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[人工智能]【BP预测】基于头脑风暴算法优化BP神经网络实现数据预测附matlab代码 |
?1 简介针对基于传统BP神经网络的海水水质评价模型存在易陷入局部极小等问题,提出了一种新的利用头脑风暴优化算法(BSO)优化BP神经网络的海水水质评价模型(BSO-BP).该模型引入具有全局寻优特点的头脑风暴优化算法,用于模拟人类提出创造性思维解决问题的过程,具有强大的全局搜索和局部搜索的能力,同时利用BP神经网络所具有良好的非线性映射能力,学习适应能力和容错性,最大程度上考虑到海洋水质评价因素的非线性和非平稳的关系,得到BP神经网络的各层权值,阈值的最优解,使得海水水质评价结果准确合理.并以胶州湾海域的12个监测站位的监测数据作为评价样本进行水质评价,实验结果表明该评价模型能够克服局部极小问题,评价结果准确性较高,并具有一定的实用性. 受人类创造性解决问题过程--头脑风暴会议的启发, 2011年史玉回老师 在第二次群体智能国际会议(The Second International Conference on Swarm Intelligence(ICSI11))中提出一种新的群智能优化算法--头脑风暴优化算法,算法采用聚 类思想搜索局部最优,通过局部最优的比较得到全局最优;采用变异思想增加了算法的多 样性,避免算法陷入局部最优,在这聚与散相辅相承的过程中搜索最优解,思想新颖,适合于解决多峰高维函数问题。 2 部分代码function best_fitness = bso2(fun,n_p,n_d,n_c,rang_l,rang_r,max_iteration) % fun = fitness_function % n_p; population size % n_d; number of dimension % n_c: number of clusters % rang_l; left boundary of the dynamic range % rang_r; right boundary of the dynamic range prob_one_cluster = 0.8;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? % probability for select one cluster to form new individual;? stepSize = ones(1,n_d);? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? % effecting the step size of generating new individuals by adding random values popu = rang_l + (rang_r - rang_l) * rand(n_p,n_d);? ? ? ? ?% initialize the population of individuals popu_sorted? = rang_l + (rang_r - rang_l) * rand(n_p,n_d); % initialize the? population of individuals sorted according to clusters n_iteration = 0;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?% current iteration number % initialize cluster probability to be zeros prob = zeros(n_c,1); best = zeros(n_c,1);? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?% index of best individual in each cluster centers = rang_l + (rang_r - rang_l) * rand(n_c,n_d);? ? ? % initialize best individual in each cluster centers_copy = rang_l + (rang_r - rang_l) * rand(n_c,n_d); % initialize best individual-COPY in each cluster FOR the purpose of introduce random best best_fitness = 1000000*ones(max_iteration,1); fitness_popu = 1000000*ones(n_p,1);? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? % store fitness value for each individual fitness_popu_sorted = 1000000*ones(n_p,1);? ? ? ? ? ? ? ? ?% store? fitness value for each sorted individual indi_temp = zeros(1,n_d);? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? % store temperary individual % calculate fitness for each individual in the initialized population for idx = 1:n_p ? ? fitness_popu(idx,1) = fun(popu(idx,:)); end while n_iteration < max_iteration? ? ? ? ? cluster = kmeans(popu, n_c,'Distance','cityblock','Start',centers,'EmptyAction','singleton'); % k-mean cluster ? ? ? % clustering? ?? ? ? ? fit_values = 100000000000000000000000000.0*ones(n_c,1);? % assign a initial big fitness value? as best fitness for each cluster in minimization problems ? ? ? number_in_cluster = zeros(n_c,1);? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? % initialize 0 individual in each cluster ? ? ? for idx = 1:n_p ? ? ? ? ? number_in_cluster(cluster(idx,1),1)= number_in_cluster(cluster(idx,1),1) + 1;? ? ?? ? ? ? ? ? % find the best individual in each cluster ? ? ? ? ? if fit_values(cluster(idx,1),1) > fitness_popu(idx,1)? % minimization ? ? ? ? ? ? ?fit_values(cluster(idx,1),1) = fitness_popu(idx,1); ? ? ? ? ? ? ?best(cluster(idx,1),1) = idx; ? ? ? ? ? end ? ? ? end?? ? ? ? % form population sorted according to clusters ? ? ? counter_cluster = zeros(n_c,1);? % initialize cluster counter to be 0? ? ? ? acculate_num_cluster = zeros(n_c,1);? % initialize accumulated number of individuals in previous clusters ? ? ? for idx =2:n_c ? ? ? ? ? acculate_num_cluster(idx,1) = acculate_num_cluster((idx-1),1) + number_in_cluster((idx-1),1); ? ? ? end ? ? ? %start form sorted population ? ? ? for idx = 1:n_p ? ? ? ? ? counter_cluster(cluster(idx,1),1) = counter_cluster(cluster(idx,1),1) + 1 ; ? ? ? ? ? temIdx = acculate_num_cluster(cluster(idx,1),1) +? counter_cluster(cluster(idx,1),1); ? ? ? ? ? popu_sorted(temIdx,:) = popu(idx,:); ? ? ? ? ? fitness_popu_sorted(temIdx,1) = fitness_popu(idx,1); ? ? ? end?? ? ? ? % record the best individual in each cluster ? ? ? for idx = 1:n_c ? ? ? ? ? centers(idx,:) = popu(best(idx,1),:);? ? ? ?? ? ? ? end?? ? ? ? if (rand() < 0.2) %? select one cluster center to be replaced by a randomly generated center ? ? ? ? ?cenIdx = ceil(rand()*n_c); ? ? ? ? ?centers(cenIdx,:) = rang_l + (rang_r - rang_l) * rand(1,n_d); ? ? ? end? ? ? ? ? ? ? ? % calculate cluster probabilities based on number of individuals in each cluster ? ? ? for idx = 1:n_c ? ? ? ? ? prob(idx,1) = number_in_cluster(idx,1)/n_p; ? ? ? ? ? if idx > 1 ? ? ? ? ? ? ?prob(idx,1) = prob(idx,1) + prob(idx-1,1); ? ? ? ? ? end ? ? ? end ? ? ? % generate n_p new individuals by adding Gaussian random values? ? ? ? ? ? ? ? ? for idx = 1:n_p ? ? ? ? ? r_1 = rand();? ? ? ? ? ? ?% probability for select one cluster to form new individual ? ? ? ? ? if r_1 < prob_one_cluster? % select one cluster ? ? ? ? ? ? ?r = rand(); ? ? ? ? ? ? ?for idj = 1:n_c ? ? ? ? ? ? ? ? ?if r < prob(idj,1)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? if rand() < 0.4? % use the center ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?indi_temp(1,:) = centers(idj,:);? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? else? ? ? ? ? ? ?% use one randomly selected? cluster ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? indi_1 = acculate_num_cluster(idj,1) + ceil(rand() * number_in_cluster(idj,1)); ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? indi_temp(1,:) = popu_sorted(indi_1,:);?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? end ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? break ? ? ? ? ? ? ? ? end ? ? ? ? ? ? ?end ? ? ? ? ? else % select two clusters ? ? ? ? ? ? ? ?% pick two clusters? ? ? ? ? ? ? ? ?cluster_1 = ceil(rand() * n_c); ? ? ? ? ? ? ? ?indi_1 = acculate_num_cluster(cluster_1,1) + ceil(rand() * number_in_cluster(cluster_1,1)); ? ? ? ? ? ? ? ?if indi_1==0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?indi_1=1; ? ? ? ? ? ? ? ?end ? ? ? ? ? ? ? ?cluster_2 = ceil(rand() * n_c); ? ? ? ? ? ? ? ?indi_2 = acculate_num_cluster(cluster_2,1) + ceil(rand() * number_in_cluster(cluster_2,1));? ? ? ? ? ? ? ? ?if indi_2==0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?indi_2=1; ? ? ? ? ? ? ? ?end ? ? ? ? ? ? ? ?tem = rand(); ? ? ? ? ? ? ? ?if rand() < 0.5 %use center ? ? ? ? ? ? ? ? ? indi_temp(1,:) = tem * centers(cluster_1,:) + (1-tem) * centers(cluster_2,:);? ? ? ? ? ? ? ? ?else? ? ? ? ? ? % use randomly selected individuals from each cluster? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? indi_temp(1,:) = tem * popu_sorted(indi_1,:) + (1-tem) * popu_sorted(indi_2,:);? ? ? ? ? ? ? ? ?end ? ? ? ? ? end? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? stepSize = logsig(((0.5*max_iteration - n_iteration)/20)) * rand(1,n_d); ? ? ? ? ? indi_temp(1,:) = indi_temp(1,:) + stepSize .* normrnd(0,1,1,n_d); ? ? ? ? ? % if better than the previous one, replace it ? ? ? ? ? fv = fun(indi_temp); ? ? ? ? ? if fv < fitness_popu(idx,1)? % better than the previous one, replace ? ? ? ? ? ? ?fitness_popu(idx,1) = fv; ? ? ? ? ? ? ?popu(idx,:) = indi_temp(1,:); ? ? ? ? ? end ? ? ? end ? ? ? % keep the best for each cluster ? ? ? for idx = 1:n_c ? ? ? ? ? popu(best(idx,1),:) = centers_copy(idx,:);?? ? ? ? ? ? fitness_popu(best(idx,1),1) = fit_values(idx,1); ? ? ? end ? ? ? n_iteration = n_iteration +1; ? ? ? % record the best fitness in each iteration ? ? ? best_fitness(n_iteration, 1) = min(fit_values); end 3 仿真结果4 参考文献[1]李海涛, 邵泽东. 基于头脑风暴优化算法与BP神经网络的海水水质评价模型研究[J]. 应用海洋学学报, 2020, 39(1):6. 博主简介:擅长智能优化算法、神经网络预测、信号处理、元胞自动机、图像处理、路径规划、无人机等多种领域的Matlab仿真,相关matlab代码问题可私信交流。部分理论引用网络文献,若有侵权联系博主删除。 |
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