UAA SYSTEM
UNIVERZÁLIS, AUTONÓM, ADAPTÍV RENDSZEREK
MEGVALÓSÍTÁSÁNAK LEHETŐSÉGEI

E-mail: uaasystem@yahoo.com

  1. Célkitűzés 

  2. Az UAA rendszer tulajdonságai 

  3. UAA rendszer kialakításához szükséges alapelvek

  4. Működési mechanizmusok  

  5. A rendszer működésének leírása 

  6. Felhasználhatóság 

  7. UAA rendszer fizikai megvalósítása 

  8. A sejttér működése 

  9. Befejezés 

 

CÉLKITŰZÉS

Hogyan lehetne létrehozni olyan irányító szerkezetet, amely annak ellenére felügyelet nélkül tud működni, hogy az általa irányítotott rendszer ki van téve a környezet váratlan változásainak?

A következőkben egy irányítási elvet és az ezen elvek alapján felépíthető szerkezetnek a vázlatát ismertetem, amely képes változó környezetben, a környezethez alkalmazkodva, önállóan irányítási feladatot végrehajtani (a továbbiakban az ezen tulajdonságokkal rendelkező rendszer UAA jelöléssel szerepel).

Tartalom - E-mail: uaasystem@yahoo.com



AZ UAA RENDSZER JELLEMZŐI

Melyek azok a jellemzők amelyekkel rendelkeznie kell egy ilyen rendszernek?

Adaptív, azaz a működése során a változó környezeti feltételek között is a környezethez alkalmazkodva képes megfelelően működni. Képes olyan működési lépéseket kidolgozni, amelyeknek alkalmazásával a szélesen változó környezeti feltételek között a rendszer a feladatának elvégzéséhez szükséges saját működési feltételeit képes fenntartani.

Autonóm, azaz a kitűzött célt önállóan képes elérni, működése a változó feltételek között automatikus.

Egy UAA rendszerben a működési szabályoknak a működés során kell keletkezniük, nem lehet előre kondícionálni a rendszert az előre meghatározhatatlan környezeti változásokhoz. Elegendőnek kell lenni csak a működéshez szükséges alapelvek, alapműködési-mechanizmusok (ezekről a későbbiekben részletesen) megadása. A rendszernek az önállóan kidolgozott szabályokat a későbbi hatékonyabb működés érdekében meg is kell tanulnia. Egy UAA rendszernek tanuló rendszernek kell lennie. Minél több idő áll rendelkezésre a környezethez való alkalmazkodáshoz, egy UAA rendszer annál tökéletesebben működik.

Tartalom - E-mail: uaasystem@yahoo.com



UAA RENDSZER KIALAKÍTÁSÁHOZ SZÜKSÉGES ALAPELVEK

Legyen egy meghatározott feladatot ellátó rendszer, amelynek UAA irányító egysége van. Tartozzon hozzá egy környezet, amely hatással van a rendszerre. Ez a hatás a rendszer mikroklímájában okoz változásokat. Ezek a változások lehetnek kedvezőek, kedvezőtlenek vagy semlegesek a rendszer működésének szempontjából. A környezeti változások érzékelése után az UAA irányító egység parancsára olyan cselekvési folyamatok indulnak el, amelyek a kedvező hatásokat növelik, a kedvezőtleneket csökkentik.

Milyen felépítési elvek alapján lehet UAA irányító rendszert létrehozni?

 UAA irányító szerkezet alakítható ki, ha:

a/ Receptor szerkezetet építünk fel, amely felfogja a külvilágból érkező, a működést befolyásoló ingereket és ez alapján aktivizációs jelet gerjeszt, illetve effektor szerkezetet építünk fel, amely a környezetet megfelelően meg tudja változtatni az aktivizációs jelek alapján kiváltott reakciókkal.

b/ Biztosítjuk, hogy a receptor és effektor szerkezetek között önmaguktól felépülő és a környezet változásának hatására folyamatosan módosuló, specifikus kapcsolatok alakulhassanak ki, amelyekben aktivizációs jelek terjedhetnek.

c/ Biztosítjuk, hogy ezen kapcsolatok egymással is összekapcsolódhassanak egyidejű aktivitás esetén, és ezen összeköttetéteseken keresztül aktivizációs jel terjedhessen.

d/ Biztosítunk egy mechanizmust, amely a működés során kialakuló inger-válasz kapcsolatokból a kitűzött célnak való megfelelőség figyelembevételével válogat.

