Статья была написана более 30 лет назад, но вероятно будет интересной и сейчас, поскольку за прошедшее время появились новые электронные компоненты, позволяющие реализовать подобные устройства.

В статье автора в 1966 году была предложена система в первом приближении моделирующая некоторые свойства мозга человека[1]. При прогнозировании прочности и диагностике машин и механизмов[2]. предупреждения отказов является разработка и применение обучающихся распознающих системна вход, которых подаются сигналы от индуктивных емкостных и т.д. преобразователей, установленных на элементах конструкции, агрегата и предсказывать выход из строя задолго до отказа. Система должна обладать возможностью распознавать образы сравнивать с имеющимся в памяти наиболее общим его представлением ,имитировать ассоциативное мышление, сопровождаемое сравнениями обобщениями и т.д.

При создании системы автор ориентировался на учение И.П Павлова [3] о условных и безусловных рефлексах. Одним из важнейших аспектов обучения, приводящего к возникновению мышления, является возможность закрепления связей, между различными анализаторами, что согласно учению И.П Павлова, является врождёнными свойствами организма или безусловным рефлексом, обеспечивающим приспособление организма к внешней среде или его уравновешивание с этой средой. На основе безусловного рефлекса в ходе приспособления формируется большое количество временных связей или условных рефлексов.

Для наглядности по аналогии с мозгом человека в предлагаемой обучающейся системе введены каналы акустического и оптического восприятия, а матрицы памяти4и5 с установленными в узлах элементами памяти должны удовлетворять следующим свойствам, полученным на основе учения И.П Павлова:

После обучения любой код, вводимый в матрицу по одному из каналов. Должен привести к формированию ответного кода в другом канале и наоборот ,т.е.первоначальный код является ключом кода другого канала.

Отсюда следует, что обучением является запоминание связей между кодами, введёнными в матрицу памяти по различным каналам.

2. После обучения водимый по одному из каналов код или несколько кодов, может вызвать появление на выходе ответного кода или несколько кодов, логически связанных с введенным кодом

Таким образом, обучением является также запоминание связей между кодами, воздействующими на матрицу и имеющимся в ней.

На основании изложенного, можно сказать, что запоминанием при обучении является фиксация между кодами. Если первое свойство определяет взаимосвязь явлений различных каналов между собой, то второй показывает взаимосвязь между явлениями одного канала.

3. Закрепление связи между каналами или кодами должно происходить скачком, после ряда циклов обучения, т. е. закрепляются только достоверные связи.

4. Если в дальнейшем в течении длительного времени, циклы обучения, для закреплённой связи, не повторяются, то через определённый интервал времени, также скачком осуществляется забывание ранее закреплённой связи. Величина интервала существования закреплённой связи должна определяться количеством циклов обучения.

5.Многократные воздействия на элемент памяти при считывании информации со стороны одного из каналов приводит к торможению элемента памяти и он прекращает реагировать на воздействия, но если на этот же элемент воздействует сигнал со стороны другого канала ,то элемент выдает ответный сигнал. При повторении воздействий реакция прекращается с некоторой постоянной времени , которая значительно меньше постоянной забывания_.

_6. При воздействии сигнала на множество элементов памяти вертикальной и горизонтальных шин на выход пропускается сигнал только того элемента порог которого в данный момент наименьший, а остальные элементы на этой шине тормозятся, т. е. в каждый момент может сработать только один элемент памяти.

7. каждый элемент памяти должен иметь два вывода.

Последние два свойства позволяют значительно упростить обучающуюся систему с точки зрения анализа функционирования, но приводят к росту числа элементов памяти, что не соответствует высшим биологическим системам.

Наиболее перспективными с точки зрения надёжности при больших возможностях являются электрохимические элементы памяти, применение которых было предложено автором матриц памяти К. Штейнбухом [4]

На Рис.2 Блок- схема обучающейся системы, где : 1-генератор тактовых импульсов; 2,10,13,14,37-линии задержки; 3,7,15,18,20,25,28,36,39-схемы совпадений; 4,5-матрицы памяти; 69,24-шифраторы; 8,17,26,34-регистры памяти двоичного кода; 9- устройство декодирования и оптического воспроизведения; 11,29,40- инвертеры; 12,33,41,42-ждущие мультивибраторы; 16,32-дешифраторы; 19,35- устройства кодирования; 21- устройство оптического восприятия; 22,23-общие для элементов памяти вертикальная и горизонтальные шины; 27- устройство декодирования; 30- генератор импульсов; 31-устройство акустического воспроизведения; 38-усилитель охваченный схемой АРУ и ограничивающий полосу воспроизводимых частот; 43 устройство акустического восприятия.

