丁永忠 方 興

1海軍駐西安東風(fēng)儀表廠軍事代表室，陜西 西安710065 2海軍駐第七O九研究所軍事代表室，湖北 武漢430070

基于進(jìn)化規(guī)劃算法的艦船輻射噪聲分類

丁永忠1方 興2

1海軍駐西安東風(fēng)儀表廠軍事代表室，陜西 西安710065 2海軍駐第七O九研究所軍事代表室，湖北 武漢430070

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器在艦船輻射噪聲分類中得到了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的設(shè)計(jì)困難，提出一種基于進(jìn)化規(guī)劃算法的設(shè)計(jì)方法。在該方法中，進(jìn)化算法的適應(yīng)度函數(shù)不是取為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器對(duì)訓(xùn)練樣本的識(shí)別率，而是對(duì)訓(xùn)練樣本的可分性和聚合度同時(shí)考慮，這樣能夠在保證識(shí)別精度的前提下，使網(wǎng)絡(luò)分類器具有良好的泛化能力，而且該方法不僅能夠?qū)ΥR(shí)別的樣本進(jìn)行離線學(xué)習(xí)，也能夠在線學(xué)習(xí)。使用該分類器對(duì)艦船輻射噪聲進(jìn)行分類識(shí)別試驗(yàn)，結(jié)果表明該方法設(shè)計(jì)的分類器具有良好的性能。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；進(jìn)化算法；分類器；艦船輻射噪聲

1 引言

誤差反傳（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器是最早應(yīng)用于艦船輻射噪聲被動(dòng)聲吶目標(biāo)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器［1－5］，已經(jīng)證明，具有合適的隱層結(jié)構(gòu)和隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目的BP網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特征空間任意的（超）曲面劃分，但是BP網(wǎng)絡(luò)的隱層結(jié)構(gòu)以及隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目的確定是非常困難的，通常需要多次試驗(yàn)方能得到合適的隱層結(jié)構(gòu)和隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目，而且BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)新的樣板進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，需要改變所有的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，因此BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)新樣本的學(xué)習(xí)速度相當(dāng)慢，而且BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練算法一般使用梯度下降法，一旦網(wǎng)絡(luò)的誤差曲面為一個(gè)不規(guī)則的曲面，BP網(wǎng)絡(luò)很容易陷入局部最小從而導(dǎo)致識(shí)別率的下降。近年來，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、學(xué)習(xí)與訓(xùn)練速度快等原因，徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在模式識(shí)別，包括在水聲信號(hào)分類識(shí)別中得到了應(yīng)用［6－8］。

應(yīng)用于水聲目標(biāo)識(shí)別的RBF網(wǎng)絡(luò)的隱層訓(xùn)練方法通常均為自組織學(xué)習(xí)方法［9］，即K－均值聚類算法，在無教師監(jiān)督的條件下進(jìn)行。該方法對(duì)訓(xùn)練樣本在特征空間的分布有較高的要求，并要求給出正確的隱節(jié)點(diǎn)數(shù)和合適的初始權(quán)值。但在實(shí)際水聲目標(biāo)識(shí)別應(yīng)用時(shí)，這些條件很難同時(shí)滿足。

在被動(dòng)聲吶目標(biāo)識(shí)別中，異類目標(biāo)間可能會(huì)表現(xiàn)出較多的相似特征，而有些同類目標(biāo)的特征則可能分布較為離散，使訓(xùn)練樣本在特征空間的分布很不均勻。這時(shí)，像K－均值聚類算法這樣無監(jiān)督地對(duì)訓(xùn)練樣本的簡(jiǎn)單空間分割也就容易產(chǎn)生異類目標(biāo)間的模糊，從而影響網(wǎng)絡(luò)的分類性能。另外，對(duì)于特征結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水聲目標(biāo)輻射噪聲信號(hào)，究竟將特征空間劃分成多少個(gè)區(qū)域 （即取多少個(gè)隱節(jié)點(diǎn)數(shù)），以及每個(gè)區(qū)域的初始中心取什么值才能較好地將不同模式的特征區(qū)分開是很難預(yù)先確定的。隱節(jié)點(diǎn)數(shù)取得太少則必然使不同模式的輸入樣本歸入同一節(jié)點(diǎn)代表的區(qū)域，造成模式劃分的模糊。太多的隱節(jié)點(diǎn)則一方面隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大增加了計(jì)算復(fù)雜度，另一方面也給輸出層訓(xùn)練時(shí)獲得全局極小誤差帶來了困難。不合適的初始權(quán)值則可能會(huì)引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練向不正確的區(qū)域偏移。因此在本文中，使用雙群進(jìn)化規(guī)劃算法［10］來解決徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層結(jié)構(gòu)確定，隱層節(jié)點(diǎn)參數(shù)（包括中心向量、徑向基函數(shù)寬度），以及徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的在線學(xué)習(xí)及結(jié)構(gòu)調(diào)整問題。在本文中把使用進(jìn)化規(guī)劃算法設(shè)計(jì)得到的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)稱為EPRBF（Evolutionary programming based radial basis function）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

