Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Вычислительные машины, системы и сети

Диссертационная работа:

Тынчеров Камиль Талятович. Основы теории и принципы построения отказоустойчивых вычислительных структур на основе нейронных сетей: автореферат дис. ... доктора технических наук: 05.13.15 / Тынчеров Камиль Талятович;[Место защиты: Московский авиационный институт].- Москва, 2012.- 35 с.

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность темы. Значительное увеличение количества, многообразия и сложности информации является отличительной чертой современного общества. Существующая тенденция передачи функций управления электронно-вычислительным машинам требует ответственного подхода их создателей к вопросам обеспечения надежности управляющих машин. Особую значимость указанные вопросы приобретают в процессах управления сложными и опасными для жизни человека системами. Примерами подобных технических систем могут служить гидротехнические сооружения, системы вооружения, атомные электростанции, системы нефтегазовых комплексов и т.д.

Прямые экономические потери от снижения эффективности подобных систем (вплоть до полного отказа в результате их ненадежного функционирования) очевидны. Поэтому возникает необходимость в дополнительных затратах на повышение надежности в процессе эксплуатации, которые могут составлять десятки миллиардов рублей. Однако эти потери не сопоставимы с теми потерями, к которым приводят отказы подобных систем, с их экологическими и социальными последствиями (трагедия Бхопала, авария в Базеле, связанная с отравлением Рейна, наконец, Чернобыль и Фукусима).

С практической точки зрения, уровень надежности управляющих вычислительных структур сегодня совершенно недостаточен для ответственных применений без принятия специальных мер, которые предусматривают предупреждение отказов и обеспечение отказоустойчивости.

Естественно, что создать абсолютно надежные компоненты автоматизированных систем управления сложными системами принципиально невозможно. Однако обеспечить максимально возможную отказоустойчивость вычислительных структур явно необходимо.

Развитие отечественной и зарубежной вычислительной техники всегда базировалось на совершенствовании методов и способов повышения производительности, расширения функциональных возможностей на трех основных уровнях разработки вычислительных структур: архитектурном, алгоритмическом и арифметическом. Сегодня данные уровни находятся в тесной взаимосвязи друг с другом, выделяя общую, наиболее тенденциозную черту - стремление к максимальному распараллеливанию операций. Это нашло свое отражение в исследованиях по вопросам поиска и применения новых, нетрадиционных способов кодирования информации, которые способны обеспечить не только высокоскоростные вычисления, но и добиться высокой отказоустойчивости структур, управляющих сложными системами.

Наиболее привлекательными в этом отношении являются системы на основе нейронных сетей с использованием кодирования посредством модулярного представления информации. Указанный аспект становится особенно актуальным в период появления новой организации сверхскоростных вычислений - нейронных сетей.

Особая ценность нейронных сетей, применительно к вопросам обеспечения высокой отказоустойчиости, заключается в том, что они являются самоорганизующимися. Значит, система способна к обучению, и, следовательно, к самостоятельному обнаружению и исправлению возникающих внутри ее ошибок.

Вместе с тем создание данной теории породило множество вопросов, связанных с ее реализацией. Как оказалось, модели современных искусственных нейронных сетей в большинстве своем являются чисто математической интерпретацией построения биологических нейронных сетей, что приводит к потере значительной части способностей своего биологического прототипа. Кроме того, очевидна невозможность использования традиционных алгоритмов в нейросетевом базисе в виду его параллельной архитектуры. Для моделирования нейронных сетей необходимы специальные средства:

программы-эмуляторы (нейропакеты) или аппаратные ускорители-нейрокомпьютеры.

Следует также отметить, что скоростные возможности нейронных сетей (НС), функционирующих в обычной позиционной системе представления информации, все же имеют свои границы. Кроме того, вопросы обеспечения требуемого уровня отказоустойчивости вычислительных структур ЦОС с помощью обычной системы счисления весьма проблематичны.

В этой связи наиболее уместным является применение модулярных систем счисления, и в частности, системы вычетов.

