神經網路連接權的訓練過程

A. 安海兵:人工智慧神經網路在訓練的過程中,訓練的是什麼

訓練的目的是使神經網路能夠以最小的錯誤率來對輸入和輸出之間的關系進行建模。根據查詢相關公開信息顯示，神經網路在訓練的過程中，訓練的是權重和偏置，權重和偏置是神經網路的參數，它們代表著神經網路中神經元之間的連接強度，訓練的目的是使神經網路能夠以最小的錯誤率來對輸入和輸出之間的關系進行建模。

B. 深度神經網路具體的工作流程是什麼樣的

所謂神經網路演算法，就是對人類學習能力的一種模擬演算法。理論認為人的認知模式，處事方式是存儲在神經元與神經元之間的連接上的，稱為「神經元連接權重」，人腦神經布局類似網狀結構，神經元是網的交叉點，權重就是網的連線，這些連線有粗有細，也就是權重的大小不同。而人類的學習能力就是去不斷改變權重的值，從而改變自己的認知模式和處事方式，簡單的說，不同人對同一個外部事物有不同看法，就是因為同樣的初始信號，在不同粗細的神經元連線放大或縮小後，變成了側重點不同的最終信號。最開始的「感知機"只用了2層神經元，即輸入層和輸出層，發現很多問題無法模擬，最著名的就是「異或」問題。 後來聰明的人在輸入層和輸出層之間加了一層神經元叫做隱藏層，3層的神經網路已經可以模擬二維上的任意函數曲線。只不過此時對「連接權重」的訓練過程就變得非常復雜，通常使用一種叫「誤差反傳」的計算方法。參考人腦，人腦大概有億級層數的神經元（當然，人腦是多任務處理器集合，某些特定的任務如人臉識別，只需用到大腦的某個局部）。於是人們會猜想，更多的隱藏層是否會有更高的學習效果。事實證明的確如此，隨著隱藏層數的增加，一些圖片，語音的識別率越來越高。因此，就有了深度神經網路這一概念。但隱藏層數越多訓練過程也越復雜，且誤差會在多層傳遞的時候衰減，導致GradientVanish問題，最終導致訓練結果收斂在局部最優或者難以收斂。後來又有聰明的人不斷改進誤差訓練演算法，神經網路的層數深度越來越大，現在最NB的是微軟的「殘差神經網路」，已經將隱藏層提高至152層。

C. BP人工神經網路

人工神經網路（artificialneuralnetwork，ANN）指由大量與自然神經系統相類似的神經元聯結而成的網路，是用工程技術手段模擬生物網路結構特徵和功能特徵的一類人工系統。神經網路不但具有處理數值數據的一般計算能力，而且還具有處理知識的思維、學習、記憶能力，它採用類似於「黑箱」的方法，通過學習和記憶，找出輸入、輸出變數之間的非線性關系（映射），在執行問題和求解時，將所獲取的數據輸入到已經訓練好的網路，依據網路學到的知識進行網路推理，得出合理的答案與結果。

岩土工程中的許多問題是非線性問題，變數之間的關系十分復雜，很難用確切的數學、力學模型來描述。工程現場實測數據的代表性與測點的位置、范圍和手段有關，有時很難滿足傳統統計方法所要求的統計條件和規律，加之岩土工程信息的復雜性和不確定性，因而運用神經網路方法實現岩土工程問題的求解是合適的。

BP神經網路模型是誤差反向傳播（BackPagation）網路模型的簡稱。它由輸入層、隱含層和輸出層組成。網路的學習過程就是對網路各層節點間連接權逐步修改的過程，這一過程由兩部分組成：正向傳播和反向傳播。正向傳播是輸入模式從輸入層經隱含層處理傳向輸出層；反向傳播是均方誤差信息從輸出層向輸入層傳播，將誤差信號沿原來的連接通路返回，通過修改各層神經元的權值，使得誤差信號最小。

