《关于神经网络的几个问题》

《关于神经网络的几个问题》

一、神经网络是什么?

( 一)、神经网络的定义和基本概念

神经网络,也称为人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN),是一种模仿生物神经网络结构和功能的计算模型。它由大量的神经元相互连接而成,通过对输入数据进行处理和学习,实现各种复杂的任务,如模式识别、分类、回归等。

神经网络的基本组成单元是神经元,每个神经元接收来自其他神经元或外部输入的信号,经过加权求和后,通过激活函数进行非线性变换,产生输出信号。神经元之间的连接权重可以通过学习算法进行调整,以优化网络的性能。

(二)、神经网络的发展历程

神经网络的发展可以追溯到 20 世纪 40 年代,当时心理学家沃伦・麦卡洛克(Warren McCulloch)和数学家沃尔特・皮茨(Walter Pitts)提出了第一个神经元模型,称为麦卡洛克 - 皮茨神经元(McCulloch-Pitts neuron)。这个模型为后来的神经网络研究奠定了基础。

在 20 世纪 50 年代和 60 年代,神经网络的研究取得了一些重要进展。例如,弗兰克・罗森布拉特(Frank Rosenblatt)提出了感知机(Perceptron)模型,这是一种简单的单层神经网络,可以用于线性分类问题。感知机的出现引起了广泛的关注,但由于其局限性,如只能处理线性可分问题,在 20 世纪 60 年代后期逐渐被冷落。

在 20 世纪 80 年代和 90 年代,神经网络的研究再次兴起。这一时期,出现了许多新的神经网络模型和算法,如反向传播算法(Backpropagation algorithm)、卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)、循环神经网络(Recurrent Neural Network,RNN)等。这些模型和算法在图像识别、语音识别、自然语言处理等领域取得了显著的成果。

近年来,随着深度学习技术的发展,神经网络的应用范围不断扩大。深度学习是一种基于神经网络的机器学习方法,它通过构建多层神经网络,实现对大规模数据的自动学习和特征提取。深度学习在计算机视觉、自然语言处理、语音识别等领域取得了巨大的成功,成为人工智能领域的核心技术之一。

(三)、神经网络的类型

前馈神经网络(Feedforward Neural Network):

这是最常见的神经网络类型,信息从输入层经过隐藏层传递到输出层,在传递过程中没有反馈连接。前馈神经网络可以用于分类、回归等任务。

卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN):

专门用于处理图像和视频数据的神经网络。CNN 通过卷积层和池化层自动提取图像的特征,减少了参数数量,提高了计算效率。

循环神经网络(Recurrent Neural Network,RNN):

适用于处理序列数据的神经网络,如文本、语音等。RNN 可以记住过去的信息,对序列中的每个元素进行处理,并输出当前状态。

长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM):

是一种改进的 RNN,能够更好地处理长序列数据中的长期依赖关系。LSTM 通过引入门控机制,控制信息的流动和遗忘。

生成对抗网络(Generative Adversarial Network,GAN):

由生成器和判别器组成的神经网络。生成器用于生成新的数据,判别器用于判断输入数据是真实数据还是生成器生成的数据。通过对抗训练,GAN 可以学习到数据的分布,生成逼真的新数据。

(四)、神经网络的应用领域

图像识别:神经网络在图像识别领域取得了巨大的成功。通过训练神经网络,可以实现对图像中的物体进行分类、检测和识别。例如,卷积神经网络可以自动提取图像的特征,识别图像中的物体类别、位置和姿态等信息。

语音识别:神经网络可以用于语音识别,将语音信号转换为文本。循环神经网络和长短期记忆网络可以处理语音信号的序列特性,提高语音识别的准确率。

自然语言处理:神经网络在自然语言处理领域也有广泛的应用。例如,循环神经网络可以用于文本生成、机器翻译、情感分析等任务。卷积神经网络可以用于文本分类、命名实体识别等任务。

