Что такое нечеткая логика (fuzzy logic): принцип работы, примеры, применение.

Задумывались ли вы когда-нибудь о том, как мыслит человек? Какими словами мы обычно пользуемся, чтобы объяснить меру чего-либо? Выражения «Немного посолить», «слегка остудить», «пройти чуть дальше», «налить много», «принести мало» — совершенно обычны для человека. Именно такими категориями мы воспринимаем окружающую действительность. В нашей обычной жизни мы крайне редко пользуемся чёткими правилами и алгоритмами. У человека нет точных датчиков и измерительных приборов. Вместо этого у нас есть органы чувств и наше врождённое чувство меры. Но это нельзя назвать нашим недостатком, наоборот – в этом заключается наше главное преимущество. Это позволяет нам быть адаптивными. Дело в том, что окружающий мир настолько сложен, что ни одна супер-мега-крутая вычислительная машина не сможет учесть все его зависимости. Поэтому для точных компьютерных вычислений мы обычно упрощаем задачу, идеализируем её, отбрасываем несущественные факторы, принимаем какие-то допущения и т.д. Мы можем это сделать, именно потому, что наше чувство меры позволяет нам оценить «навскидку», какие факторы вносят значительный вклад, а какие несущественны. Однако существует довольно много задач, которые достаточно сложно формализовать, составить для них «чёткий» алгоритм.

Например, сложно представить, что какая-то автоматика будет печь пирожки вкуснее, чем бабушка Зина. Слишком много «нечётких» факторов в этом деле: и дрожжи каждый раз разные, и мука; от влажности и температуры в помещении тоже многое зависит. Только опытная бабушка сможет учесть все эти факторы.

Вот почему во многих случаях полезно наделить управляющее устройство «нечётким мышлением». В системе, где все влияющие на неё факторы учесть сложно или невозможно, — это позволяет заменить человека-эксперта, имеющего большой практический опыт, автоматикой. Сейчас на простом примере разберём, как это делается в технических системах.

На заводе «N» работает крановщик Василий. Трудится он на этом предприятии 40 лет, с того самого момента, как окончил ПТУ. Его задача состоит в том, чтобы поднимать краном паллеты с готовой продукцией и ставить на место складирования. Делать это умеет только Василий. За многие годы практики он чётко научился определять, с какой скоростью нужно двигаться на кране в зависимости от того, какой груз у него на крюке, за сколько метров до цели нужно начать останавливаться, как регулировать угол наклона стрелы крана, чтобы уменьшить раскачивание паллеты на крюке и т.д. Весь этот опыт позволяет ему каждый раз опускать груз точно в цель и делать это на оптимальной скорости.

Однако, Василию скоро на пенсию, а заменить его некому. К тому же, руководство завода взяло курс на автоматизацию производственного процесса. Для того, чтобы заменить крановщика интеллектуальным устройством, необходимо наделить его «нечёткой логикой» и экспертными знаниями Василия. Поехали…

Входы и выходы системы управления

Для начала определим входные и выходные параметры нашей будущей системы управления. Входами будут те критерии, с помощью которых Василий обычно оценивает текущее состояние системы:

• Расстояние до цели
• Амплитуда раскачивания груза на крюке крана

Выходы – управляющие воздействия, которые может вносить в систему крановщик, чтобы менять её текущее состояние:

• Педаль газа — регулирует скорость, влияет на амплитуду раскачивания груза
• Педаль тормоза — влияет на плавность остановки (амплитуду раскачивания груза)
• Ручка управления стрелой крана – регулирует угол наклона стрелы, компенсирует раскачивание груза

Теперь обратимся к самому Василию, чтобы «добыть» из него бесценные экспертные знания.

Спрашиваем:

— «Василий, скажите, с какой скоростью нужно двигаться, чтобы максимально быстро доставлять груз до цели, но при этом не приходилось резко тормозить перед финишем, заставляя груз сильно раскачиваться?»

Василий ответит примерно следующее:

— «Ну, так это… как только зацепил груз, пока до места еще далеко — давлю газ в пол. В середине пути чуть убавляю и плавненько иду, чтоб не шаталась верёвка. Если сильно шатает – газ жму совсем чуть-чуть и немного наклоняю стрелу в противоход. Когда близко подъезжаю – совсем уже газ отпускаю, наоборот притормаживаю малеху».

Вот мы и получили первые нечёткие правила от Василия. Продолжая общение с ним, узнаем и остальные. Представим все полученные правила, в виде таблицы:

– это перевод входного параметра системы в «нечёткую» область.

Первый входной параметр – «расстояние до цели». В терминах «нечёткой логики» — это лингвистическая переменная , поскольку она принимает в качестве значений не числа, а слова. А в понимании вычислительной машины «расстояние до цели» — вполне чёткий параметр, измеряемый в метрах.

Поэтому на этом этапе нам необходимо выяснить у Василия, что для него «близко», а что «очень близко» — определить его нечёткие диапазоны в цифрах. Например, 15 метров – для него будет однозначно близко. А вот насчёт 6 метров – он будет путаться в показаниях, причисляя это значение то к «близко», то к «очень близко». Поэтому «нечёткие диапазоны» могут перекрывать друг друга. Посмотрим, как это выглядит на графике:

Функцию M(x) называют функцией принадлежности . Она показывает степень принадлежности параметра к одному из нечётких значений. Как видно из графика, расстояние 32 метра со степенью принадлежности 0,2 относится к значению «средне» и со степенью принадлежности 0,65 к значению «близко».

