基于自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的金銀花分類研究*

申明金

(川北醫(yī)學(xué)院化學(xué)教研室，四川南充 637000 )

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)證明，微量元素對人體健康、生長發(fā)育和疾病防治有密切關(guān)系，中藥藥用價值與其富含的微量元素有直接的關(guān)系。而中藥材生產(chǎn)的地域性較強(qiáng)，藥物質(zhì)量、療效、微量元素含量及分布與藥材的品種、產(chǎn)地密切相關(guān)[1–2]。

金銀花為忍冬科植物忍冬的干燥花蕾或初開的花，具有清熱解毒、涼散風(fēng)熱之功效。我國金銀花資源豐富，在全國各地都有分布，傳統(tǒng)以河南和山東為道地產(chǎn)區(qū)。由于我國地域遼闊，金銀花產(chǎn)地不一，品種繁多，金銀花的質(zhì)量鑒別十分重要。金銀花常用的鑒別手段除外觀鑒定之外還常用聚類分析等化學(xué)模式識別方法。筆者以各地產(chǎn)金銀花中微量元素含量為指標(biāo)，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的自組織特征映射(Self-Organizing Feature Map，SOM)網(wǎng)絡(luò)對不同產(chǎn)地的金銀花進(jìn)行分類，結(jié)果令人滿意。

1 SOM網(wǎng)絡(luò)簡介

SOM網(wǎng)絡(luò)[3–5]是由芬蘭赫爾辛基大學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家Kohonen教授于1981年提出的競爭式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。SOM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可以看出，SOM網(wǎng)絡(luò)只有輸入層和輸出層，且兩層之間為完全連接。設(shè)輸入矢量的維數(shù)為n維，則輸入層有n個節(jié)點(diǎn)；輸出層由m個神經(jīng)元組成二維平面陣列；輸入層與輸出層各神經(jīng)元之間完全連接，設(shè)連接權(quán)重向量為Wij，其中i表示輸入層第i個節(jié)點(diǎn)，j表示輸出層第j個節(jié)點(diǎn)。輸入層節(jié)點(diǎn)并不對輸入矢量X進(jìn)行處理，它只是把輸入矢量的各個分量經(jīng)過連接權(quán)傳送到輸出層，激發(fā)輸出層各個神經(jīng)元之間的競爭，因此輸出層內(nèi)的每個神經(jīng)元與其鄰域連接，此連接是相互激勵的關(guān)系，訓(xùn)練后輸出層不同節(jié)點(diǎn)代表不同的分類模式。SOM具有訓(xùn)練和分類兩種狀態(tài)。

SOM網(wǎng)絡(luò)采用Kohonen學(xué)習(xí)算法，其基本算法過程為：

(1)初始化。對N個輸入神經(jīng)元到輸出神經(jīng)元的連接權(quán)值賦予較小的權(quán)值。選取輸出神經(jīng)元j個“鄰接神經(jīng)元”的集合Sj。其中Sj(0)表示時刻t=0時的神經(jīng)元j的“鄰接神經(jīng)元”的集合，Sj(t)表示時刻t的神經(jīng)元j的“鄰接神經(jīng)元”的集合。區(qū)域隨著時間的增長而不斷縮小。

(2)提供新的輸入模式X，計算歐氏距離。輸入樣本與每個輸出神經(jīng)元j之間的距離：

計算出一個具有最小距離的神經(jīng)元j*，即確定出某個單元k，使得對于任意的j，都有

(3)給出一個周圍的鄰域Sk(t)，修正輸出神經(jīng)元j*及其“鄰接神經(jīng)元”的權(quán)值。修正公式為：

上式中，η為一個增益項，隨時間變化逐漸下降到零，一般取η(t)=1／t或η(t)=0.2(1–t／10000)。

(4)計算輸出Ok。Ok按式(2)計算：

上式中，f(.)一般為0–1函數(shù)或其它非線性函數(shù)。

(5)提供新的學(xué)習(xí)樣本重復(fù)上述學(xué)習(xí)過程。

2 金銀花微量元素含量分析與分類研究

取金銀花藥材50 g，用去離子水淋洗、烘干后研成粉末。準(zhǔn)確稱取樣品0.5 g，在電熱板上硝化2 h，蒸發(fā)掉過量硝酸，然后在500℃灰化3 h。冷卻后用6 mol／L HCl溶解，轉(zhuǎn)移至50 mL量瓶中定容。用電感耦合等離子體光電直讀光譜儀進(jìn)行元素分析，得到一組金銀花藥材中微量元素含量[6]，數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同產(chǎn)地金銀花藥材中微量元素含量 μg／g

