تبلیغات
بانک اطلاعاتی مهندسی صنایع

  • مدیریت

با توجه به اینکه سایت های آپلود سنتر اکثرا ف ی ل ت ر  شده اند ، لذا عکس ها و بعضی از فایل های موجود دچار مشکل است ، با عرض پوزش از شما ، در اسرع وقت لینک ها را اصلاح خواهیم کرد.

-  چنانچه در دانلود مقالات ، جزوه ها و ... موجود با مشکلی مواجه شدید ، میتوانید از طریق فرم تماس با ما یا قسمت نظرات مربوط به همان مطلب ، درخواست لینک دانلود دیگر نمایید

منطق فازی ( Fuzzy Logic ) چیست ؟

 

عنوان مقاله : منطق فازی ( Fuzzy Logic ) چیست ؟

نویسنده :

گرد آوری و تنظیم : مانوئل ا. 


منطق فازی یا عدم قطعیت ، منطقی كه در آن بر خلاف منطق های كلاسیك عوامل متغیر از قبیل زمان و احتمال را در قالب اعداد بیان می كند . این منطق برای اولین بار توسط پرفسور لطفی زاده ، مطرح گردید.

برای مطالعه ی کامل این مقاله بروی ادامه مطلب کلیک نمایید ...


مقدمه

همانطور كه می دانید بر اساس مبانی و اصول علم، همه چیز مشمول یك قاعده ثابت می شود كه به موجب این قاعده آن چیز یا درست است یا غلط. گرچه ممكن بود در مورد "درستی" یا "نادرستی" چیزی تردید داشته باشند، لیكن در مورد یك چیز، هیچ تردیدی نداشتند و آن اینكه هر پدیده‌ای یا "درست" است یا "نادرست". در این زمینه مثالهای فراوانی را می توان ارائه داد: مثلاً هركسی می تواند بگویدكه اتمها ارتعاش می كنند یا نمی كنند، یا اینكه علف سبز است و قرمز نیست و خیلی چیزهای دیگر. به عبارت دیگر در یك پاسخ دلخواه، نظیر سبز بودن یا قرمز بودن علف، كه مشخص كننده جواب صحیح یا غلط است، حالت میانه‌ای  مطرح نیست. اما این مثالها را، كه در آنها برای هر مسأله‌ای تنها یك جواب آری یا نه صادق است، نباید به همه چیز تعمیم داد. اشتباه علم، تعمیم این موضوع به تمام پدیده ها بود. در منطق و ریاضیات نیز همین استدلال حاكم بوده است: هر چیزی یا درست است یا غلط؛ بر این اساس، موضوعات منطقی و ریاضی نیز یا كلاً درست هستند یا كلاً نادرست، سفید یا سیاه، یك یا صفر. مثال های زیادی را می توان ارائه داد مثلا مشاهده می کنید که در برخی کشورها انسان را از 18 سالگی به بالا بزرگسال می گویند و خیلی قطعی، خشک و یکدفعه شخص 18 ساله را بزرگسال فرض می کنند و اگر شخص یک روز قبل از 18 سالگی باشد به هیچ وجه از نظر قانون بزرگسال محسوب نمی شود.

اشتباه علم در اینجاست كه چنین تحلیلی از همه پدیده‌های مختلف منطقی و ریاضی دارد. خواهیم دید که نباید چنین ارزیابی كرد، بلكه باید همه چیز را به طور نسبی سنجید و برای آنها درجه بندی قائل شد. در واقع هر چیزی «به طور نسبی» درست یا غلط است. به عبارت دیگر پدیده‌های واقعی تنها سیاه یا سفید نیستند، بلكه تا اندازه‌ای "خاكستری" هستند. علم واقعیت های خاكستری را با ابزار سیاه و سفید به نمایش می گذاشت و این چنین بود كه به نظر می رسید واقعیت ها نیز تنها سیاه یا سفید هستند.

آیا اینکه انسان را از 18 سالگی به بالا بزرگسال می گویند یک واقعیت نیست و حال واقعیت چیز دیگری است : در بین 15 یا 16 ساله ها به ندرت می توان اشخاصی را یافت که واقعا بزرگسال باشند و همچنین در بین 23 یا 24 ساله ها نیز می توان اشخاصی را (هرچند به ندرت) یافت که هنوز بزرگسال نشده اند.

در دنیای ریاضی، مفاهیم، منطق ها و روابط بسیاری وجود دارند. بسیاری از این روابط و مفاهیم و … (یا بهتر بگوییم تا چندی پیش همه این روابط و مفاهیم و …) مبتنی بر  سیستم دو ارزشی، یعنی درست یا نادرست، قرار گرفته اند. به طور مثال می گویند : این سیستم طبق فلان اصل یا فلان رابطه و قضیه ریاضیاتی، ناپایدار است (یا پایدار است). در حقیقت دو ارزش پایدار و ناپایدار را برای یك سیستم كنترلی (كه در درس كنترل خطی مطرح می شود) قائل می شوند. یا به عنوان مثالی دیگر مهندسان نرم افزار می گویند فلان سیستم نرم افزاری، Safe یا Unsafe است و دو ارزش Safe و Unsafe قائل می شوند و یك سیستم نرم افزاری را یا Safe و یا Unsafe ارزش گذاری می كنند. در واقع فقط از دو رنگ سیاه و سفید استفاده می كنند. از این قبیل مثال ها در رشته های مهندسی بسیار فراوان وجود دارند كه در این مجال نمی گنجند.