Чем больше степень принадлежности, тем больше вероятность, что вычислительная машина присвоит переменной соответствующее нечёткое значение. Однако не стоит путать функцию принадлежности с функцией вероятностного распределения – это не одно и то же. Поэтому, в частности, сумма степеней принадлежности одного входного параметра к различным нечётким значениям не обязательно равна 1.

Точно такие же функции принадлежности нужно определить и для остальных входных и выходных параметров системы, снова используя экспертные знания крановщика Василия.

Принятие решения

Как только система управления фазифицирует все входные параметры по заданным функциям принадлежности, блок принятия решения найдёт соответствующие значения выходных параметров, пользуясь нечёткими правилами (см. таблицу выше).

Дефазификация

На этом этапе система управления будет делать обратное преобразование из нечётких значений выходных параметров (найденных по таблице) – к чётким цифрам. Математические алгоритмы этих преобразований разнообразны и зависят от конкретной задачи. Подробно на них заморачиваться не имеет смысла — пусть этим занимаются суровые математики. Инженеру нужно лишь реализовать один из известных алгоритмов.

В качестве контроллера нечёткой логики можно использовать уже готовое микропроцессорное устройство, поддерживающее описанные выше алгоритмы. Такому устройству необходимо задать только функции принадлежности всех лингвистических переменных и нечёткие правила. Конечно, если хочется поупражняться – можно взять обычный микроконтроллер и «суровую» книгу по математическим алгоритмам, применяемым в нечёткой логике, и реализовать всё это самому.

В любом случае структура контроллера нечёткой логики будет примерно такой:

Заключение

В этой статье мы рассмотрели базовые понятия нечёткой логики, которая является составной частью более широкого понятия «Искусственный интеллект». Нечёткая логика широко применяется при построении экспертных систем, систем поддержки принятия решений, систем управления, основанных на экспертных знаниях. На очереди статья, в которой мы расскажем, в каких приборах и устройствах, используемых нами в повседневной жизни, применяется нечёткая логика. Да-да, я не оговорился, каждый из нас ежедневно пользуется приборами, обладающими искусственным интеллектом. Но об этом позже, а на сегодня всё! Помните, читая LAZY SMART , вы становитесь ближе к миру новых технологий! До свидания!

Нечеткая логика (fuzzy logic )возникла как наиболее удобный способ построения сложными технологическими процессами, а также нашла применение в бытовой электронике, диагностических и других экспертных системах. Математический аппарат нечеткой логики впервые был разработан в США в середине 60-х годов прошлого века, активное развитие данного метода началось и в Европе.

Классическая логика развивается с древнейших времен. Ее основоположником считается Аристотель. Логика известна нам как строгая наука, имеющая множество прикладных применений: например, именно на положениях классической (булевой) логики основан принцип действия всех современных компьютеров. Вместе с тем классическая логика имеет один существенный недостаток - с ее помощью невозможно адекватно описать ассоциативное мышление человека. Классическая логика оперирует только двумя понятиями: ИСТИНА и ЛОЖЬ (логические 1 или 0), и исключая любые промежуточные значения. Все это хорошо для вычислительных машин, но попробуйте представить весь окружающий вас мир только в черном и белом цвете, вдобавок исключив из языка любые ответы на вопросы, кроме ДА и НЕТ. В такой ситуации вам можно только посочувствовать.

Традиционная математика с ее точными и однозначными формулировками закономерностей также имеет в своей основе классическую логику. А поскольку именно математика, в свою очередь, представляет собой универсальный инструмент для описания явлений окружающего мира во всех естественных науках (физика, химия, биология и т. д.) и их прикладных приложениях (например, теория измерений, теория управления и т. д.), неудивительно все эти науки оперируют математически точными данными, такими как: «средняя скорость автомобиля на участке пути длиной 62 км равнялась 93 км/ч». Но мыслит ли в действительности человек такими категориями? Представим, что в вашей машине вышел из строя спидометр. Означает ли это, что отныне вы лишены возможности оценивать скорость вашего перемещения и не в состоянии ответить на вопросы типа «быстро ли ты доехал вчера домой?». Разумеется нет. Скорее всего вы скажете в ответ что-то вводе: «Да, довольно быстро». Собственно говоря, вы скорее всего ответите примерно в том же духе, даже и в том случае, если спидометр вашей машины был в полном порядке, поскольку, совершая поездки, не имеете привычки непрерывно отслеживать его показания в режиме реального времени. То есть, в своем естественном мышлении применительно к скорости мы склонны оперировать не точными значениями в км/ч или м/с, а приблизительными оценками типа: «медленно», «средне», «быстро» и бесчисленным множеством полутонов и промежуточных оценок: «тащился как черепаха», «катился, не торопясь», «не выбивался из потока», «ехал довольно быстро», «несся как ненормальный» и т. п.

Если попытаться выразить наши интуитивные понятия о скорости графически, то получится нечто вроде рисунка ниже.

Здесь по оси X отложены значения скорости в традиционной строгой математической записи, а по оси Y – т. н. функцию принадлежности (изменяется от 0 до 1) точного значения скорости к нечеткому множеству , обозначенному тем или иным значением лингвистической переменной «скорость»: очень низкая, низкая, средняя, высокая и очень высокая. Этих градаций (гранул) может быть меньше или больше. Чем больше гранулированность нечеткой информации, тем больше она приближается к математически точной оценке (не забудем, что и выраженная в традиционной форме измерительная информация всегда обладает некоторой погрешностью, а значит в определенном смысле также является нечеткой). Таким образом, например значение скорости 105 км/ч принадлежит к нечеткому множеству «высокая» со значением функции принадлежности 0.8, а к множеству «очень высокая» со значением 0.5.

