Что такое нейронная сеть?
Нейронная сеть - это последовательность нейронов, соединенных между собой синапсами. Структура нейронной сети пришла в мир программирования прямиком из биологии. Благодаря такой структуре, машина обретает способность анализировать и даже запоминать различную информацию. Нейронные сети также способны не только анализировать входящую информацию, но и воспроизводить ее из своей памяти. Заинтересовавшимся обязательно к просмотру 2 видео из TED Talks: Видео 1 , Видео 2). Другими словами, нейросеть это машинная интерпретация мозга человека, в котором находятся миллионы нейронов передающих информацию в виде электрических импульсов.
Какие бывают нейронные сети?
Пока что мы будем рассматривать примеры на самом базовом типе нейронных сетей - это сеть прямого распространения (далее СПР). Также в последующих статьях я введу больше понятий и расскажу вам о рекуррентных нейронных сетях. СПР как вытекает из названия это сеть с последовательным соединением нейронных слоев, в ней информация всегда идет только в одном направлении.Для чего нужны нейронные сети?
Нейронные сети используются для решения сложных задач, которые требуют аналитических вычислений подобных тем, что делает человеческий мозг. Самыми распространенными применениями нейронных сетей является:Классификация - распределение данных по параметрам. Например, на вход дается набор людей и нужно решить, кому из них давать кредит, а кому нет. Эту работу может сделать нейронная сеть, анализируя такую информацию как: возраст, платежеспособность, кредитная история и тд.
Предсказание - возможность предсказывать следующий шаг. Например, рост или падение акций, основываясь на ситуации на фондовом рынке.
Распознавание - в настоящее время, самое широкое применение нейронных сетей. Используется в Google, когда вы ищете фото или в камерах телефонов, когда оно определяет положение вашего лица и выделяет его и многое другое.
Теперь, чтобы понять, как же работают нейронные сети, давайте взглянем на ее составляющие и их параметры.
Что такое нейрон?
Нейрон - это вычислительная единица, которая получает информацию, производит над ней простые вычисления и передает ее дальше. Они делятся на три основных типа: входной (синий), скрытый (красный) и выходной (зеленый). Также есть нейрон смещения и контекстный нейрон о которых мы поговорим в следующей статье. В том случае, когда нейросеть состоит из большого количества нейронов, вводят термин слоя. Соответственно, есть входной слой, который получает информацию, n скрытых слоев (обычно их не больше 3), которые ее обрабатывают и выходной слой, который выводит результат. У каждого из нейронов есть 2 основных параметра: входные данные (input data) и выходные данные (output data). В случае входного нейрона: input=output. В остальных, в поле input попадает суммарная информация всех нейронов с предыдущего слоя, после чего, она нормализуется, с помощью функции активации (пока что просто представим ее f(x)) и попадает в поле output.
Важно помнить , что нейроны оперируют числами в диапазоне или [-1,1]. А как же, вы спросите, тогда обрабатывать числа, которые выходят из данного диапазона? На данном этапе, самый простой ответ - это разделить 1 на это число. Этот процесс называется нормализацией, и он очень часто используется в нейронных сетях. Подробнее об этом чуть позже.
Что такое синапс?
Синапс это связь между двумя нейронами. У синапсов есть 1 параметр - вес. Благодаря ему, входная информация изменяется, когда передается от одного нейрона к другому. Допустим, есть 3 нейрона, которые передают информацию следующему. Тогда у нас есть 3 веса, соответствующие каждому из этих нейронов. У того нейрона, у которого вес будет больше, та информация и будет доминирующей в следующем нейроне (пример - смешение цветов). На самом деле, совокупность весов нейронной сети или матрица весов - это своеобразный мозг всей системы. Именно благодаря этим весам, входная информация обрабатывается и превращается в результат.
Важно помнить , что во время инициализации нейронной сети, веса расставляются в случайном порядке.
Как работает нейронная сеть?
В данном примере изображена часть нейронной сети, где буквами I обозначены входные нейроны, буквой H - скрытый нейрон, а буквой w - веса. Из формулы видно, что входная информация - это сумма всех входных данных, умноженных на соответствующие им веса. Тогда дадим на вход 1 и 0. Пусть w1=0.4 и w2 = 0.7 Входные данные нейрона Н1 будут следующими: 1*0.4+0*0.7=0.4. Теперь когда у нас есть входные данные, мы можем получить выходные данные, подставив входное значение в функцию активации (подробнее о ней далее). Теперь, когда у нас есть выходные данные, мы передаем их дальше. И так, мы повторяем для всех слоев, пока не дойдем до выходного нейрона. Запустив такую сеть в первый раз мы увидим, что ответ далек от правильно, потому что сеть не натренирована. Чтобы улучшить результаты мы будем ее тренировать. Но прежде чем узнать как это делать, давайте введем несколько терминов и свойств нейронной сети.
Функция активации
Функция активации - это способ нормализации входных данных (мы уже говорили об этом ранее). То есть, если на входе у вас будет большое число, пропустив его через функцию активации, вы получите выход в нужном вам диапазоне. Функций активации достаточно много поэтому мы рассмотрим самые основные: Линейная, Сигмоид (Логистическая) и Гиперболический тангенс. Главные их отличия - это диапазон значений.Линейная функция
Эта функция почти никогда не используется, за исключением случаев, когда нужно протестировать нейронную сеть или передать значение без преобразований.
Сигмоид
Это самая распространенная функция активации, ее диапазон значений . Именно на ней показано большинство примеров в сети, также ее иногда называют логистической функцией. Соответственно, если в вашем случае присутствуют отрицательные значения (например, акции могут идти не только вверх, но и вниз), то вам понадобиться функция которая захватывает и отрицательные значения.
Гиперболический тангенс
Имеет смысл использовать гиперболический тангенс, только тогда, когда ваши значения могут быть и отрицательными, и положительными, так как диапазон функции [-1,1]. Использовать эту функцию только с положительными значениями нецелесообразно так как это значительно ухудшит результаты вашей нейросети.
Тренировочный сет
Тренировочный сет - это последовательность данных, которыми оперирует нейронная сеть. В нашем случае исключающего или (xor) у нас всего 4 разных исхода то есть у нас будет 4 тренировочных сета: 0xor0=0, 0xor1=1, 1xor0=1,1xor1=0.Итерация
Это своеобразный счетчик, который увеличивается каждый раз, когда нейронная сеть проходит один тренировочный сет. Другими словами, это общее количество тренировочных сетов пройденных нейронной сетью.Эпоха
При инициализации нейронной сети эта величина устанавливается в 0 и имеет потолок, задаваемый вручную. Чем больше эпоха, тем лучше натренирована сеть и соответственно, ее результат. Эпоха увеличивается каждый раз, когда мы проходим весь набор тренировочных сетов, в нашем случае, 4 сетов или 4 итераций.
Важно не путать итерацию с эпохой и понимать последовательность их инкремента. Сначала n
раз увеличивается итерация, а потом уже эпоха и никак не наоборот. Другими словами, нельзя сначала тренировать нейросеть только на одном сете, потом на другом и тд. Нужно тренировать каждый сет один раз за эпоху. Так, вы сможете избежать ошибок в вычислениях.
Ошибка
Ошибка - это процентная величина, отражающая расхождение между ожидаемым и полученным ответами. Ошибка формируется каждую эпоху и должна идти на спад. Если этого не происходит, значит, вы что-то делаете не так. Ошибку можно вычислить разными путями, но мы рассмотрим лишь три основных способа: Mean Squared Error (далее MSE), Root MSE и Arctan. Здесь нет какого-либо ограничения на использование, как в функции активации, и вы вольны выбрать любой метод, который будет приносить вам наилучший результат. Стоит лишь учитывать, что каждый метод считает ошибки по разному. У Arctan, ошибка, почти всегда, будет больше, так как он работает по принципу: чем больше разница, тем больше ошибка. У Root MSE будет наименьшая ошибка, поэтому, чаще всего, используют MSE, которая сохраняет баланс в вычислении ошибки.В наши дни возрастает необходимость в системах, которые способны не только выполнять однажды запрограммированную последовательность действий над заранее определенными данными, но и способны сами анализировать вновь поступающую информацию, находить в ней закономерности, производить прогнозирование и т.д. В этой области приложений самым лучшим образом зарекомендовали себя так называемые нейронные сети – самообучающиеся системы, имитирующие деятельность человеческого мозга. Рассмотрим подробнее структуру искусственных нейронных сетей (НС) и их применение в конкретных задачах.
Искусственный нейрон
Несмотря на большое разнообразие вариантов нейронных сетей, все они имеют общие черты. Так, все они, так же, как и мозг человека, состоят из большого числа связанных между собой однотипных элементов – нейронов , которые имитируют нейроны головного мозга. На рис. 1 показана схема нейрона.
