神经网络BP模型

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一、BP模型概述

误差逆传播(Error Back-Propagation)神经网络模型简称为BP(Back-Propagation)网络模型。

Pall Werbas博士于1974年在他的博士论文中提出了误差逆传播学习算法。完整提出并被广泛接受误差逆传播学习算法的是以Rumelhart和McCelland为首的科学家小组。他们在1986年出版“Parallel Distributed Processing，Explorations in the Microstructure of Cognition”(《并行分布信息处理》)一书中，对误差逆传播学习算法进行了详尽的分析与介绍，并对这一算法的潜在能力进行了深入探讨。

BP网络是一种具有3层或3层以上的阶层型神经网络。上、下层之间各神经元实现全连接，即下层的每一个神经元与上层的每一个神经元都实现权连接，而每一层各神经元之间无连接。网络按有教师示教的方式进行学习，当一对学习模式提供给网络后，神经元的激活值从输入层经各隐含层向输出层传播，在输出层的各神经元获得网络的输入响应。在这之后，按减小期望输出与实际输出的误差的方向，从输入层经各隐含层逐层修正各连接权，最后回到输入层，故得名“误差逆传播学习算法”。随着这种误差逆传播修正的不断进行，网络对输入模式响应的正确率也不断提高。

BP网络主要应用于以下几个方面：

1)函数逼近：用输入模式与相应的期望输出模式学习一个网络逼近一个函数；

2)模式识别：用一个特定的期望输出模式将它与输入模式联系起来；

3)分类：把输入模式以所定义的合适方式进行分类；

4)数据压缩：减少输出矢量的维数以便于传输或存储。

在人工神经网络的实际应用中，80%～90%的人工神经网络模型采用BP网络或它的变化形式，它也是前向网络的核心部分，体现了人工神经网络最精华的部分。

二、BP模型原理

下面以三层BP网络为例，说明学习和应用的原理。

1.数据定义

P对学习模式(x_p，d_p)，p=1，2，…，P；

输入模式矩阵X[N][P]=(x₁，x₂，…，x_P)；

目标模式矩阵d[M][P]=(d₁，d₂，…，d_P)。

三层BP网络结构

输入层神经元节点数S0=N，i=1，2，…，S0；

隐含层神经元节点数S1，j=1，2，…，S1；

神经元激活函数f1[S1]；

权值矩阵W1[S1][S0]；

偏差向量b1[S1]。

输出层神经元节点数S2=M，k=1，2，…，S2；

神经元激活函数f2[S2]；

权值矩阵W2[S2][S1]；

偏差向量b2[S2]。

学习参数

目标误差ϵ；

初始权更新值Δ₀；

最大权更新值Δ_max；

权更新值增大倍数η⁺；

权更新值减小倍数η^-。

2.误差函数定义

对第p个输入模式的误差的计算公式为

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y2_kp为BP网的计算输出。

3.BP网络学习公式推导

BP网络学习公式推导的指导思想是，对网络的权值W、偏差b修正，使误差函数沿负梯度方向下降，直到网络输出误差精度达到目标精度要求，学习结束。

各层输出计算公式

输入层

y0_i=x_i，i=1，2，…，S0；

隐含层

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y1_j=f1(z1_j)，

j=1，2，…，S1；

输出层

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y2_k=f2(z2_k)，

k=1，2，…，S2。

输出节点的误差公式

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对输出层节点的梯度公式推导

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E是多个y2_m的函数，但只有一个y2_k与w_kj有关，各y2_m间相互独立。

其中

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则

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设输出层节点误差为

δ2_k=(d_k-y2_k)·f2′(z2_k)，

则

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同理可得

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对隐含层节点的梯度公式推导

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E是多个y2_k的函数，针对某一个w1_ji，对应一个y1_j，它与所有的y2_k有关。因此，上式只存在对k的求和，其中

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则

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设隐含层节点误差为

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则

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同理可得

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4.采用弹性BP算法(RPROP)计算权值W、偏差b的修正值ΔW，Δb

1993年德国 Martin Riedmiller和Heinrich Braun 在他们的论文“A Direct Adaptive Method for Faster Backpropagation Learning：The RPROP Algorithm”中，提出Resilient Backpropagation算法——弹性BP算法(RPROP)。这种方法试图消除梯度的大小对权步的有害影响，因此，只有梯度的符号被认为表示权更新的方向。

权改变的大小仅仅由权专门的“更新值”

确定

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其中

表示在模式集的所有模式(批学习)上求和的梯度信息，(t)表示t时刻或第t次学习。

权更新遵循规则：如果导数是正(增加误差)，这个权由它的更新值减少。如果导数是负，更新值增加。

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RPROP算法是根据局部梯度信息实现权步的直接修改。对于每个权，我们引入它的

