神经网络软件开发方法

⑴ 人工神经网络概念梳理与实例演示

人工神经网络概念梳理与实例演示
神经网络是一种模仿生物神经元的机器学习模型，数据从输入层进入并流经激活阈值的多个节点。
递归性神经网络一种能够对之前输入数据进行内部存储记忆的神经网络，所以他们能够学习到数据流中的时间依赖结构。
如今机器学习已经被应用到很多的产品中去了，例如，siri、Google Now等智能助手，推荐引擎——亚马逊网站用于推荐商品的推荐引擎，Google和Facebook使用的广告排名系统。最近，深度学习的一些进步将机器学习带入公众视野：AlphaGo 打败围棋大师李世石事件以及一些图片识别和机器翻译等新产品的出现。
在这部分中，我们将介绍一些强大并被普遍使用的机器学习技术。这当然包括一些深度学习以及一些满足现代业务需求传统方法。读完这一系列的文章之后，你就掌握了必要的知识，便可以将具体的机器学习实验应用到你所在的领域当中。
随着深层神经网络的精度的提高，语音和图像识别技术的应用吸引了大众的注意力，关于AI和深度学习的研究也变得更加普遍了。但是怎么能够让它进一步扩大影响力，更受欢迎仍然是一个问题。这篇文章的主要内容是：简述前馈神经网络和递归神经网络、怎样搭建一个递归神经网络对时间系列数据进行异常检测。为了让我们的讨论更加具体化，我们将演示一下怎么用Deeplearning4j搭建神经网络。
一、什么是神经网络？
人工神经网络算法的最初构思是模仿生物神经元。但是这个类比很不可靠。人工神经网络的每一个特征都是对生物神经元的一种折射：每一个节点与激活阈值、触发的连接。
连接人工神经元系统建立起来之后，我们就能够对这些系统进行训练，从而让他们学习到数据中的一些模式，学到之后就能执行回归、分类、聚类、预测等功能。
人工神经网络可以看作是计算节点的集合。数据通过这些节点进入神经网络的输入层，再通过神经网络的隐藏层直到关于数据的一个结论或者结果出现，这个过程才会停止。神经网络产出的结果会跟预期的结果进行比较，神经网络得出的结果与正确结果的不同点会被用来更正神经网络节点的激活阈值。随着这个过程的不断重复，神经网络的输出结果就会无限靠近预期结果。
二、训练过程
在搭建一个神经网络系统之前，你必须先了解训练的过程以及网络输出结果是怎么产生的。然而我们并不想过度深入的了解这些方程式，下面是一个简短的介绍。
网络的输入节点收到一个数值数组（或许是叫做张量多维度数组）就代表输入数据。例如, 图像中的每个像素可以表示为一个标量，然后将像素传递给一个节点。输入数据将会与神经网络的参数相乘，这个输入数据被扩大还是减小取决于它的重要性，换句话说，取决于这个像素就不会影响神经网络关于整个输入数据的结论。
起初这些参数都是随机的，也就是说神经网络在建立初期根本就不了解数据的结构。每个节点的激活函数决定了每个输入节点的输出结果。所以每个节点是否能够被激活取决于它是否接受到足够的刺激强度，即是否输入数据和参数的结果超出了激活阈值的界限。
在所谓的密集或完全连接层中，每个节点的输出值都会传递给后续层的节点，在通过所有隐藏层后最终到达输出层，也就是产生输入结果的地方。在输出层, 神经网络得到的最终结论将会跟预期结论进行比较(例如，图片中的这些像素代表一只猫还是狗?)。神经网络猜测的结果与正确结果的计算误差都会被纳入到一个测试集中，神经网络又会利用这些计算误差来不断更新参数，以此来改变图片中不同像素的重要程度。整个过程的目的就是降低输出结果与预期结果的误差，正确地标注出这个图像到底是不是一条狗。
深度学习是一个复杂的过程，由于大量的矩阵系数需要被修改所以它就涉及到矩阵代数、衍生品、概率和密集的硬件使用问题，但是用户不需要全部了解这些复杂性。
但是，你也应该知道一些基本参数，这将帮助你理解神经网络函数。这其中包括激活函数、优化算法和目标函数(也称为损失、成本或误差函数)。
激活函数决定了信号是否以及在多大程度上应该被发送到连接节点。阶梯函数是最常用的激活函数, 如果其输入小于某个阈值就是0，如果其输入大于阈值就是1。节点都会通过阶梯激活函数向连接节点发送一个0或1。优化算法决定了神经网络怎么样学习，以及测试完误差后，权重怎么样被更准确地调整。最常见的优化算法是随机梯度下降法。最后, 成本函数常用来衡量误差，通过对比一个给定训练样本中得出的结果与预期结果的不同来评定神经网络的执行效果。
Keras、Deeplearning4j 等开源框架让创建神经网络变得简单。创建神经网络结构时，需要考虑的是怎样将你的数据类型匹配到一个已知的被解决的问题，并且根据你的实际需求来修改现有结构。
三、神经网络的类型以及应用
神经网络已经被了解和应用了数十年了，但是最近的一些技术趋势才使得深度神经网络变得更加高效。
GPUs使得矩阵操作速度更快；分布式计算结构让计算能力大大增强；多个超参数的组合也让迭代的速度提升。所有这些都让训练的速度大大加快，迅速找到适合的结构。
随着更大数据集的产生，类似于ImageNet 的大型高质量的标签数据集应运而生。机器学习算法训练的数据越大，那么它的准确性就会越高。
最后，随着我们理解能力以及神经网络算法的不断提升，神经网络的准确性在语音识别、机器翻译以及一些机器感知和面向目标的一些任务等方面不断刷新记录。
