基于不同生物背景的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)計(jì)算能力研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，尋找快速有效地處理大規(guī)模信息的計(jì)算模型成為亟待解決的問(wèn)題之一。受生物體活性細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā)，Gh. P?aun提出了P系統(tǒng)這一非傳統(tǒng)的計(jì)算模型，為計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展提供了新的研究思路。P系統(tǒng)是一類分布式結(jié)構(gòu)并行運(yùn)行的計(jì)算模型，主要包括細(xì)胞型P系統(tǒng)、組織型P系統(tǒng)和神經(jīng)型P系統(tǒng)。本文通過(guò)引入星細(xì)胞的方式改進(jìn)了一般脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)的計(jì)算能力。同時(shí)，受多個(gè)生物特性的啟發(fā)，本文提出了多類脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)的新變體，并研究了脈

2、沖神經(jīng)P系統(tǒng)的計(jì)算能力。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴分別研究了帶星細(xì)胞的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)在同步和異步運(yùn)行方式下產(chǎn)生語(yǔ)言的能力。在同步運(yùn)行方式下，星細(xì)胞的引入改進(jìn)了脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)作為語(yǔ)言產(chǎn)生裝置時(shí)的計(jì)算能力。星細(xì)胞可以使脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)產(chǎn)生簡(jiǎn)單的有限語(yǔ)言{0,1}，而一般脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)卻不能產(chǎn)生這種形式的有限語(yǔ)言。另外，它可以使脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)在沒(méi)有使用遺忘規(guī)則或者激發(fā)規(guī)則的時(shí)延特征的情況下，仍然保持著與圖靈機(jī)等價(jià)的計(jì)算能力（帶星細(xì)胞的脈

3、沖神經(jīng)P系統(tǒng)可以刻畫(huà)遞歸可枚舉語(yǔ)言）。在異步運(yùn)行方式下，本文不僅證明了帶星細(xì)胞的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)可以刻畫(huà)遞歸可枚舉語(yǔ)言，而且還構(gòu)造了與其等價(jià)的Petri網(wǎng)。
　?、茝男⊥ㄓ眯院涂赡嫘缘慕嵌瘸霭l(fā)，進(jìn)一步研究了帶星細(xì)胞的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)的計(jì)算能力。在保持計(jì)算通用性的基礎(chǔ)上，以優(yōu)化計(jì)算資源為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)造了具有小通用性的帶星細(xì)胞的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)。通過(guò)減少輔助神經(jīng)元和指令之間共用神經(jīng)元的方法，有效降低了這類系統(tǒng)的計(jì)算資源，并得出結(jié)論：由57個(gè)神

4、經(jīng)元和19個(gè)星細(xì)胞構(gòu)成的帶星細(xì)胞的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)可以計(jì)算圖靈可計(jì)算函數(shù)；由54個(gè)神經(jīng)元和17個(gè)星細(xì)胞構(gòu)成的帶星細(xì)胞的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)可以計(jì)算圖靈可計(jì)算數(shù)集。為了探究通用計(jì)算裝置的效率問(wèn)題，本文研究了可逆的帶星細(xì)胞的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)的計(jì)算能力。在沒(méi)有限制神經(jīng)元中含有的脈沖數(shù)目時(shí)，這類系統(tǒng)具有與圖靈機(jī)等價(jià)的計(jì)算能力。當(dāng)限制神經(jīng)元含有的脈沖數(shù)目時(shí)，這類系統(tǒng)可以產(chǎn)生有限數(shù)集。
　?、翘岢隽送挥|上帶規(guī)則及權(quán)值的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，神經(jīng)

5、元只含有脈沖，而規(guī)則集則被移放到突觸上，并且每個(gè)突觸被賦予一個(gè)權(quán)值。由同一個(gè)神經(jīng)元發(fā)出的多條突觸被同時(shí)激發(fā)時(shí)，它們消耗的脈沖數(shù)目須小于或者等于該神經(jīng)元的脈沖數(shù)目。當(dāng)它們消耗的脈沖數(shù)目大于該神經(jīng)元的脈沖數(shù)目時(shí)，只能從它們中選取一個(gè)子集激發(fā)，并且該子集消耗的脈沖數(shù)目最大但不會(huì)超過(guò)神經(jīng)元中的脈沖數(shù)目。在不限制突觸上消耗的脈沖數(shù)目時(shí)，突觸上帶規(guī)則及權(quán)值的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)作為產(chǎn)生數(shù)和向量的產(chǎn)生裝置具有圖靈通用性，這類系統(tǒng)可以產(chǎn)生圖靈數(shù)集和圖靈向量集

6、合。在限制突觸上消耗的脈沖數(shù)目時(shí)，這類系統(tǒng)可以刻畫(huà)半線性數(shù)集，并可以模擬串行單調(diào)k元輸出注冊(cè)機(jī)。
　　⑷提出了突觸上帶狀態(tài)的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，每個(gè)突觸都有一個(gè)給定的狀態(tài)，而激發(fā)規(guī)則的形式為E/ac→(a，s);d，這表明產(chǎn)生的脈沖只能沿著狀態(tài)為s的突觸傳遞，否則產(chǎn)生的脈沖將被移除從而不能到達(dá)目的神經(jīng)元。本文分別研究了這類系統(tǒng)在產(chǎn)生模式和識(shí)別模式下的計(jì)算能力，并嘗試?yán)猛挥|上帶狀態(tài)的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)模擬了并行編程語(yǔ)言O(shè)cc

7、am語(yǔ)言的基本語(yǔ)句及結(jié)構(gòu)。
　?、商岢隽藥芰康拿}沖神經(jīng)P系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，神經(jīng)元中不僅含有脈沖、激發(fā)規(guī)則和遺忘規(guī)則，而且還含有物質(zhì)、能量和演化規(guī)則。物質(zhì)間發(fā)生的生化反應(yīng)可以通過(guò)演化規(guī)則實(shí)現(xiàn)，其間伴隨著能量的產(chǎn)生或者消耗。激發(fā)規(guī)則和遺忘規(guī)則的執(zhí)行除了脈沖的消耗外，也可能伴隨著能量的消耗。本文討論了這類系統(tǒng)的計(jì)算能力，結(jié)論表明：帶能量的脈沖神經(jīng)P系統(tǒng)作為數(shù)的產(chǎn)生裝置時(shí)是計(jì)算通用的，并且存在由五個(gè)神經(jīng)元組成的小通用帶能量的脈沖神經(jīng)P