人工神經網路誕生於多少年

1. 人工神經網路的主要研究成果

1 人工神經網路產生的背景
自古以來，關於人類智能本源的奧秘，一直吸引著無數哲學家和自然科學家的研究熱情。生物學家、神經學家經過長期不懈的努力，通過對人腦的觀察和認識，認為人腦的智能活動離不開腦的物質基礎，包括它的實體結構和其中所發生的各種生物、化學、電學作用，並因此建立了神經元網路理論和神經系統結構理論，而神經元理論又是此後神經傳導理論和大腦功能學說的基礎。在這些理論基礎之上，科學家們認為，可以從仿製人腦神經系統的結構和功能出發，研究人類智能活動和認識現象。另一方面，19世紀之前，無論是以歐氏幾何和微積分為代表的經典數學，還是以牛頓力學為代表的經典物理學，從總體上說，這些經典科學都是線性科學。然而，客觀世界是如此的紛繁復雜，非線性情況隨處可見，人腦神經系統更是如此。復雜性和非線性是連接在一起的，因此，對非線性科學的研究也是我們認識復雜系統的關鍵。為了更好地認識客觀世界，我們必須對非線性科學進行研究。人工神經網路作為一種非線性的、與大腦智能相似的網路模型，就這樣應運而生了。所以，人工神經網路的創立不是偶然的，而是20世紀初科學技術充分發展的產物。
2 人工神經網路的發展
人工神經網路的研究始於40年代初。半個世紀以來，經歷了興起、高潮與蕭條、高潮及穩步發展的遠為曲折的道路。
1943年，心理學家W.S.Mcculloch和數理邏輯學家W.Pitts 提出了M—P模型，這是第一個用數理語言描述腦的信息處理過程的模型， 雖然神經元的功能比較弱，但它為以後的研究工作提供了依據。1949年，心理學家D.O.Hebb提出突觸聯系可變的假設，根據這一假設提出的學習規律為神經網路的學習演算法奠定了基礎。 1957 年， 計算機科學家Rosenblatt提出了著名的感知機模型，它的模型包含了現代計算機的一些原理，是第一個完整的人工神經網路，第一次把神經網路研究付諸工程實現。由於可應用於模式識別，聯想記憶等方面，當時有上百家實驗室投入此項研究，美國軍方甚至認為神經網路工程應當比「原子彈工程」更重要而給予巨額資助，並在聲納信號識別等領域取得一定成績。1960年，B.Windrow和E.Hoff提出了自適應線性單元， 它可用於自適應濾波、預測和模式識別。至此，人工神經網路的研究工作進入了第一個高潮。
1969年，美國著名人工智慧學者M.Minsky和S.Papert編寫了影響很大的Perceptron一書，從理論上證明單層感知機的能力有限，諸如不能解決異或問題，而且他們推測多層網路的感知機能力也不過如此，他們的分析恰似一瓢冷水，很多學者感到前途渺茫而紛紛改行，原先參與研究的實驗室紛紛退出，在這之後近10年，神經網路研究進入了一個緩慢發展的蕭條期。這期間，芬蘭學者T.Kohonen 提出了自組織映射理論，反映了大腦神經細胞的自組織特性、記憶方式以及神經細胞興奮刺激的規律；美國學者S.A.Grossberg的自適應共振理論（ART ）；日本學者K.Fukushima提出了認知機模型；ShunIchimari則致力於神經網路有關數學理論的研究等，這些研究成果對以後的神經網路的發展產生了重要影響。
美國生物物理學家J.J.Hopfield於1982年、1984年在美國科學院院刊發表的兩篇文章，有力地推動了神經網路的研究，引起了研究神經網路的又一次熱潮。 1982 年， 他提出了一個新的神經網路模型——hopfield網路模型。他在這種網路模型的研究中，首次引入了網路能量函數的概念，並給出了網路穩定性的判定依據。1984年，他又提出了網路模型實現的電子電路，為神經網路的工程實現指明了方向，他的研究成果開拓了神經網路用於聯想記憶的優化計算的新途徑，並為神經計算機研究奠定了基礎。1984年Hinton等人將模擬退火演算法引入到神經網路中，提出了Boltzmann機網路模型，BM 網路演算法為神經網路優化計算提供了一個有效的方法。1986年，D.E.Rumelhart和J.LMcclelland提出了誤差反向傳播演算法，成為至今為止影響很大的一種網路學習方法。1987年美國神經計算機專家R.Hecht—Nielsen提出了對向傳播神經網路，該網路具有分類靈活，演算法簡練的優點，可用於模式分類、函數逼近、統計分析和數據壓縮等領域。1988年L.Ochua 等人提出了細胞神經網路模型，它在視覺初級加工上得到了廣泛應用。
為適應人工神經網路的發展，1987年成立了國際神經網路學會，並決定定期召開國際神經網路學術會議。1988年1月Neural Network 創刊。1990年3月IEEE Transaction on Neural Network問世。 我國於1990年12月在北京召開了首屆神經網路學術大會，並決定以後每年召開一次。1991 年在南京成立了中國神經網路學會。 IEEE 與INNS 聯合召開的IJCNN92已在北京召開。 這些為神經網路的研究和發展起了推波助瀾的作用，人工神經網路步入了穩步發展的時期。
