Нелинейная динамика и синергетика. Искусственный интеллект
Практические задачи и устройства для их решения: "новый-старый" подход
Потребности решения все более сложных задач и в то же время широкие возможности, которые предоставляются в случае применения синергетических принципов анализа и синтеза, приводят к тому, что для комплексных сложных задач, в которых должны проявляться эмерджентные системные свойства, все более эффективным становится подход целостного анализа в едином комплексе без деления на части. Это не отход от функциональной декомпозиции, а существенное его дополнение, так как при разделении системы или задачи на части мы, зачастую, теряем уникальность, связанную с системными закономерностями.
С другой стороны, при использовании единого подхода появляется возможность естественного совмещения операций. Например, для информационных систем — это и восприятие, и хранение, и собственно обработка информации. От ассоциаций к хранению и последующему распознаванию, что согласуется с текущими представлениями о том, как решаются задачи живыми системами.
Таким образом, предлагается общий подход к решению разных задач, (почти как в нейроинформатике — "разнотипные к однотипному представлению"), сведение всего или к задаче управления или задаче оптимизации или задаче распознавания образов. Этот подход схож с нейросетевым в той части, что касается ведения разнотипных задач к однотипным и решаемым однородными сетевыми структурами. При таком подходе сложность метода (устройства) будет адекватна решаемой задаче также, как в формальной теорией синтеза структуры нейронной сети через функционалы первичной и вторичной оптимизации [Галушкин А. И., 2011].
В связи с этим основное внимание уделяется развитию методов обработки информации и раскрытию их связи с законами функционирования объектов различной природы (физической, химической и др.), в которых также проявляется существование общего механизма упорядочивания, несмотря на присутствие хаоса в функционировании отдельных элементов системы. При этом за основу принимаются модели и результаты, полученные в физике кластеров и при исследовании осцилляторных и рекуррентных нейронных сетей, представляющих собой дискретные хаотические системы большой размерности [Benderskaya E.N., 2011].
На основе анализа взаимного соответствия между объектами различной природы, в которых существуют механизмы самоорганизации, и синтезируемой физико-технической системой вычислительного устройства предлагается разработать как математическое обеспечение нового адаптивного высокопроизводительного вычислителя, позволяющее определять состав и структуру вычислителя в зависимости от предъявляемых требований по составу решаемых задач и качества их решения, так и инструментально-методического обеспечения для проведения модельных экспериментов и проверки принимаемых структурных и функциональных решений.
Управление хаосом часто ассоциируется с задачей подавления хаотических колебаний, то есть перевода системы либо к устойчивым периодическим движениям, либо в состояние равновесия. В широком смысле, под управлением хаоса понимают преобразование хаотического поведения системы в регулярное или хаотическое, но с другими свойствами.
Возникающие при управлении хаосом задачи значительно отличаются от традиционных задач автоматического управления [Андриевский Б. Р., Фрадков А. Л., 2004]. Вместо классических целей управления — приведение траектории системы в заданную точку и приближение траектории к заданному движению, при управлении хаосом ставятся ослабленные цели: создание режимов с частично заданными свойствами, качественное изменение фазовых портретов систем, синхронизация хаотических колебаний и другие.
В отличие от традиционных "управленческих" работ в физических применениях теории хаоса упор делается не на поиск наиболее эффективного способа достижения цели, а на исследование принципиальной возможности ее достижения, на определение класса возможных движений управляемой физической системой.
Исследование динамики ансамблей, состоящих из большого числа нелинейных элементов, представляет собой одно из основных направлений развития нелинейных колебаний и волн. Главным фактором в динамике ансамблей автоколебательных систем, который приводит к упорядоченному пространственно–временному поведению, служит синхронизация элементов ансамбля. Многочисленные работы показывают что, пространственно-распределенные хаотические колебательные системы обладают богатыми свойствами. В некоторых из них наблюдается самосинхронизация при определенных параметрах системы. Под самосинхронизацией понимается, процесс, при котором идентичные элементы системы, каждый из которых характеризуется хаотической динамикой, будучи проинициализированы различным образом, с течением времени начинают колебаться синхронно без какого-либо внешнего воздействия.
При наличии внешнего воздействия на нелинейную динамическую систему мы получаем реакцию, которая отражает как внешние условия решения задачи, так и входные сигналы, которые характеризуют решаемую задачу. При таком подходе вместо создания модели для решения задачи, задается целевая установка — требуемый итог решения задачи и считается, что решение не единственное, во всяком случае, по форме представления образует многообразие, которое может быть проинтерпретировано и как единственное решение, и как некоторый набор базисных решений.
Укрупненные этапы использования таких сложных режимов функционирования хаотических систем для решения практических задач можно представить в виде следующей последовательности: задается начальное состояние системы и задается цель - достичь определенного состояния, затем запускается система и на нее подаются входные сигналы, соответствующие задаче. После прохождения некоторого переходного процесса система перейдет в некоторый аттрактор. Далее, используя малые возмущения системы, она переводится на траекторию, которая максимально близко пройдет рядом с требуемой точкой или последовательностью точек, соответствующих требуемому состоянию системы. Если такой аттрактор не находится, то подается случайный вход, чтобы перескочить на другой аттрактор, и так до достижения цели.
Формальное описание новой парадигмы в виде новой абстракции вычислительного устройства, обобщающего схему классической машины Тьюринга, показывает, как строго математически могут быть представлены предлагаемые концепции.
Основной проблемой при реализации нового подхода является подбор или создание адекватной аппаратной базы. Для решения задач моделирования нового высокопроизводительного вычислителя на нелинейных элементах можно использовать высокопроизводительные программируемые логические схемы. Однако, для получения системы, в которой смогут быть реализованы все свойства коллективного поведения элементов и решены задачи самосборки на кластеры, т.е. выполнена реконфигурация для адаптации под изменения в окружающей среде, необходимо искать адекватную аппаратную базу. В качестве одного из возможных вариантов реализации могут быть предложены реакционно-диффузионные среды, и тогда можно будет говорить о создании "жидкого" или химического высокопроизводительного вычислителя.
Как показывают многочисленные исследования в области нелинейной динамики, чем труднее задача, тем сложнее динамика системы. Новейшие исследования ведутся на молекулярном уровне с разными целями: создание новых материалов, новых лекарств, систем распознавания образов, новых устройств обработки информации и т.д. Такие исследования носят междисциплинарный характер и выполняются на стыке таких наук как молекулярная физика, биология, химия, математика, синергетика, экономика.
В результате применения предлагаемого подхода открываются новые возможности, снимающие прежние ограничения и позволяющие перейти к созданию новых универсальных вычислительных устройств, обладающих не только высокой производительностью, но и способностями подстраиваться под решаемую задачу.
Новые подходы требуют более четкого и современного понимания таких уже привычных понятий как информация, сигналы, данные, знания и управление.