分类预测|基于麻雀优化正则化极限学习机的数据分类预测Matlab程序SSA-RELM 多特征输入多类别输出

分类预测|基于麻雀优化正则化极限学习机的数据分类预测Matlab程序SSA-RELM 多特征输入多类别输出


分类预测|基于麻雀优化正则化极限学习机的数据分类预测Matlab程序SSA-RELM 多特征输入多类别输出

一、基本原理

SSA-RELM分类预测结合了麻雀优化算法(SSA)和正则化极限学习机(RELM)模型,旨在提高分类任务的性能。下面详细介绍它们的原理和流程:

麻雀优化算法(SSA)

麻雀优化算法(SSA)是一种模拟麻雀觅食行为的优化算法,主要用于解决优化问题。其基本原理包括:

  1. 启发式搜索:模仿麻雀在自然界中的觅食行为,通过群体合作与竞争来找到最优解。
  2. 群体行为:包括麻雀的觅食行为、警觉行为和觅食位置更新等,模拟这些行为来进行搜索。
  3. 算法流程
    • 初始化:随机生成初始麻雀群体的位置。
    • 适应度评估:计算每个麻雀的位置对应的目标函数值。
    • 更新位置:根据麻雀的行为更新位置,包括觅食行为和警觉行为。
    • 选择最优解:根据适应度评估选择最佳的解。

正则化极限学习机(RELM)

正则化极限学习机(RELM)是一种改进的极限学习机(ELM)模型,它用于分类任务。ELM本质上是一种单隐层前馈神经网络,具有以下特点:

  1. 输入层和隐层的权重:随机生成,并且不进行调整。
  2. 输出层权重:通过最小二乘法求解,计算隐层节点输出与目标输出之间的权重。
  3. 正则化:在RELM中引入正则化来防止过拟合,提高模型的泛化能力。
RELM的主要步骤包括:
  1. 数据预处理:标准化或归一化数据以适应模型。
  2. 初始化:随机生成输入层到隐层的权重和偏置。
  3. 隐层输出计算:根据输入数据和随机权重计算隐层的输出。
  4. 正则化:引入正则化项来调整权重,防止过拟合。
  5. 训练:使用最小二乘法求解输出层权重。
  6. 预测:用训练好的模型进行预测,输出分类结果。

SSA-RELM的结合

将SSA与RELM结合,通常是为了优化RELM模型的参数,从而提高分类性能。流程如下:

  1. 初始化:使用SSA算法初始化RELM模型的超参数(例如正则化参数、隐层节点数等)。
  2. 训练模型:利用SSA优化的参数训练RELM模型。
  3. 预测与评估:使用训练好的RELM模型对测试数据进行分类,并评估模型性能。
  4. 迭代优化:根据模型的预测结果和评估指标,通过SSA算法进一步优化参数,直到达到满意的性能。

总结

  • SSA:通过模仿麻雀觅食行为来优化参数。
  • RELM:使用正则化来训练极限学习机模型,防止过拟合并提高分类性能。
  • 结合流程:使用SSA优化RELM模型的参数,训练和评估模型以实现高效的分类预测。

二、实验结果

SSA-RELM分类结果
在这里插入图片描述

三、核心代码

%%  导入数据
res = xlsread('数据集.xlsx');

%%  分析数据
num_class = length(unique(res(:, end)));  % 类别数(Excel最后一列放类别)
num_res = size(res, 1);                   % 样本数(每一行,是一个样本)
num_size = 0.7;                           % 训练集占数据集的比例
res = res(randperm(num_res), :);          % 打乱数据集(不打乱数据时,注释该行)

%%  设置变量存储数据
P_train = []; P_test = [];
T_train = []; T_test = [];

%%  划分数据集
for i = 1 : num_class
    mid_res = res((res(:, end) == i), :);                         % 循环取出不同类别的样本
    mid_size = size(mid_res, 1);                                  % 得到不同类别样本个数
    mid_tiran = round(num_size * mid_size);                       % 得到该类别的训练样本个数

    P_train = [P_train; mid_res(1: mid_tiran, 1: end - 1)];       % 训练集输入
    T_train = [T_train; mid_res(1: mid_tiran, end)];              % 训练集输出

    P_test  = [P_test; mid_res(mid_tiran + 1: end, 1: end - 1)];  % 测试集输入
    T_test  = [T_test; mid_res(mid_tiran + 1: end, end)];         % 测试集输出
end

%%  数据转置
P_train = P_train'; P_test = P_test';
T_train = T_train'; T_test = T_test';