Другой пример – оценка возраста человека. Часто мы не имеем абсолютно точной информации о возрасте того или иного знакомого нам человека и поэтому, отвечая на соответствующий вопрос, вынуждены давать нечеткую оценку типа: «ему лет 30» или «ему далеко за 60» и т. п. Особенно часто используются такие значения лингвистической переменной «возраст» как: «молодой», «средних лет», «старый» и т. п. На рисунке ниже приведен графически возможный вид нечеткого множества «возраст = молодой» (очевидно, с точки зрения человека, которому самому ну никак не больше 20 лет;)

Нечеткие числа, получаемые в результате “не вполне точных измерений”, во многом похожи (но не тождественны! см. пример с двумя бутылками) распределениям теории вероятностей, но свободны от присущих последним недостатков: малое количество пригодных к анализу функций распределения, необходимость их принудительной нормализации, соблюдение требований аддитивности, трудность обоснования адекватности математической абстракции для описания поведения фактических величин. По сравнению с точными и, тем более, вероятностными методами, нечеткие методы измерения и управления позволяют резко сократить объем производимых вычислений, что, в свою очередь, приводит к увеличению быстродействия нечетких систем.

Как уже говорилось, принадлежность каждого точного значения к одному из значений лингвистической переменной определяется посредством функции принадлежности. Ее вид может быть абсолютно произвольным. Сейчас сформировалось понятие о так называемых стандартных функциях принадлежности (см. рисунок ниже).

Стандартные функции принадлежности легко применимы к решению большинства задач. Однако если предстоит решать специфическую задачу, можно выбрать и более подходящую форму функции принадлежности, при этом можно добиться лучших результатов работы системы, чем при использовании функций стандартного вида.

Процесс построения (графического или аналитического) функции принадлежности точных значений к нечеткому множеству называется фаззификацией данных.

Нечеткая логика (fuzzy logic) - это надмножество классической булевой логики. Она расширяет возможности классической логики, позволяя применять концепцию неопределенности в логических выводах. Употребле­ние термина "нечеткий" применительно к математической теории может ввес­ти в заблуждение. Более точно ее суть характеризовало бы название "непре­рывная логика". Аппарат нечеткой логики столь же строг и точен, как и класси­ческий, но вместе со значениями "ложь" и "истина" он позволяет оперировать значениями в промежутке между ними. Говоря образно, нечеткая логика по­зволяет ощущать все оттенки окружающего мира, а не только чистые цвета.

Нечеткая логика как новая область математики была представлена в 60-х го­дах профессором калифорнийского университета Лотфи Заде (Lotfi Zadeh). Пер­воначально она разрабатывалась как средство моделирования неопределенности естественного языка, однако впоследствии круг задач, в которых нечеткая логи­ка нашла применение, значительно расширился. В настоящее время она исполь­зуется для управления линейными и нелинейными системами реального време­ни, при решении задач анализа данных, распознавания, исследования операций.

Часто для иллюстрации связи нечеткой логики с естественными представ­лениями человека об окружающем мире приводят пример о пустыне. Опреде­лим понятие "пустыня" как "бесплодная территория, покрытая песком". Те­перь рассмотрим простейшее высказывание: "Сахара - это пустыня". Нельзя не согласиться с ним, принимая во внимание данное выше определение. Пред­положим, что с поверхности Сахары удалена одна песчинка. Осталась ли Саха­ра пустыней? Скорее всего, да. Продолжая удалять песчинки одну за другой, всякий раз оцениваем справедливость приведенного ранее высказывания. По прошествии определенного промежутка времени песка в Сахаре не останется и высказывание станет ложным. Но после какой именно песчинки его истин­ность меняется? В реальной жизни с удалением одной песчинки пустыня не исчезает. Пример показывает, что традиционная логика не всегда согласуется с представлениями человека. Для оценки степени истинности высказываний ес­тественный язык имеет специальные средства (некоторые наречия и обороты, например: "в некоторой степени", "очень" и др.). С возникновением нечеткой логики они появились и в математике.

Одно из базовых понятий традиционной логики - понятие подмножества. Подобно этому в основе нечеткой логики лежит теория нечетких подмножеств (нечетких множеств). Эта теория занимается рассмотрением множеств, опре­деляемых небинарными отношениями вхождения. Это означает, что принима­ется во внимание не просто то, входит элемент во множество или не входит, но и степень его вхождения, которая может изменяться от 0 до 1.

Пусть S - множество с конечным числом элементов, S ={s 1 , s 2 ,..., s n }, где n - число элементов (мощность) множества S . В классичес­кой теории множеств подмножество U множества S может быть определено как отображение элементов S на множество В = {0, 1}:

U: S => В.

Это отображение может быть представлено множеством упорядоченных пар вида:

{s i ,m ui }, iÎ,

где s i - i-й элемент множества S ; n - мощность множества S ; m Ui - элемент множества В = {0, 1}. Если m Ui = 1, то s i является элементом подмножества U . Элемент "0" множества В используется для обозначения того, что s i не входит в подмножество U . Проверка истинности предиката "s k ÎU " осуществляется пу­тем нахождения пары, в которой s k - первый элемент. Если для этой пары m Uk =l, то значением предиката будет "истина", в противном случае - "ложь".

Если U - подмножество S , то U может быть представлено n-мерным векто­ром (m U 1 , m U 2 ,…, m Un), где i-й элемент вектора равен "1", если соответствую­щий элемент множества S входит и в U , и "0" в противном случае. Таким обра­зом, U может быть однозначно представлено точкой в n-мерном бинарном ги­перкубе В n , В = {0, 1} (рисунок 1).