استفاده از دو ارزش، مثل سیاه و سفید، جالب به نظر نمی رسد و به تعبیری :

مهندسی كه یك سیستم (به طور مثال: مدار، ساختمان، سیستم مكانیكی، سیستم سخت افزاری یا نرم افزاری) را مبتنی بر ریاضیات دو ارزشی طراحی می كند همچون نقاشی است كه فقط از دو رنگ سیاه و سفید (ونه حتی از خاكستری) استفاده می كند.

در بسیاری از علوم دیگر نیز این ارزشگذاری دوارزشی (شاید متاسفانه) وجود دارد. به طور مثال همین چند وقت پیش همه می شنیدند و می دیدند كه سیاسیون ایالات متحده آمریكا خطاب به ایران و برخی كشورهای دیگر می گفتند : یا «با ما»یید یا «بر ما»یید. همانطور كه می بینید این منطق دوارزشی بسیاری از اوقات خطرناك است و احمقانه.

فازی و تاریخ آن

اگر به طور دقیق تری روی سیستم ها و ارزش گذاری و كاركرد آنها بحث شود بسیار بهتر است و باعث پیشرفت فوق العاده سریع علوم مهندسی می شود. این كار را می توان با كنار گذاشتن سیستم دو ارزشی و بحث علوم مهندسی و جایگزین كردن سیستم یا ریاضیات چند ارزشی انجام داد. این سیستم چند ارزشی را پروفسور لطفی زاده در سال 1965 طی مقاله ای با عنوان «مجموعه های فازی» در مجله «اطلاعات و كنترل» منتشر ساخت.


پروفسور لطفی زاده



وی در سال 1963 در تالیف اولین كتاب نظریه سیستم های خطی همكاری كرده بود و این كتاب به عنوان مرجع در بهترین دانشگاه های مهندسی دنیا تدریس می شد. بنابراین پروفسور لطفی زاده را بسیاری از فعالان علوم مهندسی می شناختند؛ اما به مقاله او در سال 1965، ابتدا توجهی نكردند. البته سالها قبل از وی نیز كسانی نظریاتی در این زمینه داشتند ولی نه به نام فازی. مكس بلك، فیلسوف كوانتوم، درسال 1937 مقاله‌ای با عنوان «ابهام» راجع به آنالیز منطقی در مجله فلسفه علم منتشر كرد. مكس بلك عبارت «مبهم» را به این دلیل استفاده كرد كه چارلز پیرس و برتراند راسل و دیگر منطق دانان آن را برای بیان چیزی كه حالا ما آن را «فازی» می نامیم استفاده كرده بودند. كریستین اسماتز، نظریه پرداز سیستم ها، در كتاب «فلسفه كلیت» در سال 1926 چنین نتیجه می گیرد :

«… و در این نتیجه، اشتباهی بنیادی (در منطق دو ارزشی) وجود دارد كه بر اساس آن، اشیاء، عقاید، اشخاص یا مجموعه ها با مرزهای سخت و قطعی محصور شده اند. مرزهایی كه مصنوعی و در تعارض و تناقض آشكار با مجموعه ها و سیستم های طبیعی است که در آنها مرزها پیوسته، سایه دار و تدریجی است؛ مطالب و مواردی كه بهتر است برای علم و فلسفه كاملاً شناخته شده باشند.»

اِعمال فازی به سیستم ها

اسماتز همچنین به این نكته پی برد كه ابهام را می توان به سیستم ها اعمال كرد، چیزی كه مكس بلك به آن پی نبرد و بعدها لطفی زاده آن را كاملاً فهمید و درك كرد. در آن زمان، نظریه بلك مورد قبول واقع نشد و در سكوت به دست فراموشی سپرده شد. توفان برپا شد و بحران اقتصادی آمریكا را فراگرفت. همزمان، جهان خود را برای بدترین جنگ آماده می ساخت و فیلسوفانِ خود را برای بازی جدید منطق سمبلیك «سیاه و سفید» سرگرم می ساخت. دنیای ریاضی هیچگاه چیزی از مجموعه های «مبهم» بِلَك نشنید. مكس بلك در آگوست سال 1989 درگذشت. سالی كه در آن منطق فازی برای اولین بار در آگهی های تجاری تلویزیونی، كه راجع به ماشین لباسشویی های هوشمند بود، در ژاپن به نمایش درآمد. او همچون نظریه اش، در سكوت مْرد. هنوز بسیاری از مهندسان فازی راجع به مكس بلك یا دیگر كسانی كه برای اولین بار در مورد منطق فازی كار كرده اند چیزی نشنیده اند. یك تفاوت و یك وجه اشتراك بین مكس بلك و لطفی زاده وجود دارد :

وجه اشتراك : مكس بلك در سال 1909 در باكو متولد شد و لطفی زاده نیز با وجود اینكه ایرانی است ولی در سال 1921 در باكو متولد شد.

وجه تمایز در بحث فازی یا ابهام : مكس بلك بیشتر بحث فلسفی داشت ولی لطفی زاده فازی را وارد دنیای سیستم های مهندسی و علوم وابسته به آن كرد.

لطفی زاده با وجود مخالفان سرسختی که حتی  برخی از آنان از شاگردان خود او بودند توانست در زمینه فازی مطالعات بسیار زیاد و دلایل فراوانی برای اثبات این موضوع ارائه دهد. البته این دسته از شاگردان وی (که مخالفش بودند) خدمات گسترده ای نیز به علم کردند ولی با مخالفت خود، بسیاری از زحمات استاد خود را نادیده گرفتند؛ از جمله این افراد می توان به «کالمن» اشاره کرد. احتمالا «فیلتر کالمن» به ذهنتان خطور کرد؛ بله وی ارائه دهنده فیلتر کالمن، پرکاربردترین سیستم و فیلتر در علوم مختلف است که در بخش بعدی در مورد او و صحبت هایش در مورد فازی بیشتر توضیح خواهیم داد.