90年代初，諾貝爾獎獲得者Edelman提出了Darwinism模型，建立了神經網路系統理論。同年，Aihara等在前人推導和實驗的基礎上，給出了一個混沌神經元模型，該模型已成為一種經典的混沌神經網路模型，該模型可用於聯想記憶。 Wunsch 在90OSA 年會上提出了一種AnnualMeeting，用光電執行ART，學習過程有自適應濾波和推理功能，具有快速和穩定的學習特點。1991年，Hertz探討了神經計算理論， 對神經網路的計算復雜性分析具有重要意義；Inoue 等提出用耦合的混沌振盪子作為某個神經元，構造混沌神經網路模型，為它的廣泛應用前景指明了道路。1992年，Holland用模擬生物進化的方式提出了遺傳演算法， 用來求解復雜優化問題。1993年方建安等採用遺傳演算法學習，研究神經網路控制器獲得了一些結果。1994年Angeline等在前人進化策略理論的基礎上，提出一種進化演算法來建立反饋神經網路，成功地應用到模式識別，自動控制等方面；廖曉昕對細胞神經網路建立了新的數學理論和方法，得到了一系列結果。HayashlY根據動物大腦中出現的振盪現象，提出了振盪神經網路。1995年Mitra把人工神經網路與模糊邏輯理論、 生物細胞學說以及概率論相結合提出了模糊神經網路，使得神經網路的研究取得了突破性進展。Jenkins等人研究光學神經網路， 建立了光學二維並行互連與電子學混合的光學神經網路，它能避免網路陷入局部最小值，並最後可達到或接近最理想的解；SoleRV等提出流體神經網路，用來研究昆蟲社會，機器人集體免疫系統，啟發人們用混沌理論分析社會大系統。1996年，ShuaiJW』等模擬人腦的自發展行為， 在討論混沌神經網路的基礎上提出了自發展神經網路。1997、1998年董聰等創立和完善了廣義遺傳演算法，解決了多層前向網路的最簡拓樸構造問題和全局最優逼近問題。
隨著理論工作的發展，神經網路的應用研究也取得了突破性進展，涉及面非常廣泛，就應用的技術領域而言有計算機視覺，語言的識別、理解與合成，優化計算，智能控制及復雜系統分析，模式識別，神經計算機研製，知識推理專家系統與人工智慧。涉及的學科有神經生理學、認識科學、數理科學、心理學、信息科學、計算機科學、微電子學、光學、動力學、生物電子學等。美國、日本等國在神經網路計算機軟硬體實現的開發方面也取得了顯著的成績，並逐步形成產品。在美國，神經計算機產業已獲得軍方的強有力支持，國防部高級研究計劃局認為「神經網路是解決機器智能的唯一希望」，僅一項8 年神經計算機計劃就投資4億美元。在歐洲共同體的ESPRIT計劃中， 就有一項特別項目：「神經網路在歐洲工業中的應用」，單是生產神經網路專用晶元這一項就投資2200萬美元。據美國資料聲稱，日本在神經網路研究上的投資大約是美國的4倍。我國也不甘落後，自從1990 年批准了南開大學的光學神經計算機等3項課題以來， 國家自然科學基金與國防預研基金也都為神經網路的研究提供資助。另外，許多國際著名公司也紛紛捲入對神經網路的研究，如Intel、IBM、Siemens、HNC。神經計算機產品開始走向商用階段，被國防、企業和科研部門選用。在舉世矚目的海灣戰爭中，美國空軍採用了神經網路來進行決策與控制。在這種刺激和需求下，人工神經網路定會取得新的突破，迎來又一個高潮。自1958年第一個神經網路誕生以來，其理論與應用成果不勝枚舉。人工神經網路是一個快速發展著的一門新興學科，新的模型、新的理論、新的應用成果正在層出不窮地涌現出來。
3 人工神經網路的發展前景
針對神經網路存在的問題和社會需求，今後發展的主要方向可分為理論研究和應用研究兩個方面。
（1）利用神經生理與認識科學研究大腦思維及智能的機理、 計算理論，帶著問題研究理論。
人工神經網路提供了一種揭示智能和了解人腦工作方式的合理途徑，但是由於人類起初對神經系統了解非常有限，對於自身腦結構及其活動機理的認識還十分膚淺，並且帶有某種「先驗」。例如， Boltzmann機引入隨機擾動來避免局部極小，有其卓越之處，然而缺乏必要的腦生理學基礎，毫無疑問，人工神經網路的完善與發展要結合神經科學的研究。而且，神經科學，心理學和認識科學等方面提出的一些重大問題，是向神經網路理論研究提出的新挑戰，這些問題的解決有助於完善和發展神經網路理論。因此利用神經生理和認識科學研究大腦思維及智能的機理，如有新的突破，將會改變智能和機器關系的認識。
利用神經科學基礎理論的研究成果，用數理方法探索智能水平更高的人工神經網路模型，深入研究網路的演算法和性能，如神經計算、進化計算、穩定性、收斂性、計算復雜性、容錯性、魯棒性等，開發新的網路數理理論。由於神經網路的非線性，因此非線性問題的研究是神經網路理論發展的一個最大動力。特別是人們發現，腦中存在著混沌現象以來，用混沌動力學啟發神經網路的研究或用神經網路產生混沌成為擺在人們面前的一個新課題，因為從生理本質角度出發是研究神經網路的根本手段。
（2）神經網路軟體模擬， 硬體實現的研究以及神經網路在各個科學技術領域應用的研究。
由於人工神經網路可以用傳統計算機模擬，也可以用集成電路晶元組成神經計算機，甚至還可以用光學的、生物晶元的方式實現，因此研製純軟體模擬，虛擬模擬和全硬體實現的電子神經網路計算機潛力巨大。如何使神經網路計算機與傳統的計算機和人工智慧技術相結合也是前沿課題；如何使神經網路計算機的功能向智能化發展，研製與人腦功能相似的智能計算機，如光學神經計算機，分子神經計算機，將具有十分誘人的前景。
4 哲理
（1）人工神經網路打開了認識論的新領域
