【Matlab】基于粒子群优化算法优化BP神经网络的数据分类预测(Excel可直接替换数据)
- 1.模型原理
- 2.数学公式
- 3.文件结构
- 4.Excel数据
- 5.分块代码
- 5.1 fun.m
- 5.2 main.m
- 6.完整代码
- 6.1 fun.m
- 6.2 main.m
- 7.运行结果
1.模型原理
“基于粒子群优化算法优化BP神经网络的数据分类预测”是一种结合了粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization, PSO)和BP神经网络进行数据分类预测任务的方法。PSO是一种全局优化算法,能够帮助BP神经网络更好地优化权重和偏置,从而提高分类预测性能。该方法通过优化BP神经网络的参数,使其能够更准确地将输入数据样本映射到相应的类别标签。
以下是“基于粒子群优化算法优化BP神经网络的数据分类预测”的原理:
- BP神经网络简介:
BP神经网络是一种前向人工神经网络,由输入层、若干隐藏层和输出层组成。它通过前向传播计算输出,并通过反向传播算法来更新权重和偏置,以最小化预测值与真实值之间的误差。BP神经网络在数据分类预测问题中可以用于拟合非线性函数,并通过梯度下降法进行参数优化。 - 粒子群优化算法简介:
PSO是一种群体智能优化算法,受到鸟群觅食行为的启发。在PSO中,个体被称为“粒子”,它们在搜索空间中移动,并通过学习社会最优和个体最优位置来更新自己的位置和速度。每个粒子维护两个向量:速度向量和位置向量,它们决定了粒子在搜索空间中的移动方向和距离。 - 基于粒子群优化的BP神经网络优化:
在使用PSO优化BP神经网络时,我们将BP神经网络的权重和偏置作为待优化的参数。每个粒子表示一组可能的权重和偏置的取值,称为“粒子的位置”。PSO算法中的每个粒子都有一个适应度函数,用于评估其在数据分类预测任务中的表现。在这里,适应度函数可以是分类预测任务中的准确率或交叉熵损失函数。 - PSO算法流程:
PSO算法的基本流程如下:
- 初始化粒子群的位置和速度。
- 计算每个粒子的适应度值(即BP神经网络在训练数据上的预测准确率或损失)。
- 根据个体最优和全局最优位置更新粒子的速度和位置。
- 重复上述步骤,直到满足停止条件(如达到最大迭代次数或达到预定的精度)。
- 优化过程:
在优化过程中,每个粒子代表了一组BP神经网络的权重和偏置。它们根据自身的适应度和周围粒子的表现来更新自己的位置和速度,以寻找更优的权重和偏置组合。通过迭代优化,粒子逐渐趋向于全局最优解,从而找到了最优的BP神经网络权重和偏置组合,以提高数据分类预测的性能。 - 应用于数据分类预测:
将PSO算法与BP神经网络结合应用于数据分类预测任务时,首先需要准备训练数据和测试数据。然后,利用PSO算法优化BP神经网络的权重和偏置,使其能够更好地拟合训练数据。最后,使用优化后的BP神经网络对测试数据进行预测,得到数据的分类结果。
通过以上的优化过程,基于粒子群优化算法优化BP神经网络的数据分类预测方法可以帮助BP神经网络更好地适应数据分类任务,提高预测准确率,并在实际应用中取得更好的分类性能。
2.数学公式
当然可以!在下面,我将详细介绍“基于粒子群优化算法优化BP神经网络的数据分类预测”的原理,并带上公式:
- BP神经网络部分:
假设我们有一个数据集 (),其中包含 (
) 个样本:
,其中 (
) 是第 (
) 个样本的输入特征, (
) 是对应的标签。
在BP神经网络中,我们使用前向传播计算隐藏层和输出层的输出,然后使用反向传播算法来更新权重和偏置,以最小化预测值与真实值之间的误差。隐藏层和输出层的计算公式如下:
隐藏层的计算公式:
输出层的计算公式:
其中,
- (
) 是隐藏层的输出(隐藏状态),
- (
) 是输出层的输出(预测值),
- (
) 是输入到隐藏层的权重矩阵,
- (
) 是隐藏层到输出层的权重矩阵,
- (
) 是隐藏层的偏置,
- (
) 是输出层的偏置,
- (
) 是激活函数(如sigmoid或tanh)。
- 粒子群优化算法部分:
在粒子群优化算法中,每个粒子代表一组可能的BP神经网络的权重和偏置,即一组解。这些粒子在搜索空间中移动,并通过学习社会最优和个体最优位置来更新自己的位置和速度。每个粒子维护两个向量:速度向量和位置向量,它们决定了粒子在搜索空间中的移动方向和距离。
假设第 () 个粒子在当前时刻的位置向量为 (
),速度向量为 (
),个体最优位置为 (
),全局最优位置为 (
)。
粒子更新的公式为:
其中,
- (
) 是当前时刻,
- (
) 是惯性权重,控制粒子的惯性,
- (
) 和 (
) 是学习因子,分别控制个体和全局的权重,
- (
) 和 (
) 是随机数,用于增加随机性。
在每一次迭代中,通过计算每个粒子的适应度(即BP神经网络在训练数据上的预测准确率或损失),找到个体最优位置 () 和全局最优位置 (
),并更新粒子的速度和位置,直到达到停止条件(如达到最大迭代次数或达到预定的精度)为止。
- 数据分类预测:
在完成粒子群优化过程后,每个粒子都代表了一组优化后的BP神经网络的权重和偏置。我们可以选择具有最佳适应度的粒子所代表的BP神经网络作为最终的分类器。
将新的输入数据样本 () 输入该BP神经网络,通过前向传播计算输出的隐藏层和输出层的输出,得到预测值 (
)。根据预测值 (
) 和分类标签 (
)(来自测试数据集)的对比,我们可以计算分类的准确率或损失,用于评估优化后的BP神经网络在测试数据上的表现。
通过以上的BP神经网络运算、粒子群优化和数据分类预测过程,我们可以实现“基于粒子群优化算法优化BP神经网络的数据分类预测”。这种方法结合了全局优化算法PSO和BP神经网络,能够帮助BP神经网络更好地适应数据分类任务,提高分类准确率,并在实际应用中取得更好的分类性能。
3.文件结构
