
BP神经网络基本原理
2.1 BP神经网络基本原理
BP网络模型处理信息的基本原理是:输入信号Xi通过中间节点(隐层点)作用于输出节点,经过非线形变换,产生输出信号Yk,网络训练的每个样本包括输入向量X和期望输出量t,网络输出值Y与期望输出值t之间的偏差,通过调整输入节点与隐层节点的联接强度取值Wij和隐层节点与输出节点之间的联接强度Tjk以及阈值,使误差沿梯度方向下降,经过反复学习训练,确定与最小误差相对应的网络参数(权值和阈值),训练即告停止。此时经过训练的神经网络即能对类似样本的输入信息,自行处理输出误差最小的经过非线形转换的信息。
2.2 BP神经网络模型
BP网络模型包括其输入输出模型、作用函数模型、误差计算模型和自学习模型。
(1)节点输出模型
隐节点输出模型:Oj=f(∑Wij×Xi-qj) (1)
输出节点输出模型:Yk=f(∑Tjk×Oj-qk) (2)
f-非线形作用函数;q-神经单元阈值。
图1 典型BP网络结构模型
(2)作用函数模型
作用函数是反映下层输入对上层节点刺激脉冲强度的函数又称刺激函数,一般取为(0,1)内连续取值Sigmoid函数: f(x)=1/(1+e-x) (3)
(3)误差计算模型
误差计算模型是反映神经网络期望输出与计算输出之间误差大小的函数:
Ep=1/2×∑(tpi-Opi)2 (4)
tpi- i节点的期望输出值;Opi-i节点计算输出值。
(4)自学习模型
神经网络的学习过程,即连接下层节点和上层节点之间的权重拒阵Wij的设定和误差修正过程。BP网络有师学习方式-需要设定期望值和无师学习方式-只需输入模式之分。自学习模型为
△Wij(n+1)=h×Фi×Oj+a×△Wij(n)(5)
h-学习因子;Фi-输出节点i的计算误差;Oj-输出节点j的计算输出;a-动量因子。
2.3 BP网络模型的缺陷分析及优化策略
(1)学习因子h的优化
采用变步长法根据输出误差大小自动调整学习因子,来减少迭代次数和加快收敛速度。
h=h+a×(Ep(n)- Ep(n-1))/ Ep(n)a为调整步长,0~1之间取值(6)
(2)隐层节点数的优化
隐节点数的多少对网络性能的影响较大,当隐节点数太多时,会导致网络学习时间过长,甚至不能收敛;而当隐节点数过小时,网络的容错能力差。利用逐步回归分析法并进行参数的显著性检验来动态删除一些线形相关的隐节点,节点删除标准:当由该节点出发指向下一层节点的所有权值和阈值均落于死区(通常取±0.1、±0.05等区间)之中,则该节点可删除。最佳隐节点数L可参考下面公式计算:
L=(m+n)1/2+c (7)
m-输入节点数;n-输出节点数;c-介于1~10的常数。
(3)输入和输出神经元的确定
利用多元回归分析法对神经网络的输入参数进行处理,删除相关性强的输入参数,来减少输入节点数。
(4)算法优化
由于BP算法采用的是剃度下降法,因而易陷于局部最小并且训练时间较长。用基于生物免疫机制地既能全局搜索又能避免未成熟收敛的免疫遗传算法IGA取代传统BP算法来克服此缺点。
3.优化BP神经网络在系统安全评价中的应用
系统安全评价包括系统固有危险性评价、系统安全管理现状评价和系统现实危险性评价三方面内容。其中固有危险性评价指标有物质火灾爆炸危险性、工艺危险性、设备装置危险性、环境危险性以及人的不可靠性。
3.1 基于优化BP神经网络的系统安全评价模型
图-2基于优化BP神经网络的系统安全评价模型
3.2 BP神经网络在系统安全评价中的应用实现
(1)确定网络的拓扑结构,包括中间隐层的层数,输入层、输出层和隐层的节点数。
(2)确定被评价系统的指标体系包括特征参数和状态参数
运用神经网络进行安全评价时,首先必须确定评价系统的内部构成和外部环境,确定能够正确反映被评价对象安全状态的主要特征参数(输入节点数,各节点实际含义及其表达形式等),以及这些参数下系统的状态(输出节点数,各节点实际含义及其表达方式等)。
(3)选择学习样本,供神经网络学习
选取多组对应系统不同状态参数值时的特征参数值作为学习样本,供网络系统学习。这些样本应尽可能地反映各种安全状态。其中对系统特征参数进行(-∞,∞)区间地预处理,对系统参数应进行(0,1)区间地预处理。神经网络的学习过程即根据样本确定网络的联接权值和误差反复修正的过程。
(4)确定作用函数,通常选择非线形S型函数
(5)建立系统安全评价知识库
通过网络学习确认的网络结构包括:输入、输出和隐节点数以及反映其间关联度的网络权值的组合;即为具有推理机制的被评价系统的安全评价知识库。
(6)进行实际系统的安全评价
经过训练的神经网络将实际评价系统的特征值转换后输入到已具有推理功能的神经网络中,运用系统安全评价知识库处理后得到评价实际系统的安全状态的评价结果。实际系统的评价结果又作为新的学习样本输入神经网络,使系统安全评价知识库进一步充实。
3.3 BP神经网络理论应用于系统安全评价中的优点
(1)利用神经网络并行结构和并行处理的特征,通过适当选择评价项目,能克服安全评价的片面性,可以全面评价系统的安全状况和多因数共同作用下的安全状态。
(2)运用神经网络知识存储和自适应特征,通过适应补充学习样本,可以实现历史经验与新知识完满结合,在发展过程中动态地评价系统的安全状态。
(3)利用神经网络理论的容错特征,通过选取适当的作用函数和数据结构,可以处理各种非数值性指标,实现对系统安全状态的模糊评价。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
机器学习解决实际问题的核心关键:从业务到落地的全流程解析 在人工智能技术落地的浪潮中,机器学习作为核心工具,已广泛应用于 ...