認識與腦的問題，長期以來一直受到人們的關注，因為它不僅是有關人的心理、意識的心理學問題，也是有關人的思維活動機制的腦科學與思維科學問題，而且直接關繫到對物質與意識的哲學基本問題的回答。人工神經網路的發展使我們能夠更進一步地既唯物又辯證地理解認識與腦的關系，打開認識論的新領域。人腦是一個復雜的並行系統，它具有「認知、意識、情感」等高級腦功能，用人工進行模擬，有利於加深對思維及智能的認識，已對認知和智力的本質的研究產生了極大的推動作用。在研究大腦的整體功能和復雜性方面，人工神經網路給人們帶來了新的啟迪。由於人腦中存在混沌現象，混沌可用來理解腦中某些不規則的活動，從而混沌動力學模型能用作人對外部世界建模的工具，可用來描述人腦的信息處理過程。混沌和智能是有關的，神經網路中引入混沌學思想有助於提示人類形象思維等方面的奧秘。人工神經網路之所以再度興起，關鍵在於它反映了事物的非線性，抓住了客觀世界的本質，而且它在一定程度上正面回答了智能系統如何從環境中自主學習這一最關鍵的問題，從認知的角度講，所謂學習，就是對未知現象或規律的發現和歸納。由於神經網路具有高度的並行性，高度的非線性全局作用，良好的容錯性與聯想記憶功能以及十分強的自適應、自學習功能，而使得它成為揭示智能和了解人腦工作方式的合理途徑。但是，由於認知問題的復雜性，目前，我們對於腦神經網的運行和神經細胞的內部處理機制，如信息在人腦是如何傳輸、存貯、加工的？記憶、聯想、判斷是如何形成的？大腦是否存在一個操作系統？還沒有太多的認識，因此要製造人工神經網路來模仿人腦各方面的功能，還有待於人們對大腦信息處理機理認識的深化。
（2）人工神經網路發展的推動力來源於實踐、 理論和問題的相互作用
隨著人們社會實踐范圍的不斷擴大，社會實踐層次的不斷深入，人們所接觸到的自然現象也越來越豐富多彩、紛繁復雜，這就促使人們用不同的原因加以解釋不同種類的自然現象，當不同種類的自然現象可以用同樣的原因加以解釋，這樣就出現了不同學科的相互交叉、綜合，人工神經網路就這樣產生了。在開始階段，由於這些理論化的網路模型比較簡單，還存在許多問題，而且這些模型幾乎沒有得到實踐的檢驗，因而神經網路的發展比較緩慢。隨著理論研究的深入，問題逐漸地解決特別是工程上得到實現以後，如聲納識別成功，才迎來了神經網路的第一個發展高潮。可Minisky認為感知器不能解決異或問題， 多層感知器也不過如此，神經網路的研究進入了低谷，這主要是因為非線性問題沒得到解決。隨著理論的不斷豐富，實踐的不斷深入， 現在已證明Minisky的悲觀論調是錯誤的。今天，高度發達的科學技術逐漸揭示了非線性問題是客觀世界的本質。問題、理論、實踐的相互作用又迎來了人工神經網路的第二次高潮。目前人工神經網路的問題是智能水平不高，還有其它理論和實現方面的問題，這就迫使人們不斷地進行理論研究，不斷實踐，促使神經網路不斷向前發展。總之，先前的原因遇到了解釋不同的新現象，促使人們提出更加普遍和精確的原因來解釋。理論是基礎，實踐是動力，但單純的理論和實踐的作用還不能推動人工神經網路的發展，還必須有問題提出，才能吸引科學家進入研究的特定范圍，引導科學家從事相關研究，從而逼近科學發現，而後實踐又提出新問題，新問題又引發新的思考，促使科學家不斷思考，不斷完善理論。人工神經網路的發展無不體現著問題、理論和實踐的辯證統一關系。
（3 ）人工神經網路發展的另一推動力來源於相關學科的貢獻及不同學科專家的競爭與協同
人工神經網路本身就是一門邊緣學科，它的發展有更廣闊的科學背景，亦即是眾多科研成果的綜合產物，控制論創始人Wiener在其巨著《控制論》中就進行了人腦神經元的研究；計算機科學家Turing就提出過B網路的設想；Prigogine提出非平衡系統的自組織理論，獲得諾貝爾獎；Haken研究大量元件聯合行動而產生宏觀效果， 非線性系統「混沌」態的提出及其研究等，都是研究如何通過元件間的相互作用建立復雜系統，類似於生物系統的自組織行為。腦科學與神經科學的進展迅速反映到人工神經網路的研究中，例如生物神經網路理論，視覺中發現的側抑制原理，感受野概念等，為神經網路的發展起了重要的推動作用。從已提出的上百種人工神經網路模型中，涉及學科之多，令人目不暇接，其應用領域之廣，令人嘆為觀止。不同學科專家為了在這一領域取得領先水平，存在著不同程度的競爭，所有這些有力地推動了人工神經網路的發展。人腦是一個功能十分強大、結構異常復雜的信息系統，隨著資訊理論、控制論、生命科學，計算機科學的發展，人們越來越驚異於大腦的奇妙，至少到目前為止，人類大腦信號處理機制對人類自身來說，仍是一個黑盒子，要揭示人腦的奧秘需要神經學家、心理學家、計算機科學家、微電子學家、數學家等專家的共同努力，對人類智能行為不斷深入研究，為人工神經網路發展提供豐富的理論源泉。另外，還要有哲學家的參與，通過哲學思想和自然科學多種學科的深層結合，逐步孕育出探索人類思維本質和規律的新方法，使思維科學從朦朧走向理性。而且，不同領域專家的競爭與協調同有利於問題清晰化和尋求最好的解決途徑。縱觀神經網路的發展歷史，沒有相關學科的貢獻，不同學科專家的競爭與協同，神經網路就不會有今天。當然，人工神經網路在各個學科領域應用的研究反過來又推動其它學科的發展，推動自身的完善和發展。

