改進的BP算法對移動用戶行為預(yù)測的研究

陳春玲，陳 紅，余 瀚

(南京郵電大學 計算機學院，江蘇 南京 210003)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，移動終端和智能手機的普及使得用戶能夠更加快速方便地獲取信息，同時人們對移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量要求也越來越高。傳統(tǒng)模式只是通過簡單的局部數(shù)據(jù)來對移動用戶的行為進行建模分析，其準確度和可信度較差，導(dǎo)致開發(fā)出的移動應(yīng)用只能滿足少數(shù)用戶的行為習慣，而無法根據(jù)不同的移動用戶的行為習慣來實現(xiàn)個性化的服務(wù)[1]。因此，尋求一種優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型具有重要的研究意義。

BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)，其主要目的是反復(fù)修正權(quán)值和閾值，使得誤差函數(shù)達到最小值。由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有獨特的非線性映射能力和很強的自適應(yīng)能力，通常被作為建模的有效工具，因此，文中采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對移動用戶行為進行預(yù)測分析。但該模型也有收斂速度慢、預(yù)測精度不高、易陷入局部極值等缺點[2]。針對這些問題，提出了很多改進方法。例如，文獻[3]通過采用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，并通過“試錯法”確定神經(jīng)元數(shù)，該算法能達到預(yù)設(shè)目標的次數(shù)更多，實現(xiàn)全局最優(yōu)，但是穩(wěn)定性不高。文獻[4]采用改進的PSO(particle swarm optimization)算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，在該算法中粒子群采用改進自適應(yīng)慣性權(quán)重和改進自適應(yīng)加速因子來優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型初始時的權(quán)值和閾值，改進算法明顯提高了模型的收斂速度，但是后期陷入局部極值的問題仍未得到解決。文獻[5]基于改進粒子群算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)輿情預(yù)測模型，該模型在預(yù)測性能上有一定的優(yōu)越性，但在效率上處于劣勢。

在此基礎(chǔ)上，文中采用基于改進的PSO算法和GA(genetic algorithm)算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對移動用戶行為進行預(yù)測,并通過實驗對算法性能進行驗證。

1 預(yù)測模型相關(guān)理論

1.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(back propagation neural network)[6]是一種具有三層或三層以上的通過權(quán)值連接的網(wǎng)絡(luò)，包含輸入層、隱含層和輸出層。隱含層又有單層和多層之分，上下層之間的節(jié)點通過權(quán)值相互連接，而同一層之間的節(jié)點無連接。隱含層與輸出層中的各節(jié)點均有一個權(quán)值和閾值[7]。訓(xùn)練的過程是通過誤差信號調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值和閾值，這個調(diào)節(jié)過程是反復(fù)進行的，直到訓(xùn)練次數(shù)達到最大值或者誤差達到要求的精度，則訓(xùn)練結(jié)束，即找到全局最優(yōu)解[8]。

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型設(shè)計

文中采用多隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計[9]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對移動用戶行為進行預(yù)測的實質(zhì)是利用移動用戶的行為參數(shù)(通話行為和網(wǎng)絡(luò)行為)構(gòu)成的樣本數(shù)據(jù)作為輸入值，通過隱含層不斷地學習、判斷、更新，從輸出層得到移動用戶當前的操作行為的預(yù)測結(jié)果，并及時做出決策。步驟如下：

(1)采集用戶真實行為數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，將樣本數(shù)據(jù)分為兩部分，一部分作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，一部分作為測試數(shù)據(jù)；

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理；

(3)構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層數(shù)，迭代次數(shù)，目標函數(shù)；