ردولف کالمن

فیلتر کالمن، فیلتری است که در بسیاری از علوم و ابزارهای مختلف به کار گرفته می شود و در بسیاری از موارد، این بحث به عنوان مجموعه ای از معادلات، پا را از این فراتر می گذارد. فیلتر کالمن هواپیماها و فضاپیماها و موشکهای کروز را هدایت می کند و نیز قمرهای مصنوعی، گرایشهای اقتصادی و تغییرات جریان خون ما را دنبال می کند. این فیلتر بهترین تخمین از رفتار سیستم های دینامیکی را ارائه می دهد. هزاران مهندس، نمونه های کوچک و مختلفی از فیلتر کالمن منتشر کرده اند. آنها و ده ها هزار مهندس دیگر آرزوی چنین چیزی را داشتند که اولین کسی باشند که فیلتر مطلوب را یافته و ارائه می دهند. هر چند که ممکن است اشکلاتی کوچک هم داشته باشد.

کالمن در اواخر دهه 1950 دانشجوی دانشگاه کلمبیا بود. در همان ایام پروفسور لطفی زاده در آنجا تدریس می کرد. هر دو در یک شاخه، روی نظریه سیستمها کار می کردند و با یکدیگر دوست بودند، اما هرگز صمیمی و از دوستان نزدیک نبودند. پروژه ها و کارهای لطفی زاده روی «قطبهای غیر قابل تغییر» و نیز «شکل دهی فیلترها» بود و بدین ترتیب بنیان فیلتر کالمن را بوجود آورد.

بارت کاسکو (Bart Kosko) یکی از شاگردان پروفسور لطفی زاده، در کتاب خود به نام Fuzzy Thinking می نویسد :

 ... یک بار با او (لطفی زاده) درباره این فیلتر صحبت می کردم. او فقط با اشاره از این موضوع گذشت و گفت که فیلتر کالمن «بیش از حد گوسی» بود. منظور او این بود که این فیلتر بیش از اندازه به منحنی ناقوسی شکل چگالی احتمال گوس بستگی دارد. در واقع نیز همینگونه است. منحنی ناقوسی در بسیاری از حالتها مناسب است. دلایل ریاضی زیادی هم وجود دارند که نشان می دهند بهترین انتخاب، منحنی ناقوسی شکل گوس است ...


.

لطفی زاده و کالمن در کنفرانس انسان و رایانه در بوردو فرانسه در سال 1972 شرکت کردند. ابتدا لطفی زاده راجع به «مجموعه ها و سیستم های فازی» صحبت کرد و سپس مدیر کنفرانس خواستار نظر کالمن در مورد سخنان لطفی زاده شد؛ کالمن نیز که در آن موقع هیچ اعتقادی به فازی نداشت چنین گفت :


... هیچ شکی نیست که شور و ذوق پروفسور لطفی زاده به بحث فازی با جو سیاسی حاکم بر ایالات متحده تقویت شده ... فازی از مباحثی است که باید [شنیدن] آنرا تحمل کرد. مبحثی که به ارائه شعارهای عامه پسند تمایل دارد. چیزی که عاری از نظام سخت کارهای علمی و صبر و حوصله در علوم تجربی است ...

شبیه این سخنان و حتی بدتر از آن را هم دشمنان و مخالفان لطفی زاده بیان می کردند و این سخنان می توانست بخشی از ذوق و علاقه وی را از بین ببرد. اما او توجهی به آن سخنان نمی کرد و همیشه می گفت که پوست کلفت است. بارت کاسکو می گوید :

... بیشتر اوقات می دیدم که [لطفی زاده] در جمع مورد حمله و بی احترامی قرار می گرفت، اما او فقط می خندید ...

البته قبل از این جریانات، در اویل دهه 1950، لطفی زاده در دانشگاه کلمبیا شروع به بررسی منطق چند ارزشی کرد و حتی در آن زمان یکی از دانشجویان فوق لیسانس خود را در نوشتن رساله مهندسی درباره چگونگی ساخت مدارات الکترونیکی با استفاده از منطق چند ارزشی راهنمایی کرد.

 در سال 1956 موسسه پرینستون از لطفی زاده دعوت کرد تا به مدت یکسال برای تحقیقات پیشرفته به آنجا برود. هارولد رابینز (Harold Robbins)، بنیان گذار شاخه «تقریب های اتفاقی» در علم آمار و احتمالات، از او دعوت کرده بود. این موسسه جایگاه بزرگترین متفکران ریاضی نظیر آلبرت اینشتین و کرت گودل (Kurt Godel) بود. در چنین مکانی حضور یک مهندس عجیب بود. هنوز هم حضور یک مهندس در جمع فیزیک دانان و ریاضی دانان عجیب است. در سمینارها و مجموعه های فیزیک و ریاضی، لطفی زاده خود را ریاضی دان کاربردی معرفی می کرد. در آن موسسه لطفی زاده با استفن کلین (Stephen Kleen) آشنا شد.

كلین كسی بود كه در مورد منطق چند ارزشی تفكراتی داشت و از آن حمایت می‌كرد. هر چند لطفی زاده و كلین، در آن زمان، هیچ مقاله‌ای با هم ننوشتند اما تحت تاثیر یكدیگر قرار داشتند.