2. [機器學習]人工神經網路

人工神經網路，源於1943年McCulloch和Pitts的模型，模仿了生物學神經元的工作原理。每個神經元通過權重連接，接收輸入信號，當輸入總和超過閾值，激活後向其他神經元傳遞信號。理想激活函數如階躍函數，但現實中常用sigmoid函數，將輸入值壓縮到特定范圍內。

感知器，由兩層神經元構成，包括輸入層和輸出層，通過學習調整權重和閾值，用於解決線性可分問題。然而，對於非線性問題，如異或問題，需要引入多層網路，增加隱含層以擴展功能。多層前饋網路，如深度學習模型，通過增加隱層數量實現復雜表示，如深度信念網路和卷積神經網路。

誤差逆傳播演算法，如BP，是訓練多層網路的關鍵，通過梯度下降調整權重，以最小化訓練集誤差。深度學習訓練面臨挑戰，需採用預訓練和微調策略，或權共享，如CNN中的卷積層權重共享，以應對深層網路的復雜性。

總結來說，人工神經網路通過模擬生物神經元的連接機制，通過多層結構和學習演算法，實現了從簡單線性問題到復雜非線性問題的處理，尤其在深度學習中，它們通過特徵學習，能夠對輸入數據進行深度處理和抽象，從而提升模型的預測能力。

3. 如何通過人工神經網路實現圖像識別

人工神經網路（Artificial Neural Networks）（簡稱ANN）系統從20 世紀40 年代末誕生至今僅短短半個多世紀，但由於他具有信息的分布存儲、並行處理以及自學習能力等優點，已經在信息處理、模式識別、智能控制及系統建模等領域得到越來越廣泛的應用。尤其是基於誤差反向傳播（Error Back Propagation）演算法的多層前饋網路（Multiple-Layer Feedforward Network）(簡稱BP 網路)，可以以任意精度逼近任意的連續函數，所以廣泛應用於非線性建模、函數逼近、模式分類等方面。

目標識別是模式識別領域的一項傳統的課題，這是因為目標識別不是一個孤立的問題，而是模式識別領域中大多數課題都會遇到的基本問題，並且在不同的課題中，由於具體的條件不同，解決的方法也不盡相同，因而目標識別的研究仍具有理論和實踐意義。這里討論的是將要識別的目標物體用成像頭(紅外或可見光等)攝入後形成的圖像信號序列送入計算機，用神經網路識別圖像的問題。

一、BP 神經網路

BP 網路是採用Widrow-Hoff 學習演算法和非線性可微轉移函數的多層網路。一鬧肢個典型的BP 網路採用的是梯度下降演算法，也就是Widrow-Hoff 演算法所規定的。backpropagation 就是指的為非線性多層網路計算梯度的方法。一個典型的BP 網路結構如圖所示。

我們將它用向量圖表示如下圖所示。

其中：對於第k 個模式對，輸出層單元的j 的加權輸入為

該單元的實際輸出為

而隱含層單元i 的加權輸入為

該單元的實際輸出為

函數f 為可微分遞減函數

其演算法描述如下：
（1）初始化網路及學習參數，如設置網路初始權矩陣、學習因子等。
（2）提供訓練模式，訓練網路，直到滿足學習要求。
（3）前向傳播過程：對給定訓練模式輸入，計算網路的輸出模式，並與期望模式比較，若有誤差，則執行（4）；否則，返回（2）。
（4）後向傳播過程：a. 計算同一層單元的誤差；b. 修正權值和閾值；c. 返回（2）

二、 BP 網路隱層個數的選擇
對於含有一個隱層的三層BP 網路可以實現輸入到輸出的任何非線性映射。增加網路隱層數可以降低誤差，提高精度，但同時也使網路復雜化，增加網路的訓練時間。誤差精度的提高也可以通過增加隱層結點數來實現。一般情況下，應優先考慮增加隱含層的結點數。

三、隱含層神經元個數的選擇
當用神經網路實現網路映射時，隱含層神經元個數直接影響著神經網路的學習能力和歸納能力。隱含層神經元數目較少時，網路每次學習的時間較短，但有可能因為學習不足導致網路無法記住全部學習內容；隱含層神經元數目較大時，學習能力增強，網路每次學習的時間較長，網路的存儲容量隨之變大，導致網路對未知輸入的歸納能力下降，因為對隱含層神經元個數的選擇尚無理論上的指導，一般憑經驗確定。

