如何利用matlab做BP神经网络分析(利用matlab神经网络工具箱)

article/2025/9/18 20:12:53

  最近一段时间在研究如何利用预测其销量个数,在网上搜索了一下,发现了很多模型来预测,比如利用回归模型、时间序列模型,GM(1,1)模型,可是自己在结合实际的工作内容,发现这几种模型预测的精度不是很高,于是再在网上进行搜索,发现神经网络模型可以来预测,并且有很多是结合时间序列或者SVM(支持向量机)等组合模型来进行预测,本文结合实际数据,选取了常用的BP神经网络算法,其算法原理,因网上一大堆,所以在此不必一一展示,并参考了bp神经网络进行交通预测的Matlab源代码这篇博文,运用matlab 2016a,给出了下面的代码,并最终进行了预测

clcclear allclose all%bp 神经网络的预测代码%载入输出和输入数据load C:\Users\amzon\Desktop\p.txt;load C:\Users\amzon\Desktop\t.txt;%保存数据到matlab的工作路径里面save p.mat;save t.mat;%注意t必须为行向量%赋值给输出p和输入tp=p;t=t;%数据的归一化处理,利用mapminmax函数,使数值归一化到[-1.1]之间%该函数使用方法如下:[y,ps] =mapminmax(x,ymin,ymax),x需归化的数据输入,%ymin,ymax为需归化到的范围,不填默认为归化到[-1,1]%返回归化后的值y,以及参数ps,ps在结果反归一化中,需要调用[p1,ps]=mapminmax(p);[t1,ts]=mapminmax(t);%确定训练数据,测试数据,一般是随机的从样本中选取70%的数据作为训练数据%15%的数据作为测试数据,一般是使用函数dividerand,其一般的使用方法如下:%[trainInd,valInd,testInd] = dividerand(Q,trainRatio,valRatio,testRatio)[trainsample.p,valsample.p,testsample.p] =dividerand(p,0.7,0.15,0.15);[trainsample.t,valsample.t,testsample.t] =dividerand(t,0.7,0.15,0.15);%建立反向传播算法的BP神经网络,使用newff函数,其一般的使用方法如下%net = newff(minmax(p),[隐层的神经元的个数,输出层的神经元的个数],{隐层神经元的传输函数,输出层的传输函数},'反向传播的训练函数'),其中p为输入数据,t为输出数据%tf为神经网络的传输函数,默认为'tansig'函数为隐层的传输函数,%purelin函数为输出层的传输函数%一般在这里还有其他的传输的函数一般的如下,如果预测出来的效果不是很好,可以调节%TF1 = 'tansig';TF2 = 'logsig';%TF1 = 'logsig';TF2 = 'purelin';%TF1 = 'logsig';TF2 = 'logsig';%TF1 = 'purelin';TF2 = 'purelin';TF1='tansig';TF2='purelin';net=newff(minmax(p),[10,1],{TF1 TF2},'traingdm');%网络创建%网络参数的设置net.trainParam.epochs=10000;%训练次数设置net.trainParam.goal=1e-7;%训练目标设置net.trainParam.lr=0.01;%学习率设置,应设置为较少值,太大虽然会在开始加快收敛速度,但临近最佳点时,会产生动荡,而致使无法收敛net.trainParam.mc=0.9;%动量因子的设置,默认为0.9net.trainParam.show=25;%显示的间隔次数% 指定训练参数% net.trainFcn = 'traingd'; % 梯度下降算法% net.trainFcn = 'traingdm'; % 动量梯度下降算法% net.trainFcn = 'traingda'; % 变学习率梯度下降算法% net.trainFcn = 'traingdx'; % 变学习率动量梯度下降算法% (大型网络的首选算法)% net.trainFcn = 'trainrp'; % RPROP(弹性BP)算法,内存需求最小% 共轭梯度算法% net.trainFcn = 'traincgf'; %Fletcher-Reeves修正算法% net.trainFcn = 'traincgp'; %Polak-Ribiere修正算法,内存需求比Fletcher-Reeves修正算法略大% net.trainFcn = 'traincgb'; % Powell-Beal复位算法,内存需求比Polak-Ribiere修正算法略大% (大型网络的首选算法)%net.trainFcn = 'trainscg'; % ScaledConjugate Gradient算法,内存需求与Fletcher-Reeves修正算法相同,计算量比上面三种算法都小很多% net.trainFcn = 'trainbfg'; %Quasi-Newton Algorithms - BFGS Algorithm,计算量和内存需求均比共轭梯度算法大,但收敛比较快% net.trainFcn = 'trainoss'; % OneStep Secant Algorithm,计算量和内存需求均比BFGS算法小,比共轭梯度算法略大% (中型网络的首选算法)%net.trainFcn = 'trainlm'; %Levenberg-Marquardt算法,内存需求最大,收敛速度最快% net.trainFcn = 'trainbr'; % 贝叶斯正则化算法% 有代表性的五种算法为:'traingdx','trainrp','trainscg','trainoss', 'trainlm'%在这里一般是选取'trainlm'函数来训练,其算对对应的是Levenberg-Marquardt算法net.trainFcn='trainlm';[net,tr]=train(net,trainsample.p,trainsample.t);%计算仿真,其一般用sim函数[normtrainoutput,trainPerf]=sim(net,trainsample.p,[],[],trainsample.t);%训练的数据,根据BP得到的结果[normvalidateoutput,validatePerf]=sim(net,valsample.p,[],[],valsample.t);%验证的数据,经BP得到的结果[normtestoutput,testPerf]=sim(net,testsample.p,[],[],testsample.t);%测试数据,经BP得到的结果%将所得的结果进行反归一化,得到其拟合的数据trainoutput=mapminmax('reverse',normtrainoutput,ts);validateoutput=mapminmax('reverse',normvalidateoutput,ts);testoutput=mapminmax('reverse',normtestoutput,ts);%正常输入的数据的反归一化的处理,得到其正式值trainvalue=mapminmax('reverse',trainsample.t,ts);%正常的验证数据validatevalue=mapminmax('reverse',valsample.t,ts);%正常的验证的数据testvalue=mapminmax('reverse',testsample.t,ts);%正常的测试数据%做预测,输入要预测的数据pnewpnew=[313,256,239]';pnewn=mapminmax(pnew);anewn=sim(net,pnewn);anew=mapminmax('reverse',anewn,ts);%绝对误差的计算errors=trainvalue-trainoutput;%plotregression拟合图figure,plotregression(trainvalue,trainoutput)%误差图figure,plot(1:length(errors),errors,'-b')title('误差变化图')%误差值的正态性的检验figure,hist(errors);%频数直方图figure,normplot(errors);%Q-Q图[muhat,sigmahat,muci,sigmaci]=normfit(errors);%参数估计 均值,方差,均值的0.95置信区间,方差的0.95置信区间[h1,sig,ci]= ttest(errors,muhat);%假设检验figure, ploterrcorr(errors);%绘制误差的自相关图figure, parcorr(errors);%绘制偏相关图

