Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы ведущее место начинает занимать нечеткие интеллектуальные технологии и соответствующие программные средства, реализуемые на ЭВМ различных классов (главным образом, на рабочих станциях и ПЭВМ со специальными сопроцессорами обработки нечеткой информации). Во всем мире идет бурное развитие интеллектуальных систем и программно-аппаратных средств, обеспечивающих обработку нечеткой информации и управление в нечеткой среде. К настоящему времени известно более 400 практических применений нечетких контроллеров и систем управления.
В приложениях для промышленной энергетики решаются такие проблемы как нечеткое управление двигателями переменного и постоянного тока. В рамках нечеткого управления функционированием двигателей внутреннего сгорания рассматриваются задачи регулировки угла опережения зажигания и уменьшения расхода топлива. В робототехнике нечеткое планирование поведения робота и управление его движением позволяет существенно повысить эффективность применения манипуляторов. В частности, реализация нечеткой системы управления позволяет быстро определить последовательность точек, которые должны быть пройдены манипулятором робота, с учетом его начальных и потребных координат, а также ограничений по скорости, ускорению и прохождению препятствий. Применение в системах управления качеством связано с учетом нечетких правил и данных при оперативном контроле качества продукции. Наконец, внедрение нечетких диагностических экспертных систем, обеспечивающих вывод заключений о состоянии сложной управляемой системы/процесса по нечетким данньш от набора датчиков, позволяет повысить надежность данной системы и эффективно предотвращать аварийные ситуации.
Среди последних разработок в области проектирования систем, основанных на нечетких знаниях, можно выделить комплексы FULDEK CFUzzy Logic DEvelopment Kit) компании Bell Helicopter Textron, Inc., FIDE С Fuzzy Inference Development Environment) фирмы Aptronics, KBG С Fuzzy Logic Knowledge Base Genetator) фирмы Motorola, FuzzyTECH-MP Фирмы INFORM Software Corporation. Несмотря на ряд отличительных ч"рт каждого комплекса, следует отмутить применение весьма сходной "технологии" проектирования нечетких интеллектуальных систем, основанных на аппаратных ускорителях нечеткого логического вывода. Be программные среды нм^ют свой
'/
входной язык, его компилятор в коды соответствующих аппаратных средств, дружественный пользовательский интерфейс, ориентированы на системную среду Windows.
Необходимо отметить, что несмотря на различные архитектурные решения и связанное с этим различное быстродействие разработанных и разрабатываемых в настоянеє время программных и аппаратных систем нечеткого логического вывода, всех их объединяет ориентация на реализацию одной из возможных модификаций алгоритмов нечеткого логического вывода, а именно - композиционного вывода. Этот алгоритм эффективно применяется в системах нечеткого управления динамическими объектами, функционирующих по принципу регулятора. При этом совершенно не охватывается обширный класс систем, основанных на принятии решений и распознавании.
Предмет и методика исследования. Предметом исследования является комплексное рассмотрение вопросов аппаратной реализации алгоритмов нечеткого логического вывода в интеллектуальных системах принятия решений, управления сложными динамическими объектами в реальном масштабе времени и распознавания в условиях нечеткой информации.
Методика исследования основывается на использовании теории нечетких множеств, нечеткой и булевой логики, теории автоматов. Экспериментальные исследования проводились с помощью ЭВМ, что потребовало привлечения методов построения вычислительных систем и программирования.
Основные задачи работы:
- исследование алгоритмов обработки нечеткой информации и
нечетких знаний в системах управления, принятия решений и
распознавания с целью разработки единой архитектуры программно-
аппаратных средств и создания систем обработки нечеткой информации
и принятия управляющих решений;
- разработка специализированных вычислительных устройств,
ориентированных на эффективную реализацию алгоритмов нечеткого
логического вывода в системах обработки информации, управления и
распознавания.