四、神經網路圖像識別系統
人工神經網路方法實現模式識別，可處理一些環境信息十分復雜，背景知識不清楚，推理規則不明確的問題，允許樣品有較大的缺損、畸變，神經網路方法的缺點是其模型在不斷豐富完善中，目前能識別的模式類還不夠多，神經網路方法允許樣品有較大的缺損和畸變，其運行速度快，自適應性能好，具有較高的解析度。
神經網路的圖像識別系統是神經網路模式識別系統的一種，原理是一致的空改。一般神經網路圖像識別系統由預處理，特徵提取和神經網路分類器組成。預處理就是將原始數據中的無用信息刪除，平滑，二值化和進行幅度歸一化等。神經網路圖像識別系統中的特徵提取部分不一定存在，這樣就分為兩大類：① 有特徵提取部分的：這一類系統實際上是傳統方法與神經網路方法技術的結合，這種方法可以充分利用人的經驗來獲取模式特徵以及神經網路分類能力來識別目標圖像。特徵提取必須能反應整個圖像的特徵。但它的抗干擾能力不如第2類。② 無特徵提取部分的：省去特徵抽取，整副圖像直接作為神經網路的輸入，這種方式下，系統的神經網路結構的復雜度大大增加了，輸入模式維數的增加導致了網路規模的龐大。此外，神經網路結構需要完全自己消除模式變形的影響。但是網路的抗干擾性能好，識別率高。
當BP 網用於分類時，首先要選擇各類的樣斗彎判本進行訓練，每類樣本的個數要近似相等。其原因在於一方面防止訓練後網路對樣本多的類別響應過於敏感，而對樣本數少的類別不敏感。另一方面可以大幅度提高訓練速度，避免網路陷入局部最小點。
由於BP 網路不具有不變識別的能力，所以要使網路對模式的平移、旋轉、伸縮具有不變性，要盡可能選擇各種可能情況的樣本。例如要選擇不同姿態、不同方位、不同角度、不同背景等有代表性的樣本，這樣可以保證網路有較高的識別率。
構造神經網路分類器首先要選擇適當的網路結構：神經網路分類器的輸入就是圖像的特徵向量；神經網路分類器的輸出節點應該是類別數。隱層數要選好，每層神經元數要合適，目前有很多採用一層隱層的網路結構。然後要選擇適當的學習演算法，這樣才會有很好的識別效果。在學習階段應該用大量的樣本進行訓練學習，通過樣本的大量學習對神經網路的各層網路的連接權值進行修正，使其對樣本有正確的識別結果，這就像人記數字一樣，網路中的神經元就像是人腦細胞，權值的改變就像是人腦細胞的相互作用的改變，神經網路在樣本學習中就像人記數字一樣，學習樣本時的網路權值調整就相當於人記住各個數字的形象，網路權值就是網路記住的內容，網路學習階段就像人由不認識數字到認識數字反復學習過程是一樣的。神經網路是按整個特徵向量的整體來記憶圖像的，只要大多數特徵符合曾學習過的樣本就可識別為同一類別，所以當樣本存在較大雜訊時神經網路分類器仍可正確識別。在圖像識別階段，只要將圖像的點陣向量作為神經網路分類器的輸入，經過網路的計算，分類器的輸出就是識別結果。

五、模擬實驗
1、實驗對象
本實驗用MATLAB 完成了對神經網路的訓練和圖像識別模擬。從實驗資料庫中選擇0～9 這十個數字的BMP 格式的目標圖像。圖像大小為16×8 像素，每個目標圖像分別加10％、20％、30％、40％、50％大小的隨機雜訊，共產生60 個圖像樣本。將樣本分為兩個部分，一部分用於訓練，另一部分用於測試。實驗中用於訓練的樣本為40個，用於測試的樣本為20 個。隨機雜訊調用函數randn(m,n)產生。
2、網路結構
本試驗採用三層的BP 網路，輸入層神經元個數等於樣本圖像的象素個數16×8 個。隱含層選24 個神經元，這是在試驗中試出的較理想的隱層結點數。輸出層神經元個數就是要識別的模式數目，此例中有10 個模式，所以輸出層神經元選擇10 個，10 個神經元與10 個模式一一對應。
3、基於MATLAB 語言的網路訓練與模擬
建立並初始化網路

1
2
3
4
5
6
7
8

% ================
S1 = 24;% 隱層神經元數目S1 選為24
[R,Q] = size(numdata);
[S2,Q] = size(targets);
F = numdata;
P=double(F);
net = newff(minmax(P),[S1 S2],{'logsig'
'logsig'},'traingda','learngdm')

這里numdata 為訓練樣本矩陣，大小為128×40， targets 為對應的目標輸出矩陣，大小為10×40。
newff(PR,[S1 S2…SN],{TF1 TF2…TFN}，BTF,BLF,PF)為MATLAB 函數庫中建立一個N 層
前向BP 網路的函數，函數的自變數PR 表示網路輸入矢量取值范圍的矩陣[Pmin max];S1~SN 為各層神經元的個數；TF1~TFN 用於指定各層神經元的傳遞函數；BTF 用於指定網路的訓練函數；BLF 用於指定權值和閥值的學習函數；PF 用於指定網路的性能函數，預設值為『mse』。
設置訓練參數

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

net.performFcn = 'sse'; %平方和誤差
性能函數
net.trainParam.goal = 0.1; %平方和誤
差目標
net.trainParam.show = 20; %進程顯示
頻率
net.trainParam.epochs = 5000;%最大訓
練步數
net.trainParam.mc = 0.95; %動量常數
網路訓練
net=init(net);%初始化網路
[net,tr] = train(net,P,T);％網路訓練
對訓練好的網路進行模擬
D=sim(net,P);
A = sim(net,B);

B 為測試樣本向量集,128×20 的點陣。D 為網路對訓練樣本的識別結果，A 為測試樣本的網路識別結果。實驗結果表明：網路對訓練樣本和對測試樣本的識別率均為100％。如圖為64579五個數字添加50%隨機雜訊後網路的識別結果。

六、總結
從上述的試驗中已經可以看出，採用神經網路識別是切實可行的，給出的例子只是簡單的數字識別實驗，要想在網路模式下識別復雜的目標圖像則需要降低網路規模，增加識別能力，原理是一樣的。

