訓練bp神經網路期望誤差的設置

⑴ BP神經網路中初始權值和閾值的設定

1、首先需要了解BP神經網路是一種多層前饋網路。

⑵ BP神經網路(誤差反傳網路)

雖然每個人工神經元很簡單，但是只要把多個人工

神經元按一定方式連接起來就構成了一個能處理復雜信息的神經網路。採用BP演算法的多層前饋網路是目前應用最廣泛的神經網路，稱之為BP神經網路。它的最大功能就是能映射復雜的非線性函數關系。

對於已知的模型空間和數據空間，我們知道某個模型和他對應的數據，但是無法寫出它們之間的函數關系式，但是如果有大量的一一對應的模型和數據樣本集合，利用BP神經網路可以模擬(映射)它們之間的函數關系。

一個三層BP網路如圖8.11所示，分為輸入層、隱層、輸出層。它是最常用的BP網路。理論分析證明三層網路已經能夠表達任意復雜的連續函數關系了。只有在映射不連續函數時(如鋸齒波)才需要兩個隱層^[8]。

圖8.11中，X=(x₁，…，x_i，…，x_n)^T為輸入向量，如加入x₀=-1，可以為隱層神經元引入閥值;隱層輸出向量為:Y=(y₁，…，y_i，…，y_m)^T，如加入y₀=-1，可以為輸出層神經元引入閥值;輸出層輸出向量為:O=(o₁，…，o_i，…，o_l)^T;輸入層到隱層之間的權值矩陣用V表示，V=(V₁，…，V_j，…，V_l)^T，其中列向量V_j表示隱層第j個神經元的權值向量;隱層到輸出層之間的權值矩陣用W表示，W=(W₁，…，W_k，…，W_l)^T，

其中列向量W_k表示輸出層第k個神經元的權值向量。

圖8.11 三層BP網路^[8]

BP演算法的基本思想是:預先給定一一對應的輸入輸出樣本集。學習過程由信號的正向傳播與誤差的反向傳播兩個過程組成。正向傳播時，輸入樣本從輸入層傳入，經過各隱層逐層處理後，傳向輸出層。若輸出層的實際輸出與期望的輸出(教師信號)不符，則轉入誤差的反向傳播。將輸出誤差以某種形式通過隱層向輸入層逐層反傳，並將誤差分攤給各層的所有神經元，獲得各層的誤差信號，用它們可以對各層的神經元的權值進行調整(關於如何修改權值參見韓立群著作^[8])，循環不斷地利用輸入輸出樣本集進行權值調整，以使所有輸入樣本的輸出誤差都減小到滿意的精度。這個過程就稱為網路的學習訓練過程。當網路訓練完畢後，它相當於映射(表達)了輸入輸出樣本之間的函數關系。

在地球物理勘探中，正演過程可以表示為如下函數:

d=f(m) (8.31)

它的反函數為

m=f^-1(d) (8.32)

如果能夠獲得這個反函數，那麼就解決了反演問題。一般來說，難以寫出這個反函數，但是我們可以用BP神經網路來映射這個反函數m=f^-1(d)。對於地球物理反問題，如果把觀測數據當作輸入數據，模型參數當作輸出數據，事先在模型空間隨機產生大量樣本進行正演計算，獲得對應的觀測數據樣本，利用它們對BP網路進行訓練，則訓練好的網路就相當於是地球物理數據方程的反函數。可以用它進行反演，輸入觀測數據，網路就會輸出它所對應的模型。

BP神經網路在能夠進行反演之前需要進行學習訓練。訓練需要大量的樣本，產生這些樣本需要大量的正演計算，此外在學習訓練過程也需要大量的時間。但是BP神經網路一旦訓練完畢，在反演中的計算時間可以忽略。

要想使BP神經網路比較好地映射函數關系，需要有全面代表性的樣本，但是由於模型空間的無限性，難以獲得全面代表性的樣本集合。用這樣的樣本訓練出來的BP網路，只能反映樣本所在的較小范圍數據空間和較小范圍模型空間的函數關系。對於超出它們的觀測數據就無法正確反演。目前BP神經網路在一維反演有較多應用，在二維、三維反演應用較少，原因就是難以產生全面代表性的樣本空間。

⑶ BP人工神經網路方法

（一）方法原理

人工神經網路是由大量的類似人腦神經元的簡單處理單元廣泛地相互連接而成的復雜的網路系統。理論和實踐表明，在信息處理方面，神經網路方法比傳統模式識別方法更具有優勢。人工神經元是神經網路的基本處理單元，其接收的信息為x₁，x₂，…，x_n，而ω_ij表示第i個神經元到第j個神經元的連接強度或稱權重。神經元的輸入是接收信息X＝（x₁，x₂，…，x_n）與權重W＝｛ω_ij｝的點積，將輸入與設定的某一閾值作比較，再經過某種神經元激活函數f的作用，便得到該神經元的輸出O_i。常見的激活函數為Sigmoid型。人工神經元的輸入與輸出的關系為

