1、神经网络神经网络与多传感器数据与多传感器数据融合融合 第第6讲讲 知识基础 1、激励函数（阶跃函数、非线性函数、连续函数、单调函数）、函数收敛 2、偏微分、梯度、方差与均方差 3、向量与矩阵 4、最优解与解空间 5、Matlab使用 6、人工智能基础 1 1、萌芽期、萌芽期 40年代初，美国Mc Culloch和Pitts从信息处理的角度，研究神经细胞行为的数学模型表达提出了阈值加权和模型MP模型。1949年，心理学家Hebb提出著名的Hebb学习规则，即由神经元之间结合强度的改变来实现神经学习的方法。Hebb学习规的基本思想至今在神经网络的研究中仍发挥着重要作用。一、人工一、人工神经网络神经
2、网络的研究与发展的研究与发展 50年代末期，Rosenblatt提出感知机模型(Perceptron)。感知机虽然比较简单，却已具有神经网络的一些基本性质，如分布式存贮、并行处理、可学习性、连续计算等。这些神经网络的特性与当时流行串行的、离散的、符号处理的电子计算机及其相应的人工智能技术有本质上的不同，由此引起许多研究者的兴趣。在60代掀起了神经网络研究的第一次高潮。但是，当时人们对神经网络研究过于乐观，认为只要将这种神经元互连成一个网络，就可以解决人脑思维的模拟问题，然而，后来的研究结果却又使人们走到另一个极端上。2、第一次高潮、第一次高潮 60年代末，美国著名人工智能专家Minsky和Pa
3、pert对Rosenblatt的工作进行了深人研究，出版了有较大影响的Perceptron一书，指出感知机的功能和处理能力的局限性，同时也指出如果在感知器中引入隐含神经元，增加神经网络的层次，可以提高神经网络的处理能力，但是却无法给出相应的网络学习算法。另一方面，以为串行信息处理及以它为基础的传统人工智能技术的潜力是无穷的，这就暂时掩盖了发展新型计算机和寻找新的人工智能途径的必要性和迫切性。再者，当时对大脑的计算原理、对神经网络计算的优点、缺点、可能性及其局限性等还很不清楚，使对神经网络的研究进入了低潮。3、反思期、反思期 进入80年代，首先是基于“知识库”的专家系统的研究和运用，在许多方面取
4、得了较大成功。但在一段时间以后，实际情况表明专家系统并不像人们所希望的那样高明，特别是在处理视觉、听觉、形象思维、联想记忆以及运动控制等方面，传统的计算机和人工智能技术面临着重重困难。模拟人脑的智能信息处理过程，如果仅靠串行逻辑和符号处理等传统的方法来济决复杂的问题，会产生计算量的组合爆炸。因此，具有并行分布处理模式的神经网络理论又重新受到人们的重视。对神经网络的研究又开始复兴，掀起了第二次研究高潮。4、第二次高潮第二次高潮 1982年，美国加州理工学院物理学家JHopfield提出了一种新的神经网络循环神经网络。他引入了“能量函数”的概念，使得网络稳定性研究有了明确的判据。1984年，JHo
5、pfield研制了后来被人们称为“Hopfield网”的电路，物理实现为神经计算机的研究奠定了基础，解决了著名的TSP问题。1985年，UCSD的Hinton、Sejnowsky、Rumelhart等人所在的并行分布处理小组的研究者在Hopfield网中引入随机机制，提出了Boltzmann机。1986年，Rumelhart等人在多层神经网络模型的基础上，提出了多层神经网络模型的反向传播学习算法BP（Back propagation）算法，解决了多层前向神经网络的学习问题，证明了多层神经网络具有很强的学习能力，它可以完成许多学习任务，解决许多实际问题。许多具备不同信息处理能力的神经网络已被提出
6、来并应用于许多信息处理领域，如模式识别、自动控制、信号处理、决策辅助、人工智能等方面。神经计算机的研究也为神经网络的理论研究提供了许多有利条件，各种神经网络模拟软件包、神经网络芯片以及电子神经计算机的出现，体现了神经网络领域的各项研究均取得了长足进展。同时，相应的神经网络学术会议和神经网络学术刊物的大量出现，给神经网络的研究者们提供了许多讨论交流的机会。5、再认识和应用研究期（、再认识和应用研究期（1991）虽然人们已对神经网络在人工智能领域的研究达成了共识，对其巨大潜力也毋庸置疑，但是须知，人类对自身大脑的研究，尤其是对其中智能信息处理机制的了解，还十分肤浅。因而现有的研究成果仅仅处于起步阶
