神经网络学习方法范文篇1

［关键词］BP神经网络农业工程农业管理农业决策

一、引言

采用神经网络算法的信息处理技术，以其较强的计算性和学习性，现如今已经在各工程领域内得到了广泛应用。随着科技不断的发展和研究的不断深入，农业系统中采用的传统分析和管理的方法已经不能满足农业工程领域快速发展的需要。在农业系统中采用神经网络技术可在一定程度上可弥补传统方法的不足，现已成为实现农业现代化的一个重要途径。神经网络现已在农业生产的各个环节得到广泛的应用，从作物营养控制、作物疾病诊断、产量预测到产品分级，显示了巨大的潜力，并正以很快的速度与生产实际相结合。目前应用比较多的BP神经网络，可通过学习以任意精度逼近任何连续映射，在农业生产与科研中展示出了广阔的应用前景。

BP人工神经网络方法。人工神经网络是对生物神经网络的简化和模拟的一种信息处理系统，具有很强的信息存贮能力和计算能力，属于一种非经典的数值算法。通常可分为前向神经网络、反馈神经网络和自组织映射神经网络。BP神经网络(BackpropugationNeura1Network)是一种单向传播的多层前向神经网络，可通过连续不断的在相对于误差函数斜率下降的方向上计算网络权值以及偏差的变化而逐渐逼近目标值，每一次数字和偏差的变化都与网络误差的影响成正比，并以反向传播的方式传递到每一层，从而实现了神经网络的学习过程。BP人工神经网络的结构如图所示，BP神经网络可分为输入层、中间层(隐含层)和输出层，其中输入和输出都只有一层，中间层可有一层或多层。同层的网络结点之间没有连接。每个网络结点表示一个神经元，其传递函数通常采用Sigmoid型函数。BP神经网络相当于从输入到输出的高度非线性映射，对于样本输入和输出，可以认为存在某一映射函数g，使得y0=g(xi)，i＝1，2，3，…，m，其中m为样本数，xi为输入样本，yo为输出结果。

BP神经网络的一个显著优点就是其可进行自学习，能够通过训练得到预期的效果。其学习过程由正向传播和反向传播组成，神经网络的输入值经过非线性变换从输入层经隐含层神经元的逐层处理传向输出层，此为正向传播过程。每一层神经元的状态将影响到下一层神经元状态。如果输出层得到的数值与期望输出有一定的偏差，则转入反向传播过程。神经网络通过对输入值和希望的输出值(教师值)进行比较，根据两者之间的差的函数来调整神经网络的各层的连接权值和各个神经元的阈值，最终使误差函数达到最小。其调整的过程是由后向前进行的，称为误差反向传播BP算法。具体学习过程如下：