Из рисунка видно, что искусственный нейрон, так же, как и живой, состоит из синапсов, связывающих входы нейрона с ядром; ядра нейрона, которое осуществляет обработку входных сигналов и аксона, который связывает нейрон с нейронами следующего слоя. Каждый синапс имеет вес, который определяет, насколько соответствующий вход нейрона влияет на его состояние. Состояние нейрона определяется по формуле
$S =\sum \limits_{i=1}^{n} \,x_iw_i$, (1)
$\sum \limits_{k=1}^{N} k^2$, (1)
n – число входов нейрона
x i – значение i-го входа нейрона
w i – вес i-го синапса.
Затем определяется значение аксона нейрона по формуле
$Y = f\,(S)$, (2)
Где f – некоторая функция, которая называется активационной . Наиболее часто в качестве активационной функции используется так называемый сигмоид , который имеет следующий вид:
$f\,(x) = \frac{1}{1\,+\,\mbox e^{-ax}}$, (3)
Основное достоинство этой функции в том, что она дифференцируема на всей оси абсцисс и имеет очень простую производную:
$f"\,(x) = \alpha f(x)\,\bigl(1\,-\,f\,(x)\bigr)$, (4)
При уменьшении параметра a сигмоид становится более пологим, вырождаясь в горизонтальную линию на уровне 0,5 при a=0. При увеличении a сигмоид все больше приближается к функции единичного скачка.
Нейронные сети обратного распространения
Нейронные сети обратного распространения – это мощнейший инструмент поиска закономерностей, прогнозирования, качественного анализа. Такое название – сети обратного распространения (back propagation) они получили из-за используемого алгоритма обучения, в котором ошибка распространяется от выходного слоя к входному, т. е. в направлении, противоположном направлению распространения сигнала при нормальном функционировании сети.
Нейронная сеть обратного распространения состоит из нескольких слоев нейронов, причем каждый нейрон слоя i связан с каждым нейроном слоя i+1 , т. е. речь идет о полносвязной НС.
В общем случае задача обучения НС сводится к нахождению некой функциональной зависимости Y=F(X) где X – входной, а Y – выходной векторы. В общем случае такая задача, при ограниченном наборе входных данных, имеет бесконечное множество решений. Для ограничения пространства поиска при обучении ставится задача минимизации целевой функции ошибки НС, которая находится по методу наименьших квадратов:
$E\,(w) = \frac{1}{2}\sum \limits_{j=1}^{p} \, {(y_i\,-\,d_i)}^2$, (5)
y j – значение j-го выхода нейросети,
d j – целевое значение j-го выхода,
p – число нейронов в выходном слое.
Обучение нейросети производится методом градиентного спуска, т. е. на каждой итерации изменение веса производится по формуле:
$\Delta\,w_{ij} = -\,\eta\,\cdot\,\frac{\partial\,E}{\partial\,w_{ij}}$, (6)
где h – параметр, определяющий скорость обучения.
$\frac{\partial\,E}{\partial\,w_{ij}} = \frac{\partial\,E}{\partial\,y_i}\,\cdot\,\frac{dy_i}{dS_j}\,\cdot\,\frac{\partial\,S_j}{\partial\,w_{ij}}$, (7)
y j – значение выхода j-го нейрона,
S j – взвешенная сумма входных сигналов, определяемая по формуле (1).
При этом множитель
$\frac{\partial\,S_j}{\partial\,w_{ij}} = x_i$, (8)
x i – значение i-го входа нейрона.
$\frac{\partial\,E}{\partial\,y_j} = \sum \limits_{k}^{} \frac{\partial\,E}{\partial\,y_k}\,\cdot\,\frac{dy_k}{dS_k}\,\cdot\,\frac{\partial\,S_k}{\partial\,y_j} = \sum \limits_{k}^{} \frac{\partial\,E}{\partial\,y_k}\,\cdot\,\frac{dy_k}{dS_k}\,\cdot\,w_{jk}^{(n+1)}$, (9)
k – число нейронов в слое n+1 .
Введем вспомогательную переменную
$\delta_j^{(n)}= \frac{\partial\,E}{\partial\,y_j}\,\cdot\,\frac{dy_j}{dS_j}$, (10)
Тогда мы сможем определить рекурсивную формулу для определения n -ного слоя, если нам известно следующего (n+1) -го слоя.
$\delta_j^{(n)}= \biggl[ \sum \limits_{k}^{} \delta_k^{(n+1)}\,\cdot\,w_{jk}^{(n+1)}\biggr]\,\cdot\,\frac{dy_j}{dS_j}$, (11)
Нахождение же для последнего слоя НС не представляет трудности, так как нам известен целевой вектор, т. е. вектор тех значений, которые должна выдавать НС при данном наборе входных значений.
$\delta_j^{(N)}= \bigl(y_i^{(N)}-\,d_i\bigr)\,\cdot\,\frac{dy_j}{dS_j}$, (12)
И наконец запишем формулу (6) в раскрытом виде
$\Delta w_{ij}^{(n)}= -\,\eta\,\cdot\,\delta_j^{(n)}\,\cdot\,x_i^n$, (13)
Рассмотрим теперь полный алгоритм обучения нейросети:
- подать на вход НС один из требуемых образов и определить значения выходов нейронов нейросети
- рассчитать для выходного слоя НС по формуле (12) и рассчитать изменения весов выходного слоя N по формуле (13)
- Рассчитать по формулам (11) и (13) соответственно и $\Delta w_{ij}^{(N)}$ для остальных слоев НС, n = N-1..1
- Скорректировать все веса НС
$w_{ij}^{(n)}\,(t) = w_{ij}^{(n)}\,(t\,-\,1) \,+\,\Delta w_{ij}^{(n)}\,(t)$, (14)
- Если ошибка существенна, то перейти на шаг 1
На этапе 2 сети поочередно в случайном порядке предъявляются вектора из обучающей последовательности.
Повышение эффективности обучения НС обратного распространения
Простейший метод градиентного спуска, рассмотренный выше, очень неэффективен в случае, когда производные по различным весам сильно отличаются. Это соответствует ситуации, когда значение функции S для некоторых нейронов близка по модулю к 1 или когда модуль некоторых весов много больше 1. В этом случае для плавного уменьшения ошибки надо выбирать очень маленькую скорость обучения, но при этом обучение может занять непозволительно много времени.
Простейшим методом усовершенствования градиентного спуска является введение момента m , когда влияние градиента на изменение весов изменяется со временем. Тогда формула (13) примет вид
$\Delta w_{ij}^{(n)}\,(t) = -\,\eta\,\cdot\,\delta_j^{(n)}\,\cdot\,x_i^n\,+\,\mu\,\Delta w_{ij}^{(n)}\,(t\,-\,1)$ , (13.1)
Дополнительным преимуществом от введения момента является способность алгоритма преодолевать мелкие локальные минимумы.
Представление входных данных
Основное отличие НС в том, что в них все входные и выходные параметры представлены в виде чисел с плавающей точкой обычно в диапазоне . В то же время данные предметной области часто имеют другое кодирование. Так, это могут быть числа в произвольном диапазоне, даты, символьные строки. Таким образом данные о проблеме могут быть как количественными, так и качественными. Рассмотрим сначала преобразование качественных данных в числовые, а затем рассмотрим способ преобразования входных данных в требуемый диапазон.
Качественные данные мы можем разделить на две группы: упорядоченные (ординальные) и неупорядоченные. Для рассмотрения способов кодирования этих данных мы рассмотрим задачу о прогнозировании успешности лечения какого-либо заболевания. Примером упорядоченных данных могут, например, являться данные, например, о дополнительных факторах риска при данном заболевании.
А также возможным примером может быть, например, возраст больного:
Опасность каждого фактора возрастает в таблицах при движении слева направо.
В первом случае мы видим, что у больного может быть несколько факторов риска одновременно. В таком случае нам необходимо использовать такое кодирование, при котором отсутствует ситуация, когда разным комбинациям факторов соответствует одно и то же значение. Наиболее распространен способ кодирования, когда каждому фактору ставится в соответствие разряд двоичного числа. 1 в этом разряде говорит о наличии фактора, а 0 о его отсутствии. Параметру нет можно поставить в соответствии число 0. Таким образом для представления всех факторов достаточно 4-х разрядного двоичного числа. Таким образом число 1010 2 = 10 10 означает наличие у больного гипертонии и употребления алкоголя, а числу 0000 2 соответствует отсутствие у больного факторов риска. Таким образом факторы риска будут представлены числами в диапазоне .