Рисунок 1 - Графическое представление традиционного множества

Нечеткое подмножество F может быть представлено как отображение эле­ментов множества S на интервал I = . Это отображение определяется мно­жеством упорядоченных пар: {s i ,m F ,(s i)}, iÎ, где s i - i-й элемент множества S ; n - мощность множества S ; m F (s i) Î -степень вхождения элемента s i в множество F . Значение m F (s i), равное 1, озна­чает полное вхождение, m F (s i) = 0 указывает на то, что элемент s i не принадле­жит множеству F . Часто отображение задается функцией m F (x) принадлежнос­ти х нечеткому множеству F . В силу этого термины "нечеткое подмножество" и "функция принадлежности" употребляются как синонимы. Степень истиннос­ти предиката "s k ÎF " определяется путем нахождения парного элементу s k зна­чения m F (s k), определяющего степень вхождения s k в F .

Обобщая геометрическую интерпретацию традиционного подмножества на не­четкий случай, получаем представление F точкой в гиперкубе I n , I = . В отличие от традиционных подмножеств точки, изображающие нечеткие подмножества, мо­гут находиться не только на вершинах гиперкуба, но и внутри него (рисунок 2).

Рисунок 2 - Графическое представление нечеткого множества

Рассмотрим пример определения нечеткого подмножества. Имеется мно­жество всех людей S . Определим нечеткое подмножество Т всех высоких лю­дей этого множества. Введем для каждого человека степень его принадлежно­сти подмножеству Т . Для этого зададим функцию принадлежности m Т (h), оп­ределяющую, в какой степени можно считать высоким человека ростом h сан­тиметров.

(1)

где h - рост конкретного человека в сантиметрах.

График этой функции пред­ставлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - График функции принадлежности rn T (h)

Пусть рост Михаила - 163 см, тогда истинность высказывания "Михаил высок" будет равна 0.21. Использованная в данном случае функция принад­лежности тривиальна. При решении большинства реальных задач подобные функции имеют более сложный вид, кроме того, число их аргументов может быть большим.

Методы построения функций принадлежности для нечетких подмножеств довольно разнообразны. В большинстве случаев они отражают субъективные представления экспертов о предметной области. Так, например, кому-то чело­век ростом 180 см может показаться высоким, а кому-то - нет. Однако часто такая субъективность помогает снизить степень неопределенности при реше­нии слабо формализованных задач. Как правило, для задания функций принад­лежности используются типовые зависимости, параметры которых определя­ются путем обработки мнений экспертов. Представление произвольных функ­ций при реализации автоматизированных систем часто затруднено, поэтому в реальных разработках такие зависимости аппроксимируются кусочно-линей­ными функциями.

Необходимо осознавать разницу между нечеткой логикой и теорией веро­ятностей. Заключается она в различии понятий вероятности и степени принад­лежности. Вероятность определяет, насколько возможен один из нескольких взаимоисключающих исходов или одно из множества значений. Например, может определяться вероятность того, что утверждение истинно. Утверждение может быть либо истинным, либо ложным. Степень принадлежности показы­вает, насколько то или иное значение принадлежит определенному классу (под­множеству). Например, при определении истинности утверждения ее возмож­ные значения не ограничены "ложью" и "истиной", а могут попадать и в проме­жуток между ними. Еще одно различие выражено в математических свойствах этих понятий. В отличие от вероятности для степени принадлежности не тре­буется выполнение аксиомы аддитивности.

2.1 Основные понятия нечеткой логики

Как было упомянуто в предыдущих главах, классическая логика оперирует только двумя понятиями: «истина» и «ложь», и исключая любые промежуточные значения. Аналогично этому булева логика не признает ничего кроме единиц и нулей.

Нечеткая же логика основана на использовании оборотов естественного языка. Человек сам определяет необходимое число терминов и каждому из них ставит в соответствие некоторое значение описываемой физической величины. Для этого значения степень принадлежности физической величины к терму (слову естественного языка, характеризующего переменную) будет равна единице, а для всех остальных значений ‒ в зависимости от выбранной функции принадлежности.

При помощи нечетких множеств можно формально определить неточные и многозначные понятия, такие как «высокая температура», «молодой человек», «средний рост» либо «большой город». Перед формулированием определения нечеткого множества необходимо задать так называемую область рассуждений (universe of discourse). В случае неоднозначного понятия «много денег» большой будет признаваться одна сумма, если мы ограничимся диапазоном и совсем другая–в диапазоне .

Лингвистические переменные:

Лингвистической переменной является переменная, для задания которой используются лингвистические значения, выражающие качественные оценки, или нечеткие числа. Примером лингвистической переменной может быть скорость или температура, примером лингвистического значения - характеристика: большая, средняя, малая, примером нечеткого числа - значение: примерно 5, около 0.

Лингвистическим терм-множеством называется множество всех лингвистических значений, используемых для определения некоторой лингвистической переменной. Областью значений переменной является множество всех числовых значений, которые могут принимать определенный параметр изучаемой системы, или множество значений, существенное с точки зрения решаемой задачи.

Нечеткие множества:

Пусть ‒ универсальное множество,‒ элемент, а‒ некоторое свойство. Обычное (четкое) подмножествоуниверсального множества, элементы которого удовлетворяют свойству, определяются как множество упорядоченных пар
,где
‒ характеристическая функция, принимающая значение 1, если удовлетворяет свойству, и 0 - в противном случае.

