基于Bagging與超限學(xué)習(xí)機(jī)的腦力負(fù)荷識(shí)別模型

陶嘉棟　尹鐘

摘 要：為了提高腦力負(fù)荷分類(lèi)準(zhǔn)確率，提出一種將Bagging和極限學(xué)習(xí)機(jī)相結(jié)合的集成算法。用極限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）作為底層弱分類(lèi)器，通過(guò)多數(shù)投票方式?jīng)Q定最終類(lèi)別的標(biāo)簽，從而構(gòu)建最終強(qiáng)分類(lèi)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在腦力負(fù)荷識(shí)別研究問(wèn)題上，該集成算法的分類(lèi)準(zhǔn)確率在4個(gè)被試數(shù)據(jù)集上分別達(dá)到了96.17%、96.02%、92.50%和93.50%。相較于傳統(tǒng)的ELM算法，分類(lèi)準(zhǔn)確率在4個(gè)被試數(shù)據(jù)集上分別提升了1.59%、1.34%、2.86%和1.80%。并且新算法在精確率、靈敏度和特異度等評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)上均高于傳統(tǒng)ELM分類(lèi)器。

關(guān)鍵詞：Bagging;極限學(xué)習(xí)機(jī);集成算法;腦力負(fù)荷

DOI：10. 11907/rjdk. 191593

中圖分類(lèi)號(hào)：TP301 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????????????? 文章編號(hào)：1672-7800（2020）003-0027-04

Mental Workload Recognition Model Based on Bagging

and Extreme Learning Machine

TAO Jia-dong， YIN Zhong

（School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology，

Shanghai 200093， China）

Abstract： In order to improve the accuracy of mental workload classification， an integrated algorithm combining Bagging and extreme learning machine is proposed. The extreme learning machine （ELM） is used as the weak classifier at the bottom level and the label of the final class is determined by majority voting to construct the final strong classifier. The experimental results show that the classification accuracy of the proposed algorithm was 96.17%， 96.02%， 92.50% and 93.50% on the four data sets， respectively. Compared with the traditional ELM algorithm， the classification accuracy rate was increased by 1.59%， 1.34%， 2.86% and 1.80% on the four data sets， respectively. Moreover， the new algorithm is superior to the traditional ELM classifier in accuracy， sensitivity and specificity.

Key Words： Bagging; extreme learning machine; integrated algorithm; mental workload

0 引言

在當(dāng)前人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中，利用機(jī)器學(xué)習(xí)中的不同算法模型對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)尤為必要。識(shí)別和評(píng)估人的腦力負(fù)荷水平可以有效避免人的腦力負(fù)荷帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。腦力負(fù)荷一般可以被定義為在短暫的任務(wù)需求下剩余工作記憶的認(rèn)知資源或能力[1]。近年來(lái)，許多研究人員利用神經(jīng)信號(hào)分析技術(shù)對(duì)腦電等生理生物標(biāo)志物進(jìn)行神經(jīng)信號(hào)分析，這為實(shí)時(shí)和定量評(píng)價(jià)腦力負(fù)荷變化提供了依據(jù)[2-3]。邱靜等[4]提出了一種名為原功率調(diào)制的新型特征提取方式，結(jié)合傳統(tǒng)信號(hào)分類(lèi)方法對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行了分類(lèi);劉寶善等[5]建立殲擊機(jī)飛行員腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)模型評(píng)定飛機(jī)飛行品質(zhì);衛(wèi)宗敏等[6]在飛行模擬任務(wù)條件下研究了三級(jí)腦力負(fù)荷測(cè)量與評(píng)價(jià);劉維平等[7]提出了基于任務(wù)的乘員腦力負(fù)荷典型主觀評(píng)價(jià)方法;ZHAO等[8]提出了一種利用支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）對(duì)跨任務(wù)腦力負(fù)荷水平進(jìn)行分類(lèi)的生理異常檢測(cè)系統(tǒng);ZHANG等[9]提出了一種自回歸建模方法，研究了心率變異性與腦力負(fù)荷的關(guān)系，從而提高了對(duì)腦力負(fù)荷水平的評(píng)估精度。

最近研究表明，極限學(xué)習(xí)機(jī)（Extreme Learning Machine，ELM）是一個(gè)很好的腦力負(fù)荷分類(lèi)器。ELM代表一套機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，證明隱藏層神經(jīng)元無(wú)需調(diào)整[10]。腦電信號(hào)已廣泛用于警戒估計(jì)，以避免風(fēng)險(xiǎn)[11]。ELM算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)腦電特征學(xué)習(xí)的訓(xùn)練和處理[12-13]。盡管ELM算法有以上優(yōu)勢(shì)，但依然存在許多問(wèn)題。比如ELM模型的輸出權(quán)重是固定的，導(dǎo)致模型無(wú)法適用于所有腦電數(shù)據(jù)。目前，許多研究人員提出了改善原始ELM模型的方法。比如，賈偉等[14]利用粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化原始ELM，從而改善其分類(lèi)效果;閆河等[15]提出卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與ELM相結(jié)合的新分類(lèi)方法;魏思政等[16]提出了一種基于深度信念網(wǎng)絡(luò)和ELM相結(jié)合的新檢測(cè)方法，先用深度信念網(wǎng)絡(luò)提取特征，再用ELM進(jìn)行分類(lèi)，最終取得良好分類(lèi)效果;尹剛等[17]在ELM中引入結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化理論，用小波函數(shù)替代原有的隱層激勵(lì)函數(shù)，與在線學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，改善了原始ELM的分類(lèi)性能。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）

收稿日期：2019-05-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（61703277）;上海青年科技英才揚(yáng)帆計(jì)劃項(xiàng)目（17YF1427000）

作者簡(jiǎn)介：陶嘉棟（1996-），男，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)榛谀X電信號(hào)的腦力負(fù)荷分類(lèi);尹鐘（1988-），男，博士，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)樯硇盘?hào)智能處理算法與模式識(shí)別、認(rèn)知任務(wù)負(fù)荷檢測(cè)。本文通訊作者：尹鐘。