基于不同生物背景的脈沖神經P系統計算能力研究.pdf

1、隨著計算機技術的飛速發(fā)展，尋找快速有效地處理大規(guī)模信息的計算模型成為亟待解決的問題之一。受生物體活性細胞結構和功能的啟發(fā)，Gh. P?aun提出了P系統這一非傳統的計算模型，為計算機科學的發(fā)展提供了新的研究思路。P系統是一類分布式結構并行運行的計算模型，主要包括細胞型P系統、組織型P系統和神經型P系統。本文通過引入星細胞的方式改進了一般脈沖神經P系統的計算能力。同時，受多個生物特性的啟發(fā)，本文提出了多類脈沖神經P系統的新變體，并研究了脈

2、沖神經P系統的計算能力。本研究主要內容包括：
　?、欧謩e研究了帶星細胞的脈沖神經P系統在同步和異步運行方式下產生語言的能力。在同步運行方式下，星細胞的引入改進了脈沖神經P系統作為語言產生裝置時的計算能力。星細胞可以使脈沖神經P系統產生簡單的有限語言{0,1}，而一般脈沖神經P系統卻不能產生這種形式的有限語言。另外，它可以使脈沖神經P系統在沒有使用遺忘規(guī)則或者激發(fā)規(guī)則的時延特征的情況下，仍然保持著與圖靈機等價的計算能力（帶星細胞的脈

3、沖神經P系統可以刻畫遞歸可枚舉語言）。在異步運行方式下，本文不僅證明了帶星細胞的脈沖神經P系統可以刻畫遞歸可枚舉語言，而且還構造了與其等價的Petri網。
　?、茝男⊥ㄓ眯院涂赡嫘缘慕嵌瘸霭l(fā)，進一步研究了帶星細胞的脈沖神經P系統的計算能力。在保持計算通用性的基礎上，以優(yōu)化計算資源為出發(fā)點，構造了具有小通用性的帶星細胞的脈沖神經P系統。通過減少輔助神經元和指令之間共用神經元的方法，有效降低了這類系統的計算資源，并得出結論：由57個神

4、經元和19個星細胞構成的帶星細胞的脈沖神經P系統可以計算圖靈可計算函數；由54個神經元和17個星細胞構成的帶星細胞的脈沖神經P系統可以計算圖靈可計算數集。為了探究通用計算裝置的效率問題，本文研究了可逆的帶星細胞的脈沖神經P系統的計算能力。在沒有限制神經元中含有的脈沖數目時，這類系統具有與圖靈機等價的計算能力。當限制神經元含有的脈沖數目時，這類系統可以產生有限數集。
　?、翘岢隽送挥|上帶規(guī)則及權值的脈沖神經P系統。在這類系統中，神經

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

6、合。在限制突觸上消耗的脈沖數目時，這類系統可以刻畫半線性數集，并可以模擬串行單調k元輸出注冊機。
　　⑷提出了突觸上帶狀態(tài)的脈沖神經P系統。在這類系統中，每個突觸都有一個給定的狀態(tài)，而激發(fā)規(guī)則的形式為E/ac→(a，s);d，這表明產生的脈沖只能沿著狀態(tài)為s的突觸傳遞，否則產生的脈沖將被移除從而不能到達目的神經元。本文分別研究了這類系統在產生模式和識別模式下的計算能力，并嘗試利用突觸上帶狀態(tài)的脈沖神經P系統模擬了并行編程語言Occ

7、am語言的基本語句及結構。
　?、商岢隽藥芰康拿}沖神經P系統。在這類系統中，神經元中不僅含有脈沖、激發(fā)規(guī)則和遺忘規(guī)則，而且還含有物質、能量和演化規(guī)則。物質間發(fā)生的生化反應可以通過演化規(guī)則實現，其間伴隨著能量的產生或者消耗。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的計算能力，結論表明：帶能量的脈沖神經P系統作為數的產生裝置時是計算通用的，并且存在由五個神經元組成的小通用帶能量的脈沖神經P