BP神经网络实现公路客运量即公路货运量预测案例

程序员爱情观：爱情就是死循环，一旦执行就陷进去了；爱上一个人，就是内存泄漏–你永远释放不了；真正爱上一个人的时候，那就是常量限定，永远不会改变；女朋友就是私有变量，只有我这个类才能调用；情人就是指针用的时候一定要注意，要不然就带来巨大的灾难。

神经网络是深度学习的基础。个人理解神经网络就是可以拟合任何一种广义线性模型的结构，BP算法求解参数w的算法，神经网络的基础，权重的学习算法都是BP学习算法信号“正向传播(FP)”求损失，“反向传播(BP)”回传误差；根据误差值修改每层的权重，继续迭代。

输出层误差
O代表预测结果，d代表真实结果；系数是为了方便求导时计算

像一般神经网络一样，BP神经网络先进行FP传导即正向传导，案例中只设置了一层隐含层，所以参数层有两层:w1,b1;w2,b2;W参数矩阵的行列：行为输出层的神经元个数，列是输入层的神经元个数。
隐含层的结果：O1=sigmoid(a1)=sigmoid(w1.x.T+b1),隐含层使用了sigmoid激活函数
输出结果：O2=a2=W2*O1+b2 ,最后一层没有用激活函数
损失函数cost=1/2(O2-y)^2 ，括号里面为预测值减实际值得平方，而我们经常使用的误差项err=y-O2,两者的区别，其实err也可以等O2-y，所以err形式决定我们后面的err是否需要加负号，因为cost对O2的偏导数为(O2-y),则err与（O2-y)之间关系换算需要特别注意。
我们这里定义err=y-O2;
损失函数对Wi求偏导即梯度值，求导过程用到微分链式求导
下图可以看到梯度等于误差项 乘以 上一层的输入值，对于最后一层的Wi我们可以得到等于-（y-Oi)Oi-1.T,即-errOi-1.T。最后一层我们没有对a2进行激活函数转换，所以没有激活函数关于a2部分的求导，即O2对a2求导是1，所以忽略.

损失函数对ai进行求偏导则可以得到误差向量，求导过程用到微分链式求导：

import numpy as np
import  pandas as pd
import matplotlib as mpl
import  matplotlib.pyplot as  plt
from sklearn.preprocessing import  MinMaxScaler

df=pd.read_csv('traffic_data.csv',encoding='GBK')
print(df.head)

x=df[['人口数','机动车数','公路面积']]
y=df[['客运量','货运量']]

print(x)
print(y)

#对数据进行最大最小值归一化
x_scaler=MinMaxScaler(feature_range=(-1,1))
y_scaler=MinMaxScaler(feature_range=(-1,1))

x=x_scaler.fit_transform(x)
y=y_scaler.fit_transform(y)

#对样本进行转置，矩阵运算
sample_in=x.T
sample_out=y.T

#BP神经网络网络参数
max_epochs=60000 #循环迭代次数
learn_rate=0.035  #学习率
mse_final=6.5e-4  #设置一个均方误差的阈值，小于它则停止迭代
sample_number=x.shape[0]  #样本数
input_number=x.shape[1]  #输入特征数
output_number=y.shape[1]  #输出目标个数
hidden_units=8 #隐含层神经元个数
print(sample_number,input_number,output_number)


#定义激活函数Sigmod
# import math
def sigmoid(z):
    return  1/(1+np.exp(-z))

def sigmoid_delta(z): #偏导数
    return 1/((1+np.exp(-z))**2)*np.exp(-z)

print(sigmoid(0),sigmoid_delta(0))

#一层隐含层
#W1矩阵:M行N列，M等于该层神经元个数，N等于输入特征个数
W1=0.5*np.random.rand(hidden_units,input_number)-0.1
b1=0.5*np.random.rand(hidden_units,1)-0.1

W2=0.5*np.random.rand(output_number,hidden_units)-0.1
b2=0.5*np.random.rand(output_number,1)-0.1

mse_history=[]  #空列表，存储迭代的误差
#不设置激活函数
for i in range(max_epochs):
    #FP
    hidden_out=sigmoid(np.dot(W1,sample_in)+b1)  #np.dot矩矩阵相乘,hidden_out1结果为8行20列
    network_out=np.dot(W2,hidden_out)+b2  #np.dot矩阵相乘,W2是2行8列，则output结果是2行20列
    #误差
    err=sample_out-network_out
    mse_err=np.average(np.square(err)) #均方误差
    mse_history.append(mse_err)
    if mse_err

模拟结果图如下：
这是某一次的迭代结果：

可以看到这个拟合结果不是很好，预测值跟实际值偏差较大
下面给出比较优的模型结果

traffic_data.csv 数据如下

问题：
1.从这里可以看到参数初始值得设定是很重要，解决方法可能就是多训练几次得到一个比较好的模型结果吧
资料：
神经网络，BP算法的理解与推导 https://zhuanlan.zhihu.com/p/45190898
神经网络之BP算法_实战预测案例 https://www.bilibili.com/video/BV1a7411J7SR?t=2522