人工神经网络篇（1）

中图分类号Q1 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）40-0111-02

0 引言

机器学习方法经常被应用到解决医学和生物信息学的问题。在这个报告中我列举了一些把机器学习方法应用到生物信息学领域的实例。比如：组建多重神经网络，运用该神经网络对4种不同形势的肿瘤患者进行分类。

1 介绍

人工神经网络属于机器学习领域。关于人工神经网络的概念最早提出于1940年代。后来在1980年代后被推广应用，尤其是在医学领域。

其中一个非常有用的用途是对疾病进行分类，达到诊断的目的，或者对基因表达进行分类。在这类神经网络里面，k点最近邻居算法是最常被采用的算法。

人工神经网络的优点是：不需要人们蛆关注神经网络里面的细节信息；人工神经网络可以很容易地被重新训练来应对不同地分类数据。人工神经网络可以用来解决有监督学习和无监督学习，比如：自组织特征映射（self-organized feature map）就可以用来解决无监督学习的问题。

它的不足之处在于：人工神经网络往往需要大量的训练数据，而这些训练数据往往不是很容易获得。人工神经网络可以被看作是一个黑盒，它的细节隐藏在点点之间的权值里面。这些权值的意义是人类无法理解的。同时，人工神经网络需要被仔细的训练以避免过拟合的情况出现。我们常常需也要降低高维数据的维度。下面，我将分析介绍人工神经网络的具体应用。

人工神经网络的结构如图1所示：

X1 ,X2 ,X3是该神经网络的输入值，w0 ,w1 ,w2 ,w3 是该神经网络的输入结点到内部节点的路径权值，每个神经元的激活函数是如上图右侧所示的函数图像。

这个函数被称作为sigmoid函数，表达式如下：

多重神经网络通常有3层，事实上，3层神经网络以能进行很好的分类效果。这三个层包括输入层，隐藏层，输出层。在每个神经元内部我们可以选择sigmoid激活函数或其他种类的激活函数。

如图2所示：

单个神经元仅能提供线性的分割面，所以多层神经网络可以提供非线性的分类函数（即：若干个线性分割面的复杂组合）。这并不意味着4层神经网络就一定比3层神经网络能一共更好的分类效果，因为层数越多，需要的训练集就越庞大，得到的效果也不会提高。

既然有训练问题，就会涉及到训练算法。较为早的和著名的训练算法是delta 规则。它于20世纪60年代被提出。它的原理是计算理论输出值和世纪输出值的均方差。tp 为理论输出值，yp为实际输出值，表示为：

训练的开始阶段，我们通常设定一个随机选取值，令该值等于：

该公式里，α是学习速率，学习速率越大，学习的过程就越快，完成学习的时间短。但如果学习的速率过大，可能导致网络的理想权值在合理结果的附近游摆而永远无法获得理想的权值。

神经网络被训练好了以后，它就被用到解决目标问题。原始的数据集可以被分为两部分：一部分用来训练，一部分用来测试。

有时候神经网络会把训练数据集里面的噪音点的特征纳入自己的权值表达里，从而该神经网络无法真正体现该点集的真实特征。我们把这种情况叫做过拟合。过拟合是由于网络比待估函数复杂造成的。比如一个可以同3层网络解决的问题，我们用4层网络或者由更多神经元的三层网络去解决该问题，就容易造成过拟合。为了更好的明确训练时所采用的神经网络的隐藏层的层数，Livingstone 和 Manalack 提出了如下计算公式：

D = m*o/w

该公式里m是训练样本的数目，o是该网络的输出值，w是网络权值的数目，D就是隐藏层的数目。

得到了隐藏层的数目之后，我们可以以这个数目创建神经网络，边训练边削减，直到我们获得一个一半化的网络。对于没有隐藏网络层或只有一个隐藏网络层的神经网络，我们需要先确定它要解决的问题是否是线性的。

适当的训练方案是能也可以使网络的复杂性和数据的复杂性得到合适的匹配。一个合适的训练方案应该是如下步骤：首先选择一个很大的网络并且把它的每个权值都设到一个很小的值上。通过训练，这些权值可以逐渐游摆到一个合理的值。

人工神经网络篇（2）

经训练的ANN适用于利用分析振动数据对机器进行监控和故障检测，预测某些部件的疲劳寿命［2］。非线形神经网络补偿和鲁棒控制综合方法的应用（其鲁棒控制利用了变结构控制或滑动模控制），在实时工业控制执行程序中较为有效［3］。人工神经网络（ANN）和模糊逻辑（FuzzyLogic）的综合，实现了电动机故障检测的启发式推理。对非线形问题，可通过ANN的BP算法学习正常运行例子调整内部权值来准确求解［4］。

因此，对于电力系统这个存在着大量非线性的复杂大系统来讲，ANN理论在电力系统中的应用具有很大的潜力，目前已涉及到如暂态，动稳分析，负荷预报，机组最优组合，警报处理与故障诊断，配电网线损计算，发电规划，经济运行及电力系统控制等方面［5］。

本文介绍了一种基于人工神经网络（ANN）理论的保护原理。

1、人工神经网络理论概述

BP算法是一种监控学习技巧，它通过比较输出单元的真实输出和希望值之间的差别，调整网络路径的权值，以使下一次在相同的输入下，网络的输出接近于希望值。

在神经网络投运前，就应用大量的数据，包括正常运行的、不正常运行的，作为其训练内容，以一定的输入和期望的输出通过BP算法去不断修改网络的权值。在投运后，还可根据现场的特定情况进行现场学习，以扩充ANN内存知识量。从算法原理看，并行处理能力和非线是BP算法的一大优点。

2、神经网络型继电保护

神经网络理论的保护装置，可判别更复杂的模式，其因果关系是更复杂的、非线性的、模糊的、动态的和非平稳随机的。它是神经网络（ANN）与专家系统（ES）融为一体的神经网络专家系统，其中，ANN是数值的、联想的、自组织的、仿生的方式，ES是认知的和启发式的。

文献［1］认为全波数据窗建立的神经网络在准确性方面优于利用半波数据窗建立的神经网络，因此保护应选用全波数据窗。

ANN保护装置出厂后，还可以在投运单位如网调、省调实验室内进行学习，学习内容针对该省的保护的特别要求进行（如反措）。到现场，还可根据该站的干扰情况进行反误动、反拒动学习，特别是一些常出现波形间断的变电站内的高频保护。

3、结论

本文基于现代控制技术提出了人工神经网络理论的保护构想。神经网络软件的反应速度比纯数字计算软件快几十倍以上，这样，在相同的动作时间下，可以大大提高保护运算次数，以实现在时间上即次数上提高冗余度。