مطالعات لطفی زاده

لطفی زاده اصول و منطق و ریاضی منطق چند ارزشی را بیشتر فرا گرفت. كلین با بیشتر این ریاضیات موافق بود و در واقع كلین به او كمك كرد تا لطفی زاده این منطق را وارد اندیشه‌های خود سازد. لطفی زاده نیز به كلین اساس مهندسی برق و نظریه اطلاعات را آموخت.

لطفی زاده می‌دید كه همكارانش روز به روز ریاضیات بسیار پیچیده‌تری را برای نگاه دقیق‌تر و نزدیكتر به سیستم‌های مهندسی، اقتصادی، بیولوژی، پیش‌بینی وضع هوا و ... بكار می‌برند. او می‌دید كه هرچه سیستم پیچیده‌تر می‌شود، توانایی ما برای بیان روشن و صریح و دقیق رفتار آن كاهش می‌یابد. وی بعدها آن را «اصل ناسازگاری» یا Principle of incompatibility نامید. یعنی هر چه دقت بالاتر می‌رود، ارتباط كاهش می‌یابد. دقت، فازی بودن را افزایش می‌دهد. لطفی زاده برای اولین بار كلمه «فازی» را در مقاله «از نظریه مدار به نظریه سیستم» در مجله IRE كه یكی از بهترین مجله‌های مهندسی آن روز بود، منتشر ساخت :

« ... در حال حاضر فاصله نسبتاً بزرگی بین آنچه به عنوان نظریه پردازان سیستم‌های «جاندار» و نظریه پردازان سیستم‌های «بی‌جان» می‌شناسیم، وجود دارد و به هیچ وجه مشخص نیست كه در آیندة نزدیك این فاصله كمتر یا حذف می‌شود. كسانی هستند كه احساس می‌كنند این فاصله نشان دهنده نامناسب بودن بنیاد ریاضیات متداول (ریاضیات نقاط، توابع، مجموعه‌ها، معیارهای احتمالاتی و مانند آنها) در تحلیل سیستم‌های بیولوژیكی و كاربرد موثر آنها به صورتی فعال است. سیستم‌هایی كه معمولاً به مراتب پیچیده‌تر از سیستم‌های ساخت بشر است. ما اساساً احتیاج به نوع متفاوتی از ریاضیات داریم، ریاضیات پدیده‌های فازی یا كمیتهای مبهمی كه قابل توصیف با توابع توزیع احتمالاتی نیستند. در واقع احتیاج به چنین ریاضیاتی حتی در محدودة سیستم‌های «بی‌جان» رشدی آشكار و روزافزون دارد. چرا كه در عملی‌ترین حالتها، داده‌های اصولی و بدیهی سیستم‌ها و نیز معیارهایی كه بر اساس آنها رفتار سیستم‌های ساختِ بشر مورد ارزیابی و قضاوت قرار می‌گیرد موضوعاتی نیستند كه به طور مشخص و دقیق تعیین شده باشند. این موضوعات دارای توابع توزیع احتمال دقیقاً شناخته شده‌ای هم نیستند ... »

او در این مقاله و مقالات بعدی‌اش به مقالات لوكاسیه‌ویچ و برتراند راسل یا مكس بلك استناد نكرد، بلكه از مقاله دوستش كلین استفاده كرد.

انتخاب نام «فازی»

اصول ریاضی مجموعه‌های فازی چیز جدیدی نبود و در واقع همان جبری را مورد استفاده قرار می‌داد كه لوكاسیه‌ویچ نیم قرن قبل در منطق چند ارزشی‌اش مورد استفاده قرار داده بود. لطفی زاده می‌توانست مجموعه‌هایش را به خاطر راسل و بلك «مجموعه‌های مبهم» بنامد. اما «فازی» را انتخاب كرد. بارت كاسكو كه از نزدیكترین شاگردان لطفی زاده است، در این باره می‌نویسد :

« ... من بارها دلیل این انتخاب را از او پرسیدم. او می‌گفت كه كلمه «فازی» را به دلیل ارتباطش با احساس عامیانه انتخاب كرده است. لطفی‌زاده احساس می‌كرد كلمه «فازی» نظریه ابهام را تسخیر كرده است [و آنرا شامل می‌شود ... »

كاربردهای مهندسی و طراحی فازی

 یك واقعیت: نظریات جدید، برای كاربردی شدن به زمان نیاز دارند. لطفی زاده و پیروان اندك او تا سالها نتوانستند كاربردی را بصورت عملی نشان دهند؛ هرچند كه زبان شناسی و روان شناسی ادراكی تغییراتی دادند ولی لطفی زاده تا آن سالها در حد نظریه پرداز باقی ماند. در دهه 1970 كاربردهای فازی ظاهر شد. اما اغلب در حد اسباب بازیهای رایانه‌ای و برگرفته از اصول ساده آن بودند. البته یك استثناء در آن سالها، در مورد كار پروفسور ابراهیم ممدانی (Ebrahim Mamdani) در كالج كویین ماری لندن بود. كار وی منتهی به سیستم‌های فازی، آنگونه كه در حال حاضر آنها را می‌شناسیم، شد. پروفسور ممدانی اولین سیستم فازی را در اوایل سال 1970 برای كنترل یك ماشین بخار و كمی بعد اولین چراغ راهنمایی فازی را ساخت و مورد آزمایش قرار داد. او بعدها روش كار خود را بدین طریق توصیف كرد :

«فكر اصلی این روش، استفاده از «تجربیات» اپراتور متخصص در طراحی كنترلر است. از یك مجموعه قوانین زبانی، كه استراتژی كنترل را شرح می‌دهد، در جایی كه كلمات بر حسب مجموعه‌های فازی تعریف شده‌اند، یك الگوی كنترل سیستم ساخته می‌شود. به نظر می‌رسد مزیت اصلی این روش، امكانات اجرایی «قوانین حسی» تجربه، اندیشه، ذهن‌گرایی و حقیقتی است كه در آن احتیاج به مدلی از سیستم نیست.»

