MATLAB人工神經網路ANN程式碼

瘋狂學習GIS發表於2023-02-09
Matlab神經網路

  本文介紹基於MATLAB實現人工神經網路（ANN）迴歸的詳細程式碼與操作。

目錄

  在之前的文章MATLAB實現隨機森林（RF）迴歸與自變數影響程度分析中，我們對基於MATLAB的隨機森林（RF）迴歸與變數影響程度（重要性）排序的程式碼加以詳細講解與實踐。本次我們繼續基於MATLAB，對另一種常用的機器學習方法——神經網路方法加以程式碼實戰。

  首先需要註明的是，在MATLAB中，我們可以直接基於“APP”中的“Neural Net Fitting”工具箱實現在無需程式碼的情況下，對神經網路演算法加以執行。

  基於工具箱的神經網路方法雖然方便，但是一些引數不能調整；同時也不利於我們對演算法、程式碼的理解。因此，本文不利用“Neural Net Fitting”工具箱，而是直接透過程式碼將神經網路方法加以執行——但是，本文的程式碼其實也是透過上述工具箱執行後生成的；而這種生成神經網路程式碼的方法也是MATLAB官方推薦的方式。

  另外，需要注意的是，本文直接進行神經網路演算法的執行，省略了前期資料處理、訓練集與測試集劃分、精度衡量指標選取等。因此建議大家先將文章MATLAB實現隨機森林（RF）迴歸與自變數影響程度分析閱讀後，再閱讀本文。

  本文分為兩部分，首先是將程式碼分段、詳細講解，方便大家理解；隨後是完整程式碼，方便大家自行嘗試。

1 分解程式碼

1.1 迴圈準備

  由於機器學習往往需要多次執行，我們就在此先定義迴圈。

%% ANN Cycle Preparation

ANNRMSE=9999;
ANNRunNum=0;
ANNRMSEMatrix=[];
ANNrAllMatrix=[];
while ANNRMSE>400

  其中，ANNRMSE是初始的RMSE；ANNRunNum是神經網路演算法當前執行的次數；ANNRMSEMatrix用來儲存每一次神經網路執行後所得到的RMSE結果；ANNrAllMatrix用來儲存每一次神經網路執行後所得到的皮爾遜相關係數結果；最後一句表示當所得到的模型RMSE>400時，則停止迴圈。

1.2 神經網路構建

  接下來，我們對神經網路的整體結構加以定義。

%% ANN

x=TrainVARI';
t=TrainYield';
trainFcn = 'trainlm';
hiddenLayerSize = [10 10 10];
ANNnet = fitnet(hiddenLayerSize,trainFcn);

  其中，TrainVARI、TrainYield分別是我這裡訓練資料的自變數（特徵）與因變數（標籤）；trainFcn為神經網路所選用的訓練函式方法名稱，其名稱與對應的方法對照如下表：

  hiddenLayerSize為神經網路所用隱層與各層神經元個數，[10 10 10]代表共有三層隱層，各層神經元個數分別為10，10與10。

1.3 資料處理

  接下來，對輸入神經網路模型的資料加以處理。

ANNnet.input.processFcns = {'removeconstantrows','mapminmax'};
ANNnet.output.processFcns = {'removeconstantrows','mapminmax'};
ANNnet.divideFcn = 'dividerand';
ANNnet.divideMode = 'sample';
ANNnet.divideParam.trainRatio = 0.6;
ANNnet.divideParam.valRatio = 0.4;
ANNnet.divideParam.testRatio = 0.0;

  其中，ANNnet.input.processFcns與ANNnet.output.processFcns分別代表輸入模型資料的處理方法，'removeconstantrows'表示刪除在各樣本中數值始終一致的特徵列，'mapminmax'表示將資料歸一化處理；divideFcn表示劃分資料訓練集、驗證集與測試集的方法，'dividerand'表示依據所給定的比例隨機劃分；divideMode表示對資料劃分的維度，我們這裡選擇'sample'，也就是對樣本進行劃分；divideParam表示訓練集、驗證集與測試集所佔比例，那麼在這裡，因為是直接用了先前隨機森林方法（可以看這篇部落格）中的資料劃分方式，那麼為了保證訓練集、測試集的固定，我們就將divideParam.testRatio設定為0.0，然後將訓練集與驗證集比例劃分為0.6與0.4。

