CN103971162A - 一种基于遗传算法改进bp神经网络的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于遗传算法改进BP神经网络的方法，首先对BP网络进行编码：确定神经网络的结构，包括隐层个数、每一层的单元数；采用实数编码，将各层权值和阈值作为基因进行编码，编码后每个神经网络对应一条染色体；然后用遗传算法对网络进行选择优化，包含选择、交叉、变异步骤；最后对BP网络时行训练，得到最终结果；对遗传算法选择的最优个体进行解码生成新的神经网络，运用BP训练算法对新的网络进行训练，得到最终结果。本发明的方法，将遗传算法与BP网络相结合，可以充分利用两者的优点，既可以解决BP网络初始权值和阈值不易确定的问题，又能将搜索范围缩小，提高BP网络的训练速度，还可以改善局部极小问题。

Description

一种基于遗传算法改进BP神经网络的方法
技术领域
本发明涉及人工神经网络，特别涉及一种基于遗传算法改进BP神经网络的方法。
背景技术
人工神经网络是由生物生神经网络发展而来的，是对人脑或若干基本特性的简化、抽象和模拟。其目的在于模拟大脑的某些机理与机制，实现一些特定的功能。
其中BP神经网络作为一种使用最广泛的神经网络模型，在手写字体的识别、语音识别、人脸识别以及生物医学信号处理等方面已有许多实际的应用。
BP神经网络又称误差反向转播网络，是一种多层前向网络，一般包含一个输入层、一个输出层以及一个或多个隐层，如图1所示。BP神经网络是一种有导师学习网络，采用基于梯度下降的误差反向传播算法进行训练，误差的计算采用最小均方误差（LMS）。按照BP算法的要求，BP神经网络中的神经元所用的激活函数必须是可导的，一般采有S型函数或线性函数。其网络的学习过程如下：首先初始化网络权值和阈值，然后通过正向传播得到输出结果，再通过误差反身传播对各层的权值和阈值进行修正。如此反复进行正向传播和反向传播的过程，直到输出误差满足给定要求或达到预先设定的最大训练次数为止。
BP神经网络是人工神经网络中应用最广泛的算法，经提出了很多有效的学习算法，但是仍然存在一些缺陷：①学习收敛速度太慢；②BP神经网络采用的梯度下降法修正权值和阈值，存在局部极小问题，不能保证收敛到全局最小点；③隐层的数目和隐层单元数不易确定。各种改进的学习算法虽然能够改善BP神经网络的收敛速度，但是在实际应用中仍然不够完善，不能完全克服BP算法固有的缺陷。④网络结构、初始连接权值和阈值的选择对网络训练的影响很大，但是又无法准确获得。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于遗传算法改进BP神经网络的方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于遗传算法改进BP神经网络的方法，包含以下顺序的步骤：
S1.对BP网络进行编码：确定神经网络的结构，包括隐层个数、每一层的单元数；采用实数编码，将各层权值和阈值作为基因进行编码，编码后每个神经网络对应一条染色体；
S2.用遗传算法对网络进行选择优化，具体包括以下步骤：
（1）初始化种群：确定种群规模N，随机生成N条染色体；
（2）确定适应性函数：适应性函数用来评判个体对环境的适应性；
（3）确定控制参数：控件参数包括交叉概率、变异概率和终止条件；
（4）根据适应性函数计算各个体的适应度；
（5）执行遗传算子：
a、选择：运用选择算子从上一代种群中选择适应度高的个体；
b、交叉：将选择的两个适应度高的个体作为母体，依据步骤（3）中设置的交叉概率，运用交叉算子进行交叉操作；
c、变异：依据变异概率执行变异操作；
（6）检验是否满足终止条件：若满足，选择适应度最大的个体，进入神经网络训练阶段；否则转步骤（4）；
S3.对BP网络时行训练，得到最终结果；对遗传算法选择的最优个体进行解码生成新的神经网络，运用BP训练算法对新的网络进行训练，得到最终结果。
步骤S2的步骤（2）中，所述的适应性函数为神经网络误差的单调递减函数。
步骤S2的步骤（5）中，所述的选择算子为轮盘赌选择法、锦标赛选择法和竞争选择法的其中一种。
步骤S2的步骤（5）中，所述的交叉操作为单点交叉或是多点交叉，交叉概率选取较大值，为0.25～0.75。
步骤S2的步骤（5）中，所述的变异概率取较小值，为0.001～0.1。
步骤S2的步骤（6）中，所述的终止条件为以下条件之一：
A、种群中个体的最大适应度是否超过预先设定值；
B、进化代数是否超过预先设定值；
C、种群中个体的平均适应度是否超过预先设定值。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
遗传算法利用了生物进化和遗传的思想，比起其他传统优化方法有明显的优势：①遗传算法处理的对象是参数编码集。这种编码操作，使得遗传算法可以直接对结构对象进行操作。②遗传算法具有自组织、自适应性，不需要事先描述问题的全部特点，可以解决一些复杂的非结构化问题，具有很强的鲁棒性。③搜索过程基于目标函数值的评价信息，没有优化函数必须可导的要求。④采用概率的变迁规则来指导搜索方向，不采用确定性搜索规则。⑤思想简单，实现步骤规范，便于实现。
