基于ABC-BP人工蚁群优化BP神经网络实现数据预测Python实现

标签：ABC 蜜源 Python self 神经网络 BP size

在数据预测领域，传统的统计方法和时间序列分析在面对复杂、非线性的数据时往往力不从心。随着人工智能技术的快速发展，神经网络特别是BP（Back Propagation）神经网络因其强大的非线性映射能力，在预测领域得到了广泛应用。然而，BP神经网络也存在易陷入局部最优、收敛速度慢等问题。为了克服这些缺点，本文将介绍一种基于人工蜂群算法（Artificial Bee Colony Algorithm, ABC）优化BP神经网络的数据预测方法，即ABC-BP模型。

一、ABC-BP算法概述

1.ABC人工蜂群算法

人工蜂群算法是一种受蜜蜂觅食行为启发的群体智能算法。蜜蜂在寻找食物源时，通过侦察蜂、雇佣蜂和跟随蜂的协同工作，实现全局最优解的搜索。ABC算法通过模拟这一过程，实现复杂优化问题的求解。ABC算法主要包括以下步骤：生成一组初始的神经网络权重作为“食物源”位置。蜜蜂（代表神经网络的解决方案）通过评估函数（如分类准确度或预测误差）来搜索最优解。工蜂（其他解决问题的个体）共享它们发现的好食物源，更新整个群体的最佳解。根据工蜂的数量和食物源的质量，采用一定的概率规则选择下一个解决方案。ABC算法具有分布式、并行性和自适应性的特点，能够有效避免局部最优解，提高搜索效率。

2.BP神经网络（BP）

BP神经网络是一种具有三层或三层以上的多层神经网络，包括输入层、隐含层和输出层。每一层都由若干个神经元组成，神经元之间通过加权和的方式传递信号，并经过激活函数进行非线性变换。BP神经网络的训练过程包括前向传播和反向传播两个阶段。在前向传播阶段，输入信号从输入层逐层传递到输出层；在反向传播阶段，根据输出误差调整各层之间的连接权重，使误差逐步减小。

3.SSA算法

SSA算法流程如下：

（1）初始化：确定种群规模（蜜蜂总数）、最大迭代次数、控制参数“limit”（同一蜜源被限定开采的次数）等。随机生成初始蜜源（问题的可行解），并计算每个蜜源的适应度（即蜜量大小）。

（2）引领蜂阶段：每个引领蜂在其对应的蜜源附近进行局部搜索，寻找新的蜜源（即新的解）。计算新蜜源的适应度，并与原蜜源进行比较。如果新蜜源的适应度优于原蜜源，则替换原蜜源；否则，原蜜源的开采次数加1。

（3）跟随蜂阶段：跟随蜂根据引领蜂分享的蜜源信息（通过某种概率机制，如轮盘赌方式）选择合适的蜜源。在选定的蜜源附近进行局部搜索，生成新解并计算其适应度。同样地，根据贪婪选择机制保留较优的解。

（4）侦查蜂阶段：检查每个蜜源的开采次数是否达到“limit”。如果某个蜜源的开采次数超过“limit”，则认为该蜜源已经陷入局部最优，对应的引领蜂转变为侦查蜂。侦查蜂在全局范围内随机生成新的蜜源，替代原来的蜜源，以增加算法跳出局部最优的能力。

（5）记忆最佳蜜源：在每次迭代过程中，记录并更新迄今为止找到的最佳蜜源（即最优解）。

（6）判断终止条件：检查是否达到最大迭代次数或其他预设的终止条件。如果满足终止条件，则输出最佳蜜源作为优化问题的解；否则，返回步骤2继续迭代。

（7）输出结果：输出算法找到的最优解及其适应度值。

二、实验步骤

SSA-BP神经网络回归预测步骤：

1.数据清洗：去除缺失值和异常值。

2.特征选择：根据相关性分析选择对预测结果影响显著的特征。

3.数据归一化：将特征值缩放到同一量纲，提高训练效率。

4.确定BP神经网络结构：首先，根据问题的需求确定BP神经网络的输入层、隐藏层和输出层的节点数，以及隐藏层的层数。

5.初始化BP神经网络参数：随机初始化BP神经网络的权重和偏置。这些参数将作为ABC优化过程中的搜索变量。

6.定义适应度函数：使用训练数据集训练BP神经网络，并计算网络输出与实际输出之间的误差（如均方误差MSE）作为适应度函数。适应度值越小，表示神经网络的预测性能越好。

