A. 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。
B. 人工神經網路（ANN）簡述
我們從下面四點認識人工神經網路（ANN: Artificial Neutral Network）：神經元結構、神經元的激活函數、神經網路拓撲結構、神經網路選擇權值和學習演算法。
1. 神經元：
我們先來看一組對比圖就能了解是怎樣從生物神經元建模為人工神經元。
下面分別講述:
生物神經元的組成包括細胞體、樹突、軸突、突觸。樹突可以看作輸入端，接收從其他細胞傳遞過來的電信號；軸突可以看作輸出端，傳遞電荷給其他細胞；突觸可手瞎以看作I/O介面，連接神經元，單個神經元可以和上千個神經元連接。細胞體內有膜電位，從外界傳遞過來的電流使膜電位發生變化，並且不斷累加，當膜電位升高到超過一個閾值時，神經元被激活，產生一個脈沖，傳遞到下一個神經元。
為了更形象理解神經元傳遞信號過程，把一個神經元比作一個水桶。水桶下側連著多根水管（樹突），水管既可以把桶里的水排出去（抑制性），又可以將其他水桶的水輸進來（興奮性），水管的粗細不同，對桶中水的影響程度不同（權重），水管對水桶水位（膜電位）的改變就是水桶內水位的改變，當桶中水達到一定高度時，就能通過另一條管道（軸突）排出去。
按照這個原理，科學家提出了M-P模型（取自兩個提出者的姓名首字母），M-P模型是對生物神經元的建模，作為人工神經網路中的一個神經元。
由MP模型的示意圖，我們可以看到與生物神經元的相似之處，x_i表示多個輸入，W_ij表示每個輸入的權值，其正負模擬了生物神經元中突出的興奮和抑制；sigma表示將全部輸入信號進行累加整合，f為激活函數，O為輸出。下圖可以看到生物神經元和MP模型的類比：
往後誕生的各種神經元模型都是由MP模型演變過來。
2. 激活函數
激活函數可以看作濾波器，接收外界各種各樣的信號，通過調整函數，輸出期望值。ANN通常採用三類激活函數:閾值穗州函數、分段函數、雙極性連續函數（sigmoid，tanh）：
3. 學習演算法
神經網路的學習也稱為訓練，通過神經網路所在環境的刺激作用調整神經網路的自由參數（如連接權值），使神經網路以一種新的方式對外部環境做出反應的一個過程。每個神經網路都有一個激活函數y=f(x)，訓練過程就是通過給定的海量x數據和y數據，擬合出激活函數f。學習過程分為有導師學習和無導師學習，有導師學習是給定猜薯蔽期望輸出，通過對權值的調整使實際輸出逼近期望輸出；無導師學習給定表示方法質量的測量尺度，根據該尺度來優化參數。常見的有Hebb學習、糾錯學習、基於記憶學習、隨機學習、競爭學習。
4. 神經網路拓撲結構
常見的拓撲結構有單層前向網路、多層前向網路、反饋網路，隨機神經網路、競爭神經網路。
5. 神經網路的發展
（不能貼公式不好解釋啊 -_-!）sigma是誤差信號，yita是學習率，net是輸入之和，V是輸入層到隱含層的權重矩陣，W是隱含層到輸出層的權重矩陣。
之後還有幾種
隨著計算機硬體計算能力越來越強，用來訓練的數據越來越多，神經網路變得越來越復雜。在人工智慧領域常聽到DNN（深度神經網路）、CNN（卷積神經網路）、RNN（遞歸神經網路）。其中，DNN是總稱，指層數非常多的網路，通常有二十幾層，具體可以是CNN或RNN等網路結構。
參考資料 ：
C. BP神經網路方法
人工神經網路是近幾年來發展起來的新興學科，它是一種大規模並行分布處理的非線性系統，適用解決難以用數學模型描述的系統，逼近任何非線性的特性，具有很強的自適應、自學習、聯想記憶、高度容錯和並行處理能力，使得神經網路理論的應用已經滲透到了各個領域。近年來，人工神經網路在水質分析和評價中的應用越來越廣泛，並取得良好效果。在這些應用中，縱觀應用於模式識別的神經網路，BP網路是最有效、最活躍的方法之一。