4. 人工神經網路的發展

現代意義上對神經網路（特指人工神經網路）的研究一般認為從1943年美國芝加哥大學的生理學家W.S. McCulloch和W.A. Pitts提出M-P神經元模型開始，到今年正好六十年。在這六十年中，神經網路的發展走過了一段曲折的道路。1965年M. Minsky和S. Papert在《感知機》一書中指出感知機的缺陷並表示出對這方面研究的悲觀態度，使得神經網路的研究從興起期進入了停滯期，這是神經網路發展史上的第一個轉折。到了20世紀80年代初，J.J. Hopfield的工作和D. Rumelhart等人的PDP報告顯示出神經網路的巨大潛力，使得該領域的研究從停滯期進入了繁榮期，這是神經網路發展史上的第二個轉折。
到了20世紀90年代中後期，隨著研究者們對神經網路的局限有了更清楚的認識，以及支持向量機等似乎更有前途的方法的出現，「神經網路」這個詞不再象前些年那麼「火爆」了。很多人認為神經網路的研究又開始陷入了低潮，並認為支持向量機將取代神經網路。有趣的是，著名學者C.-J. Lin於2003年1月在德國馬克斯·普朗克研究所所做的報告中說，支持向量機雖然是一個非常熱門的話題，但目前最主流的分類工具仍然是決策樹和神經網路。由著名的支持向量機研究者說出這番話，顯然有一種特殊的意味。
事實上，目前神經網路的境遇與1965年之後真正的低潮期相比有明顯的不同。在1965年之後的很長一段時期里，美國和前蘇聯沒有資助任何一項神經網路的研究課題，而今天世界各國對神經網路的研究仍然有大量的經費支持；1965年之後90%以上的神經網路研究者改變了研究方向，而今天無論是國際還是國內都有一支相對穩定的研究隊伍。實際上，神經網路在1965年之後陷入低潮是因為當時該領域的研究在一定意義上遭到了否定，而今天的相對平靜是因為該領域已經走向成熟，很多技術開始走進生產和生活，從而造成了原有研究空間的縮小。
在科學研究中通常有這么一個現象，當某個領域的論文大量涌現的時候，往往正是該領域很不成熟、研究空間很大的時候，而且由於這時候人們對該領域研究的局限缺乏清楚的認識，其熱情往往具有很大的盲目性。從這個意義上說，過去若干年裡各領域研究者一擁而上、各種專業刊物滿眼「神經網路」的風光，其實是一種畸形繁榮的景象，而對神經網路的研究現在才進入了一個比較理智、正常的發展期。在這段時期中，通過對以往研究中存在的問題和局限進行反思，並適當借鑒相關領域的研究進展，將可望開拓新的研究空間，為該領域的進一步發展奠定基礎。

5. 人工神經網路是哪一年由誰提出來的

人工神經網路是1943年，心理學家W.S.McCulloch和數理邏輯學家W.Pitts提出來。

他們通過MP模型提出了神經元的形式化數學描述和網路結構方法，證明了單個神經元能執行邏輯功能，從而開創了人工神經網路研究的時代。

1949年，心理學家提出了突觸聯系強度可變的設想。60年代，人工神經網路得到了進一步發展，更完善的神經網路模型被提出，其中包括感知器和自適應線性元件等。M.Minsky等仔細分析了以感知器為代表的神經網路系統的功能及局限後，於1969年出版了《Perceptron》一書，指出感知器不能解決高階謂詞問題。

(5)人工神經網路誕生於多少年擴展閱讀

人工神經網路的特點和優越性，主要表現在三個方面：

第一，具有自學習功能。例如實現圖像識別時，只在先把許多不同的圖像樣板和對應的應識別的結果輸入人工神經網路，網路就會通過自學習功能，慢慢學會識別類似的圖像。自學習功能對於預測有特別重要的意義。

預期未來的人工神經網路計算機將為人類提供經濟預測、市場預測、效益預測，其應用前途是很遠大的。

第二，具有聯想存儲功能。用人工神經網路的反饋網路就可以實現這種聯想。

第三，具有高速尋找優化解的能力。尋找一個復雜問題的優化解，往往需要很大的計算量，利用一個針對某問題而設計的反饋型人工神經網路，發揮計算機的高速運算能力，可能很快找到優化解。