Во втором случае мы также можем кодировать все значения двоичными весами, но это будет нецелесообразно, т.к. набор возможных значений будет слишком неравномерным. В этом случае более правильным будет установка в соответствие каждому значению своего веса, отличающегося на 1 от веса соседнего значения. Так, число 3 будет соответствовать возрасту 50-59 лет. Таким образом возраст будет закодирован числами в диапазоне .
В принципе аналогично можно поступать и для неупорядоченных данных, поставив в соответствие каждому значению какое-либо число. Однако это вводит нежелательную упорядоченность, которая может исказить данные, и сильно затруднить процесс обучения. В качестве одного из способов решения этой проблемы можно предложить поставить в соответствие каждому значению одного из входов НС. В этом случае при наличии этого значения соответствующий ему вход устанавливается в 1 или в 0 при противном случае. К сожалению, данный способ не является панацеей, ибо при большом количестве вариантов входного значения число входов НС разрастается до огромного количества. Это резко увеличит затраты времени на обучение. В качестве варианта обхода этой проблемы можно использовать несколько другое решение. В соответствие каждому значению входного параметра ставится бинарный вектор, каждый разряд которого соответствует отдельному входу НС.
Литература
- Dirk Emma Baestaens, Willem Max Van Den Bergh, Douglas Wood, "Neural Network Solution for Trading in Financial Markets", Pitman publishing
- R. M. Hristev, "Artifical Neural Networks"
- С. Короткий, "Нейронные сети: Алгоритм обратного распространения"
- С. Короткий, "Нейронные сети: Основные положения"
Искусственный интеллект, нейронные сети, машинное обучение — что на самом деле означают все эти нынче популярные понятия? Для большинства непосвященных людей, коим и являюсь я сам, они всегда казались чем-то фантастическим, но на самом деле суть их лежит на поверхности. У меня давно созревала идея написать простым языком об искусственных нейронных сетях. Узнать самому и рассказать другим, что представляют собой эта технология, как она работают, рассмотреть ее историю и перспективы. В этой статье я постарался не залезать в дебри, а просто и популярно рассказать об этом перспективном направление в мире высоких технологий.
Искусственный интеллект, нейронные сети, машинное обучение - что на самом деле означают все эти нынче популярные понятия? Для большинства непосвященных людей, коим являюсь и я сам, они всегда казались чем-то фантастическим, но на самом деле суть их лежит на поверхности. У меня давно созревала идея написать простым языком об искусственных нейронных сетях. Узнать самому и рассказать другим, что представляет собой эта технология, как она работает, рассмотреть ее историю и перспективы. В этой статье я постарался не залезать в дебри, а просто и популярно рассказать об этом перспективном направление в мире высоких технологий.
Немного истории
Впервые понятие искусственных нейронных сетей (ИНС) возникло при попытке смоделировать процессы головного мозга. Первым серьезным прорывом в этой сфере можно считать создание модели нейронных сетей МакКаллока-Питтса в 1943 году. Учеными впервые была разработана модель искусственного нейрона. Ими также была предложена конструкция сети из этих элементов для выполнения логических операций. Но самое главное, учеными было доказано, что подобная сеть способна обучаться.
Следующим важным шагом стала разработка Дональдом Хеббом первого алгоритма вычисления ИНС в 1949 году, который стал основополагающем на несколько последующих десятилетий. В 1958 году Фрэнком Розенблаттом был разработан парцептрон - система, имитирующая процессы головного мозга. В свое время технология не имела аналогов и до сих пор является основополагающей в нейронных сетях. В 1986 году практически одновременно, независимо друг от друга американскими и советскими учеными был существенно доработан основополагающий метод обучения многослойного перцептрона . В 2007 году нейронные сети перенесли второе рождение. Британский информатик Джеффри Хинтоном впервые разработал алгоритм глубокого обучения многослойных нейронных сетей, который сейчас, например, используется для работы беспилотных автомобилей.
Коротко о главном
В общем смысле слова, нейронные сети - это математические модели, работающие по принципу сетей нервных клеток животного организма. ИНС могут быть реализованы как в программируемые, так и в аппаратные решения. Для простоты восприятия нейрон можно представить, как некую ячейку, у которой имеется множество входных отверстий и одно выходное. Каким образом многочисленные входящие сигналы формируются в выходящий, как раз и определяет алгоритм вычисления. На каждый вход нейрона подаются действенные значения, которые затем распространяются по межнейронным связям (синопсисам). У синапсов есть один параметр - вес, благодаря которому входная информация изменяется при переходе от одного нейрона к другому. Легче всего принцип работы нейросетей можно представить на примере смешения цветов. Синий, зеленый и красный нейрон имеют разные веса. Информация того нейрона, вес которого больше будет доминирующей в следующем нейроне.
Сама нейросеть представляет собой систему из множества таких нейронов (процессоров). По отдельности эти процессоры достаточно просты (намного проще, чем процессор персонального компьютера), но будучи соединенными в большую систему нейроны способны выполнять очень сложные задачи.
В зависимости от области применения нейросеть можно трактовать по-разному, Например, с точки зрения машинного обучения ИНС представляет собой метод распознавания образов. С математической точки зрения - это многопараметрическая задача. С точки зрения кибернетики - модель адаптивного управления робототехникой. Для искусственного интеллекта ИНС - это основополагающее составляющее для моделирования естественного интеллекта с помощью вычислительных алгоритмов.
Основным преимуществом нейросетей над обычными алгоритмами вычисления является их возможность обучения. В общем смысле слова обучение заключается в нахождении верных коэффициентов связи между нейронами, а также в обобщении данных и выявлении сложных зависимостей между входными и выходными сигналами. Фактически, удачное обучение нейросети означает, что система будет способна выявить верный результат на основании данных, отсутствующих в обучающей выборке.
Сегодняшнее положение
И какой бы многообещающей не была бы эта технология, пока что ИНС еще очень далеки от возможностей человеческого мозга и мышления. Тем не менее, уже сейчас нейросети применяются во многих сферах деятельности человека. Пока что они не способны принимать высокоинтеллектуальные решения, но в состоянии заменить человека там, где раньше он был необходим. Среди многочисленных областей применения ИНС можно отметить: создание самообучающихся систем производственных процессов, беспилотные транспортные средства, системы распознавания изображений, интеллектуальные охранные системы, робототехника, системы мониторинга качества, голосовые интерфейсы взаимодействия, системы аналитики и многое другое. Такое широкое распространение нейросетей помимо прочего обусловлено появлением различных способов ускорения обучения ИНС.
На сегодняшний день рынок нейронных сетей огромен - это миллиарды и миллиарды долларов. Как показывает практика, большинство технологий нейросетей по всему миру мало отличаются друг от друга. Однако применение нейросетей - это очень затратное занятие, которое в большинстве случаев могут позволить себе только крупные компании. Для разработки, обучения и тестирования нейронных сетей требуются большие вычислительные мощности, очевидно, что этого в достатке имеется у крупных игроков на рынке ИТ. Среди основных компаний, ведущих разработки в этой области можно отметить подразделение Google DeepMind, подразделение Microsoft Research, компании IBM, Facebook и Baidu.
Конечно, все это хорошо: нейросети развиваются, рынок растет, но пока что главная задача так и не решена. Человечеству не удалось создать технологию, хотя бы приближенную по возможностям к человеческому мозгу. Давайте рассмотрим основные различия между человеческим мозгом и искусственными нейросетями.
Почему нейросети еще далеки до человеческого мозга?
Самым главным отличием, которое в корне меняет принцип и эффективность работы системы - это разная передача сигналов в искусственных нейронных сетях и в биологической сети нейронов. Дело в том, что в ИНС нейроны передают значения, которые являются действительными значениями, то есть числами. В человеческом мозге осуществляется передача импульсов с фиксированной амплитудой, причем эти импульсы практически мгновенные. Отсюда вытекает целый ряд преимуществ человеческой сети нейронов.
Во-первых, линии связи в мозге намного эффективнее и экономичнее, чем в ИНС. Во-вторых, импульсная схема обеспечивает простоту реализации технологии: достаточно использование аналоговых схем вместо сложных вычислительных механизмов. В конечном счете, импульсные сети защищены от звуковых помех. Действенные числа подвержены влиянию шумов, в результате чего повышается вероятность возникновения ошибки.
Итог
Безусловно, в последнее десятилетие произошел настоящий бум развития нейронных сетей. В первую очередь это связано с тем, что процесс обучения ИНС стал намного быстрее и проще. Также стали активно разрабатываться так называемые «предобученные» нейросети, которые позволяют существенно ускорить процесс внедрения технологии. И если пока что рано говорить о том, смогут ли когда-то нейросети полностью воспроизвести возможности человеческого мозга, вероятность того, что в ближайшее десятилетие ИНС смогут заменить человека на четверти существующих профессий все больше становится похожим на правду.