一套完整的ANN保护是需要有很多输入量的，如果对某套保护来说，区内、区外故障时其输入信号几乎相同，则很难以此作为训练样本训练保护，而每套保护都增多输入量，必然会使保护、二次接线复杂化。变电站综合自动化也许是解决该问题的一个较好方法，各套保护通过总线联网，交换信息，充分利用ANN的并行处理功能，每套保护均对其它线路信息进行加工，以此综合得出动作判据。每套保护可把每次录得的数据文件，加上对其动作正确性与否的判断，作为本身的训练内容，因为即使有时人工分析也不能区分哪些数据特征能使保护不正确动作，特别是高频模拟量。

神经网络的硬件芯片现在仍很昂贵，但技术成熟时，应利用硬件实现现在的软件功能。另外，神经网络的并行处理和信息分布存储机制还不十分清楚，如何选择的网络结构还没有充分的理论依据。所有这些都有待于对神经网络基本理论进行深入的研究，以形成完善的理论体系，创造出更适合于实际应用的新型网络及学习算法［5］。

参考文献

1、陈炳华。采用模式识别（智能型）的保护装置的设想。中国电机工程学会第五届全国继电保护学术会议，［会址不详］，1993

2、RobertE.Uhrig.ApplicationofArtificialNeuralNetworksinIndustrialTechnology.IEEETrans，1994，10（3）。（1）：371～377

人工神经网络篇（3）

例如：在利用神经网络解决问题时，设计者必须选择输入和输出数据的编码方式、在梯度下降中被最小化的误差函数、隐藏单元的数量、网络的拓扑结构、学习速率和冲量等。在选择这些参量时，也可将领域特定的知识嵌入到学习算法中。

但结果仍然是归纳算法反向传播的一个实现。新的系统能将先验知识作为显式的输入给学习器，训练数据也同样作为显式输入。这样可以形成通用算法，但利用了领域的特定知识。即：最终构造的是领域无关算法，这种算法使用显式输入的领域相关的知识。

KBANN学习方法

将领域理论和训练数据结合起来进行搜索的做法可以将其看作是一种搜索多个可选假设空间的任务。为了将大多数学习任务刻画为搜索算法，需要定义待搜索的假设空间H，搜索的开始点为初始假设ho以及指定搜索目标的判据G。

用这种方法，领域理论B被用于建立一个与B一致的初始假设hO。然后以这个初始假设ho为起点应用标准归纳方法。在设计神经网络网络时可以利用先验知识确定初始网络的互联结构和权值，此初始设计的网络假设利用反向传播算法和训练数据被归纳精华。

从一个与领域理论一致的假设开始搜索，使得最终输出假设更有可能拟合此理论。这种方法被用于KBANN(Knowledge―Based Artificial NeuralNetwork，基于知识的人工神经网络)算法中。

利用人工神经网络自动构建应用系统的性能分析模型。以往为应用程序建模主要采用统计分析的方法。但随着应用程序可调参数空间的增大，如果仍使用传统的统计方法建立性能分析模型，必然会对输入参数做简化假设。

这种建模方法只能预测一些粗略的趋势预测，不能顾及每个输入参数对性能的影响，尤其是不能预测在参数空间内各种组合对性能的影响。基于这种现状考虑使用人工神经网络进行性能分析建模。KBANN算法使用先验知识的方法是将假设初始化为完美拟合领域理论，然后按照需要归纳地精华此初始假设以拟合训练数据。

KBANN与纯归纳的反向传播算法比较

理论比较：两者的关键区别在于执行权值调节所基于的初始假设。在有多个假设能拟合数据的情况下，KBANN更有可能收敛到这样的假设，他从训练数据中泛化与领域理论的预测更相似。

人工神经网络篇（4）

关键词:

人工神经网络；岩土工程；应用

岩土工程的研究对象分为两大类:其一为岩体;其二为土体。岩土工程涉及的介质存在两大特性，即模糊性和随机性，这两大特性又统称为不确定性。近年来，不少学者在岩土工程研究过程中，提出了人工神经网络这一概念，即利用人工神经网络，将其应用到岩土工程研究领域当中，从而为深入了解岩土工程的某些介质特征奠定有效基础［1］。从岩土工程研究的优化及完善角度考虑，本文对“人工神经网络在岩土工程中的应用”进行分析意义重大。

1人工神经网络分析

1．1人工神经网络概念

对于人工神经网络来说，是一种对人脑结构与功能进行反映的数学抽象模型;主要通过数理策略，经信息处理，进一步对人脑神经网络构建某种简化模型，进一步采取大量神经元节点互连，从而形成复杂网络，最终完成人类思维及储存知识的能力的模拟。神经网络无需构建反映系统物理规律的数学模型，与别的方法比较，在噪声容忍度方面更强［2］。与此同时，还拥有很强的非线性映射功能，对于大量非结构性以及非精准性规律存在自适应能力，具备超强的计算能力，可完成信息的记忆以及相关知识的推理，且其自身还具备自主学习能力;与常规算法相比，优势、特点突出。

1．2BP网络简述

从研究现状来看，基于实际应用过程中，人工神经网络模型大多数采取BP网络。BP网络即指的是多层前馈网络，因多层前馈网络的训练通常使用误差反向传播算法，所以将BP网络称之为属于一类误差反向传播的多层前馈网络。对于其网络而言，具备输入节点和输出节点，同时还具备一层隐层节点与多层隐层节点，基于同层节点当中不存在耦合状态。其中的输入信号从输出层节点依次传过各个隐层节点，进一步传输至输出节点，每一层节点的输出只对下一层的节点输出产生影响。

2人工神经网络在岩土工程中的应用分析

在上述分析过程中，对人工神经网络的概念有一定的了解，由于其模型算法的优越性，可将其应用到岩土工程研究领域当中，从而为解决岩土工程问题提供有效凭据。从现状来看，人工神经网络在岩土工程中的应用主要体现在以下几大方面。

2．1在岩石力学工程中的应用

岩石力学工程是岩土工程中尤为重要的一部分，将神经网络应用到岩石力学工程当中，主要对岩石非线性系统加以识别，同时还能够为工程岩体分类提供有效帮助，此外在爆破效应预测方面也具备一定的应用价值。对于人工神经网络来说，存在从有限数据中获取系统近似关系的优良特性，而岩石当中的各项参数之间又存在很复杂的关系，并且难以获取完整的参数集。在这样的情况下，使用人工神经网络技术，便能够使岩石非线性系统识别问题得到有效解决［3］。此外，有研究者将岩石抗压强度、抗拉强度以及弹性能量指数等作为岩爆预测的评判指标，进一步对岩爆预测的神经网络模型进行构建，然后预测了岩爆的发生与烈度。通过计算得出结论:采取人工神经网络方法进行岩爆预测行之有效，值得采纳借鉴。