运行之后的,结果如下:

BP神经网络的结果分析图

训练数据的梯度和均方误差之间的关系图

验证数据的梯度与学习次数

残差的正态的检验图(Q-Q图)

 

 

在网上,发现可以通过神经网络工具箱这个GUI界面来创建神经网络,其一般的操作步骤如下:

1:在输入命令里面输入nntool命令,或者在应用程序这个选项下找到Netrual Net Fitting 这个应用程序,点击打开,就能看见如下界面

 

 

 

2:输入数据和输出数据的导入(在本文中选取了matlab自带的案例数据)


3:随机选择三种类型的数据所占的样本量的比例,一般选取默认即可
 



4:隐层神经元的确定
                                                                              


5:训练算法的选取,一般是选择默认即可,选择完成后点击<train>按钮即可运行程序




6:根据得到的结果,一般是MSE的值越小,R值越接近1,其训练的效果比较,并第二张图给出了神经网络的各参数的设置以及其最终的结果,其拟合图R越接近1,模型拟合的更好








最终的结果图

7:如果所得到的模型不能满足你的需求,则需重复上述的步骤直至能够得到你想要的精确度

8:将最终的得到的各种数据以及其拟合值进行保存,然后查看,就可以得到所要的拟合值



最后参考了网上和MATLAB的帮助,给出了一些与神经网络相关的函数,希望能够帮助大家。。
 图形用户界面功能。 
    nnstart - 神经网络启动GUI 
    nctool - 神经网络分类工具 
    nftool - 神经网络的拟合工具 
    nntraintool - 神经网络的训练工具 
    nprtool - 神经网络模式识别工具 
    ntstool - NFTool神经网络时间序列的工具 
    nntool - 神经网络工具箱的图形用户界面。 
    查看 - 查看一个神经网络。 
  
  网络的建立功能。 
    cascadeforwardnet - 串级,前馈神经网络。 
    competlayer - 竞争神经层。 
    distdelaynet - 分布时滞的神经网络。 
    elmannet - Elman神经网络。 
    feedforwardnet - 前馈神经网络。 
    fitnet - 函数拟合神经网络。 
    layrecnet - 分层递归神经网络。 
    linearlayer - 线性神经层。 
    lvqnet - 学习矢量量化(LVQ)神经网络。 
    narnet - 非线性自结合的时间序列网络。 
    narxnet - 非线性自结合的时间序列与外部输入网络。 
    newgrnn - 设计一个广义回归神经网络。 
    newhop - 建立经常性的Hopfield网络。 
    newlind - 设计一个线性层。 
    newpnn - 设计概率神经网络。 
    newrb - 径向基网络设计。 
    newrbe - 设计一个确切的径向基网络。 
    patternnet - 神经网络模式识别。 
    感知 - 感知。 
    selforgmap - 自组织特征映射。 
    timedelaynet - 时滞神经网络。 
  
