人工神经网络BP算法简介及应用概要(共10页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上科 技 信息 2011年 第 3期 SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION人 工 神 经网 络 是 模 仿 生 理 神 经网 络 的 结 构和 功 能 而 设计的 一 种 信息 处 理 系统 。 大 量 的 人 工 神 经 元 以 一 定 的 规 则 连接 成神 经网 络 , 神 经 元 之 间 的 连接 及 各 连接 权 值 的分 布 用 来 表 示 特 定 的 信息 。 神 经网 络 分 布 式 存 储 信息 , 具 有 很 高的 容 错 性 。 每 个 神 经 元 都 可 以 独 立 的 运 算 和 处 理 接收 到 的 信息 并 输 出

2、 结 果 , 网 络 具 有 并 行 运 算 能 力 , 实 时性 非 常 强 。 神 经网 络 对 信息 的 处 理 具 有 自 组 织 、 自 学 习 的 特 点 , 便 于 联 想 、 综 合 和 推 广 。 神 经网 络 以 其 优 越 的性能 应 用 在 人 工 智 能 、 计 算 机 科 学 、 模式 识别 、 控 制 工程 、 信 号 处 理 、 联 想 记 忆 等 极 其 广 泛 的 领域 。 1986年 D.Rumelhart 和 J.McCelland 1等 发 展 了 多 层 网 络 的 BP 算 法 , 使 BP 网 络成 为目 前 应 用 最 广 的 神 经网 络 。

3、1BP 网 络 原 理 及 学 习 方法BP(BackPropagation 网 络 是 一 种 按 照 误 差 反 向 传 播 算 法 训 练 的 多 层 前 馈 神 经网 络 。 基于 BP 算 法的 二 层 网 络 结 构 如 图 1所 示 , 包 括 输 入 层 、 一 个 隐 层 和 输 出 层 , 三 者 都 是 由 神 经 元 组 成 的 。 输 入 层 各 神 经 元 负 责 接收 并 传 递 外 部 信息 ; 中 间层 负 责 信息 处 理 和 变 换 ; 输 出 层 向 外 界 输 出 信息 处 理 结 果 。 神 经网 络 工 作 时 , 信息从 输 入 层 经 隐 层

4、流 向 输 出 层 (信息正 向 传 播 , 若 现 行 输 出 与 期 望相 同 , 则 训 练 结 束 ; 否 则 , 误 差 反 向 进 入 网 络 (误 差 反 向 传 播 。 将 输 出 与 期 望 的 误 差 信 号 按 照 原 连 接 通 路 反 向 计 算 , 修 改 各 层 权 值 和 阈 值 , 逐 次 向 输 入 层 传 播 。 信息正 向 传 播 与 误 差 反 向 传 播 反复 交 替 , 网 络 得 到 了 记 忆 训 练 , 当 网 络 的 全 局 误 差 小 于 给 定 的 误 差 值 后 学 习 终 止 , 即 可 得 到 收 敛 的 网 络 和 相 应 稳

5、定 的 权 值 。 网 络 学 习 过 程 实 际 就 是 建 立 输 入 模式 到 输 出 模式的 一 个 映 射 , 也 就 是 建 立一 个 输 入 与 输 出 关 系 的数学模 型 :x i (t +1 =f i u i (t +1 (1 标准 的 BP 算 法 是 一 种 梯 度下 降 学 习算 法 , 其 权 值 的 修 正 是 沿 着 误 差 性能 函 数 梯 度 的 反 方 向 进 行 的 。 这 种 算 法 可 以 写 成 公 式 (2 的 形 式 :x k +1=xk -a 鄣 E kk(2 E k 1/s 2s 2i =1(t i 2-y i 2 (3 其 中 x k 为