各自的更新值

，它独自确定权更新值的大小。这是基于符号相关的自适应过程，它基

于在误差函数E上的局部梯度信息，按照以下的学习规则更新

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其中0＜η^-＜1＜η⁺。

在每个时刻，如果目标函数的梯度改变它的符号，它表示最后的更新太大，更新值

应由权更新值减小倍数因子η^-得到减少；如果目标函数的梯度保持它的符号，更新值应由权更新值增大倍数因子η⁺得到增大。

为了减少自由地可调参数的数目，增大倍数因子η⁺和减小倍数因子η^–被设置到固定值

η⁺=1.2，

η^-=0.5，

这两个值在大量的实践中得到了很好的效果。

RPROP算法采用了两个参数：初始权更新值Δ₀和最大权更新值Δ_max

当学习开始时，所有的更新值被设置为初始值Δ₀，因为它直接确定了前面权步的大小，它应该按照权自身的初值进行选择，例如，Δ₀=0.1(默认设置)。

为了使权不至于变得太大，设置最大权更新值限制Δ_max，默认上界设置为

Δ_max=50.0。

在很多实验中，发现通过设置最大权更新值Δ_max到相当小的值，例如

Δ_max=1.0。

我们可能达到误差减小的平滑性能。

5.计算修正权值W、偏差b

第t次学习，权值W、偏差b的的修正公式

W^(t)=W^(t-1)+ΔW^(t)，

b^(t)=b^(t-1)+Δb^(t)，

其中，t为学习次数。

6.BP网络学习成功结束条件每次学习累积误差平方和

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每次学习平均误差

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当平均误差MSE＜ε，BP网络学习成功结束。

7.BP网络应用预测

在应用BP网络时，提供网络输入给输入层，应用给定的BP网络及BP网络学习得到的权值W、偏差b，网络输入经过从输入层经各隐含层向输出层的“顺传播”过程，计算出BP网的预测输出。

8.神经元激活函数f

线性函数

f(x)=x，

f′(x)=1，

f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(-∞，+∞)。

一般用于输出层，可使网络输出任何值。

S型函数S(x)

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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(0，1)。

f′(x)=f(x)[1-f(x)]，

f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(0，

]。

一般用于隐含层，可使范围(-∞，+∞)的输入，变成(0，1)的网络输出，对较大的输入，放大系数较小；而对较小的输入，放大系数较大，所以可用来处理和逼近非线性的输入/输出关系。

在用于模式识别时，可用于输出层，产生逼近于0或1的二值输出。

双曲正切S型函数

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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(-1，1)。

f′(x)=1-f(x)·f(x)，

f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(0，1]。

一般用于隐含层，可使范围(-∞，+∞)的输入，变成(-1，1)的网络输出，对较大的输入，放大系数较小；而对较小的输入，放大系数较大，所以可用来处理和逼近非线性的输入/输出关系。

阶梯函数

类型1

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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{0，1}。

f′(x)=0。

类型2

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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{-1，1}。

f′(x)=0。

斜坡函数

类型1

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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围[0，1]。

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f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{0，1}。

类型2

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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围[-1，1]。

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f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{0，1}。

