“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)中的Matlab仿真工程實(shí)踐

黃金明，蘇佰麗，武玉強(qiáng)

(曲阜師范大學(xué)電氣信息與自動(dòng)化學(xué)院，山東日照 276826)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在解決各種輸入因子具有復(fù)雜性、非線(xiàn)性和相關(guān)性的問(wèn)題上擁有很大的優(yōu)勢(shì)。我們?cè)凇叭斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)”課程的教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)仿真，可以闡述清楚課程的主要思想;但尚需將該思想應(yīng)用于實(shí)踐去解決實(shí)際問(wèn)題。

隨著食品安全問(wèn)題的敏感度逐漸增加，海產(chǎn)食品的出口安全問(wèn)題也受到越來(lái)越多的關(guān)注。由于不同的進(jìn)口國(guó)對(duì)食品的指標(biāo)要求存在差異，傳統(tǒng)的合格或不合格等定性結(jié)論不能體現(xiàn)這一差異，而采用量化的風(fēng)險(xiǎn)度指數(shù)來(lái)衡量出口食品的質(zhì)量水平是一個(gè)比較理想的解決方案。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的魯棒性、容錯(cuò)性和自學(xué)習(xí)能力，本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了出口海產(chǎn)食品的風(fēng)險(xiǎn)分析模型，采用改進(jìn)的誤差反向傳播算法，通過(guò)多次反饋對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模型仿真，給出風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)論。

1 出口海產(chǎn)食品風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)理論

1.1 出口海產(chǎn)食品風(fēng)險(xiǎn)分析的要素

海產(chǎn)食品的質(zhì)量水平取決于食品加工和運(yùn)輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié)中的影響因素，具體包括原材料的儲(chǔ)存和預(yù)處理、食品加工工序、食品加工環(huán)境溫度、衛(wèi)生狀況以及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)。其中，部分環(huán)節(jié)屬于關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)海產(chǎn)食品的最終質(zhì)量有著決定性的影響，比如:細(xì)菌數(shù)量和金屬物含量等，不同的海產(chǎn)食品的影響要素也有所不同。

以?xún)瞿M蟹肉與凍鱈魚(yú)片兩種海產(chǎn)品為例，其潛在的危害因素有很多，如金屬碎片、生物的致病菌、化學(xué)的添加劑、產(chǎn)品的基因成分、檢驗(yàn)檢疫部門(mén)的檢查結(jié)果以及運(yùn)輸時(shí)間等等。在這些因素中，有些因素是通過(guò)主觀預(yù)測(cè)來(lái)分析的，是定性的，必須將這些因素應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法，使之定量化，最終建立權(quán)重集來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 出口海產(chǎn)食品風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海產(chǎn)食品風(fēng)險(xiǎn)分析項(xiàng)目主要解決的問(wèn)題是依據(jù)食品的危害分析與關(guān)鍵控制點(diǎn)HACCP(Hazard Analysis Critical Control Point)理論將影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素分為普通因子和CCP因子，然后對(duì)影響因子進(jìn)行分析得出風(fēng)險(xiǎn)度估計(jì)［1］。整個(gè)系統(tǒng)將采集的各種影響因子作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型運(yùn)算后產(chǎn)生的輸出作為風(fēng)險(xiǎn)度結(jié)果，以此作為最終的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)系統(tǒng)共包括四個(gè)層次，分別為接口層、預(yù)處理層、決策層和輸出層，如圖1所示。

圖1 出口海產(chǎn)食品風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品的輸入?yún)?shù)通過(guò)實(shí)時(shí)采集的方式在接口層進(jìn)行獲取，并送入預(yù)處理層進(jìn)行數(shù)據(jù)的修正和模糊綜合評(píng)價(jià)等預(yù)處理操作，數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，在進(jìn)入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析之前，還需要對(duì)這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行歸一化處理。得到的結(jié)果作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入值，經(jīng)過(guò)決策層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析完成后，將本次的數(shù)據(jù)存入中心數(shù)據(jù)庫(kù)并將風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果送輸出層進(jìn)行人機(jī)交互操作。用戶(hù)可以看到產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的全部風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型算法

