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계층적 분류구조의 퍼지시스템 설계 및 시계열 예측 응용
Design of Fuzzy System with Hierarchical Classifying Structures and its Application to Time Series Prediction 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.19 no.5, 2009년, pp.595 - 602  

방영근 (강원대학교 대학원 전기전자공학과) ,  이철희 (강원대학교 IT특성화학부대학 전기전자공학부)

초록
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시스템의 동작특성을 표현하는 퍼지 규칙들은 퍼지 클러스터링 기법에 매우 의존적이다. 만약, 클러스터링 기법의 분류 능력이 개선된다면, 그들에 의해 생성되는 퍼지 규칙과 식별되는 파라미터들이 보다 정밀해 질 수 있으므로 시스템의 성능이 개선될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 분류능력이 강화된 새로운 계층 구조 클러스터링 알고리즘을 제안한다. 제안된 클러스터링 기법은 데이터 사이의 통계적 특성과 상관성을 고려하여 보다 정확하게 데이터들을 분류할 수 있도록 2개의 클러스터의 구조를 갖는다. 또한, 본 논문은 차분 데이터를 이용하여 원형 데이터의 패턴이나 규칙들이 명확하게 반영될 수 있도록 하며, 각각의 차분 데이터들의 다양한 특성을 고려할 수 있도록 다중 퍼지 시스템을 구현한다. 마지막으로, 제안된 기법들의 유효성을 다양한 비선형 시계열 데이터들의 예측을 통해 검증한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Fuzzy rules, which represent the behavior of their system, are sensitive to fuzzy clustering techniques. If the classification abilities of such clustering techniques are improved, their systems can work for the purpose more accurately because the capabilities of the fuzzy rules and parameters are e...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 하지만, 강한 비선형성을 갖는 데이터들을 효과적으로 분류하고, 그들의 특성을 충분히 고려할 수 있는 시스템을 설계할 경우, 시스템의 구조적 복잡성이 초래되며, 이는 퍼지 시스템의 모델링 분야에 많은 제약점들을 야기 시킨다. 따라서 본 논문에서는 비선형 데이터를 처리하는 퍼지 시스템의 모델링에 있어, 구조적 복잡성을 피하면서 효과적인 클러스터링 기법을 제안하며, 이에 따라 생성되는 퍼지 규칙과 추정되는 파라미터들의 적합성을 개선함으로써 우수한 성능의 퍼지 시스템을 모델링하는 기법을 제안하였다. 또한, 비선형 데이터를 보다 명확히 시스템에 반영시키기 위해 데이터의 원형이 아닌 그들의 차분 데이터를 활용하는 기법을 제안하였다.
  • 기존의 다중모델을 이용한 논문[5-6]들은 우수한 예측성능을 보였지만, 3개의 입력데이터와 5개의 퍼지집합으로 인한 많은 수의 퍼지 규칙이 생성되었고, 이로 인해 규칙의 생성이나 파라미터 추정과정의 복잡성이 야기 되었다. 본 논문에서는 최소의 퍼지 규칙을 생성하면서도 효율적으로 시스템을 설계하기 위해 계층 구조 클러스터링 알고리즘을 제시하며 이를 통해 적은 수의 퍼지규칙 생성만으로 우수한 예측이 가능할 수 있도록 하였다. 본 논문에 제시된 클러스터링 기법은 상위 층의 클러스터들과 하위 층의 퍼지 집합으로 구성된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
데이터 처리 기술이 현대사회의 고도화에 따라 더욱 복잡한 구조를 가지게 되는 이유는? 데이터 처리 기술들은 현대사회의 고도화에 따라 더욱 복잡한 구조를 가지게 되며, 이는 일반적으로 처리되어야할 데이터들이 자연현상에 기인하는 강한 비선형적 특성을 보이기 때문이다. 따라서 이러한 데이터들의 비선형적 특성들을 효과적으로 분석할 수 있다면, 그들의 처리 기술들에 대한 구조적인 복잡성이나 많은 양의 데이터를 필요로 하지 않아도 될 것이다.
데이터 이면에 내재된 다양한 비선형적 특성들은 데이터가 가지는 일련의 패턴들이나 규칙성으로 대표될 수 있으며, 이러한 패턴들을 찾기 위해 많이 사용되는 기법은? 따라서 이러한 데이터들의 비선형적 특성들을 효과적으로 분석할 수 있다면, 그들의 처리 기술들에 대한 구조적인 복잡성이나 많은 양의 데이터를 필요로 하지 않아도 될 것이다. 데이터 이면에 내재된 다양한 비선형적 특성들은 데이터가 가지는 일련의 패턴들이나 규칙성으로 대표될 수 있으며, 이러한 패턴들을 찾기 위해 많이 사용되는 기법이 퍼지 클러스터링 기법이다. 이러한 퍼지 클러스터링 기법들은 유사한 데이터들을 클러스터링하고 또한, 데이터들이 클러스터에 소속되는 정도의 애매함을 퍼지 모델로 구현 가능하게 함으로써 비선형 데이터를 다루는 분야에 광범위하게 적용되어 왔다 [1-3].
TSK 퍼지 모델은 전반부의 규칙을 생성하기 위해 무엇이 필요한가? TSK 퍼지 모델은 언어적 규칙을 표현하는 전반부와 규칙에 따른 동작을 제어하는 후반부로 구성되어 있다. 전반부의 규칙을 생성하기 위해서는 입력공간의 퍼지 분할이 필요하며, 규칙의 출력을 위해서는 파라미터 식별이 필요하다. 본 논문은 입력공간의 퍼지 분할을 위해 계층구조 클러스터링 기법을 적용하였으며, 파라미터 추정에는 구조가 간단하면서도 효율적인 최소 자승법 (least square method)을 사용하였다.
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참고문헌 (10)

