автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка методов проектирования оптических и оптоэлектронных устройств для обработки нечетко-логической информации в системах принятия решений

0і

На правах рукописи

Аллее Михаил Александрович

Разработка методов проектирования оптических и оптоэлектронных устройств для обработки нечетко-логической информации в системах принятия решений

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАЙ 2013

Ростов-на-Дону - 2013 г.

005058033

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения».

доктор технических наук, профессор, Ковалев Сергей Михайлович Безуглов Дмитрий Анатольевич, доктор технических наук, профессор, Ростовский технологический институт сервиса и туризма ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса», заведующий кафедрой «Информационные технологии в сервисе»

Финаев Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор, Южный федеральный университет, заведующий кафедрой «Системы автоматического управления»

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» (ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский НИУИТМО)

Защита диссертации состоится 2013 г. в /^./¿7 на

заседании диссертационного совета Д-212.208.21 Южного федерального университета по адресу: 347928, Ростовская обл., г. Таганрог ГСП-17А, пер. Некрасовский 44, ауд. Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке ЮФУ по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять в двух экземплярах ученому секретарю диссертационного совета Д-212.208.21 по адресу: 347928, Ростовская обл., г. Таганрог ГСП-17А, пер. Некрасовский 44.

Автореферат разослан «.&>> 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.208.21 д.т.н., профессор

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

1 Общая характеристика работы

Актуальность темы. В области управления техническими системами нечеткое моделирование позволяет получать более адекватные результаты по сравнению с результатами, которые основываются на использовании традиционных аналитических моделей и алгоритмов управления.

Но для построения любых систем (автоматизированных и автоматических) управления требуются эффективные, надежные и недорогие технические средства, которые могли бы осуществлять выполнение нечетких алгоритмов управления в реальном масштабе времени с высокой точностью вычисления.

На сегодняшний день известны достижения в области теоретических основ создания и конструирования специализированных нечетко-логических средств таких отечественных ученых как Мелихов А.Н., Баронец В.Д., Берштейн JI.C, Коровин С.Я., Павлов A.B., Васильев В.Н., Быковский АЛО., Аверкин А.Н., Городецкий, А. Е., Ерофеев А. А., Жуйков А.Ю., так и зарубежных деятелей, таких как Ямакава Т. (Япония), Такаги Т. (Япония), Ясунобу С. (Япония), сотрудников фирмы Togai Infra Logic (США), фирмы Omron (Япония), компании Fuji Electric (Япония), компании Siemens Nixdorf (Германия), сотрудников City University of New York, The University of Tennessee, the University of Maiami, Northwestern University (Evanston, IL), Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, MA), University of Colorado (Boulder, CO).

В настоящее время техническую базу реализации нечетких технологий составляют микропроцессорные средства и микроконтроллеры, аналоговые и аналого-цифровые СБИС. " Однако микропроцессоры и однокристальные микроконтроллеры не способны в полной мере реализовать все потенциальные возможности нечеткой логики ввиду наличия у них существенных недостатков, основные из которых: низкое быстродействие в части реализации сложных операторов, ошибки в вычислениях из-за наличия цифровых методов вычисления. Также известны устройства, построенные на оптических методах обработки информации, которые используют методы Фурье-оптики и Фурье-голографии. Эти методы, в свою очередь, в конструируемых устройствах достаточно трудновыполнимы и не позволяют реализовать весь комплекс операций над нечеткими множествами и отношениями, что не дает возможности реализации нечетко-логического вывода в целом.

Поэтому возникает задача разработки и развития методов проектирования и конструирования совершенно нового класса вычислительных устройств, обладающих значительным запасом быстродействия, надежности, простотой настройки параметров, меньшей конструктивной сложностью и реализующих при этом принципы нечеткой логики с сохранением точности выполняемых вычислений на произвольном интервале времени.

Актуальность темы подтверждается ее поддержкой Российским фондом фундаментальных исследований РФФИ: грант № 10-07-00158.

Объектом исследования настоящей диссертационной работы являются методы и средства проектирования нечетко-логических устройств для построения современных эффективных и надежных систем принятия решений в слабо формализованных задачах и слабо структурированных предметных областях.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью настоящей диссертационной работы является решение научно-технической задачи по разработке методов проектирования структурных и схемотехнических решений нового класса устройств и систем обработки нечетко-логической информации, обладающих значительным быстродействием, запасом надежности, простотой конструкции, простотой настройки параметров и обеспечивающих высокую точность вычисления на произвольном интервале времени обработки информации. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- обзор существующих на сегодняшний день нечетко-логических устройств сбора и обработки информации, определение их достоинств и недостатков;

- проведение вычислительного эксперимента по использованию нечетких динамических моделей при моделировании хаотических процессов в детерминированных системах;

- обоснование выбора оптических методов обработки информации для решения поставленной задачи по созданию нового класса устройств и систем обработки нечетко-логической информации;

- разработка оптических устройств, реализующих различные операции над нечеткими множествами и операторы нечеткой логики;

- разработка оптоэлектронных нечетких процессоров, реализующих различные алгоритмы нечеткого вывода, таких как: алгоритм Мамдани, алгоритм Такаги-Сугено, алгоритм Цукамото;

- исследование временных характеристик разработанных оптических и оптоэлектронных устройств обработки нечетко-логической информации.

Методы исследования. В настоящей диссертационной работе применены методы теории аппарата нечетких систем и нечеткой логики, методы теории нелинейных динамических систем и нечетких динамических систем, методы теории искусственных нейронных сетей, методы классических (градиентных) методов обучения и адаптации искусственных нейронных сетей и нейро-нечетких сетей, методы теории обучения и адаптации искусственных нейронных сетей и нейро-нечетких сетей с использованием генетических алгоритмов, методы оптических приемов обработки информации и оптоэлектронной схемотехники, методы математического моделирования с использованием пакетов прикладных программ MATLAB/Toolbox/Fuzzy Logic и MATLAB/Toolbox/Control.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) установлено, что аппарат нечетких динамических систем является адекватным инструментом моделирования хаотических процессов в детерминированных системах;

2) предложена общая методика проектирования нечетко-логических устройств обработки информации, отличающаяся от известных использованием быстродействующих пространственно-распределенных волноводно-оптических структур для построения проблемно-ориентированных устройств принятия решений в слабо формализованных задачах (устройств фаззификации и дефаззификации, базисных операторов нечеткой логики, нечетких процессоров).