尽管神经网络架构非常的大，但是主要用到的神经网络种类也就是下面的几种。
3.1前馈神经网络
前馈神经网络包括一个输入层、一个输出层以及一个或多个的隐藏层。前馈神经网络可以做出很好的通用逼近器，并且能够被用来创建通用模型。
这种类型的神经网络可用于分类和回归。例如，当使用前馈网络进行分类时，输出层神经元的个数等于类的数量。从概念上讲, 激活了的输出神经元决定了神经网络所预测的类。更准确地说, 每个输出神经元返回一个记录与分类相匹配的概率数，其中概率最高的分类将被选为模型的输出分类。
前馈神经网络的优势是简单易用，与其他类型的神经网络相比更简单，并且有一大堆的应用实例。
3.2卷积神经网络
卷积神经网络和前馈神经网络是非常相似的，至少是数据的传输方式类似。他们结构大致上是模仿了视觉皮层。卷积神经网络通过许多的过滤器。这些过滤器主要集中在一个图像子集、补丁、图块的特征识别上。每一个过滤器都在寻找不同模式的视觉数据，例如，有的可能是找水平线，有的是找对角线，有的是找垂直的。这些线条都被看作是特征，当过滤器经过图像时，他们就会构造出特征图谱来定位各类线是出现在图像的哪些地方。图像中的不同物体，像猫、747s、榨汁机等都会有不同的图像特征，这些图像特征就能使图像完成分类。卷积神经网络在图像识别和语音识别方面是非常的有效的。
卷积神经网络与前馈神经网络在图像识别方面的异同比较。虽然这两种网络类型都能够进行图像识别，但是方式却不同。卷积神经网络是通过识别图像的重叠部分，然后学习识别不同部分的特征进行训练；然而，前馈神经网络是在整张图片上进行训练。前馈神经网络总是在图片的某一特殊部分或者方向进行训练，所以当图片的特征出现在其他地方时就不会被识别到，然而卷积神经网络却能够很好的避免这一点。
卷积神经网络主要是用于图像、视频、语音、声音识别以及无人驾驶的任务。尽管这篇文章主要是讨论递归神经网络的，但是卷积神经网络在图像识别方面也是非常有效的，所以很有必要了解。
3.3递归神经网络
与前馈神经网络不同的是，递归神经网络的隐藏层的节点里有内部记忆存储功能，随着输入数据的改变而内部记忆内容不断被更新。递归神经网络的结论都是基于当前的输入和之前存储的数据而得出的。递归神经网络能够充分利用这种内部记忆存储状态处理任意序列的数据，例如时间序列。
递归神经网络经常用于手写识别、语音识别、日志分析、欺诈检测和网络安全。
递归神经网络是处理时间维度数据集的最好方法，它可以处理以下数据：网络日志和服务器活动、硬件或者是医疗设备的传感器数据、金融交易、电话记录。想要追踪数据在不同阶段的依赖和关联关系需要你了解当前和之前的一些数据状态。尽管我们通过前馈神经网络也可以获取事件，随着时间的推移移动到另外一个事件，这将使我们限制在对事件的依赖中，所以这种方式很不灵活。
追踪在时间维度上有长期依赖的数据的更好方法是用内存来储存重要事件，以使近期事件能够被理解和分类。递归神经网络最好的一点就是在它的隐藏层里面有“内存”可以学习到时间依赖特征的重要性。
接下来我们将讨论递归神经网络在字符生成器和网络异常检测中的应用。递归神经网络可以检测出不同时间段的依赖特征的能力使得它可以进行时间序列数据的异常检测。
递归神经网络的应用
网络上有很多使用RNNs生成文本的例子，递归神经网络经过语料库的训练之后，只要输入一个字符，就可以预测下一个字符。下面让我们通过一些实用例子发现更多RNNs的特征。
应用一、RNNs用于字符生成
递归神经网络经过训练之后可以把英文字符当做成一系列的时间依赖事件。经过训练后它会学习到一个字符经常跟着另外一个字符（“e”经常跟在“h”后面，像在“the、he、she”中）。由于它能预测下一个字符是什么，所以它能有效地减少文本的输入错误。
Java是个很有趣的例子，因为它的结构包括很多嵌套结构，有一个开的圆括号必然后面就会有一个闭的，花括号也是同理。他们之间的依赖关系并不会在位置上表现的很明显，因为多个事件之间的关系不是靠所在位置的距离确定的。但是就算是不明确告诉递归神经网络Java中各个事件的依赖关系，它也能自己学习了解到。
在异常检测当中，我们要求神经网络能够检测出数据中相似、隐藏的或许是并不明显的模式。就像是一个字符生成器在充分地了解数据的结构后就会生成一个数据的拟像，递归神经网络的异常检测就是在其充分了解数据结构后来判断输入的数据是不是正常。
字符生成的例子表明递归神经网络有在不同时间范围内学习到时间依赖关系的能力，它的这种能力还可以用来检测网络活动日志的异常。
异常检测能够使文本中的语法错误浮出水面，这是因为我们所写的东西是由语法结构所决定的。同理，网络行为也是有结构的，它也有一个能够被学习的可预测模式。经过在正常网络活动中训练的递归神经网络可以监测到入侵行为，因为这些入侵行为的出现就像是一个句子没有标点符号一样异常。
应用二、一个网络异常检测项目的示例
假设我们想要了解的网络异常检测就是能够得到硬件故障、应用程序失败、以及入侵的一些信息。
模型将会向我们展示什么呢？
随着大量的网络活动日志被输入到递归神经网络中去，神经网络就能学习到正常的网络活动应该是什么样子的。当这个被训练的网络被输入新的数据时，它就能偶判断出哪些是正常的活动，哪些是被期待的，哪些是异常的。