（1)随机给各个权值赋一个初始权值，要求各个权值互不相等，且均为较小的非零数。

（2)输入样本集中每一个样本值，确定相应的网络实际输出值。

（3)计算实际的输出值与相应的样本集中的相应输出值的差值。

（4)按极小误差方式调整权值矩阵。

（5)判断网络误差是否小于训练前人为设定的一个较小的值，若小于，则跳出运算，此时的结果为神经网络的最终训练结果；若大于，则继续计算。

（6）判断最大迭代次数是否大于预先设定的数，若小于，返回（2）;若大于，则中止运算，其结果为神经网络的最终训练结果。

上述的计算过程循环进行，直到完成给定的训练次数或达到设定的误差终止值。

二、BP神经网络在农业工程领域中的应用

1.在农业生产管理与农业决策中的应用

农业生产管理受地域、环境、季节等影响较大，用产生式规则完整描述实际系统，可能会因组合规则过多而无法实现。神经网络的一个显著的优点就是其具有较强的自学习、自适应、自组织能力，通过对有代表性的样本的学习可以掌握学习对象的内在规律，从而可以在一定程度上克服上述信息量大的问题。神经网络在农业生产管理方面可用于农作物生长过程中对农作物生长需求进行预测，从而通过对养分、水分、温度、以及PH值的优化控制达到最优的生长状况。采用神经网络预测算法的主要思想可描述为：（1）收集一定规模的样本集，采用BP算法进行训练，使网络收敛到预定的精度；（2）将网络权值矩阵保存到一存储介质中，例如文本文件或数据库中；（3）对于待预测数据的输入部分，从存储介质中读出网络连接权值矩阵，然后通过BP神经网络的前向传播算法计算网络输出，输出结果既是预测出来的数值向量。如霍再林等针对油葵不同阶段的相对土壤含盐浓度对其产量的影响有一定的规律的现象，以油葵的6个成长阶段的土壤溶液含盐的相对浓度为输入样本，相对产量为输出样本，通过比较发现，训练后的神经网络能较好预测油葵产量，采用此方法可补充传统模型的不足，为今后进一步的研究开辟了新路。

在农业决策方面，主要将农业专家面对各种问题时所采取的方法的经验，作为神经网络的学习样本，从而采用神经网络建立的专家系统将从一定程度上弥补了传统方法的不足，将农业决策智能化。如何勇、宋海燕针对传统专家系统自学习能力差的缺点，利用神经网络可自我训练的优点，将神经网络引入专家系统中。将小麦缺素时的田间宏观表现，叶部、茎部、果实症状及引起缺素的原因这五个方面的可信度值作为神经网络的输入量，将农业专家诊断的结论作为输出量，将这些数据作为神经网络的训练数据。实际应用表明此系统自动诊断的结果与专家现场诊断的结果基本一致，从而采用该系统能够取代专家，实现作物的自我诊断，为农业管理方面提供了极大的帮助。如马成林等针对于传统施肥决策方法中非线性关系描述不足的问题，基于数据包分析和BP神经网络，建立了施肥决策模型，应用表明，在有限的范围内，模型预测结果较为合理，可以反映玉米的需肥特性。刘铖等人提出采用神经网络应用在农业生产决策中，以莜麦播种方式决策为例，通过对产生式规则的分析导出神经网络输入、输出单元数，并通过多次试验确定隐层单元数，用MATLAB方针结果表明，采用神经网络作为农业生产决策的方法，取得了较好的效果。谭宗琨提出将基于互联网环境下的神经网络应用在玉米智能农业专家系统中，根据农作物发育进程分成若干个发育期，分别对各个发育期建立管理模型，依照作物各发育期进程时间间隔，由计算机系统自动选取相应的模型进行决策。应用分析的结果表明采用神经网络的玉米智能专家系统已初步接近农业生产的实际。

2.在农产品外观分析和品质评判

农产品的外观，如形状、大小、色泽等在生产过程中是不断变化的，并且受人为和自然等复杂因素的影响较大。农产品的外观直接影响到农产品的销售，研究出农作物外观受人为和自然的影响因素，通过神经网络进行生产预测，可解决农产品由于不良外观而造成的损失。如Murase等针对西红柿表皮破裂的现象，西红柿表皮应力的增长与西红柿果肉靠近表皮部分水分的增加有关，当表皮应力超过最大表皮强度时，将导致表皮破裂。用人工神经网络系统，预测在环境温度下的表皮应力，可通过控制环境变量来减少西红柿表皮破裂所造成的损失。

在农业科研和生产中，农产品的品质评判大多是依赖于对农产品外观的辨识。例如对果形尺寸和颜色等外观判别果实的成熟度，作物与杂草的辨别，种子的外观质量检测。由于农业环境的复杂性和生物的多样性，农产品的外观不具有较确定的规律性和可描述性，单一采用图像处理技术辨识农产品的外观时不宜过多采取失真处理和变换，否则则增加图像处理的复杂性，特征判别也相对困难。人工神经网络由于其具有自学习、自组织的能力，比较适宜解决农业领域中许多难以用常规数学方法表达的复杂问题，与图像处理技术相结合后，可根据图像特征进行选择性判别。采用此方法可以部分替代人工识别的工作，提高了生产效率，也有利于实现农业现代化。如Liao等将玉米籽粒图像用34个特征参数作为神经网络的输入变量，将输出的种粒形态分为5类，经过学习的神经网络对完整籽粒分类的准确率达到93％，破籽粒分类的准确率达91％。

