Інформаційна технологія інтервального прогнозування часових послідовностей на основі нечітких множин типу-2 - Автореферат

Сучасні підходи до інтервального прогнозування повязують з визначенням довірчого інтервалу (традиційні методи), використанням нечіткого методу групового урахування аргументів і нечітких моделей на основі інтервальних нечітких множин типу-2 (методи з використанням інтелектуальних технологій). Традиційні методи інтервального прогнозування обчислюють інтервальний прогноз, представлений у вигляді довірчого інтервалу, який би з деякою довірчою ймовірністю окреслював межі можливих значень обєкта, що моделюється. Тому є доцільною та актуальною розробка нових методів, моделей та інформаційної технології інтервального прогнозування часових послідовностей з використанням інтервальних нечітких множин типу-2, які дозволять підвищити якість інтервального прогнозу за рахунок зменшення його ширини. Метою дослідження є підвищення якості інтервального прогнозу шляхом створення нової інформаційної технології інтервального прогнозування часових послідовностей на основі інтервальних нечітких множин типу-2, яка забезпечує розширення можливостей та підвищення ефективності прийняття рішень за умови невизначеностей. Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в результаті проведених досліджень запропоновано нову інформаційну технологію інтервального прогнозування часових послідовностей, в основі якої лежать: 1) вперше запропонована узагальнююча інтервальна нечітка модель типу-2 для інтервального прогнозування часових послідовностей, яка складається з множини різновходових інтервальних нечітких моделей типу-2 (часткові моделі), що дозволяє отримати більш якісний інтервальний прогноз порівняно з єдиною інтервальною нечіткою моделлю типу-2;У першому розділі зроблено вступ в прогнозування часових послідовностей, проаналізовано традиційні методи інтервального прогнозування часових послідовностей, проведено аналіз нечіткого методу групового урахування аргументів (нечіткого МГУА), наведено особливості інтервального прогнозування часових послідовностей з використанням нейронних мереж, а також детально проаналізовано нечіткі моделі типу-1 та інтервальні нечіткі моделі типу-2. Кожна інтервальна нечітка модель типу-2, яка є і-тою частковою моделлю узагальнюючої інтервальної нечіткої моделі типу-2, містить базу правил (нечітку базу знань), процедуру приведення до нечіткості, процедуру нечіткого логічного виведення та процедуру пониження типу. і-та часткова модель відображає чіткі входи у інтервальні виходи. Ці критерії будемо використовувати при побудові, навчанні та тестуванні інтервальних нечітких моделей типу-2 - кандидатів на потрапляння до структури узагальнюючої інтервальної нечіткої моделі типу-2, а також для оцінки якості інтервального прогнозування узагальнюючої моделі. Необхідною умовою адекватності нечітких моделей на основі інтервальних нечітких множин типу-2 для інтервального прогнозування часових послідовностей будемо вважати таку рівність: Запропонований показник якості нечітких моделей на основі інтервальних нечітких множин типу-2 дозволяє оцінити рівень узагальнюючих можливостей цих моделей і цим самим адекватність їх предметній галузі. Для побудови інтервальних нечітких моделей типу-2, які є кандидатами на включення в структуру узагальнюючої інтервальної нечіткої моделі типу-2, пропонується метод, який включає такі етапи: I.Побудова нечіткої моделі прогнозування часових послідовностей на основі нечітких множин типу-1.В дисертації наведено нове розвязання наукової задачі, що полягає у підвищенні якості інтервального прогнозу шляхом створення нової інформаційної технології інтервального прогнозування часових послідовностей на основі інтервальних нечітких множин типу-2, яка забезпечує розширення можливостей та підвищення ефективності прийняття рішень за умови невизначеностей. Запропоновано узагальнюючу інтервальну нечітку модель типу-2 для інтервального прогнозування часових послідовностей, яка складається з множини різновходових інтервальних нечітких моделей типу-2 та блоку агрегації інтервальних прогнозів цих моделей. Використання множини інтервальних нечітких моделей типу-2 дозволяє отримати більш якісний інтервальний прогноз порівняно з єдиною найкращою інтервальною нечіткою моделлю типу-2, яка є частковою моделлю узагальнюючої інтервальної нечіткої моделі типу-2. Запропоновано метод агрегації інтервальних прогнозів часткових моделей узагальнюючої інтервальної нечіткої моделі типу-2, що дозволяє обчислити інтервальний прогноз узагальнюючої моделі. Запропоновано показник якості нечітких моделей на основі інтервальних нечітких множин типу-2 для інтервального прогнозування часових послідовностей, який визначається відношенням середньоквадратичної ширини інтервального прогнозу на навчальній та тестовій вибірках, що дозволяє оцінити рівень узагальнюючих можливостей нечіткої моделі та її адекватність предметній галузі.

