支持向量機(jī)改進(jìn)算法在船舶槳葉數(shù)分類中的應(yīng)用

戴衛(wèi)國(guó)，李海濤，李智忠，王易川

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島266042)

0 引 言

船舶輻射噪聲的復(fù)雜性使得很難對(duì)其進(jìn)行分類與識(shí)別，船舶輻射噪聲的特征提取和分類方法是人們一直研究探索的技術(shù)難題。船舶輻射噪聲(Detection of Envelope Modulation On noise，DEMON)譜反映了航行艦船噪聲的節(jié)奏信息和船舶本身一些固有的物理不變特征，通過對(duì)船舶輻射噪聲的DEMON 譜分析可以獲取船舶目標(biāo)槳葉數(shù)特征［1］;船舶目標(biāo)槳葉數(shù)物理意義明確，與船舶工況無(wú)相關(guān)性，是進(jìn)行水聲目標(biāo)識(shí)別最重要的識(shí)別特征之一，在某些情況下單憑槳葉數(shù)即可識(shí)別目標(biāo)，這對(duì)艦船目標(biāo)識(shí)別具有特別的意義。

支持向量機(jī) (Support Vector Machine，SVM)是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的模式識(shí)別方法，采用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則代替了傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法中的經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則，在解決有限樣本、非線性及高維模式識(shí)別問題中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢(shì)，與其他學(xué)習(xí)機(jī)相比具有良好的推廣能力和很強(qiáng)的普適性［2-3］。

本文利用船舶目標(biāo)輻射噪聲DEMON 譜特征，采用徑向基支持向量機(jī)改進(jìn)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶螺旋槳槳葉數(shù)的分類識(shí)別應(yīng)用研究。針對(duì)支持向量機(jī)算法［2-3］對(duì)噪聲比較敏感和最優(yōu)分類面求解時(shí)約束太多不利于求解問題，根據(jù)支持向量機(jī)在不等式約束條件下可以保持支持向量解的稀疏性特性，在應(yīng)用徑向基等平移不變核函數(shù)的情況下，對(duì)支持向量機(jī)的松弛變量和決策函數(shù)2 方面進(jìn)行改進(jìn)，從而構(gòu)造齊次決策二階損失函數(shù)徑向基支持向量機(jī)的分類算法(簡(jiǎn)稱:徑向基支持向量機(jī)改進(jìn)算法)，在支持向量機(jī)算法中實(shí)現(xiàn)二次規(guī)劃中的最小約束條件下最優(yōu)分類面求解，研究其Matlab實(shí)現(xiàn)方法，并采用擴(kuò)展的XOR 仿真數(shù)據(jù)、雙螺旋仿真數(shù)據(jù)、船舶輻射輻射噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行螺旋槳槳葉數(shù)分類識(shí)別實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，該算法具有分類面劃分合理、模型參數(shù)尋優(yōu)空間廣闊、總體分類性能優(yōu)的特性。

1 支持向量機(jī)改進(jìn)算法

1.1 支持向量機(jī)原理

支持向量機(jī)從線性可分情況下的最優(yōu)分類面發(fā)展而來(lái)，最優(yōu)分類面是要求分類面不但能將兩類正確分開，而且使分類間隔最大。d 維空間中線性判別函數(shù)的一般形式為g(x)=w·x +b，設(shè)分類面的方程為(w·x)+b = 0，使得對(duì)線性可分的樣本集(xi，yi)，i = 1，2，…，l，x ∈Rd為輸入樣本，d 為訓(xùn)練樣本維數(shù)，y ∈{+1，－1}為輸出類別，滿足yi［(w·xi)+ b］－1 ≥0，i = 1，2，…，n［1］。

在線性不可分和在非線性情況下，通過在求解二次規(guī)劃約束條件中增加一個(gè)非負(fù)的松弛項(xiàng)ξi，以及引入核函數(shù)K(xi，xi)= φ(xi)·φ(xi)后，支持向量機(jī)的分類問題轉(zhuǎn)化為求(w，b，ξ)T為決策變量的二次規(guī)劃問題［4-5］:

式中:C 為懲罰因子;ξ=(ξ1，…，ξl)T。

該問題可通過求解其拉格朗日對(duì)偶問題得其最優(yōu)解，其對(duì)偶問題為:

1.2 支持向量機(jī)改進(jìn)算法

支持向量的稀疏性是支持向量機(jī)的主要特性之一。在保持支持向量稀疏特性的前提下，為解決支持向量機(jī)算法對(duì)噪聲比較敏感的問題，并尋求最小約束中條件下的最優(yōu)分類面尋優(yōu)，對(duì)支持向量機(jī)在以下2 個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn):一是將松弛變量ξi采用的一階函數(shù)形式改為二階函數(shù)形式，即在目標(biāo)函數(shù)中采用來(lái)代替此改進(jìn)可以去掉所求解的二次型規(guī)劃的對(duì)偶問題中關(guān)于αi不等式約束中的上限約束條件αi≤C，i = 1，…，l，并鈍化支持向量機(jī)算法對(duì)噪聲數(shù)據(jù)的敏感性;二是根據(jù)徑向基核函數(shù)具備的平移不變性，在基于徑向基核函數(shù)的支持向量機(jī)算法中，可對(duì)支持向量機(jī)決策函數(shù)進(jìn)行齊次處理去掉偏置b，將其決策函數(shù)修改為f(x)= sgn(w*·Φ(x))，從而在求解二次規(guī)劃問題的對(duì)偶問題時(shí)，可減少關(guān)于αi等式約束條件僅余下不等式約束中的下界約束αi≥0，i = 1，…，l。通過此2 處改進(jìn)，構(gòu)建了基于徑向基核函數(shù)的齊次決策二階損失函數(shù)支持向量機(jī)的改進(jìn)算法，從而實(shí)現(xiàn)二次規(guī)劃中的最小約束條件下最優(yōu)分類面求解。

此時(shí)其原始問題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

此目標(biāo)函數(shù)為凸函數(shù)，不等式約束條件為線性函數(shù)，強(qiáng)對(duì)偶條件成立［6］。求解式(4)的對(duì)偶規(guī)劃，引入拉格朗日函數(shù)

先求拉格朗日函數(shù)L(w，ξ，α)關(guān)于w，ξ 的極小值

所以原始問題的對(duì)偶問題可表示為

1.3 支持向量機(jī)改進(jìn)算法的Matlab 實(shí)現(xiàn)

關(guān)于在線性約束條件下的二次規(guī)劃問題，在Matlab 中專門提供了用于求解二次規(guī)劃問題的quadprog 函數(shù)，可直接用于求解中等規(guī)模的支持向量機(jī)問題。相對(duì)于大規(guī)模的支持向量機(jī)求解的選塊算法、分解算法、序列最小最優(yōu)化算法而言，quadprog 函數(shù)直接求解方法意義明確、中間變量清楚、過程可控，且運(yùn)算速度可行，是一種較好的學(xué)習(xí)及調(diào)試手段。

quadprog 函數(shù)求解的最優(yōu)化問題形式為［7］:

對(duì)于支持向量機(jī)和支持向量機(jī)改進(jìn)算法，應(yīng)用quadprog 函數(shù)求解的對(duì)比如表1 所示。

表1 應(yīng)用Quadprog 函數(shù)求解支持向量機(jī)實(shí)現(xiàn)方法對(duì)比Tab.1 The comparation between SVM and improved algorithm on Quadprog function

2 仿真數(shù)據(jù)分類實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證該支持向量機(jī)改進(jìn)算法的實(shí)際效果，本文利用擴(kuò)展的XOR 仿真數(shù)據(jù)和雙螺旋線仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2.1 擴(kuò)展的XOR 仿真數(shù)據(jù)分析

平面上相間排列的25 點(diǎn)的兩類點(diǎn)集，可以看作是擴(kuò)展的XOR 數(shù)據(jù)，如圖1 所示。

圖1 平面上相間排列的25 點(diǎn)的兩類點(diǎn)集Fig.1 25 points on a plane of two type point sets