3.蔬菜、果实、谷物等农产品的分级和鉴定

在农业生产中，蔬菜、果实、谷物等农产品的分级和鉴定是通过对农产品外观的辨识进行的。传统的农产品外观的辨识方法费时费力、预测可靠度很低，而且多采用人工操作，评价受到操作者主观因素的影响，评判的精度难以保证。利用人工神经网络技术结合图像处理技术可部分代替以往这些主要依靠人工识别的工作，从而大大提高生产效率，实现农业生产与管理的自动化和智能化。

利用BP神经网络技术对农产品果形尺寸和颜色等外观评判，目前国内外已有不少成果用于实际生产中。何东健等以计算机视觉技术进行果实颜色自动分级为目的，研究了用人工神经网络进行颜色分级的方法。分别用120个着色不同的红星和红富士苹果作为训练样本集对网络进行离线训练。两个品种的苹果先由人工依据标准按着色度分成4级，对每一个品种分别求出7个模式特征值作为BP网络的输入，用训练好的神经网络进行分级。结果表明红富士和红星果实的平均分级一致率分别为94.2％和94.4％。刘禾等用对称特征、长宽特征、宽度特征、比值特征等一系列特征值来描述果形。采用BP网络与人工智能相结合，建立果形判别人工神经网络专家系统。试验水果品种为富士和国光。试验表明系统对富士学习率为80％，对非学习样本的富士苹果的果形判别推确率为75％，系统对国光学习率为89％，对非学习样本的国光苹果果形判别系统的难确率为82％。

三、未来的发展方向

人工神经网络的信息处理技术现已在农业工程领域内得到了迅速的应用，采用人工神经网络算法的农业系统能够从一定程度上改善控制效果，但此技术在农业范围内还不够成熟，有待于进一步的研究。今后科研的方向大体上可以从以下几方面着手：

1.人工神经网络算法的改进

人工神经网络算法由于本身具有一定的缺点，从而采用人工神经网络的算法的信息处理技术在应用过程中具有一定的局限性。在今后的研究中，可以从人工神经网络方向着手，改进人工神经网络算法，从而实现其在农业领域内更好的应用。近年来随着模糊算法、蚁群算法等算法的相继出现，将神经网络与其他算法结合在一起已经成为了研究的热门话题，也是未来算法研究的主要方向之一。

2.应用领域的扩展

人工神经网络算法在农业工程方面现已得到了迅速的发展，扩展其在农业工程领域的应用范围是未来的一个主要研究方向。人工神经网络由于其具有自学习能力，可对农业系统的非线形特性进行较好的描述，采用人工神经网络可解决传统方法的不足，从而实现农业现代化。如何将神经网络较好地引入到农业系统，解决农业工程中的部分问题，已是今后农业科研中的一个方向。

四、结束语

神经网络作为一种人工智能范畴的计算方法，具有良好的自学习与数学计算的能力，可通过计算机程序进行模拟运算，现已广泛用于模式识别、管理决策等方面。随着计算机硬件和软件的不断发展与农业工程方面的研究的不断深入，神经网络将在农业管理、农业决策、农作物外观分类、品质评判等方面充分发挥其自学习能力强，计算能力强的优势，通过对样本数据的学习，神经网络可较好地解决农作物生长过程中的作物分类、预测等非线形的问题。在农业工程领域内，神经网络拥有广阔的科研前景。

参考文献:

[1]余英林李海洲:神经网络与信号分析[M].广州:华南理工大学出版社,1996:45

[2]霍再林史海滨孔东等:基于人工神经网络的作物水―盐响应初步研究[J].内蒙古农业大学学报，2003，24（3）：66～70

[3]何勇宋海燕:基于神经网络的作物营养诊断专家系统[J].农业工程学报,2005,21（1）:110～113

[4]马成林吴才聪张书慧等:基与数据包络分析和人工神经网络的变量施肥决策方法研究[J].农业工程学报,2006，20（2）:152～155

[5]刘铖杨盘洪:莜麦播种方式决策的BP神经网络模型[J].太原理工大学学报，2006,37(5):119～121

[6]谭宗琨:BP人工神经网络在玉米智能农业专家系统中的应用[J].农业网络信息，2004(10):9～1

[7]LiaoK,LiZ,ReidJF,etal.Knoledge-basedcolordiscriminationofcornkernels[J].ASAEpaper[C].92～3579

