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首页MATLAB神经网络在油气化探中的应用研究与预测效果
本文主要探讨了基于MATLAB的神经网络模式识别技术在油气地球化学勘探中的应用。油气化探是一种经济高效的资源探测方法,通过检测地下深层油气藏泄漏的地球化学指标异常来定位资源。传统的方法依赖多元统计分析和综合叠加分析,但存在多解性问题。为解决这一挑战,作者引入了神经网络,尤其是BP神经网络,其自学习性、自适应性和非线性处理能力使其成为理想的选择。 论文首先概述了神经网络在油气勘探领域的研究进展,强调了其在地质、地球物理数据融合方面的潜力。接着,作者详细介绍了MATLAB平台上的神经网络原理,包括BP神经网络的不同改进算法,如梯度下降动量算法,以及参数设置的重要性。具体应用实例是胜利油田花沟地区,通过对43口井的化探数据进行训练,构建了一个准确的BP神经网络模型。模型成功地将840个化探样品分类预测,结果显示预测结果与地质资料高度一致,仅少量预测失败的情况不影响整体结果。 此外,文章展示了神经网络预测对于未知区域的扩展价值,特别是在二氧化碳和混合井区域,模型提供了有力的支持。通过对新区域的预测,作者证明了这种方法的有效性和实用性。论文的关键点集中在BP神经网络、模式识别、油气化探和MATLAB平台的结合,以及其在分类任务中的应用。 这篇文章提供了一种新颖而有效的油气化探分析方法,展示了MATLAB神经网络的强大功能,为油气资源的精准探测和预测开辟了新的途径。未来的研究可以进一步优化算法,提高预测精度,为油气行业的勘探工作带来更大的突破。
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12
2.3.1.2 BP 网络学习规则
在此以一个三层 BP 网络为例,介绍 BP 网络的学习过程及步骤。
1、初始化。给每个连接权值
ij
w
、
j
t
v
、阈值
j
θ
与
t
γ
赋予区间(-1,1)内的
随机值。
2、随即选取一组输入和目标样本
12
( , ,... )
kk k
kn
Paaa=
、
12
( , ,... ,)
kk k
kp
Tsss=
提供给
网络。
3、用输入样本
12
( , ,... )
kk k
kn
Paaa=
、连接权
ij
w
和阈值
j
θ
计算中间层各单元的输
入
j
s
,然后用
j
s
通过传递函数计算中间层各单元的输出
j
b
。
1
n
jijij
i
swa
θ
=
=−
∑
1, 2,...
jp
=
()
j
j
bfs=
1, 2,...
jp
=
4、利用中间层的输出
j
b
、连接权
j
t
v
和阈值
t
γ
计算输出层各单元的输出
t
L
,
然后通过传递函数计算输出层各单元的响应
t
C
。
1
p
tjtjt
j
Lvb
γ
=
=−
∑
1, 2,...t
q
=
()
tt
CfL=
1, 2,...t
q
=
5、利用网络目标向量
12
( , ,..., )
kk k
kq
Tyy y=
,网络的实际输出
t
C
,计算输出层
的各单元一般化误差
k
t
d
。
()(1)
kk
tttt t
dyCCC=−⋅ −
1, 2,...t
q
=
6、利用连接权
j
t
v
、输出层的一般化误差
t
d
和中间层的输出
j
b
计算中间层各
单元的一般化误差
k
j
e
。
1
[](1)
q
k
jtjtjj
i
edvbb
=
=⋅ −
∑
7、利用输出层各单元的一般化误差
k
t
d
与中间层各单元的输出
j
b
来修正连接
13
权
j
t
v
和阈值
t
γ
。
(1) ()
k
j
tjttj
vN vN db
α
+= +⋅ ⋅
(1) ()
k
ttt
NNd
γγα
+= +⋅
1, 2,...t
q
=
1, 2,...,
jp
=
8、利用中间层各单元的一般化误差
k
j
e
,输入层各单元的输入
12
( , ,..., )
K
n
Paaa=
求修正连接权
ij
w
和阈值
j
θ
。
(1) ()
kk
ij ij j i
wN wN ea
β
+= +
(1) ()
k
j
jj
NNe
θ
θβ
+= +
1, 2,...,in=
1, 2,...,
jp
=
9、随机选取下一个学习样本向量提供给网络,返回到步骤 3,直到
m
个训
练样本训练完毕。
10、重新从
m
个学习样本中随机选取一组输入和目标样本,返回步骤⑶,直
到网络全局误差 E 小于预先设定的一个极小值,即网络收敛。如果学习次数大于
预选设定的值,网络就无法收敛。
11、学习结束。
其中:
12
( , ,..., )
K
n
Paaa=
—网络输入向量;
12
( , ,..., )
kq
Tyy y=
—网络目标向量;
12
( , ,... ,)
