VOCs混合氣體響應(yīng)干擾現(xiàn)象及其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別的研究.pdf

1、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)是影響人體健康的室內(nèi)環(huán)境主要污染物，是檢測人體患病的標(biāo)記物，因此VOCs的檢測研究得到了越來越廣泛的關(guān)注。常常采用傳感器陣列與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方法解決兩類VOCs混合氣體的識別問題即分類識別和濃度預(yù)測。傳感器陣列獲取混合氣體信息，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過分析信息得出識別結(jié)論。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類正確率、濃度預(yù)測誤差、訓(xùn)練速度等識別性能與網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)、每層的節(jié)點(diǎn)數(shù)和節(jié)點(diǎn)間的連接方式等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的組成方面密切相關(guān)。為了提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對VO

2、Cs混合氣體的識別性能，本文從分析混合氣體的響應(yīng)互相干擾現(xiàn)象、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定方法和傳感器陣列的組建等方面展開了深入的研究。
　　應(yīng)用極限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）方法提高了使用傳感器陣列識別混合氣體的速度。極限學(xué)習(xí)機(jī)結(jié)合傳感器陣列對固定四種組分的混合氣體樣本中各組分的濃度進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明:極限學(xué)習(xí)機(jī)的訓(xùn)練時(shí)間為0.03秒，與反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（14秒）和徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（10秒）的訓(xùn)練時(shí)間相比速度分別提高了466倍和33

3、3倍。當(dāng)訓(xùn)練樣本由22個(gè)提高到91個(gè)，極限學(xué)習(xí)機(jī)的訓(xùn)練時(shí)間保持不變。原因在于極限學(xué)習(xí)機(jī)的訓(xùn)練過程中大部分權(quán)值隨機(jī)生成，其它權(quán)值求解方程獲得，取代了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的迭代方式，提高了速度。
　　從傳感器響應(yīng)機(jī)理的角度分析了乙醇、丙酮及二者的混合氣體的試驗(yàn)現(xiàn)象。傳感器對兩種單一氣體乙醇和丙酮的響應(yīng)值的代數(shù)和大于對這兩種氣體的混合氣體的響應(yīng)值。以該現(xiàn)象的分析為依據(jù)，提出了將混合氣體中除目標(biāo)氣體外其余氣體一律作為一類干擾氣體，僅以目標(biāo)氣體的不

4、同濃度進(jìn)行分類的新的種類定義方法。新方法有效避免了按照不同種類、不同濃度的氣體為一種氣體的傳統(tǒng)定義方法中，由于氣體種類和濃度兩組參數(shù)同時(shí)變化所產(chǎn)生的識別種類維度過多的問題，同時(shí)解決了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對具體樣本的依賴性問題。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、極限學(xué)習(xí)機(jī)和支持向量機(jī)(SVM)分別結(jié)合傳感器陣列對不同濃度的單成分、兩成分和四成分的混合氣體進(jìn)行分類識別。新方法成功的將氣體種類由108種降低到4種，將網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)由11個(gè)降低到2個(gè)，2個(gè)輸出節(jié)

5、點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)解除了混合氣體中除目標(biāo)氣體濃度外的其它氣體成分和濃度對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限定。
　　依據(jù)L1正則項(xiàng)能夠促使網(wǎng)絡(luò)的部分權(quán)值趨近于零的特性，提出了確定網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)量的修剪方法。綜合考慮正則項(xiàng)的數(shù)學(xué)含義、傳感器的響應(yīng)特性和傳感器陣列組成特點(diǎn)，設(shè)立了網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)修剪的規(guī)則。使用基于正則學(xué)習(xí)的修剪方法所確定的隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)與若干窮舉的節(jié)點(diǎn)數(shù)做了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，修剪方法確定的隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)量為較優(yōu)解16個(gè)，若干窮舉法確定節(jié)點(diǎn)數(shù)量為區(qū)間最優(yōu)解15個(gè)。