训练一个神经网络来识别预期行为是有好处的，因为异常数据不多，或者是不能够准确的将异常行为进行分类。我们在正常的数据里进行训练，它就能够在未来的某个时间点提醒我们非正常活动的出现。
说句题外话，训练的神经网络并不一定非得识别到特定事情发生的特定时间点（例如，它不知道那个特殊的日子就是周日），但是它一定会发现一些值得我们注意的一些更明显的时间模式和一些可能并不明显的事件之间的联系。
我们将概述一下怎么用 Deeplearning4j（一个在JVM上被广泛应用的深度学习开源数据库）来解决这个问题。Deeplearning4j在模型开发过程中提供了很多有用的工具：DataVec是一款为ETL（提取-转化-加载）任务准备模型训练数据的集成工具。正如Sqoop为Hadoop加载数据，DataVec将数据进行清洗、预处理、规范化与标准化之后将数据加载到神经网络。这跟Trifacta’s Wrangler也相似，只不过它更关注二进制数据。
开始阶段
第一阶段包括典型的大数据任务和ETL：我们需要收集、移动、储存、准备、规范化、矢量话日志。时间跨度的长短是必须被规定好的。数据的转化需要花费一些功夫，这是由于JSON日志、文本日志、还有一些非连续标注模式都必须被识别并且转化为数值数组。DataVec能够帮助进行转化和规范化数据。在开发机器学习训练模型时，数据需要分为训练集和测试集。
训练神经网络
神经网络的初始训练需要在训练数据集中进行。
在第一次训练的时候，你需要调整一些超参数以使模型能够实现在数据中学习。这个过程需要控制在合理的时间内。关于超参数我们将在之后进行讨论。在模型训练的过程中，你应该以降低错误为目标。
但是这可能会出现神经网络模型过度拟合的风险。有过度拟合现象出现的模型往往会在训练集中的很高的分数，但是在遇到新的数据时就会得出错误结论。用机器学习的语言来说就是它不够通用化。Deeplearning4J提供正则化的工具和“过早停止”来避免训练过程中的过度拟合。
神经网络的训练是最花费时间和耗费硬件的一步。在GPUs上训练能够有效的减少训练时间，尤其是做图像识别的时候。但是额外的硬件设施就带来多余的花销，所以你的深度学习的框架必须能够有效的利用硬件设施。Azure和亚马逊等云服务提供了基于GPU的实例，神经网络还可以在异构集群上进行训练。
创建模型
Deeplearning4J提供ModelSerializer来保存训练模型。训练模型可以被保存或者是在之后的训练中被使用或更新。
在执行异常检测的过程中，日志文件的格式需要与训练模型一致，基于神经网络的输出结果，你将会得到是否当前的活动符合正常网络行为预期的结论。
代码示例
递归神经网络的结构应该是这样子的：
MultiLayerConfiguration conf = new NeuralNetConfiguration.Builder(
.seed(123)
.optimizationAlgo(OptimizationAlgorithm.STOCHASTIC_GRADIENT_DESCENT).iterations(1)
.weightInit(WeightInit.XAVIER)
.updater(Updater.NESTEROVS).momentum(0.9)
.learningRate(0.005)
.gradientNormalization(GradientNormalization.ClipElementWiseAbsoluteValue)
.(0.5)
.list()
.layer(0, new GravesLSTM.Builder().activation("tanh").nIn(1).nOut(10).build())
.layer(1, new RnnOutputLayer.Builder(LossFunctions.LossFunction.MCXENT)
.activation("softmax").nIn(10).nOut(numLabelClasses).build())
.pretrain(false).backprop(true).build();
MultiLayerNetwork net = new MultiLayerNetwork(conf);
net.init();
下面解释一下几行重要的代码：
.seed(123)
随机设置一个种子值对神经网络的权值进行初始化，以此获得一个有复验性的结果。系数通常都是被随机的初始化的，以使我们在调整其他超参数时仍获得一致的结果。我们需要设定一个种子值，让我们在调整和测试的时候能够用这个随机的权值。
.optimizationAlgo(OptimizationAlgorithm.STOCHASTIC_GRADIENT_DESCENT).iterations(1)
决定使用哪个最优算法（在这个例子中是随机梯度下降法）来调整权值以提高误差分数。你可能不需要对这个进行修改。
.learningRate(0.005)
当我们使用随机梯度下降法的时候，误差梯度就被计算出来了。在我们试图将误差值减到最小的过程中，权值也随之变化。SGD给我们一个让误差更小的方向，这个学习效率就决定了我们该在这个方向上迈多大的梯度。如果学习效率太高，你可能是超过了误差最小值；如果太低，你的训练可能将会永远进行。这是一个你需要调整的超参数。

