神经网络模型（神经网络模型 nlp是什么意思）

本文目录

• 神经网络模型 nlp是什么意思
• 什么叫神经网络模型
• 神经网络模型有几种分类方法，试给出一种分类
• 神经网络BP模型
• 神经网络模型的机理结构
• 神经网络模型的介绍
• 神经网络模型的解剖
• 人工神经网络的网络模型
• 有哪些深度神经网络模型
• 神经网络Kohonen模型

神经网络模型 nlp是什么意思

NLP是神经语言程序学 (Neuro-Linguistic Programming) 的英文缩写。在香港，也有意译为身心语法程式学的。N (Neuro) 指的是神经系统，包括大脑和思维过程。L (Linguistic) 是指语言，更准确点说，是指从感觉信号的输入到构成意思的过程。P (Programming) 是指为产生某种后果而要执行的一套具体指令。即指我们思维上及行为上的习惯，就如同电脑中的程式，可以透过更新软件而改变。故此，NLP也可以解释为研究我们的大脑如何工作的学问。知道大脑如何工作后，我们可以配合和提升它，从而使人生更成功快乐。也因此，把NLP译为“身心语法程式学“或“神经语言程式学“。

什么叫神经网络模型

神经网络模型是个比较抽象的概念，你确定了一个神经网络的层数，输入、隐含、输出层数，输入输出函数，各层节点数之后，就可以说你建立了一个神经网络模型。这里的模型，也就指框架。

神经网络模型有几种分类方法，试给出一种分类

神经网络模型的分类人工神经网络的模型很多，可以按照不同的方法进行分类。其中，常见的两种分类方法是，按照网络连接的拓朴结构分类和按照网络内部的信息流向分类。1 按照网络拓朴结构分类网络的拓朴结构，即神经元之间的连接方式。按此划分，可将神经网络结构分为两大类：层次型结构和互联型结构。层次型结构的神经网络将神经元按功能和顺序的不同分为输出层、中间层（隐层）、输出层。输出层各神经元负责接收来自外界的输入信息，并传给中间各隐层神经元；隐层是神经网络的内部信息处理层，负责信息变换。根据需要可设计为一层或多层；最后一个隐层将信息传递给输出层神经元经进一步处理后向外界输出信息处理结果。 而互连型网络结构中，任意两个节点之间都可能存在连接路径，因此可以根据网络中节点的连接程度将互连型网络细分为三种情况：全互连型、局部互连型和稀疏连接型2 按照网络信息流向分类从神经网络内部信息传递方向来看，可以分为两种类型：前馈型网络和反馈型网络。单纯前馈网络的结构与分层网络结构相同，前馈是因网络信息处理的方向是从输入层到各隐层再到输出层逐层进行而得名的。前馈型网络中前一层的输出是下一层的输入，信息的处理具有逐层传递进行的方向性，一般不存在反馈环路。因此这类网络很容易串联起来建立多层前馈网络。反馈型网络的结构与单层全互连结构网络相同。在反馈型网络中的所有节点都具有信息处理功能，而且每个节点既可以从外界接受输入，同时又可以向外界输出。

神经网络BP模型

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(xp，dp)，p=1，2，…，P；

输入模式矩阵X[N][P]=(x1，x2，…，xP)；

目标模式矩阵d[M][P]=(d1，d2，…，dP)。

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Δmax；

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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y2kp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

y0i=xi，i=1，2，…，S0；

隐含层

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y1j=f1(z1j)，

j=1，2，…，S1；

输出层

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y2k=f2(z2k)，

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y2m的函数，但只有一个y2k与wkj有关，各y2m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

δ2k=(dk-y2k)·f2′(z2k)，

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y2k的函数，针对某一个w1ji，对应一个y1j，它与所有的y2k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Δmax

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Δmax，默认上界设置为

Δmax=50.0。

在很多实验中，发现通过设置最大权更新值Δmax到相当小的值，例如

Δmax=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]。

中国矿产资源评价新技术与评价新模型

f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{0，1}。

类型2

中国矿产资源评价新技术与评价新模型

f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围[-1，1]。

中国矿产资源评价新技术与评价新模型

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 Xmax[N]，Xmin[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Xrng[N]；

2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量Xmid[N]；

3)计算W，b的幅度因子Wmag；

4)产生[-1，1]之间均匀分布的S0×1维随机数矩阵Rand[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Xrng[N]；

2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量Xmid[N]；

3)计算W，b的幅度因子Wmag；

4)产生[-1，1]之间均匀分布的S0×1维随机数矩阵Rand[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Xrng[N]；

