基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小麥碰撞聲信號分類

摘要：小麥在儲藏階段由于各種災(zāi)害導(dǎo)致?lián)p失巨大，并降低了面粉質(zhì)量，及時檢測并分離小麥的受損顆粒迫在眉睫。文章以提取4類小麥碰撞聲信號為基礎(chǔ)，使用數(shù)字信號處理方法對小麥完好粒、蟲害粒、霉變粒及發(fā)芽粒的碰撞聲信號提取有效特征，最后利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類，對于3類小麥類型的識別取得了較好的識別率。應(yīng)用結(jié)果表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠較好地實現(xiàn)區(qū)分受損小麥顆粒與完好小麥顆粒。
關(guān)鍵詞：檢測方法；碰撞聲信號；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

    糧食收獲后，由于各種蟲害或自然災(zāi)害導(dǎo)致的損失非常巨大。只有準(zhǔn)確地檢測出受損顆粒，才能做到有目的的防治，所以發(fā)展和提高對小麥?zhǔn)軗p顆粒的檢測方法及結(jié)果，至關(guān)重要。傳統(tǒng)的儲糧害蟲檢測法有取樣法和誘集法，隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了聲測法、近紅外光譜法、X射線法、電導(dǎo)法、微波雷達(dá)法、圖像識別法和電子鼻法等，這些方法各有其優(yōu)勢和一定的局限性?；诼曁卣鞯膬Z害蟲檢測方法由于其無損、方便、價格低廉、快速等優(yōu)點正逐漸被廣泛應(yīng)用，在各種儲糧害蟲聲檢測方法中，基于碰撞聲信號的檢測方法正開始被應(yīng)用于各種害蟲檢測和糧食受損顆粒的分類中。
    人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)類似于人腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)，并利用其神經(jīng)元進(jìn)行信息處理的數(shù)學(xué)模型，它能夠模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對真實世界物體所做出的交互反映。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究始于20世紀(jì)40年代，由于其具有分布并行處理、非線性逼近能力、自適應(yīng)學(xué)習(xí)和較好的容錯性，經(jīng)過70多年的發(fā)展，受到眾多領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的關(guān)注，并已應(yīng)用于模式識別、人工智能領(lǐng)域、控制工程領(lǐng)域、優(yōu)化計算和聯(lián)想記憶和信號處理等領(lǐng)域。
文章使用碰撞聲檢測系統(tǒng)錄制小麥完好粒、蟲害粒、霉變粒以及發(fā)芽粒的碰撞聲信號，使用數(shù)字信號處理方法對聲音信號進(jìn)行預(yù)處理、特征提取，并使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對4類聲音進(jìn)行分類識別，對其中3類小麥顆粒的分類取得了令人滿意的效果。實驗結(jié)果顯示：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有運(yùn)算速度快、識別率高、算法簡單等優(yōu)點。

1 小麥碰撞聲識別系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
    圖1為基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小麥碰撞聲識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。將小麥完好粒、蟲害粒、霉變粒以及發(fā)芽粒分別逐粒通過碰撞聲裝置，同時麥克風(fēng)放大碰撞聲音，計算機(jī)錄制碰撞聲信號，并對原始信號進(jìn)行一系列預(yù)處理操作，包括對原始聲音信號進(jìn)行去噪、截取等處理。隨后使用適當(dāng)?shù)奶卣魈崛》椒ǚ謩e提取4類麥粒的特征參數(shù)，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類得到識別結(jié)果，最后輸出結(jié)果。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理
    BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常為多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式，其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法也叫誤差反向傳播算法，屬于有導(dǎo)師的學(xué)習(xí)算法。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括3層，分別是：輸入層、隱藏層和輸出層。輸入層接收輸入向量，輸入層神經(jīng)元獲取外部輸入的信息傳送至中間層即隱藏層，隱藏層至少包含1層，也可包含2層或3層等，輸出層接收隱藏層傳送的信息，并輸出仿真結(jié)果。圖2顯示了一個典型的3層BP網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

    BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息的傳播過程分為正向傳播和反向傳播2個過程，其基本思想是：輸入層神經(jīng)元獲取外部輸入的信息，將其傳送給中間層各神經(jīng)元，中間層各神經(jīng)元將接收到的信息進(jìn)行變換處理，再由最后一個中間層將信息傳送給輸出層各神經(jīng)元，完成信息的一次正向傳播過程；將輸出層的實際輸出與期望的輸出值進(jìn)行比較，如果二者的誤差值不在預(yù)期的誤差范圍內(nèi)，則進(jìn)行誤差反向傳播，由輸出層通過梯度下降方式調(diào)整各層的聯(lián)接權(quán)值和閾值，向中間層和輸入層逐層反傳誤差；不斷循環(huán)正向傳播和反向傳播，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程，直到實際輸出值和期望輸出值的誤差達(dá)到預(yù)先設(shè)定的要求。