Ezen alapelvek figyelembevételével megfelelő működési mechanizmusokat kell meghatározni amelyek segítségével UAA szerkezet építhető fel.

Tartalom - E-mail: uaasystem@yahoo.com


 
MŰKÖDÉSI MECHANIZMUSOK

Definíciók:

I/ Kritikus inger: olyan receptor aktivitás, amely effektor aktivitást vált ki.

II./ Elsődleges kritikus inger: kritikus ingerek azon csoportja, amelyet még a rendszer működése előtt jelöltünk ki kritikus ingernek, nem a működés közben a rendszer minősíti annak.

Az elsődleges kritikus ingerek meghatározására két módszer kínálkozik megfelelőnek:

a/ Speciális szenzorokat alakítunk ki. Ezek konkrétan meghatározott ingerületfajtákra érzékenyek, amelyek megjelenése kritikus inger.

b/ Inger intenzitás-korlátozást jelölünk ki. Legyen kritikus az adott szenzor által felfogott inger, amely az illető ingerre meghatározott intenzitáshatárt átlép. Ezen intenzitáshatár lehet alsó, felső vagy intervallumkorlát.

III./ Másodlagos kritikus inger: azon kritikus inger, amelyet előzetesen nem határoztunk meg, a rendszer a működés közben minősitette a nem kritikus ingerek közül kritikus ingernek.

.IV./ Ingerpálya: adott szenzorhoz kapcsolódó, annak aktivitását jelző struktúra.

V./ Reakciós pálya: olyan ingerpálya, amely effektor(ok)hoz kapcsolódott.

Ahhoz, hogy UAA rendszer megvalósítható legyen, a következő rnűködési mechanizmusokat kell kialakítani

1/ Ki kell alakítani egy folyamatot, amely ingerpályákat épít fel az aktív szenzorokból kiindúlva.

2/ Ki kell alakítani egy folyamatot, amely az ingerpályákból reakciós pályákat alakít ki elsődleges kritikus inger jelenlétekor.

3/ Ki kell alakítani egy folyamatot, amely az azonos, vagy egymáshoz közeli időben aktív inger illetve reakciós pályákat összekapcsolja, azaz az egyik pálya aktivitása is kiválthassa a másik aktivitását az összekapcsolódás után, azaz asszociácios kapcsolatokat hoz létre.

4/ Ki kell alakítani a rnegerősités, a felejtés és a gátlás folyamatát

Felejtés: ritkán, illetve régen használt kapcsolatok, pályák szűnjenek meg, ezzel lehetőséget biztosítva az új kapcsolatok, pályák kialakítására és a szükségtelen, vagy hibás kapcsolatok, pályák megszüntetésére.

Megerősités: az adott kapcsolat, pálya az ismétlések eredményeként erősödjön meg, azaz intenzívebben váltson ki effektor aktivitást és asszociációkat, illetve a felejtés lassabban következzen be.

Gátlás: a már meglévő kapcsolatok, pályák sikertelen alkalmazása során az adott kapcsolat, pálya aktivizálódásának valószínűsége csökkenjen.

5/ Az ingererősség figyelembevétele: Erősebb inger intenzívebben váltson ki válaszokat, intenzívebben, több asszociációs kapcsolatot átlépve váltson ki asszociációkat (egyre távolabbi asszociációkat is váltson ki).

6/ Rövid idejű információtárolás képessége: A rendszerben az inger illetve reakciós pályák az inger megszűnte után is meghatározott ideig aktívak maradjanak.

Ezek azok a rendszerbeli alap működési mechanizmusok, amelyeket szükségesnek és elégségesnek vélek a környezetéhez hatásosan alkalmazkodó, önállóan működőképes automatához.

Tartalom - E-mail: uaasystem@yahoo.com


A RENDSZER MŰKÖDÉSÉNEK LEÍRÁSA

Tekintsük át a működési folyamatot

Mielőtt az UAA rendszert működésbe helyeznénk megfelelő szenzor és effektor szerkezeteket kell kialakítani (a. alapelv), valamint meg kell határozni melyek az elsődleges kritikus ingerek (II. definíció).