  1. Stephen J. Redmond, Conor Heneghan, 'A method for initialising the K-means clustering algorithm using kd-trees', pattern recognition letters, vol.28, pp. 965-973, 2007 

  2. K.Ozawa, T.Niimura, 'Fuzzy Time-Series Model of Electric Power Consumption', IEEE Canadian conference on Electrical and Computer Engineering, pp.1195-1198, 1999 

  3. Juhong Nie, 'Nonlinear Time-Series Forecasting: A Fuzzy Neural Approach', Neuro computing, vol.16, pp.66-76, MacMaster University, 1997 

  4. Inteak Kim, Song-Rock Lee, 'A Fuzzy Time Series Prediction Method based on Consecutive Values', 1999 IEEE International Fuzzy Systems conference proceedings, vol.2, pp.703-707, 1999 

  5. Chul-Heui Lee, Sang-Hun Yoon, 'Fuzzy Nonlinear Time Series Forecasting with Data Preprocessing and Model Selection', Joural of Telecommunications and Information, vol.5, pp.232-238, 2001 

  6. Young-Keun Bang, Chul-Heui Lee 'Fuzzy Time Series prediction with Data Preprocessing and Error Compensation Based on Correlation Analysis', International Conference on Convergence and Hybrid Information Technology, vol.2, pp.714-721, 2008 

  7. Daijin Kim, Chulhyun Kim, 'Forecasting Time Series with Genetic Fuzzy Predictor Ensemble'. IEEE Trans. on Fuzzy Systems, vol. 5, pp.523-535, 1997 

  8. 주용석, 유전알고리즘과 러프집합을 이용한 퍼지 시스템 모델링, 강원대학교 석사학위논문, 2003 

  9. L. X. Wang, J. M. Mendel, 'Generating fuzzy rules from numerical data, with applications', IEEE Trans. on Systems, Man, and Cybern, 22 No.6, pp1414-1427, 1992 

  10. 김인택, 공창욱, '시계열 예측을 위한 퍼지 학습 알고리즘', 한국 퍼지 지능시스템 학회, vol.7, No.3, pp. 34-42, 1997 

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