3) разработаны частные методики синтеза базовых функциональных узлов нечетких процессоров на основе оптических методов обработки информации, позволяющие обрабатывать двумерные массивы функций принадлежности нечеткого множества с требуемой точностью и в реальном масштабе времени, что обеспечивает существенный выигрыш в быстродействии и точности по сравнению с существующими нечетко-логическими процессорными схемами.

Достоверность научных результатов и выводов настоящей диссертационной работы подтверждается:

результатами проведения вычислительного эксперимента по моделированию динамических процессов типа «детерминированный хаос»;

- обсуждением полученных результатов на научных конференциях и экспертизой публикаций в ведущих научных изданиях;

результатами проведения вычислительного эксперимента по моделированию временных характеристик разработанных оптических и оптоэлектронных устройств обработки нечетко-логической информации;

- получением 30 патентов по разработанным оптическим нечетко-логическим устройствам.

Практическая ценность результатов настоящей диссертационной работы состоит в возможности использования разработанных методов проектирования нового класса оптических нечетко-логических устройств для конструирования высокоэффективных, как по быстродействию и надежности, так и по точности вычисления устройств и систем, обладающих простотой конструкции, простотой настройки параметров для решения слабо формализованных задач управления и принятия решений.

Положения настоящей диссертационной работы, представляемые к защите:

- возможность использования аппарата нечетких динамических систем по моделированию динамических процессов типа «детерминированный хаос»;

- методы проектирования оптических и оптоэлектронных нечетко-логических устройств для создания технической базы построения современных эффективных как по быстродействию, так и по надежности и энергоемкости систем принятия решения в слабо формализованных задачах;

структуры и схемотехнические решения оптических и оптоэлектронных нечетко-логических устройств, реализующих основные операции нечеткой логики, и оптоэлектронных нечетких процессоров, реализующих типовые классы нечетко-логических алгоритмов Мамдани, Такаги-Сугено и Цукамото.

Апробация результатов. Основные результаты, полученные в настоящей диссертационной работе, были доложены, обсуждены и одобрены на:

- XI Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математики (осенняя открытая секция), Сочи - Дагомыс, 16 - 23 октября 2010 г.;

- V международной конференции «Параллельные вычисления и задачи управления РАСО 2010», г. Москва, Институт проблем управления РАН им. В.А. Трапезникова, 26 - 28 октября 2010 г.;

- Конгрессе по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT' 10», п. Дивноморское, 2 - 9 сентября 2010 г.;

- IX Международной научно-технической конференции «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства ИНЭРТ-2010», г. Ростов-на-Дону, 6-8 октября 2010 г.;

- 1-ом Международном семинаре студентов, аспирантов и ученых «Системный анализ, управление и обработка информации», п. Дивноморское, 27-30 сентября 2010 г.;

- Международной научно-практической конференции «Передовые информационные технологии, средства и системы автоматизации и их внедрение на российских предприятиях AITA-2011», г. Москва, Институт проблем управления РАН им. В.А. Трапезникова, 4- 8 апреля 2011 г.;

- XII Всероссийском симпозиум по прикладной и промышленной математике (осенняя открытая сессия), Макросимпозиум "Нечеткие системы, мягкие вычисления и интеллектуальные технологии" (IV Всероссийская научная конференция), Сочи - Адлер, 1 - 8 октября 2011 г.;

- VII международной конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА - 2011», г. Санкт-Петербург, 17-21 октября 2011 г.

Список публикаций. Основные положения настоящей диссертационной работы отражены в 11 опубликованных научных работах, из них 4 статьи в журналах, рецензируемых ВАК; получено 30 патентов Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Она содержит 180 страниц основного текста, 52 формулы, 46 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 86 наименований.

2 Содержание диссертационной работы

Во Введении обоснована актуальность выбранной научной темы, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, а также положения настоящей диссертационной работы, представляемые к защите, изложены методы исследования, научная новизна работы, даны сведения о достоверности научных результатов и выводов, их практической ценности и апробации, показана структура диссертации.

В первой главе «Устройства и методы обработки нечетко-логической информации в слабо формализованных задачах принятия решений» отражено понимание существующего положения проблемной области и осуществляется постановка задачи. В ходе изложения первой главы рассматриваются особенности и преимущества применения аппарата нечетких систем для решения задач управления слабо формализованными процессами и объектами, рассматриваются существующие на сегодняшний день нечетко-логические устройства сбора и обработки информации, раскрываются их достоинства и недостатки. Далее, выполняется постановка задачи создания нового класса устройств сбора и обработки информации, позволяющих в наиболее полной мере по сравнению с существующими устройствами реализовать все потенциальные возможности нечеткой логики при решении слабо формализованных задач принятия решений.

Снижение уровня сложности структурной реализации и соответствующего программно-аппаратного обеспечения нечетко-логических систем достигается за счет возможности применения специализированных технических средств как прототипов лингвистических устройств — нечетко-логических устройств сбора и обработки информации.

На сегодняшний день лидерами по производству таких специализированных нечетко-логических средств и систем управления являются Япония и США.

В настоящее время техническую базу реализации нечетких технологий составляют микропроцессорные средства и микроконтроллеры, аналоговые и аналого-цифровые СБИС.

Основными достоинствами реализаций нечетких процессоров на основе цифровых и микропроцессорных СБИС являются достаточная гибкость проектирования при использовании в конкретных приложениях, наличие достаточного запаса надежности и стабильности характеристик и параметров. Однако, описанные микропроцессорные реализации нечетких регуляторов не способны в полной мере все потенциальные возможности нечеткой логики по следующим объективным причинам:

- их быстродействие ограничено в части реализации ряда сложных нечетких операторов из-за последовательной обработки данных, присущей современным микропроцессорным средствам;

- погрешность вычислений с течением времени постоянно растет из-за неизбежных методических ошибок, обусловленных использованием цифровых методов вычисления;

- в микропроцессорных системах обработки нечеткой информации с увеличением значений базовых шкал нечетких переменных происходит нелинейное увеличение времени выполнения операций над элементами термов этих переменных, а также этапов фаззификации и дефаззификации; увеличение значений базовых шкал нечетких множеств ведет к неизбежному увеличению областей памяти микропроцессорных реализаций для хранения и обработки данных, что ведет к увеличению времени выполнения вычислительных операций.

Кроме того, существующие микропроцессорные системы обработки нечеткой информации обладают значительными габаритами, массой и потребляемой мощностью.

