BP预测基于人工蜂群算法改进BP神经网络实现数据预测

Posted 2021-08-08 博主企鹅号1575304183

一、 BP神经网络预测算法简介

说明：1.1节主要是概括和帮助理解考虑影响因素的BP神经网络算法原理，即常规的BP模型训练原理讲解（可根据自身掌握的知识是否跳过）。1.2节开始讲基于历史值影响的BP神经网络预测模型。

使用BP神经网络进行预测时，从考虑的输入指标角度，主要有两类模型：

1.1 受相关指标影响的BP神经网络算法原理

如图一所示，使用MATLAB的newff函数训练BP时，可以看到大部分情况是三层的神经网络（即输入层，隐含层，输出层）。这里帮助理解下神经网络原理：
1）输入层：相当于人的五官，五官获取外部信息，对应神经网络模型input端口接收输入数据的过程。
2）隐含层：对应人的大脑，大脑对五官传递来的数据进行分析和思考，神经网络的隐含层hidden Layer对输入层传来的数据x进行映射，简单理解为一个公式hiddenLayer_output=F(w*x+b)。其中，w、b叫做权重、阈值参数，F()为映射规则，也叫激活函数，hiddenLayer_output是隐含层对于传来的数据映射的输出值。换句话说，隐含层对于输入的影响因素数据x进行了映射，产生了映射值。
3）输出层：可以对应为人的四肢，大脑对五官传来的信息经过思考（隐含层映射）之后，再控制四肢执行动作（向外部作出响应）。类似地，BP神经网络的输出层对hiddenLayer_output再次进行映射，outputLayer_output=w *hiddenLayer_output+b。其中，w、b为权重、阈值参数，outputLayer_output是神经网络输出层的输出值（也叫仿真值、预测值）（理解为，人脑对外的执行动作，比如婴儿拍打桌子）。
4）梯度下降算法：通过计算outputLayer_output和神经网络模型传入的y值之间的偏差，使用算法来相应调整权重和阈值等参数。这个过程，可以理解为婴儿拍打桌子，打偏了，根据偏离的距离远近，来调整身体使得再次挥动的胳膊不断靠近桌子，最终打中。

再举个例子来加深理解：

图一所示BP神经网络，具备输入层、隐含层和输出层。BP是如何通过这三层结构来实现输出层的输出值outputLayer_output，不断逼近给定的y值，从而训练得到一个精准的模型的呢？

从图中串起来的端口，可以想到一个过程：坐地铁，将图一想象为一条地铁线路。王某某坐地铁回家的一天：在input起点站上车，中途经过了很多站（hiddenLayer），然后发现坐过头了（outputLayer对应现在的位置），那么王某某将会根据现在的位置离家（目标Target）的距离（误差Error），返回到中途的地铁站（hiddenLayer）重新坐地铁（误差反向传递，使用梯度下降算法更新w和b），如果王某某又一次发生失误，那么将再次进行这个调整的过程。

从在婴儿拍打桌子和王某某坐地铁的例子中，思考问题：BP的完整训练，需要先传入数据给input，再经过隐含层的映射，输出层得到BP仿真值，根据仿真值与目标值的误差，来调整参数，使得仿真值不断逼近目标值。比如（1）婴儿受到了外界的干扰因素（x），从而作出反应拍桌（predict），大脑不断的调整胳膊位置，控制四肢拍准（y、Target）。（2）王某某上车点（x），过站点（predict），不断返回中途站来调整位置，到家（y、Target）。

在这些环节中，涉及了影响因素数据x，目标值数据y（Target）。根据x，y，使用BP算法来寻求x与y之间存在的规律，实现由x来映射逼近y，这就是BP神经网络算法的作用。再多说一句，上述讲的过程，都是BP模型训练，那么最终得到的模型虽然训练准确，但是找到的规律（bp network）是否准确与可靠呢。于是，我们再给x1到训练好的bp network中，得到相应的BP输出值（预测值）predict1，通过作图，计算Mse，Mape，R方等指标，来对比predict1和y1的接近程度，就可以知道模型是否预测准确。这是BP模型的测试过程，即实现对数据的预测，并且对比实际值检验预测是否准确。

