860 research outputs found

    Dynamic non-linear system modelling using wavelet-based soft computing techniques

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    The enormous number of complex systems results in the necessity of high-level and cost-efficient modelling structures for the operators and system designers. Model-based approaches offer a very challenging way to integrate a priori knowledge into the procedure. Soft computing based models in particular, can successfully be applied in cases of highly nonlinear problems. A further reason for dealing with so called soft computational model based techniques is that in real-world cases, many times only partial, uncertain and/or inaccurate data is available. Wavelet-Based soft computing techniques are considered, as one of the latest trends in system identification/modelling. This thesis provides a comprehensive synopsis of the main wavelet-based approaches to model the non-linear dynamical systems in real world problems in conjunction with possible twists and novelties aiming for more accurate and less complex modelling structure. Initially, an on-line structure and parameter design has been considered in an adaptive Neuro- Fuzzy (NF) scheme. The problem of redundant membership functions and consequently fuzzy rules is circumvented by applying an adaptive structure. The growth of a special type of Fungus (Monascus ruber van Tieghem) is examined against several other approaches for further justification of the proposed methodology. By extending the line of research, two Morlet Wavelet Neural Network (WNN) structures have been introduced. Increasing the accuracy and decreasing the computational cost are both the primary targets of proposed novelties. Modifying the synoptic weights by replacing them with Linear Combination Weights (LCW) and also imposing a Hybrid Learning Algorithm (HLA) comprising of Gradient Descent (GD) and Recursive Least Square (RLS), are the tools utilised for the above challenges. These two models differ from the point of view of structure while they share the same HLA scheme. The second approach contains an additional Multiplication layer, plus its hidden layer contains several sub-WNNs for each input dimension. The practical superiority of these extensions is demonstrated by simulation and experimental results on real non-linear dynamic system; Listeria Monocytogenes survival curves in Ultra-High Temperature (UHT) whole milk, and consolidated with comprehensive comparison with other suggested schemes. At the next stage, the extended clustering-based fuzzy version of the proposed WNN schemes, is presented as the ultimate structure in this thesis. The proposed Fuzzy Wavelet Neural network (FWNN) benefitted from Gaussian Mixture Models (GMMs) clustering feature, updated by a modified Expectation-Maximization (EM) algorithm. One of the main aims of this thesis is to illustrate how the GMM-EM scheme could be used not only for detecting useful knowledge from the data by building accurate regression, but also for the identification of complex systems. The structure of FWNN is based on the basis of fuzzy rules including wavelet functions in the consequent parts of rules. In order to improve the function approximation accuracy and general capability of the FWNN system, an efficient hybrid learning approach is used to adjust the parameters of dilation, translation, weights, and membership. Extended Kalman Filter (EKF) is employed for wavelet parameters adjustment together with Weighted Least Square (WLS) which is dedicated for the Linear Combination Weights fine-tuning. The results of a real-world application of Short Time Load Forecasting (STLF) further re-enforced the plausibility of the above technique

    Wavelet-based short-term load forecasting using optimized anfis

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    This paper focuses on forecasting electric load consumption using optimized Adaptive Neuro-Fuzzy inference System (ANFIS). It employs the use of Particle Swarm Optimization (PSO) to optimize ANFIS, with aim of improving its speed and accuracy. It determines the minimum error from the ANFIS error function and thus propagates it to the premise part. Wavelet transform was used to decompose the input variables using Daubechies 2 (db2). The purpose is to reduce outliers as small as possible in the forecasting data. The data was decomposed in to one approximation coefficients and three details coefficients. The combined Wavelet-PSO-ANFIS model was tested using weather and load data of Nova Scotia province. It was found that the model can perform more than Genetic Algorithm (GA) optimized ANFIS and traditional ANFIS, which is been optimized by Gradient Decent (GD). Mean Absolute Percentage Error (MAPE) was used to measure the accuracy of the model. The model gives lower MAPE than the other two models, and is faster in terms of speed of convergence

    ELECTRICITY CONSUMPTION PREDICTION SYSTEM USING A RADIAL BASIS FUNCTION NEURAL NETWORK

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    The observed poor quality of service being experienced in the power sector of Nigeria economy has been traced to non-availability of adequate model that can handle the inconsistencies associated with traditional statistical models for predicting consumers’ electricity need, so as to bridge the gap between the demand and supply of the energy. This research presents Electricity Consumption Prediction System (ECPS) based on the principle of radial basis function neural network to predict the country’s electricity consumption using the historical data sourced from Central Bank of Nigeria (CBN) annual statistical bulletin. The entire datasets used in the study were divided into train, validation and test sets in the ratio of 13:3:4. By the above, 65% of the entire data were used for the training, 15% for validation and 20% for testing. The train data was presented to the constructed models to approximate the function that maps the input patterns to some known target values. The models were also used to simulate both validation and the test datasets as case data on the consistency of results obtained from the training session through the train data. Experimental results showed that RBF network model performs better than equivalent Backpropagation (BP) network models that were compared with it and provides the best platform for developing a forecast system.

