時(shí)間：2022-05-29 17:51:52
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
1 引言
很長時(shí)間以來,在我們生活中所接觸到的大部分計(jì)算機(jī),都是一種被稱為“電腦”的馮諾依曼型計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)在運(yùn)算等很多方面確實(shí)超越了人類大腦的水平,但是基于串行控制機(jī)構(gòu)的馮諾依曼型計(jì)算機(jī)在圖像處理、語音識別等方面遠(yuǎn)不如大腦的處理能力。于是,在人類對大腦的不斷探索中,一種更接近人腦思維方式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)走進(jìn)人們的視線。
2 大腦的研究
大腦活動是由大腦皮質(zhì)許許多多腦神經(jīng)細(xì)胞的活動構(gòu)成。
神經(jīng)細(xì)胞由一個(gè)細(xì)胞體、一些樹突 、和軸突組成,如圖1所示。神經(jīng)細(xì)胞體是一顆星狀球形物,里面有一個(gè)核。樹突由細(xì)胞體向各個(gè)方向長出,本身可有分支,是用來接收信號的。軸突也有許多的分支。軸突通過分支的末梢和其他神經(jīng)細(xì)胞的樹突相接觸,形成所謂的突觸,一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞通過軸突和突觸把產(chǎn)生的信號送到其他的神經(jīng)細(xì)胞。每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞通過它的樹突和大約10,000個(gè)其他的神經(jīng)細(xì)胞相連。這就使得人腦中所有神經(jīng)細(xì)胞之間連接總計(jì)可能有1,000,000,000,000,000個(gè)。
神經(jīng)細(xì)胞利用電-化學(xué)過程交換信號。輸入信號來自另一些神經(jīng)細(xì)胞。這些神經(jīng)細(xì)胞的軸突末梢(也就是終端)和本神經(jīng)細(xì)胞的樹突相遇形成突觸,信號就從樹突上的突觸進(jìn)入本細(xì)胞。信號在大腦中實(shí)際怎樣傳輸是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程,但就我們而言,重要的是把它看成和現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)一樣,利用一系列的0和1來進(jìn)行操作。就是說,大腦的神經(jīng)細(xì)胞也只有兩種狀態(tài):興奮和不興奮。發(fā)射信號的強(qiáng)度不變,變化的僅僅是頻率。神經(jīng)細(xì)胞利用一種我們還不知道的方法,把所有從樹突上突觸進(jìn)來的信號進(jìn)行相加,如果全部信號的總和超過某個(gè)閥值,就會激發(fā)神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)入興奮狀態(tài),這時(shí)就會有一個(gè)電信號通過軸突發(fā)送出去給其他神經(jīng)細(xì)胞。如果信號總和沒有達(dá)到閥值,神經(jīng)細(xì)胞就不會興奮起來。
盡管這是類似0和1的操作方式,由于數(shù)量巨大的連接,使得大腦具備難以置信的能力。盡管每一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞僅僅工作于大約100hz的頻率,但因各個(gè)神經(jīng)細(xì)胞都以獨(dú)立處理單元的形式并行工作著,使人類的大腦具有非常明顯的特點(diǎn):
1) 能實(shí)現(xiàn)無監(jiān)督的學(xué)習(xí)。
2) 對損傷有冗余性
3) 善于歸納推廣。
4) 處理信息的效率極高:神經(jīng)細(xì)胞之間電-化學(xué)信號的傳遞,與一臺數(shù)字計(jì)算機(jī)中cpu的數(shù)據(jù)傳輸相比,速度是非常慢的,但因神經(jīng)細(xì)胞采用了并行的工作方式,使得大腦能夠同時(shí)處理大量的數(shù)據(jù)。這個(gè)特點(diǎn)也是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)在處理方法上最應(yīng)該體現(xiàn)的一點(diǎn)。
3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)
對于腦細(xì)胞的活動原理,用簡單數(shù)學(xué)語言來說, 一次乘法和累加就相當(dāng)于一個(gè)神經(jīng)突觸接受一次信息的活動。許許多多簡單的乘法和累加計(jì)算, 就形成了腦細(xì)胞決定是激活狀態(tài)還是抑制狀態(tài)的簡單數(shù)學(xué)模型。從這種模型出發(fā), 任何復(fù)雜的大量的腦神經(jīng)細(xì)胞活動與只是大量乘法、累加和判別是否達(dá)到激活值的簡單運(yùn)算的并行與重復(fù)而已。因此用這種大量并行的簡單運(yùn)算就可以來模擬大腦的活動, 這就是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元是人工神經(jīng)元,它是根據(jù)人腦的工作原理提出的。圖2所示為一個(gè)人工神經(jīng)元,可由以下方程描述
σi =wijxj + si2θi , ui = f(σi) ,yi = g(ui)
xi 為輸入信號;
yi 為輸出信號;
ui 為神經(jīng)元的內(nèi)部狀態(tài);
θi 為閾值;
si 為外部控制信號輸入(控制神經(jīng)元的內(nèi)部狀態(tài)ui ,使之保持一定的狀態(tài));
wij 為神經(jīng)元的連接權(quán)值。
其中,可通過學(xué)習(xí)改變連接權(quán)wij ,使得神經(jīng)元滿足或接近一定的非線性輸入輸出關(guān)系。
4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)
對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),目前主要有以下三種實(shí)現(xiàn)途徑:
4.1 用軟件在通用計(jì)算機(jī)上模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
在sisd(單指令流、單數(shù)據(jù)流,如經(jīng)典個(gè)人計(jì)算機(jī))、simd(單指令流、多數(shù)據(jù)流,如連接機(jī)制機(jī)器)或mimd(多指令流、多數(shù)據(jù)流,如在transputer網(wǎng)絡(luò)上)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)上仿真。
這種用軟件實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法,靈活而且不需要專用硬件,但是基于此方法實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)速度較慢,一般僅適合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究,另一方面,它在一定程度上使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)失去了它的本質(zhì),體現(xiàn)不出并行處理信息的特征。
4.2 對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功能上的仿真
以多個(gè)運(yùn)算單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算,在不同時(shí)間模擬各異不同的神經(jīng)元,串并行地模擬神經(jīng)網(wǎng)格計(jì)算。換句話說,即用m個(gè)物理單位去模擬n個(gè)神經(jīng)元,而m<n。基于并行計(jì)算機(jī)和陣列機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)現(xiàn),具有一定的通用性。 <br="">
虛擬實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)主要可分為:協(xié)處理機(jī),并行處理機(jī)陣列及現(xiàn)有的并行計(jì)算機(jī)等。目前已經(jīng)有多種產(chǎn)品及系統(tǒng)問世,包括mark v神經(jīng)計(jì)算機(jī)、gapp系統(tǒng)、gf11、基于transputer的系統(tǒng)以及基于dsp的系統(tǒng)。它們各有特點(diǎn),技術(shù)已日益成熟。
但是這種實(shí)現(xiàn)方式仍以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真為主要目標(biāo),另外其速度,容量等性能的提高則以增加處理機(jī)等費(fèi)用為代價(jià),較難成為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最終應(yīng)用產(chǎn)品。
4.3 利用全硬件實(shí)現(xiàn)
4.3.1 基于cmos, ,ccd工藝和浮柵工藝的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全硬件實(shí)現(xiàn)
在微電子芯片上作上許多具有模擬神經(jīng)元功能的單元電路,按神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在芯片上聯(lián)成網(wǎng)絡(luò),這類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片上的電路與所模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)種的各個(gè)神經(jīng)元和神經(jīng)突觸等都有一一對應(yīng)的關(guān)系,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)權(quán)值也都存貯在同一芯片上。
我國1995年開發(fā)的預(yù)言神一號就是一臺實(shí)現(xiàn)了全硬件的通用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理機(jī)。它以pc機(jī)作為宿主機(jī),通過編程實(shí)現(xiàn)前饋網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)、som等人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型和算法,在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算過程中預(yù)言神一號神經(jīng)計(jì)算機(jī)還具備隨時(shí)修改網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及神經(jīng)元非線性函數(shù)的功能。
但是這類芯片受硅片面積的限制,不可能制作規(guī)模龐大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件。如果一個(gè)數(shù)萬個(gè)神經(jīng)元的全聯(lián)接網(wǎng)絡(luò),其互聯(lián)線將達(dá)到10億根;若以1微米三層金屬布線工藝來計(jì)算,僅僅布線一項(xiàng)所占硅片面積將達(dá)到數(shù)十平方米。因此,在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上用這種一一對應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)規(guī)模很大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)顯然不現(xiàn)實(shí)。
4.3.2 用光學(xué)或光電混合器件實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)
光學(xué)技術(shù)在許多方面有著電子技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn):光具有并行性,這點(diǎn)與神經(jīng)計(jì)算機(jī)吻合;光波的傳播交叉無失真,傳播容量大;可實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)算。現(xiàn)在的神經(jīng)計(jì)算機(jī)充其量也只有數(shù)百個(gè)神經(jīng),因此用“電子式”還是可能的,但是若要把一萬個(gè)神經(jīng)結(jié)合在一起,那么就需要一億條導(dǎo)線,恐怕除光之外,任何東西都不可能完成了。但是光束本身很難表示信號的正負(fù),通常需要雙層結(jié)構(gòu),加之光學(xué)相關(guān)器件體積略大,都會使系統(tǒng)變得龐大與復(fù)雜。
5 小結(jié)
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（AartificialNeuralNetwork，下簡稱ANN）是模擬生物神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)而提出的一種信息處理方法。早在1943年，已由心理學(xué)家WarrenS.Mcculloch和數(shù)學(xué)家WalthH.Pitts提出神經(jīng)元數(shù)學(xué)模型，后被冷落了一段時(shí)間，80年代又迅猛興起［1］。ANN之所以受到人們的普遍關(guān)注，是由于它具有本質(zhì)的非線形特征、并行處理能力、強(qiáng)魯棒性以及自組織自學(xué)習(xí)的能力。其中研究得最為成熟的是誤差的反傳模型算法（BP算法，BackPropagation），它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及算法直觀、簡單，在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較多。
經(jīng)訓(xùn)練的ANN適用于利用分析振動數(shù)據(jù)對機(jī)器進(jìn)行監(jiān)控和故障檢測，預(yù)測某些部件的疲勞壽命［2］。非線形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償和魯棒控制綜合方法的應(yīng)用（其魯棒控制利用了變結(jié)構(gòu)控制或滑動模控制），在實(shí)時(shí)工業(yè)控制執(zhí)行程序中較為有效［3］。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）和模糊邏輯（FuzzyLogic）的綜合，實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)故障檢測的啟發(fā)式推理。對非線形問題，可通過ANN的BP算法學(xué)習(xí)正常運(yùn)行例子調(diào)整內(nèi)部權(quán)值來準(zhǔn)確求解［4］。
因此，對于電力系統(tǒng)這個(gè)存在著大量非線性的復(fù)雜大系統(tǒng)來講，ANN理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用具有很大的潛力，目前已涉及到如暫態(tài)，動穩(wěn)分析，負(fù)荷預(yù)報(bào)，機(jī)組最優(yōu)組合，警報(bào)處理與故障診斷，配電網(wǎng)線損計(jì)算，發(fā)電規(guī)劃，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及電力系統(tǒng)控制等方面［5］。
本文介紹了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）理論的保護(hù)原理。
1、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論概述
BP算法是一種監(jiān)控學(xué)習(xí)技巧，它通過比較輸出單元的真實(shí)輸出和希望值之間的差別，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)路徑的權(quán)值，以使下一次在相同的輸入下，網(wǎng)絡(luò)的輸出接近于希望值。
在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)投運(yùn)前，就應(yīng)用大量的數(shù)據(jù)，包括正常運(yùn)行的、不正常運(yùn)行的，作為其訓(xùn)練內(nèi)容，以一定的輸入和期望的輸出通過BP算法去不斷修改網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值。在投運(yùn)后，還可根據(jù)現(xiàn)場的特定情況進(jìn)行現(xiàn)場學(xué)習(xí)，以擴(kuò)充ANN內(nèi)存知識量。從算法原理看，并行處理能力和非線是BP算法的一大優(yōu)點(diǎn)。
2、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)型繼電保護(hù)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的保護(hù)裝置，可判別更復(fù)雜的模式，其因果關(guān)系是更復(fù)雜的、非線性的、模糊的、動態(tài)的和非平穩(wěn)隨機(jī)的。它是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）與專家系統(tǒng)（ES）融為一體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)，其中，ANN是數(shù)值的、聯(lián)想的、自組織的、仿生的方式，ES是認(rèn)知的和啟發(fā)式的。
文獻(xiàn)［1］認(rèn)為全波數(shù)據(jù)窗建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在準(zhǔn)確性方面優(yōu)于利用半波數(shù)據(jù)窗建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因此保護(hù)應(yīng)選用全波數(shù)據(jù)窗。
ANN保護(hù)裝置出廠后，還可以在投運(yùn)單位如網(wǎng)調(diào)、省調(diào)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)內(nèi)容針對該省的保護(hù)的特別要求進(jìn)行（如反措）。到現(xiàn)場，還可根據(jù)該站的干擾情況進(jìn)行反誤動、反拒動學(xué)習(xí)，特別是一些常出現(xiàn)波形間斷的變電站內(nèi)的高頻保護(hù)。
3、結(jié)論
本文基于現(xiàn)代控制技術(shù)提出了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的保護(hù)構(gòu)想。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件的反應(yīng)速度比純數(shù)字計(jì)算軟件快幾十倍以上，這樣，在相同的動作時(shí)間下，可以大大提高保護(hù)運(yùn)算次數(shù)，以實(shí)現(xiàn)在時(shí)間上即次數(shù)上提高冗余度。
一套完整的ANN保護(hù)是需要有很多輸入量的，如果對某套保護(hù)來說，區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障時(shí)其輸入信號幾乎相同，則很難以此作為訓(xùn)練樣本訓(xùn)練保護(hù)，而每套保護(hù)都增多輸入量，必然會使保護(hù)、二次接線復(fù)雜化。變電站綜合自動化也許是解決該問題的一個(gè)較好方法，各套保護(hù)通過總線聯(lián)網(wǎng)，交換信息，充分利用ANN的并行處理功能，每套保護(hù)均對其它線路信息進(jìn)行加工，以此綜合得出動作判據(jù)。每套保護(hù)可把每次錄得的數(shù)據(jù)文件，加上對其動作正確性與否的判斷，作為本身的訓(xùn)練內(nèi)容，因?yàn)榧词褂袝r(shí)人工分析也不能區(qū)分哪些數(shù)據(jù)特征能使保護(hù)不正確動作，特別是高頻模擬量。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件芯片現(xiàn)在仍很昂貴，但技術(shù)成熟時(shí)，應(yīng)利用硬件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在的軟件功能。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行處理和信息分布存儲機(jī)制還不十分清楚，如何選擇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還沒有充分的理論依據(jù)。所有這些都有待于對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本理論進(jìn)行深入的研究，以形成完善的理論體系，創(chuàng)造出更適合于實(shí)際應(yīng)用的新型網(wǎng)絡(luò)及學(xué)習(xí)算法［5］。
參考文獻(xiàn)
1、陳炳華。采用模式識別（智能型）的保護(hù)裝置的設(shè)想。中國電機(jī)工程學(xué)會第五屆全國繼電保護(hù)學(xué)術(shù)會議，［會址不詳］，1993
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中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)11-2599-05
License Plate Recognition Based on Synergetic Neural Network
ZHANG Mei-jing
(Fujian Jiangxia College，F(xiàn)uzhou 350108,China)
Abstract: Feature losses and noise are major barriers for license plate recognition. Because of outstanding properties in association and rec? ognition, Synergetic Neural Network is used to process the binary character image to regain the legibility and completion. According to the result of experiment, Synergetic Neural Network is proofed to be an excellent algorithm in Recognition.