⑵ 神经软件怎么用

第一步：数据导入第二步：使用神经网络工具箱构建模型
神经网络软件用于仿真、研究、开发和应用人工神经网络，从生物神经网络改编的软件概念，在某些情况下还可以用于更广泛的自适应系统，例如人工智能和机器学习
常用的人工神经网络模拟器包括斯图加特神经网络模拟器（SNNS）、紧急和神经实验室。

⑶ 一种基于FPGA的感知量化卷积神经网络加速系统设计

姓名：姬怡希

学号：19020100037

学院：电子工程学院

嵌牛导读：对卷积神经网络的加速的研究。

嵌牛鼻子:计算机软件及计算机应用; 自动化技术。

嵌牛提问：如何设计卷积神经网络的加速系统？

嵌牛内容：

  近年来,卷积神经网络（CNN）在机器视觉等方面取得了巨大成功。为提升嵌入式设备上运行CNN的速度和能效,本文针对LeNet-5网络模型,先对该网络模型进行感知量化训练,特征图和权重量化为8位整型数据。然后设计一种卷积神经网络加速器系统,该片上系统（SoC）采用Cortex-M3为处理器,所提出的系统处理一张MNIST图像所需时间5.3ms,精度达到98.2%。

近年来，卷积神经网络（CNN）在机器视觉等方面取得了巨大成功。为提升嵌入式设备上运行CNN的速度和能效，本文针对LeNet-5网络模型，先对该网络模型进行感知量化训练，特征图和权重量化为8位整型数据。然后设计一种卷积神经网络加速器系统，该片上系统（SoC）采用Cortex-M3为处理器，所提出的系统处理一张MNIST图像所需时间5.3ms，精度达到98.2%。CNN已成功应用于图像识别等应用，随着CNN解决更复杂的问题，计算和存储的需求急剧增加。然而，在一些低功耗的边缘计算设备中，功耗是重要指标。目前的研究主要针对CNN推理阶段模型的压缩和量化。大多数设计都用定点计算单元代替浮点单元。ESE采用12位定点权重和16位定点神经元设计，Guo等在嵌入式FPGA上使用8位单元进行设计。但之前的设计主要采用Zynq或者HLS开发，功耗较大。本文设计了一种基于FPGA的卷积神经网络加速系统。首先，通过感知量化训练的方法，实现了将浮点CNN模型的各层权重和特征图量化成8比特整型；其次，通过采用单层时分复用的方式，设计流水线架构提高数据吞吐率；再次，设计基于Cortex-M3的SoC；最后，采用MNIST手写数字进行方案和功能验证。

1 卷积神经网络

1.1 基本概念

  LeNet-5是一个典型的卷积神经网络模型，不包含输入一共有7层。分别为3层卷积层，2层池化层，以及2层全连接层。

1.2 量化原理

  针对目前CNN模型较大，参数多且不适合在移动设备上使用，Google团队提出了一种量化方案。该方案在推理过程中使用纯整。量化方案是量化整数q到实数r的映射，如公式(1)所示：

  其中常数S和Z是量化参数。S表示比例系数，是一个任意的正实数。Z表示零点。CNN中主要的操作，比如卷积层的卷积，以及全连接层的乘累加，都可以看成是矩阵乘法。考虑实数两个N×N的矩阵r1和r2的乘积r3 =r1r2。将每个矩阵ra的项表示为ra(r,j)，其中1≤ i, j ≤N，用qa(r,j)表示量化项，根据矩阵乘法的定义，得到：

  乘以浮点数M，可以转化成先乘以定点数M1，再进行右移n+31。将公式(2)中所有零点Z1，Z2，Z3都设为0，可以大大简化推理阶段的运算。另外将偏置加法和激活函数合并到其中。比例系数Sbias=S1S2，零点Zbias= 0。由于选用的激活函数是ReLU，所以只需要将结果钳位到[0,255]。

2 加速系统硬件设计

2.1 整体结构

  本系统采用CPU+FPGA的架构，包括AHB互联矩阵、Cortex-M3处理器、DMA、紧耦合存储器、双端口缓存、AHB2APB桥和CNN加速器，如图1所示。存储器部分包含ITCM，DTCM和双端口RAM。ITCM存放程序镜像文件；DTCM作为堆栈区；DualRAM作为权重数据，输入特征图，以及中间、最终结果缓存区，一端连接L1级总线，CPU和DMA均可以访问，另一端连接CNN加速器。

2.2 CNN加速器设计

  CNN加速器设计的整体结构如图2所示，并行方案采用输出通道和权重卷积核内部并行，同时计算6个输出通道，以及卷积核25个乘法器同时计算。特征图行缓冲的窗口尺寸为5x5，可以通过数据选择器选择输入特征图的宽度。权重特征图的行缓冲设计同理，由于卷积核均为5x5，所以不需要数据选择器。乘累加阵列输入为25个8位特征图和25个8位权重，对应相乘后采用加法树方式累加，最后得到1个位宽为21的有符号数。偏置加法器用于累加偏置或者中间结果。选择哪一个是由数据选择器控制，输出一个32位结果。量化激活模块包含一个32x32位的乘法器，用于将累加结果和乘法系数相乘，再经过右移，钳位到[0,255]，经过四舍五入得到量化的结果。

3.2 实验结果

  本文的SoC工作的频率为100MHz，识别一张MNIST图片的时间为5.3ms，FPGA的功耗由Vivado的Report Power工具获得，仅为0.448W。本文处理单帧的时间比较长，但是功耗是其他文献的四分之一。由于采用感知量化，识别正确率FPGA实现和软件实现一致，达到98.2%。实验结果对比如表1所示。结论：为了解决嵌入式设备上实现卷积神经网络速度慢和功耗大的问题，本文提出了一种卷积神经网络加速系统。首先对卷积神经网络进行感知量化，得到8比特的权重、特征值图1 系统框图 和量化参数。采用Cortex-M3作为处池化模块设计思路同卷积模块，采用最大池化。包含3个比较器和一个行缓冲，针对不同层可以选择不同长度的特征图，窗口尺寸为2x2。