Распараллеливание вычислений в микропроцессорных аппаратных средствах требует введения аппаратной избыточности, что в свою очередь ставит проблемы синхронизации выполняемых параллельно вычислительных потоков и увеличения мощности энергопотребления, массогабаритных характеристик системы в'целом.

При применении же цифро-аналоговых СБИС для конструировании нечетких процессоров разработчики будут неизбежно сталкиваться с проблемой разброса параметров аналоговых интегральных микросхем, что может существенно сказываться на стоимости разработки систем и устройств за счет применения дополнительных схемно-технических мероприятий стабилизации параметров и характеристик приборов, а также могут возникнуть трудности и в процессе эксплуатации таких средств - расстройка параметров приборов, трудности регулировки параметров аналоговых устройств, дрейф рабочих точек, более низкие показатели надежности аналоговых устройств по сравнению с цифровыми.

Наряду с «микропроцессорными» реализациями технических средств нечеткой логики на сегодняшний день известны устройства, построенные на оптических методах обработки информации, которые используют методы Фурье-оптики и Фурье-голографии. Эти методы, в свою очередь, в конструируемых устройствах достаточно трудновыполнимы и не позволяют реализовать весь комплекс операций над нечеткими множествами и отношениями, что не дает возможности реализации нечетко-логического вывода в целом.

Исходя из всего вышеизложенного, следует вывод - неизбежно возникает задача создания нового класса нечетко-логических устройств и систем обработки информации, обладающих значительным быстродействием, простотой конструкции, простотой настройки параметров и обеспечивающих высокую точность вычисления на произвольном интервале времени обработки информации.

Во второй главе «Нечеткие динамические модели и системы в слабо формализованных задачах принятия решений» отражены основные концептуальные моменты, связанные с моделями представления нечетких динамических систем для решения слабо формализованных задач принятия решений, упомянуты основные методы и принципы обучения и адаптации нечетких динамических систем - методы, основанные на использовании нейронных нечетких сетей (градиентные методы) и поисковые методы (безградиентные методы), популярной разновидностью которых являются генетические алгоритмы. В этой же главе описывается вычислительный эксперимент по использованию нечетких динамических моделей при моделирования хаотических процессов в детерминированных системах. Приведены результаты эксперимента и сделаны выводы.

Проведение вычислительного эксперимента по моделированию нечеткими динамическими системами «функционального» типа процессов типа «детерминированный хаос» состояло в воспроизведении хаотического поведения переменной х(к) логистического отображения х(к+1) = Х- х(к) ■ (1 - х(к)) при X = 4, х(0) = 0,3. Результаты эксперимента показали адекватные возможности использования нечетких динамических систем по воспроизведению хаотического поведения переменных (фазовых координат).

В третьей главе «Разработка оптических и оптоэлектронных нечетко-логических устройств» проведено обоснование выбора оптических методов обработки информации, базирующиеся на способах представления информации, ориентированных на оптическую природу ее носителя, для решения поставленной задачи по созданию нового класса нечетко-логических устройств и систем обработки информации. Рассмотрены разработанные оптические устройства, реализующие этапы фаззификации и дефаззификации в структуре нечеткой модели, а также оптические устройства, реализующие различные операции над нечеткими множествами, приведены их основные технические характеристики. Также, в данной главе настоящей работы рассмотрены преимущества применения оптических методов обработки информации и простейших приемов оптической и оптоэлектронной схемотехники при конструировании нечетко-логических устройств и систем обработки информации.

Анализ современных методов и средств обработки информации позволяет сделать вывод, что наиболее подходящим «базисом» для решения поставленной задачи в настоящей диссертационной работы, является использование оптических методов обработки информации, базирующихся на способах представления информации, ориентированных на оптическую природу ее носителя. При этом одним из основных принципов применения подобных технологий является использование принципов пространственно-распределенных оптических вычислений.

В третьей главе рассмотрены следующие разработанные устройства:

- оптические фаззификаторы, реализующие этап «введения нечеткости» в структуре нечеткой модели (для примера показан оптический фаззификатор на рисунке 2.1);

- оптический вычислитель дополнения нечеткого множества (рисунок 2.2), предназначенный для выполнения в режиме реального времени операции дополнения (или отрицания) нечеткого множества А;

- оптические конъюнкторы нечетких множеств, предназначенные для выполнения в режиме реального времени операции пересечения (конъюнкции) ш нечетких множеств А1, А2,.., Аш;

- оптические дизъюнкторы нечетких множеств, предназначенные для выполнения в режиме реального времени операции объединения (дизъюнкции) ш нечетких множеств А1, А2,.., Ат;

- оптические и оптоэлектронные дефаззификаторы, реализующие этап «приведения к четкости» - дефаззификация, в структуре нечеткой модели по методам медианы, центра тяжести, правого (левого) модальных значений.

В ходе выполнения диссертационной работы также разработаны оптические устройства для выполнения операций разности нечетких множеств, симметрической разности нечетких множеств, алгебраического объединения нечетких множеств, граничного пересечения нечетких множеств, граничного объединения нечетких множеств, драстического пересечения нечетких множеств, драстического объединения нечетких множеств, нечеткого включения нечетких множеств.

1 - источник когерентного излучения ИКИ с интенсивностью 2хл усл(овных) ед(иниц); 2 -оптический Y - разветвитель; 3 - первый оптический п - выходной разветвитель; 4, - первый линейный оптический транспарант ЛОТ с функцией пропускания, пропорциональной функции принадлежности fiAij(xj) вдоль оси ОХ; 42 - второй линейный оптический транспарант ЛОТ с

функцией пропускания, пропорциональной функции принадлежности цх(х)) ВД°ЛЬ оси ОХ; 5 -оптический фазовый модулятор ОФМ, обеспечивающий постоянный сдвиг фазы оптического потока на л; 6 - второй оптический п - выходной разветвитель; 7Ь 72, 73,.., 7„ - п оптических Y-объединителей; 8 - селектор минимального сигнала CMC; 9 - блок извлечения квадратного корня БИК; 10 - блок вычитания БВ.

Рисунок 2.1 - Оптический фаззификатор

В четвертой главе «Разработка оптоэлектронных нечетких процессоров» рассмотрены разработанные оптоэлектронные нечеткие

процессоры, реализующие различные алгоритмы нечеткого вывода, такие как алгоритм Мамдани, алгоритм Такаги-Сугено, алгоритм Цукамото.

