無序處理機的製作方法

2023-06-06 19:24:21

專利名稱：無序處理機的製作方法
技術領域：
本發明涉及無序檢測系統，特別是涉及無序處理機，該無序處理機能夠確定輸入信號是由隨機噪聲中獲得，還是從包含奇異吸引子(strangeattractor)的定性特徵的有意義的信息獲得的。
最近人們進行了積極的研究，以尋求一種方法來估算自然現象的，如水流、氣流和血流等等的未來運動，該運動可以由所獲得的運動的數學規律預先確定。
動態系統可以定義為這樣一種系統，其中，其狀態隨時間而變化。
當在一點保持有穩態解時，動態系統被稱為穩態系統，該點隨之被稱為之為平衡點。當系統的吸引子構成一個閉環(closedloop)時，該系統被稱之為周期系統。當吸引子具有環形(doughnut)形狀時，它被稱之為準周期系統。
獲得動態系統吸引子的過程將在下面進行描述。
通常n階動態系統具有n個狀態方程，狀態方程示出動態系統的狀態相對於時間變化的變化率，如方程(1)所示dx1/dt＝f(x1，x2，…，xn)，
…dxn/dt＝f(x1，x2，…，xn)……(1)其中，fRn→Rn表示非線性映象，x1，x2…xn分別表示狀態。
以下，將擺式運動作為動態系統的基本例子來進行描述，擺式運動用兩個狀態方程來表示，因為擺式運動是一個二階動態系統，如下所示dx1/dt＝f(x1，x2)dx2/dt＝f(x1，x2)上述狀態方程的解包括一個暫態解和一個穩態解。穩態解可以在一個狀態空間中表示，其中每個狀態變量構成狀態空間的一個軸，從而能完整地表示穩態解。
這就是說，在一給定時刻的穩態解可以表示為狀態空間中的一個點。在狀態空間中出現的一組點被稱之為動態系統的一個吸引子(attractor)。
如果所給出的動態系統具有有限狀態，即有限個n階動態系統，那麼該系統有四種形式的吸引子。動態系統根據其吸引子的類型被分為四類。
也就是說，最簡單的動態系統，即穩態線性系統，在狀態空間中有一個點吸引子，稱之為一個平衡點。而且，具有穩態解、並且該解是一個周期性解的動態系統，在狀態空間中有一個閉環形吸引子，稱之為一個有限圓。
具有k階次調和解、並且該解有k個周期的動態系統，具有一個環形(doughnut-shaped)吸引子，該環形被稱為一個環面(torus)。
除了以上所述的動態系統的吸引子之外，其它吸引子是一種奇異吸引子，這類動態系統被稱之為無序系統。
也就是說，無序系統指的是這樣一個系統，它在狀態空間中具有除所述的一個點吸引子、所述的有限圓以及所述的環面之外的奇異吸引子。
如上所述，吸引子可以由狀態方程構成，該狀態方程代表自然現象的運動狀態。在這種情況下，所有n個狀態方程在n階動態系統中是已知的，其吸引子可以很容易地建立起來。
然而事實上，在一個給定的n階動態系統中是不可能得到所有n個狀態方程的，更不用說狀態變量了。因此，人們試圖從僅僅一個狀態變量來建立n階動態系統的吸引子。
也就是說，當一個吸引子從一個給定狀態變量的穩態解中得到時，該吸引子可以在狀態空間中出現。
由於所需的吸引子有可能在狀態空間得不到，因此應該引入一個嵌入空間(embeddingspace)。
如上所述，由一個給定的狀態變量建立n階動態系統的吸引子，被稱之為吸引子重建。對於依賴於實驗的研究人員來說，吸引子重建起著重要的作用。
吸引子重建是由Tarkens在八十年代中期提出的。
並且軌跡時間被分為相同時間間隔，所劃分的時間的相應狀態值被表示為一個矢量g(t)。矢量g(t)滿足下面的方程g(t)＝｛y(t)，y(t+τ)，…，y(t+nτ)｝其中，y(t)表示一個狀態值，τ是被劃分為同樣時間間隔的一個延遲時間，n+1是一個嵌入度。