2 基于雙群進(jìn)化規(guī)劃算法的RBF隱層設(shè)計(jì)

設(shè)待識(shí)別的樣本集為X＝｛xi｜i＝1，2，…，N｝，式中xi為一K維模式向量，分類問題就是要找到一個(gè)空間模式劃分C＝｛C1，C2，…，Cm｝，并滿足：

并且使總的類內(nèi)離散度和

最小。同時(shí)借鑒基于支持向量機(jī)的模式識(shí)別方法［11］，定義類間離散度和：

在識(shí)別中并使其最大。式中，ZL為第L個(gè)聚類的聚類中心，d（xi，ZL）為某一樣本到其對(duì)應(yīng)的聚類中心的距離，在本文中使用歐氏距離。則聚類準(zhǔn)則函數(shù)JC即為各樣本到其對(duì)應(yīng)的聚類中心的距離總和；JC最小表征的是具有相似特征的船舶盡量能夠聚合為一類；聚類準(zhǔn)則函數(shù)JD為各樣本到其他聚類中心的距離的總和。JD盡量大則表征不同類別的船舶能夠盡量的相互區(qū)分。

使用進(jìn)化規(guī)劃算法求解特定問題的關(guān)鍵在于：

1）如何選擇合適的適應(yīng)度函數(shù)來準(zhǔn)確地描述需要解決的問題；

2）如何選擇合適的個(gè)體，將問題的解編碼到個(gè)體。

顯然，對(duì)于任意一個(gè)分類識(shí)別問題而言，同時(shí)滿足JC最小和JD最大是不可能的，因此必須在類間聚合度和類間可分性間折中。對(duì)JC和JD同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，是進(jìn)化規(guī)劃算法中一個(gè)很重要的研究方向，即二元優(yōu)化問題。對(duì)于此類二元優(yōu)化問題，經(jīng)常使用偏好信息進(jìn)行決策［12］，使用偏好信息的決策策略是建立在 “決策者愿意承擔(dān)由于使用自己的偏好進(jìn)行決策產(chǎn)生的一定風(fēng)險(xiǎn)”的假設(shè)基礎(chǔ)之上的，由于偏好是決策者的主觀的選擇趨向，因此對(duì)于同一問題不同的決策者很可能產(chǎn)生不同的決策（選擇）。為了避免對(duì)于同樣問題產(chǎn)生不同決策的弊病，在本文中使用一種固定的折中方式來代替決策者的偏好信息。因此定義：

將一個(gè)二元優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)一元優(yōu)化問題。式中，N為樣本數(shù)目；L為聚類中心數(shù)目；α與β為常數(shù)。它們不同的取值將影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的識(shí)別精度和推廣能力，在本文中α＝β＝0.5。指標(biāo)J代表一個(gè)全局最小值，很多局部極值的函數(shù)。因此定義適應(yīng)度函數(shù)：

