Устройство для моделирования поведения динамической системы с нестационарными связями

Авторы патента:

G06G7 - Устройства, в которых вычислительные операции выполняются путем изменения электрических или магнитных величин (нейронные сети для обработки данных изображения G06T)

Полезная модель «Устройство для моделирования поведения динамической системы с нестационарными связями» относится к моделирующим устройствам, предназначенным для математической обработки существующих или ожидаемых условий или состояний в системах, состоящих из множества объектов, объединенных нестационарными связями. Технической задачей является повышение достоверности и точности анализа поведения динамической системы с нестационарной структурой связей, а также упрощение разработки и изготовления моделирующего устройства. Модель динамической системы в общем случае представляет собой зависимость от времени конечного числа параметров. Каждый из этих параметров в общем случае является функцией внешних условий, внутренних параметров системы, а также времени. В связи с этим моделирование динамической системы может быть выполнено совокупностью устройств, осуществляющих функциональное преобразование нескольких сигналов.

Моделируемые системы могут быть: социально-экономическими, экологическими, биологическими, демографическими, энергетическими, военно-политическими, международного взаимодействия, техническими и т.д. Наиболее эффективно применение для прогнозов функционирования социально-экономических объектов.

Под связью понимается зависимость состояния одного объекта от состояния другого. Нестационарная связь - связь, свойства и наличие которой зависят от времени, состояния системы и внешних условий. В динамических моделях нелинейных оригиналов с нестационарной структурой и множеством обратных связей часто используются не динамические элементы с изменяющейся структурой, которые не могут «замораживаться» на весь интервал времени прогнозирования, так как на длительных интервалах времени в оригиналах передаточные функции не динамических элементов преобразования транслируемых сигналов не являются стационарными. В этом случае возникает проблема непрерывного наблюдения за изменяющейся передаточной функцией этого элемента динамической модели.

Известно устройство для моделирования биологической нейронной сети (Круглов В.В., Борисов В.В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. - М.: «Горячая линия - Телеком», 2001.), состоящее из искусственных нейронов, каждый из которых состоит из нескольких входов, соединенного с каждым из входов устройства, осуществляющего взвешенное суммирование сигналов на входах, выход которого соединен с входом устройства, осуществляющего функциональное преобразование сигнала, выход которого соединен с выходом нейрона; причем каждый вход каждого из искусственных нейронов соединен либо с одним выходом другого нейрона, либо с одним входом устройства для моделирования биологической нейронной сети. Известное решение обладает фиксированной структурой связей и не позволяет учитывать возможность изменений структур связей с течением времени, а также в результате изменения состояния системы.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое решение, является повышение достоверности и точности анализа поведения динамической системы с нестационарной

структурой связей, а также упрощение разработки и изготовления моделирующего устройства.

Указанный технический результат достигается за счет того, что:

- устройство для моделирования поведения динамической системы с нестационарными связями (УМС), состоит из блоков моделирования входящих в состав исследуемой системы объектов (БМО), каждый из которых имеет один выход и множество входов, причем УМС содержит, по меньшей мере, одно устройство моделирования нестационарной связи (УМНС), снабженное одним сигнальным входом и одним выходом; сигнальный вход УМНС соединен либо с выходом одного из БМО, либо со входом УМС; каждый вход БМО соединен либо с выходом БМО, либо с выходом УМНС, либо со входом УМС.

- по меньшей мере, одно УМНС может представлять собой элемент с пороговой функцией передачи.

- по меньшей мере, одно УМНС может представлять собой устройство задержки сигнала.

- по меньшей мере, одно УМНС может представлять собой реле времени.

- по меньшей мере, одно УМНС может быть дополнительно снабжено по меньшей мере одним управляющим входом.

- по меньшей мере, один БМО может содержать по меньшей мере один интегратор либо дифференциатор, либо их комбинацию.

- по меньшей мере, одно УМНС может представлять собой управляемый ключ, открывающийся (закрывающийся) при наличии на управляющем входе логической единицы.