Működésbe helyezés után a rendszer folyamatosan érzékeli a külvilág ingereit és ingerpályákat épít fel (IV.- definíció; 1. mechanizmus) és folyamatosan összekapcsolja őket egyidejű, aktivitás esetén (c, alapelv; 3. mechanizmus; 6. mechanizmus).

A rendszer mindaddig passzív marad (nem történik effektor aktivitás) amíg kritikus inger nem jelenik meg (I. definíció).

Amennyiben kritikus inger jelentkezik, az adott időben, illetve a közelmúltban (6. mechanizmus) aktív ingerpályákból -az asszociációs kapcsolatban lévőket is figyelembe véve- reakciós pályák keletkeznek (V. definíció) specifikusan effektorokhoz kapcsolódva (I. definíció; 2. mechanizmus) ezzel ezeket az ingerpályákat másodlagos kritikus ingerekké értékelve (III. definíció). Az ingerpályáknak különböző effektorokhoz kapcsolódása, azaz. a reakciós pályák kiépülése mindaddig folyamatos, amíg az adott elsődleges kritikus inger jelen van, tehát amíg a rendszer meg nem találja a megfelelő választ a kritikus ingerre. Következésképpen azon kritikus helyzetekkel szemben, amelyekre a kiadható válaszok között nincs megfelelő, nincs védelme a rendszernek.


A következőkben, ha újra megjelenik valamelyik másodlagos kritikus inger, a rendszer a már kidolgozott válasszal reagál. Ha ismét sikeres volt az inger-válasz együttes, azaz nem jelentkezik az elsődleges kritikus inger, a kapcsolat megerősödik, ellenkező esetben gátlás következik be, és a rendszer új választ keres az ingerre. Ha a kapcsolat sokáig nem aktivizálódik -vagy mert nem a megfelelo inger vagy reakciós pálya alakult ki, vagy mert már nincs szükség az adott pályára-, a felejtés hatására a mikroszerkezet visszafejlődik (4. mechanizmus). Hosszú távon csak a megfelelő pályák maradnak életben. A folyamat az 5. mechanizmus figyelembevételével játszódik le.

A környezethez való alkalmazkodási folyamatban egyre komplexebb mikroszerkezetek alakulnak ki, egyre több alkalmazkodási sémával rendelkezik a rendszer. Ezzel párhuzamosan nő a hatékonysága is, azaz a véletlen válaszkeresés eltolódik a már meglévő sémák felhasználása felé.

Célszerűnek látszik bizonyos, a leggyakrabban használt, azaz a legalapvetőbb reakciós pályákat mint főkapcsolatokat mesterségesen kialakítani még a rendszer önálló működése előtt. Hasonlóan célszerű az inger és a válasz mező dehomogenizálása, azaz a működés részterületeinek figyelembevételével parciális mezők kialakítása.

A tárgyalt alapelvek, működési mechanizmusok különböző anyagi felépítésű UAA rendszerben is megvalósíthatóak. A sikeres működésnek szükséges feltétele azonban, hogy az adott szabályozó rendszer -a feladat bonyolultságához mérten- elegendően bonyolult legyen: rendelkezzen elegendő belső működési egységgel (amelyek képesek elraktározni magukban a működési szabályokat és képesek e szerint működni), ezeknek elegendő működési állapotával (ezen állapotok a működési szabályok alkalmazásával a működés során folyamatosan változnak) és ezen állapotok jelzéséhez szükséges elegendő információs csatornával (ezek biztosítják a rendszer-rendszer, illetve a rendszer-környezet közötti információ áramlást).

Tartalom - E-mail: uaasystem@yahoo.com


A RENDSZER FELHASZNÁLHATÓSÁGA

Lényeges követelmény, hogy az adaptív folyamat irányítható legyen. Ezt könnyen elérhetjük, ha az elsődleges kritikus ingerek egy részét előre meghatározott program szerint változtatjuk, és esetleg ennek megfelelő főkapcsolatokat alakítunk ki. Ezzel a módszerrel végeztethetünk munkát a rendszerrel.

Ezen alapelvű automaták hatékonysága növelhető, ha előzetesen mesterségesen szimulálva alakítunk ki reakciós pályákat a várható helyzeteket figyelembe véve (tanítjuk a gépet), és csak ezek után helyezzük "éles" körülmények közé.