Простейший элемент памяти расположенный в узлах матриц памяти может быть выполнен из триггера и трёх схем совпадений.рис1

На Рис.2

Элемент памяти при использовании электрохимических элементов. Рис.3

, где: ф_{1 ,} ф₂ –формирователи коротких импульсов;- схемы совпадения; , , -триггеры Шмидта; ,,,-ждущие мультивибраторы; ,, , -ипнвертеры; - дифференцирующие цыепочки; Rx.Rx Rx-’электрохимические элементы; ИЛИ – сумматор; У ,У-линейные усилители.

Временные диаграммы, поясняющие работу системы в режиме обучения рис.4.

Рис.4.

╥╥ -внешние сигналы ,воздействующие на элемент памяти,

▌ -ответные сигналы обучения,

-экспоненты обучения,

-момент обученности,

-момент забывания,

—- -изменение сопротивления между выводами 1 и 2 (),

- – - -изменение сопротивления ,

=== -изменение сопротивления .

х-х-х- -характеризует возрастание сопротивления при запуске элемента памяти со стороны вывода 1.

Через вывод 1 и2, на вход элемента памяти одновременно поступают импульсные сигналы в момент t.что приводит к формированию на выходах Ф₁ и Ф_{2 ,} коротких импульсов, которые через схему совпадений И₀ поступает на цепочку и R

Величина сопротивления электрохимического элемента в исходном состоянии очень велика, что обеспечивается протеканием тока от источника +U, через резистор R₀. Величина R₀ в исходном состоянии соизмерима с . В момент поступления отрицательного импульса с выхода И_0, величина сопротивленияуменьшается на величину Δ. П осле нескольких повторяющихся циклов обучения, потенциал на резисторе Rувеличивается до порога срабатывания триггера, что приводит к его опрокидыванию в момент t₁ и открыванию схемы И_1, И₂ по одному из входов. Одновременно продолжается процесс забывания за счёт медленного увеличения сопротивления электрохимического элемента памяти, вызванного действием потенциала +U. В момент t₂ сопротивление увеличится на столько, что триггер вернется в исходное состояние. Если до момента начала обучения на любой из выводов элемента памети подать импульс, то схема не отреагирует на подобное воздействие. Если же импульс поступает на любой из выводов обученной схемы, например на первый (рис.2), то учитывая, что в исходном состоянии на ЖМ₁ нет импульса (инвертор обеспечивает открытое состояние соответствующего входа схемы И₁) и с общей шины на схему НЕ₀ не поступает импульсных сигналов от других элементов памяти, последний вход схемы И₁ окажется открытым при условии открытого входа с триггера . В этом случае поступающий с выхода 1 импульс проходит через схему И₁ и запускает ждущий мультивибратор ЖМ₂, который своим импульсом через схему НЕ₂ закрывает схему И₂ на время несколько большее длительности импульса с вывода 1. Одновременно выходной импульс отрицательной полярности со схемы И₁ проходит через химический элемент и несколько повышает его сопротивление, что уменьшает потенциал на входе триггераТГ₂, который в исходном состоянии держит открытым вход схемы И₂. Это приводит к тому, что короткий дифференцированный импульс с выхода формирователя Ф₁ приводит своим задним фронтом приводит к срабатыванию ждущего мультивибратора , который выдает отрицательный по длительности равный импульса с вывода 1, но сдвинутый относительно запуска на величину формирователяФ₂.

Одновременно с выхода ЖМ₂¹ импульс поступает на общую горизонтальную шину, с которой через схемы НЕ₀ всех элементов памяти горизонтальной шины препятствуют запуску импульсом с выхода 1, при условии, что они также обучены.При последующих запусках, через малые промежутки времени потенциал на входе триггера ТГ₂ продолжают уменьшаться и в какой-то момент триггер перейдет в другое устойчивое состояние, что приведёт к запиранию схемы И₂¹. В этом случае элемент прекратит выдавать импульсы на вертикальную шину, но через некоторое время за счёт тока от источника +U, сопротивление Rx₁ понизится и триггер Тг₂ вернётся в исходное состояние. Аналогично схема работает при передаче импульса с вертикальной матрицы памяти на горизонтальную. Усилитель У₂ устанавливает порог срабатывания схемы И₂ ,величина которого определяется степенью обученности элемента памяти т. е. при высокой степени обученности порог срабатывания близок к нулю.

