BP人工神经网络方法

（一）方法原理

人工神经网络是由大量的类似人脑神经元的简单处理单元广泛地相互连接而成的复杂的网络系统。理论和实践表明，在信息处理方面，神经网络方法比传统模式识别方法更具有优势。人工神经元是神经网络的基本处理单元，其接收的信息为x1，x2，…，xn，而ωij表示第i个神经元到第j个神经元的连接强度或称权重。神经元的输入是接收信息X＝（x1，x2，…，xn）与权重W＝｛ωij｝的点积，将输入与设定的某一阈值作比较，再经过某种神经元激活函数f的作用，便得到该神经元的输出Oi。常见的激活函数为Sigmoid型。人工神经元的输入与输出的关系为

地球物理勘探概论

式中：xi为第i个输入元素，即n维输入矢量X的第i个分量；ωi为第i个输入与处理单元间的互联权重；θ为处理单元的内部阈值；y为处理单元的输出。

常用的人工神经网络是BP网络，它由输入层、隐含层和输出层三部分组成。BP算法是一种有监督的模式识别方法，包括学习和识别两部分，其中学习过程又可分为正向传播和反向传播两部分。正向传播开始时，对所有的连接权值置随机数作为初值，选取模式集的任一模式作为输入，转向隐含层处理，并在输出层得到该模式对应的输出值。每一层神经元状态只影响下一层神经元状态。此时，输出值一般与期望值存在较大的误差，需要通过误差反向传递过程，计算模式的各层神经元权值的变化量 。这个过程不断重复，直至完成对该模式集所有模式的计算，产生这一轮训练值的变化量Δωij。在修正网络中各种神经元的权值后，网络重新按照正向传播方式得到输出。实际输出值与期望值之间的误差可以导致新一轮的权值修正。正向传播与反向传播过程循环往复，直到网络收敛，得到网络收敛后的互联权值和阈值。

（二）BP神经网络计算步骤

（1）初始化连接权值和阈值为一小的随机值，即W（0）＝任意值，θ（0）＝任意值。

（2）输入一个样本X。

（3）正向传播，计算实际输出，即根据输入样本值、互联权值和阈值，计算样本的实际输出。其中输入层的输出等于输入样本值，隐含层和输出层的输入为

地球物理勘探概论

输出为

地球物理勘探概论

式中：f为阈值逻辑函数，一般取Sigmoid函数，即

地球物理勘探概论

式中：θj表示阈值或偏置；θ0的作用是调节Sigmoid函数的形状。较小的θ0将使Sigmoid函数逼近于阈值逻辑单元的特征，较大的θ0将导致Sigmoid函数变平缓，一般取θ0＝1。

（4）计算实际输出与理想输出的误差

地球物理勘探概论

式中：tpk为理想输出；Opk为实际输出；p为样本号；k为输出节点号。

（5）误差反向传播，修改权值

地球物理勘探概论

式中：

地球物理勘探概论

地球物理勘探概论

（6）判断收敛。若误差小于给定值，则结束，否则转向步骤（2）。

（三）塔北雅克拉地区BP神经网络预测实例

以塔北雅克拉地区S4井为已知样本，取氧化还原电位，放射性元素Rn、Th、Tc、U、K和地震反射 构造面等7个特征为识别的依据。 构造面反映了局部构造的起伏变化，其局部隆起部位应是油气运移和富集的有利部位，它可以作为判断含油气性的诸种因素之一。在该地区投入了高精度重磁、土壤微磁、频谱激电等多种方法，一些参数未入选为判别的特征参数，是因为某些参数是相关的。在使用神经网络方法判别之前，还采用K-L变换（Karhaem-Loeve）来分析和提取特征。

S4井位于测区西南部5线25点，是区内唯一已知井。该井在53906m的侏罗系地层获得406m厚的油气层，在5482m深的震旦系地层中获58m厚的油气层。取S4井周围9个点，即4～6线的23～25 点作为已知油气的训练样本；由于区内没有未见油的钻井，只好根据地质资料分析，选取14～16线的55～57点作为非油气的训练样本。BP网络学习迭代17174次，总误差为00001，学习效果相当满意。以学习后的网络进行识别，得出结果如图6-2-4所示。

图6-2-4 塔北雅克拉地区BP神经网络聚类结果

（据刘天佑等，1997）

由图6-2-4可见，由预测值大于09可得5个大封闭圈远景区，其中测区南部①号远景区对应着已知油井S4井；②、③号油气远景区位于地震勘探所查明的托库1、2号构造，该两个构造位于沙雅隆起的东段，其西段即为1984年钻遇高产油气流的Sch2井，应是含油气性好的远景区；④、⑤号远景区位于大涝坝构造，是yh油田的组成部分。

BP神经网络被称为“深度学习之旅的开端”，是神经网络的入门算法。

各种高大上的神经网络都是基于BP网络出发的，最基础的原理都是由BP网络而来 [1] ，另外由于BP神经网络结构简单，算法经典， 是神经网络中应用最广泛的一种。

BP神经网络（back propagation neural network）全称是反向传播神经网络。

神经网络发展部分背景如下 [2] ：

为解决非线性问题，BP神经网络应运而生。

那么什么是BP神经网络？稍微专业点的解释要怎么说呢？

很喜欢 最简单的神经网络--Bp神经网络 一文对算法原理的解释，语言活泼，案例简单，由浅入深。

文中提到所谓的 AI 技术，本质上是一种数据处理处理技术，它的强大来自于两方面：1互联网的发展带来的海量数据信息；2计算机深度学习算法的快速发展。AI 其实并没有什么神秘，只是在算法上更为复杂 [3] 。