2．2在边坡工程中的应用

对于岩土工程中的边坡工程来说，边坡失稳状况突出，且是由多因素造成的，比如边坡失稳的地质形成条件、诱发因素的复杂性以及随机性等。与此同时，由于边坡动态监测技术从目前来看尚且不够成熟，因此边坡失稳在岩土工程研究领域一直视为是一项难以解决的工程项目。而对于神经网络方法来说，因其具备非常好的预测功能，因此相关岩土工程研究工作者通常会采取人工神经网络对岩土工程中的边坡工程问题进行求解。并且，从现有研究成果来看，将人工神经网络应用于岩土工程的成果突出。有学者对影响岩质边坡的稳定性的相关因素进行了分析，包括地形因素、岩体因素以及外部环境因素等，并构建了边坡稳定性分析的BP网络模型［4］。此外，还有学者将大量水电边坡工程的稳定状况作为学习训练样本及预测样本，对以人工神经网络技术的边坡岩体的稳定性进行了研究，结果显示，采取人工神经网络对边坡岩体的稳定状况进行预测可行性高。

2．3在基坑工程中的应用

采取人工神经网络对基坑变形进行预测主要分为两种情况:其一，对会影响基坑变形的各大因素及位移的神经网络模型加以构建;其二，把变形监测数据作为一个时间序列，以历史数据为依据，将系统演变规律查找出来，进一步完成系统未来发展趋势的分析及预测。有学者针对基坑变形利用了人工神经网络方法进行预测，结果表明:对前期实测结果加以应用，使用此方法能够对后续阶段的基坑变形实时预测出来，并且预测结果和实测结果保持一致性。此外，还有学者根据具体工程项目，采取人工神经网络，对深基坑施工中地下连续墙的位移进行了深入分析及预测，结果显示:使用人工神经网络方法进行分析及预测，在精准度上非常高，值得在深基坑工程相关预测项目中使用［5］。

2．4在地铁隧道工程中的应用

在地铁隧道施工过程中，存在地表变形和隧道围岩变形等状况，为了深入了解这些状况，可将人工神经网络应用其中。有学者在对地层的影响因素进行分析过程中，列出了可能的影响因素:盾构施工参数、盾构物理参数以及地质环境条件，进一步利用人工神经网络，构建了人工神经网络模型，进一步针对盾构施工期间的地层移动进行实时动态预测，最终得到了不错的预测成果。此外，还有学者对BP网络算法进行改进，然后对某地铁工程中隧道上方的地表变形进行了未来趋势预测，结果表明:和其他地表变形预测方法相比，人工神经网络预测方法的应用价值更为显著。

3结语

通过本文的探究，认识到基于人工神经网络模型的算法具备很高的优越性，由于岩土工程地质条件复杂，为了深入研究岩土工程，可将人工神经网络应用其中。结合现状研究成果可知，人工神经网络在岩石力学工程、边坡工程、基坑工程以及地铁隧道工程中均具备显著应用价值。例如:将人工神经网络应用于岩石力学工程当中，能够预测岩爆的发生与烈度;应用于边坡工程当中，能够边坡工程的稳定性进行精准预测;应用于基坑工程当中，实现对基坑工程变形的实时动态监测;应用于地铁隧道工程当中，能够进一步了解地铁工程中隧道上方的地表变形情况。

总而言之，人工神经网络在岩土工程中的应用价值高，值得相关工作者采纳应用。

作者：张洪飞 单位：山东正元建设工程有限责任公司

参考文献

［1］郑惠娜．章超桦．秦小明．肖秀春，等．人工神经网络在食品生物工程中的应用［J］．食品工程，2012(01):16－19．

［2］邹义怀．江成玉．李春辉，等．人工神经网络在边坡稳定性预测中的应用［J］．矿冶，2011(04):38－41．

人工神经网络篇（5）

关键词：人工神经网络；边坡工程；稳定性；贡献

Abstract:With the rapid development of our country's economy, a lot of engineering construction, one after another in the engineering construction at the same time also appeared a slope stability problem, and the slope are important factors affecting the quality of project construction. Slope stability is one of the important direction, construction research in construction engineering, road engineering, etc. Many projects are related to the stability of the slope. Slope engineering is a constantly changing dynamic process, the deformation failure mechanism is very complicated. Slope stability factors are many, such as geological factors, engineering factors and so on, and its uncertainty. Slope stability has a significant influence on engineering construction, therefore, how to scientific and reasonable design of slope engineering smooth going on of the project construction has very important significance. At present, the slope stability evaluation method are many, but these methods under the influence of artificial factors, and the application to have uncertainty, has not been widely used. In this paper, using the knowledge of the artificial neural network to evaluate the slope stability, by artificial neural network structural characteristics to explore the influencing factors of slope stability, thus ensuring the stability of the slope engineering, to promote the rapid development of engineering construction.

Keywords: artificial neural network; Slope engineering; Stability; Contribution to the

中图分类号： TP183文献标识码：A

1 边坡稳定性的研究现状

边坡的变形和破坏会对工程建设造成重大的影响，边坡的稳定性受到很多因素的影响，从范围上来说，主要包括自然因素和人为活动因素。水文、地质、人为工程活动都可能造成边坡稳定性的破坏，其中边坡应力的变化和发展是造成边坡稳定性破坏的根本原因。具有代表性的造成边坡失稳的因素如下：地下工程开挖后，由于地下土层应力的突然释放对边坡原有应力状态的影响；边坡上堆积物的载重传播到边坡上的影响；边坡土层暴露在自然环境中遭受外部环境风化的影响；地下水的流动对边坡土层强度的影响。

工程地质是边坡稳定性问题需要考虑的重要因素，它主要有以下两个主要任务：第一是要准确的评价和预测与人为工程活动关系密切的天然边坡和人工边坡的稳定性、变化规律和发生破坏的几率；第二是为科学合理的设计边坡、保证边坡的稳定性、采取有力的边坡防治措施提供准确可靠的依据。而边坡问题的出现总是和边坡的变形和破坏有关，为了准确的评价和预测边坡工程的稳定性，首先要确定边坡是否可能发生变形与破坏以及变形和破坏的方式和规模。因此边坡稳定性的工程地质要分析和研究边坡变形和破坏的规律。边坡变形和破坏表明了边坡土层在不同的条件下变化的过程，同时为边坡变形破坏力学模型的建立提供了重要依据。

边坡工程稳定性的研究边坡工程的重要组成部分，越来越多的专家和研究人员加入到边坡稳定性研究的队伍中，它会随着边坡工程的建设一直发展下去。

2 人工神经网络概述

2.1 人工神经网络的概念

人工神经网络是人工智能科学的一个重要分支，在21世纪得到了快速发展，通过人工神经元之间的连接来处理网络信息，来实现类似人的活动和行为，以网络元件建立知识与信息的关系，而构成的一种信息处理体系。神经元之间的变化过程决定了网络的学习。神经网络在学习、信息处理、网络模式识别等方面起着重要的作用，因此，它能将所有的控制因素考虑进去。