  利用网络。 
    网络 - 创建一个自定义神经网络。 
    SIM卡 - 模拟一个神经网络。 
    初始化 - 初始化一个神经网络。 
    适应 - 允许一个神经网络来适应。 
    火车 - 火车的神经网络。 
    DISP键 - 显示一个神经网络的属性。 
    显示 - 显示的名称和神经网络属性 
    adddelay - 添加延迟神经网络的反应。 
    closeloop - 神经网络的开放反馈转换到关闭反馈回路。 
    formwb - 表格偏见和成单个向量的权重。 
    getwb - 将它作为一个单一向量中的所有网络权值和偏差。 
    noloop - 删除神经网络的开放和关闭反馈回路。 
    开环 - 转换神经网络反馈,打开封闭的反馈循环。 
    removedelay - 删除延迟神经网络的反应。 
    separatewb - 独立的偏见和重量/偏置向量的权重。 
    setwb - 将所有与单个矢量网络权值和偏差。 
  
  Simulink的支持。 
    gensim - 生成Simulink模块来模拟神经网络。 
    setsiminit - 集神经网络的Simulink模块的初始条件 
    getsiminit - 获取神经网络Simulink模块的初始条件 
    神经元 - 神经网络Simulink的模块库。 
  
  培训职能。 
    trainb - 批具有重量与偏见学习规则的培训。 
    trainbfg - 的BFGS拟牛顿倒传递。 
    trainbr - 贝叶斯规则的BP算法。 
    trainbu - 与重量与偏见一批无监督学习规则的培训。 
    trainbuwb - 与体重无监督学习规则与偏见一批培训。 
    trainc - 循环顺序重量/偏见的培训。 
    traincgb - 共轭鲍威尔比尔重新启动梯度反向传播。 
    traincgf - 共轭弗莱彻-里夫斯更新梯度反向传播。 
    traincgp - 共轭波拉克- Ribiere更新梯度反向传播。 
    traingd - 梯度下降反向传播。 
    traingda - 具有自适应LR的反向传播梯度下降。 
    traingdm - 与动量梯度下降。 
    traingdx - 梯度下降瓦特/惯性与自适应LR的反向传播。 
    trainlm - 采用Levenberg -马奎德倒传递。 
    trainoss - 一步割线倒传递。 
    trainr - 随机重量/偏见的培训。 
    trainrp - RPROP反向传播。 
    trainru - 无监督随机重量/偏见的培训。 
    火车 - 顺序重量/偏见的培训。 
    trainscg - 规模化共轭梯度BP算法。 
  
  绘图功能。 
    plotconfusion - 图分类混淆矩阵。 
    ploterrcorr - 误差自相关时间序列图。 
    ploterrhist - 绘制误差直方图。 
    plotfit - 绘图功能适合。 
    plotinerrcorr - 图输入错误的时间序列的互相关。 
    plotperform - 小区网络性能。 
    plotregression - 线性回归情节。 
    plotresponse - 动态网络图的时间序列响应。 
    plotroc - 绘制受试者工作特征。 
    plotsomhits - 小区自组织图来样打。 
    plotsomnc - 小区自组织映射邻居的连接。 
    plotsomnd - 小区自组织映射邻居的距离。 
    plotsomplanes - 小区自组织映射重量的飞机。 
    plotsompos - 小区自组织映射重量立场。 
    plotsomtop - 小区自组织映射的拓扑结构。 
    plottrainstate - 情节训练状态值。 
    plotwb - 图寒春重量和偏差值图。 
  
  列出其他神经网络实现的功能。 
    nnadapt - 适应职能。 
    nnderivati​​ve - 衍生功能。 
    nndistance - 距离函数。 
    nndivision - 除功能。 
    nninitlayer - 初始化层功能。 
    nninitnetwork - 初始化网络功能。 
    nninitweight - 初始化权函数。 
    nnlearn - 学习功能。 
    nnnetinput - 净输入功能。 
    nnperformance - 性能的功能。 
    nnprocess - 处理功能。 
    nnsearch - 线搜索功能。 
    nntopology - 拓扑结构的功能。 
    nntransfer - 传递函数。 
    nnweight - 重量的功能。 
 nndemos - 神经网络工具箱的示威。 
    nndatasets - 神经网络工具箱的数据集。 
    nntextdemos - 神经网络设计教科书的示威。 
    nntextbook - 神经网络设计教科书的资讯。

 


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