地球物理勘探概論

式中：x_i為第i個輸入元素，即n維輸入矢量X的第i個分量；ω_i為第i個輸入與處理單元間的互聯權重；θ為處理單元的內部閾值；y為處理單元的輸出。

常用的人工神經網路是BP網路，它由輸入層、隱含層和輸出層三部分組成。BP演算法是一種有監督的模式識別方法，包括學習和識別兩部分，其中學習過程又可分為正向傳播和反向傳播兩部分。正向傳播開始時，對所有的連接權值置隨機數作為初值，選取模式集的任一模式作為輸入，轉向隱含層處理，並在輸出層得到該模式對應的輸出值。每一層神經元狀態隻影響下一層神經元狀態。此時，輸出值一般與期望值存在較大的誤差，需要通過誤差反向傳遞過程，計算模式的各層神經元權值的變化量

。這個過程不斷重復，直至完成對該模式集所有模式的計算，產生這一輪訓練值的變化量Δω_ij。在修正網路中各種神經元的權值後，網路重新按照正向傳播方式得到輸出。實際輸出值與期望值之間的誤差可以導致新一輪的權值修正。正向傳播與反向傳播過程循環往復，直到網路收斂，得到網路收斂後的互聯權值和閾值。

（二）BP神經網路計算步驟

（1）初始化連接權值和閾值為一小的隨機值，即W（0）＝任意值，θ（0）＝任意值。

（2）輸入一個樣本X。

（3）正向傳播，計算實際輸出，即根據輸入樣本值、互聯權值和閾值，計算樣本的實際輸出。其中輸入層的輸出等於輸入樣本值，隱含層和輸出層的輸入為

地球物理勘探概論

輸出為

地球物理勘探概論

式中：f為閾值邏輯函數，一般取Sigmoid函數，即

地球物理勘探概論

式中：θ_j表示閾值或偏置；θ₀的作用是調節Sigmoid函數的形狀。較小的θ₀將使Sigmoid函數逼近於閾值邏輯單元的特徵，較大的θ₀將導致Sigmoid函數變平緩，一般取θ₀＝1。

（4）計算實際輸出與理想輸出的誤差

地球物理勘探概論

式中：t_pk為理想輸出；O_pk為實際輸出；p為樣本號；k為輸出節點號。

（5）誤差反向傳播，修改權值

地球物理勘探概論

式中：

地球物理勘探概論

地球物理勘探概論

（6）判斷收斂。若誤差小於給定值，則結束，否則轉向步驟（2）。

（三）塔北雅克拉地區BP神經網路預測實例

以塔北雅克拉地區S4井為已知樣本，取氧化還原電位，放射性元素Rn、Th、Tc、U、K和地震反射

構造面等7個特徵為識別的依據。

構造面反映了局部構造的起伏變化，其局部隆起部位應是油氣運移和富集的有利部位，它可以作為判斷含油氣性的諸種因素之一。在該地區投入了高精度重磁、土壤微磁、頻譜激電等多種方法，一些參數未入選為判別的特徵參數，是因為某些參數是相關的。在使用神經網路方法判別之前，還採用K-L變換（Karhaem-Loeve）來分析和提取特徵。

S4井位於測區西南部5線25點，是區內唯一已知井。該井在5390.6m的侏羅系地層獲得40.6m厚的油氣層，在5482m深的震旦系地層中獲58m厚的油氣層。取S4井周圍9個點，即4～6線的23～25 點作為已知油氣的訓練樣本；由於區內沒有未見油的鑽井，只好根據地質資料分析，選取14～16線的55～57點作為非油氣的訓練樣本。BP網路學習迭代17174次，總誤差為0.0001，學習效果相當滿意。以學習後的網路進行識別，得出結果如圖6-2-4所示。

圖6-2-4 塔北雅克拉地區BP神經網路聚類結果

（據劉天佑等，1997）

由圖6-2-4可見，由預測值大於0.9可得5個大封閉圈遠景區，其中測區南部①號遠景區對應著已知油井S4井；②、③號油氣遠景區位於地震勘探所查明的托庫1、2號構造，該兩個構造位於沙雅隆起的東段，其西段即為1984年鑽遇高產油氣流的Sch2井，應是含油氣性好的遠景區；④、⑤號遠景區位於大澇壩構造，是yh油田的組成部分。