Для тех, кто хочет знать больше
- Большая нейронная война: что на самом деле затевает Google
- Как когнитивные компьютеры могут изменить наше будущее
НЕЙРО́ННЫЕ СЕ́ТИ искусственные, многослойные высокопараллельные (т. е. с большим числом независимо параллельно работающих элементов) логические структуры, составленные из формальных нейронов. Начало теории нейронных сетей и нейрокомпьютеров положила работа американских нейрофизиологов У. Мак-Каллока и У. Питтса «Логическое исчисление идей, относящихся к нервной деятельности» (1943), в которой они предложили математическую модель биологического нейрона. Среди основополагающих работ следует выделить модель Д. Хэбба, который в 1949 г. предложил закон обучения, явившийся стартовой точкой для алгоритмов обучения искусственных нейронных сетей. На дальнейшее развитие теории нейронной сети существенное влияние оказала монография американского нейрофизиолога Ф. Розенблатта «Принципы нейродинамики», в которой он подробно описал схему перцептрона (устройства, моделирующего процесс восприятия информации человеческим мозгом). Его идеи получили развитие в научных работах многих авторов. В 1985–86 гг. теория нейронных сетей получила «технологический импульс», вызванный возможностью моделирования нейронных сетей на появившихся в то время доступных и высокопроизводительных персональных компьютерах . Теория нейронной сети продолжает достаточно активно развиваться в начале 21 века. По оценкам специалистов, в ближайшее время ожидается значительный технологический рост в области проектирования нейронных сетей и нейрокомпьютеров. За последние годы уже открыто немало новых возможностей нейронных сетей, а работы в данной области вносят существенный вклад в промышленность, науку и технологии, имеют большое экономическое значение.
Основные направления применения нейронных сетей
Потенциальными областями применения искусственных нейронных сетей являются те, где человеческий интеллект малоэффективен, а традиционные вычисления трудоёмки или физически неадекватны (т. е. не отражают или плохо отражают реальные физические процессы и объекты). Актуальность применения нейронных сетей (т. е. нейрокомпьютеров) многократно возрастает, когда появляется необходимость решения плохо формализованных зада ч. Основные области применения нейронных сетей: автоматизация процесса классификации, автоматизация прогнозирования, автоматизация процесса распознавания, автоматизация процесса принятия решений; управление, кодирование и декодирование информации; аппроксимация зависимостей и др.
С помощью нейронных сетей успешно решается важная задача в области телекоммуникаций – проектирование и оптимизация сетей связи (нахождение оптимального пути трафика между узлами). Кроме управления маршрутизацией потоков, нейронные сети используются для получения эффективных решений в области проектирования новых телекоммуникационных сетей.
Распознавание речи – одна из наиболее популярных областей применения нейронных сетей.
Ещё одна область – управление ценами и производством (потери от неоптимального планирования производства часто недооцениваются). Поскольку спрос и условия реализации продукции зависят от времени, сезона, курсов валют и многих других факторов, то и объём производства должен гибко варьироваться с целью оптимального использования ресурсов (нейросетевая система обнаруживает сложные зависимости между затратами на рекламу, объёмами продаж, ценой, ценами конкурентов, днём недели, сезоном и т. д.). В результате использования системы осуществляется выбор оптимальной стратегии производства с точки зрения максимизации объёма продаж или прибыли.
При анализе потребительского рынка (маркетинг), когда обычные (классические) методы прогнозирования отклика потребителей могут быть недостаточно точны, используется прогнозирующая нейросетевая система с адаптивной архитектурой нейросимулятора.
Исследование спроса позволяет сохранить бизнес компании в условиях конкуренции, т. е. поддерживать постоянный контакт с потребителями через «обратную связь». Крупные компании проводят опросы потребителей, позволяющие выяснить, какие факторы являются для них решающими при покупке данного товара или услуги, почему в некоторых случаях предпочтение отдаётся конкурентам и какие товары потребитель хотел бы увидеть в будущем. Анализ результатов такого опроса – достаточно сложная задача, так как существует большое число коррелированных параметров. Нейросетевая система позволяет выявлять сложные зависимости между факторами спроса, прогнозировать поведение потребителей при изменении маркетинговой политики, находить наиболее значимые факторы и оптимальные стратегии рекламы, а также очерчивать сегмент потребителей, наиболее перспективный для данного товара.
В медицинской диагностике нейронные сети применяются, например, для диагностики слуха у грудных детей. Система объективной диагностики обрабатывает зарегистрированные «вызванные потенциалы» (отклики мозга), проявляющиеся в виде всплесков на электроэнцефалограмме, в ответ на звуковой раздражитель, синтезируемый в процессе обследования. Обычно для уверенной диагностики слуха ребёнка опытному эксперту-аудиологу необходимо провести до 2000 тестов, что занимает около часа. Система на основе нейронной сети способна с той же достоверностью определить уровень слуха уже по 200 наблюдениям в течение всего нескольких минут, причём без участия квалифицированного персонала.
Нейронные сети применяются также для прогнозирования краткосрочных и долгосрочных тенденций в различных областях (финансовой, экономической, банковской и др.).
Структура нейронных сетей
Нервная система и мозг человека состоят из нейронов, соединённых между собой нервными волокнами. Нервные волокна способны передавать электрические импульсы между нейронами. Все процессы передачи раздражений от нашей кожи, ушей и глаз к мозгу, процессы мышления и управления действиями – всё это реализовано в живом организме как передача электрических импульсов между нейронами.
Биологический нейрон (Cell) имеет ядро (Nucleus), а также отростки нервных волокон двух типов (рис. 1) – дендриты (Dendrites), по которым принимаются импульсы (Carries signals in), и единственный аксон (Axon), по которому нейрон может передавать импульс (Carries signals away). Аксон контактирует с дендритами других нейронов через специальные образования – синапсы (Synapses), которые влияют на силу передаваемого импульса. Структура, состоящая из совокупности большого количества таких нейронов, получила название биологической (или естественной) нейронной сети.
Появление формального нейрона во многом обусловлено изучением биологических нейронов. Формальный нейрон (далее – нейрон) является основой любой искусственной нейронной сети. Нейроны представляют собой относительно простые, однотипные элементы, имитирующие работу нейронов мозга. Каждый нейрон характеризуется своим текущим состоянием по аналогии с нервными клетками головного мозга, которые могут быть возбуждены и заторможены. Искусственный нейрон, так же как и его естественный прототип, имеет группу синапсов (входов ), которые соединены с выходами других нейронов, а также аксон – выходную связь данного нейрона, откуда сигнал возбуждения или торможения поступает на синапсы других нейронов.
Формальный нейрон представляет собой логический элемент с $N$ входами, ($N+1$ ) весовыми коэффициентами, сумматором и нелинейным преобразователем. Простейший формальный нейрон, осуществляющий логическое преобразование $y = \text{sign}\sum_{i=0}^{N}a_ix_i$ входных сигналов (которыми, напр., являются выходные сигналы др. формальных нейронов Н. с.) в выходной сигнал, представлен на рис. 1.
Здесь $y$ – значение выхода формального нейрона; $a_i$ – весовые коэффициенты; $x_i$ – входные значения формального нейрона ($x_i∈\left \{0,1\right \},\; x_0=1$ ). Процесс вычисления выходного значения формального нейрона представляет собой движение потока данных и их преобразование. Сначала данные поступают на блок входа формального нейрона, где происходит умножение исходных данных на соответствующие весовые коэффициенты, т. н. синоптические веса (в соответствии с синапсами биологических нейронов). Весовой коэффициент является мерой, которая определяет, насколько соответствующее входное значение влияет на состояние формального нейрона. Весовые коэффициенты могут изменяться в соответствии с обучающими примерами, архитектурой Н. с., правилами обучения и др. Полученные (при умножении) значения преобразуются в сумматоре в одно числовое значение $g$ (посредством суммирования). Затем для определения выхода формального нейрона в блоке нелинейного преобразования (реализующего передаточную функцию) $g$ сравнивается с некоторым числом (порогом). Если сумма больше значения порога, формальный нейрон генерирует сигнал, в противном случае сигнал будет нулевым или тормозящим. В данном формальном нейроне применяется нелинейное преобразование$$\text{sign}(g)= \begin{cases} 0,\; g < 0 \\ 1,\; g ⩾ 0 \end{cases},\quad \text{где}\,\,g = \sum_{i=0}^N a_i x_i.$$
Выбор структуры нейронной сети осуществляется в соответствии с особенностями и сложностью задачи. Теоретически число слоёв и число нейронов в каждом слое нейронной сети может быть произвольным, однако фактически оно ограничено ресурсами компьютера или специализированной микросхемы, на которых обычно реализуется нейронная сеть. При этом если в качестве активационной функции для всех нейронов сети используется функция единичного скачка, нейронная сеть называется многослойным персептроно м.