三、总体算法

1.三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)权值W、偏差b初始化总体算法

(1)输入参数X[N][P]，S₀，S₁，f₁[S₁]，S₂，f₂[S₂]；

(2)计算输入模式X[N][P]各个变量的最大值，最小值矩阵 X_max[N]，X_min[N]；

(3)隐含层的权值W₁，偏差b₁初始化。

情形1：隐含层激活函数f( )都是双曲正切S型函数

1)计算输入模式X[N][P]的每个变量的范围向量X_rng[N]；

2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量X_mid[N]；

3)计算W，b的幅度因子W_mag；

4)产生[-1，1]之间均匀分布的S₀×1维随机数矩阵R_and[S₁]；

5)产生均值为0，方差为1的正态分布的S₁×S₀维随机数矩阵Randnr[S₁][S₀]，随机数范围大致在[-1，1]；

6)计算W[S₁][S₀]，b[S₁]；

7)计算隐含层的初始化权值W₁[S₁][S₀]；

8)计算隐含层的初始化偏差b₁[S₁]；

9))输出W₁[S₁][S₀]，b₁[S₁]。

情形2：隐含层激活函数f( )都是S型函数

1)计算输入模式X[N][P]的每个变量的范围向量X_rng[N]；

2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量X_mid[N]；

3)计算W，b的幅度因子W_mag；

4)产生[-1，1]之间均匀分布的S₀×1维随机数矩阵R_and[S₁]；

5)产生均值为0，方差为1的正态分布的S₁×S₀维随机数矩阵R_andnr[S₁][S₀]，随机数范围大致在[-1，1]；

6)计算W[S₁][S₀]，b[S₁]；

7)计算隐含层的初始化权值W₁[S₁][S₀]；

8)计算隐含层的初始化偏差b₁[S₁]；

9)输出W₁[S₁][S₀]，b₁[S₁]。

情形3：隐含层激活函数f( )为其他函数的情形

1)计算输入模式X[N][P]的每个变量的范围向量X_rng[N]；

2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量X_mid[N]；

3)计算W，b的幅度因子W_mag；

4)产生[-1，1]之间均匀分布的S₀×1维随机数矩阵R_and[S₁]；

5)产生均值为0，方差为1的正态分布的S₁×S₀维随机数矩阵R_andnr[S₁][S₀]，随机数范围大致在[-1，1]；

6)计算W[S₁][S₀]，b[S₁]；

7)计算隐含层的初始化权值W₁[S₁][S₀]；

8)计算隐含层的初始化偏差b₁[S₁]；

9)输出W₁[S₁][S₀]，b₁[S₁]。

(4)输出层的权值W₂，偏差b₂初始化

1)产生[-1，1]之间均匀分布的S₂×S₁维随机数矩阵W₂[S₂][S₁]；

2)产生[-1，1]之间均匀分布的S₂×1维随机数矩阵b₂[S₂]；

3)输出W₂[S₂][S₁]，b₂[S₂]。

2.应用弹性BP算法(RPROP)学习三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)权值W、偏差b总体算法

函数：Train3BP_RPROP(S₀，X，P，S₁，W₁，b₁，f₁，S₂，W₂，b₂，f₂，d，TP)

(1)输入参数

P对模式(x_p，d_p)，p=1，2，…，P；

三层BP网络结构；

学习参数。

(2)学习初始化

1)

；

2)各层W，b的梯度值

，

初始化为零矩阵。

(3)由输入模式X求第一次学习各层输出y₀，y₁，y₂及第一次学习平均误差MSE

(4)进入学习循环

epoch=1

(5)判断每次学习误差是否达到目标误差要求

如果MSE＜ϵ，

则，跳出epoch循环，

转到(12)。

(6)保存第epoch-1次学习产生的各层W，b的梯度值

，

(7)求第epoch次学习各层W，b的梯度值

，

1)求各层误差反向传播值δ；

2)求第p次各层W，b的梯度值

，

；

3)求p=1，2，…，P次模式产生的W，b的梯度值

，

的累加。

(8)如果epoch=1，则将第epoch-1次学习的各层W，b的梯度值

，

设为第epoch次学习产生的各层W，b的梯度值

，

。

(9)求各层W，b的更新

1)求权更新值Δ_ij更新；

2)求W，b的权更新值

，

；

3)求第epoch次学习修正后的各层W，b。

(10)用修正后各层W、b，由X求第epoch次学习各层输出y₀，y₁，y₂及第epoch次学习误差MSE

(11)epoch=epoch+1，

如果epoch≤MAX_EPOCH，转到(5)；

否则，转到(12)。

(12)输出处理

1)如果MSE＜ε，

则学习达到目标误差要求，输出W₁，b₁，W₂，b₂。

2)如果MSE≥ε，

则学习没有达到目标误差要求，再次学习。

(13)结束

3.三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)预测总体算法

首先应用Train3lBP_RPROP( )学习三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)权值W、偏差b，然后应用三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)预测。

函数：Simu3lBP( )。

1)输入参数：

P个需预测的输入数据向量x_p，p=1，2，…，P；

三层BP网络结构；

学习得到的各层权值W、偏差b。

2)计算P个需预测的输入数据向量x_p(p=1，2，…，P)的网络输出 y₂[S₂][P]，输出预测结果y₂[S₂][P]。

四、总体算法流程图

BP网络总体算法流程图见附图2。

五、数据流图

BP网数据流图见附图1。

六、实例

实例一 全国铜矿化探异常数据BP 模型分类

1.全国铜矿化探异常数据准备

在全国铜矿化探数据上用稳健统计学方法选取铜异常下限值33.1，生成全国铜矿化探异常数据。

2.模型数据准备

根据全国铜矿化探异常数据，选取7类33个矿点的化探数据作为模型数据。这7类分别是岩浆岩型铜矿、斑岩型铜矿、矽卡岩型、海相火山型铜矿、陆相火山型铜矿、受变质型铜矿、海相沉积型铜矿，另添加了一类没有铜异常的模型(表8-1)。

3.测试数据准备

全国化探数据作为测试数据集。

4.BP网络结构

隐层数2，输入层到输出层向量维数分别为14，9、5、1。学习率设置为0.9，系统误差1e-5。没有动量项。

表8-1 模型数据表

续表

5.计算结果图

如图8-2、图8-3。

图8-2

图8-3 全国铜矿矿床类型BP模型分类示意图

实例二 全国金矿矿石量品位数据BP 模型分类

1.模型数据准备

根据全国金矿储量品位数据，选取4类34个矿床数据作为模型数据，这4类分别是绿岩型金矿、与中酸性浸入岩有关的热液型金矿、微细浸染型型金矿、火山热液型金矿(表8-2)。

2.测试数据准备

模型样本点和部分金矿点金属量、矿石量、品位数据作为测试数据集。

3.BP网络结构

输入层为三维，隐层1层，隐层为三维，输出层为四维，学习率设置为0.8，系统误差1e-4，迭代次数5000。

表8-2 模型数据

4.计算结果

结果见表8-3、8-4。

表8-3 训练学习结果

表8-4 预测结果(部分)

续表

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