Структурная схема оптоэлектронного нечеткого процессора, реализующего алгоритм Мамдани, показан на рисунке 2.3.

О

ики

2. 3

♦х Іі-^н

32 г'—*

Г" "" • • лот

3„ 7„

5 6.

ОФМ

ФП

БИК

92

ФП

БИК

й < 3 Г СО А

9.

ФП

БИК

1 - источник когерентного излучения ИКИ с амплитудой 2хп усл. ед.; 2 - оптический У -разветвитель; 3 - первый оптический п - выходной разветвитель; 4 - линейный оптический транспарант ЛОТ с функцией пропускания, пропорциональной функции принадлежности Цд(х) (каждый пиксел линейного оптического транспаранта имеет функцию пропускания, пропорциональную значению функции принадлежности Цд(Х|) при конкретном значении х„ і = 1, 2,...п); 5 - оптический фазовый модулятор ОФМ, обеспечивающий постоянный сдвиг фазы оптического потока на л; 6 — второй оптический п - выходной разветвитель; 7,, 72, ..., 7„ — п оптических У-объединителей; 8Ь 82>..., 8„ - п фотоприемников ФП; 9і, 92,.., 9„ - п блоков извлечения квадратного корня БИК.

Рисунок 2.2 - Оптический вычислитель дополнения нечеткого множества

В пятой главе «Исследование временных характеристик оптических и оптоэлектронных нечетко-логических устройств обработки информации» исследованы временные характеристики (переходная функция и импульсно-переходная функция) разработанного класса оптических и оптоэлектронных нечетко-логических устройств на примере оптического вычислителя дополнения нечеткого множества, а именно его участка «оптический транспарант - фотоприемник - блок на основе операционного усилителя». Проведение вычислительного эксперимента по моделированию переходной функции и импульсно-переходной функции цепочки «оптический транспарант — фотоприемник - блок на основе операционного усилителя», как наиболее трудной с точки зрения динамических свойств ввиду наличия не только «чисто оптических» компонентов, но также оптоэлектронных и электронных, позволило определить, что примерное время протекания переходного процесса составляет 0,7-10"7. Графики полученных в результате моделирования переходной и импульсно-переходной функций показаны соответственно на рисунке 2.4 и 2.5 соответственно.

111, bi, ••. 1щ; 112» 1гг. l2n! ... 1ml, 1щ2, --, Imn - га групп по n оптоэлектронных блоков фазификации ОЭБФ; 2h 22, .., 2т - m селекторов минимального сигнала CMC; Зь 32, .., 3„ - ш оптоэлектронных блоков активизации ОЭБАк; 4 -оптоэлектронный блок аккумуляции ОЭБАкк; 5 — оптоэлектронный дефаззификатор ОЭДФ.

Рисунок 2.3 - Оптоэлектронный нечеткий процессор, реализующий алгоритм нечеткого вывода Мамдани

хЮ'7

Рисунок 2.4 - Переходная функция цепочки «оптический транспарант -фотоприемник - блок на основе операционного усилителя»

Рисунок 2.5 - Импульсно-переходная функция цепочки «оптический транспарант - фотоприемник - блок на основе операционного усилителя»

3 Основные результаты диссертационной работы

1) Установлено посредством проведения вычислительного эксперимента, что аппарат «функциональных» нечетких динамических систем является адекватным инструментом описания математических моделей процессов, порождающих хаотическое поведение переменных (фазовых координат систем), демонстрируя устойчивое нахождение параметров нечетких динамических моделей при адаптации и обучении последних в зависимости от различных значений параметров обучения, количества примеров в обучающей выборке, точки начала восстановления временного ряда;

2) Разработаны методы проектирования, структуры и схемотехнические решения нового комплекса устройств, реализующих основные этапы нечетко-логического вывода и операции нечеткой логики, а также оптоэлектронные нечеткие процессоры, реализующие нечетко-логические алгоритмы в целом. Разработанный комплекс устройств использует в своей основе оптические методы обработки информации, базирующиеся на способах представления информации, ориентированных на оптическую природу ее носителя.

3) Исследованы временные характеристики (переходная функция и импульсно-переходная функция) разработанного класса оптических и оптоэлектронных нечетко-логических устройств на примере цепочки «оптический транспарант - фотоприемник - блок на основе операционного усилителя», что является наиболее трудным с точки зрения динамических свойств ввиду наличия не только «чисто оптических» компонентов, но также оптоэлектронных и электронных. Проведение вычислительных экспериментов по моделированию переходная и импульсно-переходная функций цепочки «оптический транспарант - фотоприемник - блок на основе операционного усилителя» показало, что примерное время протекания переходного процесса равно 0,7-10"7 с. Таким образом, граничная частота самого трудного с точки зрения динамических свойств последовательного соединения «оптический транспарант - фотоприемник - блок на основе операционного усилителя» равна примерно 14,3 МГц.

4) Применение разработанного комплекса оптических и оптоэлектронных нечетко-логических устройств и методов их проектирования структурных и схемотехнических решений позволяет:

- получить существенный выигрыш в быстродействии (так в чисто оптических устройствах быстродействие достигает порядка 10" ...10" с, а в оптоэлектронных устройствах - порядка ю'-.-Ю"6 с), что позволяет использовать подобные устройства в современных непрерывно-логических системах обработки информации; быстродействие устройств не зависит от количества элементов нечетких множеств, так как все логические операции над значениями базовых шкал и функций принадлежности нечетких переменных выполняются параллельно и в реальном времени за счет использования принципов пространственно-распределенных оптических вычислений;

- улучшить точность вычислений на произвольном этапе времени за счет отказа от цифровых методов выполнения вычислений, присущих микропроцессорным и аналого-цифровым устройствам, и использовании аналоговых методов оптических вычислений;

- упростить конструкцию и процесс функционирования систем обработки информации, благодаря более простой и быстродействующей реализации элементарных операций над нечеткими множествами по сравнению с регистровыми реализациями. Так в микропроцессорных системах обработки нечеткой информации с увеличением значений базовых шкал нечетких переменных происходит нелинейное увеличение времени выполнения этапов фаззификации и дефаззификации и операций над нечеткими множествами;

- значительно снизить массогабаритные и мощностные характеристики технических средств, реализующих основные вычислительные операции нечеткой логики, путем исполнения подобных устройств в виде оптической интегральной микросхемы с площадью не более единиц кв. см., при этом потребляемая мощность активных компонентов оптических интегральных микросхем (полупроводниковых лазеров, оптопар и пр.) на сегодняшний день, как правило, не превышает 1Вт;

- получить недорогую себестоимость и стабильность характеристик интегральнооптического исполнения нечетко-логических устройств не хуже стоимости и стабильности аналогичных устройств, выполненных по традиционной кремниевой технологии;

- использование в различных комбинациях вышерассмотренных оптических нечетко-логических устройств дает возможность синтезировать функционально полные нечетко-логические вычислительные машины -нечеткие процессоры, для решения задач принятия решений в задачах управления слабо формализованными объектами и процессами в соответствии с реализуемым алгоритмом нечеткого вывода.