BP網路是多層前向網路的權值學習採用誤差逆傳播學習的一種演算法（Error Back Propagation，簡稱BP）。在具體應用該網路時分為網路訓練及網路工作兩個階段。在網路訓練階段，根據給定的訓練模式，按照「模式的順傳播」→「誤差逆傳播」→「記憶訓練」→「學習收斂」4個過程進行網路權值的訓練。在網路的工作階段，根據訓練好的網路權值及給定的輸入向量，按照「模式順傳播」方式求得與輸入向量相對應的輸出向量的解答（閻平凡，2000）。
BP演算法是一種比較成熟的有指導的訓練方法，是一個單向傳播的多層前饋網路。它包含輸入層、隱含層、輸出層，如圖4-4所示。
圖4-4 地下水質量評價的BP神經網路模型
圖4-4給出了4層地下水水質評價的BP神經網路模型。同層節點之間不連接。輸入信號從輸入層節點，依次傳過各隱含層節點，然後傳到輸出層節點，如果在輸出層得不到期望輸出，則轉入反向傳播，將誤差信號沿原來通路返回，通過學習來修改各層神經元的權值，使誤差信號最小。每一層節點的輸出隻影響下一層節點的輸入。每個節點都對應著一個作用函數（f）和閾值（a），BP網路的基本處理單元量為非線性輸入-輸出的關系，輸入層節點閾值為0，且f（x）=x；而隱含層和輸出層的作用函數為非線性的Sigmoid型（它是連續可微的）函數，其表達式為
f（x）=1/（1+e-x） （4-55）
設有L個學習樣本（Xk，Ok）（k=1，2，…，l），其中Xk為輸入，Ok為期望輸出，Xk經網路傳播後得到的實際輸出為Yk，則Yk與要求的期望輸出Ok之間的均方誤差為
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
式中：M為輸出層單元數；Yk，p為第k樣本對第p特性分量的實際輸出；Ok，p為第k樣本對第p特性分量的期望輸出。
樣本的總誤差為
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
由梯度下降法修改網路的權值，使得E取得最小值，學習樣本對Wij的修正為
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
式中：η為學習速率，可取0到1間的數值。
所有學習樣本對權值Wij的修正為
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
通常為增加學習過程的穩定性，用下式對Wij再進行修正：
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
式中：β為充量常量；Wij（t）為BP網路第t次迭代循環訓練後的連接權值；Wij（t-1）為BP網路第t-1次迭代循環訓練後的連接權值。
在BP網路學習的過程中，先調整輸出層與隱含層之間的連接權值，然後調整中間隱含層間的連接權值，最後調整隱含層與輸入層之間的連接權值。實現BP網路訓練學習程序流程，如圖4-5所示（倪深海等，2000）。
圖4-5 BP神經網路模型程序框圖
若將水質評價中的評價標准作為樣本輸入，評價級別作為網路輸出，BP網路通過不斷學習，歸納出評價標准與評價級別間復雜的內在對應關系，即可進行水質綜合評價。
BP網路對地下水質量綜合評價，其評價方法不需要過多的數理統計知識，也不需要對水質量監測數據進行復雜的預處理，操作簡便易行，評價結果切合實際。由於人工神經網路方法具有高度民主的非線性函數映射功能，使得地下水水質評價結果較准確（袁曾任，1999）。
BP網路可以任意逼近任何連續函數，但是它主要存在如下缺點：①從數學上看，它可歸結為一非線性的梯度優化問題，因此不可避免地存在局部極小問題；②學習演算法的收斂速度慢，通常需要上千次或更多。
神經網路具有學習、聯想和容錯功能，是地下水水質評價工作方法的改進，如何在現行的神經網路中進一步吸取模糊和灰色理論的某些優點，建立更適合水質評價的神經網路模型，使該模型既具有方法的先進性又具有現實的可行性，將是我們今後研究和探討的問題。
D. 人工神經網路，人工神經網路是什麼意思
一、 人工神經網路的概念