神经网络学习方法范文篇2

关键词：计算机网络模型；神经网络算法

计算机网络在人们日常生活越来越重要，被广泛应用到各个行业。随着社会不断发展，人们需求不断加高，使计算机得到良好改善，目前，计算机网络运用集线式服务器来实现网络互连，促进网络发展。但是也有很大弊端，过多的联想信息虽然满足人们需求，但是对技术的要求也更加苛刻，现有的技术满足不了计算机网络运行，使人们日常操作不方便。为了解决这一问题，研究人员需要全面优化计算机网络，提高运行能力和性能，运用神经网络算法，使计算机更加适合现代社会发展，储存更多信息。

1神经网络算法概论分析

1.1神经网络算法整体概论神经网络算法是按照人体大脑的思维方式进行模拟，根据逻辑思维进行推理，将信息概念化形成人们认知的符号，呈现在显示屏前。根据逻辑符号按照一定模式进行指令构造，使计算机执行。目前，神经网络被广泛使用，使直观性的思维方式分布式存储信息，建立理论模型。优化网络的神经网络主要是Hop?eld神经网络，是1982年由美国物理学家提出的，它能够模拟神经网络的记忆机理，是全连接的神经网络。Hop?eld神经网络中的每个神经元都能够信号输出，还能够将信号通过其他神经元为自己反馈，那么其也称之为反馈性神经网络。

1.2优化神经网络基本基础Hop?eld神经网络是通过能量函数分析系统，结合储存系统和二元系统的神经网络，Hop?eld神经网络能收敛到稳定的平衡状态，并以其认为样本信息，具备联想记忆能力，使某种残缺信息进行回想还原，回忆成完整信息。但是Hop?eld神经网络记忆储存量有限，而且大多数信息是不稳定的，合理优化计算机联想问题，使Hop?eld神经网络能够建设模型。

1.3神经网络算法优化步骤简述人工神经网络是模拟思维，大多是根据逻辑思维进行简化，创造指令使计算机执行。神经网络算法是按照人体思维进行建设，通过反应问题的方法来表述神经思维的解；利用有效条件和能量参数来构造网络系统，使神经网络算法更加可靠；大多数动态信息需要神经网络来根据动态方程计算，得出数据参数来进行储存。

2神经网络算法的特点与应用

2.1神经网络主要特点神经网络是根据不同组件来模拟生物体思维的功能，而神经网络算法是其中一种程序，将信息概念化，按照一定人们认知的符号来编程指令，使计算机执行，应用于不同研究和工程领域。神经网络在结构上是由处理单元组成，模拟人体大脑神经单元，虽然每个单元处理问题比较简单，但是单元进行组合可以对复杂问题进行预知和处理的能力，还可以进行计算，解决问题能力突出，能够运用在计算机上，可以提高计算机运算准确度，从而保障计算机运行能力。而且一般神经网络有较强容错性，不同单元的微小损伤并不阻碍整体网络运行，如果有部分单元受到损伤，只会制约运算速度，并不妨碍准确度，神经网络在整体性能上能够正常工作。同时，神经网络主干部分受到损伤，部分单元会进行独立计算，依然能够正常工作。

2.2神经网络信息记忆能力神经网络信息存储能力非常强，整体单元组合进行分布式存储。目前，神经网络算法是单元互相连接，形成非线性动态系统，每个单元存储信息较少，大量单元互相结合存储信息大量增加。神经网络具备学习能力，通过学习可以得到神经网络连接结构，在进行日常图像识别时，神经网络会根据输入的识别功能进行自主学习，过后在输入相同图像，神经网络会自动识别。自主学习能力给神经网络带来重要意义，能够使神经网络不断成长，对人们未来日常工作能够很好预测，满足人们的需求。