我们从上面的定义出发来解释BP神经网络的原理。

BP神经网络整个网络结构包含了：一层输入层，一到多层隐藏层，一层输出层。

一般说L层神经网络，指的是有L个隐层，输入层和输出层都不计算在内的 [6] 。

BP神经网络模型训练的学习过程由信号的 正向传播 和误差的 反向传播 两个过程组成。

什么是信号的正向传播？顾名思义，就是结构图从左到右的运算过程。

我们来看看结构图中每个小圆圈是怎么运作的。我们把小圈圈叫做神经元，是组成神经网络的基本单元。

正向传播就是输入数据经过一层一层的神经元运算、输出的过程，最后一层输出值作为算法预测值y'。

前面正向传播的时候我们提到权重w、偏置b，但我们并不知道权重w、偏置b的值应该是什么。关于最优参数的求解，我们在 线性回归 、 逻辑回归 两章中有了详细说明。大致来讲就是：

BP神经网络全称 back propagation neural network，back propagation反向传播是什么？

反向传播的建设本质上就是寻找最优的参数组合，和上面的流程差不多，根据算法预测值和实际值之间的损失函数L(y',y)，来反方向地计算每一层的z、a、w、b的偏导数，从而更新参数。

对反向传播而言，输入的内容是预测值和实际值的误差，输出的内容是对参数的更新，方向是从右往左，一层一层的更新每一层的参数。

BP神经网络通过先正向传播，构建参数和输入值的关系，通过预测值和实际值的误差，反向传播修复权重；读入新数据再正向传播预测，再反向传播修正，，通过多次循环达到最小损失值，此时构造的模型拥有最优的参数组合。

以一个简单的BP神经网络为例，由3个输入层，2层隐藏层，每层2个神经元，1个输出层组成。

输入层传入

第一层隐藏层

对于 神经元而言，传入 ，加权求和加偏置激活函数处理后，输出 ；

对于 神经元而言，传入 ，加权求和加偏置函数处理后，输出 ；

输出：

第二层隐藏层

对于 神经元而言，传入 ，加权求和加偏置激活函数处理后，输出 ；

对于 神经元而言，传入 ，加权求和加偏置激活函数处理后，输出 ；

输出：

输出层

对于输出层神经元而言，输入 ，加权求和加偏置激活函数处理后，输出 ，输出的是一个值

第一次运行正向传播这个流程时随用随机参数就好，通过反向传播不断优化。因此需要在一开始对 设置一个随机的初始值。

首先计算正向传播输出值 与实际值的损失 ，是一个数值。所谓反向是从右到左一步步来的，先回到 ，修正参数 。

以此类推，通过对损失函数求偏导跟新参数 ，再跟新参数 。这时又回到了起点，新的数据传入又可以开始正向传播了。

keras可以快速搭建神经网络，例如以下为输入层包含7129个结点，一层隐藏层，包含128个结点，一个输出层，是二分类模型。

神经网络反向传播的优化目标为loss，可以观察到loss的值在不断的优化。

可以通过modelget_layer()get_weights()获得每一层训练后的参数结果。通过modelpredict()预测新数据。

至此，BP神经网络的整个运算流程已经过了一遍。之前提到BP神经网络是为解决非线性问题应运而生的，那么为什么BP神经网络可以解决非线性问题呢？

还记得神经元里有一个激活函数的 *** 作吗？神经网络通过激活函数的使用加入非线性因素。

通过使用非线性的激活函数可以使神经网络随意逼近复杂函数，从而使BP神经网络既可以处理线性问题，也可以处理非线性问题。

为什么激活函数的使用可以加入非线性因素 [7] ？

其实逻辑回归算法可以看作只有一个神经元的单层神经网络，只对线性可分的数据进行分类。

输入参数，加权求和，sigmoid作为激活函数计算后输出结果，模型预测值和实际值计算损失Loss,反向传播梯度下降求编导，获得最优参数。

BP神经网络是比 Logistic Regression 复杂得多的模型，它的拟合能力很强，可以处理很多 Logistic Regression处理不了的数据，但是也更容易过拟合。

具体用什么算法还是要看训练数据的情况，没有一种算法是使用所有情况的。

常见的前馈神经网络有BP网络，RBF网络等。

BP神经网络的一个主要问题是：结构不好设计。

网络隐含层的层数和单元数的选择尚无理论上的指导，一般是根据经验或者通过反复实验确定。

但是BP神经网络简单、易行、计算量小、并行性强，目前仍是多层前向网络的首选算法。

[1] 深度学习开端---BP神经网络： >

先用newff函数建立网络，再用train函数训练即可。

1）正向传播：输入样本－>输入层－>各隐层（处理）－>输出层

注1：若输出层实际输出与期望输出（教师信号）不符，则转入2）（误差反向传播过程）

2）误差反向传播：输出误差（某种形式）－>隐层（逐层）－>输入层

其主要目的是通过将输出误差反传，将误差分摊给各层所有单元，从而获得各层单元的误差信号，进而修正各单元的权值（其过程，是一个权值调整的过程）。

BP算法实现步骤（软件）：

1）初始化

2）输入训练样本对，计算各层输出

3）计算网络输出误差

4）计算各层误差信号

5）调整各层权值

6）检查网络总误差是否达到精度要求

满足，则训练结束；不满足，则返回步骤2）

注：改进算法—增加动量项、自适应调整学习速率（这个似乎不错)及引入陡度因子。

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