На рис. 3 показана общая схема многослойной нейронной сети с последовательными связями. Высокий параллелизм обработки достигается путём объединения большого числа формальных нейронов в слои и соединения определённым образом различных нейронов между собой.
В общем случае в эту структуру могут быть введены перекрёстные и обратные связи с настраиваемыми весовыми коэффициентами (рис. 4).
Нейронные сети являются сложными нелинейными системами с огромным числом степеней свободы. Принцип, по которому они обрабатывают информацию, отличается от принципа, используемого в компьютерах на основе процессоров с фон-неймановской архитектурой – с логическим базисом И, ИЛИ, НЕ (см. Дж. фон Нейман , Вычислительная машина ). Вместо классического программирования (как в традиционных вычислительных системах) применяется обучение нейронной сети, которое сводится, как правило, к настройке весовых коэффициентов с целью оптимизации заданного критерия качества функционирования нейронной сети.
Нейросетевые алгоритмы
Нейросетевым алгоритмом решения задач называется вычислительная процедура, полностью или по большей части реализованная в виде нейронной сети той или иной структуры (например, многослойная нейронная сеть с последовательными или перекрёстными связями между слоями формальных нейронов) с соответствующим алгоритмом настройки весовых коэффициентов. Основой разработки нейросетевого алгоритма является системный подход, при котором процесс решения задачи представляется как функционирование во времени некоторой динамической системы. Для её построения необходимо определить: объект, выступающий в роли входного сигнала нейронной сети; объект, выступающий в роли выходного сигнала нейронной сети (например, непосредственно решение или некоторая его характеристика); желаемый (требуемый) выходной сигнал нейронной сети; структуру нейронной сети (число слоёв, связи между слоями, объекты, служащие весовыми коэффициентами); функцию ошибки системы (характеризующую отклонение желаемого выходного сигнала нейронной сети от реального выходного сигнала); критерий качества системы и функционал её оптимизации, зависящий от ошибки; значение весовых коэффициентов (например, определяемых аналитически непосредственно из постановки задачи, с помощью некоторых численных методов или процедуры настройки весовых коэффициентов нейронной сети).
Количество и тип формальных нейронов в слоях, а также число слоёв нейронов выбираются исходя из специфики решаемых задач и требуемого качества решения. Нейронная сеть в процессе настройки на решение конкретной задачи рассматривается как многомерная нелинейная система, которая в итерационном режиме целенаправленно ищет оптимум некоторого функционала, количественно определяющего качество решения поставленной задачи. Для нейронных сетей, как многомерных нелинейных объектов управления, формируются алгоритмы настройки множества весовых коэффициентов. Основные этапы исследования нейронной сети и построения алгоритмов настройки (адаптации) их весовых коэффициентов включают: исследование характеристик входного сигнала для различных режимов работы нейронной сети (входным сигналом нейронной сети является, как правило, входная обрабатываемая информация и указание так называемого «учител я» нейронной сети); выбор критериев оптимизации (при вероятностной модели внешнего мира такими критериями могут быть минимум средней функции риска, максимум апостериорной вероятности, в частности при наличии ограничений на отдельные составляющие средней функции риска); разработку алгоритма поиска экстремумов функционалов оптимизации (например, для реализации алгоритмов поиска локальных и глобального экстремумов); построение алгоритмов адаптации коэффициентов нейронной сети; анализ надёжности и методов диагностики нейронной сети и др.
Необходимо отметить, что введение обратных связей и, как следствие, разработка алгоритмов настройки их коэффициентов в 1960–80 годы имели чисто теоретический смысл, т. к. не было практических задач, адекватных таким структурам. Лишь в конце 1980-х – начале 1990-х годов стали появляться такие задачи и простейшие структуры с настраиваемыми обратными связями для их решения (так называемые рекуррентные нейронные сети). Разработчики в области нейросетевых технологий занимались не только созданием алгоритмов настройки многослойных нейронных сетей и нейросетевыми алгоритмами решения различных задач, но и наиболее эффективными (на текущий момент развития технологии электроники) аппаратными эмуляторами (особые программы, которые предназначены для запуска одной системы в оболочке другой) нейросетевых алгоритмов. В 1960-е годы, до появления микропроцессора, наиболее эффективными эмуляторами нейронных сетей были аналоговые реализации разомкнутых нейронных сетей с разработанными алгоритмами настройки на универсальных ЭВМ (иногда системы на адаптивных элементах с аналоговой памятью). Такой уровень развития электроники делал актуальным введение перекрёстных связей в структуры нейронных сетей. Это приводило к значительному уменьшению числа нейронов в нейронной сети при сохранении качества решения задачи (например, дискриминантной способности при решении задач распознавания образов). Исследования 1960–70-х годов в области оптимизации структур нейронных сетей с перекрёстными связями наверняка найдут развитие при реализации мемристорных нейронных систем [мемристор (memristor, от memory – память, и resistor – электрическое сопротивление), пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протекавшего через него заряда], с учётом их специфики в части аналого-цифровой обработки информации и весьма значительного количества настраиваемых коэффициентов. Специфические требования прикладных задач определяли некоторые особенности структур нейронных сетей с помощью алгоритмов настройки: континуум (от лат. continuum – непрерывное, сплошное) числа классов, когда указание «учителя» системы формируется в виде непрерывного значения функции в некотором диапазоне изменения; континуум решений многослойной нейронной сети, формируемый выбором континуальной функции активации нейрона последнего слоя; континуум числа признаков, формируемый переходом в пространстве признаков от представления выходного сигнала в виде $N$ -мерного вектора вещественных чисел к вещественной функции в некотором диапазоне изменения аргумента; континуум числа признаков, как следствие, требует специфической программной и аппаратной реализации нейронной сети; вариант континуума признаков входного пространства был реализован в задаче распознавания периодических сигналов без преобразования их с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на входе системы, и реализацией аналого-цифровой многослойной нейронной сети; континуум числа нейронов в слое; реализация многослойных нейронных сетей с континуумом классов и решений проводится выбором соответствующих видов функций активации нейронов последнего слоя.
В таблице показан систематизированный набор вариантов алгоритмов настройки многослойных нейронных сетей в пространстве «Входной сигнал – пространство решений». Представлено множество вариантов характеристик входных и выходных сигналов нейронных сетей, для которых справедливы алгоритмы настройки коэффициентов, разработанных российской научной школой в 1960–70 годах. Сигнал на вход нейронной сети описывается количеством классов (градаций) образов, представляющих указания «учителя». Выходной сигнал нейронной сети представляет собой количественное описание пространства решений. В таблице дана классификация вариантов функционирования нейронных сетей для различных видов входного сигнала (2 класса, $K$ классов, континуум классов) и различных вариантов количественного описания пространства решений (2 решения, $K_p$ решений, континуум решений). Цифрами 1, 7, 8 представлены конкретные варианты функционирования нейронных сетей.
Таблица. Набор вариантов алгоритмов настройки
| Пространство(число) решений | Входной сигнал |
||||
| 2 класса | $K$ классов | Континуум классов | |||
| 2 | 1 | 7 | 8 | ||
| $K_p$ | $K_p=3$ | 3а | $K\lt K_p$ | 9 | 10 |
| $K = K_p$ | 2 | ||||
| $K_p =\text{const}$ | 3б | $K\gt K_p$ | 4 | ||
| Континуум | 5 | 6 | 11 | ||
Основными преимуществами нейронных сетей как логического базиса алгоритмов решения сложных задач являются: инвариантность (неизменность, независимость) методов синтеза нейронных сетей от размерности пространства признаков; возможность выбора структуры нейронных сетей в значительном диапазоне параметров в зависимости от сложности и специфики решаемой задачи с целью достижения требуемого качества решения; адекватность текущим и перспективным технологиям микроэлектроники; отказоустойчивость в смысле его небольшого, а не катастрофического изменения качества решения задачи в зависимости от числа вышедших из строя элементов.
Нейронные сети – частный вид объекта управления в адаптивной системе
Нейронные сети явились в теории управления одним из первых примеров перехода от управления простейшими линейными стационарными системами к управлению сложными нелинейными, нестационарными, многомерными, многосвязными системами. Во второй половине 1960-х годов родилась методика синтеза нейронных сетей, которая развивалась и успешно применялась в течение последующих почти пятидесяти лет. Общая структура этой методики представлена на рис. 5.
Входные сигналы нейронных сетей
Вероятностная модель окружающего мира является основой нейросетевых технологий. Подобная модель – основа математической статистики. Нейронные сети возникли как раз в то время, когда экспериментаторы, использующие методы математической статистики, задали себе вопрос: «А почему мы обязаны описывать функции распределения входных случайных сигналов в виде конкретных аналитических выражений (нормальное распределение, распределение Пуассона и т. д.)? Если это правильно и на это есть какая-то физическая причина, то задача обработки случайных сигналов становится достаточно простой».
