基于PSO算法集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多元有害氣體檢測系統(tǒng)*

龔雪飛,劉 萍,簡家文

(寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 寧波 315211)

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基于PSO算法集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多元有害氣體檢測系統(tǒng)*

龔雪飛,劉 萍,簡家文*

(寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 寧波 315211)

針對目前常見的多元有害氣體檢測問題,搭建了一套基于傳感器陣列和集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的多元有害氣體檢測系統(tǒng)。為了提高該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和預(yù)測精度,提出使用粒子群算法(PSO)優(yōu)化集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重系數(shù)的方法,即利用PSO的全局搜索能力,對該系統(tǒng)的集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化,再以優(yōu)化后的權(quán)重系數(shù)實現(xiàn)多個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)論結(jié)合。該系統(tǒng)對傳感器陣列的4種混合有害氣體的響應(yīng)信號進(jìn)行回歸分析。結(jié)果顯示,該系統(tǒng)PSO算法的集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的平均相對誤差小于1%,網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和泛化能力。

集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);PSO;傳感器陣列;多元有害氣體檢測

隨著近代工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,在此過程中產(chǎn)生了大量的NOx、CO、CO2等有毒、有害氣體,O2作為衡量大氣的有效標(biāo)桿,因此,檢測上述氣體濃度對改善大氣環(huán)境具有現(xiàn)實意義[1]。傳統(tǒng)傳感器氣體檢測都是基于單一氣體的主成分特征,但是當(dāng)多種有害氣體發(fā)生混合時,氣體之間相互干擾造成主成分特征丟失,導(dǎo)致檢測無法正常完成[2]。針對這一缺陷,將氣敏傳感器陣列和模式識別技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建的多元有害氣體檢測系統(tǒng),既能夠同步檢測多元氣氛又能夠很好地解決氣敏傳感器的交叉敏感問題[3-5]。

為了提高模式識別的預(yù)測精度,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成已成為一個研究熱點,近幾年對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成的研究主要集中在兩個方面,即如何構(gòu)造集成中的各個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及如何集成各個體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出[6-8]。本文提出使用PSO優(yōu)化集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重系數(shù)的算法,以實現(xiàn)集成多個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出。并對比經(jīng)典Adaboost算法的集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PSO算法的集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的精確度,分析兩種網(wǎng)絡(luò)的性能。

1 檢測系統(tǒng)與實驗

1.1 檢測系統(tǒng)

本文中的有害氣體檢測系統(tǒng)是模擬人的嗅覺系統(tǒng)對被測氣體進(jìn)行感知、分析和識別,由氣敏傳感器陣列、傳感器信號預(yù)處理、陣列信號采集和模式識別4部分組成的檢測系統(tǒng),其原理如圖1所示。

圖1 檢測系統(tǒng)原理圖

圖2 檢測系統(tǒng)硬件模塊

本文選用A2-O2氧氣傳感器、TGS4160二氧化碳傳感器、TGS2201一氧化碳傳感器、NO2-AE二氧化氮傳感器、HTG3515溫濕度傳感器組成陣列,如圖2(a)所示。利用動態(tài)配氣的方法將4種的標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)過4臺精密流量控制器進(jìn)行流量調(diào)節(jié)、配比、混合,模擬實現(xiàn)多元有害氣體混合的環(huán)境,后流入封閉的測試裝置,如圖2(b)所示。

為了便于對傳感器信號的采集,需對傳感器信號進(jìn)行預(yù)處理,預(yù)處理后輸出的信號均為模擬電壓。之后使用美國NI公司的PCI 6221采集板卡實現(xiàn)傳感器陣列信號采集。

由于選取的傳感器輸出參數(shù)不同,因此針對每個傳感器設(shè)計信號預(yù)處理電路,主要將傳感器輸出信號進(jìn)行流壓轉(zhuǎn)換,信號放大,濾波等處理。圖3(a)是電化學(xué)傳感器(氧氣傳感器、二氧化氮傳感器),圖3(b)是半導(dǎo)體傳感器(二氧化碳傳感器、一氧化碳傳感器)傳感器信號預(yù)處理電路。