1)選取懲罰因子C =10，徑向基核函數(shù)參數(shù)σ = 0. 2，對(duì)該25 點(diǎn)的兩類點(diǎn)集進(jìn)行支持向量機(jī)及其改進(jìn)算法的訓(xùn)練和測(cè)試分類實(shí)驗(yàn)，其在原始空間的分類曲線分布如圖2 和圖3 所示。其中圖中圓點(diǎn)為正類目標(biāo)，十字為負(fù)類目標(biāo)，實(shí)線為最優(yōu)分類曲線(二維情況下，分類曲面退化為分類曲線)。

圖2 SVM 的分類曲線Fig.2 Classification curve of SVM

圖3 改進(jìn)算法的分類曲線Fig.3 Classification curve of improved algorithm

由對(duì)比可見，由于減少了約束條件，故獲取了更寬的優(yōu)化空間，在此模型參數(shù)下，改進(jìn)算法的分類曲線對(duì)樣本空間劃分合理，分類均衡。

2)選取懲罰因子C = 10，徑向基核函數(shù)參數(shù)σ = 0.55，對(duì)該25 點(diǎn)的兩類點(diǎn)集進(jìn)行支持向量機(jī)及其改進(jìn)算法的訓(xùn)練和測(cè)試分類實(shí)驗(yàn)，其在原始空間的分類曲線分布如圖4 和圖5 所示。

由對(duì)比可見，此時(shí)改進(jìn)算法可以對(duì)所有目標(biāo)全部正確分類而原算法不能，因此改進(jìn)算法獲取了更為廣闊的核函數(shù)模型尋優(yōu)空間，更有利于核函數(shù)模型的參數(shù)尋優(yōu)。

圖4 SVM 的分類曲線Fig.4 Classification curve of SVM

圖5 改進(jìn)算法的分類曲線Fig.5 Classification curve of improved algorithm

2.2 雙螺旋線仿真數(shù)據(jù)分析

雙螺旋線分類一直是模式識(shí)別領(lǐng)域公認(rèn)的一個(gè)難題，它也因其難度而經(jīng)常被用作檢驗(yàn)?zāi)Ｊ阶R(shí)別算法性能的“試金石”［3］。該問題的分類要求是把x -y 坐標(biāo)平面上2 條不同螺旋線的點(diǎn)正確分開。

雙螺旋的平面坐標(biāo)形式用如下的參數(shù)方程來(lái)表示:

在本實(shí)驗(yàn)中，令k1=k2=2，e1=1，e2=3，θ∈［0，4π］。對(duì)每類在區(qū)間［0，4π］上等間隔采樣126 個(gè)點(diǎn)，再在其中等間隔取26 個(gè)作為訓(xùn)練樣本，其余100 個(gè)作為測(cè)試樣本，因此共有52 個(gè)訓(xùn)練樣本，200 個(gè)測(cè)試樣本。

采用網(wǎng)格搜索法，懲罰因子C 取值范圍為1 至100，步進(jìn)為1;徑向基核函數(shù)σ 的取值0.01 至1，步進(jìn)為0.01，在100 × 100 的網(wǎng)格范圍內(nèi)，對(duì)雙螺旋線數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試。

采用支持向量機(jī)算法，訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率隨參數(shù)C 和σ 的分布如圖6 所示。

圖6 SVM 算法中訓(xùn)練數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率分布Fig.6 The error rate distribution of SVM for training

采用改進(jìn)的支持向量機(jī)算法訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率隨參數(shù)C 和σ 的分布如圖7 所示。

圖7 改進(jìn)算法中訓(xùn)練樣本錯(cuò)誤率分布Fig.7 The error rate distribution of improved for training

從訓(xùn)練樣本的訓(xùn)練錯(cuò)誤率隨模型參數(shù)的變化來(lái)看，改進(jìn)支持向量機(jī)在訓(xùn)練樣本中，具備較寬的低錯(cuò)誤率訓(xùn)練空間。