Key words：synergetic neural network；license plate recognition；character recognition
字符識別屬于模式識別領(lǐng)域的重要組成部分，是文字自動輸入的一種方法。它通過掃描和攝像等輸入方式獲取媒介上的文字圖像信息，利用各種模式識別算法分析文字形態(tài)特征，判斷出字符的標(biāo)準(zhǔn)編碼，并按指定格式存儲在文該文件。字符識別的過程如圖1。
1車牌字符識別原理
車牌字符識別是字符識別技術(shù)的一個(gè)分支，是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分。車牌字符識別的任務(wù)是將車牌圖片上的7個(gè)由漢字，數(shù)字和大些英文字符組合而成的字符圖片識別成字符，相關(guān)字符如圖2。[1](a)漢字樣本(b)字母樣本(c)數(shù)字樣本
圖2車牌字符樣本
車牌字符識根據(jù)識別對象分類屬于有限樣本的印刷體脫機(jī)字符識別，常用的方法有模板匹配字符識別法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)字符識別和特征統(tǒng)計(jì)匹配法等。[2]模板匹配字符識別算法是將待識別字符與系統(tǒng)中已收錄的標(biāo)準(zhǔn)字符樣本進(jìn)行像素級別的逐一匹配，通過匹配度的高低判定待識別樣本。字符特征識別對待識別字符進(jìn)行字符布局，結(jié)構(gòu)，筆劃等特征進(jìn)行分析，通過特征的分析結(jié)果與系統(tǒng)字符庫中的樣本進(jìn)行比對，得出識別結(jié)果。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以人腦識別物體的原理為依據(jù)，構(gòu)建一個(gè)與人腦識別過程相似的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過訓(xùn)練后對各字符樣本的特征極為敏感，能夠?qū)ΥR別對象在較短時(shí)間能做出判斷，得出識別結(jié)果。
在實(shí)際應(yīng)用中，車牌識別算法遠(yuǎn)達(dá)不到理想狀態(tài)下的性能，單獨(dú)采用上述算法中的任何一種均難以取得較好的效果，個(gè)別情況乃至各種技術(shù)的組合都難以奏效。車牌識別率不高的主要原因是有效信息不足或缺失和噪聲太大等失真，原因包括由天氣、光線、背景環(huán)境、攝取角度、車牌污損等，圖像在采集過程中存在不同程度的信息損失和圖像變形；個(gè)別字符間的高相似度嚴(yán)重使得樣本特征不易提取和區(qū)分；圖像預(yù)處理導(dǎo)致的圖像有效信息弱化，乃至消失等，如圖3。因此，如何保證待識別圖像信息的完整性是高效識別字符的關(guān)鍵。
2協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
20世紀(jì)70年代，德國科學(xué)家H.Haken教授在斯圖加特大學(xué)冬季學(xué)期演講中首次引入?yún)f(xié)同學(xué)（Synergetic）的概念。20世紀(jì)80年代末，協(xié)同學(xué)原理被引入計(jì)算機(jī)科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)，基于協(xié)同學(xué)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正式提出。[3]
2.1協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理
協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Synergetic Nerural Network, SNN）是一種競爭性網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)協(xié)同學(xué)將模式識別過程與模式形成過程視為同一過程的原理[3]，系統(tǒng)將根據(jù)待識別對象q和樣本構(gòu)造一系列的序參量，讓序參量在一個(gè)動力學(xué)過程中進(jìn)行競爭，最終取勝的序參量將驅(qū)使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)特定的有序狀態(tài)，使得q從中間狀態(tài)進(jìn)入某個(gè)原型模式止中，完成整個(gè)系統(tǒng)的宏觀質(zhì)變。整個(gè)過程可描述為q(0) q(t) vk。忽略漲落力( )F t和暫態(tài)量，勢函數(shù)表達(dá)式如式（1）， l為注意參數(shù)，其值為正數(shù)時(shí)可q指數(shù)增長；kv為原型模式向量，滿足歸一化和零均值條件，即式（3）和式（4）； x，用于描述q在最小二乘意義下kv上的投影，即可把q分解為原型向量kv和剩余向量w，如式（5）
2.2協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建
根據(jù)上述協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)路的原理，構(gòu)造Haken網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將序參量的動力學(xué)方程離散化為式（12）=，離散系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性主要取決于r的大小。通過上述處理，Haken網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為三層前向網(wǎng)絡(luò)的形式，如圖4所示。圖4協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
設(shè)原型模式數(shù)為M，狀態(tài)向量與特征向量的維數(shù)為N，為滿足原型模式之間線性無關(guān)條件，MN￡，則網(wǎng)絡(luò)輸入層的神經(jīng)元數(shù)為N，輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為N，中間層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為M。從網(wǎng)絡(luò)的輸入單元j到中間層k的連接權(quán)值，為伴隨向量kjv+，該伴隨向量kjv+通過網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練獲得；中間層k到輸出層單元l的連接權(quán)值，為原型向量lk v，通過網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練獲得[4]。
協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程分為兩個(gè)階段：首先是網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)階段，然后是網(wǎng)絡(luò)識別階段，其運(yùn)行步驟包括以下八步：
1)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)階段
①選擇網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練模式，將訓(xùn)練模式向量化；
②計(jì)算出滿足歸一化和零均值條件的原型模式向量kv，即網(wǎng)絡(luò)中間層到輸出層的連接權(quán)值；
③求出原型向量kv的伴隨向量kv+，并存儲伴隨向量矩陣，從而獲得網(wǎng)絡(luò)輸入層到中間層的連接權(quán)；
2)網(wǎng)絡(luò)識別階段
④網(wǎng)絡(luò)輸入層讀入待識別模式的特征向量(0)q，輸入模式的特征向量(0)q滿足歸一化和零均值條件；
⑤輸入層模式特征向量(0)q與網(wǎng)絡(luò)權(quán)值相乘，即(0)(0)
3識別實(shí)驗(yàn)
我國現(xiàn)行的02式車牌字庫樣本包含40個(gè)漢字，26個(gè)大寫英文字母和10個(gè)數(shù)字，總共76個(gè)，樣本如圖5所示。相對于數(shù)字和字母而言，漢字結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，以脫機(jī)方式識別難度較大，且識別原理相同，故以34個(gè)省、自治區(qū)、直轄市簡稱的字符為識別樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的軟件平臺采用Matlab2009a，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將分別與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）和Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（HNN）的識別效果進(jìn)行比較。=，1B C==；求得各序參量初值ξ(0)如下：
-0.06867057433020530.01568406876894620.05013376633354150.0631045313417070-0.0274198021611342 0.03373680640883180.1625299254749570.03986166655208920.06608181151017900.0593773160644256 0.0189960079554657-0.03124887237908740.0252495395456835-0.1715844592494780.0661238836233446 0.0681958334905401-0.09422390281760170.137104511398972-0.0371544780361387-0.0206758647343073 0.0204453344805276-0.07415745082880180.335697288112717-0.0827516059489237 0.0749152803026763 0.03887147948484890.149771923460272-0.06972351567272020.09636195429090890.0897441258906458-0.109678771470029-0.1227450763021440.119589618251446-0.0596355107322448
3.1信息缺失字符的識別實(shí)驗(yàn)
信息缺失是干擾識別效果的極為重要的因素，主要表現(xiàn)為字符不完整，多數(shù)由于圖像采集和字符分割預(yù)處理過程所導(dǎo)致的，如圖6。該待識別樣本由于車牌的傾斜校正處理使得走字底部分造成殘缺。經(jīng)過約110輪的迭代，獲勝模式為“遼”，識別所需時(shí)間為0.036287秒，迭代過程如表1，圖7顯示了競爭過程中各序參量的變化，識別結(jié)果圖8，各神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別結(jié)果及開銷對對比如表2。
3.2噪聲干擾字符的識別實(shí)驗(yàn)
噪聲干擾也是圖像識別中主要的干擾因素，主要源于圖像采集和二值化預(yù)處理過程，如圖9，該字符由于車牌污損導(dǎo)致字符布滿噪聲。經(jīng)過約96輪的迭代，獲勝模式為“浙”，識別所需時(shí)間為0.035126秒，迭代過程如表3，圖10顯示了競爭過程中各序參量的變化，識別結(jié)果圖11，各神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別結(jié)果及開銷對比如表4。
結(jié)果表明，協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別效果最好，與原型模式完全一致；Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖也識別，但識別結(jié)果存在少許失真；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則識別錯(cuò)誤。在時(shí)間開銷方面，協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要迭代的次數(shù)較多，但用時(shí)最短，Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)迭代的次數(shù)較少，但用時(shí)較多。
經(jīng)過對400個(gè)車牌樣本的識別，識別結(jié)果的統(tǒng)計(jì)如表5，各項(xiàng)數(shù)據(jù)充分表明了協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)異的識別性能。
表5 400圖片測試結(jié)果對比
4結(jié)束語
協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是協(xié)同學(xué)在模式識別方面的重要應(yīng)用，該文介紹了協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理，以Matlab為平臺實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)模型，并以車牌漢字為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Haken協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更好的識別效果，充分表明了協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在字符識別方面的有效性。但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，經(jīng)典的Haken神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于外形酷似的字符，如字符“0”與字符“O”、字符“O”與字符“Q”等，仍不能進(jìn)行有效精確識別，有待進(jìn)一步的挖掘和提高。
參考文獻(xiàn):
[1]公安部.GA36-2007,中華人民共和國公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—中華人民共和國機(jī)動車號牌[S],2007.