2.2 评价信息表达

由于边坡稳定性的影响因素很多，定性的数据和资料错综复杂，因此，要把这些定性的数据进行量化，然后再输入神经网络。边坡结构的高度、坡角等数据可直接进行实际测定；岩体结构类型和质量类别等无法直接测定的数据要通过等级数字代码来确定；岩体的岩性、破坏类型等定性数据则通过数字代码来确定。将这些定性的数据进行量化处理后，所有的信息数据就可以通过神经网络来处理，同时还能影响边坡稳定性因素的影响程度。显而易见，当我们获得更多的原始信息，就能更加准确的确定边坡的特征，同时表达边坡稳定性因素的关系也更加复杂，通过神经网络的计算，就能确定边坡稳定性的评价信息，也就是边坡的稳定状态。

2.3 人工神经网络的算法

人工神经网络是通过对人类大脑的结构和运行模式进行研究而模拟其结构和行为的工程系统。从20世纪40年代开始，人工神经网络的数学模型被第一次提出，从此人工神经网络的研究得到了快速发展，随后很多专家和研究人员提出了其他的模型，极大地丰富了人工神经网络的研究内容。

近年来，前馈神经网络模型BP是在工程建设中应用最为广泛的模型，其结构由输入层、隐含层和输出层三部分组成，其中输入层由N个神经元组成，隐含层由P个神经元组成，输出层由q个神经元组成。假设有i个学习样本，F为输出层神经元的平方误差，就构成了BP网络结构。在学习的过程中，神经元连接出现的错误为网络输出的误差，输入层接收输出层的神经元的误差后，分配给每一个神经单元，最终确定各层神经元的参考误差。

前向计算过程和误差接收过程共同组成了BP网络学习过程，其分为以下三步进行：

（1）网络初始化：输入学习率a和b，确定学习误差e，确定权重矩阵U、V的初始值；

（2）确定学习样本的输入值和期望输出值，计算网络节点的具体数值，计算输出层和隐含层的误差，最后对各边权值进行调整；

（3）通过改变学习效率a和b，使BP算法更加合理，重复进行计算一直到代价函数F小于学习误差e，整个学习过程就结束了。

3 人工神经网络在边坡稳定性中的应用

由于影响边坡稳定的因素的多样性和不确定性，这些影响因素和边坡稳定性之间的关系非常复杂，所以边坡工程是一个极其复杂的非线性系统。而人工神经网络通过人工神经元之间的连接来获取网络信息，它能解决复杂的非线性问题，所以人工神经网络在边坡工程稳定性中的应用是非常必要的。通过对现实中的边坡工程进行学习，人工神经网络把学习得到的结果储存起来，并作为网络的权值。输入影响边坡工程稳定性的各种因素，包括定性和定量因素，通过人工神经网络系统的计算和处理，就会输出边坡稳定性的实际情况，人工神经网络就会建立影响边坡稳定性的因素和边坡稳定性现实情况的非线性关系。人工神经网络通过建立的这种非线性关系就能够对新的边坡稳定性做出详细准确的评价。大量的应用实例表明，通过人工神经网络对边坡工程的稳定性进行评价是一种切实可行且科学合理的方法。

4 结语

通过人工神经网络在边坡稳定性中的应用实例可以看出，人工神经网络对边坡稳定性的应用具有较好的适应性，并且可以准确地分析和评价边坡工程的稳定性。影响边坡稳定性的定性和定量因素会被纳入到人工神经网络系统中，因为人工神经网络是以边坡工程变形和破坏的实例作为主要内容，所以学习样本的准确性和内容的完备性决定了边坡工程稳定性的评价是否准确，如果信息准确完备，就能达到预期的效果。人工神经网络在边坡稳定性评价中具有很好的实用性，相信在以后的边坡工程建设中会得到广泛的应用。

参考文献

[1] 童树奇.人工神经网络在边坡工程中的应用研究[J]. 广东土木与建筑. 2006(09).

人工神经网络篇（6）

目前应用较广泛的BP神经网络评价算法存在着网络参数难确定、收敛速度较慢且易陷入极小值等问题。为了解决上述问题，本文应用鱼群算法对BP神经网络进行了改进，结合网络安全评价实例进行了测试，并将测试数据与标准BP神经网络进行了比较与分析，取得了理想的结果。

一、基本BP神经网络算法

BP神经网络算法是一种采用误差反向传播的多层前馈感知器。其特点是具有分布式的信息存储方式，能进行大规模并行处理，并具有较强的自学习及自适应能力。BP网络由输入层（感知单元）、计算层（隐藏层）、输出层三部分组成。输入层神经元首先将输入信息向前传递至隐含层节点，经过激活函数预处理后，隐层节点再将输出信息传送至输出层得到结果输出。输入层与输出层节点的个数取决于输入、输出向量的维数，隐含层节点个数目前并没有统一的标准进行参考，需通过反复试错来确定。

二、人工鱼群算法

2.1基本原理

人工鱼群算法是指通过长期对鱼类觅食行为的观察，构造人工鱼来模拟鱼类的觅食、群聚、尾随以及随机行为，从而完成全局最优值的寻找。算法所包含的基本过程如下：觅食行为：鱼类会利用视觉或嗅觉来感知水中食物浓度的高低，以此来选择觅食的路线。聚群行为：鱼类一般会以群体形式进行觅食，以此来躲避天敌的伤害并以最大概率获得准确的觅食路线。尾随行为：当群体中的某条鱼或几条鱼寻找到食物后，其附近的其他同伴会立刻尾随而来，其他更远处的鱼也会相继游过来。随机行为：鱼在水中的活动是不受外界支配的，基本上处于随机状态，这种随机性有利于鱼类更大范围的寻找食物及同伴。

2.2鱼群算法优化BP神经网络的原理

BP神经网络在求解最优化问题时容易陷入局部极值，并且网络的收敛速度较慢。鱼群算法通过设定人工鱼个体，模拟鱼群在水中的觅食、尾随和群聚行为，通过个体的局部寻优，最终实现全局寻优。人工鱼在不断感知周围环境状况及同伴状态后，集结在几个局部最优点处，而值较大的最优点附近一般会汇集较多的人工鱼，这有助于判断并实现全局最优值的获取。因此用人工鱼群算法来优化BP神经网络是一种合理的尝试。

