GP算法（共3篇）
GP算法 篇1
0 引言
目前已有多种数据挖掘算法用于入侵规则提取[1], 但所提取的入侵规则普遍存在以下2方面问题:① 检测准确度低[2];② 算法个体表达不是问题的自然描述, 用户不易理解。
GP算法已被用来解决很多实际应用问题, 并取得了良好的效果[4]。但在入侵检测领域, GP算法的应用并不多, 文献[5]提出了基于智能主体的网络入侵检测模型, 其中, GP被用于主体的主动进化, 而非入侵规则。
将改进的GP应用于入侵检测规则自动提取, 利用GP灵活的个体表示得到自然描述的规则, 使规则易于理解, 利用GP全局寻优的能力得到较好的入侵检测规则, 从而降低误报率和漏报率。
1 基于GP的模糊入侵检测规则自动发现算法
1.1算法流程
initialize;//随机产生n个个体生成初始种群
statistics;//适应度评估
while (NOT END)
{
copypoplation;//备份上一代种群
while (i<n)
{
select operation; //依据适应度选择2个个体参加交叉操作
crossover operation;// 交叉操作
mutation operation;//变异操作
i=i+2;
}
generation;//更新操作
}
1.2数据集选择及其处理
选择KDDcup’99的数据作为数据挖掘的数据集以验证算法的性能。数据集的数据中包括了41个属性, 这些属性大致可以分为3类, 第1类是关于网络连接的基本信息的;第2类是关于连接中关于入侵检测系统的一些内容;第3类是在一定时间长度的时间窗里的一些临时性的统计信息。
量化属性的值是连续分布在一个区间内的。对于这样的区间, 需要为其建立n个模糊集合。每一个量化属性的模糊化, 首先需要确定它的模糊集合的个数, 可以采用自适应的聚类算法, 来为不同的属性建立个数不同的模糊集合。这样, 所有量化属性的模糊集合的个数就是不完全相同的。这里, 先用下面公式把量化属性的值归一化到[0.0, 1.0]区间[6]:
式中, x是量化属性的值, MIN是x所属属性的最小值, MAX是x所属属性的最大值。
然后, 为所有的属性都建立5个模糊集合:high, slightly high, middle, slightly low和low。 再利用C-means聚类算法对属性的所有取值进行聚类, 聚类个数定为5个。通过聚类, 为每一个量化属性找到5个聚类中心, 这5个聚类中心对应于5个模糊集合的顶点。
1.3个体表达
将个体用if-then的产生式规则表示。这是机器学习和数据挖掘中常用的知识表示方式, 便于人的理解, 此外这种表示方式表示的知识相互独立便于替换。if-then的规则由2部分组成, 第1部分 (if部分, 即规则前件) 对应各种条件的联系, 如果条件核实正确, 表明包含条件第2部分 (then部分, 即规则后件) 是满足要求的[7]。
个体是用功能符号集和终止符号集对问题的自然描述, 个体的功能符号集有3个逻辑符号OR、AND和NOT组成, 终止符号集是入侵数据各种属性名、关系符及其对应模糊值的集合, 表示方法为:
<Atti Opk Valj>
Att∈{OR, AND, NOT}, i∈{1, 2, 3},
Op∈{<, =, >}, k∈{1, 2, 3},
Val∈{high, slightly high, middle, slightly low, low}, j∈{1, 2, 3, 4, 5}。
在不加语义限制时, 发现初始种群中有些个体所描述的规则是过于繁琐, 甚至出现无意义的语义重复定义, 这既影响了高质量子代的生成, 又增加了分析的难度和运算时间。改进了入侵检测规则个体描述的语义规则, 具体如下:
