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JP3197377B2 - Neurocomputer - Google Patents

Neurocomputer

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JP3197377B2
JP3197377B2 JP34035992A JP34035992A JP3197377B2 JP 3197377 B2 JP3197377 B2 JP 3197377B2 JP 34035992 A JP34035992 A JP 34035992A JP 34035992 A JP34035992 A JP 34035992A JP 3197377 B2 JP3197377 B2 JP 3197377B2
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JP
Japan
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gene
neural network
layer
intermediate layer
crossover
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裕一 石塚
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Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はニューロコンピュータ、
特にニューラルネットワークを利用した画像認識装置等
に応用される、ニューラルネットワークの構造を最適化
したニューロコンピュータに関する。
The present invention relates to a neurocomputer,
In particular, the present invention relates to a neurocomputer which is applied to an image recognition device or the like using a neural network and has an optimized structure of the neural network.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、階層型のニューラルネットワーク
を使用した画像認識装置では、ニューロン層間の結合は
ほとんどの場合、全結合として計算することが多いため
に結合数が非常に多くなっていた。例えば、図9は、従
来の画像認識装置のニューラルネットワークの一般的な
結合構成を示す概念図である。図において、入力画像1
1は、入力層12、中間層13、出力層14のニューラ
ルネットワークを介して認識され、その結果が出力され
ていた。図から明らかなように、入力層12、中間層1
3、出力層14のニューラルネットワークのニューロン
層間の結合は全結合されている。
2. Description of the Related Art Hitherto, in an image recognition apparatus using a hierarchical neural network, the number of connections has been extremely large since the connections between neuron layers are often calculated as all connections in most cases. For example, FIG. 9 is a conceptual diagram showing a general connection configuration of a neural network of a conventional image recognition device. In the figure, input image 1
1 has been recognized through the neural network of the input layer 12, the intermediate layer 13, and the output layer 14, and the result has been output. As is clear from the figure, the input layer 12, the intermediate layer 1
3. The connection between the neuron layers of the neural network of the output layer 14 is fully connected.

【0003】このようなニューロン層間の結合がほとん
ど全結合となっている従来の画像認識装置は結合関係の
処理に時間を要してしまうという問題点があった。そこ
で、この問題点に対応するために、例えば、John ,
W.M.Robert .F.P.(1991)”Fractally
Neural Networks .Neural Networks ,Vo
l.4.pp.53−60.に記載される結合数を減らす方法
が提案されている。これは生物の脳が生まれながらにし
てある程度構造化されていることなどから、ニューラル
ネットワークの結合パターンをフラクタルを使用して決
定する方法である。つまり複雑な結合パターンもフラク
タルを使用すれば単純な方程式で記述することができる
から、非常に低コストで結合パターンが得られる可能性
がある。
The conventional image recognition apparatus in which the connection between the neuron layers is almost completely connected has a problem that it takes time to process the connection relationship. To address this problem, for example, John,
W. M. Robert. F. P. (1991) "Fractally
Neural Networks. Neural Networks, Vo
l.4.pp.53-60. Has been proposed to reduce the number of bonds. This is a method of determining the connection pattern of the neural network using fractals, for example, because the brain of an organism is structured to some extent as it was born. In other words, since a complex connection pattern can be described by a simple equation using fractals, there is a possibility that the connection pattern can be obtained at a very low cost.

【0004】この方法によるニューラルネットワークの
結合パターンの求め方を説明すると、まず式(1)に示
すような単純な方程式に従って順次x1 の系列を求め、
その系列に従ってニューロン間の結合関係を決定してい
くというものである。ここで、方程式(1)はある層の
ニューロンノードへの入力の順番を順次求める式を表す
ものである。図10は、このフラクタルを使用してニュ
ーラルネットワークの結合パターンを決定する従来の画
像認識装置のニューラルネットワークの結合構成を示す
概念図であるが、この図10を用いてニューロン間の結
合関係を決定していく方法について説明する。
A method of obtaining a connection pattern of a neural network by this method will be described. First, a series of x 1 is sequentially obtained according to a simple equation as shown in equation (1).
The connection between neurons is determined according to the sequence. Here, equation (1) represents an equation for sequentially determining the order of inputs to neuron nodes in a certain layer. FIG. 10 is a conceptual diagram showing a connection configuration of a neural network of a conventional image recognition apparatus for determining a connection pattern of a neural network using this fractal. FIG. The following describes how to do this.

【0005】図において、入力画像15は、入力層1
6、中間層17、出力層18のニューラルネットワーク
を介して認識され、その結果が出力されている。まず、
式(1)に示すような単純な方程式に従って順次x1
系列を求める場合、最初に適当な初期値をx1 (0) に与
える。その後、方程式(1)に従ってx1 (1) 、x1 (2
) というように次々にx1 の系列を求めていく。
[0005] In the figure, an input image 15 corresponds to an input layer 1.
6, the intermediate layer 17, and the output layer 18 are recognized through the neural network, and the result is output. First,
When sequentially obtaining a series of x 1 according to a simple equation as shown in equation (1), an appropriate initial value is first given to x 1 (0) . Thereafter, x 1 (1) and x 1 (2
), And so on, the sequence of x1 is obtained one after another.

【0006】 x1 (t+1) ←c1 (1−|x1 (t) |)−1・・・・・(1) このx1 系列が、例えば初期値を0.10とし、c1 を1.5
として、順次0.10,0.35,-0.03,……などと求まったとす
れば、それを今度は正規化してニューロンの番号と読み
替える。例えば、ニューロンが100個あると仮定する
と、1本目の接続はニューロン番号10との結合であ
り、2本目の接続はニューロン番号35との結合であ
り、3本目の接続はニューロン番号3との結合であって
負の重みをもつものとする、といった具合に結合順序を
決定していく。今、便宜的に1本目、2本目、3本目と
表現したが、この様に表現したのは以下に説明する出力
の系列との対応を考慮したためである。ある層への入力
の系列が、10,35,-3……であり、その層の前段からの出
力の系列が仮に、88,-5,12, ……というように求められ
たとすると、このことは前段の層のニューロン番号88
と後段の層のニューロン番号10が接続されており、前
段のニューロン番号5と後段のニューロン番号35が負
の重みで接続され、前段のニューロン番号12と後段の
ニューロン番号3がやはり負の重みで接続されているな
どというように結合順序を決定することを示している。
[0006] x 1 (t + 1) ← c 1 (1- | x 1 (t) |) -1 ····· (1) This x1 sequence, for example, the initial value is set to 0.10, the c 1 1.5
Assuming that 0.10, 0.35, -0.03,..., Etc. are obtained in turn, this is normalized and replaced with the neuron number. For example, assuming that there are 100 neurons, the first connection is a connection with neuron number 10, the second connection is a connection with neuron number 35, and the third connection is a connection with neuron number 3. Thus, the connection order is determined in such a manner as to have a negative weight. Here, the first, second, and third lines are expressed for convenience, but are expressed in this way in consideration of the correspondence with the output sequence described below. If the sequence of input to a certain layer is 10,35, -3 …… and the sequence of output from the previous stage of that layer is supposed to be calculated as 88, -5,12, …… This means that the neuron number 88 of the previous layer
Is connected to the neuron number 10 of the subsequent layer, the neuron number 5 of the preceding stage and the neuron number 35 of the subsequent stage are connected with negative weight, and the neuron number 12 of the preceding stage and the neuron number 3 of the subsequent stage are also connected with negative weight. It indicates that the connection order is determined such as connection.

【0007】次に、ある層からの出力の順序を求める場
合、上述の入力の順序を求める場合の手順に対して方程
式(1)ではなく方程式(2)を用いる以外全く同様に
して求めることができる。従って、ここではその方法に
ついての説明は省略する。
Next, when obtaining the order of outputs from a certain layer, it is necessary to obtain the same procedure as that for obtaining the order of inputs described above, except that equation (2) is used instead of equation (1). it can. Therefore, the description of the method is omitted here.