    A novel soft computing approach based on FIR to model and predict energy dynamic systems

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    Tesi en modalitat compendi de publicacionsWe are facing a global climate crisis that is demanding a change in the status quo of how we produce, distribute and consume energy. In the last decades, this is being redefined through Smart Grids(SG), an intelligent electrical network more observable, controllable, automated, fully integrated with energy services and the end-users. Most of the features and proposed SG scenarios are based on reliable, robust and fast energy predictions. For instance, for proper planning activities, such as generation, purchasing, maintenance and investment; for demand side management, like demand response programs; for energy trading, especially at local level, where productions and consumptions are more stochastics and dynamic; better forecasts also increase grid stability and thus supply security. A large variety of Artificial Intelligence(AI) techniques have been applied in the field of Short-term electricity Load Forecasting(SLF) at consumer level in low-voltage system, showing a better performance than classical techniques. Inaccuracy or failure in the SLF process may be translated not just in a non-optimal (low prediction accuracy) solution but also in frustration of end-users, especially in new services and functionalities that empower citizens. In this regard, some limitations have been observed in energy forecasting models based on AI such as robustness, reliability, accuracy and computation in the edge. This research proposes and develops a new version of Fuzzy Inductive Reasoning(FIR), called Flexible FIR, to model and predict the electricity consumption of an entity in the low-voltage grid with high uncertainties, and information missing, as well as the capacity to be deployed either in the cloud or locally in a new version of Smart Meters(SMs) based on Edge Computing(EC). FIR has been proved to be a powerful approach for model identification and system ’s prediction over dynamic and complex processes in different real world domains but not yet in the energy domain. Thus, the main goal of this thesis is to demonstrate that a new version of FIR, more robust, reliable and accurate can be a referent Soft Computing(SC) methodology to model and predict dynamic systems in the energy domain and that it is scalable to an EC integration. The core developments of Flexible FIR have been an algorithm that can cope with missing information in the input values, as well as learn from instances with Missing Values(MVs) in the knowledge-based, without compromising significantly the accuracy of the predictions. Moreover, Flexible FIR comes with new forecasting strategies that can cope better with loss of causality of a variable and dispersion of output classes than classical k nearest neighbours, making the FIR forecasting process more reliable and robust. Furthermore, Flexible FIR addresses another major challenge modelling with SC techniques, which is to select best model parameters. One of the most important parameters in FIR is the number k of nearest neighbours to be used in the forecast process. The challenge to select the optimal k, dynamically, is addressed through an algorithm, called KOS(K nearest neighbour Optimal Selection), which has been developed and tested also with real world data. It computes a membership aggregation function of all the neighbours with respect their belonging to the output classes.While with KOS the optimal parameter k is found online, with other approaches such as genetic algorithms or reinforcement learning is not, which increases the computational time.Ens trobem davant una crisis climàtica global que exigeix un canvi al status quo de la manera que produïm, distribuïm i consumim energia. En les darreres dècades, està sent redefinit gràcies a les xarxa elèctriques intel·ligents(SG: Smart Grid) amb millor observabilitat, control, automatització, integrades amb nous serveis energètics i usuaris finals. La majoria de les funcionalitats i escenaris de les SG es basen en prediccions de la càrrega elèctrica confiables, robustes i ràpides. Per les prediccions de càrregues elèctriques a curt termini(SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivell de consumidors al baix voltatge, s’han aplicat una gran varietat de tècniques intel·ligència Artificial(IA) mostrant millor rendiment que tècniques estadístiques tradicionals. Un baix rendiment en SLF, pot traduir-se no només en una solució no-òptima (baixa precisió de predicció) sinó també en la frustració dels usuaris finals, especialment en nous serveis i funcionalitats que empoderarien als ciutadans. En el marc d’aquesta investigació es proposa i desenvolupa una nova versió de la metodologia del Raonament Inductiu Difús(FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), anomenat Flexible FIR, capaç de modelar i predir el consum d’electricitat d’una entitat amb un grau d’incertesa molt elevat, inclús amb importants carències d’informació (missing values). A més, Flexible FIR té la capacitat de desplegar-se al núvol, així como localment, en el que podria ser una nova versió de Smart Meters (SM) basada en tecnologia d’Edge Computing (EC). FIR ja ha demostrat ser una metodologia molt potent per la generació de models i prediccions en processos dinàmics en diferents àmbits, però encara no en el de l’energia. Per tant, l’objectiu principal d’aquesta tesis és demostrar que una versió millorada de FIR, més robusta, fiable i precisa pot consolidar-se com una metodologia Soft Computing SC) de referencia per modelar i predir sistemes dinàmics en aplicacions per al sector de l’energia i que és escalable a una integració d’EC. Les principals millores de Flexible FIR han estat, en primer lloc, el desenvolupament i test d’un algorisme capaç de processar els valors d’entrada d’un model FIR tot i que continguin Missing Values (MV). Addicionalment, aquest algorisme també permet aprendre d’instàncies amb MV en la matriu de coneixement d’un model FIR, sense comprometre de manera significativa la precisió de les prediccions. En segon lloc, s’han desenvolupat i testat noves estratègies per a la fase de predicció, comportant-se millor que els clàssics k veïns més propers quan ens trobem amb pèrdua de causalitat d’una variable i dispersió en les classes de sortida, aconseguint un procés d’aprenentatge i predicció més confiable i robust. En tercer lloc, Flexible FIR aborda un repte molt comú en tècniques de SC: l’òptima parametrització del model. En FIR, un dels paràmetres més determinants és el número k de veïns