Sistemas neuro-fuzzy evolutivos : novos algoritmos de aprendizado e aplicações
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Ivan Nunes da Silva
Fernando Antônio Campos Gomide
Marcos Flávio Silveira Vasconcelos DAngelo
Eduardo Mazoni Andrade Marçal Mendes
Daniel Furtado Leite
Fernando Antônio Campos Gomide
Marcos Flávio Silveira Vasconcelos DAngelo
Eduardo Mazoni Andrade Marçal Mendes
Daniel Furtado Leite
Resumo
Este trabalho tem como objetivo propor novos algoritmos de aprendizado incremental para
sistemas fuzzy evolutivos visando aplicações em sistemas de tempo real com dinâmica rápida
e algoritmos evolutivos com seleção adaptativa de entradas. As técnicas propostas buscam
construir algoritmos eficientes e com baixo custo computacional. Com foco nesses objetivos,
foram propostos quatro algoritmos de aprendizado para a estrutura da rede neuro-fuzzy NeoFuzzy-Neuron (NFN). Basicamente, a rede NFN ´e definida como um conjunto de n modelos
desacoplados do tipo Takagi-Sugeno de Ordem Zero, um por variável de entrada, cada um
contendo m regras. A estrutura da rede favorece a utilização de algoritmos recursivos eficientes
para a atualização dos parâmetros e possibilita inclusão/exclusão de regras fuzzy e variáveis
de entrada durante o aprendizado. O primeiro algoritmo (eNFN) utiliza uma abordagem de
aprendizado incremental que, simultaneamente, granulariza o domínio das variáveis de entrada
e atualiza os pesos dos modelos de saída de forma incremental. Inicialmente, são definidas
duas regras fuzzy para cada entrada e, em função do erro calculado para um fluxo de dados,
regras podem ser adicionadas, excluídas e/ou ter seus parâmetros ajustados. O segundo algoritmo (NFN-SAE) consiste num mecanismo incremental de seleção adaptativa de entradas,
permitindo a inclusão ou exclusão de variáveis de entrada por meio de um teste estatístico,
calculado recursivamente, que leva em consideração a acurácia e a complexidade do modelo. O
terceiro (eNFN-SAE) e o quarto (X-eNFN-SAE) algoritmos utilizam a técnica para evolução
da estrutura introduzida no primeiro algoritmo e o método de seleção adaptativa de entradas
do segundo algoritmo. No eNFN-SAE o processo de granulação do domínio das variáveis de
entrada e o cálculo do grau de ativação das funções de pertinência são computados somente uma
vez para cada amostra do fluxo de dados. Ao contrário, no X-eNFN-SAE, estes cálculos são
realizados uma vez para o modelo atual e uma vez para cada modelo candidato, a cada amostra
do fluxo de dados. O desempenho dos algoritmos desenvolvidos ´e avaliado na identificação de
processos não lineares e em problemas de previsão. Resultados computacionais mostram que as
abordagens propostas possuem um desempenho comparável ao desempenho de abordagens alternativas tratadas na literatura, e possuem um menor custo computacional - fator importante
para modelagem on-line de processos. Além disso, o eNFN foi avaliado experimentalmente em
tempo real na modelagem de um sistema de levitação magnética (Maglev) e de um sistema
MIMO de duplo rotor (TRMS), ambos com alta taxa de amostragem (dinâmica rápida). Os resultados experimentais mostram que o eNFN é capaz de capturar o comportamento do sistema
dinâmico com precisão e baixo custo computacional. Os resultados experimentais mostram que
o eNFN alcança boa precisão, e sugerem a rede neuro-fuzzy como uma abordagem eficaz para
estimar em tempo real as variáveis de estado de processos dinâmicos rápidos e não lineares.
Abstract
This work introduces incremental learning algorithms for evolving fuzzy models with applications in real-time systems with fast dynamics and algorithms with adaptive feature selection.
The focus is on efficient and low computational cost algorithms. Four incremental learning
algorithms were developed using the Neo-Fuzzy-Neuron (NFN) neuro-fuzzy network. Basically,
the NFN is a set of n decoupled zero-order Takagi-Sugeno models, one for each input variable, each one containing m rules. The network structure favors the use of efficient recursive
algorithms for parameter update and the inclusion/exclusion of fuzzy rules and input variables
during incremental learning. The first algorithm (eNFN) uses an incremental learning approach
that simultaneously granulates the input space and updates the weights of output models. Initially, two fuzzy rules are defined for each input and, depending on an error measure computed
based on a data stream, rules can be added, deleted and/or have their parameters adjusted.
The second algorithm (NFN-AFS) is an incremental mechanism for adaptive feature selection
that allows inclusion/exclusion of input variables using a statistical test that considers the accuracy and complexity of the model, computed recursively. The third (eNFN-AFS) and fourth
(X-eNFN-AFS) algorithms use an approach to evolve the network structure introduced in the
eNFN and the mechanism to adaptive feature selection of the NFN-AFS. In eNFN-AFS the
granulation of the domain of the input variables and the computation of the degree of activation
of the membership functions are performed only once at each step, i.e. there is a unique set
of membership functions for each input variable. Unlike of the eNFN-AFS, in X-eNFN-AFS
granulation the domain of the input variables and computation of the degree of activation of the
membership functions are performed for the current model and for each candidate model, i.e.
each model (current and candidate) has a set of membership functions for each one of its input
variable, at each step. The performance of the algorithms is evaluated considering nonlinear
processes identification and times series forecasting problems. Computational experiments and
comparisons against alternative evolving models show that the approaches introduced here are
accurate and fast, characteristics suitable for adaptive systems modeling, especially in realtime, on-line environments. Furthermore, the eNFN was evaluated experimentally in real-time
to model two actual systems (Magnetic Levitation System (MagLev) and Twin Rotor MIMO
System (TRMS)) using high sampling rate. Experimental results show that the eNFN is capable to quickly capture the behavior of the system dynamics, and to model the system with
precision and low computational complexity. Experimental results also show that the eNFN
attains good accuracy, and suggest the neuro-fuzzy network as an effective approach to estimate
state variables of fast nonlinear dynamic processes in real-time.
Assunto
Engenharia elétrica, Algoritmos de computador, Sistemas difusos
Palavras-chave
Sistemas neuro-fuzzy evolutivos, Neo-fuzzy-neuron, Modelagem adaptativa, Seleção adaptativa de entradas