5) По разработанному комплексу оптических и оптоэлектронных нечетко-логических устройств получено 30 патентов;

6) Опубликовано 11 научных работ, среди которых 4 статьи в журналах, рецензируемых ВАК.

4 Список публикаций соискателя по теме диссертации

Публикации в журналах, рецензируемых ВАК:

1. Аллее, М.А. Оптоэлектронные средства обработки нечеткой информации / М.А. Аллее, С.М. Ковалев, С.В.Соколов II Вестник РГУПС. - Ростов н/Д, -2009. - № 3. - С. 42-45.

2. Аллее, М.А. Синтез нечетко-логических систем обработки информации на основе оптических технологий / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев II Научное приборостроение. - 2011. - том №21. - № 1. - С. 137-142.

3. Аллее, М.А. Реализация нечетко-логических алгоритмов на основе оптических методов обработки информации / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2011. - том №115. -№ 2. - С. 192-196.

4. Аллее, М.А. Оптические нечетко-логические устройства / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев // Известия вузов. Приборостроение. - 2012. - том №55. -№ 1.-С. 34-38.

Публикации в других изданиях:

5. Аллее, М.А. Средства обработки нечеткой информации на основе оптоэлектроники / М.А. Аллее // Обозрение прикладной и промышленной математики. - 2010. - том №17. - выпуск № 6. - С. 832-833.

6. Аллее, М.А. Синтез нечетко-логических устройств управления на основе оптических технологий / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев // Труды V международной конференции «Параллельные вычисления и задачи управления РАСО 2010». - М.: ИПУ им. В. А. Трапезникова РАН. - 2010. -С. 467-474.

7. Аллее, М.А. Технология обработки нечеткой информации на основе средств и методов оптоэлектронной схемотехники / М.А. Аллее, С.М. Ковалев // Труды Конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT'10»: в 4 т. Т. 3. - М.: ФИЗМАТЛИТ. - 2010. - С. 206210.

8. Соколов, С. В. Реализация нечеткологического управления на основе оптических информационных технологий / C.B. Соколов, М.А. Аллее, С.М. Ковалев // Труды IX Международной научно-технической конференции «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства ИНЭРТ-2010». - Ростов н/Д: ИЦ ДГТУ. - 2010. - С. 324-327.

9. Аллее, М.А. Использование оптических методов обработки информации для решения задач нечетко-логического управления I М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев // Труды 1-ого Международного семинара студентов, аспирантов и ученых «Системный анализ, управление и обработка информации». -Ростов н/Д: ИЦ ДГТУ. - 2010.-С. 186-189.

10. Аллее, M.А. Средства автоматизации контроля, управления и диагностирования на базе оптических нечетко-логических устройств / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев // Труды Международной научно-практической конференции «Передовые информационные технологии, средства и системы' автоматизации и их внедрение на российских предприятиях AITA-2011» - М.: ИПУ им. В. А. Трапезникова РАН. - 2011. -С. 241-254.

11. Аллее, М.А. Оптический фаззификатор / М.А. Аллее // Сборник трудов VII Международной конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА - 2011». - СПб: Издательство НИУИТМО. - 2011. - С. 110-113.

12. Пат. 2416119 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический фаззификатор / В.М. Курейчик, В .В. Курейчик, М.А. Аллее, С.М. Ковалев, C.B. Соколов - № 2009104635/28 ; заявл. 11.02.2009 ; опубл. 10.04.2011, Бюл. № 10.

13. Пат. 2432599 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический фаззификатор / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев. - № 2010140540/08 ; заявл. 04.10.2010 ; опубл.

27.10.2011, Бюл. №30.

14. Пат. 2446431 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический фаззификатор / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев. - № 2010137439/08; заявл. 08.09.2010 ; опубл.

27.03.2012, Бюл. № 9.

15. Пат. 2446434 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический фаззификатор / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев. - № 2010139069/20; заявл. 22.09.2010; опубл. 27.03.2012, Бюл. №9.

16. Пат. 2463640 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический вычислитель дополнения нечеткого множества / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев. - № 2011149042/08; заявл. 01.12.2011; опубл. 10.10.2012, Бюл. № 28.

17. Пат. 2435193 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический конъюнктор непрерывных (нечетких) множеств / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев - № 2010136411/08; заявл. 30.08.2009 ; опубл. 27.11.2011, Бюл. № 33.

18. Пат. 2419128 РФ, МПК G06E 3/00, МПК G06N 7/02. Оптический конъюнктор непрерывных множеств / В.М. Курейчик, В.В. Курейчик, М.А. Аллее, С.М. Ковалев, C.B. Соколов - № 2009129095/08; заявл. 28.07.2009 ; опубл. 20.05.2011, Бюл. № 14.

19. Пат. 2432600 РФ, МПК G06E 3/00, МПК G06N 7/02. Оптический дизъюнктор непрерывных (нечетких) множеств / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев - № 2010135462/08; заявл. 24.08.2010 ; опубл. 27.10.2011, Бюл. № 30.

20. Пат. 2419127 РФ, МПК G06E 3/00, МПК G06N 7/02. Оптический дизъюнктор непрерывных множеств / В.М. Курейчик, В.В. Курейчик, М.А. Аллее, С.М. Ковалев, C.B. Соколов - № 2009129093/08; заявл. 28.07.2009 ; опубл. 20.05.2011, Бюл. № 14.

21. Пат. 2422876 РФ, МПК G06E 3/00, МПК G06N 7/02. Оптический дизъюнктор нечетких множеств / Аллее, С.М. Ковалев, C.B. Соколов - № 2009144405/08; заявл. ЗОЛ 1.2009 ; опубл. 27.06.2011, Бюл. № 18.

