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人工神经网络模型

发布时间:2017-12-06 16:45:00 文章来源:未来智库    
    人工神经网络是近年来迅猛发展的前沿课题,它对突破现有科学技术的瓶颈起到重大的作用。本文剖析了人工神经网络的特征、模型结构以及未来的发展趋势。
    【关键词】人工神经网络 神经元 矩阵
    1 人工神经网络概述
    人工神经网络(ANN)是一种用计算机网络系统模拟生物神经网络的智能神经系统,它是在现代神经生物学研究成果的基础上发展起来的,模拟人脑信息处理机制的一种网络系统,它不但具有处理数值数据的计算能力,而且还具有处理知识的学习、联想和记忆能力。
    人工神经网络模拟了大脑神经元的组织方式,反映了人脑的一些基本功能,为研究人工智能开辟了新的途径。它具有以下基本特征:
    1.1 并行分布性
    因为人工神经网络中的神经元排列并不是杂乱无章的,往往是以一种有规律的序列排列,这种结构非常适合并行计算。同时如果将每一个神经元看作是一个基本的处理单元,则整个系统可以是一个分布式处理系统,使得计算快速。
    1.2 可学习性和自适应性
    一个相对很小的人工神经网络可存储大量的专家知识,并能根据学习算法,或利用指导系统模拟现实环境(称为有教师学习),或对输入进行自适应学习(称为无教师学习),可以处理不确定或不知道的事情,不断主动学习,不断完善知识的存储。
    (3)鲁棒性和容错性
    由于采用大量的神经元及其相互连接,具有联想映射与联想记忆能力,容错性保证网络将不完整的、畸变的输入样本恢复成完整的原型,鲁棒性使得网络中的神经元或突触遭到破坏时网络仍然具有学习和记忆能力,不会对整体系统带来严重的影响。
    1.3 泛化能力
    人工神经网络是大规模的非线性系统,提供了系统协同和自组织的潜力,它能充分逼近任意复杂的非线性关系。如果输入发生较小变化,则输出能够保持相当小的差距。
    1.4 信息综合能力
    任何知识规则都可以通过对范例的学习存储于同一个神经网络的各连接权值中,能同时处理定量和定性的信息,适用于处理复杂非线性和不确定对象。
    2 人工神经网络模型
    神经网络是在对人脑思维方式研究的基础上,将其抽象模拟反映人脑基本功能的一种并行处理连接网络。神经元是神经网络的基本处理单元。
    在神经网络的发展过程中,从不同角度对神经网络进行了不同层次的描述和模拟,提出了各种各样的神经网络模型,其中最具有代表性的神经网络模型有:感知器、线性神经网络、BP网络、自组织网络、径向基函数网络、反馈神经网络等等。
    3 神经元矩阵
    神经元矩阵是神经网络模型的一种新构想,是专门为神经网络打造的一个矩阵,它符合神经元的一切特征。
    神经元矩阵采用矩阵形式,它可为n维向量组成。引入向量触头和信使粒的概念,向量触头可生长,即长度可变,方向可变,信使粒可“游荡”在矩阵中,建立各种联系。如图1即是神经元矩阵模型
    (1)容器可产生一种无形的约束力,使系统得以形成,容器不是全封闭的,从而保证系统与外界的沟通和交互;各向量间可用相互作用的力来联系,而各个信使粒则受控于容器、中空向量以及其它的信使粒。各神经元之间自主交互,神经元矩阵是一种多层次的管理,即一层管理一层。系统具有明显的层级制和分块制,每层每块均独立且协同工作,即每层每块均含组织和自组织因素。
    (2)向量触头是中空的,信使粒可以通过向量或存储于向量中,所以又称为中空向量。向量存储了信使粒后,可以吸引更多的信使粒在附近,或使邻近向量转向、伸长,进而形成相对稳定的信息通路。
    (3)当两条或更多的信息通路汇集时,可能伴随着通路的增强、合并,以及信使粒的聚集、交换,这是神经元矩阵运算的一种主要形式。通路的形成过程,也就是是神经元矩阵分块、分层、形成联接的过程,也为矩阵系统宏观管理、层级控制的实现奠定了基础。
    神经元矩阵亦是一种具有生物网络特征的数学模型,综合了数学上矩阵和向量等重要概念,是一种立体的矩阵结构。尤其是将矩阵的分块特性和向量的指向特征结合起来,更好的体现了神经网络的整体性和单元独立性,系统的组织和自组织特征也更为凸显。信使粒以“点”的数学概念,增强了系统的信息特征,尤其是增强了矩阵的存储和运算功能。
    4 人工神经网络的发展趋势
    人工神经网络是边缘性交叉科学,它涉及计算机、人工智能、自动化、生理学等多个学科领域,研究它的发展具有非常重要意义。针对神经网络的社会需求以及存在的问题,今后神经网络的研究趋势主要侧重以下几个方面。
    4.1 增强对智能和机器关系问题的认识
    人脑是一个结构异常复杂的信息系统,我们所知道的唯一智能系统,随着信息论、控制论、计算机科学、生命科学的发展,人们越来越惊异于大脑的奇妙。对人脑智能化实现的研究,是神经网络研究今后的需要增强的地发展方向。
    4.2 发展神经计算和进化计算的理论及应用
    利用神经科学理论的研究成果,用数理方法探索智能水平更高的人工神经网络模型,深入研究网络的算法和性能,使离散符号计算、神经计算和进化计算相互促进,开发新的网络数理理论。
    4.3 扩大神经元芯片和神经网络结构的作用
    神经网络结构体现了结构和算法的统一,是硬件和软件的混合体,神经元矩阵即是如此。人工神经网络既可以用传统计算机来模拟,也可以用集成电路芯片组成神经计算机,甚至还可以生物芯片方式实现,因此研制电子神经网络计算机潜力巨大。如何让传统的计算机、人工智能技术和神经网络计算机相融合也是前沿课题,具有十分诱人的前景。
    4.4 促进信息科学和生命科学的相互融合
    信息科学与生命科学的相互交叉、相互促进、相互渗透是现代科学的一个显著特点。神经网络与各种智能处理方法有机结合具有很大的发展前景,如与专家系统、模糊逻辑、遗传算法、小波分析等相结合,取长补短,可以获得更好的应用效果。
    参考文献
    [1]钟珞.饶文碧.邹承明著.人工神经网络及其融合应用技术.科学出版社.
    作者单位
    南阳经济贸易学校 河南省南阳市 473000
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