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【關(guān)鍵詞】BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；函數(shù)逼近
1.緒論
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network，ANN）是模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｉ锷窠?jīng)元受到傳入的刺激，其反應(yīng)又從輸出端傳到相聯(lián)的其它神經(jīng)元，輸入和輸出之間的變換關(guān)系一般是非線性的。
1.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定義
BP （Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法。相鄰層之間各神經(jīng)元進(jìn)行全連接，而每層各神經(jīng)元之間無連接，網(wǎng)絡(luò)按有教師示教的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，當(dāng)一對學(xué)習(xí)模式提供給網(wǎng)絡(luò)后，各神經(jīng)元獲得網(wǎng)絡(luò)的輸入響應(yīng)產(chǎn)生連接權(quán)值（Weight）。此過程反復(fù)交替進(jìn)行，直至網(wǎng)絡(luò)的全局誤差趨向給定的極小值，即完成學(xué)習(xí)的過程。
1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及其基本原理
網(wǎng)絡(luò)的輸入層模擬的是神經(jīng)系統(tǒng)中的感覺神經(jīng)元，它接收輸入樣本信號。輸入信號經(jīng)輸入層輸入， 通過隱含層的復(fù)雜計(jì)算由輸出層輸出，輸出信號與期望輸出相比較，若有誤差，再將誤差信號反向由輸出層通過隱含層處理后向輸入層傳播。在這個(gè)過程中，誤差通過梯度下降算法，分?jǐn)偨o各層的所有單元，從而獲得各單元的誤差信號，以此誤差信號為依據(jù)修正各單元權(quán)值，網(wǎng)絡(luò)權(quán)值因此被重新分布。此過程完成后， 輸入信號再次由輸入層輸入網(wǎng)絡(luò)，重復(fù)上述過程。這種信號正向傳播與誤差反向傳播的各層權(quán)值調(diào)整過程周而復(fù)始地進(jìn)行著，直到網(wǎng)絡(luò)輸出的誤差減少到可以接受的程度，或進(jìn)行到預(yù)先設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止。權(quán)值不斷調(diào)整的過程就是網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程。
2.BP網(wǎng)絡(luò)在函數(shù)逼近中的應(yīng)用
2.1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近函數(shù)
步驟1：假設(shè)頻率參數(shù)k=1，繪制要逼近的非線性函數(shù)的曲線。
步驟2：網(wǎng)絡(luò)的建立
應(yīng)用newff（）函數(shù)建立BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隱層神經(jīng)元數(shù)目n可以改變，暫設(shè)為n=3，輸出層有一個(gè)神經(jīng)元。選擇隱層和輸出層神經(jīng)元傳遞函數(shù)分別為tansig函數(shù)和purelin函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的算法采用Levenberg Marquardt算法trainlm。
同時(shí)繪制網(wǎng)絡(luò)輸出曲線，并與原函數(shù)相比較，結(jié)果如圖3.3所示。
其中 “――” 代表要逼近的非線性函數(shù)曲線；
“……” 代表未經(jīng)訓(xùn)練的函數(shù)曲線；
因?yàn)槭褂胣ewff（ ）函數(shù)建立函數(shù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，權(quán)值和閾值的初始化是隨機(jī)的，所以網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)構(gòu)很差，根本達(dá)不到函數(shù)逼近的目的，每次運(yùn)行的結(jié)果也有時(shí)不同。
步驟3：網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練
應(yīng)用train（）函數(shù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練之前，需要預(yù)先設(shè)置網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)。訓(xùn)練后得到的誤差變化過程如圖2.1所示。
步驟4： 網(wǎng)絡(luò)測試
對于訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真：
其中 “――” 代表要逼近的非線性函數(shù)曲線；
“” 代表未經(jīng)訓(xùn)練的函數(shù)曲線；
“” 代表經(jīng)過訓(xùn)練的函數(shù)曲線；
從圖中可以看出，得到的曲線和原始的非線性函數(shù)曲線很接近。這說明經(jīng)過訓(xùn)練后，BP網(wǎng)絡(luò)對非線性函數(shù)的逼近效果比較好。
3.結(jié)束語
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在近幾年的不斷發(fā)展，在人工智能、自動控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息處理、機(jī)器人、模式識別等眾多方面都取得了不錯(cuò)的成績，給人們帶來了很多應(yīng)用上的方便，和一些解決問題的方法，期待神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)在在更多的領(lǐng)域，為人類做出更大的貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 劉煥海，汪禹.《計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用》. 北京： 高等教育出版社，2011.10：15-30.
關(guān)鍵詞：氣體傳感器陣列；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；信號預(yù)處理；BP算法
中圖分類號：TP183 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
文章編號：1004-373X(2008)10-187-03オ
Application of Artificial Neural Network in Gas Analysis System
HE Bo,WANG Wuyi,ZHANG Jiatian
(Education Department Key Laboratory of Photoelectric Oil and Gas Logging & Detecting,Xi′an Shiyou University,Xi′an,710065,China)オ
Abstract：In order to study the application of artificial neural network in gas analysis system,the article chooses gas sensor array and network model training samples to identify CH4 and CO,signal preprocessing algorithms is determined in the experiment.The experiment also chooses appropriate network model and creative improves BP algorithm for gas identification.The article researches the influence on gas analysis system of structure and parameters of feed forward neural network,result indicates that the method based on the combine gas sensor array with BP nervous network to analyze gas component is feasible.If further adjusting and improving hardware measurement circuit of gas sensor array,the multi-gas analysis system,which is applied in reality complex environment can be developed.
Keywords：gas sensor array;artificial neural network;signal preprocessing;BP algorithmオ
目前，煤礦生產(chǎn)過程中釋放的大量的CH4(甲烷)及CO(一氧化碳)等易燃易爆氣體極大的威脅了生產(chǎn)過程的安全性，發(fā)生事故時(shí)會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，特大事故甚至危及礦工的生命[1]。所以對煤礦井下CH4(甲烷)及CO(一氧化碳)等易燃易爆氣體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測顯得尤其重要。同時(shí)多組份氣體的定性、定量檢測在環(huán)境保護(hù)、食品保鮮、航空航天等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。使用氣體傳感器構(gòu)成的氣體分析儀進(jìn)行多組份氣體的定性定量測量,具有成本低，測量周期短,并可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測量等優(yōu)點(diǎn)。但是由于氣體傳感器普遍存在著交叉敏感特性和選擇性差等缺點(diǎn),使用單一傳感器很難實(shí)現(xiàn)多組份氣體的檢測分析。目前較有效的方法是通過多個(gè)敏感程度不同的氣體傳感器組成傳感器陣列,結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行多氣體的分析。本文主要介紹一種基于氣體傳感器陣列[2]和采用BP算法[3]進(jìn)行訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行混合氣體的種類識別。
1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的選取
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是新興交叉學(xué)科，也是國際上研究異常活躍的領(lǐng)域之一。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有BP模型、Hopfield模型、Hamming模型等，都是基于連接學(xué)說構(gòu)造的智能仿生模型。他是由大量神經(jīng)元組成的非線性動力系統(tǒng)，具有非線性、非區(qū)域性、非定長性和非凸性等特點(diǎn)。
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要模型之一[4]。通常BP算法是通過一些學(xué)習(xí)規(guī)則來調(diào)整神經(jīng)元之間的連接權(quán)值，具有初步的自適應(yīng)與自組織能力，具有學(xué)習(xí)功能。BP學(xué)習(xí)算法(反向傳播學(xué)習(xí)算法)具有思路清晰、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、工作狀態(tài)穩(wěn)定、可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入層、隱含層和多個(gè)或1個(gè)輸出的輸出層組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)為1個(gè)單獨(dú)的神經(jīng)元，相鄰兩層間單向連接，圖1為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的原理框圖。
圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型原理框圖
2 實(shí)驗(yàn)原理及傳感器陣列的選取
2.1 實(shí)驗(yàn)原理
本實(shí)驗(yàn)的原理是將被測氣體按所需測量精度和濃度成分分成不同的等級，采用標(biāo)準(zhǔn)氣體配置這些等級的不同成分的所有組合作為標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過識別某一未知?dú)怏w樣本的模式，即可以得到未知?dú)怏w的成分濃度。
2.2 傳感器陣列及樣本的選取
在實(shí)驗(yàn)中為了檢測CH4和CO兩種氣體的混合氣體，選用4個(gè)半導(dǎo)體氣體傳感器構(gòu)成陣列，型號分別為:QM-N7II,QM-H1,QM-N5,QM-N8型。這4個(gè)氣體傳感器都是金屬氧化物N型半導(dǎo)體氣敏元件，他們對CH4 ,CO的靈敏度各不相同。當(dāng)與還原性氣體CH4 ,CO接觸時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。根據(jù)數(shù)據(jù)分析的需要測試CH4，CO分別在100,200,300,400,500,600,700,800,900,1 000 ppm (1 ppm=10-6)濃度時(shí)傳感器陣列的響應(yīng)，從而獲得了20個(gè)樣本對。
3 實(shí)驗(yàn)分析
將實(shí)驗(yàn)中測得的氣體樣本一分為二，10組用于訓(xùn)練，10組用于預(yù)測。過程為先將CH4，CO分別在100,300,500,700,900 ppm的共10組樣本進(jìn)行預(yù)處理，輸入前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，期望輸出［1,0］，［0,1］分別對應(yīng)CH4，CO二種氣體。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)收斂到規(guī)定的誤差指標(biāo)時(shí)，停止訓(xùn)練，固定網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值和節(jié)點(diǎn)閥值；然后將CH4,CO分別在200,400,600,800,1 000 ppm的共10組樣本進(jìn)行預(yù)處理，輸入上述經(jīng)過訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)，從而得到預(yù)測結(jié)果。對于分類器，預(yù)測值＞0.7視為1；預(yù)測值＜0.3視為0；預(yù)測值在（0.3,0.7)之間視為預(yù)測出錯(cuò)。同時(shí)通過分析確定了信號預(yù)處理算法和不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)輸出的影響。
3.1 信號預(yù)處理算法
為了提高檢測系統(tǒng)的分類辨識效果，必須對傳感器陣列的輸出信號進(jìn)行預(yù)處理，以消除或降低氣體濃度對傳感器輸出的影響。傳感器信號預(yù)處理算法直接影響著檢測系統(tǒng)的工作特性，應(yīng)該合理選擇。假設(shè)傳感器陣列對空氣的電導(dǎo)用Gair=［Gair,1,Gair,2，…,Gair,4］，對混合氣的電導(dǎo)用Ggas=［Ggas,1,Gair,2,…,Ggas,4］В陣列中4個(gè)傳感器與CH4,CO作用時(shí)其電導(dǎo)將增加,則通常采用陣列歸一化算法:[HT5]
Иxgas,i=Ggas,i/Gair,i1n∑ni=1Ggas,iGair,i21/2(1)И
其中n=4為陣列中傳感器總數(shù)。經(jīng)過式(1)處理后的陣列響應(yīng)Xgas=［xgas,1,…,xgas,4］ё魑人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)際輸入，氣體傳感器陣列歸一化響應(yīng)數(shù)據(jù)如表1[5]所示。
陣列歸一化算法的預(yù)測結(jié)果如下表2[5]所示。
3.2 改進(jìn)的BP算法
由于BP算法是一種基于梯度下降優(yōu)化方法的學(xué)習(xí)算法,因而不可避免地存在可能收斂到局部極小的問題,另外傳統(tǒng)BP算法采用固定的學(xué)習(xí)率和使用Sigmoid函數(shù)為作用函數(shù),從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度和精度不高。由于傳感器物理特性造成的誤差難以避免,可采用樣本篩選的方法,對原始樣本中偏差較大的刪除或作調(diào)整,達(dá)到精簡優(yōu)化樣本質(zhì)量的效果。但這樣的效果不是很明顯,為此本文從訓(xùn)練算法入手,對傳統(tǒng)BP算法進(jìn)行一些改進(jìn)[6]:
(1) 采用變步長機(jī)制:在誤差變化劇烈的地方，適當(dāng)減少步長以保證其精確性;而在誤差變化平緩的地方，適當(dāng)加大步長以加快收斂速度。
(2) 引入動量因子Е聯(lián):其原理類似共軛梯度法，目的在于加入一項(xiàng)以記憶上一時(shí)刻權(quán)的修改方向，而此時(shí)刻的修改方向則為上一時(shí)刻修改方向與此刻方向的組合。他能有效加速收斂、防止振蕩。
(3) 加入Еpiб蜃櫻在一定程度上改變到達(dá)平坦區(qū)的誤差函數(shù)，使誤差變化迅速退出不靈敏區(qū)，而得到收斂。
表1 氣體傳感器陣列歸一化響應(yīng)數(shù)據(jù)
故連接權(quán)值公式修改為:
ИWsq(t+1)=Wsq(t)+η(t)δqys+αΔWsq(t)(2)И
其中，Е俏增益項(xiàng)；δq為誤差項(xiàng)；ys為節(jié)點(diǎn)的輸出。令sq為ij或jk,而i,j,kХ直鷂從輸入到輸出的對應(yīng)各層節(jié)點(diǎn)。相應(yīng)的誤差項(xiàng)為:
隱含層-輸出層:
ИЕpjk=(tpk－ypk)ypk(1－ypk)γpk(3)И
輸入層-隱含層:
ИЕpij=∑n－1k=0δpjkWjkxpj(1－xpj)γpj(4)И
當(dāng)ЕE總0時(shí)，有η(t+1)=η(t)•β，α=0。其中，φ>1，β