22. Пат. 2433446 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический вычислитель разности непрерывных множеств / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С. М. Ковалев - № 2010121350/28; заявл. 26.05.2010 ; опубл. 10.11.2011, Бюл. № 31.

23. Пат. 2429519 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический вычислитель симметрической разности непрерывных множеств / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С. М. Ковалев - № 2010122041/08; заявл. 31.05.2010 ; опубл. 20.09.2011, Бюл. №26.

24. Пат. 2435191 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический алгебраический объединитель нечетких множеств / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев - № 2010125638/08; заявл. 22.06.2010 ; опубл. 27.11.2011, Бюл. № 33.

25. Пат. 2432602 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический граничный конъюнктор нечетких множеств / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев - № 2010130029/08; заявл. 19.07.2010 ; опубл. 27.10.2011, Бюл. № 30.

26. Пат. 2432598 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический граничный дизъюнктор нечетких множеств / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев - № 2010128833/08; заявл. 12.07.2010 ; опубл. 27.10.2011, Бюл. № 30.

27. Пат. 2437139 РФ, МПК G06E 3/00, МПК G06N 7/02. Оптический граничный дизъюнктор нечетких множеств / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С. М. Ковалев -№ 2010144801/08; заявл. 01.11.2010; опубл. 20.12.2011, Бюл. № 35.

28. Пат. 2435192 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический Д-конъюнктор нечетких множеств / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С. М. Ковалев - № 2010126411/28; заявл. 28.06.2010 ; опубл. 27.11.2011, Бюл. № 33.

29. Пат. 2451976 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический Д- дизъюнктор нечетких множеств / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С. М. Ковалев - № 2010127617/08; заявл. 02.07.2010; опубл. 27.05.2012, Бюл. № 15.

30. Пат. 2441267 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический вычислитель нечеткого включения нечетких множеств / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С. М. Ковалев -№ 2010134249/28 ; заявл. 16.08.2010 ; опубл. 27.01.2012, Бюл. № 3.

31. Пат. 2444047 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический дефаззификатор / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев - № 2010124221/08 ; заявл. 11.06.2010 ; опубл. 27.02.2012, Бюл. № 6.

32. Пат. 2416119 РФ, МПК G06E 3/00. Оптоэлектронный дефаззификатор / В.М. Курейчик, В.В. Курейчик, М.А. Аллее, С.М. Ковалев, C.B. Соколов - № 2009112100/08 ; заявл. 01.04.2009 ; опубл. 27.12.2010, Бюл. № 36.

33. Пат. 2409831 РФ, МПК G06E 3/00. Оптический дефаззификатор / В.М. Курейчик, В.В. Курейчик, М.А. Аллее, С.М. Ковалев, C.B. Соколов - № 2009121258/08 ; заявл. 03.06.2009 ; опубл. 20.01.2011, Бюл. № 2.

34. Пат. 2439651 РФ, МПК G06E 3/00. Оптоэлектронный дефаззификатор / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев - № 2010140538/08; заявл. 04.10.2010; опубл. 10.01.2012, Бюл. № 1.

35. Пат. 2446432 РФ, МПК G06E 3/00. Оптоэлектронный дефаззификатор / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев - № 2010141872/08; заявл. 12.10.2010; опубл. 27.03.2012, Бюл. № 9.

36. Пат. 2439652 РФ, МПК G06E 3/0О, МПК G06N 7/02,. Оптоэлектронный дефаззификатор / М.А. Аллее, C.B. Соколов, С.М. Ковалев - № 2010143218/08; заявл. 21.10.2010; опубл. 10.01.2012, Бюл. № 1.

37. Пат. 244635 РФ, МПК G06E 3/00. Оптоэлектронный дефаззификатор / М.А. Аллее, С.М. Ковалев, C.B. Соколов - № 2010143643/08; заявл. 25.10.2010; опубл. 27.03.2012, Бюл. № 9.

38. Пат. 2408052 РФ, МПК G06E 3/00. Оптоэлектронный дефаззификатор / В.М. Курейчик, В.В. Курейчик, М.А. Аллее, С.М. Ковалев, C.B. Соколов - № 2009124196/08 ; заявл. 24.06.2009 ; опубл. 27.12.2010, Бюл. № 36.

39. Пат. 2445672 РФ, МПК G06E 3/00. Оптоэлектронный нечеткий процессор / М.А. Аллее, С.М. Ковалев, C.B. Соколов - № 2010145712/08 ; заявл. 09.11.2010; опубл. 20.03.2012, Бюл. № 8.

40. Пат. 2446433 РФ, МПК G06E 3/00. Оптоэлектронный нечеткий процессор / М.А. Аллее, С.М. Ковалев, C.B. Соколов - № 2011111650/08; заявл. 28.03.2011; опубл. 27.03.2012, Бюл. № 9.

41. Пат. 2446436 РФ, МПК G06E 3/00. Оптоэлектронный нечеткий процессор / М.А. Аллее, С.М. Ковалев, C.B. Соколов - № 2011110238/08; заявл. 17.03.2011; опубл. 27.03.2012, Бюл. № 9.

Соискатель

М.А. Аллее

Аллее Михаил Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ НЕЧЕТКО-ЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати «о»» акрал* 2013 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16.

Уч.- изд. л. 1,11. Тираж 100 экз. За «аз .

Ростовский государственный университет путей сообщения. Ризография ФГБОУ ВПО РГУПС.

Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. им. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2.

ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей

сообщения»

На

писи

04201357419

Аллее Михаил Александрович

Разработка методов проектирования оптических и оптоэлектронных устройств для обработки нечетко-логической информации в системах

принятия решений

05.13.05 Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Ковалев Сергей Михайлович

Ростов-на-Дону - 2013 г.