推荐系统:神经网络可以用于构建推荐系统,根据用户的历史行为和偏好,为用户推荐感兴趣的商品、文章、音乐等。

医疗诊断:神经网络可以用于医疗诊断,帮助医生分析医学图像、诊断疾病等。例如,卷积神经网络可以用于医学图像的分类和分割,辅助医生进行疾病诊断。

金融预测:神经网络可以用于金融预测,如股票价格预测、汇率预测等。通过分析历史数据,神经网络可以学习到数据中的规律和趋势,提高预测的准确率。

(五)、神经网络的优势和挑战

优势:

强大的学习能力:神经网络可以自动学习数据中的特征和规律,无需手动设计特征提取器。

适应性强:神经网络可以适应不同类型的数据和任务,具有很强的通用性。

并行计算能力:神经网络可以在并行计算设备上进行加速,提高计算效率。

可扩展性好:神经网络可以通过增加层数和神经元数量来提高性能,具有很好的可扩展性。

挑战:

数据需求大:神经网络需要大量的训练数据才能达到较好的性能,对于数据稀缺的领域应用受到限制。

计算资源需求大:训练深度神经网络需要大量的计算资源,包括 CPU、GPU 等硬件设备和内存、存储等资源。

解释性差:神经网络的决策过程通常是黑盒的,难以解释其决策的依据和原理。

过拟合问题:神经网络容易出现过拟合现象,即在训练数据上表现良好,但在测试数据上性能下降。

(六)、神经网络的未来发展趋势

深度学习与强化学习的结合:深度学习和强化学习是两种不同的机器学习方法,它们的结合可以实现更强大的智能体。例如,深度强化学习可以用于自动驾驶、机器人控制等领域,实现自主决策和行动。

神经网络的可解释性研究:随着神经网络在各个领域的广泛应用,其决策过程的可解释性变得越来越重要。未来的研究将致力于开发可解释性强的神经网络模型,提高其透明度和可信度。

量子神经网络的发展:量子计算具有强大的计算能力和并行性,与神经网络的结合可以带来新的突破。量子神经网络的研究目前还处于起步阶段,但具有很大的潜力。

神经网络的硬件加速:为了提高神经网络的计算效率,未来的研究将致力于开发专门的硬件加速器,如神经网络处理器(NPU)、图形处理器(GPU)等。

多模态神经网络的研究:多模态数据(如图像、文本、语音等)的融合可以提供更丰富的信息,提高神经网络的性能。未来的研究将致力于开发多模态神经网络,实现对多模态数据的有效处理和融合。

综上所述,神经网络是一种强大的计算模型,具有广泛的应用前景。随着技术的不断发展,神经网络将在各个领域发挥越来越重要的作用。

二、神经网络中不同类型的神经元有哪些特点?

(一)、学习多样性的神经元

特点描述:这类神经元能够学习自身的激活函数,迅速实现多样化。由这样的神经元构建的神经网络中,子网络实例化这些神经元,它们通过元学习获得特别高效的非线性响应集合。例如,在研究中发现,混合了不同类型的神经元的网络在平均性能上优于单一类型的神经元。这种学习到的多样性为动力系统选择多样性而非均匀性提供了实例,同时也阐明了多样性在自然和人工系统中的作用。

性能优势:在进行非线性回归任务时,比如对范德波尔振荡器进行非线性回归,不同类型的神经元激活函数会从基础正弦波演变而来,且通过颜色编码时间。在对不同类型神经元组成的神经网络进行性能评估时,以均方误差或损失作为指标,发现混合了不同类型神经元的网络表现出更优的性能。

(二)、具有生物属性的神经元

HH 神经元模型:在具有生物属性的神经元网络中,采取 HH 神经元模型,并结合电突触和化学突触模型进行研究。在相同刺激信号下,电突触和化学突触连接的相同拓扑结构的神经元网络表现出不同的同步放电特性。其中,化学突触连接的网络同步放电特性要优于电突触连接的神经元网络。同时突触类型的不同可能会改变神经信息的编码方式,但不会改变信息传递的可靠性。