【0008】 x2 (t+1) ←c2 (1−|x2 (t) |)−1・・・・・(2) この単純な方程式を繰り返し使用したニューロン層間の
結合規則の導入により、ニューラルネットワークの各層
の結合関係にフラクタル構造を構築することができる。
もっとも、上述の方法では層毎に決定されるパラメータ
(c1 、c2 )を適切に決定することは通常非常に困難
である。このパラメータ(c1 、c2 )は、前述した前
後の層の間のニューロンを決定する系列により逆に求め
ることができるが、従来はこの結合関係を記述した系列
からパラメータを最適化して求めるために、シミュレー
テッド・アニーリング法などを用いて行っていた。しか
し、層が多層になったり、あるいは入力数が増加する
と、システムの自由度が大きくなってニューロンの結合
関係に大きな任意性が入り込み、最適な結合関係を求め
るのは計算量の観点から困難であった。これに対してア
ニーリングの部分に遺伝アルゴリズムを用いてパラメー
タを決定することも試みられてはいたが、同様に計算量
がボトルネックになっていた。
X 2 (t + 1) ← c 2 (1− | x 2 (t) |) −1 (2) By introducing a connection rule between neuron layers by repeatedly using this simple equation In addition, a fractal structure can be constructed in the connection relation of each layer of the neural network.
However, it is usually very difficult to appropriately determine the parameters (c 1 , c 2 ) determined for each layer in the above-described method. These parameters (c 1 , c 2 ) can be determined in reverse by the above-described sequence for determining neurons between the preceding and succeeding layers. However, conventionally, the parameters (c 1 , c 2 ) are determined by optimizing the parameters from the sequence describing this connection relationship. In this case, a simulated annealing method was used. However, as the number of layers increases or the number of inputs increases, the degree of freedom of the system increases, and the connection relationship between neurons enters a large degree of arbitrariness. there were. On the other hand, although attempts have been made to determine parameters using a genetic algorithm for the annealing part, the amount of calculation has similarly become a bottleneck.

【0009】図11は、このアニーリングの部分に遺伝
アルゴリズムを用いてニューロン間の結合関係を決定す
る従来の画像認識装置のニューラルネットワークの結合
構成を示す概念図である。なお、図11の遺伝アルゴリ
ズムを用いてニューロン間の結合関係を決定していく方
法については、後述する図12、及び図13の説明にお
いて併せて述べる。ただし、図11においては図10と
同様に、入力画像15は、入力層16、中間層17、出
力層18のニューラルネットワークを介して認識され、
その結果が出力されている。
FIG. 11 is a conceptual diagram showing a connection configuration of a neural network of a conventional image recognition apparatus for determining a connection relationship between neurons by using a genetic algorithm for this annealing. The method of determining the connection relationship between neurons using the genetic algorithm of FIG. 11 will be described together with the description of FIGS. 12 and 13 described later. However, in FIG. 11, similarly to FIG. 10, the input image 15 is recognized via the neural network of the input layer 16, the intermediate layer 17, and the output layer 18,
The result is output.

【0010】そして、従来の画像認識装置のニューラル
ネットワークはこうした計算量の大きなシステムであっ
たから、認識率の向上のためにさらに計算量が大きくな
る多層への拡張を行う方式について言及した従来例はな
かった。
Since the conventional neural network of the image recognition apparatus is such a system having a large amount of calculation, a conventional example which refers to a method of extending to a multilayer in which the amount of calculation is further increased to improve the recognition rate is described. Did not.

【0011】次に、図12は、遺伝アルゴリズムを用い
てニューロン間の結合関係を決定するニューラルネット
ワークを利用した画像認識装置の画像認識動作を説明す
るための概念図である。図において、従来のニューラル
ネットワークを利用した画像認識装置は入力画像21を
入力して、ニューロンを平面上に配置した入力層22
と、画像データの特徴を抽出する中間層23と、様々な
特徴を分離して最終的に入力画像が何の画像であるかを
認識する出力ニューロン群24とから構成される階層型
のニューラルネットワークを介して、出力ニューロン群
24から入力画像の最終的な認識結果を出力する。説明
を簡単にするために、入力画像は様々な形状の飛行機の
画像であることを前提にして、その認識処理について以
下に説明する。
Next, FIG. 12 is a conceptual diagram for explaining an image recognition operation of an image recognition device using a neural network which determines a connection relationship between neurons using a genetic algorithm. In the figure, a conventional image recognition device using a neural network inputs an input image 21 and an input layer 22 in which neurons are arranged on a plane.
And a middle layer 23 for extracting features of image data, and an output neuron group 24 for separating various features and finally recognizing what the input image is. , The final recognition result of the input image is output from the output neuron group 24. For the sake of simplicity, the recognition process will be described below on the assumption that the input image is an image of an airplane having various shapes.

【0012】まず、中間層の階層数を1に限定して説明
する。図12において、平行四辺形で表した中間層23
の各平面23〜23上にはニューロンが密集して構
成されている。以下ではこのニューロンの密集を特徴プ
レーンと呼称する。特徴プレーン23〜23は、入
力画像の部分的な画像特徴をそれぞれ抽出するニューロ
ン群である。例えば、図12では、特徴プレーン23
は飛行機画像中の主翼部分の形状を検出するものであ
り、特徴プレーン23は画像中の尾翼部分の形状を検
出するものであり、特徴プレーン23は画像中の機首
部分の形状を検出するものである。同様に、特徴プレー
ン23〜23の特徴プレーン上のいずれのニューロ
ン群も、入力飛行機画像の様々な部分について、いずれ
かの画像特徴を抽出する集団と仮定する。
First, the description will be made by limiting the number of intermediate layers to one. In FIG. 12, the intermediate layer 23 represented by a parallelogram
On each plane 23 1 ~ 23 m that are configured neurons around. Hereinafter, this density of neurons will be referred to as a feature plane. Wherein plane 23 1 ~ 23 m is a neuron population to extract each partial image features of the input image. For example, in FIG. 12, wherein plane 23 1
Is intended to detect the shape of the wing sections in the plane image, wherein the plane 23 2 is intended to detect the shape of the tail portion of the image, wherein the plane 23 3 detects the shape of the nose portion of the image Is what you do. Similarly, none of the neuron population in the feature plane, wherein the plane 23 1 ~ 23 m, the different parts of the input plane image, it is assumed that the population of extracting any of image features.

【0013】これらの特徴プレーン23〜23を以
下では便宜的に記号a,b,c,d,………と表記する。特徴プ
レーン上のニューロンの結合状況が3値で表現できると
仮定した場合は、特徴プレーン23(記号a)は”0,
1,0,1,-1……”といったより複雑な表現となる。しか
し、ここでは説明の便宜上、記号a(特徴プレーン23
1)の表記により、特徴プレーンのそういった中身を総
括的に表しているものとする。今、特徴プレーン23
〜23の全てを[abcd……」のように一列に結合
し、遺伝子を生成するものとする。そして、この遺伝子
の生成処理は後述する図13に示すように、他のニュー
ラルネットワークについても行われ、複数のニューラル
ネットワークシステムの同じ位置の中間層から生成され
た遺伝子により遺伝子交叉が行われる。
[0013] To these characteristics planes 23 1-23 convenience symbol a is a m below, b, c, d, ......... denoted. Assuming that the connection state of the neurons on the feature plane can be represented by ternary values, the feature plane 23 1 (symbol a) becomes “0,
1,0,1, -1 ... ”. However, here, for convenience of explanation, the symbol a (characteristic plane 23
It is assumed that the contents of the feature plane are collectively represented by the notation of 1). Now, feature plane 23 1
〜23 m are all connected in a row as [abcd...] To generate a gene. Then, as shown in FIG. 13, which will be described later, this gene generation processing is also performed for other neural networks, and gene crossover is performed using genes generated from intermediate layers at the same position in a plurality of neural network systems.

【0014】この場合、各特徴プレーンの中身がどの程
度似かよっているかは、記号a,b,c,d,……の類似度を測
定することにより得ることができる。例えば、aとa’
は類似し、aとdとはほとんど似ていないと仮定する。
つまり、同一記号で「’」(ダッシュ)の付加された記
号はそれぞれの特徴プレーン内の結合状態が類似するも
のとし、異なる記号の特徴プレーンは全く類似していな
いことを表す。
In this case, how similar the contents of each feature plane are can be obtained by measuring the similarity of the symbols a, b, c, d,.... For example, a and a '
Are similar and a and d are hardly similar.
In other words, the same symbol to which "'" (dash) is added indicates that the connection state in each feature plane is similar, and that the feature planes of different symbols are not completely similar.

