利用MATLAB 2016a进行BP神经网络的预测（含有神经网络工具箱）

谁践踏了优雅 2022-05-21 05:09 351阅读 0赞

# 利用MATLAB 2016a进行BP神经网络的预测（含有神经网络工具箱）    #

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][bp_Matlab]这篇博文，运用matlab 2016a,给出了下面的代码，并最终进行了预测

clc

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%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t

p=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0.9

net.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pnew

pnew=\[313,256,239\]';

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：

![Center][]

BP神经网络的结果分析图

![Center 1][]

训练数据的梯度和均方误差之间的关系图

![Center 2][]

验证数据的梯度与学习次数

![Center 3][]

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

![Center 4][]

![Center 5][]

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）

![Center 6][]

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

![Center 7][]

4：隐层神经元的确定  
  
![Center 8][]  
  
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  
  
 ![Center 9][]  
  
  
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  
  
 ![Center 10][]  
  
![Center 11][]  
  
![Center 12][]

![Center 13][]  
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  
  
![Center 14][]

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。  
nnderivative - 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。

[bp_Matlab]: http://blog.sina.com.cn/s/blog_5f853eb10100zyib.html
[Center]: /images/20220521/afbec541b1344a4b8ac69a3e423d4d68.png
[Center 1]: /images/20220521/e0974ccbe67d45e3ac23c6a4601edbb0.png
[Center 2]: /images/20220521/8a9ef5cf7dda4ac282ce8f3751c1c9c1.png
[Center 3]: /images/20220521/ab4aebd003eb43dc92ca146d140c7157.png
[Center 4]: /images/20220521/b92b27499e684d1fb0f204e84b14b6d2.png
[Center 5]: /images/20220521/e9e56ad1ee5140c2ab52fc2f8cac8059.png
[Center 6]: /images/20220521/326f1030c25943bd825722a5a0805b79.png
[Center 7]: /images/20220521/a9203bfdb3574a2a9775ea5c1efd09c4.png
[Center 8]: /images/20220521/549aff13db5749aca8e7b14b273e9567.png
[Center 9]: /images/20220521/4a2ba3bbfdc4481ca6218a0b0195e348.png
[Center 10]: /images/20220521/d698a044836341bb956ff0eb233b80d0.png
[Center 11]: /images/20220521/0ad25de672064500aecbeaf407fed815.png
[Center 12]: /images/20220521/3e99407e092c4d74bc903bace5029c89.png
[Center 13]: /images/20220521/3010823585084f4e99c7751bd018c7b8.png
[Center 14]: /images/20220521/5fd5fcea7575485a995c82cd7bca575b.png