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由神經(jīng)元互聯(lián)組成，通過(guò)模擬人腦對(duì)信息的處理方式，進(jìn)行信息的并行處理和非線(xiàn)性轉(zhuǎn)換，具有良好的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和非線(xiàn)性轉(zhuǎn)換能力。它通過(guò)樣本的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)將信息隱含在連接權(quán)值上，達(dá)到穩(wěn)定后，便可以對(duì)新的數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行預(yù)測(cè)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入信息來(lái)自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)傳感器，這些信息是單一傳感器和傳統(tǒng)算法所不具備的。多個(gè)傳感器的設(shè)置沒(méi)有統(tǒng)一的方法，需要針對(duì)不同產(chǎn)品和不同的生產(chǎn)環(huán)境采取不同處理，來(lái)選擇合適的模型參數(shù)。在這里，選擇了一種比較成熟的單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)—BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為模型能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)［2］，其組成如圖2所示。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立海產(chǎn)食品的風(fēng)險(xiǎn)分析模型有很大的優(yōu)越性，首先，這種方法是開(kāi)放的，輸入輸出的調(diào)整比較靈活，比較適合目前海產(chǎn)食品種類(lèi)繁多的行業(yè)現(xiàn)狀。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的調(diào)整具有很大的靈活性。模型的建立依賴(lài)于訓(xùn)練的樣本，樣本的代表性和廣泛性會(huì)影響最終模型算法的精度，用戶(hù)也可以根據(jù)新形勢(shì)下的新情況，調(diào)整學(xué)習(xí)樣本，讓模型算法重新適應(yīng)新的情況，因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型具有更大的靈活性和易用性。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)主要由輸入層、隱藏層和輸出層組成，各層節(jié)點(diǎn)數(shù)的選取具有一定的規(guī)律。由于出口海產(chǎn)食品種類(lèi)繁多，每種食品的網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)也不盡相同，以出口凍鱈魚(yú)片為例，其主要風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)包括儲(chǔ)藏溫度、金屬物、CCP執(zhí)行情況、細(xì)菌總數(shù)和運(yùn)輸時(shí)間。因此，BP網(wǎng)絡(luò)的輸入層確定為5 個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)輸入向量為 xi=(x1，x3，x3，x4，x5)，輸出結(jié)果即為單節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)值yo=(yo1)，隱藏層設(shè)定為單層，其節(jié)點(diǎn)數(shù)目與輸入輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)、訓(xùn)練樣本數(shù)及復(fù)雜程度有關(guān)，根據(jù)Kolmogorov定理以及隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式(黃金分割法)［3］:

其中，N為隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)，n和t為輸入和輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算并綜合考慮隱藏層的功能，將本文中的隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)定為10個(gè)，既能滿(mǎn)足精度需求，又能盡量減少網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間，同時(shí)還兼顧了收斂速度、泛化能力和穩(wěn)定性。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程

根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)以及出口凍鱈魚(yú)片產(chǎn)品的需求，所建立的網(wǎng)絡(luò)模型算法的流程如圖3所示。

圖3 凍鱈魚(yú)片產(chǎn)品神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值均取(0，1)之間的隨機(jī)值，激活函數(shù)采用 S 型函數(shù)［4］:f(x)=1/(1+ex)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前向計(jì)算的隱藏層輸出過(guò)程為

式中，hih(k)是隱藏層輸入，wih為輸入層到隱藏層的連接權(quán)值，θh為隱藏層神經(jīng)元閾值。輸出層各節(jié)點(diǎn)的輸出值為

式中，yio(k)為輸出層各節(jié)點(diǎn)的輸入激活值，who為隱藏層到輸出層的連接權(quán)值。

在反饋調(diào)整權(quán)值的計(jì)算過(guò)程中，采用改進(jìn)的BP算法，加入動(dòng)量因子，將上一次權(quán)值調(diào)整量的一部分迭加到按此次誤差計(jì)算所得的權(quán)值調(diào)整量上，作為此次的實(shí)際權(quán)值調(diào)整量，即

式中，η、α和δ0(k)分別為學(xué)習(xí)率、動(dòng)量因子和誤差函數(shù)對(duì)輸出層各神經(jīng)元的偏導(dǎo)數(shù)。這種方法所加的動(dòng)量因子實(shí)際上相當(dāng)于阻尼系數(shù)，它減小了學(xué)習(xí)過(guò)程的振蕩趨勢(shì)，從而改善收斂性。文中取α=0.5。