2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量Xmid[N]；

3)计算W，b的幅度因子Wmag；

4)产生[-1，1]之间均匀分布的S0×1维随机数矩阵Rand[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]。

(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(xp，dp)，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Δij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xp，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xp(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

神经网络模型的机理结构

神经网络的基本组成单元是神经元，在数学上的神经元模型是和在生物学上的神经细胞对应的。或者说，人工神经网络理论是用神经元这种抽象的数学模型来描述客观世界的生物细胞的。很明显，生物的神经细胞是神经网络理论诞生和形成的物质基础和源泉。这样，神经元的数学描述就必须以生物神经细胞的客观行为特性为依据。因此，了解生物神经细胞的行为特性就是一件十分重要而必须的事了。神经网络的拓朴结构也是以生物学解剖中神经细胞互连的方式为依据的。对神经细胞相互作用情况的揭露也是十分重要的。神经元是神经网络基本元素。只有了解神经元才能认识神经网络的本质。在这一节介绍神经元的生物学解剖，信息的处理与传递方式，工作功能以及其数学模型。

神经网络模型的介绍

神经网络（Neural Networks,NN）是由大量的、简单的处理单元（称为神经元）广泛地互相连接而形成的复杂网络系统，它反映了人脑功能的许多基本特征，是一个高度复杂的非线性动力学习系统。神经网络具有大规模并行、分布式存储和处理、自组织、自适应和自学能力，特别适合处理需要同时考虑许多因素和条件的、不精确和模糊的信息处理问题。神经网络的发展与神经科学、数理科学、认知科学、计算机科学、人工智能、信息科学、控制论、机器人学、微电子学、心理学、光计算、分子生物学等有关，是一门新兴的边缘交叉学科。神经网络的基础在于神经元。神经元是以生物神经系统的神经细胞为基础的生物模型。在人们对生物神经系统进行研究，以探讨人工智能的机制时，把神经元数学化，从而产生了神经元数学模型。大量的形式相同的神经元连结在—起就组成了神经网络。神经网络是一个高度非线性动力学系统。虽然，每个神经元的结构和功能都不复杂，但是神经网络的动态行为则是十分复杂的；因此，用神经网络可以表达实际物理世界的各种现象。神经网络模型是以神经元的数学模型为基础来描述的。人工神经网络(ArtificialNuearlNewtokr)s,是对人类大脑系统的一阶特性的一种描。简单地讲,它是一个数学模型。神经网络模型由网络拓扑．节点特点和学习规则来表示。神经网络对人们的巨大吸引力主要在下列几点：1．并行分布处理。2．高度鲁棒性和容错能力。3．分布存储及学习能力。4．能充分逼近复杂的非线性关系。在控制领域的研究课题中，不确定性系统的控制问题长期以来都是控制理论研究的中心主题之一，但是这个问题一直没有得到有效的解决。利用神经网络的学习能力，使它在对不确定性系统的控制过程中自动学习系统的特性，从而自动适应系统随时间的特性变异，以求达到对系统的最优控制；显然这是一种十分振奋人心的意向和方法。人工神经网络的模型现在有数十种之多，应用较多的典型的神经网络模型包括BP神经网络、Hopfield网络、ART网络和Kohonen网络。 学习是神经网络一种最重要也最令人注目的特点。在神经网络的发展进程中,学习算法的研究有着十分重要的地位。目前,人们所提出的神经网络模型都是和学习算法相应的。所以,有时人们并不去祈求对模型和算法进行严格的定义或区分。有的模型可以有多种算法。而有的算法可能可用于多种模型。在神经网络中,对外部环境提供的模式样本进行学习训练,并能存储这种模式,则称为感知器;对外部环境有适应能力,能自动提取外部环境变化特征,则称为认知器。神经网络在学习中,一般分为有教师和无教师学习两种。感知器采用有教师信号进行学习,而认知器则采用无教师信号学习的。在主要神经网络如Bp网络,Hopfield网络,ART络和Kohonen网络中;Bp网络和Hopfield网络是需要教师信号才能进行学习的;而ART网络和Khonone网络则无需教师信号就可以学习49。所谓教师信号,就是在神经网络学习中由外部提供的模式样本信号。

