神经网络最常用的训练方法

① 除了梯度下降法还有什么方法训练神经网络

还有很多，一步正割算法，拟牛顿算法，量化共轭梯度法，弹性梯度下降法等等。具体可以在MATLAB的help文件训练函数中查看，路径是：Neural Network Toolbox>Functions>Training Functions，可以看到各种算法的函数及详细介绍

② BP神经网络方法

人工神经网络是近几年来发展起来的新兴学科，它是一种大规模并行分布处理的非线性系统，适用解决难以用数学模型描述的系统，逼近任何非线性的特性，具有很强的自适应、自学习、联想记忆、高度容错和并行处理能力，使得神经网络理论的应用已经渗透到了各个领域。近年来，人工神经网络在水质分析和评价中的应用越来越广泛，并取得良好效果。在这些应用中，纵观应用于模式识别的神经网络，BP网络是最有效、最活跃的方法之一。

BP网络是多层前向网络的权值学习采用误差逆传播学习的一种算法（Error Back Propagation，简称BP）。在具体应用该网络时分为网络训练及网络工作两个阶段。在网络训练阶段，根据给定的训练模式，按照“模式的顺传播”→“误差逆传播”→“记忆训练”→“学习收敛”4个过程进行网络权值的训练。在网络的工作阶段，根据训练好的网络权值及给定的输入向量，按照“模式顺传播”方式求得与输入向量相对应的输出向量的解答（阎平凡，2000）。

BP算法是一种比较成熟的有指导的训练方法，是一个单向传播的多层前馈网络。它包含输入层、隐含层、输出层，如图4-4所示。

图4-4 地下水质量评价的BP神经网络模型

图4-4给出了4层地下水水质评价的BP神经网络模型。同层节点之间不连接。输入信号从输入层节点，依次传过各隐含层节点，然后传到输出层节点，如果在输出层得不到期望输出，则转入反向传播，将误差信号沿原来通路返回，通过学习来修改各层神经元的权值，使误差信号最小。每一层节点的输出只影响下一层节点的输入。每个节点都对应着一个作用函数（f）和阈值（a），BP网络的基本处理单元量为非线性输入-输出的关系，输入层节点阈值为0，且f（x）=x；而隐含层和输出层的作用函数为非线性的Sigmoid型（它是连续可微的）函数，其表达式为

f（x）=1/（1+e^-x） （4-55）

设有L个学习样本（X_k，O_k）（k=1，2，…，l），其中X_k为输入，O_k为期望输出，X_k经网络传播后得到的实际输出为Y_k，则Y_k与要求的期望输出O_k之间的均方误差为

区域地下水功能可持续性评价理论与方法研究

式中：M为输出层单元数；Y_k，p为第k样本对第p特性分量的实际输出；O_k，p为第k样本对第p特性分量的期望输出。

样本的总误差为

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由梯度下降法修改网络的权值，使得E取得最小值，学习样本对W_ij的修正为

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式中：η为学习速率，可取0到1间的数值。

所有学习样本对权值W_ij的修正为

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通常为增加学习过程的稳定性，用下式对W_ij再进行修正：

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式中：β为充量常量；W_ij（t）为BP网络第t次迭代循环训练后的连接权值；W_ij（t-1）为BP网络第t-1次迭代循环训练后的连接权值。

在BP网络学习的过程中，先调整输出层与隐含层之间的连接权值，然后调整中间隐含层间的连接权值，最后调整隐含层与输入层之间的连接权值。实现BP网络训练学习程序流程，如图4-5所示（倪深海等，2000）。

图4-5 BP神经网络模型程序框图

若将水质评价中的评价标准作为样本输入，评价级别作为网络输出，BP网络通过不断学习，归纳出评价标准与评价级别间复杂的内在对应关系，即可进行水质综合评价。

BP网络对地下水质量综合评价，其评价方法不需要过多的数理统计知识，也不需要对水质量监测数据进行复杂的预处理，操作简便易行，评价结果切合实际。由于人工神经网络方法具有高度民主的非线性函数映射功能，使得地下水水质评价结果较准确（袁曾任，1999）。

BP网络可以任意逼近任何连续函数，但是它主要存在如下缺点：①从数学上看，它可归结为一非线性的梯度优化问题，因此不可避免地存在局部极小问题；②学习算法的收敛速度慢，通常需要上千次或更多。

神经网络具有学习、联想和容错功能，是地下水水质评价工作方法的改进，如何在现行的神经网络中进一步吸取模糊和灰色理论的某些优点，建立更适合水质评价的神经网络模型，使该模型既具有方法的先进性又具有现实的可行性，将是我们今后研究和探讨的问题。