7、段，还需许多有识之士长期的艰苦努力。概括以上的简要介绍，可以看出，当前又处于神经网络理论的研究高潮，不仅给新一代智能计算机的研究带来巨大影响，而且将推动整个人工智能领域的发展。但另一方面，由于问题本身的复杂性，不论是神经网络原理自身，还是正在努力进行探索和研究的神经计算机，目前，都还处于起步发展阶段。生物神经系统是一个有高度组织和相互作用的数量巨大的细胞组织群体。人类大脑的神经细胞大约在1011一1013个左右。神经细胞也称神经元，是神经系统的基本单元，它们按不同的结合方式构成了复杂的神经网络。通过神经元及其联接的可塑性，使得大脑具有学习、记忆和认知等各种智能。二、对生物二、对生物神经元的认识
8、神经元的认识 1.结构结构 神经元由细胞体(Soma)和延伸部分组成。延伸部分按功能分有两类，一种称为树突(Dendrite)，用来接受来自其他神经元的信息；另一种用来传递和输出信息，称为轴突(Axon)。神经元之间的相互连接从而让信息传递的部位披称为突触(Synapse)，突触的联接是可塑的，也就是说突触特性的变化是受到外界信息的影响或自身生长过程的影响。2、特征特征 (1)并行分布处理 大脑中单个神经元的信息处理速度是很慢的，每次约1毫秒，比通常的电子门电路要慢几个数量级。但是人脑对某一复杂过程的处理和反应却很快，一般只需几百毫秒。而在这个处理过程中，与脑神经系统的一些主要功能，如视觉、记
9、亿、推理等有关。按照上述神经元的处理速度，如果采用串行工作模式，就必须在几百个串行步内完成，这实际上是不可能办到的。因此只能把它看成是一个由众多神经元所组成的超高密度的并行处理系统。例如在一张照片寻找一个熟人的面孔，对人脑而言，几秒钟便可完成，但如用计算机来处理，以现有的技术，是不可能在短时间内完成的。（图片查询/检索）(2)神经系统的可塑性和自组织性 从生理学的角度看，它体现在突触的可塑性和联接状态的变化。例如在某一外界信息反复刺激下接受该信息的神经细胞之间的突触结合强度会增强。这种可塑性反映出大脑功能既有先天的制约因素，也有可能通过后天的训练和学习而得到加强。(3)信息处理与信息存贮合二为
10、一 由于大脑神经元兼有信息处理和存贮功能，所以在进行回亿时，不但不存在先找存贮地址而后再调出所存内容的问题，而不像现行计算机那样存贮地址和存贮内容是彼此分开的。(4)信息处理的系统性 大脑的各个部位是一个大系统中的许多子系统。各个子系统之间具有很强的相互联系，一些子系统可以调节另一些子系统的行为。例如，视觉系统和运动系统就存在很强的系统联系，可以相互协调各种信息处理功能。(5)能接受和处理模糊的、模拟的、随机的信息 三、三、人工人工神经网络神经网络 人工神经网络(Artificial Neural Network，ANN)是对人类大脑特性的一种描述。它是一个数学模型，可以用电子线路实现，也可以
11、用计算机程序来模拟。是人工智能研究的一种方法。1、ANN结构结构 下图是一个神经元的结构图，通过与生物神经元的比下图是一个神经元的结构图，通过与生物神经元的比较可以知道它们的有机联系，生物神经元中的神经体与人较可以知道它们的有机联系，生物神经元中的神经体与人工神经元中的结点相对应，树突（神经末梢）与输入相对工神经元中的结点相对应，树突（神经末梢）与输入相对应，轴突与输出相对应，突触与权值相对应。应，轴突与输出相对应，突触与权值相对应。2、ANN研究与应用的主要内容研究与应用的主要内容 (1)人工神经网络模型的研究 神经网络原型研究，即大脑神经网络的 生理结构、思维机制。神经元的生物特性如时空特