BP神經網路模型在建立及應用過程中，主要存在的不足和建議有以下四個方面：

（1）對於神經網路，數據愈多，網路的訓練效果愈佳，也更能反映實際。但在實際操作中，由於條件的限制很難選取大量的樣本值進行訓練，樣本數量偏少。

（2）BP網路模型其計算速度較慢、無法表達預測量與其相關參數之間親疏關系。

（3）以定量數據為基礎建立模型，若能收集到充分資料，以定性指標（如基坑降水方式、基坑支護模式、施工工況等）和一些易獲取的定量指標作為輸入層，以評價等級作為輸出層，這樣建立的BP網路模型將更准確全面。

（4）BP人工神經網路系統具有非線性、智能的特點。較好地考慮了定性描述和定量計算、精確邏輯分析和非確定性推理等方面，但由於樣本不同，影響要素的權重不同，以及在根據先驗知識和前人的經驗總結對定性參數進行量化處理，必然會影響評價的客觀性和准確性。因此，在實際評價中只有根據不同的基坑施工工況、不同的周邊環境條件，應不同用戶的需求，選擇不同的分析指標，才能滿足復雜工況條件下地質環境評價的要求，取得較好的應用效果。

D. 第五章 神經網路

神經網路 ：神經網路是由具有適應性的簡單單元組成的廣泛並行互連的網路，它的組織能夠模擬生物神經系統對真實世界物體所作出的交互反應。
神經網路中最基本的成分便是 神經元模型 。
M-P神經元模型：

感知機由兩層神經元組成，分別為輸入層、輸出層。

以下是具體過程：

多層神經網路的拓撲結構如圖：

如上圖可知，多層網路由輸入層、隱含層和輸出層組成，頂層是輸出層，底層是輸入層，中間的便是隱含層。隱含層與輸出層都具有功能神經元。
多層前饋神經網路的結構需要滿足：
1、每層神經元必須與下一層完全互連
2、神經元之間不存在同層連接
3、神經元不可跨層連接

只需包含一個足夠多神經元的隱層，就能以任意精度逼近任意復雜度的連續函數

BP神經網路由於學習能力太強大比較榮譽造成過擬合問題，故有兩種策略來減緩過擬合的問題：
1、早停：將數據分成訓練集和驗證集，訓練集學習，驗證集評估性能，在訓練過程中，若訓練集的累積誤差降低，而驗證集的累積誤差提高，則終止訓練；
2、引入正則化：其基本思想是在誤差目標函數中增加一個用於描述網路復雜程度的部分，有如連接權和閾值的平方和：

其中λ∈（0,1）用於對累積經驗誤差與網路復雜度這兩項進行折中，常通過交叉驗證法來估計。

神經網路的訓練過程可看作一個參數尋優的過程，即尋找到適當的參數使得E最小。於是我們時常會談及「全局最小」和「局部最小」。
1、全局最小：即全局最小解，在參數空間中，所有其他點的誤差函數值均大於該點；
2、局部最小：即局部最小解，在參數空間中，其鄰近的點的誤差函數值均大於該點。

我們要達到局部極小點，很容易，只要滿足梯度為零的點便是了，局部極小點可以有多個，但全局最小點只有一個。顯然，我們追求的是全局最小，而非局部極小，於是人們通常採用以下策略來試圖「跳出」局部極小，使其接近全局最小：
1、以多組不同參數值初始化多個神經網路，按標准方法訓練，在迭代停止後，取其中誤差最小的解作為最終參數；
2、使用隨機梯度下降（在計算梯度時加入了隨機因素），使得在局部最小時，計算的梯度仍可能不為0，從而可能跳出局部極小，繼續進行迭代；
3、「模擬退火」技術，在每一步都以一定的概率接受比當前解更差的結果，但接受「次優解」的概率要隨著迭代進行，時間推移而逐漸減低以確保演算法的穩定。