(三)、Spiking 神经元

时间特性与敏感性:脉冲神经网络中的 Spiking 神经元的输入输出为具有时间特性的脉冲序列,其运行机制相比其他传统人工神经网络更加接近于生物神经网络。神经元之间通过脉冲序列传递信息,这些信息通过脉冲的激发时间编码能够更有效地发挥网络的学习性能。Spiking 神经元的敏感性反映了当神经元输入发生扰动时输出的 spike 的变化情况,可以作为研究神经元内部工作机制的工具。不同于传统的神经网络,Spiking 神经元敏感性定义为输出脉冲的变化时刻个数与运行时间长度的比值,能直接反映出输入扰动对输出的影响程度。当全体突触发生扰动时,神经元为定值;而当部分突触发生扰动时,不同突触的扰动会导致不同大小的神经元敏感性。

(四)、McCulloch--Pitt 神经元

二进制激活与连接特性:McCulloch--Pitt 神经网络被认为是第一个神经网络。其中的神经元通过有向加权路径连接。McCulloch--Pitt 神经元允许二进制激活(1 表示开启,0 表示关闭),即它要么以激活值 1 触发,要么以激活值 0 不触发。如果权重 w>0,则连接路径被称为兴奋性的,否则被称为抑制性的。兴奋性连接具有正权重,抑制性连接具有负权重。每个神经元都有一个固定的触发阈值,即如果神经元的净输入大于阈值,它就会触发。

(五)、背根神经节神经元

分类与特性:通过单细胞 RNA 测序(scRNA-seq)可以分析背根神经节(DRG)的细胞类型及其在生理和慢性疼痛中的转录状态。然而,先前研究中用于分类 DRG 神经元的评估标准各不相同,这给确定各种类型的 DRG 神经元带来了困难。DRG 神经元在生理和病理条件下的分类基于单细胞分析,不同类型的 DRG 神经元在功能和特性上可能存在差异。

(六)、Izhikevich 神经元组成的中央模式发生器模型中的神经元

半中心 CPG 模型中的作用:本文提出了一种使用 Izhikevich 神经元的半中心中央模式发生器(CPG)模型。通过为 CPG 神经元选择一些参数,获得了接近自然神经网络中真实脑细胞膜的膜特性。起搏器神经元负责在网络中产生节奏,它能够根据输入信号在 0.3 - 7.7Hz 的频率范围内产生尖峰,输入信号会影响运动周期的速度。

(七)、具有理想神经元特性和学习率自适应的神经元

特性与优势:设计了一种具有理想神经元特性和学习率自适应的片上反向传播(BP)学习神经网络。提出了一种具有理想特性和可编程参数的新型神经元电路,它不仅可以生成 sigmoid 函数,还可以生成其导数。测试结果表明,该神经元电路的两个函数与理想值非常准确地匹配。还提出了一种学习率自适应电路,以加速收敛速度。通过二维二进制分类和 sin (x) 函数拟合实验验证了该 BP 神经网络的优越性能。

(八)、Switch-Time 神经元

类型与特点:考虑基于所谓的 Switch-Time(ST)分布的 Switch-Time 神经元,并分为单侧 Switch-Time 神经元(ST 神经元)和双侧 Switch-Time 神经元(DST 神经元)。神经网络用于基于一组输入变量提供的信息预测给定的输出变量,与线性和非线性回归模型等其他用于相同目的的模型相比,神经网络不提供封闭形式的解决方案,只能提供近似解。

Neural networks embrace learned diversity

三、神经网络在医疗诊断中的具体应用案例有哪些?

(一)、卷积神经网络在甲状腺结节诊断中的应用

研究内容:尹爱桃等人在《卷积神经网络诊断甲状腺结节的应用》中,回顾性收集了 2018 年 4 月 ---2021 年 2 月云南大学附属医院经手术病理证实的甲状腺结节 105 例共 157 个结节。该研究比较了超声医师、基于卷积神经网络的人工智能计算机辅助诊断(AI-CAD)系统诊断及联合诊断甲状腺结节的结果,并采用受试者工作特征曲线下面积评估 AI 诊断甲状腺结节性质和结节特征分类的效能。