- по меньшей мере, одно УМНС состоит из управляемого ключа и интегратора, причем вход интегратора подключен к управляющему входу УМНС, а управляемый ключ открывается (закрывается) при наличии на выходе интегратора логической единицы.

- УМС может содержать, по меньшей мере, один генератор пилообразного сигнала, выход которого соединен с входом УМС.

Модель динамической системы в общем случае представляет собой зависимость от времени конечного числа параметров. Каждый из этих параметров в общем случае является функцией внешних условий, внутренних параметров системы, а также времени. В связи с этим моделирование динамической системы может быть выполнено совокупностью устройств, осуществляющих функциональное преобразование нескольких сигналов (частным случаем такого устройства является искусственный нейрон, входящий в состав

аналога). Соответственно, связь между объектами моделируется линией передачи сигнала с выхода одного функционального преобразователя на вход другого. В динамических системах с нестационарными связями, наличие линии связи и ее функция передачи также зависят от времени, внешних условий и внутренних параметров системы. Для моделирования нестационарной связи предлагается применить специальное устройство (УМНС), включенное в разрыв линии передачи сигнала. В таком случае достаточно предусмотреть все возможные для данной совокупности объектов связи и подобрать характеристики УМНС для каждой связи. В принципе, функции УМНС может выполнять БМО, однако такое объединение лишает экспериментатора возможности сравнить поведение различных динамических систем, состоящих из одних и тех же объектов, но с различными связями между ними. Кроме того, УМНС и БМО могут быть легко унифицированы и применены в различных комбинациях для моделирования различных систем. На практике существует возможность ограничиться несколькими типовыми схемами УМНС, пригодными для моделирования любых систем.

УМНС, представляющее собой элемент с пороговой функцией передачи, предназначено для моделирования связи, возникающей либо исчезающей при превышении уровня сигнала некоторого порога.

УМНС, представляющее собой устройство задержки сигнала, предназначено для моделирования запаздывания сигнала во времени, когда изменение состояния одного объекта не сразу отражается на других объектах.

УМНС, представляющее собой реле времени, предназначено для моделирования связи, появляющейся или исчезающей в определенные моменты времени.

УМНС, снабженное, по меньшей мере, одним управляющим входом, предназначено для моделирования связи, свойства которой зависят от внутренних параметров системы или внешних условий.

УМНС, представляющее собой управляемый ключ, открывающийся (закрывающийся) при наличии на управляющем входе логической единицы, предназначено для моделирования связи, наличие которой определяется значением внутреннего или внешнего параметра системы или параметра.

УМНС, состоящее из управляемого ключа и интегратора, причем вход интегратора подключен к управляющему входу УМНС, а управляемый ключ открывается (закрывается) при наличии на выходе интегратора логической единицы, предназначено для моделирования связи, наличие которой определяется значением интеграла по времени от некоторого внутреннего или внешнего параметра системы.

Генератор пилообразного сигнала, выход которого соединен с входом УМС, предназначен для исследования изменений передаточной функции одного из элемента системы, что позволяет наблюдать зависимости отклика исследуемой системы или ее части на управляющее воздействие или изменение одного из параметров внешних условий по ходу эволюции системы, при изменении ее структуры связей в связи с их нестационарностью.

Наблюдение за изменением передаточной функции нестационарного элемента преобразования транслируемых параметров реализуется с помощью генератора пилообразного сигнала, подключенного к входу УМС. В результате воздействия на него других (аналогичных тем же, что существуют в рабочей модели) внешних сигналов элемент изменяет свою передаточную функцию. На мониторе интерфейсного устройства можно получить изображение регулярно, периодически (синфазно пилообразным импульсам) отображаемой статической характеристики преобразования входного в элемент сигнала в выходной из него сигнал в результате изменения входного пилообразного сигнала для данного элемента от нуля до значительной величины. Тем самым выполняется мониторинг формы передаточной функции для линейного изменения входного сигнала на БМО.