ΔE(t)=E(t)－E(t－1)。
當(dāng)遇到局部最小而不能收斂時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)γpk和γpj來克服，即將γpk和γpj分別調(diào)節(jié)到大于1。И
3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的比較
前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中隱含層數(shù)目、隱含層神經(jīng)元數(shù)目（本文中采用4∶4∶2結(jié)構(gòu)）也是影響系統(tǒng)性能的可能因素，因此優(yōu)化選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的另一個(gè)重要步驟。為了比較神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，將預(yù)處理算法固定為陣列歸一化算法，同樣網(wǎng)絡(luò)的初始連接權(quán)值和節(jié)點(diǎn)閥值也不變，只改變網(wǎng)絡(luò)的隱含層數(shù)目和隱含層神經(jīng)元數(shù)個(gè)數(shù)[6，8]。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于本文的實(shí)際問題，采用單隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都可以完成辨識任務(wù)，不同僅在于：單隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間明顯低于多隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)間。對于單隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，隱含層神經(jīng)元數(shù)目只要介于3~12之間，預(yù)測結(jié)果無明顯變化，所以本文的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。
4 結(jié) 語
通過以上實(shí)驗(yàn)可知,應(yīng)用氣體傳感器陣列與BP算法訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合進(jìn)行多種氣體成分分析具有很好的效果,如果能夠進(jìn)一步調(diào)整和完善氣體傳感器陣列的硬件測量電路,則可開發(fā)出用于現(xiàn)實(shí)復(fù)雜環(huán)境的多氣體分析系統(tǒng)。
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關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 心理障礙 專家系統(tǒng)
中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416(2012)02-0174-02
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起為知識獲取開辟了一條新途徑。它通過模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，建立各種網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)行信息處理達(dá)到解決問題的目的。如BP網(wǎng)絡(luò)模型就能通過大量的訓(xùn)練例子，經(jīng)過學(xué)習(xí)獲取知識[1]。
目前高校在大學(xué)生心理健康教育領(lǐng)域只是通過學(xué)校的心理輔導(dǎo)老師或醫(yī)院的心理學(xué)專家給予咨詢指導(dǎo)，但是由于經(jīng)驗(yàn)水平不一，層次不同，達(dá)不到預(yù)期的效果。而利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)能夠進(jìn)行復(fù)雜的模式識別和完成規(guī)則復(fù)雜、無法預(yù)先確定化的任務(wù)。文章試圖借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)全面綜合國內(nèi)外心理學(xué)專家的經(jīng)驗(yàn)，全方面檢測大學(xué)生心理狀況并及時(shí)給出診斷方案。
1、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本思想
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks，簡記作ANN），是對人類大腦系統(tǒng)的一階特性的一種描述[1]。簡單地講，它是一個(gè)數(shù)學(xué)模型，可以用電子線路來實(shí)現(xiàn)，也可以用計(jì)算機(jī)程序來模擬，是人工智能研究的一種方法[1]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能特性由其連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和突觸連接強(qiáng)度，即連接權(quán)值決定。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全體連接權(quán)值的可用一個(gè)矩陣W表示，它的整體反映了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于所解決問題的知識存儲。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠通過對樣本的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，不斷改變網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以使網(wǎng)絡(luò)的輸出不斷地接近期望的輸出。這一過程稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練，其本質(zhì)是可變權(quán)值的動態(tài)調(diào)整。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方式是決定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息處理性能的第三大要素，因此有關(guān)學(xué)習(xí)的研究在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究中具有重要地位。改變權(quán)值的規(guī)則稱為學(xué)習(xí)規(guī)則或?qū)W習(xí)算法，在單個(gè)處理單元集體進(jìn)行權(quán)值調(diào)整時(shí)，網(wǎng)絡(luò)就呈現(xiàn)出“智能”特性，其中有意義的信息就分布地存儲在調(diào)節(jié)后的權(quán)值矩陣中。
2、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的原理和結(jié)構(gòu)
BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由Rumelhart和McCelland為首的科學(xué)家小組提出，是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，是目前應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一[3]。BP網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)和存貯大量的輸入-輸出模式映射關(guān)系，而無需事前揭示描述這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。它的學(xué)習(xí)規(guī)則是使用最速下降法，通過反向傳播來不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入層（input）、隱層（hide layer）和輸出層（output layer）（如圖1所示）。
Fig1 BP Neural Network Structure
BP網(wǎng)絡(luò)的原理是把一個(gè)輸入矢量經(jīng)過隱層變換成輸出矢量，實(shí)現(xiàn)從輸入空間到輸出空間的映射。由權(quán)重實(shí)現(xiàn)正向映射，利用當(dāng)前權(quán)重作用下網(wǎng)絡(luò)的輸出與希望實(shí)現(xiàn)的映射要求的期望輸出進(jìn)行比較來學(xué)習(xí)的。但要深入了解我們就先要了解一下BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法――反傳學(xué)習(xí)算法（即BP算法）。對于輸入信號，要先向前傳播到隱層節(jié)點(diǎn)，經(jīng)作用函數(shù)后，再把隱節(jié)點(diǎn)的輸出信號傳播到輸出節(jié)點(diǎn)，最后給出輸出結(jié)果。節(jié)點(diǎn)的作用的激勵(lì)函數(shù)通常選取S型函數(shù)，如，式中Q為調(diào)整激勵(lì)函數(shù)形式的Sigmoid參數(shù)。該算法的學(xué)習(xí)過程由正向傳播和反向傳播組成。正向傳播時(shí)，傳播方向?yàn)檩斎雽与[層輸出層，每層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元。若在輸出層得不到期望的輸出，則轉(zhuǎn)向誤差信號的反向傳播流程，將誤差信號沿原來的連接通道返回，通過修改各層神經(jīng)元的權(quán)值，使得誤差信號最小。通過這兩個(gè)過程的交替進(jìn)行，在權(quán)向量空間執(zhí)行誤差函數(shù)梯度下降策略，動態(tài)迭代搜索一組權(quán)向量，使網(wǎng)絡(luò)誤差函數(shù)達(dá)到最小值，從而完成信息提取和記憶過程。BP模型把一組樣本的I/O問題變?yōu)橐粋€(gè)非線性優(yōu)化問題，它使用的是優(yōu)化中最普通的梯度下降法。
3、大學(xué)生心理障礙診斷專家系統(tǒng)
有關(guān)研究和統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，大學(xué)生在心理上的確存在著一系列的不良反應(yīng)和適應(yīng)障礙，有的甚至到了極為嚴(yán)重的程度，因心理疾病而休學(xué)、退學(xué)甚至傷人、自殺的比率近幾年呈上升趨勢。心理疾病主要是由心理因素造成的。對此，我們設(shè)計(jì)此診斷專家系統(tǒng)，使大學(xué)生可以及時(shí)了解自己心理健康狀態(tài)，為大學(xué)生心理健康成長提供有力幫助[4]。
鑒于篇幅原因，以從五個(gè)特征識別大學(xué)生常見心理疾病為例，說明模型服務(wù)的開發(fā)過程。輸入的五個(gè)特征包括：行為舉止、情緒狀態(tài)、飲食睡眠、性格特征、軀體疾病，選擇大學(xué)生常見的四種心理疾病作為訓(xùn)練，構(gòu)造心理疾病識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際中的心理疾病的特征要復(fù)雜龐大的多，且各個(gè)特征間也多有重疊交互，在此僅提供選取五個(gè)鮮明共性，構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別訓(xùn)練集，如表1所示。
該樣本設(shè)計(jì)成如圖2所示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)輸入層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為5個(gè)，輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為4個(gè)，隱層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為5個(gè)。
Fig.2 Neural Network of Psychological barrier distinguishing
進(jìn)行神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，需要把文字概念轉(zhuǎn)換為數(shù)值。為了便于數(shù)據(jù)的判別，用六維向量值表示各個(gè)特征，其中前三位表示類別，后三位表示特征，則共可以容納26=64種特征。表1的內(nèi)容經(jīng)過文字到數(shù)值的轉(zhuǎn)換后的結(jié)果見表2。
經(jīng)過改進(jìn)的BP網(wǎng)絡(luò)后加入的動量項(xiàng)初始值為0.6，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率為0.43。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的循環(huán)次數(shù)規(guī)定為5000，訓(xùn)練誤差期望為0.000001。
通過該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來完成大學(xué)生心理障礙專家診斷系統(tǒng)。對該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練后，輸入四組數(shù)據(jù)見表3：
下表為量化后的實(shí)例表4：
表4 量化后的數(shù)據(jù)表
Table4 After the quantitative data table
運(yùn)行客戶端程序，得到結(jié)果報(bào)表。所得到報(bào)表包含以下內(nèi)容：
(1)完成文字到數(shù)值轉(zhuǎn)換后的輸入?yún)?shù)；
(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算輸出值；
(3)根據(jù)輸出數(shù)值得到的結(jié)論。得到以下推理結(jié)果如圖3所示：
Fig.3 Result of college student Psychological barrier Expert System
從計(jì)算結(jié)果中可以看出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)效果很好，對第二例，對焦慮癥缺省缺乏自信、孤獨(dú)內(nèi)向條件時(shí)，輸出結(jié)果是焦慮癥（0.9122）；對第三例，輸入神經(jīng)衰弱和焦慮癥的共同信息時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出既靠近神經(jīng)衰弱（0.8761），又靠近焦慮癥（0.8429），輸出結(jié)論：該癥狀是介于神經(jīng)衰弱癥和焦慮癥的中間種類，不能被明確識別，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)一步訓(xùn)練、學(xué)習(xí)。
4、結(jié)語
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來源于研究者對真實(shí)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算能力的模擬，在發(fā)展過程中，逐漸顯示出學(xué)習(xí)、記憶、聯(lián)想等強(qiáng)大的功能，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被廣泛的應(yīng)用到很多領(lǐng)域。通過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在大學(xué)生心理障礙診斷中的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了簡單的模式識別，達(dá)到了預(yù)期診斷效果。目前該系統(tǒng)只是對生物神經(jīng)系統(tǒng)的某種特定性能的簡單模擬，如果進(jìn)行足夠的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，理論上該系統(tǒng)能夠進(jìn)行復(fù)雜的模式識別和完成規(guī)則復(fù)雜、無法預(yù)先確定化的任務(wù)。
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關(guān)鍵詞 壓力傳感器；溫度漂移；溫度補(bǔ)償
中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0038-02
壓力傳感器的輸出結(jié)果精度容易受到多種因素的影響，其中，唯獨(dú)是影響傳感器輸出精度的最主要因素。目前，國內(nèi)經(jīng)常使用硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩類方法對壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。硬件補(bǔ)償方法調(diào)試難度較高、精度低、通用性也較差，在實(shí)際工程中應(yīng)用時(shí)，難以去得較好的效果；而軟件補(bǔ)償方法有效彌補(bǔ)了硬件補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償在實(shí)際工程中運(yùn)用十分廣泛，但是典型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法雖然精確度高，但是整個(gè)流程過于復(fù)雜、整個(gè)過程耗時(shí)較長，因此，本文提出了一種基于主成分分析的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償方法，希望對提高補(bǔ)償效率和準(zhǔn)確性起到一定的作用。
1 典型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償原理分析
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前研究中應(yīng)用范圍最廣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)術(shù)語單向傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個(gè)信息傳輸?shù)倪^程呈現(xiàn)出高度的非線性特點(diǎn)。典型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層3層結(jié)構(gòu)。通常情況下BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只有這3層結(jié)構(gòu)，這主要是由于單隱層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既可以完成從任意n維到m維的映射。其典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型