在隱藏層和輸出層的連接權(quán)值調(diào)整過(guò)程中，全局總誤差的計(jì)算公式為

式中，m為樣本個(gè)數(shù)，do(k)與yo(k)分別為期望輸出與實(shí)際輸出值。

2.4 輸入樣本的預(yù)處理

由于出口凍鱈魚(yú)片產(chǎn)品的五個(gè)參數(shù)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值的影響程度不同，各個(gè)參數(shù)的取值單位也有很大差異，因此，需要對(duì)輸入樣本中的參數(shù)值進(jìn)行修正。常用的修正方法為加權(quán)修正法和模糊綜合評(píng)價(jià)法。典型的輸入樣本和輸出風(fēng)險(xiǎn)度數(shù)值如表1所示。

表1 凍鱈魚(yú)片產(chǎn)品的輸入?yún)?shù)值與期望風(fēng)險(xiǎn)值

從表1可以看出，伴隨著儲(chǔ)存溫度的升高及細(xì)菌數(shù)量的增加，風(fēng)險(xiǎn)度呈上升趨勢(shì)，而金屬物含量(CCP)對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)度的影響是具有決定性的。但是它的單位值和其他參數(shù)相比，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中占有的權(quán)重值卻很難體現(xiàn)這一結(jié)果，本文對(duì)該參數(shù)進(jìn)行加權(quán)修正處理，以增加該參數(shù)在各種相關(guān)因素中的影響力。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)出口凍鱈魚(yú)片產(chǎn)品的檢驗(yàn)需求及對(duì)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)分析模型特點(diǎn)的分析，本文選擇了300組典型輸入值作為訓(xùn)練樣本集合，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用Matlab作為后臺(tái)運(yùn)算引擎［5］，對(duì)300組樣本輸入進(jìn)行最多2萬(wàn)次迭代運(yùn)算，預(yù)設(shè)精度為0.01。圖4為樣本訓(xùn)練誤差曲線(xiàn)圖。

圖4 樣本訓(xùn)練過(guò)程誤差曲線(xiàn)圖

從曲線(xiàn)可以看出，所選擇網(wǎng)絡(luò)模型算法的收斂性還是比較好的。

待神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完畢后，用新的待測(cè)試值進(jìn)行輸入，輸出的風(fēng)險(xiǎn)度平均值能夠滿(mǎn)足精度要求，這說(shuō)明該模型能夠很好的解決風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)類(lèi)非線(xiàn)性問(wèn)題，部分實(shí)際輸入對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)值數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 部分實(shí)際輸入?yún)?shù)的風(fēng)險(xiǎn)值

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)人“工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)方法和手段進(jìn)行了探討，并成功地將教學(xué)過(guò)程與項(xiàng)目開(kāi)發(fā)實(shí)踐過(guò)程進(jìn)行了結(jié)合，將教學(xué)過(guò)程中復(fù)雜的抽象理論問(wèn)題用具體的建模實(shí)例來(lái)實(shí)現(xiàn)，理論結(jié)合實(shí)際，取得了良好的教學(xué)效果。設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)由VS2008和 Matlab混合編程實(shí)現(xiàn)［6］。數(shù)據(jù)測(cè)試表明，該系統(tǒng)能很好的解決出口海產(chǎn)食品的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)問(wèn)題，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

［1］ Hazard Analysis＆ Critical Control Points(HACCP).http://www.fda.gov/food/foodsafety/hazardanalysiscriticalcontrolpointshaccp/

［2］ 徐麗娜 編著.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003

［3］ 陳明，朱文婷，周汝雁何等.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)控中的應(yīng)用［J］.北京:微計(jì)算機(jī)信息，2010 26(4-1):15-17

［4］ 高雋 編著.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理及仿真實(shí)例(第2版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007

［5］ 謝濤，何怡剛，姚建剛等.VB調(diào)用Matlab的模擬電路故障診斷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法［J］.北京:計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010 46(10):213-215

［6］ Matalb C++Library User＇s Guide［M］.The Math Works，Inc，2002