在上式中，C為一個(gè)正的大常數(shù)，以保證適應(yīng)度函數(shù)的非負(fù)性。

在選擇了合適的適應(yīng)度函數(shù)以表征問題以后，需要尋找合適的編碼機(jī)制將問題的解編碼到個(gè)體。在對(duì)J進(jìn)行優(yōu)化的過程中，需要求解的參數(shù)有兩個(gè)，一個(gè)是聚類中心的數(shù)目，另一個(gè)是對(duì)應(yīng)于聚類中心數(shù)目的聚類中心位置。一般對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器訓(xùn)練而言，訓(xùn)練集中的個(gè)體究竟為多少類是已知的，雖然這個(gè)已知的數(shù)據(jù)并不一定正確和準(zhǔn)確，但也大概可以表征個(gè)體的類別數(shù)目。如果把聚類中心數(shù)目也作為一個(gè)進(jìn)化規(guī)劃算法求解的對(duì)象，算法將變得極為復(fù)雜，需要的計(jì)算量也非常大，計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)，同時(shí)種群中個(gè)體的數(shù)目急劇膨脹，需要的存儲(chǔ)開銷也急劇增加。因此本文并不把聚類中心數(shù)目作為進(jìn)化規(guī)劃算法的求解對(duì)象，而是在已知的分類數(shù)目附近分別計(jì)算不同的分類數(shù)對(duì)應(yīng)的Fit（Z），然后找出其中最大的Fit（Z）所對(duì)應(yīng)的聚類中心數(shù)目和聚類中心位置。

本文中使用分階段的編碼方式，首先使用分散編碼，經(jīng)過固定代數(shù)的進(jìn)化找到近似的聚類中心位置，然后使用集中編碼方式來求解精確的聚類中心位置。使用進(jìn)化規(guī)劃算法對(duì)徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層進(jìn)行設(shè)計(jì)的流程如下所述：

1）L＝L0－H1，L為聚類中心數(shù)目；L0為訓(xùn)練集已知的大概的分類數(shù)；H1為一設(shè)定值，與搜索的聚類中心數(shù)目的下限有關(guān)。

2）判斷。如果L＞L0＋H2，比較對(duì)應(yīng)于不同的L的適應(yīng)度函數(shù)Fit（Z），找到最大的Fit（Z）對(duì)應(yīng)的L，以及對(duì)應(yīng)于此個(gè)L的聚類中心位置Z1，Z2，…，ZL，輸出計(jì)算結(jié)果。如果L≤L0＋H2，轉(zhuǎn)步驟3）。H2為一設(shè)定值，與搜索的聚類中心數(shù)目的上限有關(guān)。

3）選擇合適的種群個(gè)體數(shù)目N，并有N＝P× L，P為正的常數(shù)。種群規(guī)模N不能選得很小，如果N很小，在有限次的進(jìn)化代數(shù)內(nèi)的精度很可能達(dá)不到要求。如果N很大，需要的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算量以及存儲(chǔ)空間要增大很多。因此必須合適地選擇種群規(guī)模N，在計(jì)算速度和計(jì)算精度間采取某種折中。選擇合適的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)個(gè)體數(shù)目q，在本文中，令q＝1.5×N，在保證解的精度的前提下，盡量提高算法收斂速度。設(shè)置分散編碼搜索的最大進(jìn)化代數(shù)Kmax＝500，設(shè)置當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)K＝0，選取高斯變異算子標(biāo)準(zhǔn)差的初值σ0＝0.01×個(gè)體每一維區(qū)間的寬度；

4）種群初始化。對(duì)種群的初始化有兩種方法，第一種方法是在艦船噪聲特征空間中隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)個(gè)體作為初始種群，第二種方法是在樣本中按照類別隨機(jī)地選出N個(gè)個(gè)體作為初始種群。第一種方法雖然更符合進(jìn)化規(guī)劃算法種群初始化的一般原則，但是這種方法是在一個(gè)空間中從隨機(jī)的點(diǎn)出發(fā)去尋找合適的解，此方法并沒有利用訓(xùn)練樣本已經(jīng)有大致的分類結(jié)果這一有用的信息，而且其需要的進(jìn)化代數(shù)和進(jìn)化時(shí)間都是很長(zhǎng)的，因此本文中并未使用此種方法。在使用第二種初始化方法時(shí)有以下幾種情況需要考慮：