圖3 傳感器預(yù)處理電路

圖3(a)中,傳感器輸出電流信號Iin,R2為一個定值反饋電阻,R3表示可調(diào)電阻,R2、C2構(gòu)成低通濾波器,R2、R3及運(yùn)算放大器構(gòu)成反向放大電路并進(jìn)行流壓轉(zhuǎn)換:

Vout=-Iin*(R2+R3)

(1)

圖3(b)中,VC表示整個回路電壓,VH是傳感器上加熱電壓,R1與傳感器內(nèi)阻Rs構(gòu)成分壓電路,R2、R3及運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓放大電路:

Vout=VC*R1*(R2+R3)/(R1+Rs)*R2

(2)

1.2 實驗過程

本文根據(jù)工業(yè)排放規(guī)定及傳感器敏感范圍選定氣體體積分?jǐn)?shù)范圍:O2[18%～22%]、NO2[0～2.5×10-4]、CO[0～1.0×10-3]、CO2[0～5.0×10-3],配制了510組混合氣體,盡可能覆蓋整個被測空間。將配好的氣體逐一通入測試裝置,氣體與傳感器陣列反應(yīng),采集傳感器響應(yīng)信號,得到510組樣本數(shù)據(jù):X(氣體濃度)-Y(傳感器響應(yīng)值)。

2 PSO優(yōu)化集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

2.1 PSO算法

粒子群(PSO)是一種新穎的演化算法,該算法通過粒子間的相互作用在復(fù)雜搜索空間中發(fā)現(xiàn)最優(yōu)區(qū)域,具有訓(xùn)練精度較高、收斂性良好等優(yōu)點[9-10]。粒子群算法的具體實現(xiàn)如下:假設(shè)在一個D維的目標(biāo)搜索空間中,有m個粒子組成一個群體,其中第i個粒子的位置為xi=(xi1,xi2,…,xiD) i=1,2,…,m;其速度也是一D維向量:vi=(vi1,…,vi2,viD) i=1,2,…,m;第i個粒子迄今為止搜索到的最優(yōu)位置為pi=(pi1,pi2,…,piD) i=1,2,…,m;整個粒子群搜索到的最優(yōu)位置為pg=(pg1,pg2,…,pgD) g=1,2,…,m;粒子更新公式如下:

vid(t+1)=

w*vid(t)+c1r1(pid-xid(t))+c2r2(pgd-xid(t))

(3)

xid(t+1)=xid(t)+vid(t+1) d=1,2,…,D;

(4)

式中:c1、c2均為學(xué)習(xí)因子,非負(fù)常數(shù);r1、r2均為服從[0-1]的均勻分布隨機(jī)數(shù);vmax為非負(fù)數(shù);w為慣性權(quán)重函數(shù);STEP、STEPmax分別為當(dāng)前迭代步數(shù)和最大迭代步數(shù)。

圖4 PSO算法的集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程圖

2.2 PSO優(yōu)化集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1990年,Hansen和Salamon證明:可以簡單地通過訓(xùn)練多個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并將其結(jié)果進(jìn)行合成,顯著地提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的泛化能力。1996年Sollich和Krough的定義,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成是用有限神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對同一個問題進(jìn)行學(xué)習(xí),集成在某輸入示例下的輸出由構(gòu)成集成的各神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在該示例下的輸出共同決定。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成研究的關(guān)鍵問題是:在確定集成神經(jīng)結(jié)構(gòu)后,如何集成各個體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出[11-12]。

因此,本文首先通過改變BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱藏層神經(jīng)元數(shù)來構(gòu)造具有差異性的集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的個體網(wǎng)絡(luò);其次,優(yōu)化集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的集成度;最后,使用PSO算法優(yōu)化集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重系數(shù),以實現(xiàn)集成多個BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出,構(gòu)建一個性能極好的集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。PSO優(yōu)化集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程,如圖4所示。