6、 第 k 次 迭 代 各 层 之 间 的 权 值 和 阈 值向 量 , E k 为 第 k 次 迭 代神 经网 络 的输 出 总误 差 , 鄣 E k /鄣 x k 为 第 k 次 迭 代总误 差 曲 面 的 梯 度 , a 为 学 习速 率 。 网 络 的 实 际 输 出 值 y j 与 要 求 的 目 标值 t j 由 公 式 (3 求 出 总误 差 , 带 入 公 式 (2 中 , 便 可 以 逐 次 修 正权 值 及 阈 值 , 并 使 总误 差 向 减 小 的方 向 变 化 , 直 到 达 到 要 求 的 误 差 性能 为 止 。图 1两 层 BP 网 络神 经 模型 2BP 算 法

7、 实 现 苹 果 颜 色 分 级苹 果 表 面 颜色 是 衡 量 苹 果 品 质 的重 要 特 征 , 同 时 间 接 反 映 了 苹 果 的 成 熟 度 、 糖 度 、 水 分 含 量 等 内 部 品 质 。 国 内 外 的研究 者在 水 果 颜色 检 测 方 面 做 了很 多 工 作 。 Tao 等 利 用 色 度 特 征 统 计 识别 算 法 完 成 了 对 苹 果 、 土 豆 的 颜色 分 级 2; 杨 秀 坤 等 用 遗 传 神 经网 络 方法 实 现 苹 果 颜色 自 动检 测 3; 李 庆 中 等 基于 遗 传 神 经网 络 实 现 苹 果 颜色 实 时分 级 4。 本 实 验选

8、 用 红 富 士 苹 果 为 研究对 象 , 通 过 计 算 机视 觉 技术 获取 苹 果 色 度 直 方 图 , 直 方 图 反 映 了 苹 果 表 面 颜色 组 成 情 况 , 以 此 提 取 颜色 特 征 参 数 。实 验选 取 70个 不 同 等 级 的 苹 果 样 本 , 分 别 用 人 工 检 测 和 神 经网 络 检 测 的方法 进 行 分 级 。 人 工 检 测 结 果 为 15个优 等 果 、 25个 一 等 果 、 21个 二 等 果 和 9个 等 外 果 。 保 证 样 本具 有 足 够 的 代 表 性 和 全 面 性 。 提 取所 有 样 本的 七 个 色 度 特 征

9、值 , 分 别 除 以 1000作为 实 际 输 入 网 络 的 样 本数 据 , 因 此 神 经网 络 的输 入 层 节 点 数 为 7; 采 用 两 层 网 络 , 隐 含 层 定 义 10个 节 点 ; 输 出 层 输 出 数 据 为 (1000、(0100、(0010、(0 001, 分 别 代 表 苹 果 的 四 个 等 级 :优 等 、 一 等 、 二 等 和 等 外 。 任 选 55个 苹 果 样 本 信息 训 练 BP 网 络 , 15个 样 本 作为 检 验 集 。 交 换 训 练 集 和 检 验 集 样 本 5次 进 行 重 复 实 验 , 经 过 训 练的 网 络 实 际

10、 输 出 苹 果 等 级与 人 工 检 测 的 苹 果 等 级 的 相 关性 达 到 0.9以上 。 表 1为 其 中 一 种 情 况 下 检 验 集 15个 苹 果 样 本 中 的 5个 样 本 信息 , 表 2为 对 应 的 网 络 检 测 分 级 结 果 和人 工分 级 结 果 的对 照 图 。 训 练的 收 敛 误 差 取 0.001, 最 大 迭 代 次 数 为 5000次 。 训 练 网 络 的 误 差 演 化 曲 线 见 图 2。 在 达 到 最 大 迭 代 次 数的时 候 , 实 际 误 差 已 经 为 0.001, 网 络 已 经 达 到 训 练 目 的 。图 2误差演 化

11、曲线表 1待 分 级 苹 果 颜 色 特征 数 据(下转 第 418页 人 工 神 经网 络 BP 算 法 简介 及 应 用 侯 瑞(南 京航空航 天 大 学 金 城 学 院 江 苏 南 京 【 摘 要 】 BP 网络 是 当 前 工 程 应 用 最 广 泛 的一 种 人 工 神 经 网络 。 本论文主 要介绍 BP 算 法 及 BP 网络 的原 理 , 并结 合 一 个 苹 果 分 级 的 实 例 具体 说 明 BP 网络 的 应 用 。 本 研究具有 一 定 的 实 用 价 值 。【 关键词 】 神 经 网络 ; BP 网络 ; 苹 果 分 级Introductions and Appli