BP算法設(shè)計(jì)到了信息的正向傳播以及誤差的反向傳播，信息首先從輸入層傳入，然后經(jīng)過隱含層的處理傳入輸出層，最終輸出的信息可以用下面的形式進(jìn)行表示：
其中：、分別代表了隱含層及輸出層的權(quán)值；
n0、n1分別對應(yīng)了輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)及隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)。
輸出層神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)f1通常呈現(xiàn)出線性特點(diǎn)；而隱含層神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)f2通常采用如下所示的形式在（0，1）的S型函數(shù)中進(jìn)行輸出：
由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層采用的傳遞函數(shù)為對數(shù)S型曲線，其輸出范圍在（0，1）之間。為了避免節(jié)點(diǎn)在短時(shí)間之內(nèi)飽和而無法繼續(xù)進(jìn)行訓(xùn)練，需要在訓(xùn)練開始之前利用下面公式對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：
，
其中：Ui、Pi均為訓(xùn)練數(shù)據(jù)的標(biāo)定值；Uimin、Uimax分別表示輸出電壓的標(biāo)定極值（最小和最大）；Pimin、Pimax分別表示壓力的標(biāo)定極值（最小和最大）。
當(dāng)目標(biāo)矢量為T，信息通過正向傳遞，可以得到誤差函數(shù)，具體如下所示：
如果輸出結(jié)果無法達(dá)到要求的誤差范圍，則返回誤差信號并按照一定的權(quán)值對公式中的各層權(quán)值進(jìn)行修正，直到輸出結(jié)果達(dá)到期望值。
在利用典型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行壓力傳感器溫度補(bǔ)償?shù)倪^程中，算法過于復(fù)雜，而且非常耗時(shí)，因此，需要對其進(jìn)行改進(jìn)，以提高補(bǔ)償效率。
2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的改進(jìn)
2.1 改進(jìn)原理
基于典型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用以下方法進(jìn)行改進(jìn)。
1）利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的思想對神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)小波特性與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)功能的充分結(jié)合，提高激勵(lì)函數(shù)的逼近能力。以Morlet函數(shù)作為小波函數(shù)的母函數(shù)，可以降低不同層面神經(jīng)元之間的影響，提高網(wǎng)絡(luò)的收斂速度。以Morlet函數(shù)作母函數(shù)的小波函數(shù)屬于幅值小波，其信號中包含了復(fù)值和相關(guān)信息，改進(jìn)后的函數(shù)具體如下所示：
在本次研究中，我們選取了R個(gè)輸入樣本和N個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，則可以利用下面的公式對第l個(gè)樣本的第n個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入進(jìn)行表示：
其中：K表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的單元數(shù)量；M表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層的單元數(shù)量；ωn，k表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層第k單元與輸出層第n單元的連接權(quán)值；ak-小波伸縮因子；bk-平移因子；Sl（xm）―輸入信號。
2）在計(jì)算過程中通過，附加動量法的應(yīng)用可以有效改實(shí)現(xiàn)梯度方向的平滑過渡，使得計(jì)算結(jié)果更具穩(wěn)定性。該方法以BP法為基礎(chǔ)對權(quán)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體公式如下：
其中：t表示樣本的訓(xùn)練次數(shù)；η表示學(xué)習(xí)速率；σ表示動量因子；σΔωki（t）表示附加動量項(xiàng)，它能夠有效降低不同神經(jīng)元之間的影響，提高網(wǎng)絡(luò)的收斂速度。
2.2 主成分BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的實(shí)現(xiàn)
步驟1：按照典型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。
步驟2：利用主成分分析法對預(yù)處理后的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，降低輸入向量之間的影響，使各個(gè)輸入變量的協(xié)同方差趨于統(tǒng)一，從而使各權(quán)值具有相同的收斂速度，并以此確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)。
步驟3：對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，并對其中的部分關(guān)鍵變量進(jìn)行設(shè)置。
步驟4：為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選取一組學(xué)習(xí)樣本，以輸入節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，并輸入期望fn，l，n=1，2，…，N；l=1，2，…，R。
步驟5：利用輸入的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)輸出能力，當(dāng)輸出誤差在允許范圍之內(nèi)時(shí)，停止訓(xùn)練；而當(dāng)輸出誤差超過允許范圍 ，則將誤差信息進(jìn)行反向傳播，使權(quán)值沿誤差函數(shù)的負(fù)梯度方向發(fā)生變化，然后利用梯度下降法計(jì)算出變化后的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，然后再重復(fù)進(jìn)行第4步的操作。
步驟6：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練合格之后，對其進(jìn)行樣本補(bǔ)償。
步驟7：對補(bǔ)償后的樣本進(jìn)行反標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差比較，判斷出網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)之后的變化。
2.3 壓力傳感器溫度補(bǔ)償
根據(jù)前文提供的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)步驟，可以利用Matlab編程語言來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)該算法之后，我們通過在壓力傳感器量程范圍內(nèi)確定n個(gè)壓力標(biāo)定點(diǎn)，同時(shí)確定m個(gè)溫度標(biāo)定點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)生器會根據(jù)每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的信息產(chǎn)生對應(yīng)的標(biāo)定輸入值。然后輸入樣本數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)按照目標(biāo)值要求的±20%范圍進(jìn)行選擇，然后以誤差目標(biāo)小于10-3進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)達(dá)到誤差目標(biāo)之后，網(wǎng)絡(luò)的收斂速度得到有效的提升。
3 結(jié)論
通過研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用主成分分析法對信息進(jìn)行補(bǔ)償之后，再利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對這些信息進(jìn)行訓(xùn)練，其學(xué)習(xí)速度相對直接利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練更高。同時(shí)，通過改進(jìn)典型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用小波函數(shù)作為激勵(lì)函數(shù)，并應(yīng)用動量附加發(fā)對網(wǎng)絡(luò)敏感性進(jìn)行控制，可以有效避免網(wǎng)絡(luò)發(fā)生局部極小問題。通過基于主成分的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償方法可以使壓力傳感器受環(huán)境溫度變化而發(fā)生的誤差問題得到高效、精確的解決。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：模擬電路；故障診斷；模糊數(shù)學(xué)；bp網(wǎng)絡(luò)；模糊bp網(wǎng)絡(luò)
0引言
電路故障是指在規(guī)定的條件下，電路工作時(shí)它的一個(gè)或幾個(gè)性能參數(shù)不能保持在要求的上、下限之間，其結(jié)構(gòu)、組件、元器件等出現(xiàn)性能減退、老化、破損、斷裂、擊穿等現(xiàn)象，喪失了在規(guī)定條件和環(huán)境下完成所需功能的能力。
長期以來，學(xué)界對模擬電路工作特點(diǎn)的研究已相當(dāng)深入，但對于故障診斷方法的研究卻困難較大，這是由于模擬電路本身的特性決定的：1）輸入激勵(lì)和輸出響應(yīng)都是連續(xù)量，模擬電路中的故障模型復(fù)雜，量化難度大；2）模擬電路信號量程寬，不管電壓、電流的量程還是頻率都可達(dá)十幾個(gè)數(shù)量級，測量難度大；3）模擬電路中的元器件參數(shù)具有容差，導(dǎo)致電路的故障狀態(tài)的模糊性，而無法準(zhǔn)確定位；4）模擬電路中存在廣泛的反饋回路和非線性問題，使計(jì)算的難度更加復(fù)雜。因此，學(xué)界提出了許多模型和方法來完成對某些符合特定條件的模擬電路的故障診斷。其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的使用就相當(dāng)普遍，在硬和軟故障診斷中都有應(yīng)用，因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢針對模擬電路故障診斷有較好的適用性，這主要體現(xiàn)在：1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模并行處理特點(diǎn)，大大提高了診斷效率；2）自適應(yīng)與自組織能力使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)和訓(xùn)練中改變權(quán)重值，發(fā)展出新的功能。同時(shí)，模糊數(shù)學(xué)也與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，這是利用了模糊數(shù)學(xué)對待診斷模擬元器件的故障不確定性進(jìn)行量化處理，能夠有效克服模擬電路元器件因?yàn)槿莶睢⒎蔷€性及噪聲造成的電路參數(shù)模糊性。
本文的研究目的就是分別利用單純bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法建立模擬電路故障診斷模型，利用電路仿真收集電路不同工作狀態(tài)下的關(guān)鍵點(diǎn)電壓，代入診斷模型并得到診斷結(jié)果。根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果分析比較各診斷模型的優(yōu)缺點(diǎn)，找出模糊數(shù)學(xué)對改進(jìn)模擬電路故障診斷模型的具體表現(xiàn)。
1模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷模型
1.1典型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型介紹
圖1顯示的是一個(gè)典型的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型由原始知識獲取（fundamental knowledge acquire,fka）、特征參數(shù)處理（characteristic parameter produce,cdp）、知識提取（knowledge extracted,ke）、經(jīng)驗(yàn)知識庫（experience knowledge base,ekb）、學(xué)習(xí)樣本集（learning sample set,lss）和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（fuzzy neural networks,fnn）共6個(gè)模塊共同組成，其工作流程是：
圖1 典型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型
1）原始知識獲取模塊通過對電路工作原理進(jìn)行分析，模擬或仿真各類故障發(fā)生時(shí)輸入和輸出參數(shù)，從而獲取原始知識（x，y），將其傳入知識提取模塊中供系統(tǒng)學(xué)習(xí)，所得經(jīng)驗(yàn)集存入經(jīng)驗(yàn)知識庫中；
2）將原始知識和已經(jīng)存放在經(jīng)驗(yàn)知識庫中的經(jīng)驗(yàn)知識（初始庫可為空）一起輸入學(xué)習(xí)樣本組織模塊中，進(jìn)行學(xué)習(xí)樣本的構(gòu)建，合成訓(xùn)練樣本集為（x1，y1）；
3）將（x1，y1）輸入到模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，學(xué)習(xí)訓(xùn)練，并在達(dá)到指定精度后停止；
4）將從模擬電路中獲得的實(shí)測參數(shù)xc輸入至特征參數(shù)提取模塊中，完成數(shù)據(jù)分析和處理，輸出特征參數(shù)數(shù)據(jù)xc'；
5）將特征參數(shù)數(shù)據(jù)輸入到學(xué)習(xí)收斂后的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)行診斷推理，得出診斷結(jié)果yc'；
6）將得到的實(shí)測數(shù)據(jù)集（xc'，yc'）輸入學(xué)習(xí)樣本組織模塊，動態(tài)增強(qiáng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力；
7）將得到的實(shí)測數(shù)據(jù)集（xc'，yc'）輸入知識提取模塊，進(jìn)行分析和處理，如能提取出經(jīng)驗(yàn)知識，則歸入經(jīng)驗(yàn)知識庫中[1]。
1.2模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該包括4層，如圖2所示。
模糊層的作用是將輸入量進(jìn)行模糊化。每一個(gè)模糊層節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)該論域中的模糊子集和隸屬函數(shù)。該層接收精確數(shù)值輸入，經(jīng)過模糊化計(jì)算得出對應(yīng)的隸屬度并輸出。
圖2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
輸入層、隱含層和輸出層共同構(gòu)成一個(gè)完整的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。輸入層不具有運(yùn)算功能，它只是將所感知的輸入值精確傳遞到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中；隱含層的作用相當(dāng)于特征檢測器，提取輸入模式中包含的有效特征信息，使輸出層所處理的模式是線性可分的，該層節(jié)點(diǎn)是模糊神經(jīng)元，與輸入層間的連接權(quán)值是隨機(jī)設(shè)定的固定值；輸出層節(jié)點(diǎn)也是模糊神經(jīng)元，與隱含層之間采用全連接方式，其連接權(quán)值是可調(diào)的，作用是輸出用模糊量表示的結(jié)果[2]。
1.3輸入層、輸出層和隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)確定
輸入層的個(gè)數(shù)代表了電路故障診斷的關(guān)鍵測試點(diǎn)的個(gè)數(shù)n1，輸出點(diǎn)為電路所具有的潛在故障模式種類數(shù)n3。
根據(jù)輸入層和輸出層的個(gè)數(shù)，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)n2的確定有以下4種經(jīng)驗(yàn)公式[3]：
（1）
（為0～10之間的常數(shù)）（2）
（為0～10之間的常數(shù)）（3）
（4）
2模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法介紹
2.1模糊數(shù)學(xué)和隸屬度函數(shù)
模糊數(shù)學(xué)的作用是對測試點(diǎn)測得的電壓信號進(jìn)行特征提取——模糊化處理。因?yàn)樵谀M電路測試中，參數(shù)值會隨著故障原因的不同和故障階段不同而發(fā)生變化，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)常用方法是使用精確事實(shí)規(guī)則。即用正態(tài)分布函數(shù)作為隸屬度函數(shù)表示“大約為a”的模糊概念，此外還有如三角分布和梯形分布等[4]。在使用中，正態(tài)分布使用較多，其中的a是該測試點(diǎn)的理想狀態(tài)工作點(diǎn)，b為該測試點(diǎn)在各種可能狀態(tài)下的工作電壓均方差。