⑷ 神经网络的研究方向

神经网络的研究可以分为理论研究和应用研究两大方面。
理论研究可分为以下两类：
1、利用神经生理与认知科学研究人类思维以及智能机理。
2、利用神经基础理论的研究成果，用数理方法探索功能更加完善、性能更加优越的神经网络模型，深入研究网络算法和性能，如：稳定性、收敛性、容错性、鲁棒性等；开发新的网络数理理论，如：神经网络动力学、非线性神经场等。
应用研究可分为以下两类：
1、神经网络的软件模拟和硬件实现的研究。
2、神经网络在各个领域中应用的研究。这些领域主要包括：
模式识别、信号处理、知识工程、专家系统、优化组合、机器人控制等。随着神经网络理论本身以及相关理论、相关技术的不断发展，神经网络的应用定将更加深入。

⑸ 复杂神经网络模型用什么软件

bp神经网络能用MATLAB，
理论上编程语言都可以，比如VB，C语言，过程也都是建模、量化、运算及结果输出（图、表），但是matlab发展到现在，集成了很多的工具箱，所以用的最为广泛，用其他的就得是要从源码开发入手了。
bp神经网络是一种算法，只要是算法就可以用任何软件工具，只要编译器或者解释器支持，c，c++，python，来进行实现，只是实现时的复杂程度有区别而已

⑹ 人工智能神经网络论文

随着科学技术的发展，人工神经网络技术得到了空前的发展，并且在诸多领域得到了广泛的应用，为人工智能化的发展提供了强大的动力。以下是我整理分享的人工智能神经网络论文的相关资料，欢迎阅读!

人工智能神经网络论文篇一

人工神经网络的发展及应用

摘要随着科学技术的发展，人工神经网络技术得到了空前的发展，并且在诸多领域得到了广泛的应用，为人工智能化的发展提供了强大的动力。人工神经网络的发展经历了不同的阶段，是人工智能的重要组成部分，并且在发展过程中形成了自身独特的特点。文章对人工神经网络的发展历程进行回顾，并对其在各个领域的应用情况进行探讨。

关键词人工神经网络;发展;应用

随着科学技术的发展，各个行业和领域都在进行人工智能化的研究工作，已经成为专家学者研究的热点。人工神经网络就是在人工智能基础上发展而来的重要分支，对人工智能的发展具有重要的促进作用。人工神经网络从形成之初发展至今，经历了不同的发展阶段，并且在经济、生物、医学等领域得到了广泛的应用，解决了许多技术上的难题。

1人工神经网络概述

关于人工神经网络，到目前为止还没有一个得到广泛认可的统一定义，综合各专家学者的观点可以将人工神经网络简单的概括为是模仿人脑的结构和功能的计算机信息处理系统[1]。人工神经网络具有自身的发展特性，其具有很强的并行结构以及并行处理的能力，在实时和动态控制时能够起到很好的作用;人工神经网络具有非线性映射的特性，对处理非线性控制的问题时能给予一定的帮助;人工神经网络可以通过训练掌握数据归纳和处理的能力，因此在数学模型等难以处理时对问题进行解决;人工神经网络的适应性和集成性很强，能够适应不同规模的信息处理和大规模集成数据的处理与控制;人工神经网络不但在软件技术上比较成熟，而且近年来在硬件方面也得到了较大发展，提高了人工神经网络系统的信息处理能力。

2人工神经网络的发展历程

2.1 萌芽时期

在20世纪40年代，生物学家McCulloch与数学家Pitts共同发表文章，第一次提出了关于神经元的模型M-P模型，这一理论的提出为神经网络模型的研究和开发奠定了基础，在此基础上人工神经网络研究逐渐展开。1951年，心理学家Hebb提出了关于连接权数值强化的法则，为神经网络的学习功能开发进行了铺垫。之后生物学家Eccles通过实验证实了突触的真实分流，为神经网络研究突触的模拟功能提供了真实的模型基础以及生物学的依据[2]。随后，出现了能够模拟行为以及条件反射的处理机和自适应线性网络模型，提高了人工神经网络的速度和精准度。这一系列研究成果的出现为人工神经网络的形成和发展提供了可能。

2.2 低谷时期

在人工神经网络形成的初期，人们只是热衷于对它的研究，却对其自身的局限进行了忽视。Minskyh和Papert通过多年对神经网络的研究，在1969年对之前所取得的研究成果提出了质疑，认为当前研究出的神经网络只合适处理比较简单的线性问题，对于非线性问题以及多层网络问题却无法解决。由于他们的质疑，使神经网络的发展进入了低谷时期，但是在这一时期，专家和学者也并没有停止对神经网络的研究，针对他们的质疑也得出一些相应的研究成果。

2.3 复兴时期

美国的物理学家Hopfield在1982年提出了新的神经网络模型，并通过实验证明在满足一定的条件时，神经网络是能够达到稳定的状态的。通过他的研究和带动，众多专家学者又重新开始了对人工神经网络方面的研究，推动了神经网络的再一次发展[3]。经过专家学者的不断努力，提出了各种不同的人工神经网络的模型，神经网络理论研究不断深化，新的理论和方法层出不穷，使神经网络的研究和应用进入了一个崭新的时期。

2.4 稳步发展时期

随着人工神经网络研究在世界范围内的再次兴起，我国也迎来了相关理论研究的热潮，在人工神经网络和计算机技术方面取得了突破性的进展。到20世纪90年代时，国内对于神经网络领域的研究得到了进一步的完善和发展，而且能够利用神经网络对非线性的系统控制问题进行解决，研究成果显着。随着各类人工神经网络的相关刊物的创建和相关学术会议的召开，我国人工神经网络的研究和应用条件逐步改善，得到了国际的关注。

随着人工神经网络的稳步发展，逐渐建立了光学神经网络系统，利用光学的强大功能，提高了人工神经网络的学习能力和自适应能力。对非线性动态系统的控制问题，采取有效措施，提高超平面的光滑性，对其精度进行改进。之后有专家提出了关于人工神经网络的抽取算法，虽然保证了精度，但也加大了消耗，在一定程度上降低了神经网络的效率，因此在此基础上又提出了改进算法FERNN。混沌神经网络的发展也得到了相应的进步，提高了神经网络的泛化能力。