Заявляемое устройство состоит из известных элементов и может быть разработано и изготовлено в рамках современного уровня техники.

Как правило, разработку устройства первоначально осуществляют при помощи автоматизированных средств проектирования (например, программа ДИН-Прогноз, свидетельство о регистрации №2004612233). Модель представляется элементарными операторами преобразования нескольких входных сигналов в один выходной. Набор элементарных операторов, хранящийся в библиотеке операторов, состоит из рычага «ручного» управления параметрами модели, а так же операторов преобразования входных сигналов в один выходной (суммирования или вычитания, умножения или деления, интегрирования или дифференцирования, запаздывания по времени, возведение в любую степень, ограничения по наибольшей или наименьшей величине, выбор наибольшей или наименьшей величины, включения/выключения или переключения, нормирования и логарифмирования, а также ряд других операций) хранится в библиотеке операторов устройства. Каждому оператору при заведении его в модель присваивается определенное «личное имя» (некоторый номер, характеризующий место оператора в математической модели). Семантика выходного сигнала из оператора (или группы операторов, соединенных между собой) аналогична семантике соответствующего параметра в оригинале.

Устройство, как правило, снабжают средствами управления и наблюдения. Фрагменты интерфейса позволяют пользователю устройства:

- только управлять параметрами модели в процессе моделирования,

- только наблюдать за результатами управления, вычисляемыми в процессе моделирования и

- одновременно с выполнением управления наблюдать за результатами выполняемых управлений.

Информация, выводимая на интерфейс, отображается не только в виде таблиц, графиков, диаграмм, но и в виде специальных мнемонических визуальных отображений интенсивностей потоков ресурсов, изменяющихся количеств накоплений, динамических столбиковых диаграмм, изменяющейся цветовой засветки полей фрагментов в соответствии с изменениями в величинах показателей и т.п. Этот специальный интерфейс, созданный для динамического моделирования, позволяет работать с устройством даже не подготовленному пользователю.

Кроме того, для управления нелинейными динамическими моделями оригиналов с нестационарной структурой и множеством различных обратных связей необходимо применение множества рычагов управления, предназначенные для непрерывного распределения или перераспределения моделируемых ресурсов, моделируемых подачей соответствующих сигналов на входы УМС. При наличии в модели более 10-20 рычагов управления (часто число рычагов управления в модели достигает нескольких сотен или тысяч) помимо ручного управления, осуществляемого при помощи интерфейсного устройства, в модель встраиваются «автоматические» рычаги управления. Каждый такой рычаг управления основывается на интеграторе, который моделирует различные ресурсные накопления. Если величина этих накоплений не соответствует некоторой норме, которая в динамическом объекте может непрерывно изменяться в зависимости от условий и состояний параметров в каждый текущий виртуальный момент времени (в связи с тем, что эта норма сама является одним из результатов решения системы уравнений всей математической модели), то величина не соответствия накоплений их норме формирует сигналы перераспределения ресурсных потоков в различных частях объекта по заранее сформированным функциям для ликвидации этого несоответствия. Задокументированные изменения автоматического управления в определенных условиях могут служить основой для формирования директивных программ управления реальным объектом.

Кроме того, в связи с тем, что структура нелинейных динамических оригиналов с множеством различных обратных связей имманентно нестационарная, в общем случае, оригиналы структурно неустойчивы. Однако существует их устойчивое функционирование в частных (вырожденных) случаях, когда числовые величины переменных строго соответствуют состоянию структуры в каждый текущий момент времени. Моделирование этого соответствия выполняется математическими моделями, у которых норма накопления ресурсов для определенных интеграторов-накопителей ресурсов изменяется в каждый

момент времени в соответствии изменением величины «запаса устойчивости функционирования» динамической модели. В этом случае «катастрофы» (разрушение динамической системы) возникают только при несоответствии накоплений в интеграторах соответствующим нормам.