més propers que s’utilitzaran durant la fase de predicció. La selecció del millor valor de k es planteja de manera dinàmica a través de l’algorisme KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que s’ha desenvolupat i testat també amb dades reals. Mentre que amb KOS el paràmetre òptim de k es calcula online, altres enfocaments mitjançant algoritmes genètics o aprenentatge per reforç el càlcul és offline, incrementant significativament el temps de resposta, sent a més a més difícil la implantació en escenaris d’EC. Aquestes millores fan que Flexible FIR es pugui adaptar molt bé en aplicacions d’EC. En aquest sentit es proposa el concepte d’un SM de segona generació basat en EC, que integra Flexible FIR com mòdul de predicció d’electricitat executant-se en el propi dispositiu i un agent EC amb capacitat per el trading d'energia produïda localment. Aquest agent executa un innovador mecanisme basat en incentius, anomenat NRG-X-Change que utilitza una nova moneda digital descentralitzada per l’intercanvi d’energia, que s’anomena NRGcoin.Estamos ante una crisis climática global que exige un cambio del status quo de la manera que producimos, distribuimos y consumimos energía. En las últimas décadas, este status quo está siendo redefinido debido a: la penetración de las energías renovables y la generación distribuida; nuevas tecnologías como baterías y paneles solares con altos rendimientos; y la forma en que se consume la energía, por ejemplo, a través de vehículos eléctricos o con la electrificación de los hogares. Estas palancas requieren una red eléctrica inteligente (SG: Smart Grid) con mayor observabilidad, control, automatización y que esté totalmente integrada con nuevos servicios energéticos, así como con sus usuarios finales. La mayoría de las funcionalidades y escenarios de las redes eléctricas inteligentes se basan en predicciones de la energía confiables, robustas y rápidas. Por ejemplo, para actividades de planificación como la generación, compra, mantenimiento e inversión; para la gestión de la demanda, como los programas de demand response; en el trading de electricidad, especialmente a nivel local, donde las producciones y los consumos son más estocásticos y dinámicos; una mejor predicción eléctrica también aumenta la estabilidad de la red y, por lo tanto, mejora la seguridad. Para las predicciones eléctricas a corto plazo (SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivel de consumidores en el bajo voltaje, se han aplicado una gran variedad de técnicas de Inteligencia Artificial (IA) mostrando mejor rendimiento que técnicas estadísticas convencionales. Un bajo rendimiento en los modelos predictivos, puede traducirse no solamente en una solución no-óptima (baja precisión de predicción) sino también en frustración de los usuarios finales, especialmente en nuevos servicios y funcionalidades que empoderan a los ciudadanos. En este sentido, se han identificado limitaciones en modelos de predicción de energía basados en IA, como la robustez, fiabilidad, precisión i computación en el borde. En el marco de esta investigación se propone y desarrolla una nueva versión de la metodología de Razonamiento Inductivo Difuso (FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), que hemos llamado Flexible FIR, capaz de modelar y predecir el consumo de electricidad de una entidad con altos grados de incertidumbre e incluso con importantes carencias de información (missing values). Además, Flexible FIR tiene la capacidad de desplegarse en la nube, así como localmente, en lo que podría ser una nueva versión de Smart Meters (SM) basada en tecnología de Edge Computing (EC). En el pasado, ya se ha demostrado que FIR es una metodología muy potente para la generación de modelos y predicciones en procesos dinámicos, sin embargo, todavía no ha sido demostrado en el campo de la energía. Por tanto, el objetivo principal de esta tesis es demostrar que una versión mejorada de FIR, más robusta, fiable y precisa puede consolidarse como metodología Soft Computing (SC) de referencia para modelar y predecir sistemas dinámicos en aplicaciones para el sector de la energía y que es escalable hacia una integración de EC. Las principales mejoras en Flexible FIR han sido, en primer lugar, el desarrollo y testeo de un algoritmo capaz de procesar los valores de entrada en un modelo FIR a pesar de que contengan Missing Values (MV). Además, dicho algoritmo también permite aprender de instancias con MV en la matriz de conocimiento de un modelo FIR, sin comprometer de manera significativa la precisión de las predicciones. En segundo lugar, se han desarrollado y testeado nuevas estrategias para la fase de predicción de un modelo FIR, comportándose mejor que los clásicos k vecinos más cercanos ante la pérdida de causalidad de una variable y dispersión de clases de salida, consiguiendo un proceso de aprendizaje y predicción más confiable y robusto. En tercer lugar, Flexible FIR aborda un desafío muy común en técnicas de SC: la óptima parametrización del modelo. En FIR, uno de los parámetros más determinantes es el número k de vecinos más cercanos que se utilizarán en la fase de predicción. La selección del mejor valor de k se plantea de manera dinámica a través del algoritmo KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que se ha desarrollado y probado también con datos reales. Dicho algoritmo calcula una función de membresía agregada, de todos los vecinos, con respecto a su pertenencia a las clases de salida. Mientras que con KOS el parámetro óptimo de k se calcula online, otros enfoques mediante algoritmos genéticos o aprendizaje por refuerzo, el cálculo es offline incrementando significativamente el tiempo de respuesta, siendo además difícil su implantación en escenarios de EC. Estas mejoras hacen que Flexible FIR se adapte muy bien en aplicaciones de EC, en las que la analítica de datos en streaming debe ser fiable, robusta y con un modelo suficientemente ligero para ser ejecutado en un IoT Gateway o dispositivos más pequeños. También, en escenarios con poca conectividad donde el uso de la computación en la nube es limitado y los parámetros del modelo se calculan localmente. Con estas premisas, en esta tesis, se propone el concepto de un SM de segunda generación basado en EC, que integra Flexible FIR como módulo de predicción de electricidad ejecutándose en el dispositivo y un agente EC con capacidad para el trading de energía producida localmente. Dicho agente ejecuta un novedoso mecanismo basado en incentivos, llamado NRG-X-Change que utiliza una nueva moneda digital descentralizada para el intercambio de energía, llamada NRGcoin.Postprint (published version