图一 3层BP神经网络结构图

1.2 基于历史值影响的BP神经网络

以电力负荷预测问题为例，进行两种模型的区分。在预测某个时间段内的电力负荷时：

一种做法，是考虑 t 时刻的气候因素指标，比如该时刻的空气湿度x1，温度x2，以及节假日x3等的影响，对 t 时刻的负荷值进行预测。这是前面1.1所说的模型。

另一种做法，是认为电力负荷值的变化，与时间相关，比如认为t-1，t-2，t-3时刻的电力负荷值与t时刻的负荷值有关系，即满足公式y(t)=F(y(t-1),y(t-2),y(t-3))。采用BP神经网络进行训练模型时，则输入到神经网络的影响因素值为历史负荷值y(t-1),y(t-2),y(t-3)，特别地，3叫做自回归阶数或者延迟。给到神经网络中的目标输出值为y(t)。

 二、人工蜂群算法

受到蜜蜂群体的有组织的觅食过程的启发，Karaboga提出了模拟蜜蜂群体觅食过程的人工蜂群(Artificial Bee Colony) 算法用于解决多维度多峰谷的优化问题。该算法创始之初被用来寻找Sphere、Rosenbrock和Rastrigin函数的最小值。 首先对蜜蜂基于摇摆舞进行觅食的过程特征进行介绍。在图1中，存在两个已发现的食物源A和B。初始时，潜在工蜂以非雇佣蜂的身份进行搜索。它并不知道蜂房附近的任何蜜源的信息。因此，它有以下两个可能的选择： （1）成为一个侦察蜂，秉着自身潜在动力或外在因素自发的搜索蜂房附近的区域(见图1中的S)； （2）在观看摆尾舞后，成为一个被招募者，并开始搜索蜜源(见图1中的R)。 在定位蜜源之后，该蜜蜂能够利用自身的能力来记住食物源的位置，并立刻对它进行探索。该蜜蜂现在成为了一个雇佣蜂。雇佣蜂采到蜂蜜后，从蜜源处返回蜂房并将蜂蜜卸载到蜜室中。在卸载完蜂蜜后，雇佣蜂有下列三个选择： （1）放弃已经采集过的蜜源，成为一个受其他摇尾舞招募的跟随者(UF)。 （2）施展摇尾舞技，招募蜂房内的同伴，再次回到原先采集过的食物源(EF1)。 （3）不招募其它的蜜蜂，继续探索采集过的食物源(EF2)。 ​

图1 蜜蜂觅食行为图

二、算法流程

人工蜂群算法由连续的四个阶段组成，分别是初始化阶段、引领(雇佣)蜂阶段、跟随蜂阶端和侦察蜂阶段。 人工蜂群算法中将人工蜂群分为引领蜂、跟随蜂和侦察蜂三类，每一次搜索过程中，引领蜂和跟随蜂是先后开采食物源，即寻找最优解，而侦察蜂是观察是否陷入局部最优，若陷入局部最优则随机地搜索其它可能的食物源。每个食物源代表问题一个可能解，食物源的花蜜量对应相应解的质量（适应度值f i t fitfit）。 ABC算法流程图如图2所示。 ​

图2 ABC算法流程图

1、初始化阶段

2、引领蜂阶段

3、跟随蜂阶段

4、侦察蜂阶段

5、食物源

三、部分代码

%

clc;
clear;
close all;

%% Problem Definition

CostFunction=@(x) Sphere(x);        % Cost Function

nVar=5;             % Number of Decision Variables

VarSize=[1 nVar];   % Decision Variables Matrix Size

VarMin=-10;         % Decision Variables Lower Bound
VarMax= 10;         % Decision Variables Upper Bound

