[en] HIERARCHICAL NEURO-FUZZY MODELS - FLAVIO JOAQUIM DE SOUZA (2005)
[pt] Esta dissertação apresenta uma nova proposta de sistemas (modelos) neuro-fuzzy que possuem, além do tradicional aprendizado dos parâmetros, comuns às redes neurais e aos sistemas nero-fuzzy, as seguintes características: aprendizado de estrutura, a partir do uso de particionamentos recursisvos; número maior de entradas que o comumente encontrado nos sistemas neuro-fuzzy; e regras com hierarquia. A definição da estrutura é uma necessidade que surge quando da implementação de um determinado modelo. Pode-se citar o caso das redes neurais, em que se deve determinar (ou arbitrar) a priori sua estrutura (número de camadas e quantidade de neurônios por camadas) antes de qualquer teste. Um método automático de aprendizado da estrutura é, portanto, uma característica importante em qualquer modelo. Um sistema que também permita o uso de um número maior de entradas é interessante para se abranger um maior número de aplicações. As regras com hierarquia são um subproduto do método de aprendizado de estrutura desenvolvido nestes novos modelos. O trabalho envolveu três partes principais: um levantamento sobre os sistemas neuro-fuzzy existentes e sobre os métodos mais comuns de ajuste de parâmetros; a definição e implementação de dois modelos neuro-fuzzy hierárquicos; e o estudo de casos. No estudo sobre os sistemas neuro-fuzzy(SNF) fez-se um levantamento na bibliografia da área sobre as características principais desses sistemas, incluindo suas virtudes e deficiências. Este estudo gerou a proposta de uma taxonomia para os SNF, em função das características fuzzy neurais. Em virtude deste estudo constataram-se limitações quanto à capacidade de criação de sua própria estrutura e quanto ao número reduzido de entradas possíveis. No que se refere aos métodos de ajuste dos parâmetros abordou-se os métodos mais comuns utilizados nos SNF, a saber: o método dos mínimos quadrados com sua solução através de métodos numéricos iterativos; e o método gradient descent e seus derivados como o BackPropagation e o RProp(Resilient BackPropagation). A definição dos dois novos modelos neuro-fuzzy foi feita a partir do estudo das características desejáveis e das limitações dos SNF até então desenvolvidos. Observou-se que a base de regras dos SNF juntamente com os seus formatos de particionamento dos espaços de entrada e saída têm grande influência sobre o desempenho e as limitações destes modelos. Assim sendo, decidiu-se utilizar uma nova forma de particionamento que eliminasse ou reduzisse as limitações existentes- os particionamentos recursivos. Optou-se pelo uso dos particionamentos Quadtree e BSP, gerando os dois modelos NFHQ (Neuro-Fuzzy Hierárquico Quadree) e NFHB (Neiro-Fuzzy Hierárquico BSP). Com o uso de particionamentos obteve-se um nova classe de SNF que permitiu além do aprendizado dos parâmetros, também o aprendizado dos parâmetros. Isto representa um grande diferencial em relação aos SNF tradicionais, além do fato de se conseguir extender o limite do número de entradas possíveis para estes sistemas. No estudo de casos, os dois modelos neurofuzzy hierárquicos foram testados 16 casos diferentes, entre as aplicações benchmarks mais tradicionais da área e problemas com maior número de entradas. Entre os casos estudados estão: o conjunto de dados IRIS; o problema das duas espirais; a previsão da série caótica de Mackey- Glass; alguns sistemas de diagnóstico e classificação gerados a partir de conjuntos de dados comumente utilizados em artigos de machine learning e uma aplicação de previsão de carga elétrica. A implementação dos dois novos modelos neuro-fuzzy foi efetuada em linguagem pascal e com o uso de um compilador de 32 bits para micros da linha PC (Pentium) com sistema operacional DOS 32 bits, Windows, ou Linux. Os testes efetuados demostraram que: esses novos modelos se ajustam bem a qualquer conjunto de dados; geram sua própria estrutura; ajustam seus parâmetros com boa generalização e extraem