① 若父节点是OR节点, 则子节点可在OR节点、AND节点、NOT节点和叶节点任意选, 且子节点数目不少于2个;
② 若父节点是AND节点, 则子节点可在AND节点、NOT节点和叶节点选, 且子节点数目不少于2个;
③ 若父节点是NOT节点, 则子节点只能是叶节点, 且子节点数目不多于1个;
④ 在同一个个体表示树中, 要进行合法性检查——同一属性名对应的关系符、属性值不能相互冲突。
1.4适应度函数
在文献[6]中以灵敏性 (sensitivity) 和特异性 (specificity) 来定义适应度函数, 其形式为:
TP (true positives) :正肯定, 是规则预测存在且事实存在的事例总数;
FP (false positives) :负肯定, 是规则预测存在但事实不存在的事例总数;
FN (false negatives) :负否定, 是规则预测不存在但事实存在的事例总数;
TN (true negatives) :正否定, 是规则预测不存在且事实不存在的事例总数。
SUM为训练数据总数。
式中, w1、w2和w3是被赋予的权重, chromlength是个体的长度。
上面适应度的定义在目前较为流行, 但是运用到入侵检测规则自动提取中存在一些问题。因为验证入侵检测规则的性能有2个指标:① 误报率 (false alarm rate, FA) :将正常行为报告成入侵行为的比率;② 漏报率 (detected attack rate, DR) :将入侵行为报告成正常行为的比率。在实验中发现, 建立在高灵敏性和特异性基础上的规则个体, 并不能准确反映入侵检测规则性能的2个指标, 且w1、w2和w3的值很难确定, 而这些权值又对结果有极大的影响。
考虑到上面的原因, 直接将误报率和漏报率引入到适应度函数中, 构造得到如下的适应度函数:
式中, α是个极小值 (实验中取0.000 01) , 目的是除以0的现象出现。
2 实验过程及实验结果
实验选用的数据源来自KDDcup'99数据集。KDDcup'99有多个入侵数据源, 选择其中的一个数据集构建挖掘的训练数据源。训练数据源含有500条数据记录, 分别隶属于22种攻击方式和正常数据类别, 如表1所示。为了说明算法的有效性, 把算法所得的规则的性能与KDDcup'99竞赛最好的结果winning entry进行了比较, 如表2所示。
需要说明的是采用的数据并不完全相同, 这种比较仅有参考意义。诸多文献和实验证明, 随着演化的进行GP的解趋于最优, 通过上面的比较可以看出在入侵检测规则自动提取方面, GP有很好的性能。
3 结束语
与其他算法相比, GP同时具备个体表示灵活、易于理解和学习能力强的特点, 在入侵检测规则提取方面有很大的应用前景。但是在具体的运用中, 由于条件限制, 会影响GP算法的性能, 该文正是在这一背景下提出基于GP的模糊入侵检测规则自动提取算法, 实验表明改进的GP在入侵检测规则自动提取上效果良好, 能从网络数据中提取入侵规则。可以预期在相似领域也应有良好的效果, 当然在其他领域的运用需要进一步的工作, 在以后将研究进一步提高算法的性能, 努力在理论上有所突破。
参考文献
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地平面对GP天线性能的影响 篇2
关于地平面对于天线性质的影响最早源于1969年Meier的有限平面对于天线阻抗影响的文章[1]。之后又有一些研究进展[2,3,4],但是由于技术的限制,这些工作只能根据一些实测数据进行定性的分析。现在由于计算机技术的发展,我们可以借助仿真软件对其进行全面系统的分析。根据镜像理论可知当PEC[5]作为反射材料,反射波相对于入射波存在180度的相位变化。当PEC附近存在辐射源时,它的表面会产生表面波。理论分析中假定的是无限大的pec平面,而实际为一有限的导体平面,这将对天线性能产生影响。