Опыт проектирования первых вычислительных устройств на базе модулярного кодирования информации показал, что в плане повышения скорости и достоверности обработки числовой информации системы вычетов обладают более широкими возможностями, чем обычные позиционные системы счисления (ПСС). Как известно, отказоустойчивость процессоров обеспечивается за счет введения разнообразных форм избыточности: аппаратной, программной и временной. С точки зрения обеспечения аппаратной избыточности можно использовать специальное кодирование, обладающее не только свойствами параллелизма, но и естественными корректирующими способностями. Исследования показали, что в теории чисел существует модулярная система счисления в вычетах (СВ), основанная на китайской теореме об остатках Сун-Цзы. Данная непозиционная модульная система позволяет не только распараллеливать выполнение машинных операций, но и обладает способностью информационного резервирования. Уникальность системы вычетов состоит в том, что аппаратные средства обработки информации в данной системе относятся к легко контролируемым и диагностируемым. Это обусловлено специфическими особенностями представления и обработки кодовых структур в системе вычетов и характером проявления в них отказов и сбоев. Теоретические основы построения числовой системы в вычетах являются развитием широко известного в теории чисел

раздела сравнений. Этому направлению посвятили свои работы чешские исследователи А. Свобода и М. Валах, а также российские ученые В.М. Амербаев, Ю.Г. Дадаев, А.А. Коляда, В.А. Краснобаев, Н.И.Червяков и др.

С внедрением в практику проектирования нейровычислителей высоких интегральных технологий появилась возможность учитывать наиболее существенные достоинства системы вычетов: прежде всего табличную структуру алгоритмов модулярной арифметики и относительную простоту их параллелизации при выполнении операций над малоразрядными остатками. Важнейшей отличительной особенностью разработанных подходов к построению более совершенных по сравнению с существующими вариантами машинной арифметики модульных структур является использование избыточного кодирования элементов рабочих диапазонов, что, безусловно, обязано возросшим техническим возможностям нейросетей. При этом большое внимание уделяется проблеме совмещения вычислительных особенностей модулярного кодирования с архитектурными особенностями строения НС. Кроме того, необходимо выработать единый подход к обеспечению необходимого уровня отказоустойчивости НС при выполнении высокоскоростной цифровой обработки сигналов на этапах реализации как модульных, так и немодульных процедур.

Поэтому в рамках исследований по данной проблеме ключевая роль отводится развитию теории алгоритмического конструирования, формированию принципов построения, разработке методов проектирования и средств реализации отказоустойчивых вычислительных структур на основе нейронных сетей в базисе алгоритмов модулярной арифметики, функционирующих в автоматизированных системах управления нефтегазовых комплексов и решающих задачи цифровой обработки сигналов.

Существующие публикации по модулярным способам кодирования информации отражают, главным образом, начальный период их развития, замыкаясь в рамках внутренних исследований. Что же касается текущего

6
периода, то систематическое изложение его содержания, а тем более разработка
теоретического аппарата, обеспечивающего отказоустойчивость

нейропроцессоров ЦОС в нефтегазовой отрасли, в литературе фактически отсутствуют. Настоящие исследования в значительной мере восполняют данный пробел.

Небезызвестен тот факт, что многие производители современных процессоров ЦОС встают перед реальностью, когда исчерпываются возможности дальнейшего улучшения характеристик отказоустойчивости цифровых компьютеров и с точки зрения технологий и с точки зрения программ. Попытки создания некоторых алгоритмических конструкций (активная и пассивная реконфигурация, мажоритарное резервирование при выполнении быстрого преобразования Фурье, быстрых алгоритмов свертки и Z -преобразования в различных базисах) позволили в той или иной мере решить поставленные задачи. Однако, отсутствие в них общего подхода, единых критериев, а также использование различных ограничений, не позволяет выработать четкие рекомендации по эффективному синтезу и использованию конкретного метода для реализации высокопроизводительного и отказоустойчивого управления цифровой обработкой сигналов в системах нефтегазового комплекса. Именно данные аспекты в первую очередь определяют актуальность темы и научную проблему диссертационных исследований: создание теоретического аппарата синтеза вычислительных структур цифровой обработки сигналов на основе нейронных сетей, функционирующих в базисе алгоритмов модулярной арифметики и отвечающих современным требованиям отказоустойчивости, предъявляемым к автоматизированным системам управления нефтегазовыми комплексами.

