A Novel Gas Recognition and Concentration Detection Algorithm for Artificial Olfaction

人工智能 计算机科学 模式识别(心理学) 降维 支持向量机 感知器 卷积神经网络 过度拟合 人工神经网络 算法 机器学习
作者
Wenwen Zhang,Lei Wang,Jia Chen,Wenxin Xiao,Xiao Bi
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70: 1-14 被引量:33
标识
DOI:10.1109/tim.2021.3071313
摘要

A novel gas recognition and concentration detection algorithm consisting of a dynamic wavelet convolutional neural network (DWCNN) and a many-to-many long short-term memory-recurrent neural network (LSTM-RNN), respectively, is proposed as a replacement for the traditional data processing algorithm in artificial olfaction. The proposed DWCNN gas recognition algorithm does not require gas signal preprocessing, and it directly converts the raw time-domain gas signal data to 64 * 64 2-D gray images as the input layer of a convolutional neural network (CNN). The experiments show that the recognition accuracy of CO, H 2 , and the gas mixture of CO and H 2 is nearly 100%, and the many-to-many LSTM-RNN algorithm requires only a few labeled data from the steady-state values of the gas sensor array signals. In addition, comparisons with other neural network multilayer perceptrons (MLPs), gated recurrent unit (GRU) algorithms, and conventional algorithms, such as the Bayesian ridge, support vector machines (SVMs), decision tree, k-nearest neighbor (KNN), random forest, AdaBoost, gradient-boosting decision tree (GBDT), and bagging, revealed that the algorithm can obtain a higher concentration detection accuracy, which was evaluated using two different kernel functions for the kernel principal component analysis (KPCA) dimensionality reduction: polynomial and rbf. The experimental results demonstrated that the proposed many-to-many LSTM gas concentration detection model outperformed the abovementioned algorithms and can more accurately estimate the concentration of different gases while using less labeled data.
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