【0015】従来の遺伝アルゴリズムを使用した遺伝子
交叉の場合、一般に両親の遺伝子に非常に似かよった特
徴があったとしても、その類似する特徴は必ずしも子供
に受け継がれるとは限らない。この遺伝メカニズムを図
13を用いて説明する。図13は、従来の遺伝子交叉の
手順を示す概念図であり、両親の遺伝子を交叉させて子
供の遺伝子を生成する方法を示している。
In the case of gene crossover using a conventional genetic algorithm, generally, even if there is a feature very similar to that of the parents, the similar feature is not always inherited by the child. This genetic mechanism will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a conceptual diagram showing a conventional gene crossover procedure, and shows a method of generating a child gene by crossing parents' genes.

【0016】図13(a)では、それぞれ別々のニュー
ラルネットワークの中間層から得られた交叉前の親の遺
伝子である個体Aの遺伝子25と、個体Bの遺伝子26
が示されている。図に示されているように個体Aの遺伝
子25の特徴プレーンの中身は「abcdef」であ
り、個体Bの遺伝子26の特徴プレーンの中身は「d’
gb”a’f”c”」である。また、図13(b)で
は、この親の遺伝子25、26を従来の遺伝子交叉方法
に従って、単純に交叉させる方法を示している。図13
(c)では、遺伝子交叉の結果得られた子供の遺伝子を
示している。図に示すように、交叉により生成された子
供の遺伝子である個体Cの遺伝子27の特徴プレーンの
中身は、「abca’f”c”」であり、個体Dの遺伝
子28の特徴プレーンの中身は、「d’gb”def」
である。このように従来の遺伝子交叉方法に従って、親
の遺伝子を単純に交叉させると、最終的に得られる子供
ニューラルネットワークの遺伝子は、例えば、図13
(c)に示す個体Cの遺伝子27のようにaとa’とい
った類似するパターンが重複して伝えられてしまった
り、あるいは個体Dの遺伝子28のように両親の遺伝子
の一部の特徴プレーンが全く伝えられなかったりする。
In FIG. 13A, the gene A of the individual A, which is the parent gene before crossover, obtained from the intermediate layers of the separate neural networks, and the gene 26 of the individual B
It is shown. As shown in the figure, the contents of the feature plane of the gene 25 of the individual A are “abcdef”, and the contents of the feature plane of the gene 26 of the individual B are “d ′”.
gb "a'f" c "". FIG. 13B shows a method in which the parent genes 25 and 26 are simply crossed over according to a conventional gene crossing method. FIG.
(C) shows the gene of the child obtained as a result of the gene crossover. As shown in the figure, the content of the feature plane of the gene 27 of the individual C, which is the child gene generated by the crossover, is “abca'f” c ””, and the content of the feature plane of the gene 28 of the individual D is , "D'gb" def "
It is. When the parent gene is simply crossed according to the conventional gene crossover method, the gene of the child neural network finally obtained is, for example, as shown in FIG.
Similar patterns such as “a” and “a ′” are transmitted redundantly like the gene 27 of the individual C shown in (c), or a part of the feature plane of the parent's gene is like the gene 28 of the individual D. I can't tell at all.

【0017】両親の遺伝子において、非常に似かよった
部分が存在するということは、何度か交配を繰り返して
特徴抽出を行っている過程で、その特徴がある程度普遍
的にシステムにとって有益な存在であることを意味して
いる。従って、この普遍的な特徴を子供システムが重複
して受け継ぐのも、逆に全く受け継がないのも、性能の
点で好ましいとはいえない。
The fact that there is a very similar part in the genes of the parents means that during the process of extracting features by repeating mating several times, the features are generally useful to the system to some extent. Means that. Therefore, it is not preferable in terms of performance that the child system inherits this universal feature redundantly, or conversely, does not inherit it at all.

【0018】[0018]

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
ニューラルネットワークシステムにおいて、ニューロン
の結合関係の構造を最適化するための方法としては、シ
ミュレーテッド・アニーリング法や遺伝アルゴリズムを
用いる方法があったが、いずれも結合関係の計算量が膨
大となり処理に時間を要してしまうという問題点があっ
た。また、認識率の向上を目的としてニューラルネット
ワークを多層拡張することが考えられるが、遺伝アルゴ
リズムを用いた方法としては結合関係の計算量が膨大と
なるためかそのような処理方式に言及した従来例はなか
った。さらに、従来の遺伝アルゴリズムの遺伝子交叉処
理においては、両親の遺伝子を単純に交叉させていたの
で、最終的に得られる子供ニューラルネットワークの遺
伝子は、類似するパターンが重複して伝えられてしまっ
たり、あるいは両親の遺伝子の一部の特徴プレーンが全
く伝えられなかったりするという問題点があった。
As described above, in the conventional neural network system, methods for optimizing the structure of the connection relation of neurons include a method using a simulated annealing method and a genetic algorithm. However, in each case, there is a problem that the amount of calculation of the connection relationship becomes enormous and a long time is required for processing. In order to improve the recognition rate, it is conceivable to extend the neural network in multiple layers.However, the method using the genetic algorithm is a conventional example that mentions such a processing method because the amount of calculation of the connection relation is huge. There was no. Furthermore, in the gene crossover process of the conventional genetic algorithm, since the genes of the parents were simply crossed over, similar patterns are duplicated and conveyed in the finally obtained gene of the child neural network. Alternatively, there was a problem that some feature planes of the genes of the parents were not transmitted at all.

【0019】本発明は上記のような問題点を解消するた
めになされたもので、両親の遺伝子の特徴を最適に受け
継いだ子供遺伝子が生成できるようにした遺伝アルゴリ
ズムを実現すると共に、計算量の増大をできるだけ抑え
ることのできる遺伝アルゴリズムを実現し、さらにニュ
ーラルネットワークの中間層を多層に拡張した場合も含
めて各層の間の結合パターンを効率よく決定できるニュ
ーラルネットワークの結合関係の最適化を行ったニュー
ロコンピュータを得ることを目的としている。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and realizes a genetic algorithm that enables generation of a child gene that optimally inherits the characteristics of the parents' genes, and also reduces the amount of calculation. We realized a genetic algorithm that can suppress the increase as much as possible, and optimized the connection relation of the neural network that can efficiently determine the connection pattern between each layer including the case where the intermediate layer of the neural network is expanded to multiple layers. The aim is to get a neurocomputer.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第1の発明に係るニューロコンピュータ
は、階層型のニューラルネットワークを複数個それぞれ
独立に用いて、各ニューラルネットワークの中間層内の
特徴を抽出するニューロンの集団毎にニューラルネット
ワークの結合規則をコード化した遺伝子構成要素を生成
し、それらを繋げた構成要素列を遺伝子とする遺伝子生
成手段と、遺伝子生成手段により生成された遺伝子が包
含する構成要素をその機能により分類、ソーティングす
る並び替え手段と、遺伝子生成手段により生成されるニ
ューラルネットワーク数分の遺伝子から2個を選択し、
選択された両遺伝子の構成要素を並び替え手段によりソ
ーティング・比較して、両親の遺伝子の特徴を最適に受
け継いだ子供遺伝子が生成できるように交叉させる遺伝
子交叉手段とを具備し、階層型ニューラルネットワーク
の中間層とその前後の入出力層との結合規則を前記手段
による遺伝アルゴリズムによって最適化したことを特徴
とする。
In order to achieve the above object, a neural computer according to a first aspect of the present invention uses a plurality of hierarchical neural networks independently of each other, and uses an intermediate layer of each neural network. Gene generating means encoding a connection rule of a neural network for each group of neurons for extracting the features in a gene generating means, and a gene generating means using the constituent element sequence connecting them as a gene, and gene generating means Sorting means for classifying and sorting the components included in the genes according to their functions, and selecting two genes from the number of neural networks generated by the gene generating means,
Genetic crossover means for sorting and comparing the selected constituent elements of both genes by rearranging means to crossover so that a child gene that optimally inherits the characteristics of the genes of the parents can be generated. The connection rule between the intermediate layer and the input / output layer before and after the intermediate layer is optimized by a genetic algorithm by the means.

