УСТРОЙСТВО ДЛЯ КЛАССИФИКАЦИИ НЕЧЕТКИХ СИТУАЦИЙ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ ДЕЙСТВИЯ
DEVICE FOR CLASSIFYING EXTENDED RANGE FUZZY SITUATIONS

Изобретение относится к автоматизированным системам и системам автоматического управления и может быть использовано при управлении сложными объектами, а также для решения задач распознавания и анализа данных объектов, ситуаций, процессов или явлений произвольной природы, описываемых слабоформализуемыми признаками (симптомами, факторами), которые могут быть представлены в виде нечетких множеств.
<mrow><mi>μ</mi><mo>∈</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>0,</mn><mtext> </mtext><mn>1</mn></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
пг
пг
пг
Известно понятие нечеткой ситуации как совокупности нечетких значений признаков, представляющих собой множество лингвистических переменных, характеризующих состояние объекта управления и представляющих собой нечеткие множества. Для описания нечетких ситуаций используются функции принадлежности
, где [0, 1] - диапазон возможных значений µ. Также известно понятие «плохо определенных» (некорректно определенных) нечетких ситуаций, для описания которых используются значения функций принадлежности в интервале (1-µ, µ), где µ - принимаемое допустимое значение достоверности классификации (Мелихов А.Н., Бернштейн Л.С, Коровин С.Я. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990, с. 97-99).
Известно устройство, в котором за счет добавления блоков хранения учебных данных (БУД) и кластеризации (БКЛ) обеспечивается расчет эталонных векторов структурно-временных параметров радиосигналов известных классов и соответствующих им значений внутрикластерной дисперсии с использованием самоорганизующейся карты Кохонена. Рассчитанные эталонные вектора и значения внутрикластерной дисперсии используются для построения вероятностной нейронной сети, реализуемой блоком классификации (БК) [RU 2422900, 2011].
Недостатком устройства являются относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что устройство позволяет осуществлять классификацию только по детерминированным значениям структурно-временных параметров.
Известно также устройство для сравнения нечетких величин, содержащее регистры сдвига, генератор тактовых импульсов, формирователи функции принадлежности, блоки определения минимального значения, блоки памяти верхнего порога, блок определения максимального значения, блок памяти нижнего порога [RU 2001432, 1993].
Недостатком этого устройства также являются относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие производить сравнение по множеству признаков, запоминать результаты сравнения и осуществлять последующую классификацию ситуации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для классификации управляющих ситуаций [SU 1742819, 1988], содержащее регистр ввода, N регистров вывода, N блоков элементов И, N блоков сравнения, три группы из N блоков памяти, N счетчиков адресов, генератор тактовых импульсов, элемент ИЛИ и блок управления.
Недостатком наиболее близкого технического решения являются относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что, классифицируемые ситуации управления должны быть описаны детерминированными значениями признаков. На практике возникающие ситуации не всегда описываются полностью формализуемыми характеристиками, а могут задаваться нечеткими высказываниями.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, заключающихося в обеспечении возможности классификации ситуации по множеству признаков, в том числе и «плохо определенных» (некорректно определенных), задаваемых нечеткими высказываниями, а также вариативности множества известных классов.
Требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее блоки памяти, генератор тактовых импульсов, элемент ИЛИ, введены датчик ситуации, блок ввода классов, счетчик сравнений, блоки формирования сигнала некорректности, блоки сравнения по нечеткому признаку, блоки проверки корректности, блок обработки результатов сравнения, пороговый фильтр, блок ввода порогового значения, блок буферной памяти, блок вывода результатов классификации, причем выходы датчика ситуации соединены с соответствующими входами блока памяти ситуации, выходы блока ввода классов соединены с соответствующими входами блока памяти классов, выходы блока памяти ситуации и выходы блока памяти классов соединены с соответствующими входами блоков формирования сигнала некорректности, выходы блока формирования сигнала некорректности соединены с соответствующими входами блоков сравнения по нечеткому признаку и блоков проверки корректности, выходы блоков сравнения по нечеткому признаку соединены с соответствующими входами блоков проверки корректности, выходы блоков проверки корректности соединены с соответствующими входами блока обработки результатов сравнения, выходы счетчика сравнения соединены с соответствующими входами блоков памяти ситуации и блока памяти классов, выходы блока ввода порогового значения соединены с соответствующими входами блоков формирования сигнала некорректности и порогового фильтра, выход блока обработки результатов сравнения соединен с соответствующим входом порогового фильтра, входы блока буферной памяти соединены с соответствующими выходами счетчика сравнений и блока обработки результатов сравнения, выходы блока буферной памяти соединены с соответствующими входами блока вывода результата классификации.