GP天线[6]是我们在U/V段通讯时最常使用的天线类型,其家族成员包括了车载鞭状天线、玻璃钢基地天线、手持设备上的小型天线等。由于在U/V段通讯中多采用垂直极化方式,这些天线通常采用垂直方式进行架设,所以,这些天线又叫做“垂直接地天线”。如果地平面为一无限大的PEC平面则可知GP天线(1/4波发射元加接地反射面的天线)和半波偶极子天线相当,因为上面的1/4波发射元经接地面反射形成一个镜像,二者构成偶极子。经HFSS[7]仿真验证当时得到GP天线与偶极子天线的方向图,增益,共振频率大小相同,另外GP天线的输入阻抗只有相应长度偶极子天线输入阻抗的一半符合理论预期。所以下面我们将以的PEC平面为参考讨论地面形状,大小以及材料对于GP天线性能的影响。为了在谐振时电抗为0我们取的半波偶极子单臂长度略微小于四分之一波长。
1. 地面半径大小对于GP天线性能的影响
下面的实测数据中我们以直径为基准给出了0.7 5 D,0.5 D,0.25D,0.125D,0.0625D,0.03125D为地面直径的GP天线各参数的仿真结果,图1分别给出了不同直径的GP天线的E面和H面方向图。从图中可以看出,随着半径的变化,GP天线的方向图基本重合,图2给出了不同半径下GP天线的增益,输入阻抗以及谐振频率的变化。
注:图中增益和谐振频率进行了数值放大
从图中可以看出,随着半径的减小,GP天线的输入阻抗当电抗部分为0时的电阻大小逐渐增大,当半径减小到与GP天线的横向半径同一数量级时,我们发现此时将不能得到电抗为0的频率点而只能得到极小值点。可知随着半径的减小,阻抗变大,回波损耗S11也将随着变大,此时会对天线的匹配产生较大影响。而天线的增益可知基本没有太大的变化,所以只要地平面保持球对称则GP天线的增益和方向图将保持不变。
2. 地面形状对于GP天线性能的影响
如果边长α>>λ时GP天线如果位于正中间可知此时边界无论何种形状将等价于圆形,其对GP天线基本没有影响。为了验证地面形状对于GP天线性能的影响,我们取了如图3所示的边长的正方形作为地平面,然后将GP天线的中心在正方形的对角线上移动以观察地面形状对于GP天线性能的影响。图4给出了GP天线从中心到边角15MM的三维方向图。
从图中我们可以看出随着GP天线越靠近端点C天线的辐射方向将越集中于对角线沿A方向,所以地面的形状将会改变GP辐射方向,如果控制地平面的形状,我们还可以控制GP天线的辐射方向,实际中可能有所应用。另外随着形状变化天线的辐射的最大方向不在沿着地平面将会离开接地面,向上倾斜与地面成一定的夹角,越靠近端点,夹角越大。图5给出了GP天线的输入阻抗,谐振频率以及增益随地面形状的变化,从图表中我们可以看出天线的谐振频率基本不受影响,而输入阻抗随着形状的变化加剧而逐渐增大,而从增益中可以看出增益是先增大后减小可知开始时由于形状对于GP天线的影响辐射集中于对角线沿A方向,使得GP天线增益增大,而随着形状变化加剧,输入阻抗增大,回波损耗加剧并成为主要影响使得增益减小。
注:图中增益和谐振频率进行了数值放大
3. 地面材料对于GP天线性能的影响
由于地网天线中地网材料一般为铜和铝,当用在手机和无线通信设备时用的材料一般采用FR-4,所以我们主要分析这三种材料对于GP天线性能的影响。图6给出了三种材料的E面和H面方向图,从图中可以看出,PEC,Cu以及AL地面的方向图基本重合,而FR4材料的方向图的最大辐射方向也是沿地面,但是增益大小明显减小了。表1给出的是三种材料与PEC地面的增益,谐振频率以及电抗为0时电阻的比较,同样可以看出Cu,Al地面与PEC地面的结果基本一致,而FR4地面使得谐振频率增大,增益减小,电抗,阻抗也明显增大严重影响了GP天线的工作。所以一般GP天线的地面采用良导体作为地面即可。