（a）L＜L0。在此種情況下，在L0個(gè)粗略分類中隨機(jī)選擇L個(gè)聚類，并在這L個(gè)聚類中分別選取出10個(gè)個(gè)體共10×L個(gè)個(gè)體作為初始種群。在此種情況下，由于每個(gè)聚類包含的個(gè)體數(shù)目不同，有的聚類中的個(gè)體數(shù)目可能不足10個(gè)。假設(shè)此聚類包含Q個(gè)個(gè)體，首先將這Q個(gè)個(gè)體全部選出，然后在這Q個(gè)個(gè)體中隨機(jī)選擇出10-Q個(gè)個(gè)體，然后與其他子群的個(gè)體一起構(gòu)成初始種群。

（b）L≥L0。在這種情況下，預(yù)期的樣本聚類數(shù)目已經(jīng)大于已知的粗略的分類數(shù)目，因此如何選擇那些多出來的聚類中心的初值是問題的關(guān)鍵。首先計(jì)算在分類數(shù)為L(zhǎng)－1時(shí)，訓(xùn)練樣本集中每一個(gè)個(gè)體到其對(duì)應(yīng)的聚類中心的歐氏距離，然后選擇出其中歐氏距離最大的一個(gè)個(gè)體作為第L個(gè)聚類中心的初值。在此種情況下，依然會(huì)有聚類包含的個(gè)體數(shù)目不足10個(gè)的情況，其處理與L＜L0的時(shí)候完全相同。

在初始化以后，使用隨機(jī)編碼的方式，對(duì)每一個(gè)子群中的個(gè)體從1～10編碼，并稱種群中所有編碼為1的個(gè)體為第一組，其他組則依次類推。

5）判斷是否已經(jīng)到達(dá)了最大進(jìn)化代數(shù)，如果已經(jīng)到達(dá)則輸出具有最高適應(yīng)度的組作為集中編碼方式進(jìn)化種群的初始種群，轉(zhuǎn)步驟8），如果沒有到達(dá)最大進(jìn)化代數(shù)，轉(zhuǎn)步驟6）；

6）所有子群中編碼在1～5范圍內(nèi)的個(gè)體組成更小的子群組ZS，其他的個(gè)體組成子群組ZL，子群組ZS中的個(gè)體使用細(xì)調(diào)高斯變異算子進(jìn)行變異，并稱變異后的子群組為ZS′，子群組ZL中的個(gè)體使用粗調(diào)高斯變異算子進(jìn)行變異，并稱變異后的子群組為ZL′，對(duì)于變異后的子群組中個(gè)個(gè)體編碼采用＋10的方式，即原來編碼為X的個(gè)體變異產(chǎn)生的后代個(gè)體的編碼為10＋X；

7）計(jì)算每一個(gè)子群組的適應(yīng)度函數(shù)，并實(shí)用隨機(jī)q競(jìng)爭(zhēng)法則，選擇出具有最好適應(yīng)度的10個(gè)子群組作為下一代種群，同時(shí)對(duì)下一代的子群進(jìn)行編碼。根據(jù)隨機(jī)q競(jìng)爭(zhēng)法則排序的結(jié)果，排在第一位的子群組編碼為1，并依次類推直至所有的子群組獲得編碼。K＝K＋1，轉(zhuǎn)步驟5）；

8）將分散編碼方式轉(zhuǎn)化為集中編碼方式，選擇合適的種群個(gè)體數(shù)目N，合適的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)個(gè)體數(shù)目q，設(shè)置集中編碼搜索的最大進(jìn)化代數(shù)Kmax，設(shè)置當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)K＝0，選取高斯變異算子標(biāo)準(zhǔn)差的初值σ0＝0.01×個(gè)體每一維區(qū)間的寬度，設(shè)置進(jìn)化終止條件；

9）采用復(fù)制的方式生成N個(gè)完全相同的個(gè)體作為集中編碼進(jìn)化方式的初始種群，以隨機(jī)的方式選擇N／2個(gè)個(gè)體作為子群ZS，其他個(gè)體組成子群ZL；