Таким образом, все обученные элементы, подключённые к горизонтальной шине, на которую поступает импульс, имеют разные пороги срабатывания схем И₁ или И₂ ,что определяет последовательность их работы, т.е. вначале срабатывает элемент с минимальным порогом, затем после ряда циклов элемент переходит в режим торможения, рассмотренный выше, и срабатывает элемент памяти с меньшей степенью обученности, т.е. с большим порогом и т.д.

Обучающаяся система(рис.1.) воспринимает акустический сигнал с устройства 43,усиливает его и нормализует по инт0енсивности с ограничением полосы воспринимаемых частот в устройстве 38. Поскольку на выходе ждущего мультивибратора 41 нет импульса, то схема совпадений 39 пропускает нормализованный сигнал канала акустического восприятия на вход линии задержки 37. Если максимальная воспринимаемая частота , то по теореме В.А.Котельникова шаг междуотводами линии задержки 37 определиться по формуле

, если втемя задержки сигнала в линии 37 равно длительности акустической посылки Т, то число отводов линии

,

Есть основание полагать, что звуковой анализатор мозга человека осуществляет подобное преобразование, иначе трудно было бы объяснить причину квантования речи на отдельные слова, продолжительность звучания которых в пределах секунды, при

=15 кГц, получим(1,5-3)·10⁴. в то же время по медицинским данным в слуховом нерве человека 3· 10⁴ волокон, что соответствует расчёту. Когда сигнал приближается концу линии задержки 37,срабатывает ждущий мультивибратор 42, формирующий импульс длительностью ,с помощью сбрасывается ранее записанная информация в регистреи памяти 34 и запускается и запускается ждущий мультивибратор 41, который своим импульсом длительностью через инвертор 40 запирает схему 39. Одновреиеннр открывается схема совпадений 36 и последний код, превращенный в параллельный, с выводов линии задержки 37, поступает на устройство кодирования 35, которая осуществляет преобразование в двоичный код, сигналов поступающих с линии задержки. Расчёт количества информации для различных схем обучающихся систем дано [1]

. Таким образом, с выхода устройствакодирования 35,информация переносится в регистр памяти 34, ждущий мультивибратор 41 своим импульсом синхронизирует работу генератора тактовых импульсов 1. После окончания импульса, схема совпадений 36 закрываетсяи открывается схема совпадений 39 пропускает на вход линии задержки очередной сигнал акустического канала. Из расчёта следует, чтоколичество выводов дешифратора равно числу всех возможных кодов акустического канала или числу всех возможных состояний акустического канала.

В [1 ] дана формула среднего количества информации акустического канала, если же учесть зависимость состояний, то есть в случае когда полезная информация содержится в отличиях одного сигнала от другого, то общее количество информации с использованием соотношения из [1 ]

Q=log₂(Lⁿ)!, (1)

где L-основание системы счисления; n- число отводов линии задержки.

Устройствоакустического воспроизведения состоит из шифратора 24, входы которого соединены с вертикальными шинами матриц памяти. Переход сигнала с любой горизонтальной шины матрицы памяти через обученный элемент на вертикальную шину приводит к запиранию канала акустического восприятия за счет появления импульса на общей горизонтальн шине 23 и его инвертирования в 29 . Тот же импульс отпирает схему совпадений 25 и сигнал с одной из вертикальных шин поступает на шифратор 24 , который выдает на регистр сдвига 26, двоичный код.

Одновременно импульс с горизонтальной шины запускает ждущий мультивибратор 33, формирующий импульс длительностью, равный времени задержки сигнала в 37. Импульс устройства 33 отпирает заторможенный генератор 30,, который выдает серию импульсов на регистр сдвига 26 , на выходе которого устанавливается устройство декодирования27 последовательного двоичного кода в в последовательный код с основанием L. Затем сформированный сигнал поступает на воспроизводящее устройство 31

Канал оптического восприятия синхронизируется импульсами генератора тактовых импульсов 1, которые поступают на схему совпадения 20 и пропускает с устройства оптического восприятия 21 нормализованный многоканальный сигнал на устройство кодирования 19. Основание системы счисления оптического канала зависит от от амплитуды нормализованного сигнала и и разрешающей способности устройства кодировании Устройство оптического восприятия может представлять собой матрицу из большого числа оптически чувствительных элементов, которые вырабатывают сигнал пропорциональный степени освещенности.

Устройство кодироваеия имеет число входов равное числу кагалов оптического восприятия, но после преобразования кода с основанием счисления в двоичный код .Число выходов устройства находится как в [1 ].

После прекращения переходных процессов в устройстве кодирования 19, тактовый импульс, задержанный в 14 открывает схему совпадений 18,которая пропускает сформированный двоичный код в регистр памяти 17, соединенный с дешифратором. Запоминание различий при изменении оптических сигналов определяется по формуле аналогичной (1).