Специалисты по нейросетевым технологиям сказали: «Мы ничего не знаем о функции распределения входных сигналов, мы отказываемся от необходимости формального описания функции распределения входных сигналов, даже если сузим класс решаемых задач. Мы считаем функции распределения входных сигналов сложными, неизвестными и будем решать частные конкретные задачи в условиях подобной априорной неопределённости (т. е. неполноты описания; нет информации и о возможных результатах)». Именно поэтому нейронные сети в начале 1960-х годов эффективно применялись при решении задач распознавания образов. Причём задача распознавания образов трактовалась как задача аппроксимации многомерной случайной функции, принимающей $K$ значений, где $K$ – число классов образов.
Ниже отмечены некоторые режимы работы многослойных нейронных сетей, определяемые характеристиками случайных входных сигналов, для которых ещё в конце 1960-х годов были разработаны алгоритмы настройки коэффициентов.
Обучение нейронных сетей
Очевидно, что функционирование нейронной сети, т. е. действия, которые она способна выполнять, зависит от величин синоптических связей. Поэтому, задавшись структурой нейронной сети, отвечающей определённой задаче, разработчик должен найти оптимальные значения для всех весовых коэффициентов $w$ . Этот этап называется обучением нейронной сети, и от того, насколько качественно он будет выполнен, зависит способность сети решать во время эксплуатации поставленные перед ней проблемы. Важнейшими параметрами обучения являются: качество подбора весовых коэффициентов и время, которое необходимо затратить на обучение. Как правило, два этих параметра связаны между собой обратной зависимостью и их приходится выбирать на основе компромисса. В настоящее время все алгоритмы обучения нейронных сетей можно разделить на два больших класса: «с учителем» и «без учителя».
Априорные вероятности появления классов
При всей недостаточности априорной информации о функциях распределения входных сигналов игнорирование некоторой полезной информации может привести к потере качества решения задачи. Это в первую очередь касается априорных вероятностей появления классов. Были разработаны алгоритмы настройки многослойных нейронных сетей с учётом имеющейся информации об априорных вероятностях появления классов. Это имеет место в таких задачах, как распознавание букв в тексте, когда для данного языка вероятность появления каждой буквы известна и эту информацию необходимо использовать при построении алгоритма настройки коэффициентов многослойной нейронной сети.
Квалификация «учителя»
Нейронной сети предъявляются значения как входных, так и выходных параметров, и она по некоторому внутреннему алгоритму подстраивает веса своих синаптических связей. Обучение «с учителем» предполагает, что для каждого входного вектора существует целевой вектор, представляющий собой требуемый выход. В общем случае квалификация «учителя» может быть различной для различных классов образов. Вместе они называются представительской или обучающей выборко й. Обычно нейронная сеть обучается на некотором числе таких выборок. Предъявляется выходной вектор, вычисляется выход нейронной сети и сравнивается с соответствующим целевым вектором, разность (ошибка) с помощью обратной связи подаётся в нейронную сеть, и веса изменяются в соответствии с алгоритмом, стремящимся минимизировать ошибку. Векторы обучающего множества предъявляются последовательно, вычисляются ошибки и веса подстраиваются для каждого вектора до тех пор, пока ошибка по всему обучающему массиву не достигнет приемлемо низкого уровня.
В задачах распознавания образов, как правило, по умолчанию квалификация «учителя» является полной, т.е. вероятность правильного отнесения «учителем» образов к тому или иному классу равна единице. На практике при наличии косвенных измерений это зачастую не соответствует действительности, например в задачах медицинской диагностики, когда при верификации (проверке) архива медицинских данных, предназначенных для обучения, вероятность отнесения этих данных к тому или иному заболеванию не равна единице. Введение понятия квалификации «учителя» позволило разработать единые алгоритмы настройки коэффициентов многослойных нейронных сетей для режимов обучения, обучения «с учителем», обладающим конечной квалификацией, и самообучения (кластеризации), когда при наличии $K$ или двух классов образов квалификация «учителя» (вероятность отнесения образов к тому или иному классу) равна $\frac {1} {K}$ или 1 / 2 . Введение понятия квалификации «учителя» в системах распознавания образов позволило чисто теоретически рассмотреть режимы «вредительства» системе, когда ей сообщается заведомо ложное (с различной степенью ложности) отнесение образов к тому или иному классу. Данный режим настройки коэффициентов многослойной нейронной сети пока не нашёл практического применения.
Кластеризация
Кластеризация (самообучение, обучение «без учителя») – это частный режим работы многослойных нейронных сетей, когда системе не сообщается информация о принадлежности образцов к тому или иному классу. Нейронной сети предъявляются только входные сигналы, а выходы сети формируются самостоятельно с учётом только входных и производных от них сигналов. Несмотря на многочисленные прикладные достижения, обучение «с учителем» критиковалось за биологическую неправдоподобность. Трудно вообразить обучающий механизм в естественном человеческом интеллекте, который сравнивал бы желаемые и действительные значения выходов, выполняя коррекцию с помощью обратной связи. Если допустить подобный механизм в человеческом мозге, то откуда тогда возникают желаемые выходы? Обучение «без учителя» является более правдоподобной моделью обучения в биологической системе. Она не нуждается в целевом векторе для выходов и, следовательно, не требует сравнения с предопределёнными идеальными ответами. Обучающее множество состоит лишь из входных векторов. Обучающий алгоритм подстраивает веса нейронной сети так, чтобы получались согласованные выходные векторы, т. е. чтобы предъявление достаточно близких входных векторов давало одинаковые выходы. Процесс обучения, следовательно, выделяет статистические свойства обучающего множества и группирует сходные векторы в классы. Предъявление на вход вектора из данного класса даст определённый выходной вектор, но до обучения невозможно предсказать, какой выход будет производиться данным классом входных векторов. Следовательно, выходы подобной сети должны трансформироваться в некоторую понятную форму, обусловленную процессом обучения. Это не является серьёзной проблемой. Обычно не сложно идентифицировать связь между входом и выходом, установленную сетью.
Кластеризации посвящено множество научных работ. Основная задача кластеризации заключается в обработке множества векторов в многомерном пространстве признаков с выделением компактных подмножеств (подмножеств, близко расположенных друг к другу), их количества и свойств. Наиболее распространённым методом кластеризации является метод «$K$ -means», практически не связанный с методами обратного распространения и не обобщаемый на архитектуры типа многослойных нейронных сетей.
Введение понятия квалификации «учителя» и единого подхода к обучению и самообучению в 1960-е годы позволило фактически создать основу для реализации режима кластеризации в многослойных нейронных сетях широкого класса структур.
Нестационарные образы
Существующие разработки в области систем распознавания образов на базе многослойных нейронных сетей в основном относятся к стационарным образам, т.е. к случайным входным сигналам, имеющим сложные неизвестные, но стационарные во времени функции распределения. В некоторых работах была сделана попытка распространить предлагаемую методику настройки многослойных нейронных сетей на нестационарные образы, когда предполагаемая неизвестная функции распределения входного сигнала зависит от времени или входной случайный сигнал является суперпозицией регулярной составляющей и случайной составляющей с неизвестной сложной функцией распределения, не зависящей от времени.
О критериях первичной оптимизации в многослойных нейронных сетях
Вероятностная модель мира, взятая за основу при построении алгоритмов адаптации в многослойных нейронных сетях, позволила формировать критерий первичной оптимизации в рассматриваемых системах в виде требований минимума средней функции риска и его модификаций: максимум апостериорной вероятности (условная вероятность случайного события при условии того, что известны апостериорные, т. е. основанные на опыте, данные); минимум средней функции риска; минимум средней функции риска при условии равенства условных функций риска для различных классов; минимум средней функции риска при условии заданного значения условной функции риска для одного из классов; другие критерии первичной оптимизации, вытекающие из требований конкретной практической задачи. В работах российских учёных были представлены модификации алгоритмов настройки многослойных нейронных сетей для указанных выше критериев первичной оптимизации. Отметим, что в подавляющем большинстве работ в области теории нейронных сетей и в алгоритмах обратного распространения рассматривается простейший критерий – минимум среднеквадратической ошибки, без каких бы то ни было ограничений на условные функции риска.
В режиме самообучения (кластеризации) предпосылкой формирования критерия и функционала первичной оптимизации нейронных сетей служит представление функции распределения входного сигнала в виде многомодальной функции в многомерном пространстве признаков, где каждой моде с некоторой вероятностью соответствует класс. В качестве критериев первичной оптимизации в режиме самообучения использовались модификации средней функции риска.