Нечеткое подмножество отличается от обычного тем, что для элементов изнет однозначного ответа ”да-нет” относительно свойства. В связи с этим, нечеткое подмножество универсального множестваопределяется как множество упорядоченных пар
, где
‒ характеристическая функция принадлежности, принимающая значения в некотором упорядоченном множестве (например,
). Функция принадлежности указывает степень принадлежности элементамножеству. Множество
называют множеством принадлежностей. Если
, то нечеткое множество может рассматриваться как обычное четкое множество.

Множество элементов пространства
, для которых
, называется носителем нечеткого множества и обозначается supp A :

Высота нечеткого множества определяется как

Нечеткое множество называется нормальным тогда и только тогда, когда
. Если нечеткое множествоне является нормальным, то его можно нормализовать при помощи преобразования

,

где
‒ высота этого множества.

Нечеткое множество
, является выпуклым тогда и только тогда, когда для произвольных
и
выполняется условие

2.1.1 Операции над нечеткими множествами

Включение. Пусть и‒ нечеткие множества на универсальном множестве. Говорят, чтосодежится в, если

Равенство. и равны, если

Дополнение. Пусть
,и‒ нечеткие множества, заданные на.идополняют друг друга, если.

Пересечение.
‒ наибольшее нечеткое подмножество, содержащееся одновременно ви:

Объединение.
‒ наибольшее нечеткое подмножество, содержащее все элементы изи:

Разность.
‒ подмножество с функцией принадлежности:

2.1.2 Нечеткие отношения

Пусть
‒ прямое произведение универсальных множеств и
‒ некоторое множество принадлежностей. Нечеткое n-арное отношение определяется как нечеткое подмножествона, принимающее свои значения в
. В случае
и
нечетким отношениеммежду множествами
и
будет называться функция
, которая ставит в соответствие каждой паре элементов
величину
.

Пусть ­­­­ ‒ нечеткое отношение
между
и, инечеткое отношение
междуи. Нечеткое отношение между
и, обозначаемое
, определенное черезивыражением, называется композицией отношенийи.

Нечеткая импликация.

Нечеткая импликация представляет собой правило вида: ЕСЛИ
ТО
,где
– условие, а
– заключение, причеми‒ нечеткие множества, заданные своими функциями принадлежности
,
и областями определения
,соответственно. Обозначается импликация как
.

Различие между классической и нечеткой импликацией состоит в том, что в случае классической импликации условие и заключение могут быть либо абсолютно истинными, либо абсолютно ложными, в то время как для нечеткой импликации допускается их частичная истинность, со значением, принадлежащим интервалу . Такой подход имеет ряд преимуществ, поскольку на практике редко встречаются ситуации, когда условия правил удовлетворяются полностью, и по этой причине нельзя полагать, что заключение абсолютно истинно.

В нечеткой логике существует множество различных операторов импликации. Все они дают различные результаты, степень эффективности которых зависит в частности от моделируемой системы. Одним из наиболее распространенных операторов импликации является оператор Мамдани, основанный на предположении, что степень истинности заключения
не может быть выше степени выполнения условия
:

2.2 Построение нечеткой системы

Из разработок искусственного интеллекта завоевали устойчивое признание экспертные системы, как системы поддержки принятия решений. Они способны аккумулировать знания, полученные человеком в различных областях деятельности. Посредством экспертных систем удается решить многие современные задачи, в том числе и задачи управления. Одним из основных методов представления знаний в экспертных системах являются продукционные правила, позволяющие приблизиться к стилю мышления человека. Обычно продукционное правило записывается в виде: «ЕСЛИ (посылка) (связка) (посылка)… (посылка) ТО (заключение)».Возможно наличие нескольких посылок в правиле, в этом случае они объединяются посредством логических связок «И», «ИЛИ».

Нечеткие системы (НС) тоже основаны на правилах продукционного типа, однако в качестве посылки и заключения в правиле используются лингвистические переменные, что позволяет избежать ограничений, присущих классическим продукционным правилам.

Таким образом, нечеткая система - это система, особенностью описания которой является:

нечеткая спецификация параметров;

нечеткое описание входных и выходных переменных системы;

нечеткое описание функционирования системы на основе продукционных «ЕСЛИ…ТО…»правил.

Важнейшим классом нечетких систем являются нечеткие системы управления (НСУ).Одним из важнейших компонентов НСУ является база знаний, которая представляет собой совокупность нечетких правил «ЕСЛИ–ТО», определяющих взаимосвязь между входами и выходами исследуемой системы. Существуют различные типы нечетких правил: лингвистическая, реляционная, модель Такаги-Сугено и др.

Для многих приложений, связанных с управлением процессами, необходимо построение модели рассматриваемого процесса. Знание модели позволяет подобрать соответствующий регулятор (модуль управления). Однако часто построение корректной модели представляет собой трудную проблему, требующую иногда введения различных упрощений. Применение теории нечетких множеств для управления процессами не предполагает знания моделей этих процессов. Следует только сформулировать правила поведения в форме нечетких условных суждений типа «ЕСЛИ-ТО».

Рисунок 2.1 -. Структура нечеткой системы управления

Процесс управления системой напрямую связан с выходной переменной нечеткой системы управления, но результат нечеткого логического вывода является нечетким, а физическое исполнительное устройство не способно воспринять такую команду. Необходимы специальные математические методы, позволяющие переходить от нечетких значений величин к вполне определенным. В целом весь процесс нечеткого управления можно разбить на несколько стадий: фаззификация, разработка нечетких правил и дефаззификация.

Фаззификаия подразумевает переход к нечеткости. На данной стадии точные значения входных переменных преобразуются в значения лингвистических переменных посредством применения некоторых положений теории нечетких множеств, а именно ‒ при помощи определенных функций принадлежности.