пг
пг
На чертежах представлены: на фиг. 1 - электрическая структурная схема устройства для классификации нечетких ситуаций с расширенным диапазоном действия, на фиг. 2 - пример функции принадлежности для лингвистической переменной с одним термом, задающей признак в виде нечеткого высказывания с обозначенным интервалом (1-µ, µ).
Устройство для классификации нечетких ситуаций с расширенным диапазоном действия (фиг. 1) содержит датчик ситуации 1, блок памяти ситуации 2, элемент ИЛИ 3, блок ввода классов 4, блок памяти классов 5, генератор тактовых импульсов 6, счетчик сравнений 7, блоки формирования сигнала некорректности 8-N, блоки сравнения по нечеткому признаку 9-Ν, блоки проверки корректности 10-N, блок обработки результатов сравнения 11, пороговый фильтр 12, блок ввода порогового значения 13, блок буферной памяти 14, блок вывода результатов классификации 15.
При этом N выходов датчика ситуации 1 соединены с N входами блока памяти ситуации 2 и N+1 выход - с входом 1 элемента ИЛИ 3, M выходов блока ввода классов 4 соединены с M входами блока памяти классов 5; вход генератора тактовых импульсов 6 соединен с выходом элемента ИЛИ 3, а выход того же блока с входом счетчика сравнений 7, при этом выход 1 счетчика сравнений 7 соединен с N+1 и М+1 входами блока памяти ситуации 2 и блока памяти классов 5 соответственно; N выходов блока памяти ситуации 2 и N выходов блока памяти классов 5 соединены со входами 1 и 2 N блоков формирования сигнала некорректности 8-N соответственно, причем выходы 2 и 3 N блоков формирования сигнала некорректности 8-N соединены со входами 1 и 2 N блоков сравнения по нечеткому признаку 9-N соответственно, а выходы 1 соединены со входами 2 N блоков проверки корректности 10-N; входы 1 N блоков проверки корректности 10-N соединены с выходами N блоков сравнения по нечеткому признаку 9-N, а выходы соединены с N входами блока обработки результатов сравнения 11, при этом выход того же блока соединен со входом 1 порогового фильтра 12; выход блока ввода порогового значения 13 соединен со входами 3 N блоков формирования сигнала некорректности 8-N и входом 2 порогового фильтра 12, вход 1 блока буферной памяти 14 соединен с выходом порогового фильтра 12, а вход 2 соединен с выходом 2 счетчика сравнений 7; выход 1 блока буферной памяти 14 соединен с входом 2 элемента ИЛИ 3, при этом выходы 2 и 3 того же блока соединены со входами 1 и 2 соответственно блока вывода результатов классификации 15.
Все элементы устройства охарактеризованы на функциональном уровне. Описываемая форма их реализации предполагает использование программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, поэтому ниже при описании работы устройства представляются сведения, подтверждающие возможность выполнения таким средством конкретной предписываемой ему в составе данного устройства функции, в частности алгоритм или соответствующие математические выражения.
Для описания нечеткой ситуации используются N признаков в виде лингвистических переменных с терм-множествами, состоящими из одного терма, образующих нечеткое множество
j
j
где µ - значение функции принадлежности для терма T, соответствующего признаку j=1÷N.