Ezen elvi alapokra épülő UAA rendszerek leginkább ott használhatók eredményesen, ahol a szabályozandó folyamat nehezen, bonyolultan, vagy egyáltalán nem irható le matematikai eszközök segítségével, vagy előre nem látható hatások jelentkezhetnek.

 Tartalom - E-mail: uaasystem@yahoo.com


 UAA RENDSZER FIZIKAI MEGVALÓSÍTHATÓSÁGA

Hogyan lehet az előzőekben meghatározott tulajdonságú rendszereket felépíteni?

A következőkben egy párhuzamos működésű rendszert perceptronként leírva ismertetek. A rendszert korlátozott méretű (határokkal rendelkező) sejtautomataként építem fel. A rendszer sejthomogén, a műveletvégző egységek (sejtek) azonos számú sejttel azonos módon kapcsolódnak (a működés során geometriai változás, elmozdulás nem történik a sejttérben). A struktúra változását a sejtek állapotainak változásai eredményezik.

 Az UAA tulajdonságokkal rendelkező sejttér és átmenetfüggvényének leírása.

Sejtelemek. 

A sejttér azonos típusú sejtekből áll. A sejtelemeknek képeseknek kell lenni a megadott átmeneti függvény elraktározására. A sejtelemek funkcionálisan három csoportba sorolhatók:

Szenzorsejtek: felfogják és kódolják a külvilág inereit. 

Motorikus sejtek: kiadják az effektoroknak a rendszer által kidolgozott válaszokat.

A harmadik csoportot azok a sejtek képezik amelyek az első kettő között helyezkednek el. Belőlük fejlődik ki a szekunder struktúra.

 Primer struktúra.

A sejteknek egymáshoz való érintkezését, fizikai kapcsolatát, "huzalozását" primer struktúrának nevezem. Modellemben a sejttér bármely kis részletében (természetesen ott, ahol ez értelmezhető) a sejttér primer struktúrája megegyezik, azaz a sejtek azonos számú sejttel azonos módon kapcsolódnak. Ezt a felépítést nevezem sejthomogén struktúrának.

Természetesen a homogenitás csak a primer struktúrára vonatkozik. Előnye a könnyebb kivitelezhetőség (működés közben a szekunder struktúra változásával nem jár együtt a primer változása, azaz nem történik geometriai változás, elmozdulás a sejttérben), és az átmeneti függvény általánossága (minden sejtelemet ugyanaz az átmeneti függvény működtet).

A megfelelő primer struktúra megtalálása alapvető fontosságú egy hatékonyan működő rendszer kifejlesztése érdekében.

Szekunder struktúra.

A működés során szükséges, hogy a szenzorsejteket és a motorikus sejteket jelvivő csatornákkal kapcsoljuk össze. A csatornák a primer struktúrából fejlődnek ki az atmenetfüggvény alapján. A működés során az eredetileg azonos állapotú (alapállapotú) sejtek állapota megváltozik. A megváltozott állapotú sejtekből speciális struktúra, jelvezető csatornák alakulnak ki, amelyekben a környezet kódolt ingerei specifitásukat megőrizve terjedhetnek. Ezen csatornák mibenlétére és kialakulására a későbbiekben visszatérek.

Átmenetfüggvény. 

A rendszernek a korábban meghatározott mechanizmusok szerint kell működnie. A működést az átmeneti függvény biztosítja, amelynek realizálnia kell ezeket a műveleteket. Vegyük sorra az egyes kritériumokat és nézzük meg, hogyan valósíthatók meg az átmeneti függvénnyel. 

Elsődleges kritikus ingerek meghatározása.

a/ A szenzor oldalon sejteket jelölünk ki, amelyeket az elsődleges kritikus ingereket érzékelő szerkezetekkel kötjük össze. Ha a környezetben elsődleges kritikus inger jelenik meg, aktivizálódjon a sejt, az aktivitás terjedjen szét a sejttérben, de ne aktivizálja a motorikus sejteket, és addig maradjon fenn, amíg az inger létezik.

b/ Ha elsődleges ingerként intenzitáskorlátozást alkalmazunk, nem kell speciális sejteket megkülönböztetnünk az előzö módon, de biztosítani kell, hogy az intenzitáshatárt elérve az átmeneti függvény ezt elsődleges kritikus ingerként kezelje. Egy ilyen inger az ingerfolyósók (lásd később) határait túllépve haladjon át a sejttéren, de ne aktivizálja a motorikus sejteket (ne váltson ki választ).

