基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的海杂波最优软测量仪表及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的海杂波最优软测量仪表及方法，包括雷达、现场智能仪表、控制站、存放数据的现场数据库、基于改进的果蝇优化算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机以及预报软测量值显示仪，所述的基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机，包括数据预处理模块、RBF神经网络模块、模型更新模块。本发明专利技术实现了海杂波的在线最优软测量，克服了人为因素造成的随机性影响，提高了模型预报的稳定性，降低了模型预报陷入局部最优的可能性。

Optimal soft sensing instrument and method for sea clutter optimization based on improved free search algorithm for RBF neural network

The invention discloses an improved free search algorithm to optimize RBF neural network of sea clutter based on optimal soft measurement instruments and methods, including radar, intelligent instrument and control station, the storage of data, the scene database based on improved Drosophila optimization algorithm to optimize RBF neural network optimal soft measurement of PC and soft sensor prediction the value indicator, the optimal soft measurement of PC free search algorithm to optimize RBF neural network based on the improved, including data preprocessing module, RBF module, neural network model updating module. The invention realizes the online optimal soft sensing of sea clutter, overcomes the random influence caused by human factors, improves the stability of model prediction, and reduces the possibility of local prediction of model prediction.

【技术实现步骤摘要】
基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的海杂波最优软测量仪表及方法
本专利技术涉及最优软测量仪表及方法领域，具体是一种基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的海杂波最优软测量仪表及方法。
技术介绍
雷达领域中把从海水表面反射的回波信号称为海杂波，海杂波与海情、风潮、雷达参数等多种因素有关。对于海岸警戒雷达、舰载雷达等工作于海洋环境的雷达来说，严重的海面反射回波将影响对海面目标的检测与跟踪性能，掌握海杂波的性质，建立准确的海杂波模型是分析和改善雷达性能的前提。海杂波的统计特性包括幅度特性和相关特性。海杂波的相关特性包括时间相关性和空间相关性。时间相关性也称为脉间相关性，反映了海杂波幅度随时间的起伏，可以等价地用功率谱来表示。海杂波的空间相关性分为方位相关性和距离相关性。海杂波能为我们研究海洋的动态特性提供帮助，但是，如果要从海杂波背景下检测目标，如浮冰、船只等，它就成为很大的障碍，必须尽可能地抑制以减弱或消除这些干扰。研究海杂波的主要目的：一方面是对海杂波的自然机理进行解释，进而提出合理的模型；另一方面，是要降低海杂波对检测目标的干扰，找出如何将淹没于强海杂波背景中目标信号提取出来的方法。精确的海杂波模型的建立是实现上述各目的的关键近年来关于海杂波的建模预报的研究工作大部分都集中在人工神经网络上面，取得了不错的效果。但是人工神经网络也有其自身的缺点，例如过拟合、隐含层的节点数目和参数不好确定。其次，观测现场采集到的数据也因为噪音、人工操作误差等带有一定的不确定误差，所以使用确定性强的人工神经网络的预报模型一般推广能力不强。支持向量机，由Vapnik在1998年引入，由于其良好的推广能力，被广泛应用在模式识别、拟合和分类问题中。由于标准支持向量机对孤立点和噪点敏感，所以后来又提出了RBF神经网络。RBF神经网络相比于标准支持向量机能够更好地处理带有噪点的样本数据，这里用来建模。改进的自由搜索算法，即FruitFlyOptimizationAlgorithm，是由中国台湾Wen-TsaoPan教授提出来的一种基于果蝇觅食行为从尔推演出的一种生物智能寻优算法，简称FOA。该算法通过群体中粒子间的相互影响，减少了搜索算法陷入局部最优解的风险，具有很好的全局搜索性能。改进的自由搜索算法被用来搜索RBF神经网络的最优参数组合，以达到优化模型的目的。