Представленные модификации критериев первичной оптимизации были обобщены на случаи континуума классов и решений; континуума признаков входного пространства; континуума числа нейронов в слое; при произвольной квалификации учителя. Важным разделом формирования критерия и функционала первичной оптимизации в многослойных нейронных сетях при вероятностной модели мира является выбор матрицы потерь, которая в теории статистических решений определяет коэффициент потерь $L_{12}$ при ошибочном отнесении образов 1-го класса ко 2-му и коэффициент потерь $L_{21}$ при отнесении образов 2-го класса к 1-му. Как правило, по умолчанию матрица $L$ этих коэффициентов при синтезе алгоритмов настройки многослойных нейронных сетей, в том числе и при применении метода обратного распространения, принимается симметричной. На практике это не соответствует действительности. Характерным примером является система обнаружения мин с применением геолокатора. В этом случае потери при ошибочном отнесении камня к мине равнозначны некоторой небольшой потере времени пользователем геолокатора. Потери, связанные с ошибочным отнесением мины к классу камней, связаны с жизнью или значительной потерей здоровья пользователями геолокатора.
Анализ разомкнутых нейронных сетей
Данный этап синтеза ставит своей целью определение в общем виде статистических характеристик выходных и промежуточных сигналов нейронных сетей как многомерных, нелинейных объектов управления с целью дальнейшего формирования критерия и функционала вторичной оптимизации, т. е. функционала, реально оптимизируемого алгоритмом адаптации в конкретной нейронной сети. В подавляющем большинстве работ в качестве такого функционала принимается среднеквадратическая ошибка, что ухудшает качество решения или вообще не соответствует задаче оптимизации, поставленной критерием первичной оптимизации.
Разработаны методика и алгоритмы формирования функционала вторичной оптимизации, соответствующего заданному функционалу первичной оптимизации.
Алгоритмы поиска экстремума функционалов вторичной оптимизации
Алгоритм поиска экстремума применительно к конкретному функционалу вторичной оптимизации определяет алгоритм настройки коэффициентов многослойной нейронной сети. В начале 21 века наибольший практический интерес представляют подобные алгоритмы, реализованные в системе MatLab (сокращение от англ. «Matrix Laboratory» – пакет прикладных программ для решения задач технических вычислений и одноимённый язык программирования). Однако необходимо отметить частность алгоритмов адаптации в многослойных нейронных сетях, используемых в системах MatLab (Neural Network Toolbox – предоставляет функции и приложения для моделирования сложных нелинейных систем, которые описываются уравнениями; поддерживает обучение «с учителем» и «без учителя», прямым распространением, с радиальными базисными функциями и др.), и ориентацию этих алгоритмов не на специфику решаемых задач, а на воображаемую «геометрию» функционалов вторичной оптимизации. Эти алгоритмы не учитывают многих деталей специфики применения многослойных нейронных сетей при решении конкретных задач и, естественно, требуют коренной, если не принципиальной, переработки при переходе к мемристорным нейронным системам. Был проведён детальный сравнительный анализ метода обратного распространения и российских методов 1960–70-х годов. Основная особенность данных алгоритмов заключается в необходимости поиска локальных и глобального экстремумов многоэкстремального функционала в многомерном пространстве настраиваемых коэффициентов нейронной сети. Рост размеров нейронной сети ведёт к значительному росту числа настраиваемых коэффициентов, т. е. к росту размерности пространства поиска. Ещё в 1960-х годах в работах предлагались поисковые и аналитические процедуры расчёта градиента функционала вторичной оптимизации, а в классе аналитических процедур предлагалось и исследовалось применение для организации поиска не только первой, но и второй производной функционала вторичной оптимизации. Специфика многоэкстремальности функционала вторичной оптимизации привела в течение последующих десятилетий к появлению различных модификаций методов поиска (генетические алгоритмы и т. п.). Созданы алгоритмы поиска экстремумов функционалов вторичной оптимизации с ограничениями на величину, скорость и другие параметры весовых коэффициентов нейронных сетей. Именно эти методы должны быть основой работ по методам настройки нейронных сетей с применением мемристоров (весовых коэффициентов) с учётом таких специфических характеристик, как передаточные функции.
Начальные условия при настройке коэффициентов
Выбор начальных условий итерационной процедуры поиска экстремумов функционалов вторичной оптимизации является важным этапом синтеза алгоритмов настройки многослойных нейронных сетей. Задача выбора начальных условий должна решаться специфически для каждой задачи, решаемой нейронной сетью, и быть неотъемлемой составляющей общей процедуры синтеза алгоритмов настройки многослойных нейронных сетей. Качественное решение этой задачи в значительной степени может сократить время настройки. Априорная сложность функционала вторичной оптимизации сделала необходимой введение процедуры выбора начальных условий в виде случайных значений коэффициентов с повторением этой процедуры и процедуры настройки коэффициентов. Эта процедура ещё в 1960-е годы казалась чрезвычайно избыточной с точки зрения времени, затрачиваемого на настройку коэффициентов. Однако, несмотря на это, она достаточно широко применяется и в настоящее время. Для отдельных задач тогда же была принята идея выбора начальных условий, специфических для данной решаемой задачи. Такая процедура была отработана для трёх задач: распознавание образов; кластеризация; нейроидентификация нелинейных динамических объектов.
Память в контуре настройки коэффициентов
Системный подход к построению алгоритмов поиска экстремума функционала вторичной оптимизации предполагает в качестве одного из режимов настройки перенастройку коэффициентов в каждом такте поступления образов на входе по текущему значению градиента функционала вторичной оптимизации. Разработаны алгоритмы настройки многослойных нейронных сетей с фильтрацией последовательности значений градиентов функционала вторичной оптимизации: фильтром нулевого порядка с памятью $m_n$ (для стационарных образов); фильтром $1, …, k$ -го порядка с памятью $m_n$ (для нестационарных образов) с различной гипотезой изменения во времени функций распределения для образов различных классов.
Исследование алгоритмов адаптации в нейронных сетях
Главный вопрос – как выбрать структуру многослойной нейронной сети для решения выбранной конкретной задачи – до сих пор в значительной степени не решён. Можно предложить лишь разумный направленный перебор вариантов структур с оценкой их эффективности в процессе решения задачи. Однако оценка качества работы алгоритма настройки на конкретной выбранной структуре, конкретной задаче может быть недостаточно корректной. Так, для оценки качества работы линейных динамических систем управления применяются типовые входные сигналы (ступенчатый, квадратичный и т. д.), по реакции на которые оцениваются установившаяся ошибка (астатизм системы) и ошибки в переходных процессах.
Подобно этому, для многослойных нейронных сетей были разработаны типовые входные сигналы для проверки и сравнения работоспособности различных алгоритмов настройки. Естественно, что типовые входные сигналы для таких объектов, как многослойные нейронные сети, являются специфическими для каждой решаемой задачи. В первую очередь были разработаны типовые входные сигналы для следующих задач: распознавание образов; кластеризация; нейроуправление динамическими объектами.
Основным аксиоматическим принципом применения нейросетевых технологий вместо методов классической математической статистики является отказ от формализованного описания функций распределения вероятностей для входных сигналов и принятие концепции неизвестных, сложных функций распределения. Именно по этой причине были предложены следующие типовые входные сигналы.
Для задачи кластеризации была предложена выборка случайного сигнала с многомодальным распределением, реализуемая в $N$ -мерном пространстве признаков с модами функции распределения, центры которых в количестве $Z$ размещаются на гипербиссектрисе $N$ -мерного пространства признаков. Каждая мода реализует составляющую случайной выборки с нормальным распределением и среднеквадратичным отклонением $σ$ , равным для каждой из $Z$ мод. Предметом сравнения различных методов кластеризации будет динамика настройки и качество решения задачи в зависимости от $N$ , $Z$ и $σ$ , при достаточно большой случайной выборке $M$ . Этот подход можно считать одним из первых достаточно объективных подходов к сравнению алгоритмов кластеризации, в том числе основанных на многослойных нейронных сетях c соответствующим выбором структуры для достижения необходимого качества кластеризации. Для задач классификации входные сигналы для испытаний аналогичны сигналам для кластеризации с тем изменением, что выборка с многомодальным распределением делится надвое (в случае двух классов) или на $K$ (в случае $K$ классов) частей с перемежающимися модами функции распределения для отдельных классов.
Нейронные сети с переменной структурой
Отказ в нейросетевых технологиях от априорной информации, от информации о функциях распределения входных сигналов приводит к необходимости реализации разумного перебора параметров структуры многослойных нейронных сетей для обеспечения необходимого качества решения задачи.