В нечеткой логике значения любой величины представляются не числами, а словами естественного языка и называются «термами». Так, значением лингвистической переменной «Дистанция» являются термы «Далеко», «Близко» и т. д. Для реализации лингвистической переменной необходимо определить точные физические значения ее термов. Допустим переменная «Дистанция» может принимать любое значение из диапазона от 0 до 60 метров. Согласно положениям теории нечетких множеств, каждому значению расстояния из диапазона в 60 метров может быть поставлено в соответствие некоторое число, от нуля до единицы, которое определяет степень принадлежностиданного физического значения расстояния (допустим, 10 метров) к тому или иному терму лингвистической переменной «Дистанция». Тогда расстоянию в 50 метров можно задать степень принадлежности к терму «Далеко», равную 0,85, а к терму «Близко» ‒ 0,15. Задаваясь вопросом, сколько всего термов в переменной необходимо для достаточно точного представления физической величины принято считать, что достаточно 3-7 термов на каждую переменнуюдля большинства приложений. Большинствоприменений вполне исчерпывается использованием минимального количества термов.Такое определение содержит два экстремальных значения (минимальное и максимальное) и среднее. Что касается максимального количества термов, то оно не ограничено и зависит целиком от приложения и требуемой точности описания системы. Число 7 же обусловлено емкостью кратковременной памяти человека, в которой, по современным представлениям, может храниться до семи единиц информации.

Принадлежность каждого точного значения к одному из термов лингвистической переменной определяется посредством функции принадлежности. Ее вид может быть абсолютно произвольным, однако сформировалось понятие о так называемых стандартных функциях принадлежности

Рисунок 2.2 ‒ Стандартные функции принадлежности

Стандартные функции принадлежности легко применимы к решению большинства задач. Однако если предстоит решать специфическую задачу, можно выбрать и более подходящую форму функции принадлежности, при этом можно добиться лучших результатов работы системы, чем при использовании функций стандартного вида.

Следующей стадией является стадия разработки нечетких правил.

На ней определяются продукционные правила, связывающие лингвистические переменные. Большинство нечетких систем используют продукционные правила для описания зависимостей между лингвистическими переменными. Типичное продукционное правило состоит из антецедента (частьЕСЛИ …) и консеквента (часть ТО…). Антецедент может содержать более одной посылки. В этом случае они объединяются посредством логических связок«И» или «ИЛИ».

Процесс вычисления нечеткого правила называется нечетким логическим выводом и подразделяется на два этапа: обобщение и заключение.

Пусть имеется следующее правило:

ЕСЛИ «Дистанция» = средняя И «Угол» =малый, ТО «Мощность» = средняя.

На первом шаге логического вывода необходимо определить степень принадлежности всего антецедента правила. Для этого в нечеткой логике существуют два оператора: Min(…) и Max(…). Первый вычисляет минимальное значение степени принадлежности, а второй ‒ максимальное значение. Когда применять тот или иной оператор, зависит от того, какой связкой соединены посылки в правиле. Если использована связка «И», применяется оператор Min(…). Если же посылки объединены связкой «Или», необходимо применить оператор Max(…). Ну а если в правиле всего одна посылка, операторы вовсе не нужны.

Следующим шагом является собственно вывод или заключение. Подобным же образом посредством операторов Min/Maxвычисляется значение консеквента. Исходными данными служат вычисленные на предыдущем шаге значения степеней принадлежности антецедентов правил.

После выполнения всех шагов нечеткого вывода мы находим нечеткое значение управляющей переменной. Чтобы исполнительное устройство смогло отработать полученную команду, необходим этап управления, на котором мы избавляемся от нечеткости и который называется дефаззификацией.

На этапе дефаззификации осуществляется переход от нечетких значений величин к определенным физическим параметрам, которые могут служить командами исполнительному устройству.

Результат нечеткого вывода, конечно же, будет нечетким. Например, если речь идет об управлении механизмом и команда для электромотора будет представлена термом «Средняя» (мощность), то для исполнительного устройства это ровно ничего не значит. В теории нечетких множеств процедура дефаззификации аналогична нахождению характеристик положения (математического ожидания, моды, медианы) случайных величин в теории вероятности. Простейшим способом выполнения процедуры дефаззификации является выбор четкого числа, соответствующего максимуму функции принадлежности. Однако пригодность этого способа ограничивается лишь одно экстремальными функциями принадлежности. Для устранения нечеткости окончательного результата существует несколько методов: метод центра максимума, метод наибольшего значения, метод центроида и другие. Для многоэкстремальных функций принадлежности наиболее часто используется дефаззификация путем нахождения центра тяжести плоской фигуры, ограниченной осями координат и функцией принадлежности.

2.3. Модели нечеткого логического вывода

Нечеткий логический вывод - это аппроксимация зависимости «входы–выход» на основе лингвистических высказываний типа «ЕСЛИ–ТО» и операций над нечеткими множествами. Нечеткая модель содержит следующие блоки:

‒ фаззификатор, преобразующий фиксированный вектор влияющих факторов Xв вектор нечетких множеств , необходимых для выполнения нечеткого логического вывода;

‒ нечеткая база знаний, содержащая информацию о зависимости
в виде лингвистических правил типа «ЕСЛИ–ТО»;

‒ машина нечеткого логического вывода, которая на основе правил базы знаний определяет значение выходной переменной в виде нечеткого множества, соответствующего нечетким значениям входных переменных;

‒ дефаззификатор, преобразующий выходное нечеткое множество в четкое число Y.

