基于脈沖數(shù)目的串行脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)的研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入瓶頸，一些非傳統(tǒng)計(jì)算模型的探索與研究開(kāi)始引起人們更多地關(guān)注，比如量子計(jì)算、生物計(jì)算等。膜計(jì)算由G. P?aun院士受到細(xì)胞處理化學(xué)物質(zhì)的機(jī)理啟發(fā)而提出，它屬于生物計(jì)算。該模型是一種分布式并行的計(jì)算模型，也稱(chēng)它為P系統(tǒng)。由于它具有較好的計(jì)算性能及潛在的應(yīng)用價(jià)值，該方向已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域快速發(fā)展的新興領(lǐng)域之一。本文研究的是一類(lèi)基于生物神經(jīng)細(xì)胞的特殊P系統(tǒng)，即基于脈沖數(shù)目的串行脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)。
　　在計(jì)算機(jī)科學(xué)

2、中，對(duì)于新型計(jì)算模型的探索，首先要保證它的通用性，即與圖靈機(jī)的等價(jià)，然后考慮在不降低模型的計(jì)算能力的情況下，使模型的結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)化，且使用較少的計(jì)算資源。本文在基于脈沖數(shù)目的串行脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)中引入均質(zhì)性、反脈沖等生物特征，研究對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的計(jì)算通用性；構(gòu)建小通用串行脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)，研究串行系統(tǒng)的范式，并探討了系統(tǒng)產(chǎn)生語(yǔ)言的能力。主要工作如下：
　　在基于最小脈沖數(shù)目的串行脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)中，將計(jì)算結(jié)果定義為輸出（或輸入）神經(jīng)元輸出（或

3、輸入）前兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔，證明了使用最小串行策略或最小偽串行策略的不帶時(shí)延的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)是通用的數(shù)字產(chǎn)生裝置和接受裝置，得到的結(jié)果解決了O.H. Ibarra等人留下的兩個(gè)問(wèn)題：（1）當(dāng)計(jì)算結(jié)果不是通過(guò)停機(jī)計(jì)算時(shí)的脈沖數(shù)目來(lái)定義，而是采用經(jīng)典的用輸出兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來(lái)定義，使用最小串行策略的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)是否還是通用的？（2）使用最小偽串行策略的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)是否是通用的？
　　對(duì)小通用計(jì)算系統(tǒng)的研究一直是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的

4、一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，在作為計(jì)算函數(shù)的裝置和產(chǎn)生數(shù)集的裝置兩種情形下，通過(guò)對(duì)模擬的通用注冊(cè)機(jī)中指令的優(yōu)化，分別構(gòu)造了一個(gè)用于計(jì)算函數(shù)的含有137個(gè)神經(jīng)元的基于最小脈沖數(shù)目的不帶時(shí)延的小通用串行脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)和一個(gè)產(chǎn)生數(shù)集的含有126個(gè)神經(jīng)元的基于最小脈沖數(shù)目的不帶時(shí)延的小通用串行脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)，得到的結(jié)果表明由少量的神經(jīng)元組成的系統(tǒng)就具有相當(dāng)強(qiáng)的計(jì)算能力。
　　均質(zhì)性是許多計(jì)算裝置都具有的重要特性之一，本文在基于最大脈沖數(shù)目的串行脈沖神經(jīng)

5、P系統(tǒng)中引入均質(zhì)性和帶權(quán)值的突觸，研究這類(lèi)系統(tǒng)的通用性。證明了作為數(shù)的產(chǎn)生裝置和接受裝置，使用最大串行策略或最大偽串行策略的不帶時(shí)延的帶權(quán)均質(zhì)脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)都是通用的；通過(guò)移除系統(tǒng)中的大于1的突觸權(quán)值，我們還證明了使用突觸權(quán)為1的均質(zhì)脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)在最大偽串行模式下也是通用的。這些結(jié)果意味著神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵性的。
　　對(duì)基于最大脈沖數(shù)目的串行脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)的若干范式進(jìn)行了研究，即構(gòu)造結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)化的系統(tǒng)。通過(guò)引入若干“輔助神經(jīng)

6、元”和“延時(shí)神經(jīng)元”，證明了不帶時(shí)延的使用最大偽串行策略的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)在產(chǎn)生模式和接受模式下的最大入度和最大出度均不超過(guò)2；在僅使用簡(jiǎn)單神經(jīng)元（只有一條規(guī)則）的情況下，證明了不帶遺忘規(guī)則的使用最大串行策略的簡(jiǎn)單脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)作為數(shù)的產(chǎn)生裝置是通用的；在最大偽串行策略下，不帶遺忘規(guī)則和時(shí)延的幾乎簡(jiǎn)單脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)作為數(shù)的產(chǎn)生裝置是通用的，不帶遺忘規(guī)則和時(shí)延的簡(jiǎn)單脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)作為數(shù)的接受裝置也是通用的。這些結(jié)果改進(jìn)了G. P?aun和O

7、.H. Ibarra等人的已有結(jié)果。
　　在基于最大脈沖數(shù)目的串行脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)中引入反脈沖和抑制突觸，研究了基于最大脈沖數(shù)目的帶反脈沖的串行脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)的計(jì)算能力，分別構(gòu)造了利用激發(fā)規(guī)則產(chǎn)生反脈沖和利用抑制突觸將脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榉疵}沖的串行脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)，證明了使用最大串行或最大偽串行策略的帶反脈沖的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)，在產(chǎn)生模式和接受模式下都是通用的。
　　對(duì)基于最大脈沖數(shù)目的串行脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)的語(yǔ)言產(chǎn)生能力進(jìn)行了研究，討論了該