10）判斷是否已經(jīng)到達(dá)了最大進(jìn)化代數(shù)或者滿足了進(jìn)化終止條件，如果已經(jīng)到達(dá)則輸出具有最高適應(yīng)度的個(gè)體作為針對(duì)此分類數(shù)目的進(jìn)化計(jì)算的結(jié)果，轉(zhuǎn)步驟13），如果沒有到達(dá)最大進(jìn)化代數(shù)，轉(zhuǎn)步驟11）；

11）子群ZS中的個(gè)體使用細(xì)調(diào)高斯變異算子進(jìn)行變異，并稱變異后的子群為ZS′，子群ZL中的個(gè)體使用粗調(diào)高斯變異算子進(jìn)行變異，并稱變異后的子群為ZL′；

12）計(jì)算每一個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)，并實(shí)用隨機(jī)q競(jìng)爭(zhēng)法則，選擇出具有最好適應(yīng)度的N個(gè)子群組作為下一代種群，同時(shí)根據(jù)隨機(jī)q競(jìng)爭(zhēng)法則排序的結(jié)果，選擇排在前N／2位的個(gè)體組成子群ZS，其余個(gè)體組成子群ZL。K＝K＋1，轉(zhuǎn)步驟10）；

13）L＝L＋1，轉(zhuǎn)步驟2）。

在確定了隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目及隱節(jié)點(diǎn)中心位置以后，還需要確定的參數(shù)就只有徑向基的寬度這一個(gè)參數(shù)。徑向基的寬度的確定方法與基于進(jìn)化規(guī)劃算法的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱節(jié)點(diǎn)中心位置的確定方法基本相似，唯一的不同點(diǎn)就是適應(yīng)度函數(shù)的選擇，因此在本文中不再贅述。

3 徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的在線學(xué)習(xí)

訓(xùn)練樣本總是不完備的，而且，作為一個(gè)可以實(shí)用的分類識(shí)別系統(tǒng)而言，在其使用過程中，隨著時(shí)間的推移，總要有一些新的艦船加入到待識(shí)別的隊(duì)伍，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器必須具有在線學(xué)習(xí)能力，即能夠?qū)⒛切┪丛?xùn)練過的樣本進(jìn)行準(zhǔn)確的分類。

假設(shè)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的使用過程中，遇到一個(gè)不屬于任何一個(gè)已知類別的樣本，那么以這個(gè)新的樣本作為一個(gè)聚類中心，并使用進(jìn)化規(guī)劃算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)的隱層結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，其設(shè)計(jì)方法與上節(jié)的訓(xùn)練方法中增加一個(gè)新的類別的訓(xùn)練方法完全一致，因此不再重復(fù)。

由于訓(xùn)練樣本的不完備性會(huì)造成模式空間的劃分不盡合理，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)把屬于某類目標(biāo)的樣本誤判為代表新模式的樣本，并被進(jìn)化規(guī)劃聚為一個(gè)新類，在隱層輸出。因此，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)過程中，需要合并代表同一目標(biāo)模式的冗余節(jié)點(diǎn)。如果對(duì)于同一個(gè)輸入樣本Xi有：

則將第i和第j個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)合并為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在上式中，oi，oj為第i個(gè)和第j個(gè)隱節(jié)點(diǎn)的輸出，Zi，Zj為第i個(gè)和第j個(gè)隱節(jié)點(diǎn)的中心向量，ρi，ρj為第i個(gè)和第j個(gè)隱節(jié)點(diǎn)基函數(shù)的寬度。θ是一個(gè)設(shè)定值，一般取e－1～1之間，θ太小容易造成類間混淆，影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別精度，θ太大容易造成分類過細(xì)，造成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模急劇膨脹，在本文中，θ取0.72。Zi＝［Zi1，Zi2，…，Zin］為第i個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)的中心向量，那么合并后的新節(jié)點(diǎn)為：