12、cations of BP Artificial Neutral NetworkHOU Rui(JinchengInstitute, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu, , China【 Abstract 】 Error Back Propagation (BPwas the most widely used method of Artificial Neutral Networks in the applications of modern projects . This study mai

13、nly introduced BP arithmetic and BP Networks . An apples sorting instance trained by BP Networks was used to show its function . The research brought forward new theories for further development of practical fruit sorting system based on ANN .【 Key words 】 Neutral Works ; BP Networks ; Apple grading

14、编 号 c1c2c3c4c5c6c7 11.44640.89820.81460.43020.15820.00750.0000 20.16430.30240.57271.03380.58160.15670.0000 30.00080.12560.53240.33280.13750.07620.0268 40.00000.00000.02150.20330.64771.80630.0000 50.00000.00000.00000.00000.00000.77031.2932 IT 论坛 75科 技 信息SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION 2011年 第 3期 (上接第

15、 75页 表 2网 络 、 人 工 分 级 结 果 对 照表3讨 论神 经网 络 的 训 练 属 于 非 线 性的高 复 杂 度 的 优 化 问题 。 BP 网 络 的 算 法 简单 、 可 塑 , 寻 优 比较 精 确 , 三 层 网 络 已 经 能 够 以 任 意 精度 模 拟 复 杂 的 非 线 性关 系 , 二 层 网 络 就 足 以 实 现 任 意 判决 分 类 的 问题 。 本 文 通 过 对 苹 果 颜色 进 行 分 级 的 实 验 表 明 , BP 算 法 在 对 问题 的 内 部 机 理 不 甚 了 解 或 者 不 能用 明 确 的数学模 型 表 示 的 系统 进 行 特 征

16、 提 取 和 预 测 的 问题 上 表 现出 很 好 的 优 越 性 和 自 适 应 性 。传 统 的 BP 算 法 存 在 一 些 缺 点 , 比 如 隐 层 节 点 数 固 定 , 联接 权 值 进 行 学 习 , 导 致 收 敛 速度 较 慢 ; 局 部 寻 优 的学 习 方法 , 易 陷 入 局 部 极 小 和 引 起 振 荡 效 应 ; 网 络 中 间层 及 神 经 元 数 目 的 选择 无 理论 指导 等 。 基于这 些 缺 点 , 近 年 来 BP 网 络 已 经 出现 很 多种 改 进 算 法 , 比 如 变 步 长 法 、 引 入 动 量 项 法 、 高 斯 消 元 法 等

17、。 随 着 人 工 神 经网 络 在理论 研究 和实 际 应 用 中 突 飞 猛 进 的 发 展 , 神 经网 络 必 将 在 更 广 泛 的 领域 发 挥 更 大 的 作 用 。 【 参考 文 献 】1周 开 利 , 康 耀 红 . 神 经网 络 模 型 及 其 MATLAB 仿真 程 序 设计 M.北 京 :清 华 大 学 出 版 社 , 2006:1-90. 2Tao Y, Heinemann P H et al. Machine vision for color inspection of potatoes and applesJ.Transactionof the ASAE,1995

18、,38(5:1555-1561.3杨 秀 坤 , 陈 晓光 . 用 遗 传 神 经网 络 方法 进 行 苹 果 颜色 自 动检 测 的研究 J.农 业 工程学 报 , 1997,13(2:173-176.4李 庆 中 , 汪 懋 华 . 基于 遗 传 算 法的 苹 果 颜色 实 时分 级 方法 J.中国 图 像 图 形 学 报 , 2000, 5(9:779-784.作者简介 :侯 瑞 (1983, 女 , 汉 族 , 河 南 开 封 人 , 任 职 于 南 京 航 空 航 天 大 学 金 城 学 院 实 验 中心 , 助 教 , 2006.9-2009.1, 中 国 农 业 大 学 信息 与