(4)使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；

(5)用測試數(shù)據(jù)測試訓(xùn)練后網(wǎng)絡(luò)模型；

(6)分析預(yù)測數(shù)據(jù)與期望數(shù)據(jù)之間的誤差。

BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型見圖1。

圖1 BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型

2 改進的PSO-GA-BP算法

2.1 改進的PSO算法

粒子群算法(particle swarm: optimization,PSO)[10]是一種智能優(yōu)化算法，通過模擬鳥類的覓食過程實現(xiàn)尋優(yōu)。作為一種高效并行優(yōu)化算法，可用于解決大量非線性、不可微的復(fù)雜優(yōu)化命題，且具有實現(xiàn)簡單、容易理解、收斂速度較快等優(yōu)點[11]。同其他群體智能優(yōu)化算法一樣，PSO算法容易產(chǎn)生早收斂、全局收斂性能差的問題[12]。原因是在粒子尋優(yōu)過程中，速度更新公式會對尋優(yōu)結(jié)果產(chǎn)生直接的影響，速度較大可以增加算法的全局搜索能力，速度較小可以增加算法的局部搜索能力，如何平衡PSO算法全局和局部搜索能力是PSO算法改進的核心。為進一步提高PSO算法的全局搜索能力，避免陷入局部最優(yōu)解，同時又不錯過全局最優(yōu)解，文中提出對慣性權(quán)重進行非線遞減的優(yōu)化公式。改進后的算法減弱了粒子優(yōu)化早期和后期變化不穩(wěn)定的問題，防止搜索過程中引起強烈振蕩，從而提高了PSO算法的性能。

(1)

其中，ωmax和ωmin分別為最大和最小權(quán)重；λ為控制因子，控制慣性權(quán)重和加速因子同時變化引起的振蕩；t為當前迭代次數(shù)；s為最大迭代次數(shù)。

2.2 遺傳算法

遺傳算法(genetic algorithm，GA)[13]是通過模擬自然界中生物進化規(guī)則而實現(xiàn)的一種搜索算法，具有操作簡便、非線性、全局尋優(yōu)以及并行性好等優(yōu)點[14]。文中引入遺傳算法的交叉、變異操作來增加優(yōu)化后期粒子的多樣性，從而擴大粒子搜索空間，防止陷入局部最優(yōu)解。

交叉操作是產(chǎn)生新個體的重要操作，在二進制編碼過程中，使用單點交叉法[15]，從兩個雙親子串中隨機選擇一點k作為交叉點，通過復(fù)制交叉點產(chǎn)生兩個新的后代，每個后代的第k位從它的某個雙親的第k位復(fù)制得來，交叉點在第k位進行交叉操作的方法為：

(2)

變異操作是維持種群的多樣性和提高算法局部尋優(yōu)能力的重要手段。依據(jù)變異概率將個體編碼串中的某些基因值用其他基因值來替換，從而形成一個新的個體。對于變異方式，文中采用單點變異[16]。

交叉概率pc和變異概率pm對遺傳算法的優(yōu)化性能起著重要的作用。為了避免種群發(fā)散和陷入局部極值，概率采用自適應(yīng)變化[17]的遺傳概率，在保證種群多樣性的情況下不破壞適應(yīng)度值高的種群。當種群在進化過程中由于陷入局部搜索空間而不能跳出時，可通過增加pm來擺脫這種情況，當種群在解空間比較分散時，pc和pm可適當減小。

(3)

(4)

文中利用PSO算法收斂較快和GA算法全局搜索能力較強兩方面的優(yōu)勢來彌補BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的不足。本質(zhì)上是將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練誤差作為PSO算法和GA算法的待優(yōu)化目標函數(shù)，通過不斷地評價粒子的適應(yīng)度值來更新并尋找最優(yōu)粒子所在的位置，直到達到預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù)或最小誤差，最后將得到的最優(yōu)值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的較優(yōu)初始連接權(quán)值和閾值,從而提高該預(yù)測模型的收斂速度和準確性。

2.3 基于改進的PSO-GA-BP算法的步驟

(1)確定BP網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，初始化PSO維度、速度、位置、慣性權(quán)重、學習因子、最大迭代次數(shù)等參數(shù)。

(2)根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)計算每個粒子的適應(yīng)度值，將粒子當前所處的位置當作自身最優(yōu)位置pib，將初始種群中粒子最優(yōu)位置當作全局最優(yōu)位置pgb。適應(yīng)度函數(shù)為：

f(Xi)=E(Xi)-1

(5)

其中，E(Xi)見式8

(3)按以下公式更新每個粒子的速度和位置。

(6)

(7)

其中，r1,r2為0～1之間的隨機數(shù)；c1，c2為學習因子；n為粒子數(shù)；d為解空間維度。

(4)更新粒子群算法的慣性權(quán)重ω(同式1)，隨著算法迭代次數(shù)的非線性變化結(jié)果為：

其中，最大權(quán)重ωmax=0.9；最小權(quán)重ωmin=0.1；λ為控制因子，控制慣性權(quán)重和加速因子同時變化引起的振蕩，為了保證在整個搜索過程中輸出誤差平穩(wěn)遞減，λ通常取3。

(5)再次計算粒子適應(yīng)度值，根據(jù)交叉、變異規(guī)則選擇適當?shù)牧Ｗ舆M行交叉、變異操作，更新種群。

(6)重復(fù)步驟2～5，采用改進的PSO算法和GA算法的交叉、變異操作優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，直至達到預(yù)設(shè)的目標，則停止搜索，將優(yōu)化后的權(quán)值和閾值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的初始權(quán)值和閾值。