Az elsődleges kritikus ingerek csak okozzák és nem kiváltják a válaszokat, nem szükséges specifikusnak lenniük, de szabadon kell terjedniük a sejttérben, hogy lehetőség szerint mindenhol jelezhessék az inger jelenlétét. Szerepük: aktivizálják a sejtteret, jelezzék, beavatkozásnak kell történnie.

Az elsődleges kritikus ingerek vagy azokból a szenzorsejtekbol indulnak ki amelyeket kijelöltünk (1a), vagy minden szenzorsejtből az intenzitás függvényeként (1b). 

Nem elsőd1eges kritikus ingerek (sem1eges, vagy másodlagos kritikus ingerek) terjedése a sejttérben. 

Ezeknek az ingereknek -az előzőtől eltérően specifikusnak kell maradniuk, nem engedhetjuk szabadon szétterjedni a sejttérben. A terjedést szigetelést biztositó csatornákban kell megvalósítani.

Azokat a szenzorsejteket, amelyeket nem elsődleges kritikus ingerérzékelőkkel kötöttünk össze, elő kell készíteni a csatornák kialakítására, csatornamagokat kell beírni a sejttérnek ezen helyeire, amely az ingerlések hatására csatornává növekedik.

Érintkező, egyidőben aktív csatornákon ellenállással rendelkező ingerátvivő asszociációs kapu alakuljon ki.

Az ellenállás valósítja meg az inger eredeti intenzitásához képest gyengített átterjedését az asszociációs kapukon, tehát az inger az intenzitásának megfelelő számú asszociációs kapun terjedhessen át.

Ha a csatornában inger terjed, a csatorna fala váljon aktivitást jelző sejtté. Ha egy aktivitást jelző sejt szomszédos egy másik csatornában lévo aktivitást jelző sejttel (a két csatorna egyidőben aktív állapotú ), stabil kapu jöjjön létre (asszociációs kapu), amely később már az egyik pálya aktivitása eseten is biztosítja az inger átterjedését a másik pályára. Az átterjedésnek ellenállással kell történnie, ellenkező esetben az összes asszociatív kapcsolatban lévő csatorna ingerületbe jön, nem érvényesül az intenzitás törvénye.

Szenzor és motorikus sejtek összekapcsolása

Ezen sejtek összekapcsolására akkor van szükség, ha elsődleges kritikus inger van jelen a sejttérben, tehát ha beavatkozásnak kell történnie.

Ha egy aktív, csatornát határoló sejt szomszédos egy motorikus sejttel és egy elsődleges kritikus ingert jelző sejttel, ingerátvivő kapu alakuljon ki, amely átvezeti az aktív csatorna jelét a motorikus mező adott részére.

Megerősítés .
A csatornák ismételt ingerlésével a csatorna keresztmetszete növekedjen a semleges sejtek rovására, illetve a kapuk száma növekedjen, ha a kialakulásukhoz szükséges feltételek jelen vannak.

Felejtés
A stabil alakzatok (csatornák, kapuk) alakuljanak át semleges sejtekké a sejtek véletlenszerü kiválasztása alapján, e szerint az átmenetek:
                       kapu ------ ) határoló sejt 
csatorna alapállapot -------) határoló sejt 
           határoló sejt -------) semleges sejt

Az átmeneteknél biztositani kell, hogy ne alakulhasson ki irracionális struktúra, azaz például ne keletkezhessen határoló sejt a csatorna belsejében.

Gátlás .
A gátlás folyamata még nem megfelelően kidolgozott.

Az ingererősség figyelembevételének mechanizmusa .
Ha az inger erőssége nő, a szenzorsejt aktív állapotba billenésének a frekvenciája (egészen a maximális frekvenciáig) növekedjen.

Az átmenetfüggvény négy-szomszédos kétdimenziós sejtérben megvalósított, most nem ismertetem.

