Тема: Разработка и реализация параллельного алгоритма для построения моделей нейронных сетей Ваттса-Строгаца

Изучение нейронных сетей является активно развивающейся в настоящее время областью прикладной математики. Искусственная нейронная сеть - математическая модель, построенная по принципу организации и функционирования сетей нервных клеток живых организмов. В качестве нейронной сети можно рассматривать любую модель, содержащую узлы и связи между ними. Нейронные сети находят применение во многих областях: социологии, экономике, биохимии, технических науках.
Топология связей в сетях обычно бывает либо полностью регулярной, либо полностью произвольной. Но, поскольку многие реальные сети находятся между двумя этими крайностями, была выделена группа сетей, обладающая высокой степенью кластеризации, как сети с решетчатой топологией, и имеющая малую среднюю длину пути, как сети со случайной (произвольной) топологией. Такие сети носят название «small-world» и были описаны Дунканом Ваттсом и Стивеном Строгацем в 1998 году [15]. «Small-world» определяется как сеть, в которой расстояние L между двумя произвольно выбранными вершинами растет пропорционально логарифму от числа вершин N в сети, то есть L х log2 N. За этой работой по следовало множество других исследований проявлений свойств «small world» [1, 5, 9, 10, 13]. Сети «small world» описывают различные объекты, в том числе, различные отделы головного мозга [7, 11], а в сфере информационных технологий они проявляют себя в файлообменных сервисах [8], пиринговых сетях.
Такие сети имеют много вершин с редкими связями, но не настолько редкими, чтобы граф мог оказаться несвязным, поэтому принимаем N >> к >> lnN >> 1, где к >> ln N гарантирует связность графа [3]. Также «small-world» сети имеют тенденцию содержать в себе клики (термин пришел из работы [6]), это следует из определения такого свойства сети, как коэффициент кластеризации - степень, с которой вершины склонны группироваться вместе.
Алгоритм построения сетей «small-world» (описанный далее в разделе 2.1) позволяет «настроить» граф на промежуток между регулярностью и произвольностью и исследовать область 0 < р < 1. В работе [15] показано, что есть большой интервал р, на котором длина пути L(p) почти также мала как в произвольном графе Lrandom при коэффициенте кластеризации много большем, чем в произвольном графе, С (р) >> Crandom (см. рис. 1). Данные собирались для графов с числом вершин N = 1000 и соседей к = 10 и были нормированы с помощью значений L(0) и С(0) для регулярного графа. Логарифмическая горизонтальная шкала использована, чтобы показать быстрое падение длины пути L(p), что соответствует «small-world». При этом коэффициент кластеризации С(р) почти не изменяет своего значения, соответствующего регулярному графу. Это значит, что переход сети к виду «small-world» почти невозможно заметить на локальном уровне.

Рис. 1. Расчет коэффициента кластеризации для узла

Проверка с использованием разработанного продукта показала аналогичное распределение значений (см. рис. 2).

Рис. 2. Расчет коэффициента кластеризации для узла

Согласно графикам, сеть типа «small-world» получается при значении вероятности от 0.01 до 0.1. То есть, чтобы отнести моделируемую сеть к типу «small-world», нужно проанализировать полученные значения длины кратчайшего пути в среднем и коэффициента кластеризации. Но для исследования областей устойчивости нейронных сетей будет интересна любая сеть, моделируемая со значением вероятности из области 0 < р < 1, упомянутой в оригинальной работе [15].
Одним из предметов исследования в работе [17] является важное свойство - устойчивость нейронной сети. Устойчивость - способность продолжать стабильно функционировать при возникновении колебаний при передаче сигналов между нейронами, например, вследствие запаздывания. Достаточно разработана тема устойчивости непрерывных моделей нейронных сетей стандартных конфигураций (кольцевой и линейной) [21]. Особенностью данной работы является то, что модель нейронной сети дискретна, то есть для изучения проблемы ее устойчивости необходимо применение теории разностных матричных уравнений с за-
паздываниями [16]. В работе [17] рассматривается уравнение вида эд ^xs—m + Bxs—^, s 1,2,...
где: у - коэффициент демпфирования нейронной сети; В матрица взаимодействий нейронов в сети; к запаздывание во взаимодействии различных нейронов; т - запаздывание в демпфировании собственных колебаний нейрона.
Эта проблема разработана гораздо меньше, чем аналогичная для непрерывных моделей. В работе [17] был разработан метод анализа устойчивости дискретных моделей нейронных сетей - метод конусов устойчивости, для которого был реализован программный продукт [18] в программной среде MATLAB.
Цель и задачи исследования
Целью данной работы является разработка и реализация параллельных алгоритмов для построения моделей нейронных сетей Ваттса-Строга- ца, расчета их параметров, генерации входных данных для программного продукта [18], осуществляющего анализ устойчивости нейронных сетей.
Для достижения поставленной цели нужно выполнить следующие задачи:
1) рассмотреть существующие варианты последовательного алгоритма по строения моделей нейронных сетей Ваттса-Строгаца и его реализации, а также алгоритмов для расчета его свойств;
2) изучить методы разработки параллельных алгоритмов для сопроцессора Intel Xeon Phi;
3) на основе существующих последовательных алгоритмов спроектировать и реализовать параллельные алгоритмы;
4) провести эксперименты по оценке эффективности разработанных алгоритмов.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, 4 основных разделов, заключения и библиографии. Объем работы составляет 34 страницы, объем библиографии - 21 наименование.
Содержание работы
В первом разделе проведен обзор существующих алгоритмов и их реализаций для построения модели нейронной сети Ваттса-Строгаца и расчета ее коэффициентов.
Во втором разделе приведены описания последовательных алгоритмов.
Третий раздел содержит описание параллельных алгоритмов на основе технологии OpenMP, а также приведено краткое описание архитектуры сопроцессора Intel Xeon Phi и методов разработки для этого сопро- цесора.
В четвертом разделе представлены результаты экспериментов и анализ эффективности разработанных алгоритмов.
В заключении подведены итоги проделанной работы.
Купить

Данная работа посвящена разработке и реализации параллельного алгоритма для построения моделей нейронных сетей Ваттса-Строгаца, а также алгоритмов для расчета их параметров и генерации матриц, которые являются входными данными для продукта [18], производящего расчет областей устойчивости нейронных сетей. Были получены следующие основные результаты:
1) рассмотрены существующие варианты последовательного алгоритма по строения моделей нейронных сетей Ваттса-Строгаца и его реализации, а также алгоритмов для расчета его свойств;
2) изучены методы разработки параллельных алгоритмов для сопроцессора Intel Xeon Phi;
3) на основе существующих последовательных алгоритмов спроектированы и реализованы параллельные алгоритмы с помощью технологии OpenMP;
4) проведены эксперименты по оценке эффективности разработанных алгоритмов на процессоре и сопроцессоре.
Генерируемые программой данные пригодны не только для исследования дискретных моделей нейронных сетей, но и для аналогичных непрерывных моделей. Результаты экспериментов показывают, что реализованные алгоритмы пригодны для достаточно быстрой обработки нейронных сетей больших размерностей.

Купить