19、 电 气 工 程学 院 , 电子 系 , 生 物物 理 专业 , 硕士研究生 , 主 要研究方向为 信息 检 测 理 论 及 技 术 方 面 。责 任编辑 :曹 明明 编 号网 络 输 出网 络 分 级 结 果人 工分 级 结 果11000一 等 一 等 20100一 等 一 等 30100一 等 一 等 40010二 等 二 等 50001等 外等 外科(上接第 19页 从 表 2和图 2可 以 看 出 , 低温阶段 随 着 温 度 的 升 高 , 煤氧 化 生 成 的 CO 浓 度 逐 渐 增 大 , 并 且 增 大 的 幅 度 越 来 越 大 ; CO 产生 的 临界 温 度 滞 后 于

20、 开 始 消 耗 氧气 的 温 度 ; CO 的 这 种 产生特 性 是 由 低温阶段煤氧 复 合 的 内 在 反 应 特 性 所 决 定 。 低温阶段煤氧 复 合过 程 依 次 发 生 物理 吸 附 、 化学 吸 附 和 化学 反 应 , 煤 物理 吸 附 氧 发 生煤体 的 空 隙 表 面 , 对 煤 的 结 构 没 有 影响 , 因 此 虽 然 不 会 有 CO 的 产生 , 但 是 仍 会 有 耗 氧 量 , 导 致 了 CO 产生 的 临界 温 度 滞 后 于 开 始 消 耗 氧气 的 温 度 , 如 柴 里 气煤 、 李一气 肥 煤 、 百 善 无 烟 煤 30度 40 。 产生

21、CO 的 临 界 温 度 随 着 煤 变 质 程 度 的 增 大 越 来 越 高 。 柴 里 气煤 的 CO 临界 温 度 在 40 , 李一气 肥 煤 的 CO 临界 温 度 在 50 , 百 善 无 烟 煤 的 临界 温 度 在 50 。 自 临界 温 度 点开 始 煤氧 复 合 进 入 以 化学 吸 附 为 主 导 的 阶段 , 并 伴 随 有 CO 的 产生 。 化学 吸 附 比 物理 吸 附 有 更 强的 吸 氧 能 力 和氧 化 热 , 大大 加 速 了 煤氧 化的 进 程 , 如 图 2中 (c、 (d和 (e所 示 , 临界 温 度 点 之 后 煤 耗 氧 量 出现 跃升 ,

22、进 入 加 速 耗 氧阶段 。 煤低温氧 化 过 程 中 CO 的 产生 主 要 来源 于化学 吸 附 阶段 的 固 态 中 间 煤氧 络 合物 的分 解和煤 的 直 接 氧 化 反 应 9, 进 入 煤氧 化学 吸 附 阶段 伊 始 , 平 行 序 列 反 应 中 生 成 CO 的 直 接 反 应 较 微 弱 , 间 接 反 应 较 强 , 煤氧 化学 吸 附 是 单 层 吸 附 , 发 生 在 煤 的 表 面 , 化学 吸 附 生 成 的 过 氧 络 合物 会 暂 时性的 占 据 大 量吸 附 位 , 使 得 化学 吸 附 在 一 定 程 度 上 受 到 抑 制 , 阻 止 对 氧气 更

23、大 量 的 吸 附 。 由 于 反 应 的 进 行 放 出大 量 的 热 , 使 煤 中有 产生 更 多 的 活 性分 子 , CO 直 接 反 应 的强 度 越 来 越 大 , 直 至 煤氧 直 接 反 应 的强 度 等 于 间 接 反 应 的强 度 , 此 阶段 耗 氧 量 的 增 速 越 来 越 缓 慢 如 柴 里 气煤 50 -80 , 李一气 肥 煤 60 -80 , 百 善 无 烟 煤 70 -80 , 当 煤氧 直 接 反 应 超 过 间 接 反 应 之 时 , 煤 的 耗 氧 量 出现 跃升 。4结论4. 1低温阶段 随 着 温 度 的 升 高 , 煤氧 化 生 成 的 CO