    A Hybrid intelligent system for diagnosing and solving financial problems

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    Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção2012-10-16T09:55:39

    Forecasting Automobile Demand Via Artificial Neural Networks & Neuro-Fuzzy Systems

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    The objective of this research is to obtain an accurate forecasting model for the demand for automobiles in Iran\u27s domestic market. The model is constructed using production data for vehicles manufactured from 2006 to 2016, by Iranian car makers. The increasing demand for transportation and automobiles in Iran necessitated an accurate forecasting model for car manufacturing companies in Iran so that future demand is met. Demand is deduced as a function of the historical data. The monthly gold, rubber, and iron ore prices along with the monthly commodity metals price index and the Stock index of Iran are Artificial neural network (ANN) and artificial neuro-fuzzy system (ANFIS) have been utilized in many fields such as energy consumption and load forecasting fields. The performances of the methodologies are investigated towards obtaining the most accurate forecasting model in terms of the forecast Mean Absolute Percentage Error (MAPE). It was concluded that the feedforward multi-layer perceptron network with back-propagation and the Levenberg-Marquardt learning algorithm provides forecasts with the lowest MAPE (5.85%) among the other models. Further development of the ANN network based on more data is recommended to enhance the model and obtain more accurate networks and subsequently improved forecasts

    A comparison of performance of several artificial intelligence methods for forecasting monthly discharge time series

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    Author name used in this publication: Chun-Tian Cheng2009-2010 > Academic research: refereed > Publication in refereed journalAccepted ManuscriptPublishe
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