4. 结论
本文借助HFSS仿真软件分析了地网的大小,形状,材料对于GP天线性能的影响,从结论中可以看出:(1)地面大小主要影响输入阻抗和谐振频率(2)地面形状主要影响增益和辐射方向(3)地面材料的影响主要在于谐振频率,输入阻抗和增益。所以地网大小、形状、材料对于GP天线的影响不同。实际应用中应该针对不同的情况作出相应的调整。使得GP天线方向图中E面沿地面方向辐射场最强,H面辐射无方向性以保证天线辐射出的信号始终沿地面方向传播,另外谐振频率,输入阻抗以及增益也应该在规定范围。
摘要：1/4波长的垂直GP天线广泛用于中波广播以及移动无线电通讯等领域。GP天线即地网天线英文全称为Ground Plane antenna可知地网是GP天线的组成部分,地网的性质会对GP天线产生非常重要的影响。本文借助仿真软件HFSS分析了地网的大小形状材料对GP天线阻抗,共振频率,增益,方向图等天线主要参数的影响。这些结果将为GP天线在有限地平面中的设计提供理论支持。
关键词：1/4波长GP天线,HFSS,地网
参考文献
[1]Meier,A.S.,and Summers,W.P.:‘Measured impedance of verticalantennas and effects of finite ground planes’,Proc.IEEE,1969,37,pp.609–616
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[5]http://baike.baidu.com/view/1080834.htm
[6]en.wikipedia.org/wiki/Ground_plane
红色基GP染料废水的脱色研究 篇3
染料工业的快速发展导致生产废水的排放量越来越多。这些废水中通常都含有氮和磷。如果这些废水直接排放到河流中,会加剧河流的富营养化,严重污染河流。而且有的废水中会有Cl-,这也许会破坏河流的自己净化能力。
当前,国际上通用处理染料生产过程中所产生的废水的主要方法有物理、化学、生物等方法。其中物理法可以分为:吸附法、膜分离技术法和磁分离技术法[1]。近年来,各种吸附剂不断被引入染料废水处理的研究。研究开始,目前主要以活性炭作为研究对象,结果表明:活性炭吸附对于染料废水的脱色,COD、BOD值的降低有很好的应用前景,但也面临着活性炭的再生困难、处理费用偏高等问题,限制了活性炭吸附在染料废水处理中的应用[2,3],因此研究者不断研究其它的吸附剂[4,5,6,7,8]。此次研究采用有机表面活性剂作为改性剂,用长碳链有机阳离子取代凹凸棒土间无机阳离子,使层间距扩大;同时凹凸棒土颗粒表面也能吸附部分无机阳离子,晶格内外部分结晶水、吸附水也可能被有机物取代,从而改善疏水性,增强吸附有机物的能力。
2 实验
2.1 试剂与仪器
十八烷基三甲基氯化铵(C21H46NCl)为分析纯,纯凹凸棒土ATP(自制)。
DF-1013型集热式恒温磁力搅拌器;BZF-30烘箱;SRJX-4-9马弗炉;KQ5200E超声波清洗器;比表面积仪;NEXOF-670傅立叶红外光谱仪;QUAN-TA200扫描式电子显微镜;梅特勒AL104电子天平。
2.2 C21H46NCl-ATP的制备
称取一定量的(十八烷基三甲基氯化铵)放于水中使之完全溶解,再加入适量预处理的凹凸棒土,采用超声波处理11min过滤、洗涤、干燥。
2.3 C21H46NCl-ATP对染料废水的处理
在100mL红色基GP染料废水(在460nm处吸光度为2.98)中加入适量改性过的凹土棒