人工神經網路（Artificial Neural Network，ANN）簡稱神經網路(NN)，是基於生物學中神經網路的基本原理，在理解和抽象了人腦結構和外界刺激響應機制後，以網路拓撲知識為理論基礎，模擬人腦的神經系統對復雜信息的處理機制的一種數學模型。該模型以並行分布的處理能力、高容錯性、智能化和自學習等能力為特徵，將信息的加工和存儲結合在一起，以其獨特的知識表示方式和智能化的自適應學習能力，引起各學科領域的關注。它實際上是一個有大量簡單元件相互連接而成的復雜網路，具有高度的非線性，能夠進行復雜的邏輯操作和非線性關系實現的系統。
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，稱為激活函數（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（weight），神經網路就是通過這種方式來模擬人類的記憶。網路的輸出則取決於網路的結構、網路的連接方式、權重和激活函數。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。神經網路的構築理念是受到生物的神經網路運作啟發而產生的。人工神經網路則是把對生物神經網路的認識與數學統計模型相結合，藉助數學統計工具來實現。另一方面在人工智慧學的人工感知領域，我們通過數學統計學的方法，使神經網路能夠具備類似於人的決定能力和簡單的判斷能力，這種方法是對傳統邏輯學演算的進一步延伸。
人工神經網路中，神經元處理單元可表示不同的對象，例如特徵、字母、概念，或者一些有意義的抽象模式。網路中處理單元的類型分為三類：輸入單元、輸出單元和隱單元。輸入單元接受外部世界的信號與數據；輸出單元實現系統處理結果的輸出；隱單元是處在輸入和輸出單元之間，不能由系統外部觀察的單元。神經元間的連接權值反映了單元間的連接強度，信息的表示和處理體現在網路處理單元的連接關系中。人工神經網路是一種非程序化、適應性、大腦風格的信息處理，其本質是通過網路的變換和動力學行為得到一種並行分布式的信息處理功能，並在不同程度和層次上模仿人腦神經系統的信息處理功能。
神經網路，是一種應用類似於大腦神經突觸連接結構進行信息處理的數學模型，它是在人類對自身大腦組織結合和思維機制的認識理解基礎之上模擬出來的，它是根植於神經科學、數學、思維科學、人工智慧、統計學、物理學、計算機科學以及工程科學的一門技術。
二、 人工神經網路的發展
神經網路的發展有悠久的歷史。其發展過程大致可以概括為如下4個階段。
1. 第一階段----啟蒙時期
(1)、M-P神經網路模型：20世紀40年代，人們就開始了對神經網路的研究。1943 年，美國心理學家麥克洛奇（Mcculloch）和數學家皮茲（Pitts）提出了M-P模型，此模型比較簡單，但是意義重大。在模型中，通過把神經元看作個功能邏輯器件來實現演算法，從此開創了神經網路模型的理論研究。
(2)、Hebb規則：1949 年，心理學家赫布（Hebb）出版了《The Organization of Behavior》（行為組織學），他在書中提出了突觸連接強度可變的假設。這個假設認為學習過程最終發生在神經元之間的突觸部位，突觸的連接強度隨之突觸前後神經元的活動而變化。這一假設發展成為後來神經網路中非常著名的Hebb規則。這一法則告訴人們，神經元之間突觸的聯系強度是可變的，這種可變性是學習和記憶的基礎。Hebb法則為構造有學習功能的神經網路模型奠定了基礎。
(3)、感知器模型：1957 年，羅森勃拉特（Rosenblatt）以M-P 模型為基礎，提出了感知器（Perceptron）模型。感知器模型具有現代神經網路的基本原則，並且它的結構非常符合神經生理學。這是一個具有連續可調權值矢量的MP神經網路模型，經過訓練可以達到對一定的輸入矢量模式進行分類和識別的目的，它雖然比較簡單，卻是第一個真正意義上的神經網路。Rosenblatt 證明了兩層感知器能夠對輸入進行分類，他還提出了帶隱層處理元件的三層感知器這一重要的研究方向。Rosenblatt 的神經網路模型包含了一些現代神經計算機的基本原理，從而形成神經網路方法和技術的重大突破。
