关键词:神经网络
90年代以来,人们较多地关注非线性系统的控制问题,通过神经网络方法来解决这类问题 ,已取得了突出的成果,它是一个重要的研究领域.1990年Narendra和Parthasarathy提出 了一种推广的动态神经网络系统及其连接权的学习算 法[60],它可表示非线性特性,增强了鲁棒性.他们给出了一种新的辨识与控制方 案,以multilayer网络与recarrent网络统一的模型描述非线性动态系统,并提出了动态BP 参数在线调节方法.他们研究的是,假定对象为线性或非线性离散时间系统.有些学者对它 的学习算法计算量大和收敛速度慢进行了一定改进.值得重视的是,连续时间非线性动态系 统,如,仿射非线性系统可直接应用于广泛而真实的物理系统.值得一提的是,戴先中等人 [61]提出了连续非线性系统的神经网络α阶逆系统控制方法,他们一方 面用静态神经网络逼近静态非线性函数;另一方面用积分器或微分器来体现系统的动态特性 ,并结合线性系统理论和方法,从而构成一种满足系统要求的复合控制器.可以说,这种控 制策略具有一定代表性和启发性.
Miller[62]等人基于Albus在1975年提出的小脑模型关节控制 器(CMAC),研究了非线性动态系统控制问题,它具有局部逼近和修改权极小的 特点,可用于实时控制方面,但存在一个缺陷,即采用了间断超平面对非线性超曲的逼近, 有时出现精度不够,也有可能得不到相应的导数估计.这种方法一开始就被Miller[ 63]成功地应用于商用机器人的实时动态轨迹的跟踪控制中.Touretzky也成功应用于非 线性时间序列分析上.1992年Lane[64]对它作了改进,他采用高阶B-样条,使逼 近超平面的光滑性更好,虽然计算量有所增加,但在容忍范围之内,逼近精度有一定提高. 1993年Bulsari[65]提出以乘积Sigmoidal函数作为激发函数,给出了非线性系统用 神经网络逼近的构造性描述,得到了节点数目的一个上界估计.最近,朱文革[66] 引入小波变换,并对其性质进行了分析.在Lp范数下,他也构造性证明了单个隐层前馈神 经网络逼近定理.1997年罗忠等人[67]对CMAC的收敛性以及hash编码对它的影响作 了矩阵分析和证明.另外,有些学者通过神经网络的训练来实现非线性系统的 状态反馈控制,其学习算法为非线性系统的学习控制提供了有效的方法.但它需要全状态反 馈信息,给实际应用带来了一定的困难,同时它的学习收敛速度还有待提高.
Davis在1991年编辑出版的Handbook of Genetic Algorithms,这本工具书对该领域的设 计和应用人员有很大的帮助.尤其是进化计算的概念在1992年形成,促进了这一理论的发展 .1993年诞生了国际性杂志Evolutionary Computation.随后,IEEE神经网络委员会定期召 开进化计算国际会议.近几年它成为一个热点研究领域.1993年Yip和Pao提出了一种带区域 指引的进化模拟退火算法,他们将进化策略引入区域指引,它经过选优过程,最终达到求解 问题的目的.近几年有些学者对它进行了改进,如,蔚承建等人[68]在随机搜索过 程中引入区域指引,并采用Cauchy变异替换Gaussian变异产生后代,使算法的可收敛性及其 速度有所提高.他们将这种方法成功的应用于转动圆桌平衡摆盘问题的求解.值得一提的是 ,1997年张讲社等人[69]将Markov链表示遗传算法,并引进模拟退火的方法.还有 类似的混合法及其改进,如提高收敛速度,避免过早收敛,同时避免陷进局部极值的情况.
必须指出,神经网络的计算复杂性分析具有重要意义.有些学者产生了极大兴趣,如19 91年Hertz[70]探讨了神经计算理论;1992年Anthony[71]出版了一本论著 Computational Learing Theory; 1995年阎平凡[72]讨论了神经网络的容量、推 广能力、学习性及其计算复杂性.可以说,这方面的理论成果越多,对应用的作用就越大.
从上述各个阶段发展轨迹来看,神经网络理论有更强的数学性质和生物学特征,尤其是神经 科学、心理学和认识科学等方面提出一些重大问题,是向神经网络理论研究的新挑战,因而 也是它发展的最大机会.90年代神经网络理论日益变得更加外向,注视着自身与科学技术之 间的相互作用,不断产生具有重要意义的概念和方法,并形成良好的工具.
3 发展趋向及前沿问题
展望21世纪初,在近十年神经网络理论研究趋向的背景下,笔者认为神经网络理论的主要前 沿领域包括:
(1) 对智能和机器关系问题的认识将进一步增长.
研究人类智力一直是科学发展中最有意义,也是空前困难的挑战性问题.人脑是我们所知道 的唯一智能系统,它具有感知识别、学习、联想、记忆、推理等智能,80年代中期出现了“ 联结主义”的革命,或“并行分布处理(PDP)”,它又被普遍地称为神经网络,具有自学习 、自适应和自组织的特点,也是神经网络迫切需要增强的主要功能.进一步研究调节多层感 知器的算法,使建立的模型和学习算法成为适应性神经网络的有力工具,构建多层感知器与 自组织特征图级联想的复合网络,是增强网络解决实际问题能力的一个有效途径.重视联结 的可编程性问题和通用性问题的研究,从而促进智能科学的发展.我们通过不断探索人类智 能的本质以及联结机制,并用人工系统复现或部分复现,制造各种智能机器,这样,可使人 类有更多的时间和机会从事更为复杂、更富创造性的工作.
智能的产生和变化经过了漫长的进化过程,我们对智能处理的新方法的灵感主要来自神经科 学,例如学习、记忆实质上是突触的功能,而海兔的小系统神经元是研究学习记忆突触机 制的天然模型,在细胞和分子水平上研究,为我们提供真正的实证.又如,人类大脑的前额 叶高度发育,它几乎占了30%大脑的表面积 ,在其附近形成了人类才出现的语言运动区,它与智能发育可能密切相关,使神经系统的发 育同环境的关系更加密切,脑的可塑性很大,能主动适应环境还能主动改造环境,人类向制 造智能工具方向迈进正是这种主动性的反映.事实上,脑的可塑期越长,经验对脑的影响就 越大,而人类的认知过程很大程度上不仅受经验主义的影响,而且还接受理性主义的模型和 解释.因此,对于智能和机器的关系,应该从进化的角度,把智能活动看成动态发展的过程,并合理的发挥经验的作用.同时还应该从环境与社会约束以及历史文化约束的角度加深对 它的理解与分析.
神经网络是由大量处理单元组成的非线性、自适应、自组织系统,它是现代神经科学研究成 果的基础上提出的,试图模拟神经网络加工、记忆信息的方式,设计一种新的机器,使之具 有人脑风格的信息处理能力.智能理论所面对的课题来自“环境—问题—目的”,有极大的 诱惑力与压力,它的发展方向就将是,把基于联结主义的神经网络理论、基于符号主义的人 工智能专家系统理论和基于进化论的人工生命这三大研究领域,在共同追求的总目标下,自 发而有机的结合起来.在这里我们只想重复一下我们的信念并推测:在21世纪初,智能的机 器实现问题的研究将有新的进展和突破.