2.3具体工作步骤

①设定BP神经网络结构，确定隐层节点数目；②设定人工鱼参数，主要包括个体间距离、有效视线范围以及移动步长等；③人工鱼进行觅食、群聚及尾随行为来优化BP神经网络；④通过设定的状态参量，判断是否达到目标精度；⑤若达到精度要求则输出网络优化权值，并执行网络循环，否则继续改化参数进行优化；⑥输出最终优化参数并进行计算机网络安全评价。

三、实验与结果比较

将网络安全的17项评价指标的分值作为BP神经网络的输入，网络的期望输出只有一项，即安全综合评价分值。BP神经网络需要一定数量的已知样本来训练，然后才能用训练好的网络进行评价。目前用于网络安全综合评价的数据还很少，本文采用的是文献[3]里面的15组数据，其中将1～10项用作网络训练，11～15项用作仿真输出。

人工神经网络篇（7）

【关键词】人工神经网络 信息技术 发展趋势

人工神经网络技术在处理实际问题主要包括两个过程，一个是学习训练过程，另外一个是记忆联想过程。近年来随着人工网络技术的发展，人工神经网络技术在信号处理、图像处理、智能识别等领域已经取得了巨大的改变，为人们研究各类科学问题提供了一种新的方法和手段，使人们在交通运输、人工智能、军事、信息领域的工作更加便捷，近年来随着AI的l展，人工神经网络技术得到了快速的发展阶段。

1 人工神经网络技术

人工神经网络技术也称ANN，是随着上个世纪八十年代人工智能发展兴起的一个研究热点，它的主要工作原理对人脑神经网络进行抽象处理，并仿造人脑神经网络建立简单的模型，按照不同的连接方式组成一个完整的网络，因此学术界也直接将它成为神经网络。神经网络其实就是一种运算模型，它是通过大量的节点――神经元连接起来的，其中不同的节点所代表的输出函数也不同，也就是所谓的激励函数；当有两个节点连接起来时称之为通过该连接信号的加权值，也称为权重，这就相当人脑神经网络记忆。人工神经网络技术是采用并行分布式系统，这种工作机理与传统的信息处理技术和人工智能技术完全不同，是一种全新的技术，它克服了传统基于逻辑符号的人工智能处理非结构信息化和直觉方面的缺陷，具有实时学习、自适应性和自组织性等特点。

2 人工神经网络技术应用分析

随着人工神经网络技术的发展，它在模式识别、知识工程、信号处理、专家系统、机器人控制等方面的应用较广。

2.1 生物信号的检测分析

目前大部分医学检测设备都是通过连续波形得到相关数据，从而根据所得数据对病情进行诊断。人工神经网络技术就是应用了这样的方式将多个神经元组合起来构成，解决了生物医学信号检测方面的难题，其适应性和独立性强，分布贮藏功能多。在生物医学领域该技术主要应用于对心电信号、听觉诱发电位信号、医学图像、肌电荷胃肠等信号的处理、识别和分析。

2.2 医学专家系统

传统的医院专家系统是直接将专家的经验、学历、临床诊断方面取得的成绩等存储在计算机中，构建独立的医学知识库，通过逻辑推理进行诊断的一种方式。进入到二十一世纪，医院需要存储的医学知识越来越多，每天产生新的病况和知识，过去的一些专家系统显然已经无法适应医院的发展需求，因此医院的效率很低。而人工神经网络技术的出现为医院专家系统的构建提出了新的发展方向，通过人工神经网络技术，系统能够自主学习、自己组织、自行推理。因此在医学专家系统中该网络技术应用面较广。麻醉医学、重症医学中生理变量分析和评估较多，目前临床上一些还没有确切证据或者尚未发现的关系与现象，通过人工神经网络便能有效地解决。

2.3 市场价格预测

在经济活动中，传统统计方法受到一些因素的制约，无法对价格变动做出准确的预测，因此难免在预测的时候出现失误的现象。人工神经网络技术能够处理那些不完整的、规律不明显、模糊不确定的数据，并作出有效地预测，因此人工神经网络技术具有传统统计方法无法比拟的优势。例如人工神经网络技术可以通过分析居民人均收入、贷款利率和城市化发展水平，从而组建一个完整的预测模型，准确预测出商品的价格变动情况。

2.4 风险评价

在从事某一项特定的活动时，由于社会上一些不确定因素，可能造成当事人经济上或者其他方面的损失。因此在进行某一项活动时，对活动进行有效的预测和评估，避免风险。人工神经网络技术可以根据风险的实际来源，构筑一套信用风险模型结构和风险评估系数，从而提出有效地解决方案。通过信用风险模型分析弥补主观预测方面的不足，从而达到避免风险的目的。

3 人工神经网络技术未来发展

人工神经网络克服了传统人工智能对语言识别、模式、非结构化信息处理的缺陷，因此在模式识别、神经专家系统、智能控制、信息处理和天气预测等领域广泛应用。随着科学技术的进步，AI的快速发展，AI与遗传算法、模糊系统等方面结合，形成了计算智能，很多企业和国家开始大规模研发AI，人工神经网络正在模拟人类认知的方向发展，目前市场已经有很多不少人工智能产品面世。

4 结语

通过上述研究分析，人工神经网络技术已经取得了相应的发展，但还存在很多不足：应用范围狭窄、预测精度低、通用模型缺乏创新等，因此需要我们在此基础上不断寻找新的突破点，加强对生物神经元系统的研究和探索，进一步挖掘其潜在的价值，将人工神经网络技术应用在更多领域中，为社会创造更大的财富。

参考文献

[1]周文婷，孟琪.运动员赛前心理调控的新策略――基于人工神经网络技术的比赛场地声景预测（综述）[J].哈尔滨体育学院学报，2015，33（03）：15-21.

[2]张红兰.人工神经网络技术的应用现状分析[J].中国新通信，2014（02）：76-76.

人工神经网络篇（8）

通常而言，所谓图像处理与识别，便是对实际图像进行转换与变换，进而达到识别的目的。图像往往具有相当庞大的信息量，在进行处理图像的时候要进行降维、 数字化、滤波等程序，以往人们进行图像识别时采用投影法、不变矩法等方法，随着计算机技术的飞速发展，人工神经网络的图像识别技术将逐渐取代传统的图像识别方法，获得愈来愈广泛的应用。

1 人工神经网络图像识别技术概述

近年来，人工智能理论方面相关的理论越来越丰富，基于人工神经网络的图像识别技术也获得了非常广泛的应用，将图像识别技术与人工神经网络技术结合起来的优点是非常显著的，比如说：