Оглавление

Введение........................................................................................................................6

1 Устройства и методы обработки нечетко-логической информации в слабо формализованных задачах принятия решений.......................................................14

1.1 Нечеткая логика в слабо формализованных задачах принятия решений ..14

1.2 Нечетко-логические устройства сбора и обработки информации в системах автоматизации управления технологическими процессами и производством............................................................................................................24

1.3 Постановка задачи...........................................................................................39

1.4 Выводы..............................................................................................................42

2 Нечеткие динамические модели и системы в слабо формализованных задачах принятия решений......................................................................................................44

2.1 Модели представления нечетких динамических систем.............................44

2.2 Методы обучения и адаптации нечетких динамических систем................47

2.3 Возможности нечетко-динамических систем в моделировании хаотических процессов детерминированных систем.............................................50

2.4 Выводы..............................................................................................................77

3 Разработка оптических и оптоэлектронных нечетко-логических устройств ..79

3.1 Обоснование выбора оптических методов обработки информации для синтеза нечетко-логических устройств и систем...................................................79

3.2 Оптические фаззификаторы...........................................................................85

3.3 Оптические устройства, реализующие операции над нечеткими множествами...............................................................................................................89

3.4 Оптические дефаззификаторы......................................................................112

3.5 Выводы............................................................................................................119

4 Разработка оптоэлектронных нечетких процессоров......................................122

4.1 Оптоэлектронный процессор, реализующий алгоритм нечеткого вывода Мамдани....................................................................................................................122

4.2 Оптоэлектронный процессор, реализующий алгоритм нечеткого вывода Такаги-Сугено...........................................................................................................137

4.3 Оптоэлектронный процессор, реализующий алгоритм нечеткого вывода Цукамото...................................................................................................................149

4.4 Выводы............................................................................................................156

5. Исследование временных характеристик оптических и оптоэлектронных нечетко-логических устройств обработки информации......................................158

5.1 Получение передаточной характеристики оптического или оптоэлектронного нечетко-логического устройства............................................158

5.2 Моделирование передаточной характеристики оптического или оптоэлектронного нечетко-логического устройства............................................161

5.3 Моделирование импульсно-переходной функции оптического вычислителя дополнения нечеткого множества...................................................165

5.4 Выводы............................................................................................................168

Заключение...............................................................................................................169

Список используемой литературы.........................................................................172

АРМ АСУТП

БВ

БИК

БИС

Б НИ БПРОП

ВЦ РАН

ГПСС

ИКИ

ИИ

ЛОТ

МЭИ

НЛР

ннс

НОИ

нпс

ОАМ

овднм однм

ОДФ

окнм

осв от

ОФ

ОФМ

ОЭБАк

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

автоматизированное рабочее место автоматизированная система управления технологическими процессами

блок вычитания

блок извлечения квадратного корня интегральная микросхема большой степени интеграции

блок нормирования интенсивности блок пространственного распределения оптического потока

вычислительный центр Российской академии наук

генератор персональных советующих систем

источник когерентного излучения источник некогерентного излучения линейный оптический транспарант московский энергетический институт нечеткий логический регулятор нейронная нечеткая сеть неопределенный оптический интегратор нечеткая продукционная система оптический амплитудный модулятор оптический вычислитель дополнения нечеткого множества

оптический дизъюнктор нечетких множеств

оптический дефаззификатор оптический конъюнктор нечетких множеств

оптически связанные волноводы оптический транспарант оптический фаззификатор оптический фазовый модулятор оптоэлектронный блок активизации

ОЭБАкк оптоэлектронный блок аккумуляции

ОЭБДФ оптоэлектронный блок дефаззификации

ОЭБФ оптоэлектронный блок фаззификации

ОЭДФ оптоэлектронный дефаззификатор

ОЭНП оптоэлектронный нечеткий процессор

ПД-регулятор пропорционалыго-дифференцальный

регулятор

ПИД-регулятор пропорционально-интегрально-

дифференцальный регулятор

ПИ-регулятор пропорционально-интегральный

регулятор

ППЗУ перезаписываемое постоянное

запоминающее устройство

ПЭ пьезоэлемент

ПЭВМ персональная электронная

вычислительная машина

САУ система автоматического управления

СБИС интегральная микросхема сверхбольшой

степени интеграции

CMC селектор минимального сигнала

УИИ управляемый источник излучения

УОТ управляемый оптический транспарант

ФИАН Физический институт Российской

академии наук

ФП фотоприемник

ЭВМ электронная вычислительная машина

ЭЗ элемент запаздывания

ЭОД электрооптический дефлектор

ЭС экспертная система

Введение

Актуальность темы. В современной действительности нечеткое моделирование и применение аппарата нечетких систем является одной из наиболее активных и перспективных направлений прикладных исследований в области управления и принятия решений. Нечеткое моделирование и управление оказывается особенно полезным, когда в описании технических систем и технологических процессов присутствует неопределенность, которая затрудняет или даже исключает применение точных количественных методов и подходов для решения задач принятия решений.

Востребованность применения аппарата нечетких систем обусловлена тенденцией увеличения сложности математических и формальных моделей реальных систем и процессов управления, связанной с желанием повысить их адекватность и учесть все большее число различных факторов, оказывающих влияние на процессы принятия решений. С одной стороны, традиционные методы построения моделей не приводят к удовлетворительным результатам, когда исходное описание подлежащей решению проблемы заведомо является неточным или неполным. С другой стороны, стремление получить всю исчерпывающую информацию для построения точной математической модели сколь-нибудь сложной реальной ситуации может привести к потере времени и средств, поскольку это может быть в принципе невозможно.

В подобных случаях наиболее целесообразно воспользоваться такими методами, которые специально ориентированы на построение моделей, учитывающих неполноту и неточность исходных данных. Именно в таких ситуациях технология нечеткого управления оказывается наиболее конструктивной, что объективно подтверждено появлением огромного числа промышленных приложений аппарата нечетких систем.

Нечеткая логика, которая служит основой для реализации методов нечеткого управления, более естественно описывает характер человеческого мышления и ход его рассуждений, чем традиционные формально-логические

системы. Именно поэтому использование математических средств для представления нечеткой исходной информации позволяет строить модели, которые наиболее адекватно отражают различные аспекты неопределенности, постоянно присутствующей в окружающей нас реальности.

Но для построения любых систем (автоматизированных и автоматических) управления требуются эффективные, надежные и недорогие технические средства, которые могли бы осуществлять выполнение нечетких алгоритмов управления в реальном масштабе времени с высокой точностью вычисления.