如果延遲時間和嵌入度是固定的，那麼矢量被表示為一點。當延遲時間和嵌入度變化時，矢量在嵌入空間劃出一條軌跡。
在給定的n階嵌入空間中的矢量軌跡可能與給定的動態系統的吸引子的軌跡不完全一樣，但是該矢量軌跡從定性特徵(構形面)(patternface)來看，與原始動態系統的軌跡相關。
然而，需要確定吸引子是由隨機噪聲所建立的，還是由無序系統中的有意義信息所建立的。
分析重建的吸引子有兩種方法，一種是分析重建的吸引子的定性特徵，該方法稱之為定性方法;另一種是分析構形的度，如吸引子的斜率，這種方法稱之為定量法。
當所述的重建的吸引子具有平衡點、有限圓和環面構形時，可以僅僅通過定性方法來研究吸引子。然而，奇異吸引子是由重建來建立的，這時僅僅通過定性研究無法確定吸引子是由噪聲建立的，還是由有意義的信息建立的。因此，奇異吸引子是通過分析吸引子的定量特徵來作研究的。
如上所述，在研究重建的吸引子的定量特徵時有多咱方法，如計算奇異吸引子的容量的方法，獲得信息度的方法，以及獲得相關度的方法等等。
下面介紹計算重建奇異吸引子的容量的方法。
假設所重建的奇異吸引子由一個體積元所覆蓋，如具有半徑為r的一個球或一個立方體，並且覆蓋整個吸引子所需要的體積元的個數是N(r)，那麼要滿足N(r)＝krD的關係。
在半徑(r)被減至足夠小時，N(r)相對於D被求解，吸引子(Dcap)的容量滿足下述方程
得到吸引子容量的方法是採用空間來進行的，但沒有用到伴隨給定的動態系統的狀態變量的信息。
也就是說，對採用伴隨動態系統的狀態變量的信息而重建的吸引子來說，在研究其定量特徵時，信息度採用下面的方程。
Pi表示軌跡進入第n個體積單元中的概率，δ(r)表示動態系統的熵。
與此同時，研究重建的吸引子的定量特徵為最簡單的方法是獲得一個相關度，下面將對此進行詳細描述。
可以得出，在具有半徑(Ri)的圓中的狀態數對應於狀態(Xi)和其它狀態(Xj)之間的距離，所得到的狀態數被吸引子的狀態值(N)的平方數即N2去除。使所有狀態數(N)趨於無窮，即可得到狀態(X1)的相關和。
也就是說，相關和(C(R))＝lim 1/N2｛滿足‖Xi-Xj‖＜R的狀態(Xi，Xj)的數目｝。
利用上面所計算的相關和(C(R))，採用下面的方程式可計算出相關度(Dc)。
相關度(Dc)表示由方程(1)所計算出的相關和(C(R))的圖形的線性部分的斜率。
也就是說，由方程(1)所計算的相關和(C(R))的圖形收斂於一個確定值。然而，由噪聲所建立的吸引子是非收斂的。
吸引子的相關度(Dc)是從由方程(1)所得到的圖形的線性部分的斜率中獲得的。
如上所述，在研究重建的奇異吸引子的定量特徵的過程中，尋求相關度的電路被稱為無序處理機。
在現有技術中，無序處理機要花費大量的計算工作，其中相關和是從所有狀態(X1，X2，…，Xn)中獲得的。也就是說，為了得到一個相關和，需要的計算等於整個狀態的平方數(N2＝N(N-1)/2)。特別值得提出的是，狀態值的數目越多，通用計算機就越發不能在合理的時間內進行處理。
因此本發明的目的是要提供一個無序處理機，其中用於計算吸引子的狀態的相關度的專有處理機是用硬體來實現的。
為了達到上述目的，本發明包括一個狀態值選擇單元，它適用於選擇根據一個嵌入度值和一個延遲時間值被輸入的狀態值;一個距離計算單元，它用於計算由狀態值選擇單元所選擇的兩個狀態值(Xi，Xj)之間的距離(Ri);一個相關和計算單元，它用於計算相關和，其中，該相關和計算單元將所計算出的距離(Ri)與一個預先存貯的距離指數(di)進行比較，當距離指數(di)和一個距離(Ri)條件得以滿足時，增大距離指數，並且在具有相應於所增大的距離指數(di)的半徑的一個圓中計算狀態和(Ndi);一個拐點選擇單元，用於從所計算的相關和中選擇被線性增大的部分的拐點;一個相關度計算單元，它適用於通過計算由所選擇的拐點相連的直線的斜率來計算相關度。