（1）由于神经网络具有自学习功能，可以使得系统能够适应识别图像信息的不确定性以及识别环境的不断变化。

（2）在一般情况下，神经网络的信息都是存储在网络的连接结构以及连接权值之上，从而使图像信息表示是统一的形式，如此便使得知识库的建立与管理变得简便起来。

（3）由于神经网络所具有的并行处理机制，在处理图像时可以达到比较快的速度，如此便可以使图像识别的实时处理要求得以满足。

（4）由于神经网络可增加图像信息处理的容错性，识别系统在图像遭到干扰的时候仍然能正常工作，输出较准确的信息。

2 图像识别技术探析

2.1 简介

广义来讲，图像技术是各种与图像有关的技术的总称。根据研究方法以及抽象程度的不同可以将图像技术分为三个层次，分为：图像处理、图像分析以及图像理解，该技术与计算机视觉、模式识别以及计算机图形学等学科互相交叉，与生物学、数学、物理学、电子学计算机科学等学科互相借鉴。此外，随着计算机技术的发展，对图像技术的进一步研究离不开神经网络、人工智能等理论。

2.2 图像处理、图像识别与图像理解的关系

图像处理包括图像压缩、图像编码以及图像分割等等，对图像进行处理的目的是判断图像里是否具有所需的信息并滤出噪声，并对这些信息进行确定。常用方法有灰度，二值化，锐化，去噪等；图像识别则是将经过处理的图像予以匹配，并且对类别名称进行确定，图像识别可以在分割的基础之上对所需提取的特征进行筛选，然后再对这些特征进行提取，最终根据测量结果进行识别；所谓图像理解，指的是在图像处理与图像识别的基础上，根据分类作结构句法分析，对图像进行描述与解释。所以，图像理解包括图像处理、图像识别和结构分析。就图像理解部分而言，输入是图像，输出是对图像的描述解释 。

3 人工神经网络结构和算法

在上个世纪八十年代，McClelland与Rumelhant提出了一种人工神经网络，截止现在，BP神经网络已经发展成为应用最为广泛的神经网络之一，它是一种多层前馈神经网络，包括输入层、输出层和输入层输出层之间隐藏层，如图1所示，便是一种典型的BP神经网络结构。

BP神经网络是通过不断迭代更新权值使实际输入与输出关系达到期望，由输出向输入层反向计算误差，从而通过梯度下降方法不断修正各层权值的网络。

BP神经网络结构算法如下所述：

（1）对权值矩阵，学习速率，最大学习次数，阈值等变量和参数进行初始化设置；

（2）在黑色节点处对样本进行输入；

（3）对输入样本，前向计算人工神经网络隐层及输出层各层神经元的输出；

（4）使用梯度下降方法不断修正各层权值及阀值，由梯度算子得到的权值为

（6）判断，判断是否大于最大迭代次数或者是否误差已经达到要求。如果大于最大迭代次数或误差达到要求，那么便直接转到第（7）步，否则，转到第（4）步对各个矩阵的权值继续修正，反复训练；

（7）看是否遍历所有样本，是则结束，否则跳回第（3）步继续。

BP神经网络操作简单而有效，可通过Opencv的CvANN_MLP类， Matlab的模式识别工具箱Nprtool等实现，经验得出在如下情况中人工神经网络尤为适用：

（1）大量数据可用，却不知道与输出之间关系；

（2）问题的解决方案随时间变化而变化；

（3）输出是模糊的函数关系，而非精确数字。

4 人工神经网络图像识别

传感器或摄像仪输入图像识别系统以后，其目标图像不能够与系统全部的参考图像完全一样， 这是由于对应噪声干扰，光线不足和放缩旋转等问题。 基于人工神经网络对畸变图像识别进行深层分析，并且利用 CCD 摄像头对图像信息进行采集，在此过程之中通过对摄像头方位进行更改对易出现畸变的图像进行采集，从而使得畸变图像所带信息组成样本库。在电脑里面输入样本库中的图像信息，并且进行模数的转化，变成数字图像，利用数字滤波来对数字图像信息进行处理。在神经网络之中输入样本图像数字信息来进行训练，一方面可以基于数字图像的像素点集合组成输入矩阵，用高维数据作为训练样本，通过主成分分析（PCA）的方法进行降维，大大简化计算量；一方面可以基于数字图像的特征空间进行聚类分割，提取几何特征或者统计特征，输入到SOFM神经网络或者Hopfield神经网络，从而使其生成图像识别神经网络系统。在进行图像识别的时候使用CCD 摄像头来采集识别图像，并且把其模型转化为数字图像，预处理后，将其输入到训练好的神经网络识别系统里面，就其可以开展快速的计算，并进行识别。把图像识别技术与人工神经网络理论有机结合起来，可以非常有效地实现神经网络信息系统的一致性， 此外，还可以将其对网络连接结果与权值进行存储，促进管理效率的提高，并对于知识库的构建也具有积极的作用。

5 结论

本文就基于人工神经网络的图像识别技术进行了详细地阐述，由综上研究可以基于人工神经网络的图像识别技术具有比较多的优点以及比较高的可行性，然而，我们对该技术存在的网络规模及复杂图像识别准确度上还应继续进行深入研究，以求技术突破。在将来，图像识别技术随着科技的不断发展将会获得更多的应用，其势必会发展为一门独立且具备强大生命力的学科

参考文献

[1]王强，张小溪，韩一红.基于神经网络的图像识别[J].电子设计工程，2012.

人工神经网络篇（9）

引言

林分材种出材率是林分调查工作的重要指标，它可以进一步评价森林木材资源的经济价值，而研究森林木材，又可以合理正确的经营森林资源，达到人与自然和谐相处的目的。林分林种出材率就是原木材积于立木材积之比，我国现行的森林采伐限额制度、查处乱砍滥伐林木案件、制订林业发展规划、计划和编制森林经营方案、预测和计算、开展森林资源资产评估等等，都需掌握积蓄量和材种的出材率的指标。我国已经不断学习借鉴前苏联的先进技术编制自己的材种出材率表了，随着我国天然林保护工程的全面实施和林业分类经营的逐步推行，人工商品林比例的不断提高，我国森林结构和性质也有所变化，所以传统的统计学以难以解决很多问题，运用人工神经网络在林业生成与运用则是一个不二之选的方法，对林业的发展也有很大的理论价值和推广意义。

人工神经网络(Artificial Neural Network－ANN)，简称“神经网络”，是由大量处理单元过极其丰富和完善的互联组成的非线性、自适应信息处理系统。它的提出是基于现代神经科学研究成果上，以模拟大脑神经网络处理、记忆信息的方式进行信息处理。涉及学科较多，较为广泛。

1　研究内容和方法

平均树高，平均胸径，林种年龄，立地质量，积蓄量，保留密度等等因素都会影响林分材种出材率，而林分林种出材率具有非线性和非确定性的因素，一般采用统计分析方法进行预测采样，需要大量的林木样本元素，模型涉及的许多参数无法或很难有较高的精确度。