Tartalom - E-mail: uaasystem@yahoo.com


 

A SEJTTÉR MŰKÖDÉSE

A rendszer működésének kezdetén a sejttérben a sejtek alapállapotúak. A szenzorsejtek speciális állapotú sejtekkel, csatornamagokkal érintkeznek.

A sejttér fejlődésekor (ingerlés hatására) a csatornamagok a primer struktúra felhasználásával csatornákká növekednek. Egymással és a motorikus mezővel érintkezve behálózzák a sejtteret, kialakítva a szekunder struktúrát. Ha az egymással érintkező csatornák azonos időben aktívak, közöttük asszociációs kapu keletkezik, amelyen keresztül később az egyik csatorna aktív állapota átterjedhet (kisebb intenzitással) a másik csatornára.

Ha elsődleges kritikus inger is jelen van (beavatkozásnak kell történnie), az ez időben aktív csatorna kapukat nyit a motorikus zónában, az ingerülete aktivizál bizonyos motorikus sejteket (másodlagos -válasszal rendelkező- kritikus ingerek kialakulása). Ezen motorikus sejteket ingerelhetik a kaput nyitó csatornával asszociációs kapcsolatban lévő csatornák is, de távolságuktól függően gyengítetten. Ha a motorikus mező nem megfelelő része kerül aktív állapotba (nem az elsődleges kritikus ingert megszüntető válasz jön létre), az aktív csatornák növekedését és az elsődleges kritikus inger jelenlétét figyelembevéve addig keletkeznek új ingerületátvivő kapuk, amíg a hatásos reakció létre nem jön. Ekkor megszünik az elsődleges kritikus inger, megszünik a motorikus kapuk szaporodása és az elsődleges kritikus ingert kiváltó okot érzékelő szenzorsejtek és a hozzá kapcsolódó csatornák aktivitása, stabilizálódik az állapot.

Ha nem, vagy nem csak a kiváltó ok által generált ingerpályán jönnek létre az elsődleges kritikus ingert megszüntető motorikus kapuk, vagy nem csak ezek a motorikus kapuk keletkeztek (de közöttük van ez is), a felejtés és az ismétlések hatására azok a kapuk maradnak életben, amelyek a valódi okot kiváltó csatornát kötik össze a hasznos reakciót kiváltó motorikus sejtekkel. Amíg a helyes kapcsolat létezik, nem jön létre az adott elsődleges kritikus inger, csupán a felejtés hat a kapcsolatra. Ha a felejtés ezt a kapcsolatot is megszünteti, újból kialakul az adott elsődleges kritikus inger és aktív marad mindaddig, amíg a helyes kapcsolat újra megszületik. A felesleges elemek a felejtés hatására kiirtódnak (alapállaputúakká válnak).

Az egymással kölcsönösen asszociációs kapcsolatban lévő ingerpályák bármelyikének ingerlésével az adott ingerület gyengítetten, de körbehaladhat (akár többször is) az asszociációs kapukon mindaddig, amíg le nem cseng. Így valósulhat meg a rövid, illetve közepes idejü információtárolás.

A rendszer nagy mértékben redundáns. Ha egy sejt meghibásodik, az ingerek terjedését ez nem zavarja (kikerülik ezt a sejtet), vagy ha eredetileg kapu volt később új kapu keletkezik helyette. Természetesen nem szabad, hogy túl sok hibás sejt legyen jelen, mert ez már zavarná a működést.

A rendszer fejlettségi szintjét a sejtek száma, működési frekvenciája, az elsődleges struktúra komplexitása és az átmeneti függvény hatékonysága határozza meg.

Tartalom - E-mail: uaasystem@yahoo.com


BEFEJEZÉS

A dolgozatban egy lehetséges irányítási elvet ismertettem. Az elv kialakításában felhasználtam a kibernetika és a pszichológia, elsősorban az agy kutatásának néhány eredményét.

A dolgozatban ismertetett rendszer leírása nem befejezett egész. Jónéhány, még bejárásra váró utat tartalmaz, amely még szükséges, hogy eredményesen működő, hasznos feladatok ellátására képes, a gyakorlatban is kivitelezhető rendszer születhessen belőle. A rendszer kidolgozása további munkát igényel.

Tartalom - E-mail: uaasystem@yahoo.com


ezer kilencszáz nyolvan nyolc
szakdolgozat kivonat