1、RBF網路
單隱層前饋神經網路 ，使用徑向基函數作為隱層神經元激活函數，輸出層是對隱層神經元輸出的線性組合。RBF網路可表示為：

2、ART網路
競爭型學習 （神經網路中一種常用的 無監督學習 策略）,由 比較層、識別層、識別閾值和重置模塊 組成。接收到比較層的輸入信號後，識別層神經元相互競爭以產生獲勝神經元，最簡單的方式就是計算輸入向量與每個識別層神經元所對應的模式類代表向量間的距離，距離小者獲勝。若獲勝神經元對應的代表向量與輸入向量間 相似度大於識別閾值 ，則將輸入樣本歸為該代表向量所屬類別，網路 連接權 也會進行 更新 以保證後面接收到相似的輸入樣本時該模式類會計算出更大的相似度，使得這樣的樣本能夠歸於一類；如果 相似度不大於識別閾值 ，則 重置模塊 會在 識別層 加一個神經元，其 代表向量 就 設置 為當前 輸入向量 。
3、SOM網路
競爭型學習的無監督神經網路 ，將高維輸入數據映射到低維空間（通常是二維），且保持輸入數據在高維空間的拓撲結構。
4、級聯相關網路
結構自適應網路 。

5、Elman網路
遞歸神經網路 。

6、Boltzmann機
基於能量的模型，其神經元分為顯層與隱層，顯層用於數據輸入輸出，隱層被理解為數據的內在表達。其神經元皆為布爾型，1為激活，0為抑制。

理論上，參數越多的模型其復雜程度越高，能完成更加復雜的學習任務。但是復雜模型的訓練效率低下，容易過擬合。但由於大數據時代、雲計算，計算能力大幅提升緩解了訓練效率低下，而訓練數據的增加則可以降低過擬合風險。
於是如何增加模型的復雜程度呢？
1、增加隱層數；
2、增加隱層神經元數.
如何有效訓練多隱層神經網路？
1、無監督逐層訓練：每次訓練一層隱節點，把上一層隱節點的輸出當作輸入來訓練，本層隱結點訓練好後，輸出再作為下一層的輸入來訓練，這稱為預訓練，全部預訓練完成後，再對整個網路進行微調。「預訓練+微調」即把大量的參數進行分組，先找出每組較好的設置，再基於這些局部最優的結果來訓練全局最優；
2、權共享：令同一層神經元使用完全相同的連接權，典型的例子是卷積神經網路。這樣做可以大大減少需要訓練的參數數目。

深度學習 可理解為一種特徵學習或者表示學習，是通過 多層處理 ，逐漸將初始的 低層特徵表示 轉化為 高層特徵表示 後，用 簡單模型 即可完成復雜的分類等 學習任務 。

E. BP神經網路原理

人工神經網路有很多模型，但是日前應用最廣、基本思想最直觀、最容易被理解的是多層前饋神經網路及誤差逆傳播學習演算法（Error Back-Prooaeation），簡稱為BP網路。

在1986年以Rumelhart和McCelland為首的科學家出版的《Parallel Distributed Processing》一書中，完整地提出了誤差逆傳播學習演算法，並被廣泛接受。多層感知網路是一種具有三層或三層以上的階層型神經網路。典型的多層感知網路是三層、前饋的階層網路（圖4.1），即：輸入層、隱含層（也稱中間層）、輸出層，具體如下：

圖4.1 三層BP網路結構

（1）輸入層

輸入層是網路與外部交互的介面。一般輸入層只是輸入矢量的存儲層，它並不對輸入矢量作任何加工和處理。輸入層的神經元數目可以根據需要求解的問題和數據表示的方式來確定。一般而言，如果輸入矢量為圖像，則輸入層的神經元數目可以為圖像的像素數，也可以是經過處理後的圖像特徵數。

（2）隱含層

1989年，Robert Hecht Nielsno證明了對於任何在閉區間內的一個連續函數都可以用一個隱層的BP網路來逼近，因而一個三層的BP網路可以完成任意的n維到m維的映射。增加隱含層數雖然可以更進一步的降低誤差、提高精度，但是也使網路復雜化，從而增加了網路權值的訓練時間。誤差精度的提高也可以通過增加隱含層中的神經元數目來實現，其訓練效果也比增加隱含層數更容易觀察和調整，所以一般情況應優先考慮增加隱含層的神經元個數，再根據具體情況選擇合適的隱含層數。