人工神经网络(Artificial Neural Network)具有非线性，非局限性，自适应，自组织，自学习的特征，相较于传统的统计学方法，不同之处在于它的容错性和储存量，通过单元之间的相互作用，相互连接能模拟大脑的局限性。ANN的独到之处，也使得人们注意了ANN，并且广泛的应用于各种学科之中，如心理学，逻辑学，数学模型，遗传算法，语音识别，智能控制等等。当然，运用人工神经网络对林分林种出材率进行预测也同样具有很好的效果与实现。

研究主要完成，通过对数据的采样和分析处理，对神经网路预测模型的结构，参数进行优化，再应用到林分材种出材率的预测中。以c++程序设计为设计平台，运用人工神经网络中的BP算法，分析各隐含层神经元的数量，训练的次数，隐含层函数，样本数量，进行优化建立林分材种出材率的预测模型。

1.1BP人工神经网络

BP(Back-Propagation Network)神经网络是一种以误差逆传播算法(BP)训练的多层前馈网络，目前应用较为广泛的神经网络模型之一。BP神经网络能学习和存贮多个输入－输出模式映射关系，而且无需事前对这种映射关系的数学方程进行描述。它通过不断反向传播来调整神经网络的权值和阈值，使神经网络的误差平方和最小。BP神经网络模型拓扑结构由三层组成分别是输入层(input)、隐层(hidelaver)和输出层(output layer)。

BP人工神经网络主要以标准BP算法为主，而标准BP算法有存在许多问题，由于是非线性梯度优化算法，就会存在局部极小值问题，使得精确度受限；算法迭代系数过多，使得学习率降低，收敛速度降低；网络对初始化的值存在发散和麻痹；隐节点不确定性的选取。所以引进了几种BP算法：动量BP算法、学习速率可变的BP算法和LM算法(Levenberg－Marquardt)。动量BP算法以上一次修正结果来影响本次的修正，动量因子越大，梯度的动量就越大。学习效率可变的BP算法怎是力求算法的稳定，减小误差。为了在近似二阶训练速率进行修正时避免计算HeSSian矩阵，选择LM算法。所以为了神经网络计算的速度与精确度，所以运用不同的优化算法来改善BP网络中的局部极小值问题，提高收敛速度和避免了抖动性。

2　基于BP人工神经网络和林分材种出材率预测模型的建立

分析了大量的材种出材率的相关资料后，均有非线性的特征，对于模型的建立和预测，传统的识别系统在研究和实践中有很大的问题，而采用人工神经网络，不仅其特征是非线性，而且人工神经网络具有较为稳定的优越性，所以，对于林分材种出材率的预测和建立采用BP人工神经网络。

2.1建模工具

研究采用c++程序设计对数值的计算和预测，对模型进行编译和实现。c++语言是受到非常广泛应用的计算机编程语言，它支持过程化程序设计，面向对象程序设计等等程序设计风格。c++是一门独立的语言，在学习时，可以结合c语言的知识来学习，而c++又不依赖于c语言，所以我们可以不学c语言而直接学习C++。

用c++来模拟BP网络是相对较好的程序设计语言，以面向对象程序设计来设计和实现林分材种出材率的BP算法，直观而简洁。

2.2BP神经网络结构的确定

对于使用BP算法，关键在于隐含层层数和各层节点数。而神经元的输入输出又影响着隐含层层数，而对于BP万罗中的输入输出层是确定的，重点就在于隐含层层数，增加隐含层数可以提高网络的处理能力，是的训练复杂化，样本数目增加，收敛速度变慢等，而隐含层的节点数越多，可以提到其精确度。

研究过程中，多层隐含层会将训练复杂化，所以我们往往选择三层就够了，即一个输入层，一个隐含层，一个输出层的基本单层BP网络结构。最后确定以下四个神经元：平均树高、平均胸径、林种年龄、每公顷积蓄量作为输入单元。输出单元为林分材种出材率。

结论

人工神经网络篇（10）

神经网络是一个具有高度非线性的超大规模连续时间动力系统。是由大量的处理单元(神经元)广泛互连而形成的网络。它是在现代神经科学研究成果的基础上提出的，反映了脑功能的基本特征。但它并不是人脑的真实描写，而只是它的某种抽象、简化与模拟。网络的信息处理由神经元之间的相互作用来实现；知识与信息的存储表现为网络元件互连间分布式的物理联系；网络的学习和计算决定于各神经元连接权系的动态演化过程。因此神经元构成了网络的基本运算单元。每个神经元具有自己的阈值。每个神经元的输入信号是所有与其相连的神经元的输出信号和加权后的和。而输出信号是其净输入信号的非线性函数。如果输入信号的加权集合高于其阈值，该神经元便被激活而输出相应的值。在人工神经网络中所存储的是单元之间连接的加权值阵列。

神经网络的工作过程主要由两个阶段组成，一个阶段是工作期，此时各连接权值固定，计算单元的状态变化，以求达到稳定状态。另一阶段是学习期(自适应期，或设计期)，此时各计算单元状态不变，各连接权值可修改(通过学习样本或其他方法)，前一阶段较快，各单元的状态亦称短期记忆(STM)，后一阶段慢的多，权及连接方式亦称长期记忆(LTM)〔1〕。

根据网络的拓扑结构和学习规则可将人工神经网络分为多种类型，如不含反馈的前向神经网络、层内有相互结合的前向网络、反馈网络、相互结合型网络等〔2〕。本文的人工神经网络模型是采用BP算法的多层前馈网络。

该模型的特点是信号由输入层单向传递到输出层，同一层神经元之间互不传递信息，每个神经元与邻近层所有神经元相连，连接权用Wij表示。各神经元的作用函数为Sigmoid函数，设神经网络输入层的p个节点，输出层有q个节点，k-1层的任意节点用l表示，k层的任意节点用j表示，k+1层的任意节点用l表示。Wij为k-1层的第i个神经元与k层的第j个神经元相连接的权值。k-1层的节点i输出为O(k-1)i，k层节点j的输出为：

k层节点j的输出为：

Okj=f(netkj)

设训练样本为(X，Ye)，X为p维向量，加到输入层；Ye为q维向量，对应于期望输出；网络的实际输出Y也是q维向量。网络在接受样本对的训练过程中，采用BP算法，其权值调整量为：

ΔWij=-ηδkjO(k-1)i

其中，对于输出层为：

δkj=yj(1-yj)(yej-yj)

对于非输出层为：

η为训练步长，取0＜η＜1。

用样本集合反复训练网络，并不断修改权值，直到使实际输出向量达到要求，训练过程结束〔3〕。

上述人工神经网络可以完成多种信息处理任务，如从二进制数据中提取相关知识，完成最近邻模式分类，实现数据聚集等。而本文要用的是其极强的数学逼近映射能力，即开发合适的函数f：ARnBRn，以自组织的方式响应以下的样本集合：(x1，y1)，(x2，y2)…，(xm，ym)，其中yi=f(xi)。这里描述的是一般的数学抽象，像识别与分类这些计算都可以抽象为这样的一种近似数学映射。