3 試驗方法
3．1 聲音數(shù)據(jù)
    利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對小麥顆粒進(jìn)行分類時，首先需要充足的樣本，即充足的小麥顆粒信號樣本，實驗所需樣本均來自西安市長安區(qū)大居安村某農(nóng)戶糧倉。同時還需要從樣本中盡可能多地提取相應(yīng)的有效特征數(shù)據(jù)。為了監(jiān)控訓(xùn)練過程避免網(wǎng)絡(luò)發(fā)生“過擬合”，同時提高所建立的網(wǎng)絡(luò)模型的推廣、識別能力，需將實驗數(shù)據(jù)隨機(jī)分為訓(xùn)練樣本和驗證樣本。本實驗共錄制小麥碰撞聲信號600個，其中小麥完好粒、蟲害粒、霉變粒和發(fā)芽粒的碰撞聲樣本各150個，每類小麥樣本取100個作為訓(xùn)練樣本，剩余未參與訓(xùn)練的50個樣本作為驗證樣本。
3．2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
    BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量數(shù)目要依據(jù)專業(yè)知識及經(jīng)驗來確定。先選用2至3個特征嘗試對樣本進(jìn)行分類，如果識別效果不理想，可繼續(xù)尋找有效的特征直至達(dá)到理想的識別率為止。輸出變量可以是一個，也可以是多個。
    由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層一般采用Sigmoid傳遞函數(shù)，為了提高訓(xùn)練速度、靈敏性和方便計算，并且有效避開Sigmoid函數(shù)的飽和區(qū)，防止部分神經(jīng)元達(dá)到過飽和狀態(tài)，一般情況下，要求輸入數(shù)據(jù)的值介于。因此在訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)前，對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。Matlab中自帶多個歸一化函數(shù)：premnmx、prestd等。還可編寫歸一化公式，例如：
    X=(x(i)-xmin)／(xmax-xmin)      (1)
    其中，x(i)表示第i個作為輸入特征向量，xmin=min(x(i))，xmax=max(x(i))，得到X的范圍為[0，1]。文中采用公式(1)對輸入特征向量進(jìn)行歸一化處理。
3．3 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練
    本實驗選用具有2個隱層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，隱藏層的節(jié)點數(shù)目分別設(shè)置為20，10。在輸入層用線性函數(shù)作為傳遞函數(shù)，在隱層和輸出層用非線性雙曲正切函數(shù)作為傳遞函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)率為0．000 1。
    不同的輸出數(shù)據(jù)類型決定了網(wǎng)絡(luò)的輸出層節(jié)點數(shù)目，由于實驗中包含小麥完好粒、蟲害粒、霉變粒和發(fā)芽粒，因此待分類的樣本種類為4，對應(yīng)的輸出層的節(jié)點數(shù)也相應(yīng)確定為4。文中采用二進(jìn)制形式表示4類小麥碰撞聲信號的仿真結(jié)果，令小麥完好粒的對應(yīng)輸出為000 1，蟲害粒的對應(yīng)輸出為0010，霉變粒的對應(yīng)輸出為0100，發(fā)芽粒的對應(yīng)輸出為1000。
3．4 實驗結(jié)果
    對于4種類型小麥顆粒，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類識別結(jié)果如表1所示，可以看出，分類效果較差，對于實驗提取的特征，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無法得到較好的識別率。

    重新選擇實驗對象，提取小麥完好粒、蟲害粒和霉變粒這3類小麥的碰撞聲特征，并訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如4．3，得到的識別結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，此時可以較好地識別同種類小麥的3種不同類型，并且識別率可達(dá)到80％以上。說明了通過對小麥碰撞聲信號使用恰當(dāng)數(shù)字信號處理方法進(jìn)行特征提取，并借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以得到較好的識別率。

4 結(jié)論
    文中采用小麥碰撞聲裝置錄制小麥完好粒、蟲害粒、霉變粒和發(fā)芽粒4類麥粒類型的碰撞聲信號，結(jié)合適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號處理方法提取信號特征，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別對4類麥粒和3類麥粒進(jìn)行分類識別，由表1和表2可以看出，對于4類麥粒，此方法的識別結(jié)果較差。而對于小麥完好粒、蟲害粒和霉變粒的碰撞聲信號，可以取得令人滿意的識別效果，證明此方法可行且有效。
    未來可以從以下幾個方面對此方法進(jìn)行改進(jìn)，以提高識別效果：進(jìn)一步研究特征提取方法和分類方法；針對識別率較低的四類麥粒類型，考慮結(jié)合圖像識別方法提高對小麥發(fā)芽粒的識別效果；考慮將此方法應(yīng)用于小麥之外的其他糧食種類，提高多種儲糧害蟲的識別率。