Канал оптического воспроизведения, также содержит шифратор 6, который формирует на выходе двоичный

Код. В момент перехода через элемент памяти импульса с вертикальной шины на горизонтальную на общей вертикальной шине сформируется сигнал, который сотрёт ранее записанную информацию в регистре памяти 8 и через короткое время откроет схему совпадений 7.

Новая информация записанная в регистре памяти 8, поступает на устройство воспроизведения 9, которое двоичный код переводит в код с основанием системы счисления L и воспроизводит его.

В момент воспроизведения оптической информации импульс с общей вертикальной шины запирает схему совпадений15 и внешняя оптическая информация на матрицу памяти системы не поступает.

Частота следования тактовых импульсов f_o определяется инерционностью устройств оптического восприятия и быстродействием системы. Так для зрительного анализатора человека f_o должна быть не меньше 25 Гц при средней освещённости, а частота поступления оптических сигналов, как ранее отмечалось 1-2Гц

Элементы матрицы памяти 4 отличаются от матрицы памяти 5, тем, что при считывании информации импульс переходит только с горизонтальней шины на вертикальную т. е. в схеме элемента памяти рис.1 отсутствует ряд устройств, обеспечивающих переход с вертикальной шины на горизонтальную.

 

Выход вертикальных шин матрицы памяти 4 соединен со схемой совпадений 5,которая открывается в момент перехода тактового (кадрового) импульса со ждущего мультивибратора 12.Импульс с матрицы памяти 4 поступает на блок линии задержки 2, где сигнал с каждой шины задерживается на время равное максимальной длительности акустических посылок T иди на время задержки линии37. Затем сигнал по петле связи передается на одну из горизонтальных шин матрицы памяти4, но с опозданием на T. Для рассмотрения всей системы в действии целесообразно предположить, что система не обучена, т.е. матрицы памяти не содержат информации. В этом случае система не реагирует на одиночные и оптические сигналы, причем акустические сигналы разделены интервалом значительно превышающим T.Когда акустическая и оптическая информация поступает почти непрерывно система переходит в режим активного самообучения.

Пусть в систему из внешней среды через устройство акустического восприятия 43,усилитель38 и , в исходном состоянии, открытую схему совпадений 39 поступает сигнал, который после преобразования последовательного кода в параллельный и перевода в двоичный код приводит к появлению на одной из выходных шин дешифратора32 постоянного сигнала. Одновременно в канале оптического восприятия после ряда преобразований на одной из выходных шин дешифратора 16, также появится потенциал. К этому времени тактовый импульс с выхода линии задержки 13 запускает ждущий мультивибратор12, который формирует импульс tи, открывающий схемы совпадений15,28 и 3.

Схема совпадений 28 выдает на одну из вертикальных шин импульс длительностью

T_n.Одновременно со схем 15 выдается такой же импульс на соответствующую горизонтальную шину. Воздействие сигналов приводит к понижению элемента памяти, установленного в месте пересечения соответствующих вертикальной и горизонтальной шин, т.е. связь еще не закрепилась, но порог уменьшился на величину Ŕx_o Рис.4. Через некоторое время генератор1 открывает схему 20 и с устройства оптического восприятия поступает новый сигнал приводит к появлению к появлению потенциала на одном из выходов дешифратора 16. Снова запускается ждущий мультивибратор и открывает схемы 15,28 и 3. Так какT˃˃1/f_o импульс на выходе 28 возникает на той же вертикальной шине. Если ситуация в поле оптического восприятия не изменилась за время 1/f_o .то сигнал возникнет на той же вертикальной шине и приводит к понижению порога элемента памяти. Через определённое число циклов элемент памяти скачком перейдёт в обученное состояние и закрепит связь между соответствующими шинами. Если же ситуация изменилась, то понизится порог другого элемента памяти. Частое повторение одинаковых ситуаций говорит о их достоверности и фиксируется в памяти системы. Если ситуация случайна или редка, то пороги восстанавливаются, т. е. произойдёт забывание. Серия импульсов в количестве T/δ, где δ=1/f₀ c интервалом δ поступила с вертикальной шины через схему совпадений 3 на вход линии задержки 2, в линии задержки 37 был записан и перемещён в дешифратор следующий сигнал акустического канала, который возникает на соответствующей вертикальной шине и совместно с сигналом с выхода с линии задержки 2 понижает порог определённого элемента памяти матрицы 4. Через такт с выхода2 приходит следующий задержанный, который совместно с очередным импульсом вертикальной шины ещё больше понизит порог элемента памяти и в конечном итоге закрепит связь между первым и вторым сигналом акустического канала. Серия импульсов второго акустического сигнала поступает в линию задержки 2, где сохраняется до момента появления импульсов от следующего от следующего акустического сигнала и т.д.