kp
Ssss=
—中间层单元输入向量 ,
12
( , ,..., )
kp
B
bb b
=
—输出向量;
12
( , ,..., )
kq
L
ll l=
—输出层单元输入向量,
12
( , ,..., )
kq
Cccc
=
—输出向量;
ij
w
(
1, 2,...,in=
,
1, 2,...,
jp
=
)—输入层至中间层的连接权;
j
t
v
(
1, 2,...,
jp
=
,
1, 2,...t
q
=
)—中间层至输出层的连接权;
j
θ
(
1, 2,...,
jp
=
)—中间层各单元的输出阈值;
t
γ
(
1, 2,...,
jp
=
)—输出层各单元的输出阈值。
14
通常,经过训练的网络还应该进行性能测试。测试的方法就是选择测试样本
向量,将其提供给网络,检验网络对其分类的正确性。测试样本向量中应该包含
今后网络应用过程中可能遇到的主要典型模式。这些样本可以通过直接测取得
到,也可以通过仿真得到,在样本数据较少或者较难得到时,也可以通过学习样
本加上适当的噪声或按照一定规则插值得到。为了更好地验证网络的泛化能了,
一个良好的测试样本集中不应该包含和学习样本完全相同的模式。
2.3.1.3 BP 网络设计技巧
1、输入和输出层的设计
输入的神经元可以根据需要求解的问题和数据表示方式确定。如果输入的是
模拟信号波形,那么输入层可以根据波形的采样点数目决定输入单元的维数,也
可以用一个单元输入,这时输入样本为采样的时间序列;如果输入为图像,则输
入单元可以为图形的像素,也可以是经过处理的图像特征。
输出层的维数可根据使用者的要求确定。如果将 BP 网络用做分类器,类别
模式一共有
m
个,那么输出层神经元的个数为
m
或
2
log m
。
2、隐层的设计
对于 BP 网络,对于任何在闭区间的一个连续函数都可以用单隐层的 BP 网络
逼近,因而一个三层 BP 网络就可以完成任意的
n
维到
m
维的映射。
隐层的神经元数目选择往往需要根据设计者的经验和多次试验来确定,因而
不存在一个理想的解析式来表示。隐单元的数目与问题的要求、输入/输出单元
的数目都有直接关系。隐单元的数目太多会导致学习时间过长、误差不一定最佳,
也会导致容错性差、不能识别以前没有看到的样本,因此一定存在一个最佳的隐
单元数。
①
0
i
n
i
n
i
Ck
=
>
∑
,其中
k
为样本数,
1
n
为隐单元数,
n
为输入单元数。如果
1
in>
,
0
i
i
n
C =
。
②
1
nnma=++
,其中,
m
为输出神经元数,
n
为输入单元数,
a
为[1.10]
之间的常数。
③
12
lognn=
,其中,
n
为输入单元数。
15
④
1
21nn=+,其中,
n
为输入单元数
以上 4 个公式可用于选择最佳隐单元数时的参考公式。
另外一种确定隐单元数目的途径是首先使隐单元的数目可变,或者放入足够
多的隐单元,通过学习将那些不起作用的隐单元剔除,直到不可收缩为止。同样,
也可以在开始时放入比较少的神经元,学习到一定次数后,如果不成功则再增加
隐单元的数目,直到达到比较合理的隐单元数目为止。
2.3.1.4 初始值的选取
由于系统是非线性的,初始值对于学习能否达到局部最小和是否能够收敛的
结果关系很大。一个重要的要求是:初始权值在输入累加时使每个神经元的状态
值接近于零,权值一般取随机数,数值要比较小。输入样本也同样希望进行归一
化处理,使那些比较大的输入仍落在传递函数梯度大的地方。
2.3.1.5 BP 网络的不足及改进
虽然 BP 网络得到了广泛的应用,但其自身也存在一些缺陷和不足,主要包
括:
1、 由于学习速率是固定的,因此,网络的收敛速度慢,需要较长的训练时
间。对于一些复杂的问题,BP 算法需要的训练时间可能会非常长。这主要是由
于学习速率太小造成的,对于这个问题,可采用的改进方法有:附加动量项、变
化的学习速率或自适应的学习速率。
2、 BP 算法可以使权值收敛到某个值,但并不能保证其为误差平面的全局
最小值,这是因为采用梯度下降法可能会产生多个局部最小值。
3、 网络隐含层的层数和单元数的选择尚无理论上的指导,一般是根据经验
或者通过反复实验确定。因此,网络往往存在很大的冗余性,在一定程度上也增
加了网络学习的负担。
4、 网络学习和记忆具有不稳定性。也就是说,如果增加了学习样本,训练
好的网络就需要从头开始重新训练,对于以前的权值和阈值是没有记忆的。
2.3.1.6 提高泛化能力的方法
经过训练后的神经网络,希望对于和训练样本类似的模式,它能够得到很好
的应用,且输出的准确率要高。这就表示神经网络的泛化能力要好。为了提高网
络的泛化能力,人们在传统方法的基础上,针对目标函数、训练算法,提出了一
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