 باز هم بارت كاسكو، كه امروزه استاد دانشگاه USC است، درباره ساخت سیستم‌های فازی می‌گوید: «دانشجویان من در كلاس فازی، برای كسب جایزه هزار دلاری بعضی شركتها رقابت می‌كنند و سیستم‌های هوشمندی می‌سازند كه جهت تلسكوپ را وقتی زمین می‌چرخد ثابت نگه می‌دارند، فقط برای گربه شما در را باز می‌كند، استخر را به میزان لازم كلر می‌زند، هدایت آنتن را انجام می‌دهد، از یك بزرگراه می‌گذرد، از زمین در مورد ماه تحقیق می‌كند، زیردریایی را هدایت می‌كند و ... ؛ بیشتر دانشجویان بدون هیچ آگاهی از سیستم‌های فازی در كلاس من قدم می‌گذارند و در كمتر از سه ماه سیستمی فازی می‌سازند كه امتحان می‌شود و موفق است. معدودی هم جلوتر می‌روند و طرحهای خود را انحصاری می‌كنند ... »

همچنین بارت كاسكو خبر می‌دهد كه پروفسور میشیو سوگنو (Michio Sugeno) از موسسه تكنولوژی توكیو، یك سیستم فازی ساخته است كه می‌تواند یك هلی‌كوپتر در حال پرواز را، وقتی كه پروانه متعادل كننده‌اش را از دست داده، ثابت و متعادل نگه دارد. هیچ انسانی نمی‌تواند این كار را انجام دهد و نیز هیچ مدل ریاضی شناخته شده‌ای برای انجام این كار وجود ندارد. سوگنو آنرا روی یك مدل 3 متری امتحان كرده است و كنترل صدای خلبان را نیز می‌خواهد به آن اضافه كند. این سیستم از حدود 100 قانون استفاده می‌كند.

دکتر سوگنو


نكته: ایمان و عمل، باهم

در اینجا لازم می‌دانم نكته بسیار مهمی كه بارت كاسكو در كتاب خود بدان اشاره می‌كند را بزرگنمایی كنم. بارت كاسكو در ادامه و در مورد پروفسور سوگنو می‌نویسد :

«... من فكر می‌كنم او بهترین نظریه پرداز فازی ـ ریاضی در ژاپن است ... نظریه پردازهایی مانند من در اروپا و آمریكا چیزی را نساخته‌اند. ما مقالاتی می‌نویسیم و قضیه‌هایی را ثابت كرده و دربارة ریاضی بحث می‌كنیم. اما كسانی را می‌بینیم كه آستین‌های خود را بالا زده و سیستم‌های واقعی را ساخته و مورد آزمایش قرار می‌دهند. ایمان و عمل چیزی است كه دانشجویان فارغ التحصیل با آن موافق هستند. افراد كمی هستند كه ریاضیات را درك می‌كنند و از آن استفاده می‌كنند. یكی از آنها میشیو سوگنو است ... او یك مهندس واقعی و همواركننده راه آیندگان، حداقل در ژاپن، است ... »

سوگنو در موسسه LIFE در ژاپن، از استوانه‌ها و افراد اصلی آن موسسه است؛ موسسه‌ای كه بطور اختصاصی روی موضوع فازی كار می‌كند. LIFE یکی از معتبرترین و بزرگترین مراکز دنیاست و پروژه‌های عظیمی را انجام داده است.

پیشترفتهای ژاپن و LIFE

نام LIFE را آوردیم و حیف است که در مورد آن چیزی ننویسیم. همچنین موسسه‌های دیگری نیز در ژاپن ایجاد شده‌اند تا در مورد فازی تحقیق کرده و صنعت و علوم آن کشور را متحول کنند. وزارت تجارت و صنعت بین‌الملل دولت ژاپن (MITI) در 28 مارس 1989 آزمایشگاه پژوهشی مهندسی فازی بین‌المللی (LIFE) و در 15 مارس 1990 انستیتو سیستم‌های منطق فازی (FLSI) را تاسیس كرد و 48 شركت ژاپنی عضو شده و حق عضویت خود را در LIFE پرداختند و LIFE در مدت 5 سال بیش از 70 میلیون دلار اعتبار دریافت کرد. البته شرکتهای بزرگ و معتبر در زمینه‌های الکترونیک و خودروسازی و تولیدات صنعتی دیگر، هم در LIFE و هم در FLSI عضو شدند. فعالیت LIFE را یک ادارة دولتی شروع کرد و FLSI برای این منظور از یک نفر بنام دکتر تاکاشی یاماکاوا (Takashi Yamakawa) استفاده کرد. این دو مرکز، در حال رقابت و در عین حال همکاری با یکدیگرند.