12、性、电化 学性质等的人工模拟。易于实现的神经网络计算模型。神经网络的学习算法与学习系统。(2)神经网络基本理论 神经网络具有非线性特性，包括自组织、自适应等作用。神经网络的基本性能，包括稳定性、收敛性、容错性、鲁棒性、动力学复杂性。神经网络的计算能力与信息存贮容量。待 (3)神经网络智能信息处理系统的应用神经网络智能信息处理系统的应用 认知与人工智能，包括模式识别、计算机视觉与听觉、特征提取、语音识别语言翻译、联想记忆、逻辑推理、知识工程、专家系统、故障诊断、智能机器人等。优化与控制，包括决策与管理、系统辨识、鲁棒性控制、自适应控制、并行控制、分布控制等。信号处理，自适应滤波、时间序列预测、消
13、噪、非线性预测、非线性编码等。3、ANN 与与人工智能人工智能 对于智能的模拟和机器再现肯定可以开发拓展出一代新兴产业。由于智能本质的复杂性，现代智能研究已超越传统的学科界限，成为脑生理学、神经科学、心理学、认知科学、信息科学、计算机科学、微电子学，乃至数理科学共同关心的“焦点”学科。人工神经网络的重大研究进展有可能使包括信息科学在内的其他学科产生重大突破和变革。展望人工神经网络的成功应用，人类智能有可能产生一次新的飞跃。4、ANN的信息处理能力的信息处理能力 存贮能力和计算能力是现代计算机科学中的两个基本问题，同样，它们也构成了人工神经网络研究中的基本问题。人工神经网络的信息处理能力包括两方
14、面的内容：神经网络信息存贮能力神经网络信息存贮能力 即要解决这样的一个问题：在一个有N个神经元的神经网络中，可存贮多少值的信息?神经网络的计算能力神经网络的计算能力（1）神经网络的存贮能力神经网络的存贮能力 定义：一个存贮器的信息表达能力定义为其可分辨的信定义：一个存贮器的信息表达能力定义为其可分辨的信息类型的对数值息类型的对数值。在一个在一个M1的随机存贮器的随机存贮器RAM中中，有有M位地址位地址，一位数一位数据据，它可存贮它可存贮2M位信息位信息。M1的的RAM的存贮能力为：的存贮能力为：C2M(位位)。定理定理1 1 N N个神经元的神经网络的信息表达能力上限为：个神经元的神经网络的信
15、息表达能力上限为：C (位)。定理定理2 2 N N个神经元的神经网络的信息表达能力下限为：个神经元的神经网络的信息表达能力下限为：C C (位位)。其中其中 N2 2 指小于或等于指小于或等于N2 2的最大整数的最大整数。定理定理3 3 神经网络可以存贮神经网络可以存贮2 2N N-1 1个信息个信息，也可以区分也可以区分2 2N N-1 1个不同的网络个不同的网络。2/)2/33.0(2)2(log2NNNNN)2(log2)1(2（2）神经网络的计算能力 数学的近似映射 概率密度函数的估计 从二进制数据基中提取相关的知识 形成拓扑连续及统计意义上的同构映射 最近相邻模式分类 数据聚类 最
16、优化问题 用来求解局部甚至是全局最优解。（3）感知器模型感知器模型 感知器是一种早期的神经网络模型，由美国学者F.Rosenblatt于1957年提出.感知器中第一次引入了学习的概念，使人脑所具备的学习功能在基于符号处理的数学到了一定程度的模拟，所以引起了广泛的关注。感知器在形式上与MP模型差不多，它们之间的区别在于神经元间连接权的变化。感知器的连接权定义为可变的，这样感知器就被赋予了学习的特性。感知感知器的结构器的结构 感知器处理单元对n个输入进行加权和操作：其中，xi为第i个输入，wi为第i个输入到处理单元的连接权值，为阈值。f是阶跃函数。为简化表示，把阈值 当作输入-w0 ，写成向量形式：)(0iniixwfo梯度梯度下降调整权值下降调整权值 感知器输出为：o=w0+w1 x1+wi xn 训练误差：td是期望输出，od是实际输出，感知器的计算值，D是训练样本集=(t o)xi 令 是一个正的常数，又叫学习速率。是某一输入样本对应的期望输出与实际输出的误差。已经证明：只要训练样本线性可分，并且使用充分小的，训练过程收敛。（4）感知器的学习算法感知器的学习算法 感知器引入的学习算法