[發(fā)明專利]基于補(bǔ)償型Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610029061.X
• 申請(qǐng)日: 2016-01-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105654395A
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 喬俊飛;李榮;李文靜;李丁園
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06Q50/06
• 分類號(hào): G06Q50/06;G06N3/08;G06N3/04
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)問(wèn)題，基于補(bǔ)償型Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立水質(zhì)評(píng)價(jià)模 型，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際水質(zhì)的快速準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)。水質(zhì)評(píng)價(jià)是水環(huán)境控制的重要基礎(chǔ)，也是水環(huán)境保 護(hù)的重要環(huán)節(jié)，屬于智能控制與環(huán)境工程學(xué)科領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水環(huán)境日益惡化，影響和損害人民的健康，不利于經(jīng)濟(jì)社 會(huì)持續(xù)發(fā)展，水環(huán)境保護(hù)事關(guān)人民群眾切身利益。2015年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《水污染防治行動(dòng)計(jì) 劃》中指出：“到2020年，全國(guó)水環(huán)境質(zhì)量得到階段性改善，污染嚴(yán)重水體較大幅度減少，飲 用水安全保障水平持續(xù)提升”。在水環(huán)境保護(hù)和治理中，水質(zhì)評(píng)價(jià)以定量特征直觀地表現(xiàn)水 環(huán)境質(zhì)量的總體狀況，是水環(huán)境質(zhì)量管理和相關(guān)措施實(shí)施的重要依據(jù)。能否對(duì)水質(zhì)進(jìn)行正 確評(píng)價(jià)直接關(guān)系到水環(huán)境治理過(guò)程中相關(guān)措施的制定和實(shí)施，影響著水環(huán)境保護(hù)的最終結(jié) 果。因此，本發(fā)明對(duì)水環(huán)境保護(hù)和治理有著重要意義，其成果有著廣闊的應(yīng)用前景。

水環(huán)境系統(tǒng)復(fù)雜多變，是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。對(duì)水質(zhì)作出正確評(píng)價(jià)需要 選取合適的評(píng)價(jià)模型和方法。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型需要大量的水文、水質(zhì)參數(shù)，這些參數(shù)大多難 于測(cè)量，限制了數(shù)學(xué)模型的適用性和準(zhǔn)確性。因此，生物機(jī)理復(fù)雜的水環(huán)境系統(tǒng)難以建立精 確的數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng)的水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法主要有單指數(shù)法、綜合指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰 色理論法等。這些方法需要事先人為地進(jìn)行一些假定或設(shè)定，這使評(píng)價(jià)結(jié)果具有很強(qiáng)的主 觀性，造成模型的通用性差。這些方法只能作為水質(zhì)評(píng)價(jià)的參考方法。隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 發(fā)展，為水質(zhì)評(píng)價(jià)提供了一種有效方法。其中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于解決水質(zhì)評(píng)價(jià)的問(wèn)題，前提 是必須有充足的學(xué)習(xí)樣本，否則無(wú)法準(zhǔn)確地進(jìn)行評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)的Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以很好 地對(duì)綜合水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以定量和定性的表述評(píng)價(jià)指標(biāo)，但當(dāng)評(píng)價(jià)類型增多時(shí)，評(píng)價(jià)精度 會(huì)降低，其評(píng)價(jià)精度和速度有待進(jìn)一步提高。

本發(fā)明獲得了一種基于補(bǔ)償型的Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)評(píng)價(jià)模型，可以快速、有 效、準(zhǔn)確地對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是利用補(bǔ)償型Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立水質(zhì)評(píng)價(jià)模型，解決現(xiàn)有方法 存在的問(wèn)題。本發(fā)明主要針對(duì)綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)問(wèn)題，設(shè)計(jì)新的學(xué)習(xí)算法，便于提高水質(zhì)評(píng)價(jià)精 度和速度；同時(shí)，在傳統(tǒng)的Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立了一種基于補(bǔ)償算法的Hopfield 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型，得到的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型可以快速、有效、準(zhǔn)確地對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)步驟：

1.綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)編碼。

本發(fā)明中模型的神經(jīng)元狀態(tài)為二值模式，即+1和-1。將綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)映射到 模型中的神經(jīng)元狀態(tài)時(shí)需要對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)逐一編碼。編碼規(guī)則：每一類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)項(xiàng)逐 一編碼，如果屬于該類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為+1，否則設(shè)置為-1。

假設(shè)有m個(gè)綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，按照編碼規(guī)則對(duì)m個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)逐個(gè)逐項(xiàng)進(jìn)行編碼。 待m個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)編碼完成后，將編碼后的m個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)用矩陣形式來(lái)表示，分別為A₁,A₂,…, A_m。并將A₁,A₂,…,A_m轉(zhuǎn)化為可視化的圖形模式，使評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更加直觀。

2.待評(píng)價(jià)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)編碼。

根據(jù)綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)待評(píng)價(jià)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。編碼規(guī)則：對(duì)每組實(shí)測(cè)數(shù) 據(jù)逐項(xiàng)編碼，如果達(dá)到某一類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的位置設(shè)置為+1，否則設(shè)置為-1。

假設(shè)有p組待評(píng)價(jià)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按照編碼規(guī)則對(duì)p組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)逐組逐項(xiàng)的進(jìn)行編 碼。待p組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)編碼完成后，將編碼后的p組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)用矩陣形式來(lái)表示，分別為R₁, R₂,…,R_p。并將R₁,R₂,…,R_p轉(zhuǎn)化為可視化的圖形模式，使其更加直觀。

3.設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)算法。

本發(fā)明通過(guò)學(xué)習(xí)算法確定連接權(quán)值，同時(shí)，將綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的連接權(quán)值中。待評(píng)價(jià)的各組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別通過(guò)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行逐漸收斂到某個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。所以， 設(shè)計(jì)合適的學(xué)習(xí)算法可以保證水質(zhì)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，提高水質(zhì)評(píng)價(jià)的速度。