1.4 模型訓練引數配置

  接下來對模型執行過程中的主要引數加以配置。

ANNnet.performFcn = 'mse';
ANNnet.trainParam.epochs=5000;
ANNnet.trainParam.goal=0.01;

  其中，performFcn為模型誤差衡量函式，'mse'表示均方誤差；trainParam.epochs表示訓練時Epoch次數，trainParam.goal表示模型所要達到的精度要求（即模型執行到trainParam.epochs次時或誤差小於trainParam.goal時將會停止執行）。

1.5 神經網路實現

  這一部分程式碼大多數與繪圖、程式碼與GUI生成等相關，因此就不再一一解釋了，大家可以直接執行。需要注意的是，train是模型訓練函式。

% For a list of all plot functions type: help nnplot
ANNnet.plotFcns = {'plotperform','plottrainstate','ploterrhist','plotregression','plotfit'};
[ANNnet,tr] = train(ANNnet,x,t);
y = ANNnet(x);
e = gsubtract(t,y);
performance = perform(ANNnet,t,y);
% Recalculate Training, Validation and Test Performance
trainTargets = t .* tr.trainMask{1};
valTargets = t .* tr.valMask{1};
testTargets = t .* tr.testMask{1};
trainPerformance = perform(ANNnet,trainTargets,y);
valPerformance = perform(ANNnet,valTargets,y);
testPerformance = perform(ANNnet,testTargets,y);
% view(net)
% Plots
%figure, plotperform(tr)
%figure, plottrainstate(tr)
%figure, ploterrhist(e)
%figure, plotregression(t,y)
%figure, plotfit(net,x,t)
% Deployment
% See the help for each generation function for more information.
if (false)
    % Generate MATLAB function for neural network for application
    % deployment in MATLAB scripts or with MATLAB Compiler and Builder
    % tools, or simply to examine the calculations your trained neural
    % network performs.
    genFunction(ANNnet,'myNeuralNetworkFunction');
    y = myNeuralNetworkFunction(x);
end
if (false)
    % Generate a matrix-only MATLAB function for neural network code
    % generation with MATLAB Coder tools.
    genFunction(ANNnet,'myNeuralNetworkFunction','MatrixOnly','yes');
    y = myNeuralNetworkFunction(x);
end
if (false)
    % Generate a Simulink diagram for simulation or deployment with.
    % Simulink Coder tools.
    gensim(ANNnet);
end

1.6 精度衡量

%% Accuracy of ANN

ANNPredictYield=sim(ANNnet,TestVARI')';
ANNRMSE=sqrt(sum(sum((ANNPredictYield-TestYield).^2))/size(TestYield,1));
ANNrMatrix=corrcoef(ANNPredictYield,TestYield);
ANNr=ANNrMatrix(1,2);
ANNRunNum=ANNRunNum+1;
ANNRMSEMatrix=[ANNRMSEMatrix,ANNRMSE];
ANNrAllMatrix=[ANNrAllMatrix,ANNr];
disp(ANNRunNum);
end
disp(ANNRMSE);

  其中，ANNPredictYield為預測結果；ANNRMSE、ANNrMatrix分別為模型精度衡量指標RMSE與皮爾遜相關係數。結合本文1.1部分可知，我這裡設定為當所得神經網路模型RMSE在400以內時，將會停止迴圈；否則繼續開始執行本文1.2部分至1.6部分的程式碼。

1.7 儲存模型

  這一部分就不再贅述了，大家可以參考文章MATLAB實現隨機森林（RF）迴歸與自變數影響程度分析。

%% ANN Model Storage

ANNModelSavePath='G:\CropYield\02_CodeAndMap\00_SavedModel\';
save(sprintf('%sRF0417ANN0399.mat',ANNModelSavePath),'TestVARI','TestYield','TrainVARI','TrainYield','ANNnet','ANNPredictYield','ANNr','ANNRMSE',...
    'hiddenLayerSize');