2.2bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與算法
圖3bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖
反向傳播網(wǎng)絡(luò)（back-propagation network，簡稱bp網(wǎng)絡(luò)），是一種有隱含層的多層前饋網(wǎng)絡(luò)。每一層均有一個(gè)或多個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)，信息從輸入層依次經(jīng)各隱含層向輸出層傳遞，層間的連接關(guān)系強(qiáng)弱由連接權(quán)值w來表征。bp算法是一種監(jiān)督的學(xué)習(xí)，基本原理是梯度最速下降法，中心思想是調(diào)整權(quán)值使網(wǎng)絡(luò)總誤差最小。通過連續(xù)不斷地在相對于誤差函數(shù)斜率下降的方向上計(jì)算網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和偏差值的變化而逐漸逼近目標(biāo)的。每一次權(quán)值和偏差的變化都與網(wǎng)絡(luò)的誤差的影響成正比，并以反向傳播的方式傳遞到每一層。bp網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。
以bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖為例進(jìn)行bp算法推導(dǎo)，其輸入為p，輸入神經(jīng)元有r個(gè)，隱含層內(nèi)有s1個(gè)神經(jīng)元，激活函數(shù)為f1，輸入層內(nèi)有s2個(gè)神經(jīng)元，對應(yīng)的激活函數(shù)為f2，輸出為a，目標(biāo)矢量為t。
1）隱含層輸出：（i=1,2,…,s1）（5）
2）輸出層輸出： （k=1,2,…,s2） （6）
3）定義誤差函數(shù)：（7）
4）輸入層的權(quán)值變化量：（8）
其中：
同理可得：（9）
5）隱含層權(quán)值變化有： （10）
其中：
同理： （11）
bp網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常使用的是s型的對數(shù)、正切激活函數(shù)或線性函數(shù)[5]。
3電路故障診斷算法驗(yàn)證
圖4 共集-共射電路的直流通路圖
例：如圖4所示的直流通路圖，電阻的標(biāo)稱值如圖中所注。利用multism軟件在直流狀態(tài)下進(jìn)行多次monte carlo分析仿真該電路[6]，并考慮電阻的容差影響，取40個(gè)樣本作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，另取5個(gè)樣本為測試樣本。設(shè)電阻r1～r5的容差值為-5%～5%。測試點(diǎn)選為a、b、c、d和e五點(diǎn)，所測電壓值為va、vb、vc、vd和ve。
表1 部分電路實(shí)驗(yàn)樣本原始數(shù)據(jù)
表2 測試樣本原始數(shù)據(jù)
表1列舉了40組電路實(shí)驗(yàn)樣本原始數(shù)據(jù)的11組，包含了該電路在11種工作狀態(tài)下的五個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)電壓值，所以n1=5，n2=11，隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)可以依據(jù)公式2.3確定為12個(gè)，其中a為5。
表2則列舉了5組測試樣本的原始數(shù)據(jù)。
步驟一：數(shù)據(jù)模糊化
根據(jù)用正態(tài)分布函數(shù)作為隸屬度函數(shù)表示“大約為a”模糊概念的思路，可以分別得到各測試點(diǎn)上電壓隸屬度函數(shù)的參數(shù)值。
a1=5.57、a2=4.97、a3=4.9、a4=5.7和a5=5.69以及b1=4.3729、b2=4.4817、b3=3.9091、b4=4.2870和b5=3.7944。
由各測試點(diǎn)的隸屬度函數(shù)可得到網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本見表3。
表3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分輸入、輸出訓(xùn)練樣本
步驟二：將訓(xùn)練樣本輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練
將全部40個(gè)原始值和模糊化值的輸入樣本和對應(yīng)的輸出樣本分別輸入bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練。
步驟三：將測試樣本輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測
將全部5個(gè)原始值和模糊化值的輸入樣本和對應(yīng)的輸出樣本分別輸入已經(jīng)訓(xùn)練好的bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，輸出診斷結(jié)果見表4。
表4 輸出診斷結(jié)果
表4中的數(shù)據(jù)是經(jīng)過故障診斷后得到的結(jié)果，在此只是各隨機(jī)選用了一組數(shù)據(jù)加以比較說明。通過對故障診斷的試驗(yàn)觀察和結(jié)果的比較可以作出以下分析。
1）模糊化數(shù)據(jù)能夠有效減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂次數(shù)。如在bp網(wǎng)絡(luò)診斷中，使用模糊化數(shù)據(jù)的迭代次數(shù)由886減少到263次，收斂速度明顯加快；
2）模糊化數(shù)據(jù)能夠有效提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的效果。通過表4中數(shù)據(jù)的對比可以發(fā)現(xiàn)對于相同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過模糊化數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，其準(zhǔn)確性更高。這主要表現(xiàn)在電路所對應(yīng)的狀態(tài)結(jié)果普遍高于未經(jīng)模糊化數(shù)據(jù)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)得出的結(jié)果；同時(shí)，其他狀態(tài)對應(yīng)的機(jī)率更低，皆低于0.1，且更多值為0，說明數(shù)據(jù)模糊化能使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷結(jié)果更集中，正確率更高，有效性更加明顯。
4結(jié)論
通過分別采用bp網(wǎng)絡(luò)和模糊bp網(wǎng)絡(luò)建立了電路故障診斷模型，對電路相同工作狀態(tài)參數(shù)的診斷結(jié)果進(jìn)行比較，得出了模糊數(shù)學(xué)對提高電路故障診斷模型精度和有效性效果明顯的結(jié)論。模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)路理論的組合有效地提高了模擬電路故障診斷模型的收斂速度，提高了故障診斷的工作效率，還提高了診斷的準(zhǔn)確性，有效性得到了充分顯示。
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【關(guān)鍵詞】腦卒中癱瘓；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建；護(hù)理
The effect and nursing of treatment for stroke and paralysis
Huang Jia-ming(people's hospital in Sichuan Neural Medicine,Leshan 614000,China)
【Abstract】Objective：Discuss the function of neural network reconstruction for the paralysis that it is caused by stroke.Method：For the patients of stroke and paralysis, on the basis of the same routine treatment and according to the principle of randomized,we divided these patients into control and test group. Use the neural network reconstruction to train the paralysis of limbs of test group, and use the acupuncture to train the paralysis of limbs of control group. Results：The treatment of test group is better than control group obviously. Conclusion：It is a good treatment for stroked patients that the application of neural network reconstruction. So,it can apply clinical.
【Keywords】Stroke paralysis;Neural network;Nursing
腦卒中所致的肢體癱瘓是腦血管疾病常見的后遺癥，采用何種物理治療方法促進(jìn)癱瘓肢體功能的恢復(fù)，更好地提高患者的生活質(zhì)量，目前方法很多，療效報(bào)道不一。為進(jìn)一步了解該類物理治療的效果，2006年11月至2007年11月，對腦卒中引起的癱瘓，分別采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)治療與針炙治療，并對兩種方法治療的效果進(jìn)行比較，得出：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建對此類疾病的治療較針灸治療有明顯的優(yōu)勢，是一種不可缺少的康復(fù)治療手段，值得推廣。
1 對象與方法
1.1 對象：2006年11月至2007年11月對住入我院神經(jīng)內(nèi)科的腦卒中并肢體癱瘓的263例病人，在進(jìn)行腦出血或腦梗死塞基礎(chǔ)治療上，采取拋硬幣法，隨機(jī)分成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)治療組及針炙組；腦溢血病人在入院后一周且神志清楚者，腦梗塞在入院后第二天且神志清楚者，分別開始神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建(實(shí)驗(yàn)組)或針灸的康復(fù)治療組(對照組)。實(shí)驗(yàn)組135例，其中男性69例，女性66例；年齡56±8歲；診斷：腦出血57例，腦梗塞58例；腦卒中合并高血壓、糖尿病、各種感染共計(jì)10例。對照組128例：其中男性60例，女性68例；年齡60±9歲；診斷腦出血55例，腦梗塞68例，腦卒中合并高血壓、糖尿病、各種感染共計(jì)15例。兩組病人在性別、年齡、病種，出血部位/梗塞部位、治療療程方面P＞0.05均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，具有可比性。
1.2 方法
1.2.1 肌力測定 對入組病人由神經(jīng)專科醫(yī)生采用徒手肌力測定法，收集入院時(shí)的肌力；隨著治療的進(jìn)展，每天觀察、檢查病人肌力變化，并在出院時(shí)再測得病人的肌力，將病人入院與出院時(shí)肌力變化進(jìn)行自身對照，得出觀察效果。
1.2.2 兩組病人的治療 對出血性腦卒中的患者均采用穩(wěn)定血壓、降顱壓、腦保護(hù)劑治療，并根據(jù)不同情況給予抗感染、鎮(zhèn)靜、糾正水、電解質(zhì)紊亂等合并癥治療。對缺血性腦卒中均采用抗血小板凝集、鈣離子拮抗劑、抗自由基、營養(yǎng)支持，并根據(jù)合并癥不同而采取抗感染、降血壓、降血糖等治療。兩組病人在以上基礎(chǔ)治療相同的情況下，實(shí)驗(yàn)組使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建儀進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，對照組使用針灸治療進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。頻率：QD，40分鐘/次，一周五次，休息兩天再進(jìn)行，持續(xù)整個(gè)住院過程。
1.2.3 療效判定 以出院時(shí)病人肌力的恢復(fù)情況進(jìn)行判定，①顯效：A：肌力恢復(fù)正常者；B：肌力較入院時(shí)提高2級以上肌力。②有效：肌力較入院時(shí)提高1級肌力。③無效：肌力無變化。
1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法：數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（X±S）表示，兩組間比較用x2檢驗(yàn)。
2 結(jié)果
2.1 神網(wǎng)組與針炙組比較，兩種方法有效率經(jīng)四格表資料的x2檢驗(yàn)x225，P＜0.05具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異
2.2 對入院時(shí)癱瘓肢體肌力＜3級的病例，再作兩組病例的顯效率比較，x215.77， P＜0.005 顯示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)治療組對入院時(shí)癱瘓肢體肌力＜3級者，效果更好于針炙治療。
3 討論
3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建對癱瘓肢體的作用：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建是一種運(yùn)用肌電生物反饋介導(dǎo)的低頻治療方法，其治療原理是：當(dāng)來自患者肌肉自主收縮產(chǎn)生的微弱的肌電信號達(dá)到或超過某一設(shè)定閾值時(shí)，可立即轉(zhuǎn)化為多種可視可聽的感官信號，并同步啟動神經(jīng)肌肉電刺激，使患者肌肉進(jìn)一步收縮，它涉及到重復(fù)訓(xùn)練與感覺運(yùn)動整合，既可產(chǎn)生有隨意運(yùn)動誘發(fā)的模式化的、反復(fù)的被動運(yùn)動，又可加強(qiáng)本體感覺的生物反饋，有助于運(yùn)動皮質(zhì)功能的重組[1]。對于失神經(jīng)支配的肌肉進(jìn)行電刺激，引起肌肉節(jié)律性收縮，可以促進(jìn)血液循環(huán)，延緩肌肉萎縮，增強(qiáng)肌力。本資料表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)治療較傳統(tǒng)的針炙治療：對病人無創(chuàng)、無病苦，兩種治療無論是在有效率，還是顯效率上均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。當(dāng)病人肌力＜3級時(shí)，更應(yīng)首選神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建為癱瘓肢體早期的被動運(yùn)動，以有效地防止肌萎縮的發(fā)生，本組資料中經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)治療的病人，未發(fā)生肌萎縮，值得推廣。
3.2 護(hù)理：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建是通過病人意識能力，實(shí)現(xiàn)大腦皮層重建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的，所以護(hù)理人員在操作前、中、后都應(yīng)密切重視病人的反應(yīng)，了解病人的心理狀況，講解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建儀的治療原理，正確指導(dǎo)病人及家屬配合儀器進(jìn)行運(yùn)動，集中病人注意力，充分調(diào)動病人的積極性，促進(jìn)病人達(dá)到越來越高的目標(biāo)，盡最大努力恢復(fù)病人肢體功能，改善病人生存質(zhì)量。
摘 要 遺傳算法具有很強(qiáng)的全局搜索能力，但是容易造成未成熟的收斂，而徑向基函數(shù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢在于采用全局收斂的線性優(yōu)化算法，唯一最佳逼近點(diǎn)唯一，二者結(jié)合的應(yīng)用能彌補(bǔ)各自的缺陷。兩種方法結(jié)合應(yīng)用到核電廠安全管理評價(jià)領(lǐng)域，建立基于遺傳算法和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核電廠安全管理評價(jià)模型，對核電廠安全管理存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，有助于核電廠安全管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，采取應(yīng)對措施，對于降低核電廠安全管理風(fēng)險(xiǎn)，確保人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和社會環(huán)境安全都具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞 遺傳算法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 核電廠 安全管理評價(jià)
核電廠的安全管理評價(jià)是對核電廠的安全管理現(xiàn)狀進(jìn)行的評價(jià)分析。科學(xué)合理準(zhǔn)確的評價(jià)可以對核電廠的日常安全管理提供指導(dǎo)，為科學(xué)的開展安全管理提升提供參考。