4 艦船輻射噪聲分類實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)EPRBF分類器的性能，我們對(duì)收集到的44個(gè)水面和水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)以及不同海況下的海洋環(huán)境噪聲的實(shí)錄信號(hào)進(jìn)行識(shí)別試驗(yàn)。其中水面和水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)共有89個(gè)不同工況和航次，海洋環(huán)境噪聲為3種不同海況。所獲得的水面、水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)及海洋環(huán)境噪聲以22 050 Hz采樣頻率采集信號(hào)，取1.486 08 s時(shí)間長(zhǎng)度的信號(hào)，即32 768個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)樣本，共采集了4 745個(gè)數(shù)據(jù)樣本，以此作為試驗(yàn)樣本集。在4 745個(gè)樣本集中選擇1 132個(gè)樣本作為訓(xùn)練集，其余的3 613個(gè)樣本作為測(cè)試集。其中訓(xùn)練集中包含了所有類型的艦船（魚雷、環(huán)境噪聲），但是并不包含每類艦船的所有工況（海況）。同時(shí)，用A類表示水面艦船，B類表示水下低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，C類表示水下高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，D類表示環(huán)境噪聲。

為了比較EPRBF網(wǎng)絡(luò)分類器的性能，同樣構(gòu)筑了標(biāo)準(zhǔn)的BP網(wǎng)絡(luò)分類器和RBF網(wǎng)絡(luò)分類器作為比照對(duì)象。這三種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器具有類似的結(jié)構(gòu)，均為三層結(jié)構(gòu)，一個(gè)輸入層，一個(gè)輸出層和一個(gè)隱層。輸出層有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，與A、B、C、D類型相適應(yīng)，輸出層的決策采用贏者獨(dú)活（Winner Takes All）策略。BP網(wǎng)絡(luò)和RBF網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目則根據(jù)設(shè)定的誤差不同而不同，EPRBF網(wǎng)絡(luò)分類器的隱層結(jié)構(gòu)則是使用進(jìn)化規(guī)劃算法優(yōu)化得到，與誤差并沒有直接的關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練均使用成批訓(xùn)練的方法，即每輸入100組數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值進(jìn)行一次調(diào)整。各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在不同的誤差下的隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目、訓(xùn)練時(shí)間和識(shí)別一個(gè)樣本所需時(shí)間如表1所示。

表1 不同網(wǎng)絡(luò)需要的隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目、訓(xùn)練時(shí)間和識(shí)別時(shí)間比較

由表1可以看出，在同樣的精度要求下，BP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是最復(fù)雜的，需要的隱層節(jié)點(diǎn)的數(shù)目非常多，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和識(shí)別所需要的時(shí)間也很長(zhǎng)。EPRBF網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目最少，訓(xùn)練需要的時(shí)間也最少，但識(shí)別一個(gè)樣本需要的時(shí)間則介于RBF網(wǎng)絡(luò)和BP之間。

使用不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器對(duì)各類艦船輻射噪聲進(jìn)行分類，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入均為基于Dopplerlet變換的艦船輻射噪聲特征矢量，不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的分類識(shí)別結(jié)果如表2所示。

表2 不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的識(shí)別結(jié)果（%）

由表2可以看出，EPRBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器對(duì)訓(xùn)練集的分類效果比不上BP網(wǎng)絡(luò)分類器和RBF網(wǎng)絡(luò)分類器，但是對(duì)測(cè)試集的分類效果要明顯好于其他的網(wǎng)絡(luò)，而且總體的識(shí)別效果有較大的提高。將訓(xùn)練集和測(cè)試集的次序打亂，重新選擇訓(xùn)練集和測(cè)試集對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別效果進(jìn)行測(cè)試，依然得到類似表2的結(jié)論。

由于訓(xùn)練樣本的不完備性，對(duì)于一種實(shí)用的、可以長(zhǎng)期工作的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器而言，在其工作期間必然遇見一些訓(xùn)練中未曾學(xué)習(xí)過的樣本，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器必須具有在線學(xué)習(xí)能力。顯然在海上調(diào)動(dòng)實(shí)船做神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的在線學(xué)習(xí)試驗(yàn)是效果最好和最有說服力的，但也是非常難以實(shí)現(xiàn)的，因此，本文中通過下述方法來模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器接收到一個(gè)未曾訓(xùn)練過的類型船舶噪聲的識(shí)別過程。