通過參考以下結合附圖所作的詳細描述，可以更好地理解本發明的各種特徵和優點。


圖1示出了根據本發明的第一實施例的無序處理機的方框圖;
圖2示出了根據本發明的第二實施例的無序處理機的方框圖;
圖3示出了時間-狀態圖，它繪出了根據本發明的原理輸入給無序處理機的狀態值的例子;
圖4示出了距離指數(Di，Dj)的圖形，它是代表通過本發明之無序所計算出的相關值的一個狀態數;
圖5示出了根據本發明的第三實施例的無序處理機的方框圖。
參考附圖，圖1示出了根據本發明的第一實施例的無序處理機的方框圖。根據本發明的第一實施例的無序處理機包括一個轉換單元(1)，它適用於根據時間次序轉換將要分析的無序處理機的一個狀態值;一個狀態值選擇單元(2)，用於根據嵌入度(ED)和延遲時間(DL)從轉換單元(1)中選擇一個狀態值;一個距離計算單元(3)，用於根據由狀態值選擇單元(2)所選擇的兩個選擇狀態值(Xi)(Xj)計算距離(Rij)，並且輸出該距離(Ri);一個相關和計算單元(4)，它用於將距離計算單元(3)的距離(Ri)與預先存儲的距離指數(di)進行比較，並且輸出與滿足給定的距離條件的距離指數相應的一個相關和(C(r));一個拐點確定單元(5)，它用於確定從所述相關和計算單元(4)中得到的所述相關和的一個適當拐點;一個斜率計算單元(6)，它用於計算連接拐點所得到的直線的斜率，並且輸出一個相關度(Dc);一個控制單元，用於根據輸入時鐘(CLK)、啟動信號(E)、嵌入度(ED)和延遲時間(DL)來控制轉換單元(1)、狀態值選擇單元(2)、距離計算單元(3)、相關和計算單元(4)以及確定單元(5)。
狀態值選擇單元(2)包括一對寄存器。用於從外界輸入一個最佳拐點的一個設置單元(8)被連到所述確定單地(5)的另一輸入端。
以下將以嵌入度(ED)＝1、延遲時間(DL)＝τ＝△t為例來描述本發明第一實施例的運行。
當具有奇異吸引子的無序系統的一個狀態被輸入到無序處理機時，所輸入的狀態(X(n))通過轉換單元(1)作用到狀態選擇單元(2)，所述轉換單元(1)根據控制單元(7)的一個控制信號進行轉換。
假設所輸入的狀態(X(n))的初始狀態值是X(to)，該初始狀態值X(to)經由轉換單元(1)被加到狀態選擇單元(2)，並且在每個延遲時間(τ)連續輸入的一個狀態值通過轉換單元(1)被施加到狀態選擇單元(2)。
也就是說，初始狀態值(X(to))被輸入給所述狀態選擇單元(2)，然後延遲時間(to+△t)的一個狀態值(X(to+△t))被輸入給所述選擇單元，並且所輸入的狀態值(X(to)，X(to+△t))根據控制單元(7)的一個控制信號被加到距離計算單元(3)。
當在預定時間內所述輸入狀態值(X(to)，X(to+△t))被存儲在寄存器中之後，該值被作為對時間的狀態值輸出，如圖3所示。
根據所輸出的狀態值(X(to)，X(to+△t))，通過所述距離計算單元(3)計算兩個狀態值(X(to)，X(to+△t))的距離。在這種情況下，由於嵌入度(ED)是1，並且延遲時間(τ)是△t，因此，由下面的方程可得到距離(R1)。
距離(R1)＝［X(to)-X(to-Δt)］2]]>所計算的距離(R1)被加到相關和計算單元(4)，該單元將一個輸入距離(R1)與一個預先存儲的距離指示(di)進行比較，當距離(R1)＞距離指數(di)這一條件得到滿足時，將該距離指數(di)一個一個地增大。