表1中的數(shù)據(jù)樣本數(shù)為6，變量為17個，確定SOM網(wǎng)絡(luò)的輸入模式為：

利用MATLAB語言[7]中的函數(shù)newsom創(chuàng)建一個SOM網(wǎng)絡(luò)。代碼為net=newsom｛minmax(X)，[6，4]｝，其中X為輸入向量，minmax(X)指定了輸入向量元素的最大值和最小值，[6，4]表示創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)的競爭層為6*4的結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)是可以調(diào)整的，此處樣本量較小，所以選擇這樣的競爭層是合適的。然后利用函數(shù)train和仿真函數(shù)sim對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練并仿真。

當(dāng)訓(xùn)練步數(shù)小于5時，封丘、新密、平邑所產(chǎn)金銀花為一類，南京、桂林、昆明所產(chǎn)金銀花為一類。這樣的分類結(jié)果是符合生產(chǎn)實際的，封丘、新密、平邑都屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候的北方地區(qū)，年均氣溫14℃左右，年均降水量為600 mm左右，傳統(tǒng)上這三地所產(chǎn)金銀花為道地金銀花。南京、桂林、昆明屬于亞熱帶潤濕季風(fēng)氣候區(qū)，雨水豐沛，為非道地金銀花產(chǎn)區(qū)。這體現(xiàn)了氣候和地域?qū)疸y花品質(zhì)分類的影響。

當(dāng)訓(xùn)練步數(shù)為10步時，封丘、新密、平邑所產(chǎn)金銀花為一類，南京所產(chǎn)金銀花為一類，昆明和桂林所產(chǎn)金銀花為一類。這說明道地產(chǎn)區(qū)金銀花所含微量元素含量差異相對較小，非道地產(chǎn)區(qū)金銀花所含微量元素含量差異相對較大。從地理位置上看，南京地區(qū)位于我國南北分界線附近，而昆明和桂林位于我國南方地區(qū)。因而，南京所產(chǎn)金銀花與南方桂林、昆明所產(chǎn)金銀花在微量元素含量有一定差異是合理的。這也體現(xiàn)了由北到南，地理位置對金銀花分類的影響。

當(dāng)訓(xùn)練步數(shù)為60步時，道地產(chǎn)區(qū)封丘所產(chǎn)金銀花為一類，新密和平邑所產(chǎn)金銀花聚為一類；而非道地產(chǎn)區(qū)南京、昆明、桂林所產(chǎn)金銀花各自分為一類。從生產(chǎn)調(diào)查和文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，道地產(chǎn)區(qū)封丘種植在黃淮海平原，河南新密種植在山區(qū)，山東平邑多種植在山崗梯田，由于山地和平原在土質(zhì)上的一些差異導(dǎo)致了所產(chǎn)金銀花在微量元素含量上的一些差異。而昆明和桂林盡管都處于西南地區(qū)，但由于兩地海拔差距明顯，昆明地處云貴高原，且兩地土壤成分也有不同，故這兩地所產(chǎn)金銀花微量元素含量彼此間也有一定差異。這體現(xiàn)了地勢和海拔高低對金銀花分類的影響。

當(dāng)訓(xùn)練步數(shù)為120步時，6地所產(chǎn)金銀花各自分為一類，這與實際情況相吻合，畢竟各地所產(chǎn)金銀花在質(zhì)量和微量元素含量等方面是不可能完全一致的。

3 結(jié)語

SOM網(wǎng)絡(luò)的自組織學(xué)習(xí)過程是以無監(jiān)督的訓(xùn)練學(xué)習(xí)方式進(jìn)行的，操作簡便易行，只要將有關(guān)數(shù)據(jù)提供給網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)就會通過自身訓(xùn)練、學(xué)習(xí)、競爭，最后輸出相應(yīng)的分類數(shù)目和分類結(jié)果。在學(xué)習(xí)算法上，它模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)，利用神經(jīng)元之間的興奮，協(xié)調(diào)與抑制，競爭的作用來進(jìn)行信息處理的動力學(xué)原理，指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)與工作。與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，拓寬了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在模式識別、分類方面的作用。應(yīng)用SOM網(wǎng)絡(luò)對不同產(chǎn)地金銀花進(jìn)行分類，其分類結(jié)果體現(xiàn)了由于自然條件的不同，各地所產(chǎn)金銀花藥材質(zhì)量與地域、氣候有較為密切的關(guān)系，其結(jié)果符合生產(chǎn)實際。

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