fun.m % 适应度值函数
main.m % 主函数
数据集.xlsx % 可替换数据集
4.Excel数据
5.分块代码
5.1 fun.m
function error = fun(pop, hiddennum, net, p_train, t_train)
%% 节点个数
inputnum = size(p_train, 1); % 输入层节点数
outputnum = size(t_train, 1); % 输出层节点数
%% 提取权值和阈值
w1 = pop(1 : inputnum * hiddennum);
B1 = pop(inputnum * hiddennum + 1 : inputnum * hiddennum + hiddennum);
w2 = pop(inputnum * hiddennum + hiddennum + 1 : ...
inputnum * hiddennum + hiddennum + hiddennum * outputnum);
B2 = pop(inputnum * hiddennum + hiddennum + hiddennum * outputnum + 1 : ...
inputnum * hiddennum + hiddennum + hiddennum * outputnum + outputnum);
%% 网络赋值
net.Iw{1, 1} = reshape(w1, hiddennum, inputnum );
net.Lw{2, 1} = reshape(w2, outputnum, hiddennum);
net.b{1} = reshape(B1, hiddennum, 1);
net.b{2} = B2';
%% 网络训练
net = train(net, p_train, t_train);
%% 仿真测试
t_sim1 = sim(net, p_train);
%% 反归一化
T_sim1 = vec2ind(t_sim1 );
T_train = vec2ind(t_train);
%% 适应度值
error = 1 - sum(T_sim1 == T_train) / length(T_sim1);
5.2 main.m
%% 清空环境变量
warning off % 关闭报警信息
close all % 关闭开启的图窗
clear % 清空变量
clc % 清空命令行
%% 导入数据
res = xlsread('数据集.xlsx');
%% 划分训练集和测试集
temp = randperm(357);
P_train = res(temp(1: 240), 1: 12)';
T_train = res(temp(1: 240), 13)';
M = size(P_train, 2);
P_test = res(temp(241: end), 1: 12)';
T_test = res(temp(241: end), 13)';
N = size(P_test, 2);
%% 数据归一化
[p_train, ps_input] = mapminmax(P_train, 0, 1);
p_test = mapminmax('apply', P_test, ps_input);
t_train = ind2vec(T_train);
t_test = ind2vec(T_test );
%% 节点个数
inputnum = size(p_train, 1); % 输入层节点数
hiddennum = 6; % 隐藏层节点数
outputnum = size(t_train,1); % 输出层节点数
%% 建立网络
net = newff(p_train, t_train, hiddennum);
%% 设置训练参数
net.trainParam.epochs = 1000; % 训练次数
net.trainParam.goal = 1e-5; % 目标误差
net.trainParam.lr = 0.01; % 学习率
net.trainParam.showWindow = 0; % 关闭窗口
%% 参数初始化
c1 = 4.494; % 学习因子
c2 = 4.494; % 学习因子
maxgen = 30; % 种群更新次数
sizepop = 5; % 种群规模
Vmax = 1.0; % 最大速度
Vmin = -1.0; % 最小速度
popmax = 2.0; % 最大边界
popmin = -2.0; % 最小边界
%% 节点总数
numsum = inputnum * hiddennum + hiddennum + hiddennum * outputnum + outputnum;
for i = 1 : sizepop
pop(i, :) = rands(1, numsum); % 初始化种群
V(i, :) = rands(1, numsum); % 初始化速度
fitness(i) = fun(pop(i, :), hiddennum, net, p_train, t_train);
end
%% 个体极值和群体极值
[fitnesszbest, bestindex] = min(fitness);
zbest = pop(bestindex, :); % 全局最佳
gbest = pop; % 个体最佳
fitnessgbest = fitness; % 个体最佳适应度值
BestFit = fitnesszbest; % 全局最佳适应度值
%% 迭代寻优
for i = 1 : maxgen
for j = 1 : sizepop
% 速度更新
V(j, :) = V(j, :) + c1 * rand * (gbest(j, :) - pop(j, :)) + c2 * rand * (zbest - pop(j, :));