技术实现思路
为了克服已有的雷达的测量精度不高、对噪声敏感度低、推广性能差的不足，本专利技术提供一种在线测量、计算速度快、模型自动更新、抗噪声能力强、推广性能好的基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的海杂波最优软测量仪表及方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的海杂波最优软测量仪表，包括雷达、用于测量易测变量的现场智能仪表、用于测量操作变量的控制站、存放数据的现场数据库以及海杂波预报软测量值显示仪，所述现场智能仪表、控制站与丙烯聚合生产过程连接，所述现场智能仪表、控制站与现场数据库连接，所述软测量仪表还包括基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机，所述现场数据库与所述基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机的输入端连接，所述基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机的输出端与海杂波软测量值显示仪连接，所述基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机包括：数据预处理模块，用于将从现场数据库输入的模型训练样本进行预处理，对训练样本中心化，即减去样本的平均值，然后对其进行标准化：计算均值：计算方差：标准化：其中，TX为训练样本，N为训练样本数，为训练样本的均值，X为标准化后的训练样本，σx为计算方差。RBF神经网络用径向基函数作为隐单元的“基”构成隐含层空间，将输人矢量直接映射到隐含层空间.隐含层空间到输出空间的映射是线性的。从总体上看，网络由输入到输出的映射是非线性的，而网络输出对可调参数而言却又是线性的。理论已经证明，RBF网络具有全局和最佳逼近性能，是前馈神经网络中完成映射功能最优的网络。只要有足够多的隐层神经元，RBF能以任意精度近似任何连续函数。采用前向网络拓扑结构，隐含层的每个单元输出为:hi＝Ri(X)＝Ri(||X-C||/σi)(4)i＝1,2,3,...,L其中，X是N维输入向量，Ci是与X同维数的向量，Ri为径向基核函数。Ri(·)通常采用高斯函数，其中σ为核函数宽度，即：因此网络输出层的输出为其中w是连接权重，h是隐含层的单元输出。改进的自由搜索算法优化模块，用于采用改进的自由搜索算法对RBF神经网络的核函数宽度进行优化，具体步骤如下：改进的自由搜索算法模块，用于采用改进的自由搜索算法对RBF神经网络的核函数宽度进行优化，具体步骤如下：(1)初始化种群的规模n和维数m，[Xmini，Xmaxi]作为第i维的变化范围，最大迭代次数为Maxgen，勘测步数为T，第i个体第j维的可变邻域值为Rji∈[Rmin,Rmax]。根据这些设置即可对种群位置进行初始化设置：xtji＝x0ji-Δxtji+2Δxtji*randomtji(0,1)(7)X0ji是随机产生的初始值：Δxtji＝Rji*(Xmax-Xmin)*randomtji(0,1)(8)(2)每个个体开始行动，个体i每次进行T步探测，位置的更新由以下表达式确定：x0ji＝Xmini+(Xmaxi-Xmini)*randomji(0,1)(9)在一次的勘探行为中，个体的勘探行为可表示为：式中f(xtji)是每个个体完成搜索后作标记的位置。信息素定义如下：且灵敏度按照如下公式更新：式中Smin和Smax分别是灵敏度的最小值和最大值，信息素的最小值和最大值分别为Pmin和Pmax，并且在此规定Pmin＝Smin和Pmin＝Smax。在本轮的搜索结束后，按照如下公式更新下一轮搜索的起始点：(3)设满足条件式(13)的个体为且对应的初始位置和每次的勘探位置为和定义个体的密度为：由此定义个体相对密度为：显然pj∈(0,1)。灾变的策略是：相对密度pj越大，则个体的勘探位置相对集中，易陷入局部最优，此时进行灾变的概率就越大。因此，将按照以下步骤产生灾变：(a)令j＝1。(b)对于个体j，产生rl＝random(0,1)。(c)若rl≤pl，则重新产生新的起始位置作为下一次迭代的初始位置；否则，需要从中随机选择位置作为该个体进入下次迭代的初始位置。(d)令j＝j+1，若满足j≤m，则重复进行步骤(2)，否则终止该过程。作为优选的一种方案，所述基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机还包括：模型更新模块，用于模型的在线更新，定期将离线化验数据输入到训练集中，更新RBF神经网络模型。