Primena Neuralnih Mreža u Rešavanju Transportnih Problema

Abstract

Dvadeseti vek je obeležen ekspanzijom u razvoju, priozvodnji i primeni računara i sofisticiranih elektronskih uređaja najrazličitijih namena. Niska cena računara, dostupnost Interneta, stalni razvoj i poboljšanja na nivou pristupne mreže, razvoj servisa koji omogućavaju najširi spektar mogućnosti i obavezno obrazovanje u domenu računarske pismenosti, stvorili su milijarde korisnika na celom svetu.

Danas na tržištu postoji izuzetno veliki broj telekomunikacionih korisničkih uređaja i usluga koji se permanentno povećavaju, usložnjavaju i modifikuju. Među velikim brojem korisničkih servisa, korisnicima su na raspolaganju i vrlo sofisticirani multimedijalni servisi koji rade u realnom vremenu i u interakciji sa jednim ili većim brojem drugih korisnika (mogućnost kreiranja i distribucije multimedijalnog sadržaja, streaming audio i video fajlova, video konferencije, četovi, rad sa distribuiranim bazama podataka, itd.). Mobilni uređaji danas omogućavaju realizaciju skoro svih integrisanih korisničkih funkcionalnosti i servisa, koje su do skoro realizovali posebni uređaji. Danas imamo mogućnost prijema TV signala na mobilnim uređajima, pristup web i mail serverima i servisima, pristup specijalizovanim korisničkim servisima i informacijama i sl. Obzirom da je prisutna vrlo aktivna tržišna konkurencija, i da davaoci usluga uvek žele da ponude novi i bolji priozvod, to neminovno dovodi do stalnog razvoja, usavršavanja i primene novih tehnoloških rešenja kod proizvođača.

Svi navedeni servisi svoj način rada baziraju na prenosu većeg broja informacija, čime se gustina saobraćaja u komunikacionim mrežama stalno povećava. Savremeni servisi zahtevaju strukturu mreža sa većim propusnim opsezima, većim brojem alternativnih putanja, bržim prenosom, malim kašnjenjem itd. Sa druge strane, korisnici očekuju kvalitetne servise, dostupnost mreže, garancije određenog kvaliteta i brz odziv sistema.

Imajući sve ovo u vidu, jasno je da struktura i kvalitet komunikacione mreže moraju permenentno da se povećavaju i poboljšavaju. Pored toga, neophodna je stalna evaluacija uređaja i algoritama za rutiranje, koji mogu da obezbede pouzdanu i kvalitetnu komunikaciju.

Danas postoji veliki broj stručnih radova koji na najrazličitije načine pokušavaju da doprinesu unapređenju kvaliteta prenosa signala. Kako su zahtevi sve složeniji, nameće se potreba za sve sofisticiranijim tehnologijama i alatima koji mogu da ponude bolje performanse.

Jadna ovakva grupa alata je bazirana na primeni modela i mehanizama koji postoji kod visoko inteligentnih živih bića, i naziva se veštačka inteligencija (Artificial intelligence). Posebnu podgrupu čine alati bazirani na principima rada ljudskog mozga. u smislu detekcije nadražaja, prenosa informacija, memorisanja i načina odlučivanja. Ova naučna disciplina obrađena je kroz Veštačke neuralne mreže (Artificial neural networks).

U ovoj disertaciji su prikazane pojedine mogućnosti veštačkih neuralnih mreža, date njihove komparativne prednosti u odnosu na standardne računarske uredaje i izvršena njihova klasifikacija u odnosu na veći broj kriterijuma.

Posebno je obrađena jedna grupa veštačkih neuralnih mreža, pod nazivom rekurentne neuralne mreže, iz razloga što pokazuju vrlo dobre rezultate u rešavanju složenih optimizacionih problema. Kako je istaknuti predstavnik ove grupe mreža Hopfield-ova neuralna mreža, to je ona izabrana za rešavanje transportnih problema kojima se bavi ova disertacija.

U disertaciji je detaljno analizirano kreiranje matematičkog modela Hopfield- ove neuralne mreže i mogućnosti hardverske realizacije istog. Posebna pažnja posvečena je definisanju termina energijske funkcije, koji ima ključnu ulogu u radu Hopfield-ove neuralne mreže. Obzirom na problem ispravnog izbora energijske funkcije, obrađene su relacije koje definišu opštu konvergenciju energijske funkcije i analizirani su uslovi za stabilnost rada ove mreže.

Alternate abstract:

The twentieth century has been marked by the expansion and development of new computer applications as well as sophisticated electronic devices for various purposes. Low cost of computer components, Internet availability, continuous development and improvement of the network access, development of services that enable the widest range of options and compulsory education in the field of computer literacy, have generated billions of users worldwide.

Nowadays, the market of telecommunications users’ devices and services, is extremely rich and it is constantly increasing, and being modified by more complex applicationes and devices. Among the large number of services, users are offered by highly sophisticated multimedia services that work in real time, interacting with one or more users. They have the oportunity to create and distribute multimedia content, to stream audio and video files, to create video conferences, chats, working with distributed databases, etc. Mobile devices now allow realization of almost all of the integrated users’ service and functionalities, which until recently have been realized by special devices. Today we have the possibility of receiving TV signals on mobile devices, access to web and mail servers and services, as well as access to specialized services and information. Concerning very active market competition, and the fact that providers always want to offer new and better products, continuous development is inevitable, combined with constant improvement and application of new technological solutions.

All above mentioned services are based on transfer of large amounts of information, and on that way they are constantly increasing the density of traffic in communication networks. Modern services require network structure with higher bandwidth ranges, larger number of alternative paths, fast transfer, low delays etc. On the other hand, users expect high quality services, fast access to networks, the guarantee of certain quality and quick response systems.

Bearing this in mind, it is clear that the structure and quality of communication network permanently needs to grow and improve. In addition, ongoing evaluation of devices and algorithms for routing providing reliable and solid communication is needed..

Today, there are a large number of scientific papers aimed to improve the quality of signal transmission. With the increase of complexity of demands, the need for more sophisticated tools, that can offer better performances exists.

One such group of tools is based on application of models and mechanisms that exist in highly intelligent entities, is artificial intelligence. Its special sub-group consists of tools based on the principles of the human brain, in terms of stimulus detection, transmission, storage, and decision-making process. This scientific discipline is realized through artificial neural networks.

This dissertation presents capabilities of artificial neural networks, their comparative advantages over standard computing devices, and clasifies them in relation to a number of criteria.

Special emphasis is given on recurrent neural networks as a very important artificial neural networks. They show very good results in solving of complex optimization problems.. As a prominent representative of this group of networks Hopfield neural network is considered here. This type of network has been chosen for solving of the transport problems, dealt with in this dissertation.