【0021】また、第2の発明に係るニューロコンピュ
ータは、ニューラルネットワークを利用したニューロコ
ンピュータにおいて、階層型のニューラルネットワーク
を複数個それぞれ独立に用いて、各ニューラルネットワ
ークの中間層内の特徴を抽出するニューロンの集団毎に
ニューラルネットワークの結合規則をコード化した遺伝
子構成要素を生成し、それらを繋げた構成要素列を遺伝
子とする遺伝子生成手段と、遺伝子生成手段により生成
された遺伝子が包含する構成要素を類似度に従ってソー
ティングする並び替え手段と、並び替え手段によりソー
ティングされた遺伝子同士を交叉させて子供遺伝子を生
成する遺伝子交叉手段と、各中間層ごとに、当該層での
遺伝子交叉手段による遺伝子構成要素の組み替え情報を
記憶する変換テーブルと、ある中間層での遺伝子交叉を
行う際に、当該層についての変換テーブルと前段の中間
層についての変換テーブルとの間で遺伝子構成要素の読
み替えを行い、当該層での遺伝子交叉による構成要素の
組み替えに伴う結合関係の破壊を復旧する手段とを備え
たことを特徴とする。
Further, neuro-computer according to the second invention, in the neuro-computer using a two-menu neural network, using a hierarchical neural network into a plurality each independently, characterized in the intermediate layer of each neural network Gene generation means for generating a gene component encoding a connection rule of a neural network for each group of neurons for extracting a gene, and a gene sequence comprising the component sequence connecting them, and a gene generated by the gene generation means are included. Sorting means for sorting the components to be sorted in accordance with the similarity , and sorting by the sorting means.
Crossed genes to produce child genes
And genetic crossover means formed, for each intermediate layer, at the layer
A conversion table that stores information on the rearrangement of gene components by gene crossover means , and gene crossover in a certain intermediate layer
When performing, the conversion table for the relevant layer and the middle of the previous stage
Performs re reading genetic components between the conversion table for the layer, characterized in that a means to recover the destruction of recombinant accompanied the Hare binding relationship of the components by genetic crossover in the layer.

【0022】すなわち本発明に係るニューロコンピュー
タは、複数の中間層を持つ階層型のニューラルネットワ
ークを複数個それぞれの独立に用いて、 (1)各ニューラルネットワークの各中間層は、各々順
に前段の層に対する特徴抽出を行い、最前段から最後段
の層まで順次高次のまとまった特徴を抽出するように構
造化されたことを特徴とし、 (2)各ニューラルネットワークの各中間層は、前後の
層との結合関係の最適化を行うために、中間層内の特徴
を抽出するニューロンの集団毎にニューラルネットワー
クの結合規則をコード化した遺伝子構成要素を生成し、
それらを繋げた構成要素列を遺伝子とする遺伝子生成手
段と、遺伝子生成手段により生成された遺伝子が包含す
る構成要素を類似度により分類、ソーティングする並び
替え手段と、並び替え手段によりソーティングされた遺
伝子同士を交叉させて子供遺伝子を生成する遺伝子交叉
手段とにより、最適化された遺伝アルゴリズムを実現す
ることを特徴とし、 (3)各ニューラルネットワークの各中間層は、当該層
での遺伝子交叉における構成要素の組み替え情報を記憶
する変換テーブルと、当該層での遺伝子交叉を行う際に
当該層の変換テーブルと段の層の変換テーブルとの間
で構成要素の読み替えを行い、当該層での遺伝子交叉に
よる構成要素の組み替えに伴うそれまでの結合関係の破
壊を復旧する手段を備えたことを特徴とする。
That is, the neural computer according to the present invention uses a plurality of hierarchical neural networks having a plurality of intermediate layers independently of each other. (1) Each intermediate layer of each neural network sequentially (2) Each intermediate layer of each neural network is characterized in that it is structured so as to sequentially extract higher-order integrated features from the foremost stage to the last layer. In order to optimize the connection relationship with, a gene component encoding the connection rule of the neural network is generated for each group of neurons for extracting features in the hidden layer,
A gene generating means having a sequence of constituent elements connecting them as a gene, a rearranging means for classifying and sorting the components included in the gene generated by the gene generating means according to the similarity , and a sorting means which is sorted by the rearranging means.
Genetic crossover means for crossing genes to generate a child gene realizes an optimized genetic algorithm. (3) Each intermediate layer of each neural network has a gene crossover in that layer. performs a conversion table storing recombinant information components, the re-read of the components between the conversion table of the conversion table and the previous stage of the layer of the layer when performing gene crossover in the layer in, in the layer Means for restoring the destruction of the binding relationship up to that time due to the rearrangement of the constituent elements due to the gene crossover.

【0023】[0023]

【作用】従って、本発明のニューロコンピュータによれ
ば、遺伝子生成手段により中間層内の特徴を抽出するニ
ューロンの集団毎にニューラルネットワークの結合規則
をコード化した遺伝子構成要素が生成され、それらを繋
げた遺伝子が包含する構成要素を、並び替え手段により
機能毎に分類、ソーティングして、遺伝子交叉手段によ
りニューラルネットワーク数分の遺伝子から選択された
両親の遺伝子の特徴を最適に受け継いだ子供を生成でき
るように遺伝子交叉を行うので、初めから明らかに性能
のよくないニューラルネットワークを生成する可能性を
従来に比べて小さく抑えることができ、不要なニューロ
ン間の結合関係を計算する必要がなくなり高速に最適化
することができる。
Therefore, according to the neurocomputer of the present invention, gene components encoding the connection rules of the neural network are generated for each group of neurons for extracting features in the intermediate layer by the gene generation means, and are connected. The components included in the gene can be classified and sorted by function by the rearrangement means, and a child can be generated that optimally inherits the characteristics of the genes of the parents selected from the genes of the number of neural networks by the gene crossover means. In this way, the possibility of generating a neural network with clearly poor performance from the beginning can be reduced from the beginning, making it unnecessary to calculate unnecessary connections between neurons. Can be

【0024】また、本発明のニューロコンピュータによ
れば、最前段から最後段の層まで順次高次のまとまった
特徴を抽出するように構造化された各ニューラルネット
ワークの各中間層により、上述の最適化された遺伝アル
ゴリズムを実現すると共に、各中間層は変換テーブルに
より当該層での遺伝子交叉における構成要素の組み替え
情報を記憶し、遺伝子交叉を行う際に当該層の変換テー
ブルと段の層の変換テーブルとの間で構成要素の読み
替えを行うので、当該層での遺伝子交叉による構成要素
の組み替えにともなうそれまでの結合関係の破壊を復旧
することができ、かつニューラルネットワークの最適化
を高速に行うことができる。従って、ニューラルネット
ワークの層を多層化して識別データの増加や認識率の向
上に対応する必要がある場合にも、最適化された遺伝ア
ルゴリズムを実現して、ニューラルネットワークの各層
間の結合関係の最適化を容易に行えるようになる。
Further, according to the neurocomputer of the present invention, the above-mentioned optimal layer is obtained by each intermediate layer of each neural network structured so as to successively extract high-order integrated features from the first stage to the last layer. it is possible to realize a reduction by genetic algorithms, each intermediate layer stores recombinant information elements in genetic crossover in the layer by the conversion table, the conversion table and the previous stage of the layer of the layer when performing genetic crossover Since the components are exchanged with the conversion table, it is possible to restore the previous destruction of the connection relationship due to the rearrangement of the components due to gene crossover in the relevant layer, and to speed up the optimization of the neural network. It can be carried out. Therefore, even when it is necessary to increase the number of identification data and improve the recognition rate by increasing the number of layers of the neural network, an optimized genetic algorithm is realized to optimize the connection relationship between the layers of the neural network. Can be easily performed.

【0025】[0025]

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図に基づいて
説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0026】実施例1.図1は本実施例に係るニューロ
コンピュータにおける、本実施例に係る遺伝アルゴリズ
ムをニューラルネットワークの中間層の結合の最適化に
用いて、最終的に1つのニューラルネットワークを選択
する処理の流れを示す概念図である。
Embodiment 1 FIG. FIG. 1 is a conceptual diagram showing a flow of a process of finally selecting one neural network by using the genetic algorithm according to the present embodiment in optimizing the connection between hidden layers of the neural network in the neural computer according to the present embodiment. FIG.