应用效果:超声医师、基于卷积神经网络的 AI-CAD 系统及联合诊断良、恶性结节的敏感度分别为 80.7%、84.5%、92.1%,特异度分别为 73.7%、81.0%、86.3%,准确度分别为 79.0%、84.1%、91.7%,阳性预测值分别为 90.6%、92.4%、95.2%,阴性预测值分别为 54.9%、66.7%、82.7%。AI-CAD 的诊断效能高于超声医师,两者联合诊断效能最佳,差异有统计学意义。结论表明超声医师、AI-CAD 系统诊断及联合诊断对甲状腺结节均有较好的诊断价值,AI 联合超声医师诊断甲状腺结节效能最好,对临床评估是否手术及手术方案有较高的应用价值。

(二)、基于优化 BP 神经网络的船舶动力系统故障诊断

研究内容:徐鹏等人在《基于优化 BP 神经网络的船舶动力系统故障诊断》中,为实现船舶动力系统的故障诊断,基于优化的 BP 神经网络提出一种故障诊断方法。首先,采用附加动量 - 自适应学习速率调整算法来克服 BP 神经网络的缺陷;然后,运用 "小网络集群" 的思路分别构建网络以进行故障识别和故障溯源;接着,采用动力系统仿真平台生成的 450 组故障数据进行神经网络训练;最后,通过给水泵转速异常高这一故障案例展示故障诊断结果。

应用效果:通过对故障数据的学习,发现故障原因诊断准确率可高达 99% 以上。该研究表明,基于优化 BP 神经网络的故障诊断方法能够精准实现船舶动力系统的故障诊断。

(三)、深度卷积神经网络在 COVID-19 诊断中的应用

研究内容:Hawre Abdulla 等人在《SAARSNet: A Deep Neural Network for COVID-19 Cases Diagnosis》中,提出了一种深度卷积神经网络设计(SAARSNet),用于从胸部 X 光图像中检测 COVID-19 病例。该研究使用了 1292 张 X 光图像来训练和测试所提出的模型,这些图像是从两个开源数据集收集而来。为了减少系统的训练时间并提高 SAARSNet 架构的性能,将输入图像逐步调整为(220 by 150 by 3)的尺寸。此外,还研究了 SAARSNet 在三种不同情况下的预测方式,以区分 COVID-19 类别与正常和异常类别,并深入了解与 COVID-19 病例相关的关键因素。

应用效果:虽然存在一些 COVID-19 的误分类情况,但在正确检测正常和异常病例方面表现最佳。在三分类场景中,正常类实现了 100% 的阳性预测值,在检测 COVID-19 和异常类方面也取得了乐观的结果。

(四)、人工神经网络在急性肾炎和心脏病诊断中的应用

研究内容:Gulfraz Naqvi 和 Muhammad Hanzala Shahid 在《Artificial Neural Networks Role In Health Care And Medical Diagnosis》中,将人工神经网络应用于急性肾炎和心脏病的诊断。对于急性肾炎,信息代表疾病的症状,这些信息是在单光子发射计算机断层扫描(SPECT)心脏扫描中发现的。对于心脏病,采用反向传播神经网络作为分类器,以区分感染和未感染的细胞。

应用效果:在使用人工神经网络方法基于症状子集诊断急性肾炎时,网络能够识别与人类症状相对应的模式。前馈反向传播网络在诊断急性肾炎疾病时准确分类了 99% 的模拟数据,而反馈传播网络在诊断心脏病时正确分类了 95% 的模拟样本。

(五)、人工神经网络在心脏病辅助诊断中的应用

研究内容:王增辉在《人工神经网络在医疗诊断中的应用》中,根据人工神经网络的算法理论,搭建经典的三层感知机模型的人工神经网络,对患者的体侧指标样本数据进行学习,从而得出一个可以对心脏病患者进行预测诊断的模型。