(4)、ADALINE網路模型： 1959年，美國著名工程師威德羅（B.Widrow）和霍夫（M.Hoff）等人提出了自適應線性元件(Adaptive linear element，簡稱Adaline)和Widrow-Hoff學習規則（又稱最小均方差演算法或稱δ規則）的神經網路訓練方法，並將其應用於實際工程，成為第一個用於解決實際問題的人工神經網路，促進了神經網路的研究應用和發展。ADALINE網路模型是一種連續取值的自適應線性神經元網路模型，可以用於自適應系統。
2. 第二階段----低潮時期
人工智慧的創始人之一Minsky和Papert對以感知器為代表的網路系統的功能及局限性從數學上做了深入研究，於1969年發表了轟動一時《Perceptrons》一書，指出簡單的線性感知器的功能是有限的，它無法解決線性不可分的兩類樣本的分類問題，如簡單的線性感知器不可能實現「異或」的邏輯關系等。這一論斷給當時人工神經元網路的研究帶來沉重的打擊。開始了神經網路發展史上長達10年的低潮期。
(1)、自組織神經網路SOM模型：1972年，芬蘭的KohonenT.教授，提出了自組織神經網路SOM(Self-Organizing feature map)。後來的神經網路主要是根據KohonenT.的工作來實現的。SOM網路是一類無導師學習網路，主要用於模式識別﹑語音識別及分類問題。它採用一種「勝者為王」的競爭學習演算法，與先前提出的感知器有很大的不同，同時它的學習訓練方式是無指導訓練，是一種自組織網路。這種學習訓練方式往往是在不知道有哪些分類類型存在時，用作提取分類信息的一種訓練。
(2)、自適應共振理論ART：1976年，美國Grossberg教授提出了著名的自適應共振理論ART(Adaptive Resonance Theory)，其學習過程具有自組織和自穩定的特徵。
3. 第三階段----復興時期
(1)、Hopfield模型：1982年，美國物理學家霍普菲爾德（Hopfield）提出了一種離散神經網路，即離散Hopfield網路，從而有力地推動了神經網路的研究。在網路中，它首次將李雅普諾夫（Lyapunov）函數引入其中，後來的研究學者也將Lyapunov函數稱為能量函數。證明了網路的穩定性。1984年，Hopfield 又提出了一種連續神經網路，將網路中神經元的激活函數由離散型改為連續型。1985 年，Hopfield和Tank利用Hopfield神經網路解決了著名的旅行推銷商問題（Travelling Salesman Problem）。Hopfield神經網路是一組非線性微分方程。Hopfield的模型不僅對人工神經網路信息存儲和提取功能進行了非線性數學概括，提出了動力方程和學習方程，還對網路演算法提供了重要公式和參數，使人工神經網路的構造和學習有了理論指導，在Hopfield模型的影響下，大量學者又激發起研究神經網路的熱情，積極投身於這一學術領域中。因為Hopfield 神經網路在眾多方面具有巨大潛力，所以人們對神經網路的研究十分地重視，更多的人開始了研究神經網路，極大地推動了神經網路的發展。
(2)、Boltzmann機模型：1983年，Kirkpatrick等人認識到模擬退火演算法可用於NP完全組合優化問題的求解，這種模擬高溫物體退火過程來找尋全局最優解的方法最早由Metropli等人1953年提出的。1984年，Hinton與年輕學者Sejnowski等合作提出了大規模並行網路學習機，並明確提出隱單元的概念，這種學習機後來被稱為Boltzmann機。
Hinton和Sejnowsky利用統計物理學的感念和方法，首次提出的多層網路的學習演算法，稱為Boltzmann 機模型。