2. Основний зміст роботи

В дисертації наведено нове розвязання наукової задачі, що полягає у підвищенні якості інтервального прогнозу шляхом створення нової інформаційної технології інтервального прогнозування часових послідовностей на основі інтервальних нечітких множин типу-2, яка забезпечує розширення можливостей та підвищення ефективності прийняття рішень за умови невизначеностей. Дану інформаційну технологію орієнтовано на розвязання складних прикладних задач в різних сферах людської діяльності.

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи такі: 1. Запропоновано узагальнюючу інтервальну нечітку модель типу-2 для інтервального прогнозування часових послідовностей, яка складається з множини різновходових інтервальних нечітких моделей типу-2 та блоку агрегації інтервальних прогнозів цих моделей. Використання множини інтервальних нечітких моделей типу-2 дозволяє отримати більш якісний інтервальний прогноз порівняно з єдиною найкращою інтервальною нечіткою моделлю типу-2, яка є частковою моделлю узагальнюючої інтервальної нечіткої моделі типу-2.

2. Запропоновано метод агрегації інтервальних прогнозів часткових моделей узагальнюючої інтервальної нечіткої моделі типу-2, що дозволяє обчислити інтервальний прогноз узагальнюючої моделі. Цей метод забезпечує отримання вужчого інтервального прогнозу порівняно з найкращою частковою моделлю шляхом перетину інтервальних прогнозів часткових моделей у випадку існування цього перетину.

3. Запропоновано показник якості нечітких моделей на основі інтервальних нечітких множин типу-2 для інтервального прогнозування часових послідовностей, який визначається відношенням середньоквадратичної ширини інтервального прогнозу на навчальній та тестовій вибірках, що дозволяє оцінити рівень узагальнюючих можливостей нечіткої моделі та її адекватність предметній галузі.

4. Запропоновано метод побудови узагальнюючої інтервальної нечіткої моделі типу-2 для інтервального прогнозування часових послідовностей. Суть цього методу полягає в дослідженні залежності якості інтервального прогнозування побудованих адекватних інтервальних нечітких моделей типу-2 від числа їх входів, що дозволяє визначити порядок включення цих моделей в структуру узагальнюючої інтервальної нечіткої моделі типу-2. Це забезпечує отримання адекватної предметній галузі узагальнюючої інтервальної нечіткої моделі типу-2. Побудова інтервальних нечітких моделей типу-2 здійснюється на основі адекватних нечітких моделей типу-1, які пройшли етапи зменшення надлишковості бази правил та навчання за допомогою генетичного алгоритму.

5. Досліджено функціональні можливості запропонованої моделі, методу та інформаційної технології на прикладах розвязання задач інтервального прогнозування площі лазерних плям лазерної траси, інтервального прогнозування числа хворих, які прибудуть на лікування в санаторій «Поділля», та інтервального прогнозування індексу споживчих цін. Побудовано узагальнюючі інтервальні нечіткі моделі типу-2, які дозволили обчислити вужчі інтервальні прогнози, ніж інтервальні нечіткі моделі типу-2, а саме: середньоквадратична ширина інтервального прогнозу на тестовій вибірці є меншою на 14% при прогнозуванні площі лазерних плям, на 29% при прогнозуванні числа хворих, які прибували на лікування в санаторій «Поділля», та на 29% при прогнозуванні індексу споживчих цін. Побудова моделей здійснювалася за допомогою розробленого програмне забезпечення.

Результати дисертаційної роботи впроваджено в ТОВ «Санаторій «Поділля» та у навчальний процес кафедри обчислювальної техніки Вінницького національного технічного університету. Впровадження результатів досліджень підтверджено відповідними актами.

1. Чеборака О. В. Використання інтервальних функцій належності в задачах класифікації ендокринних захворювань / Н. Р. Кондратенко, С. М. Куземко, О. В. Чеборака // Інформаційні технології та компютерна інженерія. - 2005. - № 3. - С. 85-90.