سوگنو و یکی از دانشجویان دوره دکترای او بنام توشیرو ترانو (Toshiro Terano) از نیروهای اصلی LIFE هستند. سوگنو دکترای خود را در دهه 1970 و رساله‌ای در مورد «انتگرالهای فازی» دریافت کرد. وی در بمباران شهر یوکوهاما در سال 1945، پنج ساله بود.

با بررسی فهرست متخصصان LIFE ، به جرأت می‌توان گفت که چنین متخصصانی نه در اروپا وجود دارند و نه در آمریکا. به همین دلیل شرکتهای بزرگی در آن عضو شدند و حق عضویت خود را پرداختند. از جمله 48 شرکتی که در آن عضو شدند می‌توان به شرکتهای معتبر زیر اشاره کرد :

کانن، هوندا، کاوازاکی، نیسان موتور، مزدا، کونیکا، اپتیمال المپیوس، شارپ، سونی، توشیبا، فوجیتسو، هیتاچی، آی بی ام ژاپن، ماتسوشیتا، میتسوبیشی کاسی، امرون الکترونیک، تویوتا و ...

کاتسوشیگه میتا (Katsushige Mita)، از دانشمندان فازی، در مورد نقش و تاثیر و همچنین اهداف LIFE در عصر اطلاعات ایفا می‌کند چنین می‌گوید :

«... وجود هوش مصنوعی فازی برای دوستی و نزدیکی بین انسان و ماشین و نیز سیستم‌های تشخیص دهنده گفتار، برای مواردی مانند پرستاری،  رباتهای خانگی و همچنین برای توسعه ابزارهای [مبتنی بر] هوش مصنوعی، که انسان را در کنترل تولید، تشخیص بیماریها، سرمایه‌گذاریها و ضمانتها، تصمیم‌گیریهای عمومی و غیره یاری کند، ضروری است. از این لحاظ ما شرکت تحقیقات تکنولوژی «آزمایشگاه تحقیقات مهندسی بین‌المللی فازی (LIFE)» را تشکیل دادیم. این سازمان برای حیات بخشیدن به مطالعه پایه‌یی نظریه فازی، تحقیقات برای استفاده موثر از آن به کمک ارتباط قوی میان صنایع و حوزه‌های دانشگاهی، و توسعه تبادلات تکنولوژی بین‌المللی در نظر گرفته شده است. ... آزمایشگاه ما ... برای خلق تکنولوژی برای مصارف انسانی، با دیدی واقع بینانه تلاش خواهد کرد.»

 LIFE هر ساله در ماه نوامبر کنفرانسی در یوکوهاما برگزار می‌کند و اولین آن در سال 1991 بوده است. FLSI (رقیب LIFE) نیز هرساله در ماه جولای کنفرانس بین‌المللی در مورد منطق فازی و شبکه‌های عصبی برگزار می‌کند. این در حالی است که در آمریکا اولین کنفرانس تخصصی فازی در مارس 1992 در سان دیگو برگزار شد و در این کنفرانس تنها 500 نفر حضور یافتند و تقریباٌ هیچ ژاپنی نیامده بود و تنها یک شرکت ژاپنی غرفة نمایشی داشت. این به مهنای تحریم ژاپنیها در سکوت و آرامش بود.

 LIFE سه لابراتوار بزرگ داشت که 12 پروژه یا چیزی در همین حدود را انجام می‌داد. لابراتوار اول برای «کنترل فازی» بود. لابراتوار دوم «پردازش اطلاعات هوشمند فازی» را بر عهده داشت. این لابراتوار روی نرم افزار دانش رایانه فازی و بانکهای اطلاعاتی فازی، تشخیص الگوها، سیستم‌های تصمیم‌گیری، پردازش زبان طبیعی و پردازش شناخت و مفاهیم کار می‌کرد. لابراتوار سوم روی «رایانه‌ها و تراشه‌های فازی» کار می‌کرد.

این موضوع برای امریكایی‌ها بسیار جالب بود. به نامه زیر توجه كنید :

« به :  وزیر كشور ایالات متحده آمریكا (در Washington D.C)

   از :  سفارت آمریكا در توكیو، ژاپن

   مارس 1995

حكومت ژاپن و موسسات تجارتی، صنعتی و آكادمیك آن كشور، به طور فعال مشغول مطالعه درباره نظریه منطق فازی و نحوة استفاده از آن در كاربردهای مختلف هستند. پروژه تحقیقاتی دولت به وسیله پروژه تحقیقاتی 5 ساله آژانس علوم و تكنولوژی رهبری شده كه متشكل از 19 طرح جداگانه است (به عنوان مثال شبیه سازی آلودگی هوا در جهان، پیش‌بینی زمین لرزه، مدل‌سازی رشد گیاهان). تلاش صنایع ژاپن به وسیله آزمایشگاه MITI برای مهندسان بین‌المللی فازی (LIFE) به نمایش گذاشته شده است. این آزمایشگاه بوسیله 48 شركت ژاپنی برای تحكیم ارتباطات آكادمیك صنعتی تاسیس شد. بعضی از كاربردهایی كه LIFE در دست مطالعه دارد عبارت است از: سیستم كنترل نیروگاه‌های هسته‌ای و رایانه‌های فازی و ... . محققان ژاپنیِ سیستم‌های فازی انتظار دارند كه منطق فازی بیشتر در توسعه سیستم‌های رایانه‌ای مناسب‌تر برای مردم كمك كند تا عكس آن.»


