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新型Spiking神经网络模型及其学习方法研究

曾宝  
【摘要】:Spiking神经网络(SNN),作为第三代人工神经网络(ANN),模拟了大脑中神经元的信息处理方式,具有高度的仿生性和生物可解释性。相比于第一代ANN(使用M-P模型作为网络的计算单元)和第二代ANN(通过非线性的激活函数来处理线性不可分问题),SNN因为其独特的信息编码和处理的方式,具有更强大的计算能力。但是目前常见的SNN模型在计算上都非常复杂,不利于网络模型的扩展,而且也缺乏比较高效的算法。为了研究扩展性更强的SNN模型,以及更高效的学习算法,本文主要做了以下工作:(1)通过对一些经典的Spiking神经元模型和网络模型的工作原理及对应的优缺点的分析,本文提出了一种同时具有生物可解释性、计算高效性和可扩展性的新型Spiking神经元模型——ISNM,并将该模型扩展为在时间和空间维度上可迭代计算的新型Spiking神经网络模型——ISNM-SNN。由于该网络模型具有迭代计算的特性,无论是在模型的计算方面,还是网络模型的扩展方面,都比传统的SNN模型更高效。(2)为了将ISNM-SNN模型与多脉冲学习方法相结合,从而能更好地利用脉冲模式中携带的大量信息,本文提出了一种基于多脉冲学习方法的时空误差反向传播算法——STBP-MSL,并且通过与同类型算法之间的对比实验,证明了该算法是一种高效的多脉冲学习算法。(3)为了探索ISNM-SNN模型和STBP-MSL算法在模式识别问题中的处理能力,本文首先设置了时间置信分配问题上的实验,验证了经过STBP-MSL算法训练后的SNN能准确地识别出隐藏在干扰信息和噪声中的线索,同时也具有很强的鲁棒性。然后本文将该网络模型和算法分别应用到鸢尾花分类任务和语音识别任务中,并且都取得了比较好的效果。另外,为了验证探索SNN层数与分类效果的关系,本文在语音识别任务中还设置了双层SNN和三层SNN的对比实验。


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