, позволяющих более
адекватное. описание вероятностной модали обнаружения
неисправностей .-

- предложен новый подход к анализу качества вероятностных
оценок наблюдаемости линий цифровых схем;

- выявлены и описаны различные Факторы { в терминах
структурно-Функциональных свойств вентильных сетей),
влияющие на точность вероятностной оценки полноты, и на
точность построения списка необнаруженных неисправностей;.

о*»

точность построения списка необнаруженных неисправностей;

- доказана сходимость итерация при реализации алгоритма
STAFAN для линии, принадлежащих участкам схем с обратными
связями произвольной конфигурации;

- предложен и обоснован метод построения списка
необнаруженных на тесте неисправностей по оценкам вероятностей
их обнаружения, вычисленных по результатам моделирования
исправной схемы.

Практическая ценность результатов работы заключается в полученном обосновании возможности' применения статистического метода оценки полноты STAFAN для интерактивной разработки тестов контроля широкого класса комбинационных и 'последовательностных схем, в модификации STAFAN, существенно повышающей его эффективность, а также в реализации на основе полученных результатов программных средств, использованных при построении тестов контроля ряда изделий, разрабатываемых и выпускаемых в ГНПП " Импульс" в .. а также на ряде других предприятий.

Апробация результатов. Теоретические, экспериментальные и практические результаты докладывались на следующих семинарах

И КОНфераНЦИЯХ:

Республиканская научно-техническая конференция "Автоматизация проектирования средств вычислительной техники и радиоэлектроники". Каунас, июнь. 1985,'

- Отраслевой семинар , "Автоматизация средств контроля
и диагностики РЭА". Москва, декабрь. 1987г..

- Всесоюзный семинар "бпыт и практическое использование
систем автоматизированного проектирования (САПР)". Ыосква. 24-
26 сентября, 1987г.,

-Зональная конференция "Математические и программные методы проектирования информационных и управляющих систем". Пенза, 2S-29 мая, 1990г..

- Конференция по автоматизации проектирования "АРКЭ1".
Каунас 3-6 июня. 1991г.

2nd International Design Automation Workshop ("Russian Workshop92"). Moscow. June 29-30. 1992.

:-4-

("Russian Workehop93")., Moscow, July 19-20. 1993. а также на семинарах в ГНПП "Импульс". ИЛИ РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Объем работы. Диссертация :состоит из введения, семи глав, заключения, изложенных на страницах, рисунков, списка литературы (всего наименований), а также трех приложений.