7.ABC算法优化：利用ABC算法对BP神经网络的权重和阈值进行优化，最小化网络输出与真实值之间的均方误差（MSE）。

8.迭代：重复执行适应度评估、分类和位置更新的过程，直到达到最大迭代次数或满足其他停止条件。

9.输出最优BP神经网络：在SSA优化过程结束后，选择适应度值最小的麻雀（即最优的BP神经网络权重和偏置）作为最终的网络参数。

10.测试与评估：使用测试数据集评估优化后的BP神经网络的预测性能，并与其他优化算法进行比较。

三、代码部分

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
import torch
import torch.nn as nn
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
from sklearn.metrics import mean_squared_error, r2_score, mean_absolute_error
import torch.optim as optim
import matplotlib

# 设备配置
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
matplotlib.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']
matplotlib.rcParams['axes.unicode_minus'] = False

# 导入数据
data = pd.read_csv('数据集.csv').values

# 划分训练集和测试集
np.random.seed(0)
temp = np.random.permutation(len(data))

P_train = data[temp[:80], :7]
T_train = data[temp[:80], 7]
P_test = data[temp[80:], :7]
T_test = data[temp[80:], 7]

# 数据归一化
scaler_input = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))
scaler_output = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))

p_train = scaler_input.fit_transform(P_train)
p_test = scaler_input.transform(P_test)

t_train = scaler_output.fit_transform(T_train.reshape(-1, 1)).ravel()
t_test = scaler_output.transform(T_test.reshape(-1, 1)).ravel()

# 转换为 PyTorch 张量
p_train = torch.tensor(p_train, dtype=torch.float32).to(device)
t_train = torch.tensor(t_train, dtype=torch.float32).view(-1, 1).to(device)
p_test = torch.tensor(p_test, dtype=torch.float32).to(device)
t_test = torch.tensor(t_test, dtype=torch.float32).view(-1, 1).to(device)

# 定义神经网络
class NeuralNet(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size):
        super(NeuralNet, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(input_size, hidden_size)
        self.relu = nn.ReLU()
        self.fc2 = nn.Linear(hidden_size, output_size)

    def forward(self, x):
        out = self.fc1(x)
        out = self.relu(out)
        out = self.fc2(out)
        return out

# 实例化模型
input_size = 7
hidden_size = 14
output_size = 1
model = NeuralNet(input_size, hidden_size, output_size).to(device)
criterion = nn.MSELoss()

class ArtificialBeeColony:
    def __init__(self, bee_count, max_iter, limit, search_space, input_size, hidden_size, output_size, device):
        self.bee_count = bee_count
        self.max_iter = max_iter
        self.limit = limit
        self.search_space = search_space
        self.input_size = input_size
        self.hidden_size = hidden_size
        self.output_size = output_size
        self.device = device
        self.network_structure = NeuralNet(self.input_size, self.hidden_size, self.output_size).to(self.device)
        self.population = self.initialize_population()
        self.fitness = np.zeros(self.bee_count)
        self.trial = np.zeros(self.bee_count)
        self.best_solution = None
        self.best_fitness = float('inf')

    def initialize_population(self):
        population = []
        for _ in range(self.bee_count):
            weights_biases = []
            for param in self.network_structure.parameters():
                weights_biases.append(
                    torch.rand(param.shape, device=self.device) * (self.search_space[1] - self.search_space[0]) + self.search_space[0])
            population.append(weights_biases)
        return population

    def evaluate_fitness(self, network, data, target):
        network.eval()  # Ensure the model is in evaluation mode
        data = data.to(self.device)
        target = target.to(self.device)
        with torch.no_grad():
            output = network(data)
        loss = criterion(output, target)
        return loss.item()