24、浓 度 逐 渐 增 大 , 并 且 增 大 的 幅 度 越 来 越 大 ; CO 产生 的 临界 温 度 滞 后 于 开 始 消 耗 氧气 的 温 度 , CO 的 这 种 产生特 性 是 由 低温阶段煤氧 复 合 的 内 在 反 应 特 性 所决 定 。4. 2关于 低温阶段 CO 的 产生特 性的研究 , 仍 需 进 一 步 从 微 观 上 去 揭 示 不 同 氧 化 阶段煤 中 CO 的 产生 机 理 。 【 参考 文 献 】1崔 永 君 . 煤 对 CH 4、 N 2、 CO 2及 多 组 分 气体 吸 附 的研究 D.陕 西西 安 :煤 炭 科 学 研究 总 院 西 安 分 院 ,2

25、003.2任 德 惠 , 丁 焜 . 高 沼 气 易 燃 煤 层 无 煤 柱 开 采 M.北 京 :煤 炭 工 业 出 版 社 , 1991. 3王永 湘 . 利 用 指 标 气体 预 测 预 报 煤 矿 自燃 火 灾 J.煤 矿 安全 , 2001(6:15-16. 4Ashok K. Singh , R.V.K. Singh.Mine fire gas indices and their application to Indian underground coal mine fires. International Journal of Coal Geology,2007.5谢 振华 ,

26、金 龙 哲 , 任 宝 宏 . 煤 炭 自燃 特 性 与 指 标 气体 的 优 选 J.煤 矿 安全 ,2004,2:10-13.6王 伯 顺 , 邵 辉 , 石 必 明 . 煤 炭 自燃 预 测 指 标 气体 的 实 验 研究 J.煤 矿 安全 ,2001,3:60-63.7张 玉 贵 , 钱 国 胤 , 唐 修 义 . 煤 自然 发 火 烯烃 指 标 及 其 煤 岩 学 因 素 分析 J.焦 作 矿 业 学 院 学 报 ,1995,Vol.14(6:29-34.8张 国 枢 , 戴 广 龙 . 煤 岩 自然 理论 与实践 M.煤 炭 工 业 出 版 社 ,2002,12:6-7,34-40

27、. 9Banerjee S C. Spontaneous combustion of coal and mine tiresM.A.A.Balkoma. Rotferdam. 1985.作者简介 :郭 小 云 (1982, 男 , 河 南南 阳 人 , 博 士 , 从事 矿 井 通 风 防 灭火 方 面 的 研究 。 基 金 项 目 :煤 炭 资 源 与 安 全 开 采 国 家 重 点 实 验 室 自 主 课 题 (SKLCRSM08x06, 国 家 自 然 科 学 专 项 基 金 项 目 (, 江 苏 省 创 新 学 者 攀 登 项目 (BK。责 任编辑 :曹 明明 科(上接第 43页 兵

28、的 行 动 2。 因 此 , 我军 应 当 将 现有 的 炮 兵 指 挥 部 分 离 出 来组 建 一 个 集 中 统一 、 权 威 而 有效 的 指 挥 机 构 , 平 时 可 以 指导 全 军 的 野战防空 训 练 , 战 时 可 以 召 集 空 、 海 军 和人 防 相 关 人员 建 立 野战防 空 联 合 指 挥 机 构 。 二 是 压缩 目 前 的 指 挥 层 次 , 在 战 时 , 指 挥 层 次 越 多 , 指 挥 就 越 不 顺 畅 , 指 挥 效 率 也 就 会 大大 的 降 低 。 我 们 应 该 形 成 扁 平 的 网 络 化的 指 挥 体系 。 【 参考 文 献 】1郝 强 . 信息 化 条 件 下防空 兵 建设 与 发 展 研究 M. 北 京 :军 事 科 学 出 版 社 , 2006. 2吕 文 奇 . 外 军 地 面 防空 M. 北 京 :军 事 科 学 出 版 社 , 2004. 3王 凤 山 . 现 代 防空 学 M. 北 京 :航 空 工 业 出 版 社 , 2008.责 任编辑 :王 静 科 百家论剑 418专心-专注-专业