%%  得到训练集和测试样本个数  
M = size(P_train, 2);
N = size(P_test , 2);

%%  数据归一化
[p_train, ps_input] = mapminmax(P_train, 0, 1);
p_test  = mapminmax('apply', P_test, ps_input);
t_train = T_train;
t_test  = T_test ;

四、代码获取

五、总结

包括但不限于
优化BP神经网络,深度神经网络DNN,极限学习机ELM,鲁棒极限学习机RELM,核极限学习机KELM,混合核极限学习机HKELM,支持向量机SVR,相关向量机RVM,最小二乘回归PLS,最小二乘支持向量机LSSVM,LightGBM,Xgboost,RBF径向基神经网络,概率神经网络PNN,GRNN,Elman,随机森林RF,卷积神经网络CNN,长短期记忆网络LSTM,BiLSTM,GRU,BiGRU,TCN,BiTCN,CNN-LSTM,TCN-LSTM,BiTCN-BiGRU,LSTM–Attention,VMD–LSTM,PCA–BP等等

用于数据的分类,时序,回归预测。
多特征输入,单输出,多输出

### 基于神经网络的时间序列预测 #### DNN全连接神经网络时间序列预测 深度神经网络(Deep Neural Network, DNN)是一种常见的用于时间序列预测的方法。其核心思想是通过多层感知器来捕捉输入数据中的复杂模式并进行预测[^1]。DNN模型通常由多个隐藏层组成,每一层都包含若干个神经元。这些神经元通过对前一层的加权求和以及激活函数处理来进行特征提取。 以下是MATLAB中实现DNN全连接神经网络的一个简单例子: ```matlab % 数据准备 data = ... % 输入时间序列数据 target = ... % 预测目标值 % 创建DNN模型 layers = [ fullyConnectedLayer(10) % 定义第一个全连接层,有10个节点 reluLayer() % 使用ReLU作为激活函数 fullyConnectedLayer(1) % 输出层只有一个节点 regressionLayer()] % 回归输出层 options = trainingOptions('sgdm', ... 'MaxEpochs', 100, ... 'InitialLearnRate', 0.01); net = trainNetwork(data, target, layers, options); ``` #### LSTM长短期记忆神经网络时间序列预测 长短时记忆网络(Long Short-Term Memory, LSTM)特别适合处理具有长期依赖关系的时间序列数据。它通过引入遗忘门、输入门和输出门机制解决了传统RNN难以捕获长时间间隔关联的问题[^2]。LSTM能够有效应对梯度消失或爆炸现象,在许多实际应用中表现出优越性能。 下面是一个利用Adam优化算法训练LSTM模型的例子: ```matlab numFeatures = 1; % 特征数量 numResponses = 1; % 输出响应数 numHiddenUnits = 200; layers = [ ... sequenceInputLayer(numFeatures) lstmLayer(numHiddenUnits,'OutputMode','last') fullyConnectedLayer(numResponses) regressionLayer]; max_epochs = 50; opt = adam(); trainedNet = trainNetwork(XTrain,YTrain,layers,opt,... 'ExecutionEnvironment','gpu',... 'Plots','training-progress'); ``` #### BP神经网络及其改进版本SSA-BP 反向传播(Back Propagation, BP)神经网络是最经典的ANN之一。然而标准BP容易陷入局部最优解且收敛速度较慢。为了克服这些问题,可以采用麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm, SSA)对权重参数初始化及更新过程加以改进[^3]。这种混合策略不仅提高了全局寻优能力还加快了计算效率。 #### 卷积神经网络(CNN)/时空卷积网络(TCN) 对于某些特定场景下的时间序列分析任务来说,一维卷积操作可能带来更好的表现效果。比如CNN可以通过滑动窗口方式自动提取局部空间特性;而TCNs则进一步增强了因果性和稳定性约束条件从而更适合实时在线监控场合的应用需求。 #### 极限学习机(ELM)家族成员 相比其他类型的MLPs而言,极端随机森林或者叫作Extreme Learning Machines (ELMs),它们具备更快的学习速率并且只需要调节少量超参即可获得满意的结果。此外还有核化版KELM以及正则项增强型RELM等多种变体可供选择以适应不同规模的数据集特点。 #### GRU及其他变种形式 Gated Recurrent Unit(GRU), Bi-directional Gated Recurrent Units(Bi-GRUs)等也是当前热门的研究方向之一。相比于完整的LTSM单元结构更加简化紧凑的同时保留了必要的控制逻辑部件因此运行成本更低但依然保持较高的准确性水平。 ---
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