(3)、BP神經網路模型：1986年，儒默哈特（D.E.Ru melhart）等人在多層神經網路模型的基礎上，提出了多層神經網路權值修正的反向傳播學習演算法----BP演算法（Error Back-Propagation），解決了多層前向神經網路的學習問題，證明了多層神經網路具有很強的學習能力，它可以完成許多學習任務，解決許多實際問題。
(4)、並行分布處理理論：1986年，由Rumelhart和McCkekkand主編的《Parallel Distributed Processing：Exploration in the Microstructures of Cognition》，該書中，他們建立了並行分布處理理論，主要致力於認知的微觀研究，同時對具有非線性連續轉移函數的多層前饋網路的誤差反向傳播演算法即BP演算法進行了詳盡的分析，解決了長期以來沒有權值調整有效演算法的難題。可以求解感知機所不能解決的問題，回答了《Perceptrons》一書中關於神經網路局限性的問題，從實踐上證實了人工神經網路有很強的運算能力。
(5)、細胞神經網路模型：1988年，Chua和Yang提出了細胞神經網路（CNN）模型，它是一個細胞自動機特性的大規模非線性計算機模擬系統。Kosko建立了雙向聯想存儲模型（BAM），它具有非監督學習能力。
(6)、Darwinism模型：Edelman提出的Darwinism模型在90年代初產生了很大的影響，他建立了一種神經網路系統理論。
(7)、1988年，Linsker對感知機網路提出了新的自組織理論，並在Shanon資訊理論的基礎上形成了最大互信息理論，從而點燃了基於NN的信息應用理論的光芒。
(8)、1988年，Broomhead和Lowe用徑向基函數(Radialbasis function, RBF)提出分層網路的設計方法，從而將NN的設計與數值分析和線性適應濾波相掛鉤。
(9)、1991年，Haken把協同引入神經網路，在他的理論框架中，他認為，認知過程是自發的，並斷言模式識別過程即是模式形成過程。
(10)、1994年，廖曉昕關於細胞神經網路的數學理論與基礎的提出，帶來了這個領域新的進展。通過拓廣神經網路的激活函數類，給出了更一般的時滯細胞神經網路(DCNN)、Hopfield神經網路（HNN）、雙向聯想記憶網路（BAM）模型。
(11)、90年代初，Vapnik等提出了支持向量機(Supportvector machines, SVM)和VC(Vapnik-Chervonenkis)維數的概念。
經過多年的發展，已有上百種的神經網路模型被提出。
E. 什麼是人工神經網路
人工神經網路是一種模擬人類神經系統結構和功能的計算模型。
以下是對人工神經網路的詳細解釋：
一、基本定義
人工神經網路是由大量神經元相互連接形成的計算架構。這些神經元以一定的權重連接，通過模擬生物神經網路的學習、記憶和推理過程，實現對輸入數據的處理、分析和預測。人工神經網路的核心是神經網路的結構和演算法，其目標是通過對大量數據的訓練和學習，找到輸入和輸出之間的復雜映射關系。
二、神經網路的基本組成
人工神經網路中的每個神經元都包含多個輸入、一個輸出和一個激活函數。輸入是數據，輸出是決策或預測值，激活函數則決定神經元是否激活以及其激活的程度。多個神經元相互連接形成層，不同的層負責不同的任務。例如，輸入層負責接收原始數據，隱藏層進行數據處理和分析，輸出層則生成預測結果。這些層之間的連接權重是神經網路學習的關鍵。
三、學習過程和功能
人工神經網路通過訓練數據集進行學習。在訓練過程中，網路通過不斷調整神經元之間的連接權重，以最小化預測誤差為目標。一旦網路訓練完成，它就可以用於對新數據進行預測或分類。人工神經網路在多個領域都有廣泛的應用，如圖像識別、語音識別、自然語言處理、推薦系統等。
總的來說，人工神經網路是一種強大的計算模型，通過模擬生物神經系統的結構和功能，實現對數據的處理、分析和預測。由於其強大的學習和適應能力，人工神經網路在許多領域都取得了顯著的成果。