一种如上述的基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的海杂波最优软测量仪表实现的软测量方法，所述软测量方法包括以下步骤：1)、对雷达对象，根据特性分析和气候分析，选择操作变量和易测变量作为模型的输入，操作变量和易测变量由现场数据库获得；2)、将从现场数据库输入的模型训练样本进行预处理，对训练样本中心化，即减去样本的平均值，然后对其进行标准化，使得其均值为0，方差为1。该处理采用以下算式过程来完成：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的海杂波最优软测量仪表，所述的最优软测量仪表，包括雷达、用于测量易测变量的现场智能仪表、用于测量操作变量的控制站、存放数据的现场数据库以及海杂波软测量值显示仪；所述现场智能仪表、控制站与雷达连接，所述现场智能仪表、控制站与现场数据库连接，其特征在于：所述软测量仪表还包括基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机，所述现场数据库与所述基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机的输入端连接，所述基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机的输出端与海杂波软测量值显示仪连接；所述基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机包括：数据预处理模块，用于将从现场数据库输入的模型训练样本进行预处理，对训练样本中心化，即减去样本的平均值，然后对其进行标准化：计算均值：

【技术特征摘要】
1.一种基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的海杂波最优软测量仪表，所述的最优软测量仪表，包括雷达、用于测量易测变量的现场智能仪表、用于测量操作变量的控制站、存放数据的现场数据库以及海杂波软测量值显示仪；所述现场智能仪表、控制站与雷达连接，所述现场智能仪表、控制站与现场数据库连接，其特征在于：所述软测量仪表还包括基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机，所述现场数据库与所述基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机的输入端连接，所述基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机的输出端与海杂波软测量值显示仪连接；所述基于改进的自由搜索算法优化RBF神经网络的最优软测量上位机包括：数据预处理模块，用于将从现场数据库输入的模型训练样本进行预处理，对训练样本中心化，即减去样本的平均值，然后对其进行标准化：计算均值：计算方差：标准化：其中，TX为训练样本，N为训练样本数，为训练样本的均值，X为标准化后的训练样本，σx为计算方差。采用前向网络拓扑结构，隐含层的每个单元输出h为:其中，X是N维输入向量，Ci是与X同维数的向量，Ri为径向基核函数。Ri(·)通常采用高斯函数，其中σ为核函数宽度，即：因此网络输出层的输出y为其中w是连接权重，h是隐含层的单元输出。改进的自由搜索算法模块，用于采用改进的自由搜索算法对RBF神经网络的核函数宽度进行优化，具体步骤如下：(1)初始化种群的规模n和维数m，[Xmini，Xmaxi]作为第i维的变化范围，最大迭代次数为Maxgen，勘测步数为T，第i个体第j维的可变邻域值为Rji∈[Rmin,Rmax]。根据这些设置即可对种群位置x进行初始化设置：xtji＝x0ji-Δxtji+2Δxtji*randomtji(0,1)(7)X0ji是随机产生的初始值：Δxtji＝Rji*(Xmax-Xmin)*randomtji(0,1)(8)(2)每个个体开始行动，个体i每次进行T步探测，位置的更新由以下表达式确定：x0ji＝Xmini+(Xmaxi-Xmini)*randomji(0,1)(9)在一次的勘探行为中，个体的勘探行为可表示为：式中f(xtji)是每个个体完成搜索后作标记的位置。信息素P定义如下：且灵敏度S按照如下公式更新：式中Smin和Smax分别是灵敏度的最小值和最大值，信息素的最小值和最大值分别为Pmin和Pmax，并且在此规定Pmin＝Smin和Pmin＝Smax。在本轮的搜索结束后，按照如下公式更新下一轮搜索的起始点：(3)假设满足条件式(13)的个体为且对应的初始位置和每次的勘探位置为和定义个体的密度ρ为：由此定义个体相对密度p为：显然pj∈(0,1)。灾变的策略是：相对密度pj越大，则个体的勘探位置相对集中，易陷入局部最优，此时进行灾变的概率就越大。因此，将按照以下步骤产生灾变r：(a)令j＝1。(b)对于个体j，产生rl＝random(0,1)。(c)若rl≤pl，则重新产生新的起始位置作为下一次迭代的初始位置；否则，需要从中随机选择位置作为该个体进入下次迭代的初始位置。(d)令j＝j+1，若满足j≤m，则重复进行步骤(2)，否则终止该过程。模型更新模块，用于模型的在线更新，定期将离线化验数据输入到训练集中，更新RBF神经网络模型。2.一种如权利要求1所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴高，王文川，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33