利用遺傳算法對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，保證了并行處理規(guī)模較大信息的能力，發(fā)揮了概括、聯(lián)想、類比、推理等綜合處理數(shù)據(jù)的能力。因此常被用來處理復(fù)雜問題，并做出科學(xué)的預(yù)測。建立基于遺傳算法和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核電廠安全管理評價(jià)模型，既確保了對大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理能力，又提升了安全管理評價(jià)的科學(xué)化水平，對于準(zhǔn)確掌握核電廠安全管理現(xiàn)狀，提升核電廠日常管理水平，有效保障企業(yè)員工的生命安全、國家財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境安全具有重要意義。
一、遺傳算法和RBF神經(jīng)網(wǎng)路原理
遺傳算法于1975年，由美國的J.Holland教授提出。該隨機(jī)化搜索方法借鑒了自然進(jìn)化法則，即優(yōu)勝劣汰、適者生存的遺傳機(jī)制。該方法直接對結(jié)構(gòu)對象進(jìn)行操作；選用概率化的尋優(yōu)方法，自動獲取和指導(dǎo)優(yōu)化的搜索范圍。但該方法在實(shí)際應(yīng)用中也存在部分局限性：因借鑒了優(yōu)勝劣汰、適者生存的遺傳機(jī)制，所以如果出現(xiàn)優(yōu)勢個(gè)體（局部最優(yōu)解）時(shí)，就造成了過早收斂現(xiàn)象，也就無法搜索產(chǎn)生全局最優(yōu)解；其次在經(jīng)過多次重組演化后，容易丟失上一代的的基因片段，即同樣造成無法得到全局最優(yōu)值；再次傳統(tǒng)的遺傳算法通過雜交變異的手段，確定搜索空間，導(dǎo)致相似模式的數(shù)據(jù)種群占據(jù)優(yōu)勢，同樣無法產(chǎn)生全局最優(yōu)解。
RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為三部分：輸入層、隱含層、輸出層。它依據(jù)輸入層少數(shù)的神經(jīng)元（基礎(chǔ)數(shù)據(jù)），利用隱含層（高效徑向基函數(shù)），決定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層（預(yù)測數(shù)據(jù)）。隱含層（高效徑向基函數(shù)），實(shí)際是通過利用高斯函數(shù)，執(zhí)行固定的非線性操作指令，即將輸入層（基礎(chǔ)數(shù)據(jù)）映射到一個(gè)新的空間，通過輸出層節(jié)點(diǎn)線性加權(quán)組合，輸出形成結(jié)果。
輸出函數(shù)為：
為隱含層神經(jīng)元的輸出， 為權(quán)值，二者的乘積累加和即為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出。輸入層、隱含層相互連接，其中隱含層為一系列同一類型的徑向基函數(shù)（高斯函數(shù)）[3]。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由高斯函數(shù)表示為：
其中，Ci代表了基函數(shù)的中心， 代表了函數(shù)的寬度參數(shù)。從上述公式中可以看出：高斯函數(shù)的徑向范圍與 函數(shù)的寬度參數(shù)成反比。在實(shí)際計(jì)算中，函數(shù)寬度參數(shù) 的確定一般采用自適應(yīng)梯度下降法確定，而確定Ci 、 、w的取值也就確定了為隱含層神經(jīng)元的輸出 。
二、對RBF神經(jīng)網(wǎng)路原理的優(yōu)化
依據(jù)生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)理建立基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)安全管理評價(jià)模型，通過在不同網(wǎng)絡(luò)傳遞環(huán)節(jié)選取恰當(dāng)?shù)乃惴▽δＰ瓦M(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以此得到安全管理評價(jià)的優(yōu)化模型。但是在應(yīng)用過程中RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵函數(shù)基函數(shù)中心值、網(wǎng)絡(luò)權(quán)值等難以得到最優(yōu)解，因此選擇遺傳算法，利用其優(yōu)勢對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行優(yōu)化完善。
（一）最優(yōu)基函數(shù)中心值的確定
應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼。將學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行編號：1，2，3，……，N，進(jìn)而從樣本中隨機(jī)選擇M個(gè)數(shù)據(jù)為一組中心矢量作為種群中的一個(gè)個(gè)體進(jìn)行編碼。如下所示，以第i個(gè)染色體為例，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的m應(yīng)度函數(shù) 為期望輸出 和實(shí)際輸出 之差的絕對值累加和的倒數(shù)：
從上一代中任意選取兩個(gè)母體進(jìn)行交叉以此獲得兩個(gè)子個(gè)體，再將兩個(gè)子個(gè)體以一定的概率進(jìn)行變異，染色體其他位的編號值用1，2，3，……，N，中任意值以一定的變異概率替換。將母體與子體進(jìn)行比較從中選擇優(yōu)勢個(gè)體即完成一次進(jìn)化。以此方式循環(huán)迭代，直到個(gè)體達(dá)到給定最大代數(shù)或滿足給定的精度，此時(shí)個(gè)體則為最優(yōu)基函數(shù)中心值。
（二）最優(yōu)權(quán)值w的確定
權(quán)值的優(yōu)化是一個(gè)長期復(fù)雜的過程，實(shí)數(shù)編碼值能夠較好地反應(yīng)現(xiàn)實(shí)情況，用一個(gè)數(shù)碼代表一個(gè)染色體，一個(gè)染色體則代表一個(gè)X值；群體初始化，根據(jù)遺傳算法的搜索范圍將權(quán)值以 分布隨機(jī)確定（-0.8，0.4，0.65，0.5）；選取適應(yīng)度函數(shù)，將輸出樣本的平方作為適應(yīng)度函數(shù)：
根據(jù)遺傳操作原理，采用染色體交叉變異，選擇交叉的概率Pn、變異的概率Pm。
U11=（-0.8，0.4，0.65，0.5），U21=（0.3，0.7，0.6，-0.8），交叉：U21=（-0.8，0.4，0.6，0.5）變異：U22=（-0.8，0.4，0.5，0.5）
三、安全管理評價(jià)模型的建立
依據(jù)核電廠安全管理評價(jià)指標(biāo)，建立基于遺傳算法和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核電廠安全管理評價(jià)模型。其實(shí)現(xiàn)流程如圖所示：
四、結(jié)語
本文建立基于遺傳算法和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核電廠安全管理評價(jià)模型，對核電廠安全管理存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，有助于核電廠安全管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，采取應(yīng)對措施，切實(shí)降低了核電廠安全管理風(fēng)險(xiǎn)，并為核電廠科學(xué)管理，安全管理提升提供參考和技術(shù)支持。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞:壓鑄機(jī);RBFNN;故障診斷;模糊K均值聚類算法
中圖分類號:TP212文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1004-373X(2009)12-179-04
Method of Control System Sensor Fault Dignosis Based on RBF Neural Network
PENG Jishen,DONG Jing
(Faculty of Electrical and Engineering Control,Liaoning Technical University,Huludao,125105,China)
Abstract:For the problems of related sensor common fault in the die casting machine real-time detection and control system,through the study of artificial neural network′s theory and methods,sensor fault diagnosis observer model of control system based on a radial basis function neural network control system RBFNN is established.The model is trained by the measured parameters of die-casting machine,adopting fuzzy K means clustering algorithm to select clustering centre,using the observer to forecast the residuals between the sensor output value and the sensor actual output value to diagnose sensor fault.The simulated results show that RBFNN observer has strong capacity of non-linear process and arbitrary function approximation,and has many advantages such as high-precision,learning time short,rapid network computing and stable performance to meet the requirements of sensor fault diagnosis.
Keywords:die casting machine;RBFNN;fault dignosis;fuzzy K means clustering algorithm
0 引 言
傳感器是現(xiàn)行研究的壓鑄機(jī)實(shí)時(shí)檢測與控制系統(tǒng)[1]的關(guān)鍵部件,系統(tǒng)利用傳感器對壓鑄機(jī)的各重要電控參數(shù)(如:合型力、油壓、壓射速度、模具溫度等)進(jìn)行檢測,并進(jìn)行準(zhǔn)確控制。這一過程中,各傳感器輸出信號的質(zhì)量尤為重要,其優(yōu)劣程度直接影響壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)分析、處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,最終影響壓鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。由于大型壓鑄機(jī)生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣,長期的高溫、高壓、高粉塵及來自周邊器械的電磁干擾等因素的存在,不可避免地會造成傳感器軟硬故障的發(fā)生,有故障的傳感器所發(fā)出的錯(cuò)誤信號,會使整個(gè)壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)分析、處理和控制功能紊亂,造成系統(tǒng)無法正常運(yùn)行,帶來無法估計(jì)的生產(chǎn)安全隱患及嚴(yán)重的后果。因此,對壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)中傳感器故障診斷方法的研究具有重要的意義。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2](神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))是傳感器故障診斷的方法之一。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是有大量人工神經(jīng)元相互連接而構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。它以分布的方式存儲信息,利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和權(quán)值分布實(shí)現(xiàn)非線性的映射,并利用全局并行處理實(shí)現(xiàn)從輸入空間到輸出空間的非線性信息變換。對于特定問題適當(dāng)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng),可以從其輸入數(shù)據(jù)(代表故障癥狀)直接推出輸出數(shù)據(jù)(代表故障原因),從而實(shí)現(xiàn)非線性信息變換。層狀結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層、輸出層及介于二者之間的隱含層構(gòu)成。依據(jù)用于輸入層到輸出層之間計(jì)算的傳遞函數(shù)不同,提出一種基于徑向基函數(shù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器故障診斷策略[3-5]。
1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型
徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6,7](RBFNN)是一種新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),屬于多層前饋網(wǎng)絡(luò),即前后相連的兩層之間神經(jīng)元相互連接,在各神經(jīng)元之間沒有反饋。RBFNN的三層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同,由輸入層、隱含層和輸出層構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)見圖1。其中,用隱含層和輸出層的節(jié)點(diǎn)計(jì)算的功能節(jié)點(diǎn)稱計(jì)算單元。
圖1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層、隱含層、輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為n,m,p;設(shè)輸入層的輸入為X=(x1,x2,…,xj,…,xn),實(shí)際輸出為Y=(y1,y2,…,yk,…,yp)。輸入層節(jié)點(diǎn)不對輸入向量做任何操作,直接傳遞到隱含層,實(shí)現(xiàn)從XFi(x)的非線性映射。隱含層節(jié)點(diǎn)由非負(fù)非線性高斯徑向基函數(shù)構(gòu)成,如式(1)所示。
Fi(x)=exp(-x-ci/2σ2i), i=1,2,…,m(1)
式中:Fi(x)為第i個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的輸出;x為n維輸入向量;ci為第i個(gè)基函數(shù)的中心,與x具有相同維數(shù)的向量;σi為第i個(gè)感知的變量,它決定了該基函數(shù)圍繞中心點(diǎn)的寬度;m為感知單元的個(gè)數(shù)(隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù))。x-ci為向量x-ci的范數(shù),通常表示x與ci之間的距離;Fi(x)在ci處有一個(gè)惟一的最大值,隨著x-ci的增大,Fi(x)迅速衰減到零。對于給定的輸入,只有一小部分靠近x的中心被激活。隱含層到輸出層采用從Fi(x)yk的線性映射,輸出層第k個(gè)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)輸出見式(2):
k=∑mi=1ωikFi(x), k=1,2,…,p(2)
式中:k為輸出層第k個(gè)神經(jīng)元的輸出;m為隱層節(jié)點(diǎn)數(shù);p為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù);ωik為隱層第i個(gè)神經(jīng)元與輸出層第k個(gè)神經(jīng)元的連接權(quán)值。
RBF網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值算法是單層進(jìn)行的。它的工作原理采用聚類功能,由訓(xùn)練得到輸入數(shù)據(jù)的聚類中心,通過σ值調(diào)節(jié)基函數(shù)的靈敏度,也就是 RBF曲線的寬度。雖然網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)看上去是全連接的,實(shí)際工作時(shí)網(wǎng)絡(luò)是局部工作的,即對輸入的一組數(shù)據(jù),網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)神經(jīng)元被激活,其他神經(jīng)元被激活的程度可忽略。所以 RBF網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)局部逼近網(wǎng)絡(luò),這使得它的訓(xùn)練速度要比 BP網(wǎng)絡(luò)快 2～3 個(gè)數(shù)量級。當(dāng)確定了RBF網(wǎng)絡(luò)的聚類中心ci、權(quán)值ωik以后,就可求出給定某一輸入時(shí),網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的輸出值。
2 算法學(xué)習(xí)
在此采用模糊K均值聚類算法[8]來確定各基函數(shù)的中心及相應(yīng)的方差,而網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的確用局部梯度下降法來修正,算法如下:
2.1 利用模糊K均值聚類算法確定基函數(shù)中心ci
(1) 隨即選擇h個(gè)樣本作為ci(i=1,2,…,h)的初值,其他樣本與中心ci歐氏距離遠(yuǎn)近歸入沒一類,從而形成h個(gè)子類ai(i=1,2,…,h);
(2) 重新計(jì)算各子類中心ci的值,ci=1si∑sik=1xk。其中,xk∈ai;si為子集ai的樣本數(shù),同時(shí)計(jì)算每個(gè)樣本屬于每個(gè)中心的隸屬度為:
uij=min∑sij=1xj-cixk-ci, xj,xk∈ai(3)
U={uij∈[0,1]|i=1,2,…,h;j=1,2,…,s}