2.3神经网络的突出优点近年来，人工神经网络得到越来越多人重视，使神经网络得到足够资源进行良好创新。人工神经网络是由大量基本元件构成，对人脑功能的部分特性进行模仿和简化，人工神经网络具备复杂线性关系，与一般计算机相比，在构成原理和功能特点更加先进，人工神经网络并不是按照程序来进行层次运算，而是能够适应环境，根据人们提供的数据进行模拟和分析，完成某种运算。人工神经系统具备优良容错性，由于大量信息存储在神经单元中，进行分布式存储，当信息受到损害时，人工神经系统也可以正常运行。人工神经网络必须要有学习准则制约来能够自主学习，然后进行工作。目前，人工神经网络已经逐步具备自适应和自组织能力，在学习或训练过程中改变突触权重值，以适应周围环境的要求。通过一定学习方式和某些规则，人工神经网络可以自动发现环境特征和规律性，更贴近人脑某些特征。采用并行分布处理方法，使得快速进行大量运算成为可能。神经网络的一个很大的优点是很容易在并行计算机上实现，可以把神经的节点分配到不同的CPU上并行计算。钱艺等提出了一种神经网络并行处理器的体系结构，能以较高的并行度实现典型的前馈网络如BP网络和典型的反馈网络(如Hop?eld网络)的算法。该算法以SIMD(SingleInstructionMultipleData)为主要计算结构，结合这两种网络算法的特点设计了一维脉动阵列和全连通的互连网络，能够方便灵活地实现处理单元之间的数据共享。结合粒子群优化算法和个体网络的并行学习机制，提出了一种基于粒子群优化的并行学习神经网络集成构造方法。

3结束语

全球化的发展，信息交流不断加快，促使各个行业相互融合。神经网络算法具备简单、稳定等不同优势，神经网络研究内容相当广泛，神经网络算法能够与其它算法相互结合，在一定程度提高计算机网络模型运算能力。但是计算机网络模型中神经网络算法学习能力比较低下，梯度下降法不准确，所以需要有关人员进行深度研究，探索神经网络算法，使其更加完善，从而保证计算机整体性能的提高。

参考文献：

[1]陈竺.计算机网络连接增强优化中的神经网络算法[J].电子技术与软件工程,2014(19).

神经网络学习方法范文篇3

（桂林电子科技大学，广西桂林541004）

【摘要】主动队列管理（AQM）在解决网络拥塞问题中扮演着重要角色，为了解决AQM的PID参数不能随时间调整，且不能适应动态和非线性网络的缺点，本文提出了一种新的PID控制器算法。新算法结合了PID控制和神经网络算法两者的优点，同时新的AQM算法在时延、吞吐量和稳定性方面均优于一般的PID控制器。

关键词神经网络；PID控制器；AQM

OptimisedDesignofNeuralNetworkPIDControllerAppliedinAQM

ZHOUXue-han

(GuiLinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China)

【Abstract】activequeuemanagement(AQM)playsasignificantroleinnetworkcongestion.AnewadaptivepidcontrollerforAQMispresentedtoovercometheshortcomingsofpidAQM,suchasparameterscannotbeadjustedwithtime,cannotbeadaptedtothedynamicandnonlinearnetwork.ThenewalgorithmcombinestheadvantagesofbothPIDcontrollerandneuralnetworkalgorithm,atthesametime,thenewAQMalgorithmissuperiortoatypicalpidcontrolleronthetimedelay,throughputandqueuestability.

