Однако в случае с малым количеством данных для определения эффективности обученной нейронной сети рекомендуется применять именно метод скользящего экзамена или некоторые его вариации. Стоит отметить, что эффективность статистических методов классификации сейсмических сигналов также проверяется методом скользящего экзамена. Таким образом, применяя его для тестирования нейросетевого подхода, можно корректно сравнить результаты экспериментов с возможностями стандартных методов.
7. Программная реализация.
При выборе программного обеспечения для решения определенной задачи с помощью нейронных сетей возможны два подхода: использование готовых решений в виде коммерческих пакетов или реализация основных идей в виде собственной программы.
Первый подход позволяет получить быстрое решение, не вдаваясь в детальное изучение работы алгоритма. Однако, хорошие пакеты, в которых имеются мощные средства для реализации различных парадигм нейронных сетей, обработки данных и детального анализа результатов, стоят больших денег. И это сильно ограничивает их применение. Еще одним недостатком является то, что несмотря на свою универсальность, коммерческие пакеты не реализовывают абсолютно все возможности моделирования и настройки нейронных сетей, и не все из них позволяют генерировать программный код, что весьма важно.
Если же возникает необходимость построить нейросетевое решение, адаптированное под определенную задачу, и реализованное в виде отдельного программного модуля, то первый подход чаще всего неприемлем.
Именно такие требования и были выдвинуты на начальном этапе исследований. Точнее, необходимо было разработать программу, предназначенную для классификации сейсмических данных при помощи нейросетевых технологий, а также работающую под операционной системой Unix (Linux и Sun Solaris SystemV 4.2). В результате была разработана программа, реализующая основные идеи нейроинформатики, изложенные в разделе 6.
Следует отметить, что базовый алгоритм программы был выполнен под системой Windows 95, а лишь затем оптимизирован под Unix по той причине, что предложенная операционная система используется в узких научных и корпоративных кругах, и доступ к ней несколько ограничен, а для отладки программы требуется много времени.
Для большей совместимости версий под различные платформы использовались возможности языка программирования С.
7.1 Функциональные возможности программы.
В программе “nvclass.с” – (нейро-классификатор векторов данных) реализована модель двухслойного персептрона, представленная в разделе 6. Эта программа предназначена для соотнесения тестируемого вектора признаков сейсмической информации к одному из двух классов. Входные данные представляют собой предысторию сейсмических явлений конкретного региона, а также тестируемый вектор признаков, соответствующий сейсмическому событию, не включенному в предысторию. Эти данные считываются из соответствующих файлов в виде набора векторов признаков заданной размерности. Автоматически, в зависимости от размерности входных векторов, определяется конфигурация нейронной сети т.е. по умолчанию для заданной размерности входных данных выбирается определенное (рекомендуемое по результатам предварительных экспериментов) число нейронов в входном и скрытом слоях, хотя при желании эти параметры легко меняются.
В качестве правила обучения нейронной сети реализован алгоритм обратного распространения ошибки и некоторые методы его оптимизации. После завершения процесса обучения тестируемый вектор признаков подается на вход уже обученной сети и вычисляется результат, по которому сеть с определенной вероятностью соотносит входной вектор к одному из заданных классов.
Для дополнительной настройки нейронной сети в программе реализован ряд процедур, описанных в разделе 6. Из них можно выделить следующие:
· Различные процедуры начальной инициализации весовых коэффициентов;
· Пакетный режим обучения;
· Алгоритм коррекции шага обучения;
· Процедуры предварительной обработки данных;
· Алгоритм оценки эффективности – cross-validation.
· Процедура многократного обучения.
Последняя процедура (многократное обучение сети) предусмотрена для устранения возможных ошибок идентификации. Для нейронной сети заданное число раз (Cycle) генерируются матрицы начальных весовых коэффициентов и выполняется алгоритм обучения и идентификации тестового вектора. По полученным результатам обучения и тестирования выбирается вариант наибольшего повторения и итоговое решение принимается исходя из него. Для исключения неоднозначности это число выбирается положительным , целым, нечетным.
В программе “nvclass” предусмотрены следующие режимы функционирования:
· «Внешний» режим – идентификации тестового входного вектора признаков;
· «Внутренний» режим – идентификация вектора признаков из набора векторов предыстории.
«Внешний» режим предназначен для классификации вновь поступивших сейсмических данных и может быть использовать в следующих случаях
· Классификация на нейронных сетях, уже обученных на данных из конкретных регионов регионов,
· Классификация с повторным обучением нейронной сети.