【0027】まず、一般的な遺伝アルゴリズムについて
説明する。遺伝アルゴリズムとはその名が示すように、
生物の世界の生き残り戦術、特に生物が進化と淘汰を繰
り返しながら外界の環境に最適な機構をもったものが生
き残るという機構を、生物以外の一般的なシステムの選
択原理として導入したものである。つまりある類似した
働きをするシステムがいくつかあるとき、まず1つ1つ
のシステムを分析し、そのシステムの何が特徴であるか
を調べる(ここで上述した1つ1つのシステムのことを
遺伝アルゴリズムでは「個体」と呼称したりする)。例
えば、卑近な例を上げれば、新しい車を販売しようとす
る自動車メーカーがあるとする。この場合、システムの
特徴はその新しい車が新しいエンジンを搭載していた
り、デザインに工夫が凝らされていたり、新しいブレー
キ機構を備えていたりすることに相当する。そして、こ
の新しく登場する自動車の評価は自然界の淘汰の法則と
同様に、いかに多くの人達が購入するかにより決定され
る。今、仮にAという名前が付された新しい車が爆発的
に売れたと仮定すると、次の世代の新製品の開発には車
Aの特徴の多くが引き継がれることになる。逆に、車A
があまり売れなかった場合には、次の世代の新製品の開
発には車Aの特徴はほとんど引き継がれないことにな
る。このことを遺伝アルゴリズムでは以下のように実現
する。
First, a general genetic algorithm will be described. Genetic algorithms, as the name implies,
It introduces a survival tactic in the world of living things, in particular, a mechanism in which living things have the optimal mechanism for the external environment while repeating evolution and selection, and survive as a selection principle of general systems other than living things. In other words, when there are several systems that perform a similar function, each system is analyzed first, and what is characteristic of each system is examined (here, each system described above is referred to as a genetic algorithm). Then it is called "individual"). For example, to give a simple example, suppose there is an automobile manufacturer that wants to sell a new car. In this case, the features of the system correspond to the fact that the new car has a new engine, is well-designed, or has a new braking mechanism. And the rating of this new car is determined by how many people buy it, as is the law of natural selection. Now, assuming that a new car named A sold explosively, many of the features of Car A would be taken over in the development of the next generation of new products. Conversely, car A
If the car does not sell well, the characteristics of the car A will hardly be carried over to the development of a new product of the next generation. This is realized by the genetic algorithm as follows.

【0028】すなわち、車Aの特徴を羅列したものを遺
伝子aとして、同時に売り出している別の車Bの特徴を
羅列したものを遺伝子bとすると、その遺伝子同士を任
意に混ぜ合わせて次世代の車C,D,E,……を開発す
る。そして、車C,D,E,……は実際に市場において
一定数以上売れた車のみが次の世代の親になる資格が与
えられるものとする。この遺伝規則を何世代にも繰り返
して行うことにより、世上において非常によく売れる遺
伝子を受け継いだ性質のよい車を生み出すことができ
る。以上が一般的な遺伝アルゴリズムの概略である。
That is, if the features of the car A are listed as a gene a and the features of another car B being sold at the same time are set as a gene b, the genes are arbitrarily mixed to generate the next generation. Develop cars C, D, E, ... Cars C, D, E,... Only those cars actually sold in the market by a certain number or more are qualified to be parents of the next generation. By repeating this genetic rule for generations, it is possible to create a car with good properties that inherits genes that sell very well in the world. The above is the outline of the general genetic algorithm.

【0029】ところが従来技術で説明したように、従来
の遺伝子交叉方法に従って親の遺伝子を単純に交叉させ
ると、最終的に得られる子供ニューラルネットワークの
遺伝子は、両親の類似するパターンが重複して伝えられ
てしまったり、あるいは両親の遺伝子の一部の特徴プレ
ーンが全く伝えられなかったりするという問題点があっ
た。本実施例のニューロコンピュータの遺伝アルゴリズ
ムはそのような問題点を解消することを目的としてい
る。
However, as described in the prior art, when the parent gene is simply crossed over according to the conventional gene crossover method, the finally obtained gene of the child neural network is obtained by transmitting similar patterns of the parents in duplicate. There was a problem that some feature planes of the parents' genes were not transmitted at all. The genetic algorithm of the neurocomputer of the present embodiment aims at solving such a problem.

【0030】まず、図1は遺伝アルゴリズムをニューラ
ルネットワークの中間層の結合の最適化に用いて、最終
的に1つのニューラルネットワークを選択する本実施例
のニューロコンピュータの処理の流れを示す概念図であ
る。図では、1つ1つ中間層の結合の異なるニューラル
ネットワークが世代毎に構成され、それらのニューラル
ネットワークの中から優秀な成績を収めたニューラルネ
ットワークが徐々に選択される様子が示されている。最
終的に選択されるのは図において最終世代として示され
ている、ある処理に対して優秀な成績を収めたものであ
る。
First, FIG. 1 is a conceptual diagram showing a processing flow of the neurocomputer of this embodiment for finally selecting one neural network by using the genetic algorithm for optimizing the connection of the hidden layers of the neural network. is there. The figure shows that neural networks having different connections of the intermediate layer one by one are formed for each generation, and a neural network having an excellent result is gradually selected from the neural networks. The final selection is the one that has performed well for a given process, shown as the last generation in the figure.

【0031】次に、最も優秀な成績を収めたニューラル
ネットワークが選択されるという本実施例の遺伝アルゴ
リズムを実現するための遺伝子交叉の手順と手段を図を
用いて説明する。まず、図2は、本実施例のニューロコ
ンピュータにおける遺伝子交叉の手順を示す概念図であ
り、遺伝子をソーティングして交叉させる方法を示して
いる。従来技術で説明した図13に示す従来の遺伝子交
叉の手順との相違は、遺伝子交叉を行う前に両親の遺伝
子をその類似性により分類、ソーティングすることによ
り、両親の遺伝子をほぼ均等に継承した子供の遺伝子を
生成するようにしたことにある。以下具体的に説明す
る。
Next, the procedure and means of gene crossover for realizing the genetic algorithm of the present embodiment in which the neural network with the best performance is selected will be described with reference to the drawings. First, FIG. 2 is a conceptual diagram showing a procedure of gene crossover in the neurocomputer of the present embodiment, and shows a method of crossing genes by sorting them. The difference from the conventional gene crossover procedure shown in FIG. 13 described in the prior art is that the genes of the parents are almost equally inherited by sorting and sorting the genes of the parents by their similarity before performing the gene crossover. That is to make the gene of the child. This will be specifically described below.

【0032】まず、図2(a)には、それぞれ別々のニ
ューラルネットワークの中間層から得られた交叉前の親
の遺伝子である個体Aの遺伝子35と、個体Bの遺伝子
36が示されている。個体Aの遺伝子35の特徴プレー
ンの中身(構成要素)は「abcdef」であり、個体
Bの遺伝子36の特徴プレーンの中身は「d’gb”
a’f”c”」である。また、図2(b)では、この親
の遺伝子35、36の構成要素を類似度の高いものから
順に並び替える処理を示している。図2(c)では、前
記類似度の高いものから順に並び替えられた親の遺伝子
35、36を、従来と同様の交叉方法に従って遺伝子交
叉させる方法を示している。さらに、図2(d)では、
遺伝子交叉の結果得られた子供の遺伝子が示されてい
る。図2(d)に示すように、交叉により生成された子
供の遺伝子である個体Cの遺伝子37の特徴プレーンの
中身は、「adbf”c”g」であり、個体Dの遺伝子
38の特徴プレーンの中身は、「a’d’b”fce」
である。なお、図2(b)では類似度の高いものから順
にソーティングしているが、この類似度は両親の遺伝子
の構成要素間のユークリッド距離を求めることにより計
算する。
First, FIG. 2 (a) shows the gene 35 of the individual A and the gene 36 of the individual B, which are the parent genes before crossing, obtained from the intermediate layers of different neural networks, respectively. . The content (component) of the characteristic plane of the gene 35 of the individual A is “abcdef”, and the content of the characteristic plane of the gene 36 of the individual B is “d′ gb”.
a'f "c"'. FIG. 2B shows a process of rearranging the components of the parent genes 35 and 36 in descending order of similarity. FIG. 2C shows a method in which parent genes 35 and 36 rearranged in descending order of the similarity are crossed in accordance with a conventional crossover method. Further, in FIG.
Genes of children obtained as a result of gene crossover are shown. As shown in FIG. 2D, the content of the characteristic plane of the gene 37 of the individual C, which is the child gene generated by the crossover, is “adbf” c ”g”, and the characteristic plane of the gene 38 of the individual D. Is "a'd'b" fce "
It is. In FIG. 2B, sorting is performed in ascending order of similarity, but the similarity is calculated by obtaining the Euclidean distance between the constituent elements of the genes of the parents.