遗传算法具有快速寻优的能力和良好的全局搜索能力，能够很快逼近最优结果，但是局部搜索能力不足；而BP网络具有良好的自组织和自学习能力，局部寻优能力强。因此将遗传算法与BP网络相结合，训练时先用遗传算法对神经网络的权值和阈值进行寻优，再利用BP网络来进行精确求解，可以充分利用两者的优点。既可以解决BP网络初始权值和阈值不易确定的问题，又能将搜索范围缩小，提高BP网络的训练速度，还可以改善局部极小问题。此外，针对BP网络初始结构不易确定的问题，也可以用遗传算法进行优化。初始时随机生成不同结构（即隐层单元数不同）的BP网络，然后通过遗传算法进行选择优化，最终选择最优的个体解码生成新的BP网络，再利用BP算法进行网络的训练。
附图说明
图1为BP神经网络的结构示意图；
图2为本发明所述的一种基于遗传算法改进BP神经网络的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图2，一种基于遗传算法改进BP神经网络的方法，包含以下顺序的步骤：
S1.对BP网络进行编码：确定神经网络的结构，包括隐层个数、每一层的单元数；采用实数编码，将各层权值和阈值作为基因进行编码，编码后每个神经网络对应一条染色体；
S2.用遗传算法对网络进行选择优化，具体包括以下步骤：
（1）初始化种群：确定种群规模N，随机生成N条染色体；
（2）确定适应性函数：适应性函数用来评判个体对环境的适应性，适应性函数为神经网络误差的单调递减函数；
（3）确定控制参数：控件参数包括交叉概率、变异概率和终止条件；
（4）根据适应性函数计算各个体的适应度；
（5）执行遗传算子：
a、选择：运用选择算子从上一代种群中选择适应度高的个体，选择算子为轮盘赌选择法、锦标赛选择法和竞争选择法的其中一种；
b、交叉：将选择的两个适应度高的个体作为母体，依据步骤（3）中设置的交叉概率，运用交叉算子进行交叉操作，交叉操作为单点交叉或是多点交叉，交叉概率选取较大值，为0.25～0.75；
c、变异：依据变异概率执行变异操作，变异概率取较小值，为0.001～0.1；
（6）检验是否满足终止条件：若满足，选择适应度最大的个体，进入神经网络训练阶段；否则转步骤（4）；终止条件为以下条件之一：
A、种群中个体的最大适应度是否超过预先设定值；
B、进化代数是否超过预先设定值；
C、种群中个体的平均适应度是否超过预先设定值；
S3.对BP网络时行训练，得到最终结果；对遗传算法选择的最优个体进行解码生成新的神经网络，运用BP训练算法对新的网络进行训练，得到最终结果。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于遗传算法改进BP神经网络的方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：
S1.对BP网络进行编码：确定神经网络的结构，包括隐层个数、每一层的单元数；采用实数编码，将各层权值和阈值作为基因进行编码，编码后每个神经网络对应一条染色体；
S2.用遗传算法对网络进行选择优化，具体包括以下步骤：
（1）初始化种群：确定种群规模N，随机生成N条染色体；
（2）确定适应性函数：适应性函数用来评判个体对环境的适应性；
（3）确定控制参数：控件参数包括交叉概率、变异概率和终止条件；
（4）根据适应性函数计算各个体的适应度；
（5）执行遗传算子：
a、选择：运用选择算子从上一代种群中选择适应度高的个体；
b、交叉：将选择的两个适应度高的个体作为母体，依据步骤（3）中设置的交叉概率，运用交叉算子进行交叉操作；
c、变异：依据变异概率执行变异操作；
（6）检验是否满足终止条件：若满足，选择适应度最大的个体，进入神经网络训练阶段；否则转步骤（4）；
S3.对BP网络时行训练，得到最终结果；对遗传算法选择的最优个体进行解码生成新的神经网络，运用BP训练算法对新的网络进行训练，得到最终结果。
2.根据权利要求1所述的基于遗传算法改进BP神经网络的方法，其特征在于：步骤S2的步骤（2）中，所述的适应性函数为神经网络误差的单调递减函数。
3.根据权利要求1所述的基于遗传算法改进BP神经网络的方法，其特征在于：步骤S2的步骤（5）中，所述的选择算子为轮盘赌选择法、锦标赛选择法和竞争选择法的其中一种。
4.根据权利要求1所述的基于遗传算法改进BP神经网络的方法，其特征在于：步骤S2的步骤（5）中，所述的交叉操作为单点交叉或是多点交叉，交叉概率选取较大值，为0.25～0.75。
5.根据权利要求1所述的基于遗传算法改进BP神经网络的方法，其特征在于：步骤S2的步骤（5）中，所述的变异概率取较小值，为0.001～0.1。
6.根据权利要求1所述的基于遗传算法改进BP神经网络的方法，其特征在于：步骤S2的步骤（6）中，所述的终止条件为以下条件之一：
A、种群中个体的最大适应度是否超过预先设定值；
B、进化代数是否超过预先设定值；
C、种群中个体的平均适应度是否超过预先设定值。
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