③ BP人工神经网络方法

（一）方法原理

人工神经网络是由大量的类似人脑神经元的简单处理单元广泛地相互连接而成的复杂的网络系统。理论和实践表明，在信息处理方面，神经网络方法比传统模式识别方法更具有优势。人工神经元是神经网络的基本处理单元，其接收的信息为x₁，x₂，…，x_n，而ω_ij表示第i个神经元到第j个神经元的连接强度或称权重。神经元的输入是接收信息X＝（x₁，x₂，…，x_n）与权重W＝｛ω_ij｝的点积，将输入与设定的某一阈值作比较，再经过某种神经元激活函数f的作用，便得到该神经元的输出O_i。常见的激活函数为Sigmoid型。人工神经元的输入与输出的关系为

地球物理勘探概论

式中：x_i为第i个输入元素，即n维输入矢量X的第i个分量；ω_i为第i个输入与处理单元间的互联权重；θ为处理单元的内部阈值；y为处理单元的输出。

常用的人工神经网络是BP网络，它由输入层、隐含层和输出层三部分组成。BP算法是一种有监督的模式识别方法，包括学习和识别两部分，其中学习过程又可分为正向传播和反向传播两部分。正向传播开始时，对所有的连接权值置随机数作为初值，选取模式集的任一模式作为输入，转向隐含层处理，并在输出层得到该模式对应的输出值。每一层神经元状态只影响下一层神经元状态。此时，输出值一般与期望值存在较大的误差，需要通过误差反向传递过程，计算模式的各层神经元权值的变化量

。这个过程不断重复，直至完成对该模式集所有模式的计算，产生这一轮训练值的变化量Δω_ij。在修正网络中各种神经元的权值后，网络重新按照正向传播方式得到输出。实际输出值与期望值之间的误差可以导致新一轮的权值修正。正向传播与反向传播过程循环往复，直到网络收敛，得到网络收敛后的互联权值和阈值。

（二）BP神经网络计算步骤

（1）初始化连接权值和阈值为一小的随机值，即W（0）＝任意值，θ（0）＝任意值。

（2）输入一个样本X。

（3）正向传播，计算实际输出，即根据输入样本值、互联权值和阈值，计算样本的实际输出。其中输入层的输出等于输入样本值，隐含层和输出层的输入为

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输出为

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式中：f为阈值逻辑函数，一般取Sigmoid函数，即

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式中：θ_j表示阈值或偏置；θ₀的作用是调节Sigmoid函数的形状。较小的θ₀将使Sigmoid函数逼近于阈值逻辑单元的特征，较大的θ₀将导致Sigmoid函数变平缓，一般取θ₀＝1。

（4）计算实际输出与理想输出的误差

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式中：t_pk为理想输出；O_pk为实际输出；p为样本号；k为输出节点号。

（5）误差反向传播，修改权值

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式中：

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（6）判断收敛。若误差小于给定值，则结束，否则转向步骤（2）。

（三）塔北雅克拉地区BP神经网络预测实例

以塔北雅克拉地区S4井为已知样本，取氧化还原电位，放射性元素Rn、Th、Tc、U、K和地震反射

构造面等7个特征为识别的依据。

构造面反映了局部构造的起伏变化，其局部隆起部位应是油气运移和富集的有利部位，它可以作为判断含油气性的诸种因素之一。在该地区投入了高精度重磁、土壤微磁、频谱激电等多种方法，一些参数未入选为判别的特征参数，是因为某些参数是相关的。在使用神经网络方法判别之前，还采用K-L变换（Karhaem-Loeve）来分析和提取特征。

S4井位于测区西南部5线25点，是区内唯一已知井。该井在5390.6m的侏罗系地层获得40.6m厚的油气层，在5482m深的震旦系地层中获58m厚的油气层。取S4井周围9个点，即4～6线的23～25 点作为已知油气的训练样本；由于区内没有未见油的钻井，只好根据地质资料分析，选取14～16线的55～57点作为非油气的训练样本。BP网络学习迭代17174次，总误差为0.0001，学习效果相当满意。以学习后的网络进行识别，得出结果如图6-2-4所示。

图6-2-4 塔北雅克拉地区BP神经网络聚类结果

（据刘天佑等，1997）

由图6-2-4可见，由预测值大于0.9可得5个大封闭圈远景区，其中测区南部①号远景区对应着已知油井S4井；②、③号油气远景区位于地震勘探所查明的托库1、2号构造，该两个构造位于沙雅隆起的东段，其西段即为1984年钻遇高产油气流的Sch2井，应是含油气性好的远景区；④、⑤号远景区位于大涝坝构造，是yh油田的组成部分。