【0033】また、遺伝子交叉は一般に任意の長さの箇
所で行うことでき、それにより両親の遺伝子の配合比率
を替えた複数の子供の遺伝子を生成することもできる
が、上記実施例では簡単化のため両親の遺伝子のそれぞ
れの中央で遺伝子交叉を行うものとして説明した。
In addition, gene crossover can generally be performed at a site of an arbitrary length, whereby it is possible to generate genes of a plurality of children in which the mixing ratio of the genes of the parents is changed. Therefore, it was explained that gene crossover is performed at the center of each of the parents' genes.

【0034】このように両親の遺伝子をソーティングし
て遺伝子交叉させると、最終的に得られる子供ニューラ
ルネットワークの遺伝子は、例えば、図13(c)に示
される個体Cの遺伝子27のようにaとa’といった類
似するパターンが重複して伝えられることはなく、重複
に伴うニューラルネットワークの結合規則に関する処理
計算を省略できる。また、図13(C)に示される個体
Dの遺伝子28のように両親の遺伝子の一部の特徴プレ
ーンが全く伝えられなかったりすることもないので、重
要な一部の特徴プレーンの欠落に伴うニューラルネット
ワークの結合規則に関する処理計算を省略でき、ニュー
ラルネットワークの構造の最適化処理を高速に行うこと
ができる。
When the genes of the parents are sorted and crossed as described above, the genes of the child neural network finally obtained are, for example, a and a like the gene 27 of the individual C shown in FIG. Similar patterns such as a 'are not transmitted in duplicate, and processing calculations relating to the connection rules of the neural network accompanying the duplication can be omitted. Further, since some feature planes of the genes of the parents are not transmitted at all like the gene 28 of the individual D shown in FIG. 13C, there is a lack of some important feature planes. Processing calculations relating to the connection rules of the neural network can be omitted, and the structure of the neural network can be optimized at high speed.

【0035】次に、上記図2の遺伝アルゴリズムを実現
するための手段について説明する。本実施例のニューロ
コンピュータは、階層型のニューラルネットワークを複
数個それぞれの独立に用いて、各ニューラルネットワー
クの中間層内の特徴を抽出するニューロンの集団毎にニ
ューラルネットワークの結合規則をコード化したもの
(遺伝子の構成要素)を生成し、これらを繋げた構成要
素列を遺伝子とする遺伝子生成手段と、遺伝子生成手段
により生成された遺伝子が包含する構成要素をその機能
により分類、ソーティングする並び替え手段と、遺伝子
生成手段により生成されるニューラルネットワーク数分
の遺伝子から2個を選択し、選択された両遺伝子の構成
要素を比較して、同じ入力に対して同じ様な出力を示す
構成要素の対を検出してこれらが別々の子供に伝わるよ
うに遺伝子交叉を行い、両親の遺伝子の特徴を最適に受
け継いだ子供遺伝子が生成できるようにした遺伝子交叉
手段とを具備している。
Next, means for implementing the genetic algorithm of FIG. 2 will be described. The neural computer according to the present embodiment is obtained by coding a neural network connection rule for each group of neurons for extracting features in an intermediate layer of each neural network by using a plurality of hierarchical neural networks independently. Gene generating means for generating (components of a gene), and using a sequence of constituent elements connecting them, and sorting means for classifying and sorting the components included in the gene generated by the gene generating means according to their functions. And two genes are selected from the number of neural networks generated by the gene generating means, and the components of both selected genes are compared, and a pair of components showing the same output with respect to the same input is selected. Gene crossover so that these are transmitted to different children, and optimally receive the characteristics of the parents' genes. It is and a gene crossover means that succeeded's children gene has to be able to generate.

【0036】以下、上記本実施例のニューロコンピュー
タの遺伝子交叉の処理手順の流れを図3に示すフローチ
ャートを用いてさらに説明する。図において、それぞれ
のニューラルネットワークの中間層とその前後の層との
結合規則を遺伝アルゴリズムによって最適化するため
に、まずニューラルネットワークの集合の中から親の個
体であるニューラルネットワークAとニューラルネット
ワークBを選択する(ステップ51)。次に、遺伝子生
成手段により選択されたニューラルネットワークAとニ
ューラルネットワークBの中間層内の特徴プレーンをコ
ード化した遺伝子構成要素を生成し、それらを繋げた構
成要素列を遺伝子とする(ステップ52)。この両方の
ニューラルネットワークから得られた遺伝子を基に、構
成要素間のユークリッド距離を求める(ステップ5
3)。並び替え手段は、求められた構成要素間のユーク
リッド距離に基づいて各構成要素を類似度の高いものか
ら順に並び替え(ステップ54)、遺伝子交叉手段はソ
ーティングされた遺伝子を交叉させる(ステップ5
5)。この遺伝子交叉により両方の親の特徴を適度に受
け継いだ子供の個体であるニューラルネットワークC,
Dが生成される(ステップ56)。なお、遺伝子交叉手
段は遺伝子交叉処理において、交叉の基となる両親の遺
伝子を比較して、同じ入力に対して同じ様な出力を示す
特徴抽出層の遺伝子の構成要素の対を検出してこれらが
別々の子に伝わるようにする。
Hereinafter, the flow of the procedure of the gene crossover process of the neurocomputer of this embodiment will be further described with reference to the flowchart shown in FIG. In the figure, in order to optimize the connection rules between the intermediate layer of each neural network and the layers before and after it by a genetic algorithm, first, a neural network A and a neural network B as parents are selected from a set of neural networks. Select (step 51). Next, a gene component encoding a feature plane in the intermediate layer of the neural network A and the neural network B selected by the gene generating means is generated, and a component string connecting these is defined as a gene (step 52). . The Euclidean distance between the constituent elements is determined based on the genes obtained from both neural networks (step 5).
3). The rearranging means rearranges the constituent elements in ascending order of similarity based on the obtained Euclidean distance between the constituent elements (step 54), and the gene crossover means crosses the sorted genes (step 5).
5). The neural network C, which is a child individual who has inherited the characteristics of both parents appropriately by this gene crossover,
D is generated (step 56). In the gene crossover process, the gene crossover means compares the genes of the parents that are the basis of the crossover, detects a pair of gene components in the feature extraction layer that shows the same output for the same input, and Is transmitted to different children.

【0037】実施例2.上述の実施例1.ではニューラ
ルネットワークの中間層の数が1のものを説明したが、
次に中間層の数が複数となる場合について説明する。ニ
ューラルネットワークの中間層が多層に拡張された場合
は、上述した実施例1の遺伝アルゴリズムを別々のニュ
ーラルネットワーク(個体)にそのまま適用したので
は、結合が個体間をまたがってしまうことにより、基本
的に各層の前後の結合関係は崩壊する。本実施例2のニ
ューロコンピュータでは、各層の遺伝子交叉における構
成要素の組み替え情報を図5〜図8に示すような変換テ
ーブルを使用して保持し、当該層での遺伝子交叉を行う
際に前段層の変換テーブルと当該層の変換テーブルとの
間で構成要素の読み替えを行い、当該層での遺伝子交叉
による構成要素の組み替えにともなう従来の結合関係の
破壊を復旧する手段により前後の層での結合関係を維持
できるようにしている。
Embodiment 2 FIG. Embodiment 1 described above. In the above, we explained the case where the number of hidden layers in the neural network is 1.
Next, a case where the number of intermediate layers is plural will be described. When the intermediate layer of the neural network is extended to multiple layers, if the genetic algorithm of the first embodiment described above is applied as is to separate neural networks (individuals), the connection will extend between individuals, so Then, the bonding relationship before and after each layer collapses. In the neurocomputer according to the second embodiment, the information on the rearrangement of the components in the gene crossover of each layer is held using a conversion table as shown in FIGS. The components are read between the conversion table of this layer and the conversion table of the relevant layer, and the connection between the preceding and succeeding layers is restored by means for restoring the disruption of the conventional connection relationship due to the rearrangement of the components due to the gene crossover in the relevant layer. I am able to maintain relationships.