神经网络模型的解剖

在人体内，神经元的结构形式并非是完全相同的；但是，无论结构形式如何，神经元都是由一些基本的成份组成的。神经元的生物学解剖可以用图1—1所示的结构表示。从图中可以看出：神经元是由细胞体，树突和轴突三部分组成。 细胞体突起的最长的外伸管状纤维称为轴突。轴突最长可达1米以上。轴突是把神经元兴奋的信息传出到其它神经元的出口。突触是一个神经元与另一个神经元之间相联系并进行信息传送的结构。如图1—2所示。它由突触前成分，突触间隙和突触后成分组成。突触前成分是一·个神经元的轴突末梢。突触间隙是突触前成分与后成分之间的距离空间，间隙一般为200—300Å。突触后成分可以是细胞体，树突或轴突。突触的存在说明：两个神经元的细胞质并不直接连通，两者彼此联系是通过突触这种结构接口的。有时．也把突触看作是神经元之间的连接。目前，根据神经生理学研究，已经发现神经元及其间的突触起码有4种不同行为。神经元4种生物行为有：(1)能处于抑制或兴奋状态；(2)能产生爆发和平台两种情况；(3)能产生抑制后的反冲；(4)具有适应性。突触的4种生物行为有：(1)能进行信息综合；(2)能产生渐次变化的传送；(3)有电接触和化学接触等多种连接方式；(4)会产生延时激发。目前，人工神经网络的研究仅仅是对神经元的第一种行为和突触的第一种行为进行模拟，其它行为尚未考虑。所以，神经网络的研究只是处于起步的初级阶段，后边还有大量的工作等人们去探讨和研究。目前，神经网络的研究已向人们展示了其美好的前景；只要按阶段不断取得进展，神经元和突触的其它行为是完全可以实现人工模拟的。

人工神经网络的网络模型

人工神经网络模型主要考虑网络连接的拓扑结构、神经元的特征、学习规则等。目前，已有近40种神经网络模型，其中有反传网络、感知器、自组织映射、Hopfield网络、波耳兹曼机、适应谐振理论等。根据连接的拓扑结构，神经网络模型可以分为： 网络内神经元间有反馈，可以用一个无向的完备图表示。这种神经网络的信息处理是状态的变换，可以用动力学系统理论处理。系统的稳定性与联想记忆功能有密切关系。Hopfield网络、波耳兹曼机均属于这种类型。

有哪些深度神经网络模型

目前经常使用的深度神经网络模型主要有卷积神经网络(CNN) 、递归神经网络(RNN)、深信度网络(DBN) 、深度自动编码器(AutoEncoder) 和生成对抗网络(GAN) 等。递归神经网络实际.上包含了两种神经网络。一种是循环神经网络(Recurrent NeuralNetwork) ;另一种是结构递归神经网络(Recursive Neural Network)，它使用相似的网络结构递归形成更加复杂的深度网络。RNN它们都可以处理有序列的问题，比如时间序列等且RNN有“记忆”能力，可以“模拟”数据间的依赖关系。卷积网络的精髓就是适合处理结构化数据。关于深度神经网络模型的相关学习，推荐CDA数据师的相关课程，课程以项目调动学员数据挖掘实用能力的场景式教学为主，在讲师设计的业务场景下由讲师不断提出业务问题，再由学员循序渐进思考并操作解决问题的过程中，帮助学员掌握真正过硬的解决业务问题的数据挖掘能力。这种教学方式能够引发学员的独立思考及主观能动性，学员掌握的技能知识可以快速转化为自身能够灵活应用的技能，在面对不同场景时能够自由发挥。点击预约免费试听课。

神经网络Kohonen模型

一、Kohonen模型概述

1981年芬兰赫尔辛基大学Kohonen教授提出了一个比较完整的，分类性能较好的自组织特征影射(Self-Organizing Feature Map)人工神经网络(简称SOM网络)方案。这种网络也称为Kohonen特征影射网络。

这种网络模拟大脑神经系统自组织特征影射功能，它是一种竞争式学习网络，在学习中能无监督地进行自组织学习。

二、Hohonen模型原理

1.概述

SOM网络由输入层和竞争层组成。输入层神经元数为N，竞争层由M=R×C神经元组成，构成一个二维平面阵列或一个一维阵列(R=1)。输入层和竞争层之间实现全互连接。

SOM网络的基本思想是网络竞争层各神经元竞争对输入模式的响应机会，最后仅有一个神经元成为竞争的胜者，并对那些与获胜神经元有关的各连接权朝着更有利于它竞争的方向调整，这一获胜神经元就表示对输入模式的分类。

SOM算法是一种无教师示教的聚类方法，它能将任意输入模式在输出层映射成一维或二维离散图形，并保持其拓扑结构不变。即在无教师的情况下，通过对输入模式的自组织学习，在竞争层将分类结果表示出来。此外，网络通过对输入模式的反复学习，可以使连接权矢量空间分布密度与输入模式的概率分布趋于一致，即连接权矢量空间分布能反映输入模式的统计特征。