قوانین فازی

دانشمندان شاخه «هوش مصنوعی» به عنوان طرفداران منطق دودویی و ارسطویی «درست - نادرست»، معتقدند که دانش و معلومات همان قوانین هستند و می‌توان با زبان سیاه و سفید رایانه، قوانین کاری یک سیستم را نوشت. به عنوان یک مثال ساده :

می‌خواهید روز شنبه یا یکشنبه، به طور مثال فوتبال بازی کنید و نمی‌خواهید هنگام بازی خیس شوید. در اخبار می‌شنوید که به احتمال زیاد روز شنبه باران می‌بارد، اما به احتمال کم روز یکشنبه باران می‌بارد. بنابراین شما استدلال می‌کنید که روز یکشنبه فوتبال بازی کنید.

شما با استفاده از اگاهی، قانونی را تعریف کرده و بر مبنای آن استدلال می‌کنید و به نتیجه یا جواب می‌رسید. این قوانین، یک چیز (مثل شئ، حادثه یا روند) را به یک چیز دیگر ربط می‌دهند. قرار دادن دانسته‌ها در قالب قوانین، به ارسطو برمی‌گردد و دانشمندان هوش مصنوعی نیز طرفدار آن هستند. اما با وجود بیش از 30 سال تحقیقات و با صرف میلیونها دلار هزینه در هوش مصنوعی، محصولات و ماشین آلات هوشمند زیادی تولید نشده است. دانشمندان و متخصصان هوش مصنوعی حتی با استفاده از سرمایه‌ها و امکانات مهیا شده برای برپایی و گسترش کلاسهای خود، کنفرانسها و ... نیز نتوانستند یک محصول تجاری که بتوان در اداره، منزل یا ماشین نصب کرد و مورد استفاده قرار داد بسازند. متخصصان هوش مصنوعی دلیل آن را عدم بکارگیری کافی قوانین می‌دانند. «سیستم‌های خبره» در هوش مصنوعی از 100 تا 1000 قانون دو ارزشی استفاده می‌کنند. بنابراین ما نمی‌توانیم «هوش واقعی» را در اینگونه سیستمها بیابیم، مگر آنکه به قول یکی از دانشمندان، از 100.000 قانون استفاده کنیم؛ به عبارت دیگر یعنی وضع قوانین بیشتر در مسائل و این همان چیزی بود که لطفی زاده در دوستان و همکاران خود می‌دید و در شماره قبل در مطالعات فازی وی، به آن اشاره کردیم (مراجعه شود به شماره قبل، بخش مطالعات لطفی زاده). این در حالی است که در عرض چند سال محققان فازی صدها ماشین هوشمند ساخته‌اند و به نظر می‌رسد علت شکست متخصصان هوش مصنوعی مشخص است :  یک سیستم احتیاج به قانون دارد، اما نه به قوانین بیشتر، بلکه به قوانین فازی. حال مثال بالا را با قوانین فازی بررسی می‌کینم :

اگر هوا بارانی باشد، خیس خواهید شد. کلمه باران، خود جایگزین مجموعه فازی است. باران ممکن است نم نم ببارد یا رگباری باشد. هریک از اینها زیرمجموعه فازی باران می‌باشند. این موضوع نسبی است و همان چیزهایی هستند که در هوش مصنوعی بکار نمی‌روند. در حقیقت قانون فازی، مجموعه‌های فازی را به یکدیگر مرتبط می‌سازد.

یک مثال عملی

اکنون یک مثال عملی از تعیین قوانین می‌اوریم تا بیشتر متوجه موضوع شوید (این مثال را بارت کاسکو در کتاب خود، که ما از آن به عنوان منبع استفاده می‌کنیم، آورده است) :

معمولاٌ یک سیستم فازی را در 3 مرحله می‌سازند :

• در مرحله اول «متغیرها» را انتخاب کرده و آنها را X و Y می‌نامیم. X ورودی سیستم و Y خروجی آن. اگر X آنگاه Y .  علت، معلول. محرک، پاسخ. حال می‌خواهیم سیستم تهویه مطبوع را کنترل کنیم. به فرض X درجه حرارت در مقیاس فارنهایت باشد و Y تغییر سرعت موتور در سیستم تهویه مطبوع باشد. می‌خواهیم سرعت موتور در هنگام گرم شدن هوا افزایش و سرعت آن هنگام سرد شدن هوا کاهش یابد.

• در مرحله دوم مجموعه‌های فازی انتخاب می‌شوند. زیرمجموعه‌های X و Y را انتخاب می‌کنیم. پنج مجموعه فازی برای X انتخاب می‌کنیم : { سرد شدن، خنک شدن، کاملاٌ متعادل، گرم شدن، داغ شدن }. در این میان باید بحثی را به صورت کوتاه مطرح کنیم: «صفر فازی». همانطور که می‌دانید صفر را به صورت زیر نشان می‌دهند :


شکل 1 : صفر یا بهتر بگوییم صفر غیر فازی


اما پیاده سازی صفر فوق در سیستم‌ها بسیار مشکل و نزدیک به غیرممکن است؛ لذا بحث صفر فازی پیش می‌آید که به صورت زیر است و می‌دانم که بیشتر شما از قبل، چنین صِفری را به عنوان صفر فازی حدس می‌زدید :


شکل 2 : صفر فازی : محدوده‌های نزدیک به صفر را نیز صفر در نظر می‌گیرند.


اکنون با توجه به منحنی صفر فازی، منحنی متغیرهای X را رسم می‌کنیم (شکل 3).


شکل 3 : منحنی متغیرهای x برای مثال تهویه مطبوع (نمودار برحسب دما)


البته برای کنترل بهتر می‌توانید تعداد متغیرها را بیشتر و مجموعه‌ها را عریض‌تر رسم کنید.

