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专利号: 2020114430960
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-04
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于SMOTE和深度学习的近红外光谱柴油牌号识别方法,其特征在于包括如下步骤:

步骤1、绘制柴油近红外光谱图并分析柴油不同牌号的分布情况,对牌号标签进行属性映射,并以柴油的不同牌号作为样本集;

步骤2、采用SMOTE对样本集进行数据均衡处理,并将样本集划分为训练集样本和测试集样本;

步骤3、用训练集样本构建一维深度卷积神经网络的近红外光谱分类模型;

步骤4、将测试集样本带入建好的模型中,获得柴油牌号识别的结果,绘制多分类混淆矩阵,并分析每个类别的识别率。

2.根据权利要求1所述的一种基于SMOTE和深度学习的近红外光谱柴油牌号识别方法,其特征在于:利用柴油的样本集来绘制近红外光谱图像,根据柴油的凝点,将样本牌号分为‑10#、‑20#、‑35#、‑50#和干扰共5类,分别进行属性映射,映射为类别1、2、3、4和0。

3.根据权利要求2所述的一种基于SMOTE和深度学习的近红外光谱柴油牌号识别方法,其特征在于:采用SMOTE对样本集进行数据均衡处理的具体流程如下:

1):首先,对于少数类中的每一个样本x,计算其到少数类样本集中所有样本的欧式距离,得到其k近邻;

2):根据样本不平衡比例设置一个采样比例以确定采样倍率N,对于每一个少数类样本x,从其k近邻中随机选择若干个样本,假设选择的近邻为xn;

3):对于每一个xn,分别与原样本按照公式<1>构建新的样本;

xnew=x+rand(0,1)×|x‑xn|,new∈1,2,…,N                   <1>

4):最后,重复上述步骤N次,合成N个新样品;如果稀有类共有T个样本,则可以合成NT个新样本。

4.根据权利要求3所述的一种基于SMOTE和深度学习的近红外光谱柴油牌号识别方法,其特征在于:构建一维深度卷积神经网络的近红外光谱分类模型的具体方法为:对一维的近红外光谱数据,进行一些变换,使输入信号可以满足卷积神经网络的要求;

将一维近红外光谱认为是仅包含一行或一列的二维图像的特殊集合,光谱信号进行相应的扩维,并将类别标签转换成独热编码的形式;参照LetNet‑5构建一维深度卷积神经网络模型,包括输入层、两个卷积层、两个池化层、两个全连接层和输出层。

5.根据权利要求4所述的一种基于SMOTE和深度学习的近红外光谱柴油牌号识别方法,其特征在于:卷积层由一组参数可训练的卷积核组成,卷积核的尺寸设置为m×1,一维信号的卷积运算如公式<2>所示:

式中,l为当前的卷积层,l‑1则为第(l‑1)层卷积层,xi和yj分别代表第i个输入特征图和第j个输出特征图,*是卷积运算符,ωij代表卷积核,b为偏置,f(.)为激活函数的运算。

6.根据权利要求4所述的一种基于SMOTE和深度学习的近红外光谱柴油牌号识别方法,其特征在于:在卷积层中引入激活函数PReLU,该函数的表达式如<3>所示。

7.根据权利要求4所述的一种基于SMOTE和深度学习的近红外光谱柴油牌号识别方法,其特征在于:池化层的运算如公式<4>所示:式中,l代表当前池化层,l‑1代表第(l‑1)池化层,yj为第j个输出特征图,β是乘性偏置项,b为偏置;

池化方法为最大池化法,最大池化法采样方法按照公式<5>计算:式中,将卷积层得到的一个特征映射划分成多个区域为Xk,k∈1,2,…,K。

8.根据权利要求4所述的一种基于SMOTE和深度学习的近红外光谱柴油牌号识别方法,其特征在于:全连接层包括Flatten层和两个Dense层,最后一个Dense层的激活函数为Softmax,并且于全连接层中加入一定比例的随机失活,其中,全连接层按照公式<6>计算:T

hω,b(x)=f(ωx+b)                   <6>式中,ω为神经元的权重,b为偏置,T为转置,h(x)为神经元的输出。

9.根据权利要求4所述的一种基于SMOTE和深度学习的近红外光谱柴油牌号识别方法,其特征在于:构建好模型之后,配置训练方法;配置的训练方法包括损失函数、优化器和评测指标,其中损失函数具体为交叉熵损失函数,其公式如<7>所示,优化器采用Adam优化,评测指标为准确率A,如公式<8>所示:式中,ni是预测样本和实际类别相同的个数,n为总样本数。

10.根据权利要求4所述的一种基于SMOTE和深度学习的近红外光谱柴油牌号识别方法,其特征在于:基于构建好的一维深度卷积神经网络模型,分别采用经过SMOTE过采样处理后的测试集以及原始测试集进行柴油牌号的预测,获得整体的分类识别率;随后绘制多分类混淆矩阵,并根据混淆矩阵得到精确率、召回率、准确率和平衡F分数如<9>、<10>、<11>、<12>所示:

其中,TP为将正例预测为正例的样本数,FN为将正例预测为反例的样本数,FP为将反例预测为正例的样本数,TN为将反例预测为反例的样本数。