3人工神经网络的应用

3.1 在信息领域中的应用

人工神经网络在信息领域中的应用主要体现在信息处理和模式识别两个方面。由于科技的发展，当代信息处理工作越来越复杂，利用人工神经网络系统可以对人的思维进行模仿甚至是替代，面对问题自动诊断和解决，能够轻松解决许多传统方法无法解决的问题，在军事信息处理中的应用极为广泛[4]。模式识别是对事物表象的各种信息进行整理和分析，对事物进行辨别和解释的一个过程，这样对信息进行处理的过程与人类大脑的思维方式很相像。模式识别的方法可以分为两种，一种是统计模式识别，还有一种是结构模式识别，在语音识别和指纹识别等方面得到了广泛的应用。

3.2 在医学领域的应用

人工神经网络对于非线性问题处理十分有效，而人体的构成和疾病形成的原因十分复杂，具有不可预测性，在生物信号的表现形式和变化规律上也很难掌握，信息检测和分析等诸多方面都存在着复杂的非线性联系，所以应用人工神经网络决解这些非线性问题具有特殊意义[5]。目前，在医学领域中的应用涉及到理论和临床的各个方面，最主要的是生物信号的检测和自动分析以及专家系统等方面的应用。

3.3 在经济领域中的应用

经济领域中的商品价格、供需关系、风险系数等方面的信息构成也十分复杂且变幻莫测，人工神经网络可以对不完整的信息以及模糊不确定的信息进行简单明了的处理，与传统的经济统计方法相比具有其无法比拟的优势，数据分析的稳定性和可靠性更强。

3.4 在其他领域的应用

人工神经网络在控制领域、交通领域、心理学领域等方面都有很广泛的应用，能够对高难度的非线性问题进行处理，对交通运输方面进行集成式的管理，以其高适应性和优秀的模拟性能解决了许多传统方法无法解决的问题，促进了各个领域的快速发展。

4总结

随着科技的发展，人工智能系统将进入更加高级的发展阶段，人工神经网络也将得到更快的发展和更加广泛的应用。人工神经网络也许无法完全对人脑进行取代，但是其特有的非线性信息处理能力解决了许多人工无法解决的问题，在智能系统的各个领域中得到成功应用，今后的发展趋势将向着更加智能和集成的方向发展。

参考文献

[1]徐用懋，冯恩波.人工神经网络的发展及其在控制中的应用[J].化工进展，1993(5)：8-12，20.

[2]汤素丽，罗宇锋.人工神经网络技术的发展与应用[J].电脑开发与应用，2009(10)：59-61.

[3]李会玲，柴秋燕.人工神经网络与神经网络控制的发展及展望[J].邢台职业技术学院学报，2009(5)：44-46.

[4]过效杰，祝彦知.人工神经网络的发展及其在岩土工程领域研究现状[J].河南水利，2004(1)：22-23.

[5]崔永华.基于人工神经网络的河流汇流预报模型及应用研究[D].郑州大学，2006.

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⑺ 什么是BP神经网络

BP算法的基本思想是：学习过程由信号正向传播与误差的反向回传两个部分组成；正向传播时，输入样本从输入层传入，经各隐层依次逐层处理，传向输出层，若输出层输出与期望不符，则将误差作为调整信号逐层反向回传，对神经元之间的连接权矩阵做出处理，使误差减小。经反复学习，最终使误差减小到可接受的范围。具体步骤如下：
1、从训练集中取出某一样本，把信息输入网络中。
2、通过各节点间的连接情况正向逐层处理后，得到神经网络的实际输出。
3、计算网络实际输出与期望输出的误差。
4、将误差逐层反向回传至之前各层，并按一定原则将误差信号加载到连接权值上，使整个神经网络的连接权值向误差减小的方向转化。
5、対训练集中每一个输入—输出样本对重复以上步骤，直到整个训练样本集的误差减小到符合要求为止。