应用效果:通过测试实例的测试结果,得出该模型具有较高的预测及判定的准确率,医学从业人员可以利用该模型或其改进模型来对病患进行心脏病的辅助诊断。

(六)、模糊神经网络在气瓶故障诊断中的应用

研究内容:王振岭等人在《基于模糊神经网络的气瓶故障诊断》中,针对大容积无缝气瓶安全问题,提出了基于模糊神经网络的气瓶在线监测方法。利用加速度传感器采集无损气瓶与损伤气瓶的振动信号,且将数据通过小波包分解获取故障特征参数,最后采用模糊神经网络进行模式识别验证方法可行性。

应用效果:诊断结果表明该算法能较好地对气瓶是否损伤做出较准确的判断,因此其适用于气瓶在线监测。

(七)、自动深度学习网络在疟疾检测中的应用

研究内容:Ahmad Alaiad 等人在《Autokeras Approach: A Robust Automated Deep Learning Network for Diagnosis Disease Cases in Medical Images》中,研究了开源自动深度学习框架 Autokeras 在检测感染疟疾寄生虫的涂片血液图像中的应用。Autokeras 能够识别执行分类任务的最佳神经网络。该研究使用了由 27558 张血液涂片图像组成的数据集,通过比较证明了所提出方法优于其他传统神经网络。

应用效果:所提出模型的评估结果实现了高效率和令人印象深刻的准确性,与以前的竞争模型相比,准确率达到 95.6%。

(八)、卷积神经网络在急性白血病诊断中的应用

研究内容:Maíla de Lima Claro 等人在《Convolution Neural Network Models for Acute Leukemia Diagnosis》中,提出了一种能够区分急性淋巴细胞白血病(ALL)、急性髓系白血病(AML)和健康血液涂片(HBS)的卷积神经网络架构。实验使用了 16 个数据集的 2415 张图像。

应用效果:该模型实现了 97.18% 的准确率和 97.23% 的精度。将该模型的结果与现有方法进行比较,包括基于卷积神经网络的方法。

(九)、深度神经网络模型在心电图诊断中的应用

研究内容:周天在《深度神经网络模型在心电图中的应用进展》中,介绍了深度神经网络模型在心电图诊断和预测心血管疾病方面的应用进展。尽管心电图检查已具备明确的标准化操作及流程,但由于诊断经验的不同,即便是训练有素的医生对心电图的解释也可能存在主观偏差。人工智能通过建立深度神经网络模型,成为自动分析医疗数据的强大工具,在心电图等医学图像诊断领域得到广泛应用。

应用效果:深度神经网络模型在心电图诊断中具有一定的优势,但也存在局限性。该文讨论了其局限性和应用前景。

(十)、卷积神经网络在食管癌图像智能诊断中的应用

研究内容:邓根强等人在《基于卷积神经网络的食管癌图像智能诊断系统设计》中,联合腾讯公司,采集多年来食管癌相关医学图像,通过数据标注、图像预处理、数据增强、深度学习等步骤,建立基于卷积神经网络的食管癌图像智能诊断系统,辅助医生进行智能诊断。

应用效果:基于卷积神经网络的食管癌图像智能诊断系统在医院成功应用,得到一线医生的广泛好评。此系统有利于基层医生全面提高食管癌诊断准确率,降低食管癌患者死亡风险。

卷积神经网络诊断甲状腺结节的应用

基于优化BP神经网络的船舶动力系统故障诊断

徐鹏

基于模糊神经网络的气瓶故障诊断

王振岭

基于卷积神经网络的食管癌图像智能诊断系统设计

邓根强

四、如何提高神经网络的可解释性?

(一)、引言

神经网络在诸多领域取得了显著成就,但由于其复杂的结构和黑箱特性,可解释性一直是一个关键问题。提高神经网络的可解释性对于增强用户信任、确保模型的可靠性以及在高风险决策领域的应用至关重要。以下将从多个方面探讨如何提高神经网络的可解释性。

(二)、利用可视化方法

卷积神经网络表征可视化:司念文、张文林和屈丹在其论文《卷积神经网络表征可视化研究综述》中指出,表征可视化是一种重要的卷积神经网络可解释性方法。它能够以视觉的方式呈现卷积神经网络所学特征及输入 - 输出之间的相关关系,从而快速获取对卷积神经网络内部特征和决策的理解。这种方法具有过程简单和效果直观的特点。例如,可以通过可视化卷积层的特征图,了解不同层次的特征提取情况,以及哪些特征对最终决策起到了关键作用。