【Keywords】Neuralnetwork;PIDcontroller;AQM

0引言

近年来人们对计算机网络的服务质量要求越来越高，路由器的主动队列管理（AQM）是一项减少端到端的时间延时和吞吐量的重要技术。随机早期检测算法（RandomEarlyDetection，RED）是最早提出的符合主动队列管理思想的算法，它的基本思想是在缓冲区溢出或网络拥塞发生之前随机的丢弃数据包。对于不同的网络条件，RED算法的参数很难调整，同时RED算法的参数对不同网络负载非常敏感。

随着TCP协议和模拟计算机网络的发展，基于控制理论的AQM成为了一个研究热点。相比RED算法，在AQM中基于经典控制理论的P与PI控制器都有很好的队列稳定性，但它们的响应速度较慢。文献1基于增益和相位裕度提出了一种PID控制器，它比RED算法具有更好的队列稳定性，但PID控制器的参数很难调整，尤其是在不确定的时变网络环境中更难调整。为了解决AQM和ECN标记的问题，文献[2]提出了一种基于神经网络的自适应PID控制器，为了克服PID控制器在AQM中的不足，本文基于神经网络提出了一种改进的PID控制算法，新算法结构简单易于实现。

1TCP/AQM系统模型

2基于神经网络PID控制器的设计

文献[4]首先提出了基于神经网络的PID控制器，本文基于在线自学习和任意函数近似表示性能，利用PID控制器解决网络拥塞问题。在AQM中，我们根据网络的变化对损失概率进行调整，由于信息源能根据丢包程度不同随时间进行响应，因此我们采用一个简单的基于神经网络的PID控制器（SPIDNN）作为输出。SPIDNN是三层前馈神经网络，其结构设定为2*3*1。神经网络的输入层有两个神经元，可以接收两个输入信息。隐含层有三个神经元，它们分别是比例、积分、微分神经元，这些神经元可以实现比例、积分、微分操作。输出层只有一个神经元作为控制器的输出，图2是一个基于神经网络的PID控制器框图。

3两种提高SPIDNN学习率的方法

一种是附加动量法。在从输入层到输出层网络权值学习的过程中，我们不仅要考虑误差在梯度中所起的作用，同时还要考虑误差的影响趋势。为了避免在学习过程中的权值振荡，收敛速度慢和目标函数陷入局部极小值，我们可以用附加动量法。该方法从本质上考虑先前的权值在当前权值中所起的作用，因此它能确保权值调整方向的正确性，最终通过反响传播算法得到新的权值。权值调整的新规则如下：

在上式中K是训练次数，?琢为动量因子。

另一种是自适应学习速率法。在SPIDNN算法中?浊是学习速率，它的值影响SPIDNN的学习速度，如果学习率小，该算法的收敛性较好，但学习速度慢。如果学习率大，学习速度快，但该系统易于振荡。在学习速率固定的情况下，很难在收敛和学习速度间得到一个平衡。通常人们根据根据经验来选取学习率。对于一个固定的学习率，训练开始是更好的，但在后面的训练中可能就不适合了。为了解决这个问题，可以在训练过程中不断调节学习率。

自适应学习速率法的基本思想是：将当前误差与先前误差进行对比，如果误差反弹或上升，表明过调制，然后我们就减少学习率。如果误差一直在下降，表明学习率较小应该增大，当误差再次反弹时，我们再次减小学习速率，从而反复对收敛速度进行调整，这种方法也避免了自适应学习陷入局部极小。自适应学习率的计算公式如下：

4小结

本文提出一种新的应用于AQM的神经网络PID控制器算法，提出了两种学习率改进方法，本文算法结合了PID控制和神经网络算法两者的优点，同时在时延、吞吐量和稳定性方面均优于一般的PID控制器。

参考文献

［1］ChuSY,TengCC.TuningofPIDcontrollersbasedongainandphasemarginspecificationsusingfuzzyneuralnetwork[J].Fuzzysetsandsystems,1999,101(1):21-30.

［2］ZhouC,ZhangL,ChenQ.AnadaptivePIDcontrollerforAQMwithECNmarksbasedonneuralnetworks[C]//AsianControlConference,2009.ASCC2009.7th.IEEE,2009:779-783.

［3］MisraV,GongWB,TowsleyD.Fluid-basedanalysisofanetworkofAQMrouterssupportingTCPflowswithanapplicationtoRED[C]//ACMSIGCOMMComputerCommunicationReview.ACM,2000,30(4):151-160.