⑻ 为了做任务而提出的问题，要问就问倒大家，谁能大致描写一下，手机上的手写字识别程序的思想。

主要介绍下汉王的思路：
汉王汉字识别系统：汉王联机手写汉字识别系统5.0版采用人工神经网络、语义句法模式识别、标准化的软件开发手段等技术，具体的识别思想如下:
1.首先将汉字识别问题划分为整字一字根一笔划一笔段四层模型,用语义句法的方法对各个层次的每个单个单元进行描述。
2.然后用神经网络对各个层次的各个单元进行学习,找出最稳定的表达方法。
3.以单个神经网络为单元,形成一个大的人工神经网络,不同层次之间的神经元以激活或抑制关系联接。该方法的优点是学习的样本集大,识别的适应性高,不怕多余的笔划,能识别大部分正常书写的连笔,而且易于学习特定人的手迹。该方法有以下优点:
识别方法优越在识别方法上,汉王联机手写汉字识别5.0版(OLHCCRS)采用了许多新的技术和新的思想,使汉王产品在众多的on-line手写汉字识别产品中独树一帜,在方法与系统实现技术上有很多领先之处。
字—字根—笔划—笔段四层模型识别的过程依次是笔段—笔划—字根—整字四个层次,这个四层识别模型的好处是:
①大部分汉字都是有偏旁部首的组合汉字,采用四层识别模型是一种极好的粗分类方法。
②可以大大减少识别字典的大小。例如左偏旁"讠"的汉字有40多个,如果以整字形式识别字典,简体"讠"与繁体"言"偏旁汉字之和共有80多个汉字,即需要80多个模板;而分到字根以后,只要建两个左偏旁"讠"模板,就能解决。
③将手迹分割到笔段,加上适当处理以后,可以解决笔顺问题,也可以处理部分连笔问题。
④只要底层笔段、笔划识别正确,加上四个层次的组合,可以形成多个字形变化,因此识别的适应性大。这个模型的缺点是实现困难,工作量极大。
用语义句法模式识别模型描述与识别汉字语义句法模式识别方法多用于off-line手写汉字识别,我公司首先将其用于on-line识别之中。语义句法方法的优点如下:
①语义句法方法是以汉字内在的、以笔段为最小单位 的结构关系与属性描述来识别汉字,具有准确、简洁、语义性强等特点。
②语义句法方法可以完全解决笔顺不同、笔划数不同等问题,对连笔时出现的多余笔段 (划)或少笔、略笔也不敏感,是解决连笔问题的好方法。
③用语义句法方法描述的Database,语义清晰,规则明确,可以人工修改、添加、删除并可以很方便地将人的经验添加进去。
(3)用神经网络学习扮亮与识别属性神经网络一般也只用于off-line手写汉字识别之中,我公司也是目前唯一一家用神经网络作on-line识别的公司,而且所用的神经网络是独创的,不同于BP模型、Hopfield模型等神经网络模型,其优点是:
①可以学习、处理大量的样本,增加系统的适应性。
②可以发现所有属性中关键的、有分类意义的属性。
③可以提供一个识别评价值。
联想识别过程On-line识别过程一般为树型分类识别过程,或者逐个识别比较可能性(probability)。中自智能公司基于模拟人脑形象思维的思早缓想,提出On-line手写汉字的联想识别过程。该思想的依据是人的思维过程总是从某个局部兴奋点开始的,经过自下而上的联想与自上而下的假设检验过程,最后达到一个稳定的兴奋点。OLHCCRS 5.0版的以上技术(四层模型、语义句法方法、神经网络模型)是非常适合这种识别方法的。联想识别的优点是:
①通过自下而上的联想与自陆缺模上而下的假设检验过程,可大大加快识别速度。
②识别过程适合并行运算。

⑼ 基于Matlab和BP神经网络的固体火箭发动机比冲性能的预测

(内蒙古工业大学理学院，内蒙古 呼和浩特 010051)
摘 要：本文采用基于误差反向传播算法（BP算法）的人工神经网络技术，利用Mat lab神经网络工具箱，建立了固体火箭发动机比冲性能预测的神经网络模型，并利用实验数据进行了验证。结果表明，可以利用该方法开展固体火箭发动机比冲性能的预测。
关键词：固体火箭发动机比冲；
BP算法；
Mat lab神经网络工具箱；
人工神经网络
中图分类号：V435∶TP183 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2007)08—0073—02
固体火箭发动机性能参数预测是发动机设计和研究的基本课题之一，正确预测发动机性能参数是提高发动机性能指标和精度并缩短研制周期的关键和基础。比冲性能的预测目前有两种方法。一种是以历次试验得到的修正系数对新设计的发动机的理论比冲进行修正。另一种是通过计算各种损失来预估比冲。这些方法存在需要样本数据大和预测精度差的缺点。
神经网络理论由于自身固有的超强适应能力和学习能力在很多领域获得了极其广泛的应用，解决了许多传统方法难以解决的问题。由于神经网络学习算法在数学计算上比较复杂过程也比较繁琐，容易出错。因此，采用神经网络软件包成为必然的选择。本文采用现在应用最为广泛的MATLAB神经网络工具箱，利用基于BP算法的人工神经网络建立固体火箭发动机比冲性能预测模型，以提高比冲的预测精度。
1 BP神经网络模型
BP网络由于结构简单，具有较强的非线性映射能力，是应用最为广泛的一类神闷启经网络。BP神经网络的学习过程分为信息的正向传播过程和误差的反向传播过程两个阶段。外部输入的信号经输入层、隐含层的神经元逐层处理向前传播到输出层，给出结果。如果在输出层得不到期望输出，则转入逆向传播过程，将实际值与网络输出之间的误差沿原来联结的通路返回，通过修改各层神经元的联系权值，使误差减少，然后再转入正向传播过程，反复迭代，直到误差小于给定的值为止。
2 MATLAB神经网络工具箱的应用
神经网络工具箱是在Mat lab环境下开发出来的许多工具箱之一，它以人工神经网络理论为基础，用MATLAB语言构造出典型神经网络的激活函数，在网络训练过程中使用的是Mat lab
6.5 for Windows软件，对于网络的训练使用了Neural Networks Toolbox for Mat lab。美国的Math work公司推出的MATLAB软件包既是一种非常实用有效的科研编程软件环境，又是一种进行科学和工程计算的交互式程序。MATLAB本身带有神经网络工具箱，可以大大方便权值训练，减少训练程序工作量，有效的提高工作效率。
3 影响固体火箭发动机比冲性能的因素
比冲是反映发动机所用推进剂能量高低和内部工作过程完善程度的重要技术指标。影响比冲性能的因素很多，主要包括以下几项：喷管喉径、喷管潜入比、平均扩张比、工作时间、扩散半角、平均工作压强、平均燃速、推进剂密度。由于固体火箭发动机的全尺寸誉派试车需要耗费大量的人力、物力和财力。因此比冲的试验数据比较缺乏，本文共收集了6组数据样本，选定其中的5组作为训练样本，一组作为测试样本。每组数据样本前8项为输入因子，输出因子为实际比冲。利用这6组数据对网络进行训练、测试。
4 网络模型设计
BP网络的设计主要包括输入层、隐层、输出层及各层之间的传输函数几个方面。
4.1 网络层数。BP网络可以包含不同的隐层，理论上已经证明：具有偏差和至少一个S型隐含层加上一个线性输出层的网络，能够逼近任何有理函数。对隐含层层数的经验选择为：对于线性问题一般可以采用感知器庆罩贺或自适应网络来解决，而不采用非线性网络，因为单层不能发挥出非线性激活函数的特长；
非线性问题，一般采用两层或两层以上的隐含层，但是误差精度的提高实际上也可以通过增加隐含层中的神经元数目获得，其训练效果也比增加层数更容易观察和调整，所以一般情况下，应优先考虑增加隐含层中的神经元数。
4.2 输入层的节点数和输出层的节点数。输入层起缓冲存储器的作用，它接收外部的输入数据，因此其节点数取决于输入矢量的维数。由于固体火箭发动机比冲性能预测的输入样本为8维的输入向量，因此，输入层一共有8个神经元。
输出层的节点数取决于两个方面，输出数据类型和表示该类型所需的数据大小。由于固体火箭发动机比冲性能预测的输出样本为1维的输出向量，因此，输出层有1个神经元。
4.3 隐含层神经元的节点数。隐含层神经元的节点数确定是通过对不同神经元数进行训练对比，然后适当的增加一点余量。根据前人经验，可以参照以下公式进行设计：


