Reservoir Computing with Sensitivity Analysis Input Scaling Regulation and Redundant Unit Pruning for Modeling Fed-Batch Bioprocesses

灵敏度(控制系统) 缩放比例 修剪 计算机科学 单位(环理论) 工艺工程 生物系统 数学 工程类 几何学 农学 电子工程 生物 数学教育
作者
Heshan Wang,Xuefeng Yan
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:53 (16): 6789-6797 被引量:11
标识
DOI:10.1021/ie500296f
摘要

Although reservoir computing (RC) is an effective approach to designing and training recurrent neural networks, the optimization of neural network systems involves a number of manual, tweaking or brute-force searching parameters, such as network size, input scaling parameters, and spectral radius. To create an optimal echo state network (ESN), we propose a modified RC that combines sensitivity analysis input scaling regulation (SAISR) and redundant unit pruning algorithm (RUPA). SAISR is first employed to obtain the optimal input scaling parameters. In SAISR, an ESN without tuning is established, and then its input scaling parameters are tuned based on the Sobol’ sensitivity analysis. Second, RUPA is employed to prune out the redundant readout connections. A fed-batch penicillin cultivation process is chosen to demonstrate the applicability of the modified RC. The results show that the input scaling parameter has a more important influence than other parameters in ESN, and SAISR-ESN outperforms ESN withou...
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