Появление закреплённых связей в матрицах памяти создает возможность считывания, запомненной достоверной информации.

 

Пусть в акустический канал поступил известный системе сигнал, тогда независимо от оптического канала, т. е. одновременно с началом процесса самообучения импульс передается с вертикальной шины на горизонтальную через элемент памяти с минимальным порогом относительно других обученных элементов памяти вертикальной шины.

Таким образом, в первоначальный момент считывается самая достоверная информация. В момент перехода импульса на общей вертикальной шине формируется сигнал, препятствующий запуску других элементов памяти вертикальной шины и запирающий канал оптического восприятия. Импульс с общей вертикальной стирает ранее записанную информацию в регистре памяти 8 канала оптического воспроизведения. В то же время импульс с горизонтальней формирует на выходе шифратора 6 соответствующий двоичный код, который затем в регистр памяти 8 и на устройство оптического воспроизведения 9. Последующие импульсы соответствующие первоначальному акустическому сигналу могут привести к срабатыванию другого элемента памяти с несколько большим порогом, если ранее сработавший элемент перешёл в режим торможения. Это приведёт к формированию на выходе устройства оптического воспроизведения свежующего кадра и т.д.

Таким образом, цепочка ассоциаций, вызванная внешними воздействиями может продолжаться значительное время, но может и прерваться, если сигнал поступивший извне попадает на элемент памяти с меньшим порогом по сравнению с сигналом сформированным матрицей памяти. При значительном объёме накопленной информации работа системы трудно предсказуема, так как её функционирование зависит от длительности Т, периода следования тактовых импульсов,длительности ждущего мультивибратора 12 , длительности импульсов формирователей Ф₁ Ф₂ рис3., а также величины и соотношений порогов элементов памяти.

Система способна не только запоминать и воспроизводить информацию, но и устанавливать новые внутренние связи не существующие в материале обучения, так как, например, имеется сигнал на определённой горизонтальной шине матрицы 5 в то же время приходит один из задерженных сигналов из матрицы 4, что может привести к закреплению новой связи, связи между устройствами воспроизведения и восприятия, показанные на рис.4 пунктиром, ещё больше расширяют возможности системы и приводят к формированию внутреннего мира системы и возможности работы без внешних воздействий. Матрица памяти 4 позволяет закреплять связи между сигналами акустического канала минуя в некоторых случаях оптические представления, соответствующие акустическому сигналу.

Рассмотренная система является приближенной и грубой моделью восприятия и обработки информации мозгом человека, имеются некоторые с ним общие свойства. Например, если системе предложен оптический образ и если он находится в пределах погрешности системы оптического восприятия по отношению к образцу на который ранее обучалась система, то сформировавшийся код воздействует на группу элементов памяти с разными порогами, из которых срабатывает один и выдаёт на устройство акустического воспроизведения наиболее общее понятие, соответствующее предложенному оптическому образу. Если оптический образ предложен повторно или многократно без каких либо изменений, то со временем внимание к нему постепенно ослабевает и система не будет сообщать какой образ предложен для опознания. Система ,как бы слепнет. Если предложенный образ находится в движении, то внимание к нему не слабеет. Аналогично и в канале акустического восприятия.

Таким образом, осуществляется распознавание, сравнение, представление и обобщение образов при концентрации внимания и при длительной цепочке ассоциаций.

Система имеет долговременную память заключающуюся в изменении порогов элемента памети и оперативную, представляющую собой циркуляцию сигнала в петле связи матрицы 4, причем циркуляция через некоторое число циклов прекращается.

При избыточности информации надежность системы высока, а нарушенная связь восстановится за счёт самообучения. Есть основание полагать, как предложил автор в [1], что мозг человека использует комбинационный принцип запоминания, т.е. запомненная информация определяется комбинацией одновременно сработавших элементов(нейронов)

Если учесть, что реальный мозг человека в нерве слухового анализатора имеет 3·10⁴ волокон а зрительный 10⁶ , то их произведение 3·10¹⁰, что близко к реальной цифре нейронов в коре 1,5·10¹⁰.

Расчёт объёма памяти для различных схем организации памяти представлен в [1]

Литература

1. Милов В.А. Принципы работы мыслительного аппарата мозга человека.Сб.»Приборы профессионального отбора,среды и пространства».Труда Ленинградского института авиационного приборостроения. Вып.51.1966.

2. Штейнбух К. Автомат и человек. Советское радио. М. 1967

---

Все статьи автора «komlev»