基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)和PLC控制的郵件分揀系統(tǒng)

摘要：采用了具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率和附加動(dòng)量因子的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了郵政編碼模式識(shí)別的方法；并將辨識(shí)后的結(jié)果送入到PLC控制器中，通過PLC實(shí)現(xiàn)對郵件的自動(dòng)分揀。上機(jī)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行表明效果良好。
關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；模式辨識(shí)：PLC

早期的郵件分揀是完全的人工作業(yè)系統(tǒng)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，分揀作業(yè)系統(tǒng)逐漸開始使用各式各樣的自動(dòng)化機(jī)械裝備，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)成為信息傳遞和處理的重要手段。機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化成為現(xiàn)代分揀系統(tǒng)的主要特點(diǎn)與發(fā)展趨勢。郵件分揀過程是郵件處理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，依據(jù)郵件的地址，快速、準(zhǔn)確地根據(jù)郵政編碼將發(fā)往不同地點(diǎn)的郵件從眾多郵件中分揀出來。
本文先將郵件都擺放到傳送帶上，通過攝像頭拍攝，獲取郵件的郵政編碼，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)出郵政編碼，根據(jù)郵政編碼的編號(hào)來控制郵件的走向。郵件分揀系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)分為郵件軟件識(shí)別系統(tǒng)和PLC控制分揀系統(tǒng)兩個(gè)部分。

1 郵政編碼的識(shí)別
1．1 輸入樣本的設(shè)計(jì)
將0—9這10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字用一個(gè)5*3的布爾量網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)字化處理，例如，0用[1 1 1；1 0 1；1 0 1；1 0 1；1 1 1]表示；1用[0 1 0；0 1 0；0 1 0；0 1 0；0 1 0]表示；等等。轉(zhuǎn)換成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠處理的輸入和輸出數(shù)據(jù)，從而構(gòu)造輸入樣本。將這10個(gè)含15個(gè)布爾量網(wǎng)絡(luò)元素的輸入向量定義為15*10維的輸入矩陣X，X中每一列的15個(gè)元素對應(yīng)一個(gè)數(shù)字量按列展開的布爾量網(wǎng)絡(luò)元素。例如：X中第一列的15
個(gè)元素[1；1；1；1；0；1；1；0；1；1；0；1；1；1；1]表示0。將10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字輸入變量X中，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本矩陣：
X=[X0，X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9]
1．2 輸出樣本的設(shè)計(jì)
輸出樣本被定義為一個(gè)4*10維的目標(biāo)矩陣T，其每一列的4個(gè)元素對應(yīng)一個(gè)數(shù)字量，這16個(gè)數(shù)字量用其所定義的十六進(jìn)制表示。例如，用[0；0；0；0]表示0；用[0；0；0；1]表示1；等等。
1．3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
為了識(shí)別這些以5*3布爾量網(wǎng)絡(luò)表示的十六進(jìn)制數(shù)，所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)需要有10個(gè)輸入，在輸出層需要有4個(gè)神經(jīng)元來識(shí)別它，隱含層設(shè)計(jì)了9個(gè)神經(jīng)元。激活函數(shù)選擇Log-Sigmoid型傳輸函數(shù)，因?yàn)樗妮敵龇秶?0-1)正好適合在學(xué)習(xí)后輸出布爾值。
1．4 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練
使網(wǎng)絡(luò)能處理由于不規(guī)范的輸入所造成的噪聲，需要訓(xùn)練一個(gè)本身具有抗干擾能力的網(wǎng)絡(luò)。本文訓(xùn)練一個(gè)“理想加噪聲”輸入矢量的識(shí)別網(wǎng)絡(luò)。采用具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率和附加動(dòng)量因子的Bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
首先利用不含噪聲的理想輸入數(shù)據(jù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，為了使網(wǎng)絡(luò)對輸入有一定的容錯(cuò)能力，再利用不含和含有噪聲的輸入數(shù)據(jù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。這使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)適當(dāng)?shù)貙性肼暤臄?shù)字進(jìn)行正確的辨識(shí)。這種以犧牲對正確數(shù)字辨識(shí)正確性為代價(jià)的采用含有噪聲的輸入數(shù)據(jù)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可能出現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字輸入辨識(shí)錯(cuò)誤的可能性。因此，再次用理想信號(hào)進(jìn)行訓(xùn)練，從而保證網(wǎng)絡(luò)對理想輸入和輸出的正確性。

2 PLC硬件部分
分揀機(jī)系統(tǒng)是將用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)出的4位16進(jìn)制數(shù)代表的郵政編碼的編碼信息，隨傳送帶分揀入各個(gè)代表唯一地址的郵箱中，如編碼信息代表北京的就撿入北京的郵箱。其工作過程如下：當(dāng)綠燈L2亮，紅燈L1滅，傳送帶開始工作，電機(jī)M5驅(qū)動(dòng)帶有推頭的主鏈運(yùn)行，通過攝像頭拍攝，獲取郵件的郵政編碼，將得到的結(jié)果送入到計(jì)算機(jī)利用前面介紹的郵政編碼的識(shí)別方法，得到郵政編碼的4位16進(jìn)制值表示。當(dāng)編碼信息正確的時(shí)候，紅燈L1滅，綠燈L2閃爍，利用電機(jī)光碼器S1折合成脈沖數(shù)，PLC控制器從S1中采集脈沖數(shù)，當(dāng)郵件到達(dá)分撿箱時(shí)，推進(jìn)器(M1～M4)將郵件推進(jìn)相應(yīng)的郵箱。隨后紅燈L1繼續(xù)滅，綠燈L2常亮，繼續(xù)分揀。若編碼信息出錯(cuò)，則紅燈L1閃爍，電機(jī)M5停止動(dòng)作，待重新啟動(dòng)后，再運(yùn)行。具體結(jié)構(gòu)見圖2。