V(j, (V(j, :) > Vmax)) = Vmax;
V(j, (V(j, :) < Vmin)) = Vmin;
% 种群更新
pop(j, :) = pop(j, :) + 0.2 * V(j, :);
pop(j, (pop(j, :) > popmax)) = popmax;
pop(j, (pop(j, :) < popmin)) = popmin;
% 自适应变异
pos = unidrnd(numsum);
if rand > 0.95
pop(j, pos) = rands(1, 1);
end
% 适应度值
fitness(j) = fun(pop(j, :), hiddennum, net, p_train, t_train);
end
for j = 1 : sizepop
% 个体最优更新
if fitness(j) < fitnessgbest(j)
gbest(j, :) = pop(j, :);
fitnessgbest(j) = fitness(j);
end
% 群体最优更新
if fitness(j) < fitnesszbest
zbest = pop(j, :);
fitnesszbest = fitness(j);
end
end
BestFit = [BestFit, fitnesszbest];
end
%% 提取最优初始权值和阈值
w1 = zbest(1 : inputnum * hiddennum);
B1 = zbest(inputnum * hiddennum + 1 : inputnum * hiddennum + hiddennum);
w2 = zbest(inputnum * hiddennum + hiddennum + 1 : inputnum * hiddennum ...
+ hiddennum + hiddennum * outputnum);
B2 = zbest(inputnum * hiddennum + hiddennum + hiddennum * outputnum + 1 : ...
inputnum * hiddennum + hiddennum + hiddennum * outputnum + outputnum);
%% 网络赋值
net.Iw{1, 1} = reshape(w1, hiddennum, inputnum );
net.Lw{2, 1} = reshape(w2, outputnum, hiddennum);
net.b{1} = reshape(B1, hiddennum, 1);
net.b{2} = B2';
%% 打开训练窗口
net.trainParam.showWindow = 1; % 打开窗口
%% 网络训练
net = train(net, p_train, t_train);
%% 仿真预测
t_sim1 = sim(net, p_train);
t_sim2 = sim(net, p_test );
%% 数据反归一化
T_sim1 = vec2ind(t_sim1);
T_sim2 = vec2ind(t_sim2);
%% 数据排序
[T_train, index_1] = sort(T_train);
[T_test , index_2] = sort(T_test );
T_sim1 = T_sim1(index_1);
T_sim2 = T_sim2(index_2);
%% 性能评价
error1 = sum((T_sim1 == T_train)) / M * 100 ;
error2 = sum((T_sim2 == T_test )) / N * 100 ;
%% 绘图
figure
plot(1: M, T_train, 'r-*', 1: M, T_sim1, 'b-o', 'LineWidth', 1)
legend('真实值', '预测值')
xlabel('预测样本')
ylabel('预测结果')
string = {'训练集预测结果对比'; ['准确率=' num2str(error1) '%']};
title(string)
xlim([1, M])
grid
figure
plot(1: N, T_test, 'r-*', 1: N, T_sim2, 'b-o', 'LineWidth', 1)
legend('真实值', '预测值')
xlabel('预测样本')
ylabel('预测结果')
string = {'测试集预测结果对比'; ['准确率=' num2str(error2) '%']};
title(string)
xlim([1, N])
grid
%% 误差曲线迭代图
figure
plot(1 : length(BestFit), BestFit, 'LineWidth', 1.5);
xlabel('粒子群迭代次数');
ylabel('适应度值');
xlim([1, length(BestFit)])
string = {'模型迭代误差变化'};
title(string)
%% 混淆矩阵
figure
cm = confusionchart(T_train, T_sim1);
cm.Title = 'Confusion Matrix for Train Data';
cm.ColumnSummary = 'column-normalized';
cm.RowSummary = 'row-normalized';
figure
cm = confusionchart(T_test, T_sim2);
cm.Title = 'Confusion Matrix for Test Data';
cm.ColumnSummary = 'column-normalized';
