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人工神经网络人工神经网络是什么意思

发布时间:2019-07-15 13:18 来源:未知 编辑:admin

  人工神经网络(Artificial Neural Network,即ANN ),是20世纪80 年代以来人工智能领域兴起的研究热点。它从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象, 建立某种简单模型,按不同的连接方式组成不同的网络。在工程与学术界也常直接简称为神经网络或类神经网络。神经网络是一种运算模型,由大量的节点(或称神经元)之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数,称为激励函数(activation function)。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值,称之为权重,这相当于人工神经网络的记忆。网络的输出则依网络的连接方式,权重值和激励函数的不同而不同。而网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼近,也可能是对一种逻辑策略的表达。

  人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)简称神经网络(NN),是基于生物学中神经网络的基本原理,在理解和抽象了人脑结构和外界刺激响应机制后,以网络拓扑知识为理论基础,模拟人脑的神经系统对复杂信息的处理机制的一种数学模型。该模型以并行分布的处理能力、高容错性、智能化和自学习等能力为特征,将信息的加工和存储结合在一起,以其独特的知识表示方式和智能化的自适应学习能力,引起各学科领域的关注。它实际上是一个有大量简单元件相互连接而成的复杂网络,具有高度的非线性,能够进行复杂的逻辑操作和非线性关系实现的系统。

  神经网络是一种运算模型,由大量的节点(或称神经元)之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数,称为激活函数(activation function)。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值,称之为权重(weight),神经网络就是通过这种方式来模拟人类的记忆。网络的输出则取决于网络的结构、网络的连接方式、权重和激活函数。而网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼近,也可能是对一种逻辑策略的表达。神经网络的构筑理念是受到生物的神经网络运作启发而产生的。人工神经网络则是把对生物神经网络的认识与数学统计模型相结合,借助数学统计工具来实现。另一方面在人工智能学的人工感知领域,我们通过数学统计学的方法,使神经网络能够具备类似于人的决定能力和简单的判断能力,这种方法是对传统逻辑学演算的进一步延伸。

  人工神经网络中,神经元处理单元可表示不同的对象,例如特征、字母、概念,或者一些有意义的抽象模式。网络中处理单元的类型分为三类:输入单元、输出单元和隐单元。输入单元接受外部世界的信号与数据;输出单元实现系统处理结果的输出;隐单元是处在输入和输出单元之间,不能由系统外部观察的单元。神经元间的连接权值反映了单元间的连接强度,信息的表示和处理体现在网络处理单元的连接关系中。人工神经网络是一种非程序化、适应性、大脑风格的信息处理,其本质是通过网络的变换和动力学行为得到一种并行分布式的信息处理功能,并在不同程度和层次上模仿人脑神经系统的信息处理功能。

  神经网络,是一种应用类似于大脑神经突触连接结构进行信息处理的数学模型,它是在人类对自身大脑组织结合和思维机制的认识理解基础之上模拟出来的,它是根植于神经科学、数学、思维科学、人工智能、统计学、物理学、计算机科学以及工程科学的一门技术。

  (1)、M-P神经网络模型:20世纪40年代,人们就开始了对神经网络的研究。1943 年,美国心理学家麦克洛奇(Mcculloch)和数学家皮兹(Pitts)提出了M-P模型,此模型比较简单,但是意义重大。在模型中,通过把神经元看作个功能逻辑器件来实现算法,从此开创了神经网络模型的理论研究。

  (2)、Hebb规则:1949 年,心理学家赫布(Hebb)出版了《The Organization of Behavior》(行为组织学),他在书中提出了突触连接强度可变的假设。这个假设认为学习过程最终发生在神经元之间的突触部位,突触的连接强度随之突触前后神经元的活动而变化。这一假设发展成为后来神经网络中非常著名的Hebb规则。这一法则告诉人们,神经元之间突触的联系强度是可变的,这种可变性是学习和记忆的基础。Hebb法则为构造有学习功能的神经网络模型奠定了基础。

  (3)、感知器模型:1957 年,罗森勃拉特(Rosenblatt)以M-P 模型为基础,提出了感知器(Perceptron)模型。感知器模型具有现代神经网络的基本原则,并且它的结构非常符合神经生理学。这是一个具有连续可调权值矢量的MP神经网络模型,经过训练可以达到对一定的输入矢量模式进行分类和识别的目的,它虽然比较简单,却是第一个真正意义上的神经网络。Rosenblatt 证明了两层感知器能够对输入进行分类,他还提出了带隐层处理元件的三层感知器这一重要的研究方向。Rosenblatt 的神经网络模型包含了一些现代神经计算机的基本原理,从而形成神经网络方法和技术的重大突破。