（3）輸出層

輸出層輸出網路訓練的結果矢量，輸出矢量的維數應根據具體的應用要求來設計，在設計時，應盡可能減少系統的規模，使系統的復雜性減少。如果網路用作識別器，則識別的類別神經元接近1，而其它神經元輸出接近0。

以上三層網路的相鄰層之間的各神經元實現全連接，即下一層的每一個神經元與上一層的每個神經元都實現全連接，而且每層各神經元之間無連接，連接強度構成網路的權值矩陣W。

BP網路是以一種有教師示教的方式進行學習的。首先由教師對每一種輸入模式設定一個期望輸出值。然後對網路輸入實際的學習記憶模式，並由輸入層經中間層向輸出層傳播（稱為「模式順傳播」）。實際輸出與期望輸出的差即是誤差。按照誤差平方最小這一規則，由輸出層往中間層逐層修正連接權值，此過程稱為「誤差逆傳播」（陳正昌，2005）。所以誤差逆傳播神經網路也簡稱BP（Back Propagation）網。隨著「模式順傳播」和「誤差逆傳播」過程的交替反復進行。網路的實際輸出逐漸向各自所對應的期望輸出逼近，網路對輸入模式的響應的正確率也不斷上升。通過此學習過程，確定下各層間的連接權值後。典型三層BP神經網路學習及程序運行過程如下（標志淵，2006）：

（1）首先，對各符號的形式及意義進行說明：

網路輸入向量P_k=（a₁，a₂，...，a_n）；

網路目標向量T_k=（y₁，y₂，...，y_n）；

中間層單元輸入向量S_k=（s₁，s₂，...，s_p），輸出向量B_k=（b₁，b₂，...，b_p）；

輸出層單元輸入向量L_k=（l₁，l₂，...，l_q），輸出向量C_k=（c₁，c₂，...，c_q）；

輸入層至中間層的連接權w_ij，i=1，2，...，n，j=1，2，...p；

中間層至輸出層的連接權v_jt，j=1，2，...，p，t=1，2，...，p；

中間層各單元的輸出閾值θ_j，j=1，2，...，p；

輸出層各單元的輸出閾值γ_j，j=1，2，...，p；

參數k=1，2，...，m。

（2）初始化。給每個連接權值w_ij、v_jt、閾值θ_j與γ_j賦予區間（-1，1）內的隨機值。

（3）隨機選取一組輸入和目標樣本

提供給網路。

（4）用輸入樣本

、連接權w_ij和閾值θ_j計算中間層各單元的輸入s_j，然後用s_j通過傳遞函數計算中間層各單元的輸出b_j。

基坑降水工程的環境效應與評價方法

b_j=f（s_j） j=1，2，...，p （4.5）

（5）利用中間層的輸出b_j、連接權v_jt和閾值γ_t計算輸出層各單元的輸出L_t，然後通過傳遞函數計算輸出層各單元的響應C_t。

基坑降水工程的環境效應與評價方法

C_t=f（L_t） t=1，2，...，q （4.7）

（6）利用網路目標向量

，網路的實際輸出C_t，計算輸出層的各單元一般化誤差

。

基坑降水工程的環境效應與評價方法

（7）利用連接權v_jt、輸出層的一般化誤差d_t和中間層的輸出b_j計算中間層各單元的一般化誤差

。

基坑降水工程的環境效應與評價方法

（8）利用輸出層各單元的一般化誤差

與中間層各單元的輸出b_j來修正連接權v_jt和閾值γ_t。

基坑降水工程的環境效應與評價方法

（9）利用中間層各單元的一般化誤差

，輸入層各單元的輸入P_k=（a₁，a₂，...，a_n）來修正連接權w_ij和閾值θ_j。

基坑降水工程的環境效應與評價方法

（10）隨機選取下一個學習樣本向量提供給網路，返回到步驟（3），直到m個訓練樣本訓練完畢。

（11）重新從m個學習樣本中隨機選取一組輸入和目標樣本，返回步驟（3），直到網路全局誤差E小於預先設定的一個極小值，即網路收斂。如果學習次數大於預先設定的值，網路就無法收斂。