cm.RowSummary = 'row-normalized';
6.完整代码
6.1 fun.m
function error = fun(pop, hiddennum, net, p_train, t_train)
%% 节点个数
inputnum = size(p_train, 1); % 输入层节点数
outputnum = size(t_train, 1); % 输出层节点数
%% 提取权值和阈值
w1 = pop(1 : inputnum * hiddennum);
B1 = pop(inputnum * hiddennum + 1 : inputnum * hiddennum + hiddennum);
w2 = pop(inputnum * hiddennum + hiddennum + 1 : ...
inputnum * hiddennum + hiddennum + hiddennum * outputnum);
B2 = pop(inputnum * hiddennum + hiddennum + hiddennum * outputnum + 1 : ...
inputnum * hiddennum + hiddennum + hiddennum * outputnum + outputnum);
%% 网络赋值
net.Iw{1, 1} = reshape(w1, hiddennum, inputnum );
net.Lw{2, 1} = reshape(w2, outputnum, hiddennum);
net.b{1} = reshape(B1, hiddennum, 1);
net.b{2} = B2';
%% 网络训练
net = train(net, p_train, t_train);
%% 仿真测试
t_sim1 = sim(net, p_train);
%% 反归一化
T_sim1 = vec2ind(t_sim1 );
T_train = vec2ind(t_train);
%% 适应度值
error = 1 - sum(T_sim1 == T_train) / length(T_sim1);
6.2 main.m
%% 清空环境变量
warning off % 关闭报警信息
close all % 关闭开启的图窗
clear % 清空变量
clc % 清空命令行
%% 导入数据
res = xlsread('数据集.xlsx');
%% 划分训练集和测试集
temp = randperm(357);
P_train = res(temp(1: 240), 1: 12)';
T_train = res(temp(1: 240), 13)';
M = size(P_train, 2);
P_test = res(temp(241: end), 1: 12)';
T_test = res(temp(241: end), 13)';
N = size(P_test, 2);
%% 数据归一化
[p_train, ps_input] = mapminmax(P_train, 0, 1);
p_test = mapminmax('apply', P_test, ps_input);
t_train = ind2vec(T_train);
t_test = ind2vec(T_test );
%% 节点个数
inputnum = size(p_train, 1); % 输入层节点数
hiddennum = 6; % 隐藏层节点数
outputnum = size(t_train,1); % 输出层节点数
%% 建立网络
net = newff(p_train, t_train, hiddennum);
%% 设置训练参数
net.trainParam.epochs = 1000; % 训练次数
net.trainParam.goal = 1e-5; % 目标误差
net.trainParam.lr = 0.01; % 学习率
net.trainParam.showWindow = 0; % 关闭窗口
%% 参数初始化
c1 = 4.494; % 学习因子
c2 = 4.494; % 学习因子
maxgen = 30; % 种群更新次数
sizepop = 5; % 种群规模
Vmax = 1.0; % 最大速度
Vmin = -1.0; % 最小速度
popmax = 2.0; % 最大边界
popmin = -2.0; % 最小边界
%% 节点总数
numsum = inputnum * hiddennum + hiddennum + hiddennum * outputnum + outputnum;
for i = 1 : sizepop
pop(i, :) = rands(1, numsum); % 初始化种群
V(i, :) = rands(1, numsum); % 初始化速度
fitness(i) = fun(pop(i, :), hiddennum, net, p_train, t_train);
end
%% 个体极值和群体极值
[fitnesszbest, bestindex] = min(fitness);
zbest = pop(bestindex, :); % 全局最佳
gbest = pop; % 个体最佳
fitnessgbest = fitness; % 个体最佳适应度值
BestFit = fitnesszbest; % 全局最佳适应度值
%% 迭代寻优
for i = 1 : maxgen
for j = 1 : sizepop
% 速度更新
V(j, :) = V(j, :) + c1 * rand * (gbest(j, :) - pop(j, :)) + c2 * rand * (zbest - pop(j, :));
V(j, (V(j, :) > Vmax)) = Vmax;