此時(shí)，采用支持向量機(jī)算法，測(cè)試樣本數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率隨參數(shù)C 和σ 的分布如圖8 所示。

圖8 SVM 算法中測(cè)試數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率分布Fig.8 The error rate distribution of SVM for testing

采用改進(jìn)算法，測(cè)試樣本數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率隨參數(shù)C 和σ 的分布如圖9 所示。

從測(cè)試樣本數(shù)據(jù)的測(cè)試錯(cuò)誤率隨模型參數(shù)的變化來(lái)看，改進(jìn)支持向量機(jī)具備較寬的低錯(cuò)誤率測(cè)試空間。

從仿真數(shù)據(jù)綜合來(lái)看，改進(jìn)的支持向量機(jī)算法性能較優(yōu)。

圖9 改進(jìn)SVM 算法中測(cè)試樣本錯(cuò)誤率分布Fig.9 The error rate distribution of improved SVM for testing

3 海上實(shí)測(cè)船舶噪聲數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

目前，船舶螺旋槳槳葉數(shù)一般為3 葉、4 葉、5葉、6 葉和7 葉共5 類，根據(jù)槳葉數(shù)從3 葉到7 葉的順序，可將艦船目標(biāo)分為A ～E 五類。

槳葉數(shù)識(shí)別主要包括特征提取和分類識(shí)別兩部分。在特征提取部分，通過對(duì)船舶目標(biāo)輻射噪聲進(jìn)行DEMON 譜分析，提取DEMON 譜軸頻的1 ～15 階諧波線譜的幅度、線譜寬度，軸頻的頻率穩(wěn)定度、幅度穩(wěn)定度，諧波簇信噪比共33 維特征，進(jìn)行歸一化處理后作為槳葉數(shù)識(shí)別的特征。

進(jìn)行試驗(yàn)的船舶目標(biāo)輻射噪聲樣本全部為海上綜合聲吶聽測(cè)波束實(shí)際錄取的船舶目標(biāo)噪聲，試驗(yàn)樣本的選取條件如下:

1)在綜合聲吶對(duì)噪聲目標(biāo)探測(cè)和穩(wěn)定跟蹤后輸出得到的遠(yuǎn)場(chǎng)單目標(biāo)噪聲信號(hào);

2)船舶目標(biāo)噪聲DEMON 譜中存在可見的調(diào)制線譜;

3)船舶目標(biāo)的類型特征、槳葉數(shù)明確。通過樣本選取共獲取了3 725 個(gè)船舶目標(biāo)噪聲樣本，按槳葉數(shù)進(jìn)行分類，其中A 類樣本1 466 個(gè)，B 類樣本1 101 個(gè)，C 類樣本570 個(gè)，D 類樣本240 個(gè)，E類樣本348 個(gè)。

3.2 槳葉數(shù)識(shí)別特征提取過程

對(duì)船舶輻射噪聲依次進(jìn)行帶通濾波、檢波、低通濾波、降采樣、FFT 變換得到DEMON 譜［1］，如圖10 所示，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為幅度。DEMON 譜中一般存在很多頻率成倍數(shù)關(guān)系的諧波線譜，這組諧波中的第一根線譜頻率對(duì)應(yīng)螺旋槳轉(zhuǎn)速。根據(jù)諧波線譜的幅度關(guān)系、寬度特征、穩(wěn)定度、信噪比等特征，可以判斷目標(biāo)的類型，圖10 為典型的B 類目標(biāo)DEMON 譜圖。

圖10 某典型B 類目標(biāo)DEMON 譜圖Fig.10 A typical DEMON of target B

本文提取的目標(biāo)類型識(shí)別特征是由以下5 部分特征組成的33 維特征矢量:

1)軸頻的1 ～15 階諧波線譜的歸一化幅度大小;

2)軸頻的1 ～15 階諧波線譜的歸一化寬度大小;

3)軸頻的頻率穩(wěn)定性，本文以30 s 數(shù)據(jù)中軸頻頻率變化的方差作為頻率穩(wěn)定性特征;