（12）學習結束。

可以看出，在以上學習步驟中，（8）、（9）步為網路誤差的「逆傳播過程」，（10）、（11）步則用於完成訓練和收斂過程。

通常，經過訓練的網路還應該進行性能測試。測試的方法就是選擇測試樣本向量，將其提供給網路，檢驗網路對其分類的正確性。測試樣本向量中應該包含今後網路應用過程中可能遇到的主要典型模式（宋大奇，2006）。這些樣本可以直接測取得到，也可以通過模擬得到，在樣本數據較少或者較難得到時，也可以通過對學習樣本加上適當的雜訊或按照一定規則插值得到。為了更好地驗證網路的泛化能力，一個良好的測試樣本集中不應該包含和學習樣本完全相同的模式（董軍，2007）。

F. 簡單介紹神經網路演算法

直接簡單介紹神經網路演算法

神經元：它是神經網路的基本單元。神經元先獲得輸入，然後執行某些數學運算後，再產生一個輸出。

神經元內輸入 經歷了3步數學運算，

先將兩個輸入乘以 權重 ：

權重 指某一因素或指標相對於某一事物的重要程度，其不同於一般的比重，體現的不僅僅是某一因素或指標所佔的百分比，強調的是因素或指標的相對重要程度

x1→x1 × w1

x2→x2 × w2

把兩個結果相加，加上一個 偏置 ：

（x1 × w1）+（x2 × w2）+ b

最後將它們經過 激活函數 處理得到輸出：

y = f(x1 × w1 + x2 × w2 + b)

激活函數 的作用是將無限制的輸入轉換為可預測形式的輸出。一種常用的激活函數是 sigmoid函數

sigmoid函數的輸出 介於0和1，我們可以理解為它把 (−∞,+∞) 范圍內的數壓縮到 (0, 1)以內。正值越大輸出越接近1，負向數值越大輸出越接近0。

神經網路： 神經網路就是把一堆神經元連接在一起

隱藏層 是夾在輸入輸入層和輸出層之間的部分，一個神經網路可以有多個隱藏層。

前饋 是指神經元的輸入向前傳遞獲得輸出的過程

訓練神經網路 ，其實這就是一個優化的過程，將損失最小化

損失 是判斷訓練神經網路的一個標准

可用 均方誤差 定義損失

均方誤差 是反映 估計量 與 被估計量 之間差異程度的一種度量。設t是根據子樣確定的總體參數θ的一個估計量，(θ-t)2的 數學期望 ，稱為估計量t的 均方誤差 。它等於σ2+b2，其中σ2與b分別是t的 方差 與 偏倚 。

預測值 是由一系列網路權重和偏置計算出來的值

反向傳播 是指向後計算偏導數的系統

正向傳播演算法 是由前往後進行的一個演算法

G. 人工神經網路

本文討論的神經網路是從生物學領域引入計算機科學和工程領域的一個仿生學概念，又稱人工神經網路（英語：artificial neural network，縮寫ANN）。是一種模仿生物神經網路（動物的中樞神經系統，特別是大腦）的結構和功能的數學模型或計算模型，用於對函數進行估計或近似。參考 wiki定義 。

如圖，一個神經元通常具有多個樹突，主要用來接受傳入信息；而軸突只有一條，軸突尾端有許多軸突末梢可以給其他多個神經元傳遞信息。軸突末梢跟其他神經元的樹突產生連接，從而傳遞信號。這個連接的位置在生物學上叫做「突觸」。
基於此，1943年，心理學家McCulloch和數學家Pitts參考了生物神經元的結構，發表了抽象的神經元模型MP，神經元模型是一個包含輸入，輸出與計算功能的模型。輸入可以類比為神經元的樹突，而輸出可以類比為神經元的軸突，計算則可以類比為細胞核。如下圖：

圖中X代表輸入信號，W代表權重，∑代表將X和W的矩陣運算，ψ對運算結果應用sgn函數，最終得到輸出y。
然而，改模型對許可權W是通過指定好的，因此不存在在計算工程中動態調配許可權W的能力，也就是不存在學習的能力。

