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        基于Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高校評(píng)估模型構(gòu)建

        2013-08-20 11:56:20谷保平郭紅艷
        關(guān)鍵詞:神經(jīng)元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

        谷保平,郭紅艷

        (河南廣播電視大學(xué),鄭州 450000)

        一、引言

        高校評(píng)估是考核高校辦學(xué)綜合實(shí)力的一個(gè)重要方法,評(píng)估結(jié)果的高低已經(jīng)成為衡量一所高校綜合實(shí)力的重要指標(biāo)。如何準(zhǔn)確對(duì)高校進(jìn)行評(píng)價(jià)已成為一個(gè)十分重要的問題。目前,高校評(píng)估無固定的模式,評(píng)估項(xiàng)目多且復(fù)雜,很多評(píng)價(jià)因子之間相互影響,評(píng)價(jià)過程及時(shí)間比較長(zhǎng),工作煩瑣,且人為主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有很大影響,如何快速、準(zhǔn)確地對(duì)眾多高校評(píng)估進(jìn)行客觀、公正地評(píng)價(jià)?這是目前有待解決的一個(gè)問題。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高校評(píng)估進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),利用離散型Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有聯(lián)想記憶的功能,對(duì)數(shù)字進(jìn)行識(shí)別取得滿意的效果,計(jì)算收斂速度很快。最后,利用Matlab工具箱函數(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),并獲得了不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)效果。

        二、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

        1982年,J.Hopfield首先提出了一個(gè)單層全互連反饋型全連接型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),從計(jì)算的角度上講,它具有很強(qiáng)的計(jì)算能力;從穩(wěn)定性上講,穩(wěn)定性是這類具有聯(lián)想記憶功能神經(jīng)模型的核心。Hopfield最早提出的網(wǎng)絡(luò)是二值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),所有輸入進(jìn)神經(jīng)元i的值小于0時(shí),那么神經(jīng)元i的輸出為-1;i的值大于0時(shí),那么神經(jīng)元i的輸出為1,并且神經(jīng)元與他本身的權(quán)值為0。[1]下圖1是以一個(gè)由3個(gè)神經(jīng)元組成的離散型Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例。

        圖1離散型Hopfield結(jié)構(gòu)圖

        從圖1中可以看出,第0層不是實(shí)際的神經(jīng)元,可以看作Hopfield網(wǎng)絡(luò)的輸入層,缺少進(jìn)行運(yùn)算的功能;第1層是實(shí)際的神經(jīng)元層,有很強(qiáng)的計(jì)算功能,故而能對(duì)輸入信息和權(quán)重進(jìn)行復(fù)雜的求和運(yùn)算,經(jīng)一個(gè)簡(jiǎn)單的閾值函數(shù)處理后產(chǎn)生輸出信息。計(jì)算公式如下:

        在上面公示中,xj為外部輸入。其中yj為下列取值:

        一個(gè)離散型Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)信息情況是輸出的所有信息的集合,一個(gè)具有n個(gè)輸出層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其某一個(gè)時(shí)刻(t)的狀態(tài)為一個(gè)n維向量:

        因?yàn)?yi(t)(i=1,2,…,n)可以取值為 1 或-1,故 n維向量Y(t)有2n種狀態(tài),即網(wǎng)絡(luò)有2n種狀態(tài)??紤]Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一般節(jié)點(diǎn)狀態(tài),用yj(t)表示第j個(gè)神經(jīng)元,即節(jié)點(diǎn)j在時(shí)刻t的狀態(tài),則節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)時(shí)刻(t+1)的狀態(tài)可以求得:

        Hopfield網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行步驟:

        步驟1:對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化;

        步驟2:從網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選擇一個(gè)神經(jīng)元i;

        步驟 3:計(jì)算該神經(jīng)元 i的 ui(t);

        步驟 4:計(jì)算該神經(jīng)元 i的輸出 vi(t+1);

        步驟5:判斷網(wǎng)絡(luò)是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),若達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或滿足給定條件則結(jié)束;否則轉(zhuǎn)到步驟2繼續(xù)運(yùn)行[2]。

        從上面可以看出,Hopfield網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)方式運(yùn)行,其工作過程為神經(jīng)元狀態(tài)的演化過程,即從初始狀態(tài)按“能量”減少的方向進(jìn)行演化,其能量值不斷減少,最后處于最小值直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)定義為:如果網(wǎng)絡(luò)從某一時(shí)刻以后,狀態(tài)不再發(fā)生變化,則稱網(wǎng)絡(luò)處于穩(wěn)定狀態(tài)。[3]