6. 神經網路演算法的人工神經網路

人工神經網路（Artificial Neural Networks，ANN）系統是 20 世紀 40 年代後出現的。它是由眾多的神經元可調的連接權值連接而成，具有大規模並行處理、分布式信 息存儲、良好的自組織自學習能力等特點。BP（Back Propagation）演算法又稱為誤差 反向傳播演算法，是人工神經網路中的一種監督式的學習演算法。BP 神經網路演算法在理 論上可以逼近任意函數，基本的結構由非線性變化單元組成，具有很強的非線性映射能力。而且網路的中間層數、各層的處理單元數及網路的學習系數等參數可根據具體情況設定，靈活性很大，在優化、信號處理與模式識別、智能控制、故障診斷等許 多領域都有著廣泛的應用前景。 人工神經元的研究起源於腦神經元學說。19世紀末，在生物、生理學領域，Waldeger等人創建了神經元學說。人們認識到復雜的神經系統是由數目繁多的神經元組合而成。大腦皮層包括有100億個以上的神經元，每立方毫米約有數萬個，它們互相聯結形成神經網路，通過感覺器官和神經接受來自身體內外的各種信息，傳遞至中樞神經系統內，經過對信息的分析和綜合，再通過運動神經發出控制信息，以此來實現機體與內外環境的聯系，協調全身的各種機能活動。
神經元也和其他類型的細胞一樣，包括有細胞膜、細胞質和細胞核。但是神經細胞的形態比較特殊，具有許多突起，因此又分為細胞體、軸突和樹突三部分。細胞體內有細胞核，突起的作用是傳遞信息。樹突是作為引入輸入信號的突起，而軸突是作為輸出端的突起，它只有一個。
樹突是細胞體的延伸部分，它由細胞體發出後逐漸變細，全長各部位都可與其他神經元的軸突末梢相互聯系，形成所謂「突觸」。在突觸處兩神經元並未連通，它只是發生信息傳遞功能的結合部，聯系界面之間間隙約為（15～50)×10米。突觸可分為興奮性與抑制性兩種類型，它相應於神經元之間耦合的極性。每個神經元的突觸數目正常，最高可達10個。各神經元之間的連接強度和極性有所不同，並且都可調整、基於這一特性，人腦具有存儲信息的功能。利用大量神經元相互聯接組成人工神經網路可顯示出人的大腦的某些特徵。
人工神經網路是由大量的簡單基本元件——神經元相互聯接而成的自適應非線性動態系統。每個神經元的結構和功能比較簡單，但大量神經元組合產生的系統行為卻非常復雜。
人工神經網路反映了人腦功能的若干基本特性，但並非生物系統的逼真描述，只是某種模仿、簡化和抽象。
與數字計算機比較，人工神經網路在構成原理和功能特點等方面更加接近人腦，它不是按給定的程序一步一步地執行運算，而是能夠自身適應環境、總結規律、完成某種運算、識別或過程式控制制。
人工神經網路首先要以一定的學習准則進行學習，然後才能工作。現以人工神經網路對於寫「A」、「B」兩個字母的識別為例進行說明，規定當「A」輸入網路時，應該輸出「1」，而當輸入為「B」時，輸出為「0」。
所以網路學習的准則應該是：如果網路作出錯誤的的判決，則通過網路的學習，應使得網路減少下次犯同樣錯誤的可能性。首先，給網路的各連接權值賦予(0，1)區間內的隨機值，將「A」所對應的圖象模式輸入給網路，網路將輸入模式加權求和、與門限比較、再進行非線性運算，得到網路的輸出。在此情況下，網路輸出為「1」和「0」的概率各為50%，也就是說是完全隨機的。這時如果輸出為「1」(結果正確)，則使連接權值增大，以便使網路再次遇到「A」模式輸入時，仍然能作出正確的判斷。
如果輸出為「0」(即結果錯誤)，則把網路連接權值朝著減小綜合輸入加權值的方向調整，其目的在於使網路下次再遇到「A」模式輸入時，減小犯同樣錯誤的可能性。如此操作調整，當給網路輪番輸入若干個手寫字母「A」、「B」後，經過網路按以上學習方法進行若干次學習後，網路判斷的正確率將大大提高。這說明網路對這兩個模式的學習已經獲得了成功，它已將這兩個模式分布地記憶在網路的各個連接權值上。當網路再次遇到其中任何一個模式時，能夠作出迅速、准確的判斷和識別。一般說來，網路中所含的神經元個數越多，則它能記憶、識別的模式也就越多。 （1）人類大腦有很強的自適應與自組織特性，後天的學習與訓練可以開發許多各具特色的活動功能。如盲人的聽覺和觸覺非常靈敏；聾啞人善於運用手勢；訓練有素的運動員可以表現出非凡的運動技巧等等。
普通計算機的功能取決於程序中給出的知識和能力。顯然，對於智能活動要通過總結編製程序將十分困難。
人工神經網路也具有初步的自適應與自組織能力。在學習或訓練過程中改變突觸權重值，以適應周圍環境的要求。同一網路因學習方式及內容不同可具有不同的功能。人工神經網路是一個具有學習能力的系統，可以發展知識，以致超過設計者原有的知識水平。通常，它的學習訓練方式可分為兩種，一種是有監督或稱有導師的學習，這時利用給定的樣本標准進行分類或模仿；另一種是無監督學習或稱無為導師學習，這時，只規定學習方式或某些規則，則具體的學習內容隨系統所處環境 （即輸入信號情況）而異，系統可以自動發現環境特徵和規律性，具有更近似人腦的功能。
（2）泛化能力
泛化能力指對沒有訓練過的樣本，有很好的預測能力和控制能力。特別是，當存在一些有雜訊的樣本，網路具備很好的預測能力。
(3)非線性映射能力
當對系統對於設計人員來說，很透徹或者很清楚時，則一般利用數值分析，偏微分方程等數學工具建立精確的數學模型，但當對系統很復雜，或者系統未知，系統信息量很少時，建立精確的數學模型很困難時，神經網路的非線性映射能力則表現出優勢，因為它不需要對系統進行透徹的了解，但是同時能達到輸入與輸出的映射關系，這就大大簡化設計的難度。
(4)高度並行性
並行性具有一定的爭議性。承認具有並行性理由：神經網路是根據人的大腦而抽象出來的數學模型，由於人可以同時做一些事，所以從功能的模擬角度上看，神經網路也應具備很強的並行性。
多少年以來，人們從醫學、生物學、生理學、哲學、信息學、計算機科學、認知學、組織協同學等各個角度企圖認識並解答上述問題。在尋找上述問題答案的研究過程中，這些年來逐漸形成了一個新興的多學科交叉技術領域，稱之為「神經網路」。神經網路的研究涉及眾多學科領域，這些領域互相結合、相互滲透並相互推動。不同領域的科學家又從各自學科的興趣與特色出發，提出不同的問題，從不同的角度進行研究。