На защиту выносится: „
архитектура процессоров нечеткого логического вывода, основанная на оригинальном представлении данных и знаний, для систем обработки информации и управления;
архитектура СБИС секционируемого нечеткого процессора
обработки нечеткой информации и знаний;
- результаты разработки и экспериментальных исследований
ускорителя нечеткого логического вывода для систем обработки
информации и управления на основе нечетких знаний.
Научная новизна состоит в том, что:
- для реализации агоритмов нечеткого композиционного и
ситуационного логических выводов в системах обработки информации и
управления впервые разработана единая параллельно-конвеерная
архитектура;
предложен новый способ организации нечетких вычислений в системах обработки информации и управления на основе оригинального представления функций принадлежности нечетких значений лингвистических переменных на ограниченных интервалах предметных шкал;
разработан ряд вычислительных устройств, ориентированных на обработку нечеткой информации и знаний на основе двоично-нечеткой логики с переменным порогом;
- впервые предложена архитектура элементарного нечеткого
процессора, реализующего операции нечеткой импликации и
эквивалентности за один такт;
предложена архитектура секционированного нечеткого процессора, на основе которого возможна реализация аппаратно настраиваемых нечетких вычислителей, оптимальных для различных классов задач обработки нечеткой информации и управления.
Практическую ценность представляют следующие результаты работы:
- новый способ представления данных и знаний в алгоритмах
нечеткого логического ' вывода для систем обработки нечеткой
информации, повышающий их эффективность, а также универсализм по
уровню представления нечетких тожеств;
разработаны параллельно-конвеерные процессоры, ориентированные на реализацию нечетких ситуационных и композиционных алгоритмов в системах обработки нечеткой информации и знаний;
разработана и реализована СШС секционируемого процессора обработки нечеткой информации на базе Ь'МК "Домбай-4М" объемом 10 тыс. вентилей и тактовой частотой 10 МГц;
разработан и изготовлен ускоритель нечеткого логического вывода на основ" двух секции секционируемого нечеткого процессора.
предназначенный для аппаратной поддержки ооработки нечеткой информации и знаний в составе программно-аппаратного комплекса FunEx d.O при решении задач управления, принятия решений и распознавания;
- проведена сравнительная оценка эффективности реализации
алгоритмов нечеткого логического вывода на универсальных и
разработанных специализированных аппаратно-программных комплексах
и вычислительных устройствах;
- продемонстрирована методика применения разработанных
программно-аппаратных средств и вычислительных устройств в системе
управления на основе обработки нечеткой информации и нечетких
знаний на примере задачи удержания шара в центре платформы,
установленной на движущейся с переменными углами наклона тележке.
Реализация результатов исследования, Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, использованы при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР: "Разработка комплекса программно-аппаратных средств ооработки нечеткой информации и знаний для IBM PC/AT". "Аппаратная реализация встроенных систем принятия решений на одном кристалле", "Разработка и исследование нечетких контроллеров и систем автоматизации их программирования для принятия решений и управления на основе нечетких знаний", проводимых Таганрогским радиотехническим университетом по научно-техническим программам "Университеты России", "Технология и материалы микроэлектроники".
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
Всесоюзной конференции "Перспективные системы обработки информации", Львов, 1990;
I Всесоюзной конференции "Однородные вычислительные среды и систолические структуры", Львов, 1990;
Всесоюзной конференции "Создание и применение гибридных экспертных систем", Рига, 1990;
Всесоюзном совещании "Экспертные системы*', Суздаль, 1990;
East-West Conference on Artificial Intelligence, EWAIC'93, Москва, 1993;
IV национальной конференции с международным участием "Искусственный интеллект - 94", Рыбинск, 1994;
40-41 научно-технических конференциях профессорско преподавательского состава ТРТУ, Таганрог, 1994-1995.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано b печатных работ. По четырем заявкам на изобретение получены положительные решения о выдаче авторских свидетельств. Основные результаты работы также отражены в отчетах по госбюджетным и хоздоговорным НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа выполнена на 132 страницах, содержит 38 рисунков и 19 таблиц. Список использованных источников включает 63 наименования.