        即: v(t+Δt)=v(t),Δt>0

        三、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高校評(píng)估模型

        高校評(píng)估模型評(píng)價(jià)因子有很多,根據(jù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),本文選取了學(xué)校教育評(píng)估指標(biāo)較為重要的12個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子。如圖1所示:校園規(guī)模(X1)、儀器設(shè)備數(shù)量(X2)、高級(jí)職稱教師人數(shù)(X3)、碩博教師人數(shù)(X4)、重點(diǎn)專業(yè)(X5)、精品課程(X6)、在校生人數(shù)(X7)、首次就業(yè)率(X8)、重點(diǎn)學(xué)科(X9)、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及基地(X10)、各級(jí)項(xiàng)目(X11)、論文及成果獎(jiǎng)勵(lì)(X12)。 高校評(píng)估一般分為五個(gè)等級(jí):優(yōu)秀(A)、良好(B)、合格(C)、基本合格(D)和不合格(E)。[4]

        圖2高校評(píng)估綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

        四、實(shí)驗(yàn)

        1.模型建立及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        本文數(shù)據(jù)是對(duì)12所高校的評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類整理,選取比較重要的12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估,并結(jié)合離散 Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)想記憶能力,建立離散Hopfield高校評(píng)估評(píng)價(jià)模型。本文的設(shè)計(jì)步驟主要包括如下5個(gè)步驟,如圖3所示。

        圖3模型建立流程圖

        表1 12所高校評(píng)估等級(jí)及對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

        2.理想等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

        根據(jù)表1所示高校評(píng)估等級(jí)及數(shù)據(jù),為了增加評(píng)估的公平和合理性,可以將上表1中不同等級(jí)的樣本值求其平均數(shù)來作為各個(gè)理想評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)理想評(píng)價(jià)指標(biāo),找出不同等級(jí)(A、B、C、D 和 E)的平衡點(diǎn),為其后評(píng)估其他待評(píng)價(jià)高校作為依據(jù)。評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

        3.等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)編碼。

        要將評(píng)價(jià)指標(biāo)和神經(jīng)元的狀態(tài)進(jìn)行一一映射處理,需要對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行編碼處理,因?yàn)殡x散型Hopfield神經(jīng)元有兩種狀態(tài)1和-1。所以通常的編碼方法如下:當(dāng)評(píng)估指標(biāo)大于等于理想評(píng)估指標(biāo)時(shí),此時(shí)該神經(jīng)元用“1”來表示,為了方便顯示,用“●”表示神經(jīng)元狀態(tài)為“1”;反之,當(dāng)評(píng)估指標(biāo)小于理想評(píng)估指標(biāo)時(shí),此時(shí)該神經(jīng)元用“-1”來表示,為了方便顯示,用“○”表示神經(jīng)元狀態(tài)為“-1”。下圖4是理想的5個(gè)等級(jí)評(píng)估指標(biāo)編碼后的圖形。

        表2 5個(gè)等級(jí)理想評(píng)價(jià)指標(biāo)

        圖4 理想的5個(gè)等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)編碼

        4.評(píng)價(jià)模型實(shí)現(xiàn)。

        由圖 4編碼好理想評(píng)價(jià)指標(biāo)(A、B、C、D 和 E)后,下面在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。首先利用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)newhop()函數(shù)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò),調(diào)用格式net=newhop(T),其中,T指具有Q個(gè)目標(biāo)向量的R*Q矩陣 (元素必須為-1或1),net指生成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),具有在T中的向量上穩(wěn)定的點(diǎn)。然后,作為離散Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平衡點(diǎn),將數(shù)據(jù)保存在class.mat文件中,待分類的5所高校評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表3所示,根據(jù)不同高校的評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的編碼,編碼結(jié)果如表3所示。最后,利用Matlab自帶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)sim()進(jìn)行仿真,將仿真結(jié)果以圖形的形式呈現(xiàn)出來[5]。

        表3 5所待評(píng)價(jià)高校評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)

        5.評(píng)價(jià)結(jié)果與分析。

        仿真結(jié)果如圖5和圖6所示,圖5表示5所高校評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)編碼;圖6為Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類的結(jié)果。從圖5和圖6中可以清晰地表明,本文提出的方法可以有效地對(duì)待評(píng)價(jià)的高校評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分類,能正確評(píng)估出各個(gè)高校的評(píng)估等級(jí),結(jié)果相對(duì)合理公正,操作方便可行[6]。

        五、結(jié)論

        圖5 5所待評(píng)估高校的數(shù)據(jù)編碼

        圖6 5所高校評(píng)估結(jié)果

        本文針對(duì)高校評(píng)估過程中很多不確定性因素,利用離散Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立高校評(píng)估的評(píng)價(jià)模型。通過Matlab仿真實(shí)驗(yàn)表明,該方法能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)高校的評(píng)估等級(jí),能自動(dòng)建立輸入和輸出之間的映射關(guān)系,操作簡(jiǎn)單方便,結(jié)果公正合理,具有很好的實(shí)用價(jià)值。然而對(duì)于一些比較極端的數(shù)據(jù)情況,評(píng)估模型不能很好地評(píng)價(jià)出正確的結(jié)果,對(duì)于這些極端的數(shù)據(jù)情況,是下一步研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

        [1] 焦李成.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版,1993.

        [2] 高雋.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理及仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

        [3] 曾水玲,楊靜宇,徐蔚鴻.一種模糊Hopfield網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法及性質(zhì)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2010,37(12).

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