«Внутренний» режим служит для оценки вероятности ошибки идентификации сети и включает два подрежима – проверки правильности идентификации одного из векторов набора предыстории и последовательной проверки всех заданных векторов (“cross-validation”).
Режим работы программы устанавливается в файле настроек.
После завершения работы основные результаты записываются в соответствующий файл отчета, который потом можно использовать для детального анализа. Пример файла приведен в приложении 4.
7.2 Общие сведения.
1. Программный пакет предназначенный для идентификации типа сейсмического события включает следующие модули:
· Исходный код программы “nvclass.c” и “nvclass.h”;
· Файл с настройками режима работы программы “nvclass.inp”;
· Файл с обучающей выборкой векторов “vector.txt”;
· Файл с векторами для тестирования сети “vector.tst”;
· Файл, содержащий описание определенной конфигурации сети и весовые коэффициенты этой уже обученной сети “nor18.net”.
· Файл автоматической компиляции “Makefile” (Только для версии под Unix).
· Файл отчета о результатах работы программы “Report.txt”.
2. В настоящий момент разработано две версии программы. Одна работает под операционной системой Dos 6.2 и выше, а другая под Unix (Linux, Solaris V4.2).
3. Необходимое средство компиляции:
· Для Dos (Windows) – любой компилятор Си. Например, Borland C++ 3.1 или выше.
· Для Unix стандартный компилятор cc, входящий в состав базовой комплектации любой операционной системы семейства Unix.
7.3 Описание входного файла с исходными данными.
В качестве исходных данных используется отформатированный текстовый файл, в котором хранится информация о размерности векторов, их количестве и сами вектора данных. Файл должен иметь форму числовой матрицы. Каждая строка матрицы соответствует одному вектору признаков. Количество признаков должно совпадать с параметром NDATA. Количество столбцов равно количеству признаков плюс два. Первый столбец содержит порядковый номер вектора в общей совокупности данных (соответствует последовательности 1, 2, 3,...,NPATTERN), а в последнем столбце записаны значения указателя классификатора: 1- для вектора из первого класса, 0 – для вектора из второго класса. Все числовые параметры разделяются пробелами и записываются в кодах ASCII. Пример файла приведен в приложении 2.
7.4 Описание файла настроек.
Параметры настройки программы содержаться во входном файле “nvclass.inp”. Пример файла приведен в приложении 3. Для настройки используются следующие переменные:
TYPE - РЕЖИМ РАБОТЫ ПРОГРАММЫ
TYPE=1_1
Это значение соответствует внешнему режиму функционирования программы без обучения нейронной сети, т.е. тестирование на заранее обученной нейронной сети. При этом надо задать следующие параметры:
1. NDATA –Размерность входных данных
2. TESTVECTOR – Имя файла с тестируемым вектором
3. NETWORKFILE – Имя файла с матрицами весов предварительно обученной сети
TYPE=1_2
Это значение соответствует внешнему режиму функционирования программы с обучением нейронной сети и тестированием на ней заданного вектора. Необходимо задать следующие параметры:
1. NDATA –Размерность входных данных
2. NPATTERN –Количество векторов признаков
3. PATTERNFILE-Имя файла с набором векторов признаков
4. TESTVECTOR – Имя файла с тестируемым вектором;
5. RESNETFNAME- Имя выходного файла с матрицами весов обученной сети.
TYPE=2_1
Данное значение соответствует внутреннему режиму с проверкой одного из векторов из представленной выборки. Для функционирования программы необходимо задать следующие параметры:
1. NDATA –Размерность входных данных
2. NPATTERN –Количество векторов признаков
3. PATTERNFILE -Имя файла с набором векторов признаков
4. NUMBERVECTOR -Номер тестового вектора признаков из заданной выборки
TYPE=2_2
При данном значении параметра программа будет функционировать во внутреннем режиме с последовательной проверкой всех векторов (“cross_validation”). Необходимо задать следующие параметры :
1. NDATA -Размерность входных данных
2. NPATTERN –Количество векторов признаков
3. PATTERNFILE -Имя файла с набором векторов признаков
NDATA РАЗМЕРНОСТЬ ВЕКТОРОВ ПРИЗНАКОВ
Задается размерность векторов признаков, или количество признаков в каждом векторе наблюдений. Этой величине должны соответствовать все входные данные в текущем сеансе работы программы.
NPATTERN КОЛИЧЕСТВО ВЕКТОРОВ ПРИЗНАКОВ