2.网络权值初始化

因为网络输入很可能出现在中间区，因此，如果竞争层的初始权值选择在输入空间的中间区，则其学习效果会更加有效。

3.邻域距离矩阵

SOM网络中的神经元可以按任何方式排列，这种排列可以用表示同一层神经元间的Manhattan距离的邻域距离矩阵D来描述，而两神经元的Manhattan距离是指神经元坐标相减后的矢量中，其元素绝对值之和。

4.Kohonen竞争学习规则

设SOM网络的输入模式为Xp=( ， ，…， )，p=1，2.…，P。竞争层神经元的输出值为Yj(j=1，2，…，M)，竞争层神经元j与输入层神经元之间的连接权矢量为

Wj=(wj1，wj2，…，wjN)，j=1，2，…，M。

Kohonen网络自组织学习过程包括两个部分：一是选择最佳匹配神经元，二是权矢量自适应变化的更新过程。

确定输入模式Xp与连接权矢量Wj的最佳匹配的评价函数是两个矢量的欧氏距离最小，即

，j=1，2，…，M，]]

《![CDATA[找出最小距离d《sub》g，确定获胜神经元g。

dg=mjin(dj)，j=1，2，…，M。

求输入模式Xp在竞争层的获胜神经元g及其在邻域距离nd内的神经元的输出。

中国矿产资源评价新技术与评价新模型

dgm为邻域距离矩阵D的元素，为竞争层中获胜神经元g与竞争层中其它神经元的距离。

求输入模式Xp在竞争层的获胜神经元g及其在邻域距离nd内的神经元的权值修正值。

中国矿产资源评价新技术与评价新模型

式中：i=1，2，…，N；

lr为学习速率；

t为学习循环次数。

Δwjt(t+1)的其余元素赋值为0。

进行连接权的调整

wji(t+1)=wji(t)+Δwji(t+1)。

5.权值学习中学习速率及邻域距离的更新

(1)SOM网络的学习过程分为两个阶段

第一阶段为粗学习与粗调整阶段。在这一阶段内，连接权矢量朝着输入模式的方向进行调整，神经元的权值按照期望的方向在适应神经元位置的输入空间建立次序，大致确定输入模式在竞争层中所对应的影射位置。一旦各输入模式在竞争层有了相对的影射位置后，则转入精学习与细调整阶段，即第二阶段。在这一阶段内，网络学习集中在对较小的范围内的连接权进行调整，神经元的权值按照期望的方向在输入空间伸展，直到保留到他们在粗调整阶段所建立的拓扑次序。

学习速率应随着学习的进行不断减小。

(2)邻域的作用与更新

在SOM网络中，脑神经细胞接受外界信息的刺激产生兴奋与抑制的变化规律是通过邻域的作用来体现的邻域规定了与获胜神经元g连接的权向量Wg进行同样调整的其他神经元的范围。在学习的最初阶段，邻域的范围较大，随着学习的深入进行，邻域的范围逐渐缩小。

(3)学习速率及邻域距离的更新

在粗调整阶段，

学习参数初始化

最大学习循环次数 MAX_STEP1=1000，

粗调整阶段学习速率初值 LR1=1.4，

细调整阶段学习速率初值 LR2=0.02，

最大邻域距离 MAX_ND1=Dmax，

Dmax为邻域距离矩阵D的最大元素值。

粗调阶段

学习循环次数step≤MAX_STEP1，

学习速率lr从LR1调整到LR2，

邻域距离nd 从MAX_ND1调整到1，

求更新系数r，

r=1-step/MAX_STEP1，

邻域距离nd更新，

nd=1.00001+(MAX_ND1-1)×r。

学习速率lr更新，

lr=LR2+(LR1-LR2)×r。

在细调整阶段，

学习参数初始化，

最大学习循环次数 MAX_STEP2=2000，

学习速率初值 LR2=0.02，

最大邻域距离 MAX_ND2=1。

细调阶段

MAX_STEP1＜step≤MAX_STEP1+MAX_STEP2，

学习速率lr慢慢从LR2减少，

邻域距离nd设为1，

邻域距离nd更新，

nd=MAX_ND2+0.00001。

学习速率lr更新，

lr=LR2×(MAX_STEP1/step)。

6.网络的回想——预测

SOM网络经学习后按照下式进行回想：

中国矿产资源评价新技术与评价新模型

Yj=0，j=1，2，…，M，(j≠g)。

将需要分类的输入模式提供给网络的输入层，按照上述方法寻找出竞争层中连接权矢量与输入模式最接近的神经元，此时神经元有最大的激活值1，而其它神经元被抑制而取0值。这时神经元的状态即表示对输入模式的分类。