土,搅拌,静置,取上层液体做色度,色度采用分光光度计在460nm处测定吸光度。脱色率P的计算公式为:
其中:P为脱色率;A0为处理前染料废水吸光度;A为处理后染料废水吸光度。
3 结果与讨论
3.1 ATP与C21H46NCl-ATP脱色效果对比试验
在100mL红色基GP染料废水中加入纯ATP及C21H46NCl-ATP(C21H46NCl含量为0.3 mmol/g)各0.6g进行搅拌,比较纯ATP及C21H46NCl-ATP的脱色性能(图1)。
由图1可以看出纯ATP有一定的脱色能力,主要因其独特的纤维状或针状结构,比表面积大从而具有一定的吸附脱色能力,当ATP上负载C21H46NCl后,脱色率有了明显的提高。主要是由于用长碳链有机离子取代凹凸棒土间无机阳离子,使层间距扩大,同时凹凸棒土颗粒表面也能吸附部分无机阳离子,晶体内外部分结晶水、吸附水也能被有机物取代,从而改善疏水性,增强吸附有机物的能力。
此外从图1中也可以看出最佳吸附时间为1h,时间太长或太短吸附性能都不好。这是因为吸附时间短,吸附剂不能充分分散于水体中,故脱色能力较差。吸附时间过长,部分有机物会形成絮体发生脱附,从而使脱色率降低。
3.2 吸附剂加入量对脱色效率的影响
在100mL红色基GP染料废水中加入吸附剂C21H46NCl-ATP(C21H46NCl含量为0.3 mmol/g)搅拌,常温下研究吸附剂加入量对吸附剂的脱色性能影响。
由图2可以看出开始时脱色率随吸附剂的加入量的增加而增大,但是当吸附剂的加入量为0.9g时,脱色率的增加已不再明显。这是因为吸附剂的量较少时,部分染料废水缺少吸附剂得不到很好地脱色,当吸附剂的量加入较多时,多余的吸附剂没有参与废水脱色的过程,再增加吸附剂的用量已不具有理想的效果。
3.3 C21H46NCl负载量对脱色效率的影响
在100mL红色基GP染料废水中加入0.9g吸附剂C21H46NCl-ATP搅拌,常温下研究C21H46NCl负载量对吸附剂的脱色性能影响。
由图3可以看出吸附剂对染料废水的脱色率随C21H46NCl负载量的增加而变大,但是,当C21H46NCl负载量达到0.3mmol/g后,脱色率的增加不再明显,这是因为负载十八烷基三甲基氯化铵的凹凸棒土的吸附能力与有效进入凹凸棒土层间的十八烷基三甲基氯化铵的数量有关,当溶液中十八烷基三甲基氯化铵的量超过凹凸棒土间的阳离子的交换容量时,多余的十八烷基三甲基氯化铵不能进入凹凸棒土层间,凹凸棒土的吸附能力不再增加。
4 结论
(1)用浸渍法将C21H46NCl负载在凹凸棒土表面,按一定负载比例制备了分布均匀的C21H46NCl-ATP复合材料,该复合材料具有很高的脱色能力。
(2)探讨了纯ATP和C21H46NCl-ATP复合材料对红色基GP染料废水的脱色性能,分析结果表明:C21H46NCl-ATP染料废水脱色性能明显高于纯ATP。
(2)探讨了不同条件下C21H46NCl-ATP脱色性能,分析结果表明:搅拌时间为1h、吸附剂的加入量为0.9g、C21H46NCl的负载量为0.3mmol/g时,对染料废水表现出较好的脱色效果。
摘要：指出了凹凸棒土作为载体,因其独特的三维空间型、较强的选择吸附性,被广泛用于吸附领域中。利用十八烷基三甲基氯化铵改性的凹凸棒土作为吸附剂,对废水进行了脱色研究。主要考察了吸附剂的加料量、吸附时间、十八烷基三甲基氯化铵的负载量等因素对染料废水脱色率的影响。实验结果表明:在吸附时间为1h、吸附剂的加入量为0.9g、十八烷基三甲基氯化铵的负载量为0.3 mmol/g时,脱色率达到91%。
关键词：凹凸棒土,十八烷基三甲基氯化铵,脱色
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