3 實驗結(jié)果與算法性能分析

3.1 交叉敏感性測試

將本測試系統(tǒng)的NO2傳感器分別在4.0×10-5～2.0×10-4NO2+余N2和參雜有一定濃度(CO、CO2)的4.0×10-5～2.0×10-4NO2+余N2混合氣體中進(jìn)行測試,呈現(xiàn)出如圖5所示的特性曲線。

圖5 NO2傳感器在不同氣氛中輸出對比圖

從圖5可以得到,雖然CO2對NO2基本不產(chǎn)生干擾,但不同濃度的CO對NO2表現(xiàn)出不同的干擾特性。因此可以得出采用單一傳感器由于交叉干擾的問題無法實現(xiàn)對多種共存氣體的精確測試。

3.2 PSO優(yōu)化集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)學(xué)習(xí)

對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化,隨機(jī)取450組樣本數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本輸入上文所構(gòu)建的集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,訓(xùn)練完成后保存集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù),完成集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立。剩余60組樣本數(shù)據(jù)測試該網(wǎng)絡(luò)性能,計算網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測誤差。通過不斷訓(xùn)練學(xué)習(xí),調(diào)整集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù),從而得出一個針對本實驗數(shù)據(jù)能夠快速收斂并且進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測的集成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。下面將分別介紹幾個參數(shù)的調(diào)整實驗。

3.2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整

網(wǎng)絡(luò)集成時,既要保證個體網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測精度,又要保證個體之間的差異性,由表1可知,在隱藏層神經(jīng)元數(shù)大于7時,各組氣氛能達(dá)到較小的平均相對誤差較小。因此,構(gòu)建集成網(wǎng)絡(luò)時將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱藏層神經(jīng)元數(shù)設(shè)成不同數(shù)值(8～14),以保證網(wǎng)絡(luò)組中個體網(wǎng)絡(luò)的差異性。

表1 隱藏層不同神經(jīng)元數(shù)的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測平均相對誤差

注:平均相對誤差=(|網(wǎng)絡(luò)實際輸出-期望輸出|)/期望輸出×100%;

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)集成度參數(shù)調(diào)整

上文對集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的差異性個體網(wǎng)絡(luò)組建進(jìn)行了闡明,接下來介紹集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的集成度參數(shù)調(diào)整。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成的規(guī)模較大,即個體網(wǎng)絡(luò)較多時,對結(jié)論的權(quán)進(jìn)行優(yōu)化沒有好處,適于使用簡單平均等結(jié)論合成方法;而在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成的規(guī)模較小,即個體網(wǎng)絡(luò)較少時,對結(jié)論的權(quán)進(jìn)行優(yōu)化將提高學(xué)習(xí)系統(tǒng)的泛化能力。因此網(wǎng)絡(luò)的集成度要選擇恰當(dāng),這就需要在訓(xùn)練過程中,調(diào)整網(wǎng)絡(luò)集成度。表2為網(wǎng)絡(luò)集成度取不同值的條件下,所得到的預(yù)測平均相對誤差。

表2 不同網(wǎng)絡(luò)集成度的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測平均相對誤差

由表2可知,在集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成度為10時,各組氣氛的預(yù)測平均相對誤差最小。

3.2.3 PSO參數(shù)調(diào)整

為了提高集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力和預(yù)測精度,本文利用PSO的全局搜索能力,對該網(wǎng)絡(luò)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化,再以優(yōu)化后的權(quán)重系數(shù)實現(xiàn)多個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)論結(jié)合。隨機(jī)初始化粒子并形成粒子群體,將粒子映射為集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重。由于粒子群的規(guī)模,不僅影響搜索精度,還影響算法的收斂速度,因此,在保證搜索精度的情況下,盡量取較小規(guī)模的粒子群[14]。本實驗通過改變粒子群體規(guī)模,尋找最優(yōu)的粒子群的規(guī)模。表3為PSO不同粒子群規(guī)模時,網(wǎng)絡(luò)所得到的預(yù)測平均相對誤差。