2. Чеборака О. В. Нечіткі множини в задачах прогнозування часових послідовностей / Н. Р. Кондратенко, О. В. Чеборака // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2006. - № 6. - С. 52-57.

3. Чеборака О. В. Прогнозування часових послідовностей з використанням різновходових нечітких моделей на основі інтервальних функцій належності / Н. Р. Кондратенко, О. В. Чеборака, С. М. Куземко // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - 2007. - № 4. - С. 62-68.

4. Чеборака О. В. Використання нечіткого моделювання в задачах вибору лідера студентського самоврядування / Н. Р. Кондратенко, Т. В. Черняхович, О. В. Чеборака // Інформаційні технології та компютерна інженерія. - 2008. - № 1. - С. 108-113.

5. Чеборака О. В. Дослідження можливостей узагальнювальної інтервальної типу-2 нечіткої моделі для прогнозування часових послідовностей / Н. Р. Кондратенко, О. В. Чеборака // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2008. - № 6. - С. 22-27.

6. Чеборака О. В. Настроювання нечітких моделей прогнозування часових послідовностей з використанням генетичного алгоритму / О. В. Чеборака // Інформаційні технології та інформаційна безпека в науці, техніці та освіті: міжнар. наук.-практ. конф., 10-16 вересня 2007 р.: матеріали конф. - Севастополь, 2007. - Ч. 1. - С. 158-161.

7. Чеборака О. В. Використання інтервальних функцій належності в задачах класифікації ендокринних захворювань / Н. Р. Кондратенко, С. М. Куземко, О. В. Чеборака // Контроль і управління в складних системах: міжнар. конф., 24-28 жовтня 2005 р.: тези доп. - Вінниця, 2005. - С. 233.

8. Чеборака О. В. Нечіткі множини в задачах прогнозування числових послідовностей / Н. Р. Кондратенко, О. В. Чеборака // Автоматика-2006: міжнар. конф., 25-28 вересня 2006 р.: тези доп. - Вінниця, 2006. - С. 98.

9. Чеборака О. В. Нечіткі моделі прогнозування часових послідовностей з використанням інтервальних функцій належності / Н. Р. Кондратенко, О. В. Чеборака // Системний аналіз та інформаційні технології: міжнар. наук.-техн. конф., 15-19 травня 2007 р.: тези доп. - К., 2007. - С. 116.

10. Чеборака О. В. Узагальнююча інтервальна типу-2 нечітка модель для прогнозування часових послідовностей / Н. Р. Кондратенко, О. В. Чеборака // Системний аналіз та інформаційні технології: міжнар. наук.-техн. конф., 20-24 травня 2008 р.: тези доп. - К., 2008. - С. 207.

11. Cheboraka O. V. Time series forecasting based on aggregation of interval type-2 fuzzy logic systems / O. V. Cheboraka // Scientific Information for Society - from Today to the Future: international conference, 5-8 October 2008: abstract. - K., 2008. - P. 78.

12. Чеборака О. В. Інтервальне прогнозування часових послідовностей за допомогою узагальнюючої інтервальної типу-2 нечіткої моделі / Н. Р. Кондратенко, О. В. Чеборака // Системний аналіз та інформаційні технології: міжнар. наук.-техн. конф., 26-30 травня 2009 р.: тези доп., - К., 2009. - С. 323.

13. Чеборака О. В. Компютерна програма «Програма для класифікації аутоімунного тиреоїдита» / Н. Р. Кондратенко, О. В. Чеборака // Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір №13736. - К.: Державний департамент інтелектуальної власності України. - Дата реєстрації: 21.07.2005.

14. Чеборака О. В. Компютерна програма «Програма для прогнозування числових послідовностей за допомогою нечітких множин» / Н. Р. Кондратенко, О. В. Чеборака // Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір №17164. - К.: Державний департамент інтелектуальної власності України. - Дата реєстрації: 07.07.2006.

15. Чеборака О. В. Компютерна програма для інтервального прогнозування часових послідовностей на основі інтервальних нечітких множин типу-2 / О. В. Чеборака // Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір №30649. - К.: Державний департамент інтелектуальної власності України. - Дата реєстрації: 15.10.2009.