三、总体算法

1.SOM权值学习总体算法

(1)输入参数X[N][P]。

(2)构造权值矩阵W[M][N]。

1)由X[N][P]求Xmid[N]，

2)由Xmid[N]构造权值W[M][N]。

(3)构造竞争层。

1)求竞争层神经元数M，

2)求邻域距离矩阵D[M][M]，

3)求矩阵D[M][M]元素的最大值Dmax。

(4)学习参数初始化。

(5)学习权值W[M][N]。

1)学习参数学习速率lr，邻域距离nd更新，分两阶段：

(i)粗调阶段更新；

(ii)细调阶段更新。

2)求输入模式X[N][p]在竞争层的获胜神经元win[p]。

(i)求X[N][p]与W[m][N]的欧氏距离dm；

(ii)按距离dm最短，求输入模式X[N][p]在竞争层的获胜神经元win[p]。

3)求输入模式X[N][p]在竞争层的获胜神经元win[p]及其在邻域距离nd内的神经元的输出Y[m][p]。

4)求输入模式X[N][p]在竞争层的获胜神经元win[p]及其

在邻域距离nd内的神经元的权值修正值ΔW[m][N]，

从而得到输入模式X[N][p]产生的权值修正值ΔW[M][N]。

5)权值修正W[M][N]=W[M][N]+ΔW[M][N]。

6)学习结束条件：

(i)学习循环到MAX_STEP次；

(ii)学习速率lr达到用户指定的LR_MIN；

(iii)学习时间time达到用户指定的TIME_LIM。

(6)输出。

1)学习得到的权值矩阵W[M][N]；

2)邻域距离矩阵D[M][M]。

(7)结束。

2.SOM预测总体算法

(1)输入需分类数据X[N][P]，邻域距离矩阵D[M][M]。

(2)求输入模式X[N][p]在竞争层的获胜神经元win[p]。

1)求X[N][p]与W[m][N]的欧氏距离dm；

2)按距离dm最短，求输入模式X[N][p]在竞争层的获胜神经元win[p]。

(3)求获胜神经元win[p]在竞争层排列的行列位置。

(4)输出与输入数据适应的获胜神经元win[p]在竞争层排列的行列位置，作为分类结果。

(5)结束。

四、总体算法流程图

Kohonen总体算法流程图见附图4。

五、数据流图

Kohonen数据流图见附图4。

六、无模式识别总体算法

假定有N个样品，每个样品测量M个变量，则有原始数据矩阵：

X=(xij)N×M，i=1，2，…，N，j=1，2，…，M。

(1)原始数据预处理

X=(xij)N×M处理为Z=(zij)N×M，

分3种处理方法：

1)衬度；

2)标准化；

3)归一化。

程序默认用归一化处理。

(2)构造Kohonen网

竞争层与输入层之间的神经元的连接权值构成矩阵WQ×M。

WQ×M初始化。

(3)进入Kohonen网学习分类循环，用epoch记录循环次数，epoch=1。

(4)在每个epoch循环中，对每个样品n(n=1，2，…，N)进行分类。从1个样品n=1开始。

(5)首先计算输入层的样品n的输入数据znm(m=1，2，…，M)与竞争层Q个神经元对应权值wqm的距离。

(6)寻找输入层的样品n与竞争层Q个神经元的最小距离，距离最小的神经元Win[n]为获胜神经元，将样品n归入获胜神经元Win[n]所代表的类型中，从而实现对样品n的分类。

(7)对样品集中的每一个样品进行分类：

n=n+1。

(如果n≤N，转到5。否则，转到8。)

(8)求分类后各神经元所对应的样品的变量的重心，用对应的样品的变量的中位数作为重心，用对应的样品的变量的重心来更新各神经元的连接权值。

(9)epoch=epoch+1；

一次学习分类循环结束。

(10)如果满足下列两个条件之一，分类循环结束，转到11；

否则，分类循环继续进行，转到4。

1)全部样品都固定在某个神经元上，不再改变了；

2)学习分类循环达到最大迭代次数。

(11)输出：

1)N个样品共分成多少类，每类多少样品，记录每类的样品编号；

2)如果某类中样品个数超过1个，则输出某类的样品原始数据的每个变量的均值、最小值、最大值和均方差；

3)如果某类中样品个数为1个，则输出某类的样品原始数据的各变量值；

4)输出原始数据每个变量(j=1，2，…，M)的均值，最小值，最大值和均方差。

(12)结束。

七、无模式识别总体算法流程图

Kohonen无模式总体算法流程图见附图5。

神经元