Кроме того, для корректного выполнения управления в ручном или автоматическом режиме, помимо обратных связей в пространственном континууме (структурных связей), используются обратные связи по временному континууму (обратная связь управления существующей модели сигналами из «будущего»). Для этого синтезируются две одинаковые модели «живущих» со сдвигом по шкале виртуального времени. Одна из них делается «опережающей», начиная свою «виртуальную жизнь» раньше другой - «догоняющей». Интервал времени между «виртуальными жизнями» этих двух моделей выбирается пользователем устройства эвристически, исходя из задач моделирования. Опережающая модель позволяет найти, во-первых, места возникновения будущих неприятностей и, во-вторых, определить, порождающие эти негативные явления. При возникновении значимых ухудшений в опережающей модели, которые фиксируются по заданным критериям (например, потеря запаса устойчивости функционирования системы), в опережающей модели автоматически выявляются причины этих ухудшений и они по цепям временной обратной связи передаются в соответствующие управляющие устройства догоняющей модели (при автоматической коррекции управления моделью) или выводится на терминал (при ручном управлении моделью). Сигнал временной обратной связи с опережающей модели тем или иным способом корректирует управление догоняющей модели. После коррекции догоняющей модели, опережающая модель уничтожается (с сохранением цепей временных обратных связей), а догоняющая модель копируется и одна из копий становится новой опережающей моделью, которая «уходит» вперед по шкале виртуального времени. Через интервал виртуального времени между опережающей и догоняющей моделями, необходимого для формирования сигнала временной обратной связи, начинает движение скорректированная догоняющая модель. В дальнейшем циклы коррекции догоняющей модели (она является основной для процесса прогнозирования) происходят многократно.

Для упрощения разработки и изготовления модели динамического оригинала, при наличии в составе оригинала подобных (почти одинаковых) элементов (элементов с подобными структурами) в устройстве используется способ синтеза модели из «стандартных» макро блоков, выполняющих одинаковые процедуры, но с разными величинами преобразуемых параметров,. Стандартные макро блоки, выполняющие одни и те же функции, объединяются в группы, при этом каждый макро блок копируются по единожды синтезированной структуре макро определения для этой группы. В этом случае

коррекция макро блока, необходимая при отладке модели, выполняется в соответствии с коррекцией макро определения соответствующего этой группе макро блоков.

1. Устройство для моделирования поведения динамической системы с нестационарными связями (УМС), состоящее из блоков моделирования входящих в состав исследуемой системы объектов (БМО), каждый из которых имеет один выход и множество входов, отличающееся тем, что УМС дополнительно содержит, по меньшей мере, одно устройство моделирования нестационарной связи (УМНС), снабженное одним сигнальным входом и одним выходом; сигнальный вход УМНС соединен либо с выходом одного из БМО, либо с входом УМС; каждый вход БМО соединен либо с выходом БМО, либо с выходом УМНС, либо с входом УМС.

2. Устройство для моделирования поведения динамической системы с нестационарными связями по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одно УМНС представляет собой элемент с пороговой функцией передачи.

3. Устройство для моделирования поведения динамической системы с нестационарными связями по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одно УМНС представляет собой устройство задержки сигнала.

4. Устройство для моделирования поведения динамической системы с нестационарными связями по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одно УМНС представляет собой реле времени.

5. Устройство для моделирования поведения динамической системы с нестационарными связями по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одно УМНС дополнительно снабжено, по меньшей мере, одним управляющим входом.

6. Устройство для моделирования поведения динамической системы с нестационарными связями по п.5, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одно УМНС представляет собой управляемый ключ, открывающийся (закрывающийся) при наличии на управляющем входе логической единицы.

7. Устройство для моделирования поведения динамической системы с нестационарными связями по п.5, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одно УМНС состоит из управляемого ключа и интегратора, причем вход интегратора подключен к управляющему входу УМНС, а управляемый ключ открывается (закрывается) при наличии на выходе интегратора логической единицы.

8. Устройство для моделирования поведения динамической системы с нестационарными связями по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один генератор пилообразного сигнала, выход которого соединен с входом УМС.