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

摘要：采用了具有自適應學(xué)習速率和附加動(dòng)量因子的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了郵政編碼模式識別的方法；并將辨識后的結果送入到PLC控制器中，通過(guò)PLC實(shí)現對郵件的自動(dòng)分揀。上機實(shí)驗運行表明效果良好。
關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )；模式辨識：PLC

早期的郵件分揀是完全的人工作業(yè)系統，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，分揀作業(yè)系統逐漸開(kāi)始使用各式各樣的自動(dòng)化機械裝備，計算機控制技術(shù)和現代信息技術(shù)成為信息傳遞和處理的重要手段。機械化、自動(dòng)化、智能化成為現代分揀系統的主要特點(diǎn)與發(fā)展趨勢。郵件分揀過(guò)程是郵件處理中的一個(gè)重要環(huán)節，依據郵件的地址，快速、準確地根據郵政編碼將發(fā)往不同地點(diǎn)的郵件從眾多郵件中分揀出來(lái)。
本文先將郵件都擺放到傳送帶上，通過(guò)攝像頭拍攝，獲取郵件的郵政編碼，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )辨識出郵政編碼，根據郵政編碼的編號來(lái)控制郵件的走向。郵件分揀系統工作原理框圖如圖1所示。該系統分為郵件軟件識別系統和PLC控制分揀系統兩個(gè)部分。

1 郵政編碼的識別
1．1 輸入樣本的設計
將0—9這10個(gè)阿拉伯數字用一個(gè)5*3的布爾量網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數字化處理，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。轉換成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )能夠處理的輸入和輸出數據，從而構造輸入樣本。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)元素對應一個(gè)數字量按列展開(kāi)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)阿拉伯數字輸入變量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 輸出樣本的設計
輸出樣本被定義為一個(gè)4*10維的目標矩陣T，其每一列的4個(gè)元素對應一個(gè)數字量，這16個(gè)數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 )結構的設計
為了識別這些以5*3布爾量網(wǎng)絡(luò )表示的十六進(jìn)制數，所設計的網(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(lái)識別它，隱含層設計了9個(gè)神經(jīng)元。激活函數選擇Log-Sigmoid型傳輸函數，因為它的輸出范圍(0-1)正好適合在學(xué)習后輸出布爾值。
1．4 網(wǎng)絡(luò )訓練
使網(wǎng)絡(luò )能處理由于不規范的輸入所造成的噪聲，需要訓練一個(gè)本身具有抗干擾能力的網(wǎng)絡(luò )。本文訓練一個(gè)“理想加噪聲”輸入矢量的識別網(wǎng)絡(luò )。采用具有自適應學(xué)習速率和附加動(dòng)量因子的Bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。
首先利用不含噪聲的理想輸入數據訓練網(wǎng)絡(luò )，為了使網(wǎng)絡(luò )對輸入有一定的容錯能力，再利用不含和含有噪聲的輸入數據訓練網(wǎng)絡(luò )。這使網(wǎng)絡(luò )學(xué)習適當地對含有噪聲的數字進(jìn)行正確的辨識。這種以犧牲對正確數字辨識正確性為代價(jià)的采用含有噪聲的輸入數據訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，可能出現對標準數字輸入辨識錯誤的可能性。因此，再次用理想信號進(jìn)行訓練，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
分揀機系統是將用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )辨識出的4位16進(jìn)制數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(guò)程如下：當綠燈L2亮，紅燈L1滅，傳送帶開(kāi)始工作，電機M5驅動(dòng)帶有推頭的主鏈運行，通過(guò)攝像頭拍攝，獲取郵件的郵政編碼，將得到的結果送入到計算機利用前面介紹的郵政編碼的識別方法，得到郵政編碼的4位16進(jìn)制值表示。當編碼信息正確的時(shí)候，紅燈L1滅，綠燈L2閃爍，利用電機光碼器S1折合成脈沖數，PLC控制器從S1中采集脈沖數，當郵件到達分撿箱時(shí)，推進(jìn)器(M1～M4)將郵件推進(jìn)相應的郵箱。隨后紅燈L1繼續滅，綠燈L2常亮，繼續分揀。若編碼信息出錯，則紅燈L1閃爍，電機M5停止動(dòng)作，待重新啟動(dòng)后，再運行。具體結構見(jiàn)圖2。