Рисунок 2.3 ‒ Структура нечеткой модели.

2.3.1Нечеткая модель типа Мамдани

Данный алгоритм описывает несколько последовательно выполняющихся этапов. При этом каждый последующий этап получает на вход значения полученные на предыдущем шаге.

Рисунок 2.4 – Диаграмма деятельности процесса нечеткого вывода

Алгоритм примечателен тем, что он работает по принципу «черного ящика». На вход поступают количественные значения, на выходе они же. На промежуточных этапах используется аппарат нечеткой логики и теория нечетких множеств. В этом и состоит элегантность использования нечетких систем. Можно манипулировать привычными числовыми данными, но при этом использовать гибкие возможности, которые предоставляют системы нечеткого вывода.

В модели типа Мамдани взаимосвязь между входами X = (x 1 , x 2 ,…, x n)и выходом y определяется нечеткой базой знаний следующего формата:

,

где
- лингвистический терм, которым оценивается переменная x i в строке с номером
;
), где- количество строк-конъюнкций, в которых выходоценивается лингвистическим термом;
- количество термов, используемых для лингвистической оценки выходной переменной.

С помощью операций ∪(ИЛИ) и ∩ (И) нечеткую базу знаний можно переписать в более компактном виде:

(1)

Все лингвистические термы в базе знаний (1) представляются как нечеткие множества, заданные соответствующими функциями принадлежности.

Нечеткая база знаний (1) может трактоваться как некоторое разбиение пространства влияющих факторов на подобласти с размытыми границами, в каждой из которых функция отклика принимает значение, заданное соответствующим нечетким множеством. Правило в базе знаний представляет собой «информационный сгусток», отражающий одну из особенностей зависимости «входы–выход». Такие «сгустки насыщенной информации» или «гранулы знаний» могут рассматриваться как аналог вербального кодирования, которое, как установили психологи, происходит в человеческом мозге при обучении. Видимо поэтому формирование нечеткой базы знаний в конкретной предметной области, как правило, не составляет трудностей для эксперта.

Введем следующие обозначения:

- функция принадлежности входа нечеткому терму
,
т.е

- функция принадлежности выхода y нечеткому терму
, т.е.

Степень принадлежности входного вектора
нечетким термам из базы знаний (1) определяется следующей системой нечетких логических уравнений:

Наиболее часто используются следующие реализации: для операции ИЛИ - нахождение максимума, для операции И- нахождение минимума.

Нечеткое множество , соответствующее входному вектору X * , определяется следующим образом:

где imp- импликация, обычно реализуемая как операция нахождения минимума; agg- агрегирование нечетких множеств, которое наиболее часто реализуется операцией нахождения максимума.

Четкое значение выхода , соответствующее входному вектору
, определяется в результате дефаззификации нечеткого множества. Наиболее часто применяется дефаззификация по методу центра тяжести:

Модели типа Мамдани и типа Сугэно будут идентичными, когда заключения правил заданы четкими числами, т. е. в случае, если:

1) термы d j выходной переменной в модели типа Мамдани задаются синглтонами - нечеткими аналогами четких чисел. В этом случае степени принадлежностей для всех элементов универсального множества равны нулю, за исключением одного со степенью принадлежности равной единице;

2) заключения правил в базе знаний модели типа Сугэно заданы функциями, в которых все коэффициенты при входных переменных равны нулю.

2.3.2 Нечеткая модель типа Сугэно

На сегодняшний день существует несколько моделей нечеткого управления, одной из которых является модель Такаги-Сугено.

Модель Такаги-Сугено иногда носит называние Takagi-Sugeno-Kang. Причина состоит в том, что этот тип нечеткой модели был первоначально предложен Takagi и Sugeno. Однако Канг и Сугено провели превосходную работу над идентификацией нечеткой модели. Отсюда и происхождение названия модели.

В модели типа Сугэно взаимосвязь между входами
и выходом y задается нечеткой базой знаний вида:

где - некоторые числа.

База знаний (3) аналогична (1) за исключением заключений правил , которые задаются не нечеткими термами, а линейной функцией от входов:

,

Таким образом, база знаний в модели типа Сугэно является гибридной - ее правила содержат посылки в виде нечетких множеств и заключения в виде четкой линейной функции. База знаний (3) может трактоваться как некоторое разбиение пространства влияющих факторов на нечеткие подобласти, в каждой из которых значение функции отклика рассчитывается как линейная комбинация входов. Правила являются своего рода переключателями с одного линейного закона «входы–выход» на другой, тоже линейный. Границы подобластей размытые, следовательно, одновременно могут выполняться несколько линейных законов, но с различными весами. Результирующее значение выхода определяется как суперпозиция линейных зависимостей, выполняемых в данной точке
n-мерного факторного пространства. Это может быть взвешенное среднее

,

или взвешенная сумма

.

Значения
рассчитываются как и для модели типа Мамдани, т. е. по формуле (2).Обратим внимание, что в модели Сугэно в качестве операций ˄ и ˅обычно используются соответственно вероятностное ИЛИ и умножение. В этом случае нечеткая модель типа Сугэно может рассматриваться как особый класс многослойных нейронных сетей прямого распространения сигнала, структура которой изоморфна базе знаний. Такие сети получили название нейро-нечетких.

Эпименид Кносский с острова Крит – полумифический поэт и философ, живший в VI в. до н.э., однажды заявил: «Все критяне – лжецы!». Так как он и сам был критянином, то его помнят как изобре тателя так называемого критского парадокса.