Цель и задачи исследований

Целью работы является развитие теории алгоритмического конструирования, формирование принципов построения, разработка методов проектирования и средств реализации отказоустойчивых вычислительных

структур на основе нейронных сетей (ОВНС) в базисе алгоритмов модулярной арифметики, функционирующих в системах цифровой обработки сигналов.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решаются следующие основные задачи:

  1. Анализ существующих подходов к обеспечению высокой отказоустойчивости вычислительных структур ЦОС и обоснование целесообразности декомпозиции параллельных нейронных вычислений в базис непозиционной системы вычетов.

  2. Разработка научно-методического аппарата исследования процессов обработки информации в ОВНС.

  3. Развитие теоретических концепций параллельной обработки информации в ОВНС.

  4. Разработка теоретических принципов и аппаратурной реализации немодульных процедур в системе избыточного кодирования информации.

  5. Разработка метода синтеза отказоустойчивых моделей нейронных сетей ЦОС в базисе алгоритмов модулярной арифметики и исследование эффективности предложенных структур в новом поколении интеллектуальных скважин нефтегазовых комплексов на месторождениях Российской Федерации.

Методы исследования базируются на использовании методологии системного анализа, методов математического моделирования, математического аппарата теории чисел, теории кодирования, теории вероятности.

Объект исследования: Отказоустойчивые вычислительные структуры цифровой обработки сигналов на основе нейронных сетей, функционирующие в базисе алгоритмов модулярной арифметики.

На защиту выносятся:

  1. Методика оценки живучести спецпроцессора с учётом влияния средств контроля и диагностики;

  2. Методика определения объёма контролируемого оборудования

спецпроцессоров;

3. Метод контроля и диагностики непозиционного нейропроцессора;

4. Алгоритм проектирования схем встроенного контроля унитарного
кода.

Научная новизна. В работе получены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие теории и принципов построения отказоустойчивых непозиционных вычислительных структур на основе нейросетей. Среди указанных решений можно выделить следующие:

  1. Обоснование единого методологического подхода к разработке и исследованию отказоустойчивых вычислительных нейропроцессорных структур в базисе системы вычетов, предназначенных для использования в инженерных сетях нефтегазовых комплексов.

  2. Развитие теоретических концепций обеспечения отказоустойчивости высокопроизводительных непозиционных процессоров ЦОС в части, касающейся: исследований особенностей распределения ошибок в модулярных процессорных элементах; разработки новой методики введения избыточности в системе вычетов для обеспечения функций контроля и диагностики специализированного процессора; разработке методики минимизации избыточности СВ; разработке метода контроля и диагностики неисправностей непозиционного процессора; разработки принципов применения самопроверяемых блоков встроенного контроля в непозиционных нейропроцессорах ЦОС.

  3. Разработка теоретических основ и принципов построения кодов класса вычетов с высокими корректирующими способностями, применение которых позволяет обнаруживать и исправлять ошибки в процессе функционирования нейропроцессорных структур.

  4. Разработка методов и алгоритмов выполнения модульных и труднореализуемых (немодульных) операций в системе вычетов,

характеризующиеся меньшими временными и аппаратурными затратами по сравнению с ранее известными реализациями и являющиеся базисными элементами непозиционных нейросетевых структур.

5. Разработка метода определения границ ошибочных интервалов в зависимости от оснований системы вычетов, учитывающего неравномерность и симметричность распределения ошибок в полном диапазоне модулярной системы вычетов;

  1. Развитие метода контроля и диагностики ошибок в непозиционном процессоре на основе ошибочных интервалов, не требующего больших объёмов вычислений и сокращающего время обнаружения и локализации неисправностей до времени цикла спецпроцессора;

  2. Разработка методологии синтеза отдельных элементов и общей структуры устойчивого к отказам непозиционного нейропроцессора для решения задач управления нефтегазовыми комплексами, с последующим внедрением в производство.