表3 不同粒子群體規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測平均相對誤差

由表3可知,在PSO粒子群規(guī)模為30時,既保證了各組分氣體具有較小的相對誤差,又保證了較快了收斂速度。

3.3 實驗結(jié)果及對比分析

將3.2學(xué)習(xí)好的參數(shù)保存,并建立PSO算法的集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),取上節(jié)450組訓(xùn)練樣本輸入網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,訓(xùn)練完成后保存該網(wǎng)絡(luò)參數(shù),使用剩下的60組樣本進(jìn)行測試,記錄測試結(jié)果。為了比較網(wǎng)絡(luò)的性能,本文同時采用經(jīng)典Adaboost集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在相同情況下進(jìn)行訓(xùn)練。即采用同樣的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),同樣的測試樣本進(jìn)行測試。兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試的結(jié)果見表4。

表4 AdaBoost、PSO算法的集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果誤差比較

注:①誤差=|網(wǎng)絡(luò)實際輸出-期望輸出|;②相對誤差=(|網(wǎng)絡(luò)實際輸出-期望輸出|)/期望輸出×100%。

從表1中可以得到:在相同的訓(xùn)練樣本時,PSO算法的集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較經(jīng)典Adaboost集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更小的預(yù)測誤差,PSO算法的集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的平均相對誤差均小于1%;在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時,有效避免訓(xùn)練時進(jìn)入局部最優(yōu)解,提高了預(yù)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

針對多元有害氣體檢測問題,本文利用PSO算法優(yōu)化集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型來實現(xiàn)對傳感器陣列信號分析,從實驗結(jié)果可以得到如下結(jié)論:使用傳感器陣列檢測多元氣體能夠消除氣體交叉響應(yīng)的影響,攝取更多混合氣體組分信息和濃度信息;將集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳感器陣列技術(shù)組合的檢測系統(tǒng)對多元有害氣體的檢測取得了較好的效果,在定量檢測實驗中,預(yù)測的平均誤差百分比均小于1%;PSO算法的集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法要較經(jīng)典Adaboost集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法能夠達(dá)到更小的預(yù)測誤差,并且建模穩(wěn)定性高。

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龔雪飛(1989-),男,寧波大學(xué)碩士研究生,主要研究方向為傳感器陣列信號融合,1025500740@qq.com;

簡家文(1967-),男,寧波大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向為氣體敏感材料與傳感器制備、傳感器信號處理以及智能儀表,jianjiawen@nbu.edu.cn。

Based on the Integrated Neutral-Network Optimized byPSO Multiple Harmful Gas Detection System*

GONGXuefei,LIUPing,JIANJiawen*

(School of Information Science and Engineering,Ningbo University,Ningbo Zhejiang 315211,China)

Aiming at the common multiple harmful gas detection problem,a gas detection system was developed by combining a sensor array with the integrated neutral-network. In order to improve stability and prediction accuracy of the system,put forward using particle swarm optimization(PSO)to optimize the weight coefficient of integrated neutral-network,namely,utilizing the global search ability of PSO to global optimization of the network weight coefficient,then use the weight coefficient implement multiple conclusions combination of neural network. This system is performing regression analysis on the response signal of four harmful gases mixture measured by sensor array. The results show that the prediction average relative error of the integrated neutral-network optimized by PSO was found to be within 1%,and the network has better stability and generalization ability.

integrated neutral-network;PSO algorithm;sensor array;mix harmful gas detection

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(61471210);浙江省科技廳重大科技專項重點工業(yè)項目(2011C16037);浙江省寧波市科技局自然科學(xué)基金項目(2013A610002)

2014-12-15 修改日期:2015-03-03

C:1295;6150P;7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.06.027

TP183;TP212

A

1004-1699(2015)06-0938-05