2025-09-09SPSS 编码状态区域中 Unicode 的功能与价值解析 在 SPSS(Statistical Product and Service Solutions,统计产品与服务解决方案 ...
2025-09-09CDA 数据分析师:驾驭商业数据分析流程的核心力量 在商业决策从 “经验驱动” 向 “数据驱动” 转型的过程中,商业数据分析总体 ...
2025-09-09R 语言:数据科学与科研领域的核心工具及优势解析 一、引言 在数据驱动决策的时代,无论是科研人员验证实验假设(如前文中的 T ...
2025-09-08T 检验在假设检验中的应用与实践 一、引言 在科研数据分析、医学实验验证、经济指标对比等领域,常常需要判断 “样本间的差异是 ...
2025-09-08在商业竞争日益激烈的当下,“用数据说话” 已从企业的 “加分项” 变为 “生存必需”。然而,零散的数据分析无法持续为业务赋能 ...
2025-09-08随机森林算法的核心特点:原理、优势与应用解析 在机器学习领域,随机森林(Random Forest)作为集成学习(Ensemble Learning) ...
2025-09-05Excel 区域名定义:从基础到进阶的高效应用指南 在 Excel 数据处理中,频繁引用单元格区域(如A2:A100、B3:D20)不仅容易出错, ...
2025-09-05CDA 数据分析师:以六大分析方法构建数据驱动业务的核心能力 在数据驱动决策成为企业共识的当下,CDA(Certified Data Analyst) ...
2025-09-05SQL 日期截取:从基础方法到业务实战的全维度解析 在数据处理与业务分析中,日期数据是连接 “业务行为” 与 “时间维度” 的核 ...
2025-09-04在卷积神经网络(CNN)的发展历程中,解决 “梯度消失”“特征复用不足”“模型参数冗余” 一直是核心命题。2017 年提出的密集连 ...
2025-09-04CDA 数据分析师:驾驭数据范式,释放数据价值 在数字化转型浪潮席卷全球的当下,数据已成为企业核心生产要素。而 CDA(Certified ...
2025-09-04K-Means 聚类:无监督学习中数据分群的核心算法 在数据分析领域,当我们面对海量无标签数据(如用户行为记录、商品属性数据、图 ...
2025-09-03特征值、特征向量与主成分:数据降维背后的线性代数逻辑 在机器学习、数据分析与信号处理领域,“降维” 是破解高维数据复杂性的 ...
2025-09-03CDA 数据分析师与数据分析:解锁数据价值的关键 在数字经济高速发展的今天,数据已成为企业核心资产与社会发展的重要驱动力。无 ...
2025-09-03解析 loss.backward ():深度学习中梯度汇总与同步的自动触发核心 在深度学习模型训练流程中,loss.backward()是连接 “前向计算 ...
2025-09-02要解答 “画 K-S 图时横轴是等距还是等频” 的问题,需先明确 K-S 图的核心用途(检验样本分布与理论分布的一致性),再结合横轴 ...
2025-09-02CDA 数据分析师:助力企业破解数据需求与数据分析需求难题 在数字化浪潮席卷全球的当下,数据已成为企业核心战略资产。无论是市 ...
2025-09-02Power BI 度量值实战:基于每月收入与税金占比计算累计税金分摊金额 在企业财务分析中,税金分摊是成本核算与利润统计的核心环节 ...
2025-09-01巧用 ALTER TABLE rent ADD INDEX:租房系统数据库性能优化实践 在租房管理系统中,rent表是核心业务表之一,通常存储租赁订单信 ...
2025-09-01