  (4)、ADALINE网络模型: 1959年,美国著名工程师威德罗(B.Widrow)和霍夫(M.Hoff)等人提出了自适应线性元件(Adaptive linear element,简称Adaline)和Widrow-Hoff学习规则(又称最小均方差算法或称δ规则)的神经网络训练方法,并将其应用于实际工程,成为第一个用于解决实际问题的人工神经网络,促进了神经网络的研究应用和发展。ADALINE网络模型是一种连续取值的自适应线性神经元网络模型,可以用于自适应系统。

  人工智能的创始人之一Minsky和Papert对以感知器为代表的网络系统的功能及局限性从数学上做了深入研究,于1969年发表了轰动一时《Perceptrons》一书,指出简单的线性感知器的功能是有限的,它无法解决线性不可分的两类样本的分类问题,如简单的线性感知器不可能实现“异或”的逻辑关系等。这一论断给当时人工神经元网络的研究带来沉重的打击。开始了神经网络发展史上长达10年的低潮期。

  (1)、自组织神经网络SOM模型:1972年,芬兰的KohonenT.教授,提出了自组织神经网络SOM(Self-Organizing feature map)。后来的神经网络主要是根据KohonenT.的工作来实现的。SOM网络是一类无导师学习网络,主要用于模式识别﹑语音识别及分类问题。它采用一种“胜者为王”的竞争学习算法,与先前提出的感知器有很大的不同,同时它的学习训练方式是无指导训练,是一种自组织网络。这种学习训练方式往往是在不知道有哪些分类类型存在时,用作提取分类信息的一种训练。

  (1)、Hopfield模型:1982年,美国物理学家霍普菲尔德(Hopfield)提出了一种离散神经网络,即离散Hopfield网络,从而有力地推动了神经网络的研究。在网络中,它首次将李雅普诺夫(Lyapunov)函数引入其中,后来的研究学者也将Lyapunov函数称为能量函数。证明了网络的稳定性。1984年,Hopfield 又提出了一种连续神经网络,将网络中神经元的激活函数由离散型改为连续型。1985 年,Hopfield和Tank利用Hopfield神经网络解决了著名的旅行推销商问题(Travelling Salesman Problem)。Hopfield神经网络是一组非线性微分方程。Hopfield的模型不仅对人工神经网络信息存储和提取功能进行了非线性数学概括,提出了动力方程和学习方程,还对网络算法提供了重要公式和参数,使人工神经网络的构造和学习有了理论指导,在Hopfield模型的影响下,大量学者又激发起研究神经网络的热情,积极投身于这一学术领域中。因为Hopfield 神经网络在众多方面具有巨大潜力,所以人们对神经网络的研究十分地重视,更多的人开始了研究神经网络,极大地推动了神经网络的发展。

  (2)、Boltzmann机模型:1983年,Kirkpatrick等人认识到模拟退火算法可用于NP完全组合优化问题的求解,这种模拟高温物体退火过程来找寻全局最优解的方法最早由Metropli等人1953年提出的。1984年,Hinton与年轻学者Sejnowski等合作提出了大规模并行网络学习机,并明确提出隐单元的概念,这种学习机后来被称为Boltzmann机。

  Hinton和Sejnowsky利用统计物理学的感念和方法,首次提出的多层网络的学习算法,称为Boltzmann 机模型。

  (3)、BP神经网络模型:1986年,儒默哈特(D.E.Ru melhart)等人在多层神经网络模型的基础上,提出了多层神经网络权值修正的反向传播学习算法----BP算法(Error Back-Propagation),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。

  (4)、并行分布处理理论:1986年,由Rumelhart和McCkekkand主编的《Parallel Distributed Processing:Exploration in the Microstructures of Cognition》,该书中,他们建立了并行分布处理理论,主要致力于认知的微观研究,同时对具有非线性连续转移函数的多层前馈网络的误差反向传播算法即BP算法进行了详尽的分析,解决了长期以来没有权值调整有效算法的难题。可以求解感知机所不能解决的问题,回答了《Perceptrons》一书中关于神经网络局限性的问题,从实践上证实了人工神经网络有很强的运算能力。

  (5)、细胞神经网络模型:1988年,Chua和Yang提出了细胞神经网络(CNN)模型,它是一个细胞自动机特性的大规模非线性计算机仿真系统。Kosko建立了双向联想存储模型(BAM),它具有非监督学习能力。

  (6)、Darwinism模型:Edelman提出的Darwinism模型在90年代初产生了很大的影响,他建立了一种神经网络系统理论。

  (7)、1988年,Linsker对感知机网络提出了新的自组织理论,并在Shanon信息论的基础上形成了最大互信息理论,从而点燃了基于NN的信息应用理论的光芒。

  (9)、1991年,Haken把协同引入神经网络,在他的理论框架中,他认为,认知过程是自发的,并断言模式识别过程即是模式形成过程。

  (10)、1994年,廖晓昕关于细胞神经网络的数学理论与基础的提出,带来了这个领域新的进展。通过拓广神经网络的激活函数类,给出了更一般的时滞细胞神经网络(DCNN)、Hopfield神经网络(HNN)、双向联想记忆网络(BAM)模型。

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