Классы ситуаций представляют собой типовые нечеткие ситуации вида
ij
j
где α - значение функции принадлежности для терма T класса i=1÷М, М - общее число классов, используемые для сравнения с текущей ситуацией.
j
i
ij
ij
В изобретении нечеткое множество (1) и (2) представляются в виде векторов S=(µ) и k=(α), координаты которых являются значениями функций принадлежности для соответствующих признаков, при этом совокупность векторов классов образует матрицу классов K=(α) размерностью M×N, которая в исходном положении устройства хранится в блоке памяти классов 5 и вводится в устройство через блок ввода классов 4.
<mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
<mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
Принадлежность нечеткой ситуации
, представленной в виде вектора S, к классу
, представленным в виде i-й строки матрицы K, определяется исходя из значения степени эквивалентности нечетких множеств
и
(3):
j
ij
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>T</mi><mo>˜</mo></mover><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mrow><msub><mi>μ</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mrow></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>T</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mrow></mrow>
где µ(µ, α) - степень эквивалентности нечетких высказываний относительно значений признака для ситуации
и рассматриваемого класса
, определяемая в соответствии с выражением:
где f - логическая переменная, принимающая значения 0 или 1 из условия:
Если переменная f принимает значение 1, то это автоматически означает наличие «плохо определенной» ситуации. Физический смысл дальнейшей классификации заключается концентрации внимания и дальнейшем рассмотрении только тех признаков, по которым ситуация 5 «хорошо определена», т.е. f=0. Условие (5) также позволяет учесть возможность использования некорректно определенных классов нечетких ситуаций.
<mrow><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>,</mo><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Результатом классификации является класс, на который рассматриваемая нечеткая ситуация наиболее «похожа», т.е. тот, которому соответствует наибольшее значение
:
пг
где µ - пороговое значение достоверности классификации.
Устройство для классификации нечетких ситуаций с расширенным диапазоном действия позволяет определить класс, которому с наибольшей достоверностью принадлежит рассматриваемая нечеткая ситуация, в том числе «плохо определенная» (некорректно определенная), получить значение степени достоверности классификации и работает следующим образом.
пг
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
В исходном положении устройства в счетчике сравнений 7 хранится значение сравнений i=0, классы нечетких ситуаций введены в блок памяти классов 5 через блок ввода классов 4 в виде матрицы классов, пороговое значение достоверности классификации µ введено в пороговый фильтр 12 и блоки формирования сигнала некорректности 8-N через блок ввода порогового значения 13. Нечеткая ситуация поступает в виде вектора S с N выходов датчика ситуации 1 на N входов блока памяти ситуации 2, при этом сигнал с N+1 выхода датчика ситуации 1 подается на вход 1 элемента ИЛИ 3, а затем с выхода элемента ИЛИ 3 на вход генератора тактовых импульсов 6, который инициирует первый такт сравнения. С выхода генератора тактовых импульсов 6 на вход счетчика сравнений 7 поступает сигнал об инициации первого такта сравнения, в результате чего число сравнений увеличивается на 1, т.е. i:=i+1. Сигнал о начале i-го тактового сравнения с выхода 1 счетчика сравнений 7 поступает на N+1 вход блока памяти ситуации 2 и М+1 вход блока памяти классов 5, а с выхода 2 счетчика сравнений 7 на вход 2 блока буферной памяти 14 поступает значение номера очередного сравнения i. На основании сигнала, поступающего с выхода 1 счетчика сравнений 7 на N+1 вход блока памяти ситуации 2 и М+1 вход блока памяти классов 5 происходит сравнение вектора ситуации S и строки матрицы с номером, соответствующим значению номера сравнения i, представляющей собой класс ситуации
.