В 1960-е годы для весьма актуального в то время класса задач – распознавания образов – была предложена процедура настройки многослойных нейронных сетей, в которой структура априори не фиксируется, а является результатом настройки наряду со значениями настраиваемых коэффициентов. При этом в процессе настройки выбираются число слоёв и число нейронов в слоях. Процедура настройки коэффициентов многослойной нейронной сети с переменной структурой легко переносится с задачи распознавания двух классов образов на задачу распознавания $K$ классов образов. Причём здесь результатом настройки являются $K$ нейронных сетей, в каждой из которых первым классом является $k$ -й класс ($k = 1, \ldots, K$ ), а вторым все остальные. Подобная идея настройки многослойных нейронных сетей с переменной структурой применима и к решению задачи кластеризации. При этом в качестве первого класса образов принимается исходная анализируемая выборка, а в качестве второго класса – выборка с равномерным распределением в диапазоне изменения признаков. Реализуемая в процессе настройки многослойная нейронная сеть с переменной структурой качественно и количественно отражает сложность решения задачи. С этой точки зрения задача кластеризации как задача рождения новых знаний об изучаемом объекте заключается в выделении и анализе тех областей многомерного пространства признаков, в которых функция распределения вероятностей превышает уровень равномерного распределения в диапазоне изменения величин признаков.
Перспективы развития
В начале 21 века одной из основных концепций развития (обучения) многослойной нейронной сети является стремление к увеличению числа слоёв, а это предполагает обеспечение выбора структуры нейронной сети, адекватной решаемой задаче, разработку новых методов для формирования алгоритмов настройки коэффициентов. Достоинствами нейронных сетей являются: свойство т.н. постепенной деградации − при выходе из строя отдельных элементов качество работы системы падает постепенно (для сравнения, логические сети из элементов И, ИЛИ, НЕ выходят из строя при нарушении работы любого элемента сети); повышенная устойчивость к изменению параметров схем, их реализующих (например, весьма значительные изменения весов не приводят к ошибкам в реализации простой логической функции двух переменных) и др.
Широкое распространение нейросетевых алгоритмов в области сложных формализуемых, слабоформализуемых и неформализуемых задач привело к созданию нового направления в вычислительной математике – нейроматематики . Нейроматематика включает нейросетевые алгоритмы решения следующих задач: распознавание образов; оптимизация и экстраполяция функций; теории графов; криптографические задачи; решение вещественных и булевских систем линейных и нелинейных уравнений, обыкновенных одномерных и многомерных дифференциальных уравнений, дифференциальных уравнений в частных производных и др. На основе теории нейронных сетей создан новый раздел современной теории управления сложными нелинейными и многомерными, многосвязными динамическими системами – нейроуправление , включающий методы нейросетевой идентификации сложных динамических объектов; построение нейрорегуляторов в контурах управления сложными динамическими объектами и др.
Нейронные сети - класс аналитических методов, построенных на (гипотетических) принципах обучения мыслящим существ и функционированию мозга, которые позволяют прогнозировать значения некоторых сменных в новых наблюдениях на основе результатов других наблюдений (для этих же или других сменных) после прохождения этапа так называемого обучения на имеющихся данных.
Основные понятия о нейронных сетях
Наиболее часто нейронные сети используются для решения следующих задач:
классификация образов - указание на принадлежность входного образа, представленного вектором признаков, одному или нескольким предварительно определенным классам;
кластеризация - классификация образов при отсутствии учебной выборки с метками классов;
прогнозирование - предусмотрение значения y(tn+1) при известной последовательности y(t1), y(t2) ... y(tn);
оптимизация - обнаружение решения, которое удовлетворяет систему ограничений и максимизирует или минимизирует целевую функцию. Память, которая адресуется по смыслу (ассоциативная память) - память, доступная при указании заданного содержания;
управление - расчет такого входного влияния на систему, за который система работает по желательной траектории.
Структурной основой нейронной сети является формальный нейрон. Нейронные сети возникли из попыток воссоздать способность биологических систем учиться, моделируя низкокорневую структуру мозга. Для этого в основу нейросетевой модели ложится элемент, который имитирует в первом приближении свойства биологического нейрона - формальный нейрон(далее просто нейрон). В организме человека нейроны это особые клетки, способны распространять электрохимические сигналы.
Нейрон имеет разветвленную структуру для введения информации (дендриты), ядро и выход, который разветвляется (аксон). Будучи соединенными определенным образом, нейроны образовывают нейронную сеть. Каждый нейрон характеризуется определенным текущим состоянием и имеет группу синапсов - однонаправленных входных связей, соединенных с выходами других нейронов, а также имеет аксон - исходная связь данного нейрона, за которым сигнал (нарушение или торможение) поступает на синапсы следующих нейронов (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Структура формального нейрона.
Каждый синапс характеризуется величиной синапсичной связи или его весом wi, что по физическому содержанию эквивалентная электрической проводимости.
Текущее состояние (уровень активации) нейрона определяется, если взвешенная сумма его входов:
(1)
где множество сигналов, обозначенных x1, x2,..., xn, поступает на вход нейрона, каждый сигнал увеличивается на соответствующий вес w1, w2,...,wn,и формирует уровень его активации - S. Выход нейрона есть функция уровня его активации:
Y=f(S) (2)
При функционировании нейронных сетей выполняется принцип параллельной обработки сигналов. Он достигается путем объединения большого числа нейронов в так называемые пласты и соединения определенным образом нейронов разных пластов, а также, в некоторых конфигурациях, и нейронов одного пласта между собой, причем обработка взаимодействия всех нейронов ведется послойно.
Р
ис.
8.2.
Архитектура нейронной сети с n нейронами
во входном и тремя нейронами в исходном
пласте (однослойный персептрон).
В качестве примера простейшей нейронной сети, рассмотрим однослойный перcептрон с n нейронами во входном и тремя нейронами в исходном пласте (рис. 8.2). Когда на n входов поступают какие-то сигналы, они проходят по синапсам на 3 исходные нейрона. Эта система образовывает единый пласт нейронной сети и выдает три исходных сигнала:
Очевидно, что все весовые коэффициенты синапсов одного пласта нейронов можно свести в матрицу wj, каждый элемент которой wij задает величину синапсичной связи i-го нейрона входного и j-го нейрона исходного пласта(3).
(3)
Таким образом, процесс, который происходит в нейронной сети, может быть записан в матричной форме:
где x и y - соответственно входной и исходный векторы, f(v) - активационная функция, которая применяется поэлементно к компонентам вектора v.
Выбор структуры нейронной сети осуществляется согласно особенностям и сложности задачи. Для решения некоторых отдельных типов задач уже существуют оптимальные конфигурации. Если же задача не может быть сведена ни к одному из известных типов, разработчику приходится решать сложную проблему синтеза новой конфигурации.
Возможная такая классификация существующих нейросетей:
По типу входной информации:
сети, которые анализируют двоичную информацию;
сети, которые оперируют с действительными числами.
По методу обучения:
сети, которые необходимо научить перед их применением;
сети, которые не нуждаются в предыдущем обучении, способны обучаться самостоятельно в процессе работы.
По характеру распространения информации:
однонаправленные, в которых информация распространяется только в одном направлении от одного пласта к другому;
рекурентные сети, в которых исходный сигнал элемента может снова поступать на этот элемент и другие элементы сети этого или предыдущего пласта как входной сигнал.
По способу преобразования входной информации:
автоассоциативные;
гетероассоциативные.
Развивая дальше вопрос о возможной классификации нейронных сетей, важно отметить существования бинарных и аналоговых сетей. Первые оперируют с двоичными сигналами, и выход каждого нейрона может принимать только два значения: логический нуль ("приостановленное" состояние) и логическая единица ("возбужденное" состояние). Еще одна классификация разделяет нейронные сети на синхронные и асинхронные. В первом случае в каждый момент времени свое состояние изменяет лишь один нейрон. Во второму - состояние изменяется сразу у целой группы нейронов, как правило, во всем пласте.
Сети также можно классифицировать по количеству пластов. На рис. 8.3 представлен двухслойный персептрон, полученный из персептрона на рис. 8.2 путем добавления второго пласта, который состоит из двух нейронов.
Р
ис.
8.3. Архитектура нейронной сети с
однонаправленным распространением
сигнала – двухслойный персептрон.
Если рассматривать работу нейронных сетей, которые решают задачу классификации образов, то вообще их работа сводится к классификации (обобщения) входных сигналов, которые принадлежат n-мерному гиперпространству, по некоторому числу классов. С математической точки зрения это происходит путем разбивки гиперпространства гиперплоскостями (запись для случая однослойного персептрона)
,
(5),
где k=1...m – номер класса.
Каждая полученная область является областью определения отдельного класса. Число таких классов для одной нейронной сети персептронного типа не превышает 2m, где m - число выходов сети. Однако не все из них могут быть распределены данной нейронной сетью.