【0038】図4は、本実施例の遺伝アルゴリズムを用
いてニューロン間の結合関係を決定する複数の中間層を
有するニューラルネットワークを利用した画像認識装置
の画像認識動作を説明するための概念図である。図にお
いて、あるニューラルネットワークの複数の中間層の内
のi番目の中間層(第i層)は、他のニューラルネット
ワークのi番目の中間層との間で遺伝子の交叉を行う
が、遺伝子交叉の結果i番目の中間層の中で生じた構成
要素列の組み替えは当然i+1番目の中間層(第i+1
層)の組み替え時に考慮されなければならない。この結
合関係の保持と復旧を変換テーブルを使用して実現す
る。
FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining an image recognition operation of an image recognition apparatus using a neural network having a plurality of intermediate layers for determining a connection relationship between neurons using the genetic algorithm of this embodiment. is there. In the figure, an i-th intermediate layer (i-th layer) of a plurality of intermediate layers of a certain neural network performs gene crossover with the i-th intermediate layer of another neural network. As a result, the rearrangement of the component rows generated in the i-th intermediate layer is of course the i + 1-th intermediate layer (the i + 1-th intermediate layer).
Layer) must be taken into account when rearranging. The maintenance and restoration of this connection relationship is realized using a conversion table.

【0039】図5〜図8は、上述の遺伝子の組み替え情
報を用いて遺伝子交叉による構成要素の組み替えにとも
なう従来の結合関係の破壊を復旧する処理手順を説明す
るための概念図である。まず、図5において、ニューラ
ルネットワークA及びニューラルネットワークBは、第
i層と第i+1層までの結合関係が既に図に示すように
構築されているものとする。この状態でニューラルネッ
トワークAとニューラルネットワークBを第i層で交叉
すると、それまでに結合されていた第i層と第i+1層
間の結合関係がニューラルネットワークA、Bにまたが
ってしまい、基本的に従来の結合関係が崩れてしまう。
そこで、本実施例のニューロコンピュータでは、図6に
示す変換テーブル44に第i層の遺伝子交叉後の状態を
保存し、それを次の第i+1層での遺伝子交叉を行う際
に反映して結合関係を保持・復旧しようとするものであ
る。図6での変換テーブル44では、第i層の遺伝子交
叉で入れ替わった遺伝子と、そうでないものを1/0の
識別子で区別している。つまり、識別子1は当該層での
遺伝子交叉で遺伝子の入れ替えが行われることを示し、
識別子0は当該層での遺伝子交叉で遺伝子の入れ替えが
行われないことを示している。
FIGS. 5 to 8 are conceptual diagrams for explaining a processing procedure for restoring the conventional destruction of the connection relationship due to the rearrangement of components due to gene crossover using the above-described gene rearrangement information. First, in FIG. 5, it is assumed that the neural network A and the neural network B have the connection relationship between the i-th layer and the (i + 1) -th layer already constructed as shown in the figure. In this state, if the neural network A and the neural network B cross at the i-th layer, the connection relationship between the i-th layer and the (i + 1) -th layer which has been connected up to that time is straddled by the neural networks A and B. Is broken.
Therefore, in the neurocomputer of this embodiment, the state after the gene crossing of the i-th layer is stored in the conversion table 44 shown in FIG. 6, and the state is reflected and combined when performing the gene crossing in the next (i + 1) -th layer. They try to maintain and restore relationships. In the conversion table 44 in FIG. 6, genes replaced by gene crossover in the i-th layer are distinguished from those that are not by 1/0 identifiers. That is, the identifier 1 indicates that gene replacement is performed by gene crossover in the relevant layer,
Identifier 0 indicates that no gene replacement is performed by gene crossover in the layer.

【0040】また、第i+1層での遺伝子交叉による変
換テーブル45は図7に示すように表される。ここで、
変換テーブル45の各欄に”g(a,b),u(o,
t)……”とあるのは、構成要素g,uがそれぞれ前段
の層(第i層)の構成要素a,b、及び構成要素o,t
に接続されていることを示している。以下、構成要素u
を例にとって遺伝子交叉による結合関係の保持・復旧の
処理を具体的に説明する。図7に示す変換テーブル45
から構成要素uは、この第i+1層の遺伝子交叉ではニ
ューラルネットワークA、B間の入れ替えが起こらず、
識別子は0となっている。次に、構成要素uに接続され
ていた前段の層の構成要素o,tは、図6に示す変換テ
ーブル44によれば構成要素oには入れ替えが生じてお
らず(つまり識別子は0となっている)、逆に、構成要
素tには入れ替えが生じていることが分かる(つまり識
別子は1となっている)。そこで、第i+1層の遺伝子
交叉では構成要素tの入れ替えを行う必要があり、変換
テーブル44から構成要素tを構成要素fに入れ換え
る。
FIG. 7 shows a conversion table 45 based on gene crossover in the (i + 1) th layer. here,
In each column of the conversion table 45, "g (a, b), u (o,
t)... ”means that the components g and u are the components a and b of the preceding layer (the i-th layer) and the components o and t, respectively.
Is connected to Hereinafter, component u
The process of maintaining and restoring the connection relationship by gene crossover will be specifically described with reference to FIG. Conversion table 45 shown in FIG.
Therefore, the component u does not change between the neural networks A and B in the gene crossover of the (i + 1) th layer,
The identifier is 0. Next, according to the conversion table 44 shown in FIG. 6, the components o and t of the previous layer connected to the component u have not been replaced with the component o (that is, the identifier is 0). Conversely, it can be seen that the component t is replaced (that is, the identifier is 1). Therefore, in the gene crossover of the (i + 1) th layer, it is necessary to replace the component t, and the component t is replaced with the component f from the conversion table 44.

【0041】以上の手続きを繰り返し行うことにより遺
伝子交叉が生じてもニューラルネットワークの結合関係
を崩すことなく簡単に遺伝子交叉が行える。
By repeating the above procedure, even if gene crossover occurs, gene crossover can be easily performed without breaking the connection relationship of the neural network.

【0042】[0042]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のニューロ
コンピュータによれば、遺伝子生成手段により中間層内
の特徴を抽出するニューロンの集団毎にニューラルネッ
トワークの結合規則をコード化した遺伝子構成要素が生
成され、それらを繋げた遺伝子が包含する構成要素を、
並び替え手段により機能毎に分類、ソーティングして、
遺伝子交叉手段によりニューラルネットワーク数分の遺
伝子から選択された両親の遺伝子の特徴を最適に受け継
いだ子供生成ができる遺伝子交叉が行われるように構成
したので、初めから明らかに性能のよくないニューラル
ネットワークを生成する可能性を従来に比べて小さく抑
えることができ、不要なニューロン間の結合関係を計算
する必要がなくなり高速に最適化することができるとい
う効果がある。従って、一定時間内により高い認識率を
達成できる可能性が高くなる。
As described above, according to the neurocomputer of the present invention, the gene component encoding the connection rule of the neural network for each group of neurons from which the features in the hidden layer are extracted by the gene generating means is obtained. The components that are generated and included by the gene that connects them are
Sorting and sorting for each function by sorting means,
The gene crossover means is designed so that gene crossover can be performed, which allows the generation of children that optimally inherits the characteristics of the parents' genes selected from the number of genes in the number of neural networks. The possibility of generation can be reduced as compared with the related art, and there is no need to calculate unnecessary connection relationships between neurons, so that there is an effect that optimization can be performed at high speed. Therefore, there is a high possibility that a higher recognition rate can be achieved within a certain period of time.

【0043】また、本発明のニューロコンピュータによ
れば、最前段から最後段の層まで順次高次のまとまった
特徴を抽出するように構造化された各ニューラルネット
ワークの各中間層により、上述の最適化された遺伝アル
ゴリズムを実現すると共に、各中間層は変換テーブルに
より当該層での遺伝子交叉における構成要素の組み替え
情報を記憶し、遺伝子交叉を行う際に当該層の変換テー
ブルと段の層の変換テーブルとの間で構成要素の読み
替えを行い、当該層での遺伝子交叉による構成要素の組
み替えにともなうそれまでの結合関係の破壊を復旧でき
るように構成したので、最適化された多層のニューラル
ネットワークを容易に実現でき、かつニューラルネット
ワークの最適化処理を高速に行うことができるという効
果がある。従って、ニューラルネットワークの層を多層
化して識別データの増加や認識率の向上に対応する必要
がある場合にも、本発明のニューロコンピュータによれ
ばニューラルネットワークの各層間の結合関係の最適化
を容易に実現できるという効果がある。
Further, according to the neurocomputer of the present invention, the above-mentioned optimal layer is obtained by each intermediate layer of each neural network structured so as to sequentially extract a high-order integrated feature from the foremost stage to the last layer. it is possible to realize a reduction by genetic algorithms, each intermediate layer stores recombinant information elements in genetic crossover in the layer by the conversion table, the conversion table and the previous stage of the layer of the layer when performing genetic crossover Because the components are read between the conversion table and the disruption of the binding relationship up to that point due to the rearrangement of the components due to gene crossover in the relevant layer, it is configured to be an optimized multilayer neural network. Can be easily realized, and the optimization processing of the neural network can be performed at high speed. Therefore, even when it is necessary to increase the number of identification data and improve the recognition rate by increasing the number of layers of the neural network, the neural computer of the present invention makes it easy to optimize the connection relationship between the layers of the neural network. There is an effect that can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本実施例の遺伝アルゴリズムをニューラルネッ
トワークの中間層の結合の最適化に用いて、最終的に1
つのニューラルネットワークを選択する処理の流れを示
す概念図である。
FIG. 1 shows that the genetic algorithm of the present embodiment is used for optimizing the connection of hidden layers of a neural network.
It is a conceptual diagram which shows the flow of a process which selects one neural network.

