四元数值回声状态网络:3D与4D过程建模新方法

0 下载量 104 浏览量 更新于2024-08-29 收藏 1.24MB PDF 举报
"Quaternion-valued Echo State Networks for 3-D and 4-D process modeling in renewable energy and human-centered computing applications, utilizing quaternion nonlinear activation functions and augmented quaternion statistics for second-order optimality in widely linear models." 在神经网络和学习系统领域,四元数值回声状态网络(Quaternion-Valued Echo State Networks, QESNs)是一种新兴的技术,专门针对三维(3-D)和四维(4-D)过程的建模。这些过程可能出现在可再生能源,如3-D风力建模,以及人本计算中,如3-D惯性身体传感器数据处理。QESNs的提出得益于近期四元数非线性激活函数的发展,这些函数具有局部解析性质,满足非线性梯度下降训练算法的需求。 四元数是一种扩展复数的概念,可以更有效地处理多维数据,特别是对于3-D和4-D信号。传统的回声状态网络(Echo State Networks, ESNs)在处理一维或二维数据时表现出色,但QESNs的出现使得处理更高维度的数据成为可能。在QESNs中,回声状态网络的动态水库,通常由递归神经网络实现,能够充分利用四元数表示的特性。 为了使QESNs对各种四元数信号(无论是圆形还是非圆形)达到第二阶最优,论文引入了增强的四元数统计(augmented quaternion statistics)。这涉及到广泛线性QESNs的概念,其中标准的广泛线性模型被修改以适应动态水库的特性。这种方法允许全面利用数据中的第二阶信息,包括协方差和伪协方差,从而实现严谨的分析和更精确的建模。 通过这样的方法,QESNs不仅可以捕获信号的主要趋势,还能捕捉到信号的复杂结构和非线性关系,这对于理解和预测3-D和4-D过程至关重要。在可再生能源领域,例如风力预测,准确的三维模型可以帮助优化能源生产;而在人类中心计算中,四元数模型能够改进基于人体运动传感器数据的分析和应用。 QESNs结合了四元数数学的高效性和回声状态网络的强学习能力,为高维复杂系统的建模提供了一种创新且强大的工具。这种技术有望在未来的可再生能源预测、人体运动追踪以及其他依赖多维数据处理的应用中发挥重要作用。