所谓诊断，实质上是一个分类问题。即根据候诊者的症状，医学检查结果(如体温、心跳等)等一些情况，它们可以用一向量(e1，e2，…，em)来表示，将其归类为病人或非病人。这也可以转化为寻找一差别函数f使得：

(1)f(e1，e2，…，em)＞ε，　(e1，e2，…，em)∈T

(2)f(e1，e2，…，em)＞ε，　(e1，e2，…，em)T

其中集合T表示患病。

因此，病情诊断最终也可作为一类函数的逼近问题。

而许多研究已表明，前向神经网络可作为非线性逼近的标准型。对于实数空间的任一函数，只要它满足一定的条件，一定存在唯一的具有单一隐层的前向网络作为它的最优最佳逼近。而含有两个隐含层的前向网络可在任意的平方误差内逼近某一实函数〔3〕。

诊断步骤

肺癌病例数据选自1981～1994年在某医院住院的病人，共计551例。其中486例(88%)经病理学、细胞学诊断证实为肺癌。每一病例都包括多项数据，其中用于诊断的数据项有：病人的一般情况(如年龄、性别等)，家族史、既往史、吸烟史、术后病理、X射线检查、CT检查、纤维支气管镜检查、PAT痰检等多达58项。因此，原则上 58项数据应作为神经网络的输入项，而神经网络的输出值就是病人是否患肺癌的结果。

1.网络训练集的确定：在最原始的551例病人数据中存在着各种各样的差别，如性别差异(419例男性，132例女性)，诊断结果的差异(486例经证实为肺癌)，所患肺癌种类的差异(鳞癌、小细胞癌、大细胞癌等)，患病程度上的差异(早、中晚期的不同)等等。显然，训练数据集应最大限度地保证兼顾各种病例情况。经过仔细筛选，选择了含有460个病例的集合作为肺癌诊断用的网络的训练集。

2.神经网络输入和输出数据的预处理

按照人工神经网络的理论，神经网络的输入输出数据都应该属于(0，1)区间的实数，为此我们需对原始数据进行如下的规一化处理：

其中xi为原始数据项，而Max=max｛xi∶xi∈X｝，Min=min｛xi∶xi∈X｝。这里X为原始数据集。经过(7)式变换后，yi将在(0，1)区间。因此，可作为神经网络的输入输出。

3.应用神经网络进行肺癌诊断

将描述病人各种情况的数据作为前向网络的输入数据加到其输入端，并按(1)～(6)式计算各神经元的输入和输出，同时调整神经元之间的连接权值以使网络的输出和实际的病例情况相符。即当病人确实患肺癌时网络的输出结果也恰好指示为肺癌，反之亦然。如果对所有的训练样本集网络的输出基本上(95%或更高)能保证与实际结果一致，则训练过程结束。我们认为神经网络已建立起病人的各种因素与他是否是肺癌患者之间的函数映射关系。对于一个新的候诊病人来说，只要将他的情况输入到训练好的神经网络中去，根据网络的输出结果就可以知道他是否已患肺癌。

表1　基于不同发病因素的诊断网络模型

类

型 训练集精度 测试集精度

基于遗传因素的诊断网 53.8% 46.3%

基于个人生活习惯的诊断网 57.1% 44.9%

基于病症的诊断网 89.4% 83.3%

基于医学检查结果的诊断网 98.5% 92.6%

上述结果表明不同类型的因素应分开来考虑。于是我们将58项输入数据分成四类，这四类有各自的BP诊断网，依次称为诊断一、诊断二、诊断三、诊断四。它们先单独测定，然后再将它们各自的结果综合起来得出最后的判断。

上述四种诊断网络所得结果的可靠性各不相同。其中，根据医学检查结果所作的诊断准确性最高，因此在最后的综合分析中要重点考虑它的诊断结果，我们给它设一个相对最高的权值。其次，根据病人的症状所作的诊断往往也具有较高的准确性，因此给它的权值也较高，但比医学检查结果的稍低。其他两类因素在有关肺癌的诊断中仅具参考作用，因而所设的权值相对较小。

最后的结果O为：

O=a1.O1+a2.O2+a3.O3+a4.O4

a1+a2+a3+a4=1

其中Oi，ai，i=1，2，3，4分别为各诊断网的输出及其对应的权值。

当O＞0.5时最后的诊断结果为患肺癌，反之则正常。对所有的病例数据经上述方法的诊断结果见表2。

表2　神经网络对肺癌诊断结果分析

神经网络

诊断结果 训练数据 测试数据

肺癌患者 非肺癌患者 肺癌患者 非肺癌患者

+ 460 2 25 3

- 0 38 1 22

其中对于训练集，肺癌病人的正确检出率为100%，非肺癌病人误诊率为5%。对于测试集，肺癌病人的正确检出率为96.2%；非肺癌患者正确检出率为88%，误诊率为12%。

讨　论

1.本研究所采用的人工神经网络的肺癌诊断方法的结果较好地符合了已知数据，具有较高的准确性，特别是对于肺癌患者一般都能准确地做出诊断，有利于肺癌的早期发现和治疗。

2.要想进一步提高该方法的准确性，应该注意收集更多更全面的病例数据。人工神经网络主要是利用它能自动从数据集中抽取函数的关系的功能。如果我们所使用的数据越多越全面，则其中所蕴含的事物本身的规律性就越强，利用人工神经网络从中所抽取的函数关系就越具有普遍性，因而就更准确。

3.实现对肺癌的诊断的关键在于准确找到罹患肺癌的判定函数，可利用前向网络的函数逼近功能来实现。但是这里涉及到两个问题。首先，由于差别函数和预测率函数都是利用人工神经网络从已知的病例数据集中抽取出来的，它实际反映的是这些数据集中输入输出对的映射关系。因此要想保证诊断具有较高的准确性，就应该使用来建立函数关系的这些数据集(称训练集)具有充分的代表性，即这些数据应基本蕴含肺癌诊断的医学原理。这就涉及到如何选择网络合理的训练集及关键的输入项。另一个问题涉及到神经网络本身的要求，即网络的输入输出数据值都应在区间(0，1)中。这可以通过数据的编码和归一化来实现。

4.由于某些原因有些病人的病例数据不完整，约占总病例数据的10%左右。显然，如果按照传统的方法来建立肺癌病人的诊断模型〔4〕，这些有缺项的数据是不太好处理的，但是由于人工神经网络有较强的容错性，输入数据在某些项上的错误对网络最终结果的正确性影响不大。

参考文献

1.焦李成.神经网络系统理论.第1版.西安：西安电子科技大学出版社，1995，3