(7)進行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，通過公式計算誤差，直至達到預(yù)設(shè)的最大訓(xùn)練次數(shù)或者滿足最小誤差，訓(xùn)練結(jié)束。

(8)

(9)

(8)將優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于對移動用戶的行為預(yù)測。

3 實 驗

3.1 實驗條件

數(shù)據(jù)來源：徐州移動分公司2017年第一季度鼓樓區(qū)4G移動用戶數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理：對數(shù)據(jù)進行提煉、轉(zhuǎn)換，獲取該區(qū)域1 000名4G用戶的行為特征，主要分為兩類，即通話行為和網(wǎng)絡(luò)行為。通話行為分為：通話時長、通話次數(shù)、短呼次數(shù)、長呼次數(shù)、漫游(主叫或被叫)呼叫次數(shù)、周末或工作日呼叫次數(shù)、短信收發(fā)條數(shù)等。網(wǎng)絡(luò)行為分為：視頻聊天時長、網(wǎng)上購物次數(shù)、網(wǎng)頁瀏覽頻率等，所有的行為屬性為數(shù)值性屬性。

參數(shù)設(shè)置：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用多隱層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隱含層傳遞函數(shù)設(shè)置為“l(fā)ogsig”，輸出層函數(shù)選用purelin，迭代數(shù)取100，訓(xùn)練目標1.0e-005。遺傳參數(shù)設(shè)置為：種群規(guī)模40，進化代數(shù)100，交叉概率0.7，變異概率0.01。粒子群算法參數(shù)設(shè)為：種群規(guī)模40，進化代數(shù)100，加速因子c1=c2=2，粒子最大速度vmax=0.5，慣性權(quán)重取值區(qū)間[0.2,0.9]。

(10)

(11)

(12)

(13)

3.2 實驗結(jié)果

在Matlab2011a環(huán)境下，使用Matlab語言編程，構(gòu)建三種預(yù)測模型，即：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型(BP)、基于標準PSO算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型(PSO-BP)和基于改進的PSO算法和GA算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型(IPSO-GA-BP)。通過這三種模型分別對移動用戶行為進行預(yù)測。

采用Matlab進行實驗仿真，對徐州移動分公司提供的測試數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，得到符合模型要求的數(shù)據(jù)類型，然后輸入到基于Matlab實現(xiàn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)移動用戶行為分析模型中，最后得出輸出的移動用戶操作行為和實際移動用戶操作行為的結(jié)果。圖2～4是將測試數(shù)據(jù)分別輸入到BP、PSO-BP和IPSO-GA-BP得到的預(yù)測結(jié)果。圖5是三種網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的輸出與實際用戶行為值的誤差對比圖。表1是三種模型的誤差指標比對。

圖2 BP網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測輸出

圖3 PSO-BP網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測輸出

圖4 IPSO-GA-BP網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測輸出

圖5 三種網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測誤差

算法MSEEMSEerr BP0.000 117 5330.010 841 2790.000 127PSO-BP1.49E-050.003 860 0520.000 016IPSO-GA-BP0.000 0030.001 732 0510.000 003

3.3 實驗分析

通過仿真結(jié)果，對比圖2～4可知，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型輸出擬合度最差，其次是PSO-BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。從圖4可明顯看出，基于IPSO-GA-BP算法的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果更接近目標值，原因是IPSO-GA-BP算法融合了IPSO算法和GA算法的優(yōu)勢，彌補了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法易陷入局部極值、收斂速度慢、尋優(yōu)精度低的缺陷。從圖5和表1可知，IPSO-GA-BP算法比BP算法和PSO-BP算法更穩(wěn)定、可靠。因此，文中提出的IPSO-GA-BP算法的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型在預(yù)測移動用戶行為的準確性和可靠性方面具有較高的應(yīng)用價值。

4 結(jié)束語

采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對移動用戶行為進行預(yù)測，針對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法存在易陷入局部最優(yōu)解、尋優(yōu)精度低、收斂速度慢的問題，提出一種基于改進的PSO算法和GA算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合算法，即IPSO-GA-BP算法。該算法在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的基礎(chǔ)上融合了PSO算法和GA算法的優(yōu)勢，仿真結(jié)果表明，算法在對移動用戶行為預(yù)測的精確度和穩(wěn)定性上均有所提高。