(3) 確定ci是否在容許的誤差范圍內(nèi),若是則結(jié)束,不是則根據(jù)樣本的隸屬度調(diào)整子類個(gè)數(shù),轉(zhuǎn)到(2)繼續(xù)。
2.2 確定基函數(shù)的寬度(誤差σ)
σ2=(∑sj=1uijxj-ci)∑sj=1uij(4)
式中:ai是以ci為中心的樣本子集。
基函數(shù)中心和寬度參數(shù)確定后,隱含層執(zhí)行的是一種固定不變的非線性變換,第i個(gè)隱節(jié)點(diǎn)輸出定義為:
Fi(x)=exp(-x-ci2/2σ2i)∑mi=1exp(-x-ci2/2σ2i)(5)
2.3 調(diào)節(jié)隱層單元到輸出單元間的連接權(quán)
網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)函數(shù)為:
E=12N∑NK=1[y(xk)-(xk)]2(6)
也就是總的誤差函數(shù)。式中:y(xk)是相對于輸入xk的實(shí)際輸出;(xk)是相對于xk的期望輸出;N為訓(xùn)練樣本集中的總樣本數(shù)。對于RBFNN,參數(shù)的確定應(yīng)能是網(wǎng)絡(luò)在最小二乘意義下逼近所對應(yīng)的映射關(guān)系,也就是使E達(dá)到最小。因此,這里利用梯度下降法修正網(wǎng)絡(luò)隱含層到輸出層的權(quán)值ω,使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小。
Δωi=-ηE(xk)•(xk)鄲i(7)
式中:η為學(xué)習(xí)率,取值為0~1之間的小數(shù)。根據(jù)上面式(6),式(7)最終可以確定權(quán)值ω的每步調(diào)整量:
Δωi=-ηN∑[y(xk)-(xk)]bi(xk)(8)
權(quán)值ω的修正公式為:
ωiωi+Δωi,i=1,2,…,m(9)
利用上述學(xué)習(xí)方法得到ci=8.1,σ=0.01。
3 控制系統(tǒng)傳感器故障診斷與仿真研究
3.1 觀測器模型與故障診斷
壓鑄機(jī)檢測與控制系統(tǒng)中傳感器主要檢測的參數(shù)有合型力、油壓、模具溫度、壓射速度,各參數(shù)隨時(shí)間變化輸入與輸出之間存在明顯的非線性關(guān)系。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有較強(qiáng)的非線性處理和任意函數(shù)逼近的能力。圖2為基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器故障診斷原理。
圖2 基于RBFNN的傳感器故障診斷原理圖
圖2中虛線框所示部分即為RBFNN觀測器原理。基本思想:通過正常情況下非線性系統(tǒng)的實(shí)際輸入和傳感器的輸出學(xué)習(xí)系統(tǒng)的特性,用已經(jīng)訓(xùn)練好的觀測器的輸出于實(shí)際系統(tǒng)的輸出做比較,將兩者之差做殘差,再對殘差進(jìn)行分析、處理,得到故障信息,并利用殘差信號對傳感器故障原因進(jìn)行診斷[9]。
非線性系統(tǒng):
y(k)=f[u(k-d),y(k-1)](10)
u(k-d)=[u(k-d),u(k-d-1),…,u(k-d-l)](11)
y(k-d)=[y(k-1),u(k-2),…,y(k-n)](12)
式中:y(k)是傳感器實(shí)際輸出;u(k)是系統(tǒng)實(shí)際輸入;f(•)代表某個(gè)未知的動態(tài)系統(tǒng)(壓鑄機(jī))的非線性關(guān)系;n,l,d分別代表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的階次和時(shí)間延遲,并且假設(shè)u(k),y(k)是可測的。
利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的徑向基函數(shù)來逼近f(•)。將函數(shù):
X(k)=y(k)=[u(k-d),u(k-d-1),…,
u(k-d-l),y(k-1),y(k-2),…,y(k-n)](13)
作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型輸入層的輸入,通過上述隱含層高斯徑向基函數(shù)進(jìn)行非線性變換,再利用上述模糊K均值聚類算法來選取聚類中心和訓(xùn)練權(quán)值,最后得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸出:
(k)=∑mi=1ωiFi(k)+θ(14)
式中:(k)為輸出層的輸出;ωi為修正后的權(quán)值;Fi(k)為第i個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)的輸出;θ為輸出層節(jié)點(diǎn)的閥值,并將(k)與當(dāng)前系統(tǒng)的實(shí)際輸出y(k)進(jìn)行比較,得到殘差δ(k)。若δ(k)小于預(yù)定閥值θ,表示傳感器正常工作,此時(shí)采用系統(tǒng)實(shí)際輸出的數(shù)據(jù);若δ(k)大于預(yù)定閥值θ,說明傳感器發(fā)生故障,此時(shí)采用RBFNN觀測器的觀測數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的真實(shí)輸出,實(shí)現(xiàn)信號的恢復(fù)功能。
3.2 仿真實(shí)驗(yàn)
在壓鑄機(jī)系統(tǒng)各傳感器正常工作時(shí)連續(xù)采集52組相關(guān)數(shù)據(jù),將其分成2組,前40組用于對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行離線訓(xùn)練,以構(gòu)建RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測器;后12組用于對訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試。表1為訓(xùn)練樣本庫中的部分?jǐn)?shù)據(jù)。
表1 用于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的部分?jǐn)?shù)據(jù)
序號合型力 /MPa油壓 /MPa壓射速度 /m/s模具溫度 /℃
111.258.962.50353.21
211.408.902.52353.30
311.409.002.46354.20
411.259.002.42354.50
511.009.102.42353.61
611.709.102.56353.14
712.009.122.60352.90
812.109.212.60352.95
912.109.232.52353.76
1011.709.122.68353.21
1111.258.902.68356.12
1211.258.892.62355.32
1311.328.982.48354.46
1411.329.112.48353.62
1511.459.102.50355.00
1612.109.112.42356.18
由于表1中的4個(gè)參數(shù)的物理意義、量級各不相同,必須經(jīng)過歸一化處理后才能用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練,用Matlab[10]的Simulink仿真工具箱提供的函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理使數(shù)據(jù)位于[-1,1]之間。訓(xùn)練結(jié)束后切斷學(xué)習(xí)過程使網(wǎng)絡(luò)處于回想狀態(tài),將系統(tǒng)實(shí)際輸出與網(wǎng)絡(luò)模型的輸出相減就可以獲得殘差。以合型力傳感器為例,采樣時(shí)間為0.5 s,利用上面的學(xué)習(xí)樣本在時(shí)間T∈[1 s,1 000 s]內(nèi)對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,結(jié)果經(jīng)過約50步訓(xùn)練誤差就達(dá)到10-7并急劇減少,如圖3所示。
圖4為用后12組數(shù)據(jù)對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試時(shí),跟蹤正常合型力傳感器測量值y的情況,其最大誤差不超過1.5 MPa,所以訓(xùn)練好的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有一定的泛化能力,可以較好的觀測、跟蹤合型機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀。
現(xiàn)針對傳感器經(jīng)常發(fā)生的卡死故障、漂移故障和恒增益故障進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)。當(dāng)合型力傳感器正常工作時(shí),RBFNN觀測器輸出與合型力傳感器測量值y之間的殘差δ=-y近似為高斯白噪聲序列,其均值近似為零;當(dāng)傳感器發(fā)生故障時(shí),由于y不能準(zhǔn)確反應(yīng)合型力數(shù)據(jù),導(dǎo)致δ突變,不再滿足白噪聲特性。根據(jù)上面所述的傳感器故障診斷原理,設(shè)定閥值θ=2.7 MPa,圖5表示合型力傳感器在T∈[400 s,600 s]內(nèi)發(fā)生卡死故障時(shí)的輸出殘差曲線;圖6表示傳感器在T∈[600 s,1 000 s]內(nèi)發(fā)生漂移故障;圖7表示傳感器在T∈[800 s,1 000 s]內(nèi)發(fā)生恒增益故障時(shí)的輸出殘差曲線。
圖3 RBFNN訓(xùn)練過程誤差收斂情況
圖4 合型力傳感器正常工作時(shí)的殘差曲線
圖5 合型力傳感器發(fā)生卡死故障時(shí)的殘差曲線
圖6 合型力傳感器出現(xiàn)漂移故障時(shí)的殘差曲線
通過對各類典型故障的仿真實(shí)驗(yàn),能夠準(zhǔn)確檢測到合型力傳感的各類故障。
圖7 合型力傳感器出現(xiàn)恒增益故障時(shí)的殘差曲線
4 結(jié) 語
在此依據(jù)徑向基(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理,以壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)各傳感器的輸出參數(shù)作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,采用模糊K均值聚類算法選取聚類中心,建立傳感器RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測器模型對控制系統(tǒng)傳感器進(jìn)行故障診斷,仿真實(shí)驗(yàn)表明徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的非線性處理和逼近能力,泛化能力強(qiáng),網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算速度快,能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)和處理故障信號,性能穩(wěn)定。因此,RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷是壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)一個(gè)必不可少的新管理工具。
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關(guān)鍵詞：城區(qū)土壤；重金屬污染；遺傳算法；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）03-0685-03
重金屬污染是全球環(huán)境污染的突出問題，隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，重金屬污染危害日益加重。研究重金屬污染的分布，并根據(jù)分布情況實(shí)現(xiàn)對污染源的定位對于有關(guān)部門進(jìn)行及時(shí)的環(huán)境預(yù)防與整治具有重要意義[1]。
近年來興起的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能通過學(xué)習(xí)實(shí)例集自動提取“合理的”求解規(guī)則，且具有容錯(cuò)和容差能力以及一定的推廣能力。本研究建立基于并行遺傳算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該模型可以實(shí)現(xiàn)對污染源位置的定位，從而為相關(guān)部門及時(shí)進(jìn)行環(huán)境整治提供了理論依據(jù)。
1 構(gòu)建基于遺傳算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型
1.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在對復(fù)雜的生物BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究和理解的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此具有較強(qiáng)的信息處理能力，對復(fù)雜的問題具有適應(yīng)和自學(xué)的能力，可以很好地協(xié)調(diào)多種輸入信息的關(guān)系[2]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常由輸入層、若干隱含層和輸出層組成，每層都包含若干神經(jīng)元，通過神經(jīng)元之間的相互作用來完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息處理。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。同一層各神經(jīng)元相互沒有連接，相鄰層的神經(jīng)元通過權(quán)實(shí)現(xiàn)全連接。
1.2 BPANN算法改進(jìn)
普通的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有自身的缺陷，包括易陷入局部最小點(diǎn)、收斂速度慢、學(xué)習(xí)過程容易出現(xiàn)震蕩等。為了改進(jìn)普通的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，引入遺傳算法（Genetic algorithm，GA）。遺傳算法是一種基于自然選擇和基因遺傳學(xué)原理的優(yōu)化搜索算法，它將“優(yōu)勝劣汰，適者生存”的生物進(jìn)化原理引入待優(yōu)化參數(shù)形成的編碼串群體中，按照一定的適配值函數(shù)及一系列的遺傳操作對個(gè)體進(jìn)行了篩選，從而使適配值高的個(gè)體被保留下來，組成新的群體，新群體中包含上一代的大量信息，并且引入新的優(yōu)于上一代的個(gè)體。這樣的周而復(fù)始，群體中的適應(yīng)度不斷提高，直到滿足一定的條件為止，其基本原理如圖2[3]。
遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的結(jié)合就是利用GA優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如網(wǎng)絡(luò)層數(shù)和每層的節(jié)點(diǎn)數(shù)，以及各層節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系。根據(jù)某些性能評價(jià)準(zhǔn)則（如學(xué)習(xí)速度、泛化能力或結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度等）搜索結(jié)構(gòu)空間中滿足問題要求的最佳BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。基于遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流程如圖3。
2 模型應(yīng)用實(shí)例——以青島市城區(qū)土壤重金屬污染源的定位為例
青島是中國重要的經(jīng)濟(jì)中心城市和港口城市，是中國重要的外貿(mào)口岸之一、國家歷史文化名城和風(fēng)景旅游勝地，作為體現(xiàn)青島面貌的首要因素——環(huán)境，已成為青島、中國乃至世界大眾關(guān)注的問題。因此，對青島的城市環(huán)境地球化學(xué)研究勢在必行。
現(xiàn)以青島市城區(qū)為例，根據(jù)從城區(qū)采樣得到的土壤重金屬含量數(shù)據(jù)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對污染源進(jìn)行定位。對青島市南區(qū)、市北區(qū)、四方區(qū)、李滄區(qū)、嶗山區(qū)5個(gè)城區(qū)進(jìn)行了廣泛的土壤地質(zhì)調(diào)查，將所考察的城區(qū)按照每平方公里1個(gè)采樣點(diǎn)對表層土進(jìn)行取樣，共得到319個(gè)采樣點(diǎn)，并分別檢測每個(gè)采樣點(diǎn)的8種重金屬Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn和As的含量[4]。
對每種金屬元素進(jìn)行多次基于遺傳算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬后，在所得的數(shù)據(jù)矩陣中隨機(jī)選取200個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)進(jìn)行繪圖，繪圖結(jié)果如圖4。從圖4中可以看出，每種重金屬元素在城區(qū)中的空間分布，對數(shù)據(jù)中每種金屬元素的空間坐標(biāo)進(jìn)行K-means聚類，所得的聚類中心即為污染源預(yù)測位置。
3 小結(jié)
通過建立基于遺傳算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并將該模型運(yùn)用于青島市城區(qū)內(nèi)各種重金屬污染源的定位。使得環(huán)境管理部門可以在目標(biāo)地區(qū)的土壤進(jìn)行采樣分析的基礎(chǔ)上，利用該算法得出目標(biāo)地區(qū)內(nèi)重金屬元素的分布圖，根據(jù)極大值點(diǎn)可以定位污染源，并由此采取相應(yīng)的管理措施。該算法的優(yōu)越性在于可利用部分測量數(shù)據(jù)估計(jì)整體地區(qū)的分布情況，但同時(shí)也存在不足之處，一是數(shù)據(jù)獲取困難，一般需要依靠衛(wèi)星測量獲取樣本數(shù)據(jù)，二是算法雖然有較高的收斂速度，但缺少動態(tài)性，無法進(jìn)行金屬元素的動態(tài)分析和分布變化預(yù)測。
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