也就是說，所增加的距離指數(di)滿足下面的方程(2)距離指數(dj)＝di+1…(2)其i＜j上述過程是在延遲時間(△t)完成的，在轉換單元(1)處，在延遲時間為2△t時刻輸入的狀態值(X(to+2△t))被提供給狀態值選擇單元(2)，利用所輸入的狀態值(X(to+2△t))和初始狀態值(X(to))，距離計算單元(3)輸出這兩個狀態值的距離(R2)。
所輸出的距離(R2)經由相關和計算單元(4)與預先存儲的距離指數(dj)進行比較。當所比較的結果滿足條件R2＞dj時，增大距離指數。
對根據時間延遲所輸入的整個狀態值重複執行以上過程。對出現在其直徑相應於所增加的距離指數的一個圓中的狀態的數目(Ndj)達到預定的最終數目(Dmax)時，所輸入的狀態值不再被加到狀態值選擇單元(2)。
也就是說，在出現於直徑相應於距離指數(dj)的圓中的狀態數(Ndj)，通過上述相關和計算單元(4)達到最終數目(Max)時，控制單元(7)向轉換單元(1)提供控制信號，以便對其進行切換。通過換轉單元(1)的切換，可以阻止狀態值被輸入到狀態值選擇單元(2)。
與此同時，用所述確定單元(5)選擇距離指數(di)(dj)，在給出出現在具有相應於輸入的距離指數的直徑的圓中的狀態(Ndj)的曲線圖中，距離指數(di)(dj)在圖形中具有一個適當的拐點。
此拐點可以選定為從所述確定單元(5)預定的一個距離指數(di)(dj)，用戶可以由外部經過一個設置單元(8)來設置拐點。
為了得到拐點，當距離指數通過確定單元所預先確定時，從距離指數(di)(dj)中選擇一個距離指數。對滿足在所述預定距離指數與將所述選定的距離指數與任何其它指標相連而構成的一條直線之間的最小距離的距離指數進行了搜索。一旦搜索出該距離指數，那麼就進行一個過程，其中所搜索的距離指數被設置為一個拐點，以確定一個合適的拐點。當距離指數是由設置單元(8)來確定時，在被分析的動態系統中，實驗性地預先確定的一個最佳拐點從外部得以確定。
如上所確定的拐點被提供給斜率計算單元(6)。在該斜率計算單元(6)中，有利用分別由距離指數軸(d軸)和累加狀態值數目軸(Nd)所構成的X-Y座標平面，並且狀態值數目是出現在直徑等於距離指數的一個圓中，從而計算出由所增加的狀態值所得出的斜率。
在這種情況下，利用下面的方程(3)來計算斜率斜率＝(log(Ndj)-log(Ndi))/(log(dj)-log(di))……(3)上面所計算的斜率是無序系統的一個相關度，該斜率又是無序處理器的最終輸出(Y(n))。
如上所述，當假設嵌入度(ED)為1，並且延遲時間(DL)為△t時，所得到的無序系統的相關度，是根據點態處理法的相關度。
圖2示出了根據本發明的第二實施例的一個無序處理機的方框圖，如圖1所示的計算單元(3)的輸出側連接了一個距離值變換器(10)。該距離值變換器將一個輸入的距離變換為一個整數，並將它施加到相關和計算單元(4)。其它單元具有與圖1相同的結構。
也就是說，來自所述距離計算單元(3)的距離(R1，R2，…，Rn)具有被加到距離相關和計算單元(4)的浮點值，並且大大增加了計算量。這導致了計算速度的延遲。
考慮到這一點，需要採用距離值變換器(10)將具有浮點的距離(R1，R2，…，Rn)變換為待加到所述相關和計算單元(4)的整數。
希望通過在所述距離值變換器(10)中把log函數變換(log2Rij)作用於距離(Ri)，從而將所輸入的距離轉換為一個整數。
因此，相關和計算單元(4)將所輸入的整數距離(Ri)與距離指數進行比較，從而使得該計算單元(4)能以極高的速度進行所述計算，以增大在相應的距離指數中所存在的狀態值的數目。