1958年，計算科學家Rosenblatt提出了由兩層神經元組成的神經網路：「感知器」（Perceptron）。

可以看到，一個感知器有如下組成部分：
輸入權值： 一個感知器可以接收多個輸入，每個輸入上有一個權值，此外還有一個偏置項，就是上圖中的。
激活函數： 感知器的激活函數可以有很多選擇，比如我們可以選擇Sigmoid函數來作為激活函數。
其中，因為生物學上，外接信號傳導到神經元上，神經元不會立刻做出反應，而是會抑制輸入，直到輸入增強，強大到可以觸發輸出。也就是說，在產生輸出之前，輸入必須達到一個閾值。在數學上，這種隨著變數值增大，函數值發生跳躍的函數成為激活函數。下圖是一個常用的激活函數，Sigmoid函數曲線圖：

上節我們看到，感知器其實是單層的神經網路，神經網路可以理解成多個感知器組合而成的一個結構，如下圖：

神經網路的學習過程就是對權重矩陣的更新過程。所謂的訓練過程就是比較當前網路的預測值和我們真正想要的目標值，再根據兩者差異來更新每一層的權重矩陣。因此，必須先定義好如何比較預測值和目標值的差異，這便是損失函數（loss function）。損失函數輸出值loss越高表示差異性越大，神經網路的訓練就變成了盡可能的縮小loss的過程。

所謂梯度下降法，就是通過使loss值向當前點對應梯度點反方向不斷移動，來降低loss。一次移動多少通過學習率（learning rate）控制。
通俗來講，所謂梯度下降法，其實就如同漆黑的夜晚拿著手電筒站在山頂，每次只能看到眼前的一米遠距離，想要下到山腳，我們採用每次都選擇最陡峭的地方向下挪動，反復這一過程，最終到達山腳。

H. 神經網路連接權是什麼意思 連接權是什麼

神經網路的連接權在網路訓練過程中起到記憶信息的作用。是公式中的W。是一系列的數，在訓練過程中它不斷調整各值，直至訓練結果與目標吻合為止。

I. 什麼是BP神經網路

BP演算法的基本思想是：學習過程由信號正向傳播與誤差的反向回傳兩個部分組成；正向傳播時，輸入樣本從輸入層傳入，經各隱層依次逐層處理，傳向輸出層，若輸出層輸出與期望不符，則將誤差作為調整信號逐層反向回傳，對神經元之間的連接權矩陣做出處理，使誤差減小。經反復學習，最終使誤差減小到可接受的范圍。具體步驟如下：
1、從訓練集中取出某一樣本，把信息輸入網路中。
2、通過各節點間的連接情況正向逐層處理後，得到神經網路的實際輸出。
3、計算網路實際輸出與期望輸出的誤差。
4、將誤差逐層反向回傳至之前各層，並按一定原則將誤差信號載入到連接權值上，使整個神經網路的連接權值向誤差減小的方向轉化。
5、対訓練集中每一個輸入—輸出樣本對重復以上步驟，直到整個訓練樣本集的誤差減小到符合要求為止。

J. BP神經網路連接權值如何確定

確認方法：
統計學認為，在統計中計算平均數等指標時，對各個變數值具有權衡輕重作用的數值就稱為權數。
例子：求下列數串的平均數
3、4、3、3、3、2、4、4、3、3、
一般求法為（3＋4＋3＋3＋3＋2＋4＋4＋3＋3）／10＝3．2
加權求法為（6＊3＋3＊4＋2）／10＝3．2
其中3出現6次，4出現3次，2出現1次．6、3、1就叫權數。這種方法叫加權法。
一般說的平均數，就是把所有的數加起來，再除以這些數的總個數。表示為：
(p1+p2+p3+…..+pn)/n;
但有的數據記錄中有一些相同的數據，在計算的時候，那一個數有幾個相同數，就把這個數乘上幾，這個幾，就叫權，加權，就是乘上幾後再加。平均數還是要除以總個數。
還是以上面的各個數為例：
它們每個數都有一些相同數，表示為：k1,k2,k3…….kn;
加權平均的公式是：（k1p1+k2p2+k3p3+……knpn）/(k1+k2+k3+…..kn)