(三)、采用解释方法

深度神经网络解释方法综述:苏炯铭、刘鸿福和项凤涛在《深度神经网络解释方法综述》中对卷积神经网络、循环神经网络、生成对抗网络等典型网络的解释方法进行了分析梳理。其中包括基于特征重要性的方法,通过分析不同特征对模型输出的贡献程度,来解释模型的决策过程。例如,可以使用特征选择技术,确定哪些特征对模型的预测结果影响最大。

基于可解释机器学习的神经网络软剪枝策略:李惠原等人提出的基于可解释机器学习的神经网络软剪枝策略,通过结合可解释机器学习方法,分析滤波器对数据内容理解的重要程度,以该重要程度为指标进行滤波器的排序和剪枝。这种方法可以在提高模型可解释性的同时,取得较好的剪枝效果,充分挖掘滤波器参数与图像信息之间的相关性分布。

(四)、引入结构约束

MonoNet:Enhancing interpretability in neural networks via Monotonic Features:An-Phi Nguyen、Dana Lea Moreno 和 Nicolas Le-Bel 引入了一种新颖的结构性约束神经网络 MonoNet。MonoNet 包含单调连接的层,确保(高级)特征和输出之间的单调关系。通过利用单调约束结合其他后处理策略,可以解释模型。例如,在对单细胞蛋白质组数据集进行分类时,MonoNet 不仅能够实现良好的性能,还能提供有关最重要生物标志物的有用生物学见解。

(五)、结合异质信息网络

基于异质图神经网络的推荐算法研究:陈卓、李涵和杜军威将图神经网络与异质信息网络相结合,提出一种基于异质图神经网络的推荐算法。该算法使用异质信息网络对多源异质数据进行联合解码,将注意力机制引入用户 - 项目交互网络和用户社交网络的用户、项目聚合表示过程,从而实现用户 - 项目交互和用户社交两类网络间的节点及拓扑结构特征的有效融合,提高了推荐的可解释性。

(六)、利用深度评论注意力神经网络模型

增强推荐系统可解释性的深度评论注意力神经网络模型:魏楚元等人提出一种增强可解释性的深度评论注意力神经网络(DRANN)模型。该模型利用用户评论与商品评论中丰富的语义信息,基于文本评论学习用户、物品之间的潜在关系,预测用户兴趣偏好和情感倾向。通过采用文本卷积神经网络对词向量作浅层特征抽取,使用注意力机制为评论数据分配权重,过滤无效评论信息,同时构建深度自编码器模块将高维稀疏数据降维,去除干扰信息,学习深层语义表征,增强了推荐模型的可解释性。

(七)、改进学习方法

SCAAT:Improving Neural Network Interpretability via Saliency Constrained Adaptive Adversarial Training:Rui Xu、Wenkang Qin 和 Lin Luo 提出了一种名为 Saliency Constrained Adaptive Adversarial Training(SCAAT)的模型无关学习方法。通过在显著性图的指导下构建对抗样本,SCAAT 有效地消除了大部分噪声,使显著性图更加稀疏和忠实,而无需对模型架构进行任何修改。这种方法在不牺牲预测能力的情况下,通过提供更忠实的显著性图,提高了深度神经网络的可解释性。

(八)、结论

提高神经网络的可解释性是一个复杂而多方面的问题,需要综合运用各种方法。可视化方法可以直观地展示模型的内部特征和决策过程;解释方法可以分析特征的重要性和模型的决策逻辑;引入结构约束可以使模型更加透明;结合异质信息网络可以提高特定领域的可解释性;利用深度评论注意力神经网络模型可以利用评论信息增强推荐系统的可解释性;改进学习方法可以提高显著性图的质量,从而增强模型的可解释性。未来,随着研究的不断深入,相信会有更多有效的方法来提高神经网络的可解释性。

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