在所述斜率計算單元(6)中所計算的斜率由下面的方程(4)得到斜率＝(log(Ndj)-log(Ndi))/(dj-di)……(4)圖5示出了本發明的第三實施例的一個無序處理機的方框圖。如圖5所示，本發明的第三實施例具有與圖1相同的元件，如狀態值選擇單元(2)、距離計算單元(3)、相關和計算單元(4)、測定單元(5)、斜率計算單元(6)、控制單元(7)以及設置單元(8)，只是在該第三實施例中進一步包括一個存儲單元(11)，用於存儲所有的輸入狀態值(X(n))。
假設嵌入度(ED)是n，並且延遲時間(DL＝τ)是p△t，在一給定時間(t＝to)以及n階無序系統中，存儲在所述存儲單元(11)中的狀態值在(n-1)p△t時刻從所述狀態值輸出單元(12)中輸出。
該過程可以由下面的一個公式來表示Xi＝[X(to)，X(to+p△t)，…，X(to+(n-1)p△t]並且，在t＝to+△t，狀態值可以被表示如下Xj＝[X(to+△t)，X(to+(p+1)△t，…，X(to+np△t)]利用上面所描述的狀態值，距離值(R1)可以通過[Xj-Xi]計算出來。
從所述的計算距離，如結合圖1所述，無序系統的相關度(Y(n))可以藉助所述相關計算單元(4)、所述測定單元(5)、所述斜率計算單元(6)、以及所述控制單元(7)得到。所述相關度(Y(n))是根據完全方法所得到的相關度。
根據以上詳細描述的本發明，可以在由硬體構造的用於分析奇異吸引子的定量特徵的無序處理機中，以合理的時間進行計算。此外，所述距離值可以被轉換為整數值，以減少無序處理機的處理時間。
權利要求
1.一種無序處理機，包括狀態值選擇裝置，用於選擇根據一個嵌入度值和一個延遲時間值輸入的狀態值；距離計算裝置，用於計算由所述狀態值選擇裝置所選擇的兩個狀態值之間的距離；相關和計算裝置，用於計算一個相關和，其中，所述相關和計算裝置將所述計算的距離與一個預先存儲的距離指數相比較，當所述距離指數滿足一個距離條件時增大距離指數，並且計算其半徑相當於所述增大的距離指數的圓中的狀態和(Ndi)；拐點選擇裝置，用於從所述計算的相關和中選擇線性增加部分的拐點；相關度計算裝置，用於通過計算由連接所選擇的拐點所構成一條直線的斜率，來計算所述相關度。
2.根據權利要求1所述的無序處理器，其中所述無序處理器進一步包括變換裝置，用於將從所述距離計算裝置中輸出的距離變換為一個整數值。
3.根據權利要求2所述的無序處理器，其中所述距離值通過施加一個log函數被轉換為所述整數值。
4.根據權利要求1所述的無序處理機，其中所述無序處理機進一步包括存儲裝置，用於存儲被輸入以採用完全方法計算所述相關度的完全狀態值。
5.根據權利要求1所述的無序處理機，其中所述拐點選擇裝置適用於從兩個距離指數中選擇一個距離指數，以尋找一個滿足在所述選擇的距離指數與通過連接所述選擇的距離指數與任何其它指數所構成的一條直線之間的最小距離的距離指數，並且把找到的所述距離指數作為一個拐點。
6.根據權利要求1所述的無序處理機，其中所述無序處理機進一步包括輸入一個最佳拐點的裝置，所述最佳拐點是由要作研究的無序系統中預先計算出來的。
7.根據權利要求1的無序處理機，其中所述狀態值選擇裝置包括一個移位寄存器，用於暫時存儲所輸入的狀態值，並且順序對該狀態值移位。
全文摘要
一個無序處理機，它能得到動態系統的動態，並且能夠確定該動態是從隨機噪聲中獲得，還是從有意義的信息中獲得的。具有無序奇異吸引子的無序系統包括用於選擇根據一個嵌入度數值和一個延遲時間值所輸入的狀態值的狀態值選擇單元、距離計算單元、相關和計算單元、拐點選擇單元、相關度計算單元，從而實現對吸引子的狀態的相關度的計算。
文檔編號G06F19/00GK1096895SQ9311740
公開日1994年12月28日 申請日期1993年9月20日 優先權日1993年6月18日
發明者王普賢, 金仁澤, 金亨燮 申請人:株式會社金星社