2 完整程式碼

  完整程式碼如下：

%% ANN Cycle Preparation
ANNRMSE=9999;
ANNRunNum=0;
ANNRMSEMatrix=[];
ANNrAllMatrix=[];
while ANNRMSE>1000

%% ANN
x=TrainVARI';
t=TrainYield';
trainFcn = 'trainlm';
hiddenLayerSize = [10 10 10];
ANNnet = fitnet(hiddenLayerSize,trainFcn);
ANNnet.input.processFcns = {'removeconstantrows','mapminmax'};
ANNnet.output.processFcns = {'removeconstantrows','mapminmax'};
ANNnet.divideFcn = 'dividerand';
ANNnet.divideMode = 'sample';
ANNnet.divideParam.trainRatio = 0.6;
ANNnet.divideParam.valRatio = 0.4;
ANNnet.divideParam.testRatio = 0.0;
ANNnet.performFcn = 'mse';
ANNnet.trainParam.epochs=5000;
ANNnet.trainParam.goal=0.01;
% For a list of all plot functions type: help nnplot
ANNnet.plotFcns = {'plotperform','plottrainstate','ploterrhist','plotregression','plotfit'};
[ANNnet,tr] = train(ANNnet,x,t);
y = ANNnet(x);
e = gsubtract(t,y);
performance = perform(ANNnet,t,y);
% Recalculate Training, Validation and Test Performance
trainTargets = t .* tr.trainMask{1};
valTargets = t .* tr.valMask{1};
testTargets = t .* tr.testMask{1};
trainPerformance = perform(ANNnet,trainTargets,y);
valPerformance = perform(ANNnet,valTargets,y);
testPerformance = perform(ANNnet,testTargets,y);
% view(net)
% Plots
%figure, plotperform(tr)
%figure, plottrainstate(tr)
%figure, ploterrhist(e)
%figure, plotregression(t,y)
%figure, plotfit(net,x,t)
% Deployment
% See the help for each generation function for more information.
if (false)
    % Generate MATLAB function for neural network for application
    % deployment in MATLAB scripts or with MATLAB Compiler and Builder
    % tools, or simply to examine the calculations your trained neural
    % network performs.
    genFunction(ANNnet,'myNeuralNetworkFunction');
    y = myNeuralNetworkFunction(x);
end
if (false)
    % Generate a matrix-only MATLAB function for neural network code
    % generation with MATLAB Coder tools.
    genFunction(ANNnet,'myNeuralNetworkFunction','MatrixOnly','yes');
    y = myNeuralNetworkFunction(x);
end
if (false)
    % Generate a Simulink diagram for simulation or deployment with.
    % Simulink Coder tools.
    gensim(ANNnet);
end

%% Accuracy of ANN
ANNPredictYield=sim(ANNnet,TestVARI')';
ANNRMSE=sqrt(sum(sum((ANNPredictYield-TestYield).^2))/size(TestYield,1));
ANNrMatrix=corrcoef(ANNPredictYield,TestYield);
ANNr=ANNrMatrix(1,2);
ANNRunNum=ANNRunNum+1;
ANNRMSEMatrix=[ANNRMSEMatrix,ANNRMSE];
ANNrAllMatrix=[ANNrAllMatrix,ANNr];
disp(ANNRunNum);
end
disp(ANNRMSE);

%% ANN Model Storage
ANNModelSavePath='G:\CropYield\02_CodeAndMap\00_SavedModel\';
save(sprintf('%sRF0417ANN0399.mat',ANNModelSavePath),'AreaPercent','InputOutput','nLeaf','nTree',...
    'RandomNumber','RFModel','RFPredictConfidenceInterval','RFPredictYield','RFr','RFRMSE',...
    'TestVARI','TestYield','TrainVARI','TrainYield','ANNnet','ANNPredictYield','ANNr','ANNRMSE',...
    'hiddenLayerSize');

  至此，大功告成。

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