4)軸頻的幅度穩(wěn)定性，本文以30 s 數(shù)據(jù)中軸頻幅度變化的方差作為幅度穩(wěn)定性特征;

5)諧波簇信噪比，本文以15 階諧波線譜相對(duì)背景干擾線譜的突出程度作為信噪比特征。

據(jù)此對(duì)圖10 所示DEMON 譜進(jìn)行分析，得到33維槳葉數(shù)識(shí)別特征矢量如圖11 所示。

圖11 33 維特征矢量示意圖Fig.11 Schematic diagram of 33 dimension feature vector

3.3 船舶槳葉數(shù)分類實(shí)驗(yàn)及分析

將選取的目標(biāo)噪聲按類別隨機(jī)分為對(duì)等的2 部分:一部分用來(lái)訓(xùn)練，另一部分用來(lái)測(cè)試，對(duì)支持向量機(jī)及其改進(jìn)算法，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行對(duì)比。

支持向量機(jī)模型選取采用網(wǎng)格搜索法，懲罰因子C 取值為C =1.25k1，k1=1，2，…，20，徑向基核函數(shù)的σ 取值為σ = 1.25k2/20，k2= 1，2，…，20，在20×20 的網(wǎng)格范圍內(nèi)，分別采用“一對(duì)一”、 “一對(duì)余”［8-10］的支持向量機(jī)多分類方法，分別進(jìn)行目標(biāo)類型識(shí)別的分類實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)總樣本的錯(cuò)誤識(shí)別率最小原則［1］，分別獲取支持向量機(jī)算法模型的最優(yōu)參數(shù)，以此為訓(xùn)練參數(shù)，對(duì)目標(biāo)樣本進(jìn)行10 次的隨機(jī)分類實(shí)驗(yàn)，測(cè)試與訓(xùn)練樣本各占50%。

同時(shí)對(duì)同一批數(shù)據(jù)，與應(yīng)用最為廣泛的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法［11］進(jìn)行了對(duì)比。BP 算法采用隨機(jī)抽取50%樣本訓(xùn)練，50%進(jìn)行測(cè)試，通過綜合考慮和模型尋優(yōu)后，采用輸入層為33 個(gè)神經(jīng)元，中間層為12 個(gè)神經(jīng)元、輸出層為5 個(gè)神經(jīng)元的3 層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了10 次分類實(shí)驗(yàn)。

最終統(tǒng)計(jì)獲得在“一對(duì)一”、“一對(duì)余”的多分類方法下的支持向量機(jī)及其改進(jìn)算法的對(duì)比，以及與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 和表3 所示。

表2 基于“一對(duì)一”方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均正確率比較Tab.2 Average correct rate on“one-versus-one”

表3 基于“一對(duì)余”方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均正確率比較Tab.3 Average correct rate on“one-versus-all”

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在“一對(duì)一”、“一對(duì)余”模式下，改進(jìn)支持向量機(jī)算法對(duì)相對(duì)于原支持向量機(jī)算法，以及BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法而言，具備較好的分類識(shí)別能力，性能較優(yōu)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過理論分析、擴(kuò)展的XOR 數(shù)據(jù)、雙螺旋仿真數(shù)據(jù)和船舶輻射噪聲DENOM 譜特征分類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，對(duì)支持向量機(jī)在松弛變量和決策函數(shù)兩方面進(jìn)行改進(jìn)而提出的基于徑向基核函數(shù)的齊次決策二階損失函數(shù)支持向量機(jī)改進(jìn)算法，具有分類面劃分合理、模型參數(shù)尋優(yōu)空間廣闊、總體分類性能優(yōu)的特點(diǎn)，分類性能優(yōu)于原支持向量機(jī)算法等分類算法，該支持向量機(jī)改進(jìn)算法是一種適用于船舶螺旋槳槳葉數(shù)識(shí)別應(yīng)用的有效的分類算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶螺旋槳槳葉數(shù)的有效分類識(shí)別。

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