下面將人工神經網路與通用的計算機工作特點來對比一下：
若從速度的角度出發，人腦神經元之間傳遞信息的速度要遠低於計算機，前者為毫秒量級，而後者的頻率往往可達幾百兆赫。但是，由於人腦是一個大規模並行與串列組合處理系統，因而，在許多問題上可以作出快速判斷、決策和處理，其速度則遠高於串列結構的普通計算機。人工神經網路的基本結構模仿人腦，具有並行處理特徵，可以大大提高工作速度。
人腦存貯信息的特點為利用突觸效能的變化來調整存貯內容，也即信息存貯在神經元之間連接強度的分布上，存貯區與計算機區合為一體。雖然人腦每日有大量神經細胞死亡 （平均每小時約一千個），但不影響大腦的正常思維活動。
普通計算機是具有相互獨立的存貯器和運算器，知識存貯與數據運算互不相關，只有通過人編出的程序使之溝通，這種溝通不能超越程序編制者的預想。元器件的局部損壞及程序中的微小錯誤都可能引起嚴重的失常。 心理學家和認知科學家研究神經網路的目的在於探索人腦加工、儲存和搜索信息的機制，弄清人腦功能的機理，建立人類認知過程的微結構理論。
生物學、醫學、腦科學專家試圖通過神經網路的研究推動腦科學向定量、精確和理論化體系發展，同時也寄希望於臨床醫學的新突破；信息處理和計算機科學家研究這一問題的目的在於尋求新的途徑以解決不能解決或解決起來有極大困難的大量問題，構造更加逼近人腦功能的新一代計算機。
人工神經網路早期的研究工作應追溯至上世紀40年代。下面以時間順序，以著名的人物或某一方面突出的研究成果為線索，簡要介紹人工神經網路的發展歷史。
1943年，心理學家W·Mcculloch和數理邏輯學家W·Pitts在分析、總結神經元基本特性的基礎上首先提出神經元的數學模型。此模型沿用至今，並且直接影響著這一領域研究的進展。因而，他們兩人可稱為人工神經網路研究的先驅。
1945年馮·諾依曼領導的設計小組試製成功存儲程序式電子計算機，標志著電子計算機時代的開始。1948年，他在研究工作中比較了人腦結構與存儲程序式計算機的根本區別，提出了以簡單神經元構成的再生自動機網路結構。但是，由於指令存儲式計算機技術的發展非常迅速，迫使他放棄了神經網路研究的新途徑，繼續投身於指令存儲式計算機技術的研究，並在此領域作出了巨大貢獻。雖然，馮·諾依曼的名字是與普通計算機聯系在一起的，但他也是人工神經網路研究的先驅之一。
50年代末，F·Rosenblatt設計製作了「感知機」，它是一種多層的神經網路。這項工作首次把人工神經網路的研究從理論探討付諸工程實踐。當時，世界上許多實驗室仿效製作感知機，分別應用於文字識別、聲音識別、聲納信號識別以及學習記憶問題的研究。然而，這次人工神經網路的研究高潮未能持續很久，許多人陸續放棄了這方面的研究工作，這是因為當時數字計算機的發展處於全盛時期，許多人誤以為數字計算機可以解決人工智慧、模式識別、專家系統等方面的一切問題，使感知機的工作得不到重視；其次，當時的電子技術工藝水平比較落後，主要的元件是電子管或晶體管，利用它們製作的神經網路體積龐大，價格昂貴，要製作在規模上與真實的神經網路相似是完全不可能的；另外，在1968年一本名為《感知機》的著作中指出線性感知機功能是有限的，它不能解決如異感這樣的基本問題，而且多層網路還不能找到有效的計算方法，這些論點促使大批研究人員對於人工神經網路的前景失去信心。60年代末期，人工神經網路的研究進入了低潮。
另外，在60年代初期，Widrow提出了自適應線性元件網路，這是一種連續取值的線性加權求和閾值網路。後來，在此基礎上發展了非線性多層自適應網路。當時，這些工作雖未標出神經網路的名稱，而實際上就是一種人工神經網路模型。
隨著人們對感知機興趣的衰退，神經網路的研究沉寂了相當長的時間。80年代初期，模擬與數字混合的超大規模集成電路製作技術提高到新的水平，完全付諸實用化，此外，數字計算機的發展在若干應用領域遇到困難。這一背景預示，向人工神經網路尋求出路的時機已經成熟。美國的物理學家Hopfield於1982年和1984年在美國科學院院刊上發表了兩篇關於人工神經網路研究的論文，引起了巨大的反響。人們重新認識到神經網路的威力以及付諸應用的現實性。隨即，一大批學者和研究人員圍繞著 Hopfield提出的方法展開了進一步的工作，形成了80年代中期以來人工神經網路的研究熱潮。
1985年，Ackley、Hinton和Sejnowski將模擬退火演算法應用到神經網路訓練中，提出了Boltzmann機，該演算法具有逃離極值的優點，但是訓練時間需要很長。
1986年，Rumelhart、Hinton和Williams提出了多層前饋神經網路的學習演算法，即BP演算法。它從證明的角度推導演算法的正確性，是學習演算法有理論依據。從學習演算法角度上看，是一個很大的進步。
1988年，Broomhead和Lowe第一次提出了徑向基網路：RBF網路。
總體來說，神經網路經歷了從高潮到低谷，再到高潮的階段，充滿曲折的過程。

7. 什麼是人工神經網路 人工神經網路的介紹

人工神經網路（Artificial Neural Network，即ANN ），是20世紀80 年代以來人工智慧領域興起的研究熱點。它從信息處理角度對人腦神經元網路進行抽象， 建立某種簡單模型，按不同的連接方式組成不同的網路。在工程與學術界也常直接簡稱為神經網路或類神經網路。神經網路是一種運算模型，由大量的節點（或稱神經元）之間相互聯接構成。每個節點代表一種特定的輸出函數，稱為激勵函數（activation function）。每兩個節點間的連接都代表一個對於通過該連接信號的加權值，稱之為權重，這相當於人工神經網路的記憶。網路的輸出則依網路的連接方式，權重值和激勵函數的不同而不同。而網路自身通常都是對自然界某種演算法或者函數的逼近，也可能是對一種邏輯策略的表達。