V(j, (V(j, :) < Vmin)) = Vmin;
% 种群更新
pop(j, :) = pop(j, :) + 0.2 * V(j, :);
pop(j, (pop(j, :) > popmax)) = popmax;
pop(j, (pop(j, :) < popmin)) = popmin;
% 自适应变异
pos = unidrnd(numsum);
if rand > 0.95
pop(j, pos) = rands(1, 1);
end
% 适应度值
fitness(j) = fun(pop(j, :), hiddennum, net, p_train, t_train);
end
for j = 1 : sizepop
% 个体最优更新
if fitness(j) < fitnessgbest(j)
gbest(j, :) = pop(j, :);
fitnessgbest(j) = fitness(j);
end
% 群体最优更新
if fitness(j) < fitnesszbest
zbest = pop(j, :);
fitnesszbest = fitness(j);
end
end
BestFit = [BestFit, fitnesszbest];
end
%% 提取最优初始权值和阈值
w1 = zbest(1 : inputnum * hiddennum);
B1 = zbest(inputnum * hiddennum + 1 : inputnum * hiddennum + hiddennum);
w2 = zbest(inputnum * hiddennum + hiddennum + 1 : inputnum * hiddennum ...
+ hiddennum + hiddennum * outputnum);
B2 = zbest(inputnum * hiddennum + hiddennum + hiddennum * outputnum + 1 : ...
inputnum * hiddennum + hiddennum + hiddennum * outputnum + outputnum);
%% 网络赋值
net.Iw{1, 1} = reshape(w1, hiddennum, inputnum );
net.Lw{2, 1} = reshape(w2, outputnum, hiddennum);
net.b{1} = reshape(B1, hiddennum, 1);
net.b{2} = B2';
%% 打开训练窗口
net.trainParam.showWindow = 1; % 打开窗口
%% 网络训练
net = train(net, p_train, t_train);
%% 仿真预测
t_sim1 = sim(net, p_train);
t_sim2 = sim(net, p_test );
%% 数据反归一化
T_sim1 = vec2ind(t_sim1);
T_sim2 = vec2ind(t_sim2);
%% 数据排序
[T_train, index_1] = sort(T_train);
[T_test , index_2] = sort(T_test );
T_sim1 = T_sim1(index_1);
T_sim2 = T_sim2(index_2);
%% 性能评价
error1 = sum((T_sim1 == T_train)) / M * 100 ;
error2 = sum((T_sim2 == T_test )) / N * 100 ;
%% 绘图
figure
plot(1: M, T_train, 'r-*', 1: M, T_sim1, 'b-o', 'LineWidth', 1)
legend('真实值', '预测值')
xlabel('预测样本')
ylabel('预测结果')
string = {'训练集预测结果对比'; ['准确率=' num2str(error1) '%']};
title(string)
xlim([1, M])
grid
figure
plot(1: N, T_test, 'r-*', 1: N, T_sim2, 'b-o', 'LineWidth', 1)
legend('真实值', '预测值')
xlabel('预测样本')
ylabel('预测结果')
string = {'测试集预测结果对比'; ['准确率=' num2str(error2) '%']};
title(string)
xlim([1, N])
grid
%% 误差曲线迭代图
figure
plot(1 : length(BestFit), BestFit, 'LineWidth', 1.5);
xlabel('粒子群迭代次数');
ylabel('适应度值');
xlim([1, length(BestFit)])
string = {'模型迭代误差变化'};
title(string)
%% 混淆矩阵
figure
cm = confusionchart(T_train, T_sim1);
cm.Title = 'Confusion Matrix for Train Data';
cm.ColumnSummary = 'column-normalized';
cm.RowSummary = 'row-normalized';
figure
cm = confusionchart(T_test, T_sim2);
cm.Title = 'Confusion Matrix for Test Data';
cm.ColumnSummary = 'column-normalized';
cm.RowSummary = 'row-normalized';
7.运行结果