1）重新選擇訓(xùn)練集，在原有的1 132個(gè)訓(xùn)練樣本集中剔除掉四種類型艦船和一種海況下的海洋環(huán)境噪聲，四種類型艦船中三種為A類目標(biāo)，一種為C類目標(biāo)（18個(gè)樣本），其中A類目標(biāo)分別為某型驅(qū)逐艦（30個(gè)樣本）、某型護(hù)衛(wèi)艦（25個(gè)樣本）和某型導(dǎo)彈快艇（27個(gè)樣本），因此新組成的訓(xùn)練集共包含1 032個(gè)樣本；

2）重新構(gòu)筑網(wǎng)絡(luò)，并使用重新選擇后的訓(xùn)練樣本集對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)分類器、RBF網(wǎng)絡(luò)分類器和EPRBF網(wǎng)絡(luò)分類器重新進(jìn)行訓(xùn)練；

3）重新選擇測(cè)試集，新的測(cè)試集包含三部分樣本，一部分是從原有的訓(xùn)練集中剔除出來的網(wǎng)絡(luò)分類器未曾學(xué)習(xí)過類型艦船的特征矢量樣本，共計(jì)100個(gè)。另外一部分是從原有的測(cè)試集中挑選出來的網(wǎng)絡(luò)分類器未曾學(xué)習(xí)過類型艦船的特征矢量樣本，共計(jì)413個(gè)。最后一部分則是從原有的測(cè)試集中挑選出來的網(wǎng)絡(luò)分類器曾經(jīng)學(xué)習(xí)過類型艦船的特征矢量樣本1 337個(gè)，因此，新組成的測(cè)試集共包含1 840個(gè)樣本；

4）確定測(cè)試樣本的輸入順序，在本文中使用這樣的次序來對(duì)網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)能力進(jìn)行測(cè)試。首先輸入一些網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過的樣本，然后輸入一些網(wǎng)絡(luò)未曾學(xué)習(xí)過的樣本，再輸入網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過的樣本，這樣交替進(jìn)行；

5）測(cè)試。

三種網(wǎng)絡(luò)對(duì)于未曾學(xué)習(xí)過的樣本識(shí)別能力（即在線學(xué)習(xí)能力）的比較如表3所示。

表3 不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)能力（%）

從表3可以看出，對(duì)于一個(gè)未曾學(xué)習(xí)過的艦船類型，EPRBF網(wǎng)絡(luò)能夠很快地掌握它的特征，并記憶在隱層節(jié)點(diǎn)中，在以后的識(shí)別中加以利用，顯然其他兩種網(wǎng)絡(luò)幾乎不具有在線的學(xué)習(xí)能力，對(duì)于未曾訓(xùn)練過的樣本，識(shí)別能力都比較差。

5 結(jié)論

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器在艦船輻射噪聲分類中得到了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的設(shè)計(jì)困難，本文提出了一種基于進(jìn)化規(guī)劃算法的設(shè)計(jì)方法。使用該方法對(duì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使用設(shè)計(jì)后得到的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器分別進(jìn)行了離線測(cè)試和在線測(cè)試。測(cè)試結(jié)構(gòu)表明使用該方法設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器不僅具有良好的離線識(shí)別能力，而且均有良好的在線識(shí)別能力。

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Classification of Ship Radiation Noise Using Evolutionary Algorithm

Ding Yong－zhong1Fang Xing2
1 Naval Representative Office at No.872 Manufactory，Xian 710065，China 2 Naval Representative Office at No.709 Research Institude，Wuhan 430070，China

Neural network classifier is widely used in ship radiation noise classification.According to the design difficulty of neural network classifier，an approach using evolutionary programming is proposed in the paper.Fitness function of evolutionary algorithm is not the classification rate of neural network but the combination of decentralization and conglomeration，then both the training set classification rate and testing set classification rate of neural network are high.Using this method，the neural network can learn online and offline.Ship radiation noise identification experiment using this neural network is done，and experiment results show that the neural network classifier using evolutionary programming has good performance.

neural network；evolutionary algorithm；classifier；warship radiation noise

U666；TP18

A

1673－3185（2009）04－47－05

2009-05-07

丁永忠（1970－），男，工程師，碩士。研究方向：魚雷制導(dǎo)與控制。E-mail：dingyongzhong@qq.com

方 興（1974-），男，工程師，碩士。研究方向：數(shù)字信息處理