j
ij
j
ij
пг
j
ij
<mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover>
Для осуществления сравнения с N выходов блока памяти ситуации 2 на вход 1 N блоков формирования сигнала некорректности 8-N поступают значения µ компонент вектора ситуации, а с N выходов блока памяти классов 5 на вход 2 тех же блоков - значения α компонент i-й строки матрицы K. Каждый из N блоков формирования сигнала некорректности 8-N на основании сравнений поступивших значений µ, α и µ в соответствии с условием (5) формирует сигнал о наличии или отсутствии «плохо определенной» ситуации, поступающий в виде значение переменной f с выхода 1 тех же блоков на вход 2 N блоков проверки корректности 10-N. Если нечеткая ситуация
«плохо определена», то сигнал содержит значение f=1, в противном случае - f=0. Значение µ поступает с выхода 2, а значение α - с выхода 3 N блоков формирования сигнала некорректности 8-N на входы 1 и 2 N блоков сравнения по нечеткому признаку 9-N соответственно.
j
ij
j
ij
j
ij
<mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover>
Блоки сравнения по нечетким признакам 9-N формируют значения µ(µ, α) в соответствии с выражением (4), поступающие с выходов тех же блоков на вход 1 N блоков проверки корректности 10-N. Если на вход 2 блока проверки корректности 10-N с выхода 1 блока формирования сигнала некорректности 8-N поступило значение f=1, т.е. ситуация
«плохо определена», то в соответствии с условием (5) результату сравнения µ(µ, α), поступившего с выхода блока сравнения по нечеткому признаку 9-Ν на вход 1 того же блока, присваивается значение 1. В противном случае результат сравнения µ(µ, α) остается без изменений.
j
ij
<mrow><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Значения µ(µ, α) поступают с выходов N блоков проверки корректности 10-N на N входы блока обработки результатов сравнения 11 соответственно, который, в свою очередь, определяет значение степени эквивалентности
на основании поступивших результатов сравнения по нечетким признакам согласно выражению (3).
<mrow><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≥</mo><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>г</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>:</mo><mo>=</mo><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
max
Значение
с выхода блока обработки результатов сравнения 11 поступает на вход 1 порогового фильтра 12. В случае если
, то с выхода порогового фильтра 12 на вход 1 блока буферной памяти 14 поступает значение
, в противном случае поступает значение
. Поступившее значение
принимается как максимальное значение, т.е.
, а значение номера текущей итерации i заносится в буферную память как номер максимального значения i:=i.
<mrow><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Одновременно с поступлением
на вход 1 блока буферной памяти 14 с выхода 1 того же блока поступает сигнал на вход 2 элемента ИЛИ 3, а затем с выхода элемента ИЛИ 3 - на вход генератора тактовых импульсов 6, который формирует сигнал об инициации очередного такта сравнения, поступающий с выхода генератора тактовых импульсов 6 на вход счетчика сравнений 7, в результате чего значение номера сравнения увеличивается на 1, т.е. i:=i+1, и с выхода 1 счетчика сравнений 7 поступает сигнал на N+1 вход блока памяти ситуации 2 и М+1 вход блока памяти классов 5, а с выхода 2 счетчика сравнений 7 на вход 2 блока буферной памяти 14 поступает значение номера очередного сравнения i.
<mrow><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>,</mo><mtext> </mtext><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
max
max
max
max
max
С момента поступления вектора ситуации S с N выходов датчика ситуации 1 на N входов блока памяти ситуации 2 устройство для классификации нечетких ситуаций с расширенным диапазоном действия производит M тактов сравнений, в результате которых после каждого сравнения с выхода порогового фильтра 12 на вход 1 блока буферной памяти 14 поступает значение
, а с выхода 2 счетчика сравнений 7 на вход 2 блока буферной памяти 14 - значение очередного номера такта сравнения i. При этом в случае, если значение
больше значения
от предыдущего сравнения, то в качестве максимального значения принимается
, а в качестве номера максимального значения - номер текущего сравнения i:=i, противном случае значения µ и i остаются неизменными. После осуществления M тактов сравнений с выходов 2 и 3 блока буферной памяти 14 на входы 1 и 2 блока вывода результата классификации 15 соответственно поступают значение µ и значение i, соответствующие степени достоверности классификации и номеру искомого класса.
Таким образом, устройство позволяет на основании заранее введенного описания известных классов и порогового значения достоверности классификации определить класс, которому с наибольшей достоверностью принадлежит рассматриваемая нечеткая ситуация, в том числе, если она является «плохо определенной».