式中：n为隐层节点数；
n i 为输入节点数；

n 0 为输出节点数；
a为1～10之间的常数。
根据这一原则此BP网络的隐含层神经元的节点数为[KF(]8+1[KF)]+a（a＝1～10），取为13。
4.4 传输函数。一般情况下BP网络结构均是在隐含层采用S型激活函数，而输出层采用线性激活函数。
4.5 训练方法的选取。采用附加动量法使反向传播减少了网络在误差表面陷入低谷的可能性有助于减少训练时间。太大的学习速率导致学习的不稳定，太小值又导致极长的训练时间。自适应学习速率通过保证稳定训练的前提下，达到了合理的高速率，可以减少训练时间。
4.6 学习速率的经验选择。一般情况下倾向于选取较小的学习速率以保证系统的稳定性，学习速率的选取范围在0.01～0.8之间。此网络学习速率选取为0.05。
4.7 期望误差的选取。一般情况下，作为对比，可以同时对两个不同的期望误差值的网络进行训练，最后通过综合因素的考虑来确定其中一个网络。
综上所述：BP网络拓扑结构为8×13×1的结构。中间层神经元的传递函数为S型正切函数tansig。由于输出已被归一化到区间［0,1］中，输出层神经元的传递函数可以设定为S型对数函数logsig。网络的训练函数采用学习率可变的动量BP算法修正神经网络的权值和阀值函数traingdx。
5 网络的训练与测试
在对神经网络进行学习训练以及预测比冲时，必须先对输入输出数据进行预处理，即归一化或标准化，将网络的输入输出数据限制在［0，1］区间内。进行归一化的主要原因有：①网络的各个输入数据常常具有不同的物理意义和不同的量纲，归一化可使得各输入分量被赋以同等重要的地位；
②某些输入变量的值可能与其它输入变量相差甚远，归一化可避免数值大的变量掩盖数值小的变量；
③可以避免神经元饱和。
6组实测数据样本经过归一化处理后的数据如表1所示。


用仿真函数sim来计算网络的输出，其预报误差曲线如图1。


由图可见，网络预测值和真实值之间的误差是非常小的，均小于3%。完全满足应用要求。
6 结论
神经网络作为一种输入／输出的高度非线性映射，通过对作用函数的多次复合，实现了固体火箭发动机比冲性能参数预测。并得到以下结论：
6.1 无需建立系统的数学模型，只要有足够的训练样本（由实验数据或仿真数据得到）即可预测。
6.2 BP网络根据样本数据，通过学习和训练，找出输入与输出之间的关系，从而求取问题的解，而不是依据对问题的经验判断，因而具有自适应功能，克服了统计回归方法分析小样本数据的不足。
6.3 结果表明，训练好的BP网络模型可以较准确的开展固体火箭发动机比冲性能的预测。
6.4 模型预测的规律受样本的性质影响，由于固体火箭发动机比冲的实验数据比较缺乏，因此本模型还有待于进一步的试验数据验证。
［参考文献］
［1］ 刘佩进，吕翔，何国强.基于人工神经网络的燃速相关性研究［J］.推进技术，2004，25(2)：156-158.
［2］ 张宇星.基于神经网络原理的固体火箭发动机比冲性能的预示研究［D］.呼和浩特：内蒙古工业大学硕士研究生论文，2002.
［3］ 飞思科技产品研发中心.MATLAB6.5应用接口编程［M］.北京：电子工业出版社，2003.
［4］ 闻新，周露，王丹力，等.Mat lab神经网络应用设计［M］.北京：科学出版社，2000.
［5］ 蒋宗礼.人工神经网络导论［M］.北京：高等教育出版社，2001.

⑽ matlab神经网络工具箱怎么效果好

导入数据：选择合适的数据，一定要选数值矩阵形式
在这里插入图片描述在这里插入图片描述

进行训练
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接下来就点next，选择输入输出，Sample are是选择以行还是列放置矩阵的，注意调整

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接下来一直next，在这儿点train

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查看结果

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导出代码：再点next，直到这个界面，先勾选下面的，再点Simple Script生成代码
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使用训练好的神经网络进行预测
使用下方命令，z是需要预测的输入变量，net就是训练好的模型

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再将结果输出成excel就行啦

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