【図2】本実施例のニューロコンピュータにおける遺伝
子交叉の手順を示す概念図である。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a procedure of gene crossover in a neurocomputer of the present embodiment.

【図3】本実施例のニューロコンピュータの遺伝子交叉
の処理手順の流れを説明するためのフローチャートであ
る。
FIG. 3 is a flowchart illustrating a flow of a gene crossover processing procedure of the neurocomputer according to the present embodiment.

【図4】遺伝アルゴリズムを用いてニューロン間の結合
関係を決定する複数の中間層を有するニューラルネット
ワークを利用した画像認識装置の画像認識動作を説明す
るための概念図である。
FIG. 4 is a conceptual diagram for describing an image recognition operation of an image recognition device using a neural network having a plurality of intermediate layers for determining a connection relationship between neurons using a genetic algorithm.

【図5】遺伝子の組み替え情報を用いて結合関係の破壊
を復旧する処理手順を説明するための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining a processing procedure for restoring the destruction of the connection relationship using the gene recombination information.

【図6】遺伝子の組み替え情報を用いて結合関係の破壊
を復旧する処理手順を説明するための図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining a processing procedure for restoring the destruction of the connection relationship using the gene recombination information.

【図7】遺伝子の組み替え情報を用いて結合関係の破壊
を復旧する処理手順を説明するための図である。
FIG. 7 is a diagram for explaining a processing procedure for restoring the destruction of the connection relationship using the gene recombination information.

【図8】遺伝子の組み替え情報を用いて結合関係の破壊
を復旧する処理手順を説明するための図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining a processing procedure for restoring the destruction of the connection relationship using the gene recombination information.

【図9】従来の画像認識装置のニューラルネットワーク
の一般的な結合構成を示す概念図である。
FIG. 9 is a conceptual diagram showing a general connection configuration of a neural network of a conventional image recognition device.

【図10】フラクタルを使用してニューラルネットワー
クの結合パターンを決定する従来の画像認識装置のニュ
ーラルネットワークの結合構成を示す概念図である
FIG. 10 is a conceptual diagram showing a connection configuration of a neural network of a conventional image recognition device that determines a connection pattern of the neural network using a fractal.

【図11】アニーリングの部分に遺伝アルゴリズムを用
いてニューロン間の結合関係を決定する従来の画像認識
装置のニューラルネットワークの結合構成を示す概念図
である。
FIG. 11 is a conceptual diagram showing a connection configuration of a neural network of a conventional image recognition device that determines a connection relationship between neurons using a genetic algorithm in an annealing part.

【図12】遺伝アルゴリズムを用いてニューロン間の結
合関係を決定する中間層が1つのニューラルネットワー
クを利用した画像認識装置の画像認識動作を説明するた
めの概念図である。
FIG. 12 is a conceptual diagram for describing an image recognition operation of an image recognition device using a neural network having one intermediate layer that determines a connection relationship between neurons using a genetic algorithm.

【図13】従来の遺伝子交叉の手順を示す概念図であ
る。
FIG. 13 is a conceptual diagram showing a conventional gene crossover procedure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11、15、21 入力画像 12、16、22、41 入力層 13、17、23、42 中間層 14、18、24、43 出力層 25、35 個体A(親)の遺伝子 26、36 個体B(親)の遺伝子 27、37 個体C(子)の遺伝子 28、38 個体D(子)の遺伝子 31 第1世代のニューラルネットワーク 32 第2世代のニューラルネットワーク 33 最終世代のニューラルネットワーク 44 第i層の変換テーブル 45 第i+1層の変換テーブル 11, 15, 21 Input image 12, 16, 22, 41 Input layer 13, 17, 23, 42 Intermediate layer 14, 18, 24, 43 Output layer 25, 35 Gene of individual A (parent) 26, 36 Individual B ( Gene of parent 27,37 Gene of individual C (child) 28,38 Gene of individual D (child) 31 First generation neural network 32 Second generation neural network 33 Final generation neural network 44 Conversion of i-th layer Table 45 Conversion table of the (i + 1) th layer

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ニューラルネットワークを利用したニュ
ーロコンピュータにおいて、 階層型のニューラルネットワークを複数個それぞれ独立
に用いて、 各ニューラルネットワークの中間層内の特徴を抽出する
ニューロンの集団毎にニューラルネットワークの結合規
則をコード化した遺伝子構成要素を生成し、それらを繋
げた構成要素列を遺伝子とする遺伝子生成手段と、 遺伝子生成手段により生成された遺伝子が包含する遺伝
子構成要素を類似度に従ってソーティングする並び替え
手段と、 並び替え手段によりソーティングされた遺伝子同士を交
叉させて子供遺伝子を生成する遺伝子交叉手段とを具備
し、 階層型ニューラルネットワークの中間層とその前後の入
出力層との結合規則を前記手段による遺伝アルゴリズム
によって最適化したことを特徴とするニューロコンピュ
ータ。
1. A neural computer using a neural network, wherein a plurality of hierarchical neural networks are independently used, and a neural network connection rule for each group of neurons for extracting a feature in an intermediate layer of each neural network. Gene generating means for generating gene components encoding the above, and generating a sequence of component elements connecting them, and sorting means for sorting the gene components included in the gene generated by the gene generating device according to the degree of similarity And a gene crossing means for generating a child gene by crossing the genes sorted by the rearranging means, wherein the connection rules between the intermediate layer of the hierarchical neural network and the input / output layers before and after the intermediate layer are determined by the means. Optimized by genetic algorithm Neuro-computer according to claim.
【請求項2】 ニューラルネットワークを利用したニュ
ーロコンピュータにおいて、 複数の中間層を有する階層型のニューラルネットワーク
を複数個それぞれ独立に用いて、 各ニューラルネットワークの各中間層内の特徴を抽出す
るニューロンの集団毎にニューラルネットワークの結合
規則をコード化した遺伝子構成要素を生成し、各中間層
ごとにそれらを遺伝子構成要素を繋げて遺伝子を生成す
る遺伝子生成手段と、 遺伝子生成手段により生成された遺伝子が包含する遺伝
子構成要素を類似度に従ってソーティングする並び替え
手段と、 並び替え手段によりソーティングされた遺伝子同士を交
叉させて子供遺伝子を生成する遺伝子交叉手段と、 各中間層ごとに、当該層での遺伝子交叉手段による遺伝
子構成要素の組み替え情報を記憶する変換テーブルと、 ある中間層での遺伝子交叉を行う際に、当該層について
の変換テーブルと前段の中間層についての変換テーブル
との間で遺伝子構成要素の読み替えを行い、当該層での
遺伝子交叉による構成要素の組み替えに伴う結合関係の
破壊を復旧する手段と、 を備えたことを特徴とするニューロコンピュータ。
2. A neural computer using a neural network, wherein a plurality of hierarchical neural networks having a plurality of intermediate layers are used independently of each other, and a group of neurons for extracting features in each intermediate layer of each neural network. Gene generation means that generates gene elements encoding the connection rules of the neural network for each layer, and connects them to gene elements for each intermediate layer, and genes generated by the gene generation means are included Rearrangement means for sorting gene components to be performed according to similarity, gene crossover means for generating child genes by crossing over genes sorted by the rearrangement means, gene crossover in each intermediate layer for each intermediate layer Memorizing information of rearrangement of gene components by means When performing a gene crossover in a certain intermediate layer, the gene component is replaced between the conversion table for the layer and the conversion table for the preceding intermediate layer, and the gene crossover in the layer is performed. Means for restoring the destruction of the connection relationship due to the rearrangement of the constituent elements.
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