%% ABC Settings

MaxIt=200;              % Maximum Number of Iterations

nPop=100;               % Population Size (Colony Size)

nOnlooker=nPop;         % Number of Onlooker Bees

L=round(0.6*nVar*nPop); % Abandonment Limit Parameter (Trial Limit)

a=1;                    % Acceleration Coefficient Upper Bound

%% Initialization

% Empty Bee Structure
empty_bee.Position=[];
empty_bee.Cost=[];

% Initialize Population Array
pop=repmat(empty_bee,nPop,1);

% Initialize Best Solution Ever Found
BestSol.Cost=inf;

% Create Initial Population
for i=1:nPop
    pop(i).Position=unifrnd(VarMin,VarMax,VarSize);
    pop(i).Cost=CostFunction(pop(i).Position);
    if pop(i).Cost<=BestSol.Cost
        BestSol=pop(i);
    end
end

% Abandonment Counter
C=zeros(nPop,1);

% Array to Hold Best Cost Values
BestCost=zeros(MaxIt,1);

%% ABC Main Loop

for it=1:MaxIt
    
    % Recruited Bees
    for i=1:nPop
        
        % Choose k randomly, not equal to i
        K=[1:i-1 i+1:nPop];
        k=K(randi([1 numel(K)]));
        
        % Define Acceleration Coeff.
        phi=a*unifrnd(-1,+1,VarSize);
        
        % New Bee Position
        newbee.Position=pop(i).Position+phi.*(pop(i).Position-pop(k).Position);
        
        % Evaluation
        newbee.Cost=CostFunction(newbee.Position);
        
        % Comparision
        if newbee.Cost<=pop(i).Cost
            pop(i)=newbee;
        else
            C(i)=C(i)+1;
        end
        
    end
    
    % Calculate Fitness Values and Selection Probabilities
    F=zeros(nPop,1);
    MeanCost = mean([pop.Cost]);
    for i=1:nPop
        F(i) = exp(-pop(i).Cost/MeanCost); % Convert Cost to Fitness
    end
    P=F/sum(F);
    
    % Onlooker Bees
    for m=1:nOnlooker
        
        % Select Source Site
        i=RouletteWheelSelection(P);
        
        % Choose k randomly, not equal to i
        K=[1:i-1 i+1:nPop];
        k=K(randi([1 numel(K)]));
        
        % Define Acceleration Coeff.
        phi=a*unifrnd(-1,+1,VarSize);
        
        % New Bee Position
        newbee.Position=pop(i).Position+phi.*(pop(i).Position-pop(k).Position);
        
        % Evaluation
        newbee.Cost=CostFunction(newbee.Position);
        
        % Comparision
        if newbee.Cost<=pop(i).Cost
            pop(i)=newbee;
        else
            C(i)=C(i)+1;
        end
        
    end
    
    % Scout Bees
    for i=1:nPop
        if C(i)>=L
            pop(i).Position=unifrnd(VarMin,VarMax,VarSize);
            pop(i).Cost=CostFunction(pop(i).Position);
            C(i)=0;
        end
    end
    
    % Update Best Solution Ever Found
    for i=1:nPop
        if pop(i).Cost<=BestSol.Cost
            BestSol=pop(i);
        end
    end
    
    % Store Best Cost Ever Found
    BestCost(it)=BestSol.Cost;
    
    % Display Iteration Information
    disp(['Iteration ' num2str(it) ': Best Cost = ' num2str(BestCost(it))]);
    
end
    
%% Results

figure;
%plot(BestCost,'LineWidth',2);
semilogy(BestCost,'LineWidth',2);
xlabel('Iteration');
ylabel('Best Cost');
grid on;

四、仿真结果

图2人工蜂群算法收敛曲线

测试统计如下表所示

测试结果	测试集正确率	训练集正确率
BP神经网络	100%	95%
ABC-BP	100%	99.8%

五、参考文献及代码私信博主

《基于BP神经网络的宁夏水资源需求量预测》