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神经网络模型在柴北缘-东昆仑造山型金矿预测的应用

神经网络模型在柴北缘-东昆仑造山型金矿预测的应用 BP神经网络模型在柴达木北缘-东昆仑造山型金矿预测中的应用

引自:(1)陈郑辉 肖克炎(2)杨宏 李海滨 (1中国地质科学院矿产资源研究所,北京 100037)(2吉林大学,吉林 长春130026) Application of BP Model in Forecast of Orogenic Gold Deposits in North Qaidam and East Kunlun Orogen ,West China Chen Zhenghui , Xiao Keyan , Yang Hong and Li Haibin (1 Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China; 2 Jilin University , Changchun 130026, Jilin, China) 摘 要 本文简要探讨了多阶层神经网络及误差逆传播学习算法(BP 模型)的结构和该算法的实施过程,并研究了 BP 模型在矿产资源综合评价中的应用。以应用柴北缘—东昆仑地区造山型金矿数据进行预测为例,证实BP 模型方法是一种有效的矿产资源评价方法。 20 世纪 80 年代中后期,在美国、日本等一些工业发达国家里,掀起了一股竞相研究开发人工神经网络的热潮,1987 年 6 月首届国际神经网络学术会议在美国加利福尼亚州召开,并成立了国际神经网络协会(International Neural Networks Society,简称为 INNS)。随后我国一些数学家和计算机科学家开始对这一领域产生兴趣,开展了一定的研究工作。近几年来,在神经网络这个涉及多种学科的现代信息高新技术领域中,吸引了众多的神经生理学家、心理学家、数理学家、计算机与信息工程学家以及工程企业家等。大量有关神经网络运行机理、神经计算机、网络模型与学习算法、特征分析以及各方面的应用文章,像雨后春笋涌现在学术会议和报刊杂志上,成为当代高科技领域中研究的热点。 1 神经网络BP模型概述 人工神经网络是数理科学与认识科学相结合的产物,它是一个并行、分布处理结构,由处理单元及称为联结的无向信号通道互连而成。这些处理单元具有局部内存,可以完成局部操作。每个处理单元单一的输出联结,这个输出可以根据需要被分支成希望个数的许多并行联结,而这些并行联结都输出相同的信号,即相应处理单元的信号,信号的大小不因分支的多少而变化。处理单元的输出可以是任何需要的数学模型,每个处理单元中进行的操作必须是完全局部的。也就是说,它必须仅仅依赖于经过输入联结到达处理单元的所有输入信号的当前值和存储在处理单元局部内存中的值。[next] 多阶层神经网络及误差逆传播学习算法(Error Back-propagation—EBP,或称之为前反馈神经网络—BP学习算法)是目前应用最广、实现途径最直观、运算机制最易理解、研究深入的一种人工神经网络。误差逆传播学习算法是 Pall Werbas 博士于1974年在他的博士论文中首先提出来的。 BP 神经网络是一种具有三层或三层以上阶层型结构的神经网络。层间各种神经元实现全连接,即下层的每一个单元与上层的每个单元都实现权连接,而每层各种神经元之间不连接。网络按有导师示教的方式进行监督训练学习,当一对学习模式提供给网络后,神经元的激活值,从输入层经各中间层向输出层传播,在输出层的各种神经元均获得网络的输入响应。并按照减少希望输出值与实际输出值之间误差的方向,从输出层经各中间层逐层修正各误差,最后回到输入层,所以称作“误差逆传播算法”。随着这种误差逆传播修正的不断进行,网络对输入模式响应的正确率也不断上升。最后在达到允许的误差范围内,网络达到平衡状态(实际输出值接近于希望输出值)而自动收敛。由于BP 神经网络及其算法增设了中间隐含层并且有相应的学习规则可循,使其具有对非线性模式的识别能力。尤其是其数学意义明确、算法步骤分明,更使其具有广泛的应用前景。

图1 BP网络的基本结构图[下一步]

实现算法原理BP网络特点:前馈多层,每层仅作用于相邻的下层,信息前馈,误差反馈有导师训练。针对第l层:zl= wlyl-1 yl=f(zl) l=1,2,Λ,L, 其中 y0 = x, yL= y(—),已知对照输出y,先对wlij (l =1,Λ L,)赋初值,近于0的随机数, 根据具有n个输入x1,λ xn (n个已知样本)的已知模型样本的结果y = y1,λyg,修改w1以最小化误差的平方和。计算δ Li: (1)当l=L时,Ek是第k个已知样本的误差,(2)当L变量名重砂异常、水化异常、化探异常、地质图、重力构造(GS)、磁构造线(MS)、深断裂构造线专题重砂异常的存在标志着水化异常的存在,地球化学异常的峰值,地球化学异常的对比度,地球化学异常的元素平均值,地球化学异常的异常面积,地质图的强度,重力结构的熵值,磁性构造线的存在,预测面积单元与深大断裂的距离,构造线密度。矿点专题造山型金矿的存在标志着金矿的密度。 2.3 划分预测单元 预测工作是通过划分单元进行的,预测的结果是与单元有着较为直接的联系,在已知找矿模型基础上,以最大限度地浓缩成矿信息和最小预测单元面积为原则,通过对研究区内地质、地球物理、地球化学、遥感资料的综合分析,采用 40×40 网格单元,将研究区划分成774个单元,应用BP神经网络模型对东昆仑地区进行预测。[next] 2.4 变量选择 本次试验BP神经网络模型算法,按柴北缘—东昆仑地区的多源信息找矿模型,选择出如下的预测变量(表1)。 2.5 BP模型预测结果 本次BP神经网络模型算法中,给定的迭代次数为2000,预先选择的模型单元类别为6类。通过在屏幕上选择模型样本进行计算,计算的最终分类结果赋予不同的颜色,最终获得BP模型预测单元的分类结果,具体结果见图2。

图2 预测结果图[next] 3 结 论 本次利用基于 MAPGIS 平台上开发的矿产资源潜力评价系统(MRAS)作为实现BP模型的基础,并且利用地调项目《东昆仑综合找矿预测与突破项目》提供的预测数据进行柴北缘—东昆仑地区造山型金矿预测的BP模型的试研究,获得较好的预测结果。为新方法新模型在矿产资源综合评价中的应用提供了研究思路,即人工神经网络BP模型能够作为矿产资源评价方法进行推广应用。参 考 文 献陈守余,周梅春. 2000.人工神经网络模拟实现与应用.北京:中国地质大学出版社. 陈郑辉. 2001.矿产资源GIS 评价新方法及新模型[硕士论文].导师:肖克炎.北京:中国地质科学院矿产资源研究所. 从 爽. 2001.神经网络、模糊系统及其在运动控制中的应用. 合肥:中国科学技术大学出版社. 蒋宗礼. 2000.人工神经网络导论. 北京:高等教育出版社出版. 阎平凡, 张长水. 2000. 人工神经网络与模拟进化计算. 北京: 清华大学出版社. 肖克炎,张晓华,王四龙,等. 2000.矿产资源GIS 评价系统. 北京:地质出版社. 王万森. 2000. 人工智能原理及其应用. 北京: 电子工业出版社. 张德全,丰成友,李大新,等. 2001.柴北缘-东昆仑地区的造山型金矿床.矿床地质, 20(2):137~146. 张志华,朱章森,章奇志. 1997.数学地质的一种新技术――神经网络和其它方法的融合技术. 中国数学地质, 8. 
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