В терминах аристотелевой логики, в которой утверждение не может быть одновременно истинным и ложным, и подобные самоотрицания не имеют смысла. Если они истинны, то они ложны, но если они ложны, то они истинны.

И здесь на сцену выходит нечеткая логика, где переменные могут быть частичными членами множеств. Истинность или ложность перестают быть абсолютными – утверждения могут быть частично истинными и частично ложными. Использование подобного подхода позволяет строго математически доказать, что парадокс Эпименида ровно на 50% истинен и на 50% ложен.

Таким образом, нечеткая логика в самой своей основе несовместима с аристотелевой логикой, особенно в отношении закона Tertium non datur («Третьего не дано» – лат.), который также называют законом исключения среднего1 . Если сформулировать его кратко, то звучит он так: если утверждение не является истинным, то оно является ложным. Эти постулаты настолько базовые, что их часто просто принимают на веру.

Более банальный пример пользы нечеткой логики можно привести в контексте концепции холода. Большинство людей способно ответить на вопрос: «Холодно ли вам сейчас?». В большинстве случаев (если вы разговариваете не с аспирантом-физиком) люди понимают, что речь не идет об абсолютной температуре по шкале Кельвина. Хотя температуру в 0 K можно, без сомнения, назвать холодом, но температуру в +15 C многие холодом считать не будут.

Но машины не способны проводить такую тонкую градацию. Если стандартом определения холода будет «температура ниже +15 C», то +14,99 C будет расцениваться как холод, а +15 C – не будет.

Теория нечетких множеств

Рассмотрим рис. 1. На нем представлен график, помогающий понять то, как человек воспринимает температуру. Температуру в +60 F (+12 C) человек воспринимает как холод, а температуру в +80 F (+27 C) – как жару. Температура в +65 F (+15 C) одним кажется низкой, другим – достаточно комфортной. Мы называем эту группу определений функцией принадлежности к множествам,описывающим субъективное восприятие температуры человеком.

Так же просто можно создать дополнительные множества, описывающие восприятие температуры человеком. Например, можно добавить такие множества, как «очень холодно» и «очень жарко». Можно описать подобные функции для других концепций, например, для состояний «открыто» и «закрыто», температуры в охладителе или температуры в башенном охладителе.

То есть нечеткие системы можно использовать как универсальный аппроксиматор (усреднитель) очень широкого класса линейных и нелинейных систем. Это не только делает более надежными стратегии контроля в нелинейных случаях, но и позволяет использовать оценки специалистов-экспертов для построения схем компьютерной логики.

Нечеткие операторы

Чтобы применить алгебру для работы с нечеткими значениями, нужно определить используемых операторов. Обычно в булевой логике используется лишь ограниченный набор операторов, с помощью которых и производится выполнение других операций: NOT (оператор «НЕ»), AND (оператор «И») и OR (оператор «ИЛИ»).

Можно дать множество определений для этих трех базовых операторов, три из которых приведены в таблице. Кстати, все определения одинаково справедливы для булевой логики (для проверки просто подставьте в них 0 и 1). В булевой логике значение FALSE («ЛОЖЬ») эквивалентно значению «0», а значение TRUE («ИСТИНА») эквивалентно значению «1». Аналогичным образом в нечеткой логике степень истинности может меняться в диапазоне от 0 до 1, поэтому значение «Холод» верно в степени 0,1, а операция NOT(«Холод») даст значение 0,9.

Вы можете вернуться к парадоксу Эпименида и постараться его решить (математически он выражается как A = NOT(A), где A – это степень истинности соответствующего утверждения). Если же вы хотите более сложную задачу, то попробуйте решить вопрос о звуке хлопка, производимого одной рукой…

Решение задач методами нечеткой логики

Лишь немногие клапаны способны открываться «чуть-чуть». При работе оборудования обычно используются четкие значения (например, в случае бимодального сигнала 0-10 В), которые можно получить, используя так называемое «решение задач методами нечеткой логики». Подобный подход позволяет преобразовать семантические знания, содержащиеся в нечеткой системе, в реализуемую стратегию управления2.

Это можно сделать с использованием различных методик, но для иллюстрации процесса в целом рассмотрим всего один пример.

В методе height defuzzification результатом является сумма пиков нечетких множеств, рассчитываемая с использованием весовых коэффициентов. У этого метода есть несколько недостатков, включая плохую работу с несимметричными функциями принадлежности к множествам, но у него есть одно преимущество – этот метод наиболее простой для понимания.

Предположим, что набор правил, управляющих открытием клапана, даст нам следующий результат:

«Клапан частично закрыт»: 0,2

«Клапан частично открыт»: 0,7

«Клапан открыт»: 0,3

Если мы используем метод height defuzzification для определения степени открытости клапана, то получим результат:

«Клапан закрыт»: 0,1

(0,1*0% + 0,2*25% + 0,7*75% + 0,3*100%)/ /(0,1 + 0,2 + 0,7 + 0,3) =

= (0% + 5% + 52,5% + 30%)/(1,3) = = 87,5/1,3 = = 67,3%,

т.е. клапан необходимо открыть на 67,3%.

Практическое применение нечеткой логики

Когда только появилась теория нечеткой логики, в научных журналах можно было найти статьи, посвященные ее возможным областям применения. По мере продвижения разработок в данной области число практических применений для нечеткой логики начало быстро расти. В настоящее время этот список был бы слишком длинным, но вот несколько примеров, которые помогут понять, насколько широко нечеткая логика используется в системах управления и в экспертных системах3.

– Устройства для автоматического поддержания скорости движения автомобиля и увеличения эффективности/стабильности работы автомобильный двигателей (компании Nissan, Subaru).