В настоящее время техническую базу реализации нечетких технологий составляют микропроцессорные средства и микроконтроллеры, аналоговые и аналого-цифровые СБИС. Однако микропроцессоры и однокристальные микроконтроллеры не способны в полной мере реализовать все потенциальные возможности нечеткой логики по следующим объективным причинам:

- их быстродействие ограничено в части реализации ряда сложных нечетких операторов из-за последовательной обработки данных, присущей современным микропроцессорным средствам;

- погрешность вычислений с течением времени постоянно растет из-за неизбежных методических ошибок, обусловленных использованием цифровых методов вычисления;

- в микропроцессорных системах обработки нечеткой информации с увеличением значений базовых шкал нечетких переменных происходит нелинейное увеличение времени выполнения операций над элементами термов этих переменных, а также этапов фаззификации и дефаззификации; увеличение значений базовых шкал нечетких множеств ведет к неизбежному увеличению областей памяти микропроцессорных реализаций для хранения и обработки данных, что ведет к увеличению времени выполнения вычислительных операций.

Кроме того, существующие микропроцессорные системы обработки нечеткой информации обладают значительными габаритами, массой и потребляемой мощностью.

При применении же цифро-аналоговых СБИС для конструировании нечетких процессоров разработчики будут неизбежно сталкиваться с проблемой разброса параметров аналоговых интегральных микросхем, что может существенно сказываться на стоимости разработки систем и устройств за счет применения дополнительных схемно-технических мероприятий стабилизации параметров и характеристик приборов, а также могут возникнуть трудности и в процессе эксплуатации таких средств - расстройка параметров приборов, трудности регулировки параметров аналоговых устройств, дрейф рабочих точек, более низкие показатели надежности аналоговых устройств по сравнению с цифровыми.

На сегодняшний день также известны устройства, построенные на оптических методах обработки информации, которые используют методы Фурье-оптики и Фурье-голографии. Эти методы, в свою очередь, в конструируемых устройствах достаточно трудно реализуемы и не позволяют реализовать весь комплекс операций над нечеткими множествами и отношениями, что не дает возможности реализации нечетко-логического вывода в целом.

Поэтому возникает задача разработки и развития методов проектирования и конструирования совершенно нового класса вычислительных устройств, обладающих значительным запасом быстродействия, надежности, простотой настройки параметров, меньшей конструктивной сложностью и реализующих при этом принципы нечеткой логики с сохранением точности выполняемых вычислений на произвольном интервале времени.

В настоящей диссертационной работе разрабатываются и исследуются методы синтеза и комплекс устройств, использующих оптические методы обработки информации, базирующихся на способах представления

информации, ориентированных на оптическую природу ее носителя, реализующие вычислительные операции аппарата нечетких систем.

Актуальность темы подтверждается ее поддержкой Российским фондом фундаментальных исследований РФФИ: грант № 10-07-00158.

Объектом исследования настоящей диссертационной работы являются методы и средства проектирования нечетко-логических устройств для построения современных эффективных и надежных систем принятия решений в слабо формализованных задачах и слабо структурированных предметных областях.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью настоящей диссертационной работы является решение научно-технической задачи по разработке методов проектирования структурных и схемотехнических решений нового класса устройств и систем обработки нечетко-логической информации, обладающих значительным быстродействием, запасом надежности, простотой конструкции, простотой настройки параметров и обеспечивающих высокую точность вычисления на произвольном интервале времени обработки информации. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- обзор существующих на сегодняшний день нечетко-логических устройств сбора и обработки информации, определение их достоинств и недостатков;

- проведение вычислительного эксперимента по использованию нечетких динамических моделей при моделировании хаотических процессов в детерминированных системах;

- обоснование выбора оптических методов обработки информации для решения поставленной задачи по созданию нового класса устройств и систем обработки нечетко-логической информации;

- разработка оптических устройств, реализующих различные операции над нечеткими множествами и операторы нечеткой логики;

- разработка оптоэлектронных нечетких процессоров, реализующих различные алгоритмы нечеткого вывода, таких как: алгоритм Мамдани, алгоритм Такаги-Сугено, алгоритм Цукамото;

- исследование временных характеристик разработанных оптических и оптоэлектронных устройств обработки нечетко-логической информации.

Методы исследования. В настоящей диссертационной работе применены методы теории аппарата нечетких систем и нечеткой логики, методы теории нелинейных динамических систем и нечетких динамических систем, методы теории искусственных нейронных сетей, методы классических (градиентных) методов обучения и адаптации искусственных нейронных сетей и нейро-нечетких сетей, методы теории обучения и адаптации искусственных нейронных сетей и нейро-нечетких сетей с использованием генетических алгоритмов, методы оптических приемов обработки информации и оптоэлектронной схемотехники, методы математического моделирования с использованием пакетов прикладных программ MATLAB/Toolbox/Fuzzy Logic и MATLAB/Toolbox/Fuzzy Logic и MATLAB/Toolbox/Control.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) установлено, что аппарат нечетких динамических систем является адекватным инструментом моделирования хаотических процессов в детерминированных системах;

2) предложена общая методика проектирования нечетко-логических устройств обработки информации, отличающаяся от известных использованием быстродействующих пространственно-распределенных волноводно-оптических структур для построения проблемно-ориентированных устройств принятия решений в слабо формализованных задачах (устройств фаззификации и дефаззификации, базисных операторов нечеткой логики, нечетких процессоров);

3) разработаны частные методики синтеза базовых функциональных узлов нечетких процессоров на основе оптических методов обработки информации, позволяющие обрабатывать двумерные массивы функций

принадлежности нечеткого множества с требуемой точностью и в реальном масштабе времени, что обеспечивает существенный выигрыш в быстродействии и точности по сравнению с существующими нечетко-логическими процессорными схемами.

Достоверность научных результатов и выводов настоящей диссертационной работы подтверждается:

результатами проведения вычислительного эксперимента по моделированию динамических процессов типа «детерминированный хаос»;

- обсуждением полученных результатов на научных конференциях и экспертизой публикаций в ведущих научных изданиях;

результатами проведения вычислительного эксперимента по моделированию временных характеристик разработанных оптических и оптоэлектронных устройств обработки нечетко-логической информации;

- получением 30 патентов по разработанным оптическим нечетко-логическим устройствам.

Практическая ценность результатов настоящей диссертационной работы состоит в возможности использования разработанных методов проектирования нового класса оптических нечетко-логических устройств для конструирования высокоэффективных, как по быстродействию и надежности, так и по точности вычисления устройств и систем, обладающих простотой конструкции, простотой настройки параметров для решения слабо формализованных задач управления и принятия решений.

Положения настоящей диссертационной работы, представляемые к защите:

- возможность использования аппарата нечетких динамических систем по моделированию динамических процессов типа «детерминированный хаос»;

- методы проектирования оптических и оптоэлектронных нечетко-логических устройств для создания техниче