اکنون با توجه به پنج متغیر فوق، پنج متغیر یا مجموعه فازی برای Y انتخاب می‌کنیم : { توقف، آهسته، متوسط، سریع، بسیار سریع } و سپس منحنی آنها را مشابه بالا رسم می‌کنیم (شکل 4).


شکل 4 : منحنی متغیرهای y برای مثال بالا (نمودار برحسب سرعت موتور یا جریان الکتریکی موتور)




• در مرحله سوم قوانین فازی را انتخاب می‌کنیم. این مرحله مجموعه‌های سرعت موتور را به مجموعه‌های درجه حرارت (دما) مربوط کرده و قوانین را می‌سازیم. اصل بر این است که سیستم کنترلی سرعت موتور را طوری تغییر دهد که درجه حرارت کاملاٌ متعادل نگاه ‌داشته شود. بطور مثال می‌خواهیم اگر هوا بسیار سرد است موتور از کار بایستد. بنابراین :

- قانون اول :  اگر درجه حرارت سرد است، سرعت موتور توقف (Stop) است.

- قانون دوم :  اگر درجه حرارت خنک است، سرعت موتور آهسته (Slow) است.

- قانون سوم :  اگر درجه حرارت کاملاٌ متعادل است، سرعت موتور متوسط (Medium) است.

- قانون چهارم :  درجه حرارت خنک است، سرعت موتور بالا (Fast) است.

- قانون پنجم :  درجه حرارت خنک است، سرعت موتور بسیار بالا (Blast) است.

اکنون می‌بینید که قوانین فازی ساخته‌ایم. البته این بحث بیشتر از اینهاست و در جایی که مجموعه‌های فازی کلمات را به ریاضی مرتبط می‌سازیم و جایی که ریاضی وجود دارد، علم ژئومتری (هندسه) نیز وجود دارد. اما ما اصل راه را طی کرده‌ایم و بقیة ماجرا خیلی کاربردی نیست؛ هرچند که به بحث FAT (قضیه تقریب فازی: Fuzzy Approximation Theorem) و قضیایای ریاضی می‌انجامد ولی تا همینجا کفایت می‌کند.


برخی محصولات فازی

رفته رفته کاربردهای عملی فازی در طراحی سیستم‌های مهندسی نمود پیدا کردند. سپس، همانطور که در بخش های قبل گفته شد، LIFE در سال 1989 تاسیس شد و کار خود را با عضویت 48 شرکت شروع کرد. اكنون فهرست تعدادی از تولیدات فازی این شركتها و برخی قوانین فازی بكار رفته در این محصولات را در زیر مشاهده می‌كنید :

- سیستم ضد بلوكه شدن ترمزهای نیسان : بر اساس سرعت و شتاب ماشین در مواقع بحرانی ترمزها كنترل می‌شوند

- موتورهای ماشین نیسان :  كنترل سوخت بر اساس مقدار اكسیژن، دمای آب خنك‌كن، دود، وضعیت گلوگاه، زاویه میل لنگ، حجم سوخت و فشار روغن است.

- جعبه دنده خودكار هوندا، نیسان، سوبارو : براساس بار موتور، شرایط جاده و نحوة رانندگی، دندة مناسب را انتخاب می‌كند.

- دستگاه كپی كانن : براساس دانسیتة تصویر، دما و رطوبت، ولتاژ درام را تغییر می‌دهد.

- كنترل بالابر (آسانسور) میتسوبیشی، توشیبا، فوجی : كنترل بالابر (آسانسور) میتسوبیشی، توشیبا، فوجی

- یخچال شارپ : زمان خنك شدن را بر حسب مورد، تنظیم می‌كند. یك شبكه عصبی براساس عادات استفاده كننده، قوانین مربوطه را تغییر می‌دهد.

- دوربین كانن، مینولتا : براساس شیء موجود در كادر عمل تنظیم كانون را انجام می‌دهد.

- بازار بورس یاما ایشی : براساس داده‌های اقتصاد خرد و كلان، بازار بورس را مدیریت می‌كند.

- تلویزیون گلداستار، هیتاچی، سامسونگ، سونی : نور و ساختار تصویر را براساس هر فریم، و صدا را براساس فاصله بیننده تنظیم می‌كند.

- ماشین لباسشویی : دوو، گلداستار، هیتاچی، سامسونگ، شارپ، سانیو، ماتسوشیتا : براساس نوع الیاف، بار، كثیفی و سطح آب، استراتژی شستشو را تعیین می‌كند. در بعضی مدلها براساس سلیقه استفاده كننده، با استفاده از شبكه‌های عصبی قوانین تغییر می‌كند.


و البته هزاران محصول دیگر ...

اگر بخواهیم در مورد فازی و دانشمندان این مبحث صحبت كنیم و مطلب بنویسیم، سالیانِ سال باید بگوییم و بنویسیم و مطالعه كنیم. لذا توصیه می‌شود كه حتماً در این زمینه و سیستم‌های فازی مربوط به رشته تحصیلی و مورد علاقه خود، به مطالعه و تحقیق و جستجو در كتاب‌ها و گفتگو با اساتید و استفاده از اینترنت بپردازید كه همین الان هم دیر است، ولی هرچه سریعتر باید شروع كرد.

 


منابع :

Fuzzy Thinking: the new science of fuzzy logic , Bart Kosko , K.N.T University of Technology

http://www.cs.unc.edu  ,  Department of Computer Science, University of North Carolina