8. Новизна выполненной проверки отказоустойчивости промышленной
системы управления, построенной на основе предложенных нейросетевых
модулярных моделей и методов состоит в разработке высоконадежной
вычислительной структуры в составе системы управления автономными
скважинными измерительными модулями ОАО НЛП "ВНИИГИС".

Практическое значение данной работы заключается в разработке технологии создания в составе АСУТП отказоустойчивых интегрированных нейронных структур, обеспечивающих цифровую обработку сигналов в системе класса вычетов и решение задач контроля и диагностики инженерных сетей нефтегазодобычи.

Теоретические результаты работы, полученные в 1993-1998 годах, применялись при разработке специализированных процессоров цифровой обработки широкополосных сигналов в Воронежском НИИ связи (НПО «Заря») и НПО «Селена» (г. Краснодар), ОАО НЛП "ВНИИГИС".

Внедрение результатов работы. Выявленные принципы структурно-функциональной организации нейронных сетей использованы при разработке других сложных модулярных технических систем специального назначения, а также внедрены в учебный процесс по дисциплине Интеллектуальные информационные системы в Ставропольском институте управления; по дисциплине информатика в Ставропольском военном институте связи Ракетных войск; по дисциплине информатика и в учебно-инновационной лаборатории "Автоматизация и управление технологическим процессами в нефтегазодобыче" филиала ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Октябрьском.

Апробация работы

Основные теоретические и экспериментальные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ведомственных, республиканских (краевых), всероссийских и международных конференциях и семинарах, в том числе на 11-ом межгосударственном научно-техническом семинаре «Надежность, отказоустойчивость и производительность информационных систем». (г.Туапсе, - 1994 г.); VIII-ой НТК Ставропольского высшего военного инженерного училища связи (г. Ставрополь, 19-21 октября 1994г); 13-ой научно-технической конференции Серпуховского высшего военного инженерного училища ракетных войск (г. Серпухов, 1995 г.); ГХ-ой НТК Ставропольского высшего военного инженерного училища связи «Состояние и перспективы развития космической связи вида войск» (г. Ставрополь, 16-17 марта 1995г.); НТК академии им. Можайского «Роль и место военно-космических сил в современных операциях Вооруженных сил РФ» (г. Москва, 21-23 марта 1995 г.); научной конференции Орловского военного института правительственной связи «Актуальные вопросы развития защищенных телекоммуникационных сетей связи» (г. Орел, 07-09 февраля 1995г.); НТК Воронежского НИИ связи «Направления развития систем и средств радиосвязи», (г. Воронеж, 1996 г.); Х-ой НТК Ставропольского высшего военного инженерного училища связи «Проблемы построения и развития

11 теории и практики пакетных радиосетей передачи информации ЕАСС» (г. Ставрополь, 24-25 октября 1996г.); XI-ой НТК Серпуховского ВВКИУ «Проблемы обеспечения высокой боеготовности мобильных ракетных комплексов и их систем» (г. Серпухов 28-29 ноября 1996г.); научно-технической конференции Воронежского научно-исследовательского института связи (ВНИИС, 1998 г.); П-ой международной НТК Московской государственной академии приборостроения и информатики (г. Сочи, сентябрь 1999 г.); XIV-ой НТК Ставропольского филиала Ростовского военного института ракетных войск стратегического назначения (г. Ставрополь, 2000 г.); Ш-ей международной НПК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (г.Сочи, 02-06 октября 2000г.); XV-ой НТК Ставропольского филиала Ростовского военного института ракетных войск «Проблемы совершенствования автоматизированных систем боевого управления и связи ракетных войск стратегического назначения» (Ставрополь 22-23 ноября 2001 г); IV-ой международной НПК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (г.Сочи, октябрь 2001г.); VII-ой международной НПК «Ашировские чтения», г. Туапсе, 6-9 октября 2010 г.

Публикации

Всего по теме диссертации в период с 1993 по 2011 годы автором опубликовано более ПО работ, из них 10 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК, выполнены две НИР, внедрены результаты четырех хоздоговорных работ, получено пять положительных решений по заявкам на изобретения, опубликованы одно учебное пособие, две монографии (одна из них в соавторстве).

Структура и объем работы


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net