Fuzzy neural network pattern recognition algorithm for classification of the events in power system networks

This dissertation introduces advanced artificial intelligence based algorithm for detecting and classifying faults on the power system transmission line. The proposed algorithm is aimed at substituting classical relays susceptible to possible performance deterioration during variable power system operating and fault conditions. The new concept relies on a principle of pattern recognition and detects the existence of the fault, identifies fault type, and estimates the transmission line faulted section. The approach utilizes self-organized, Adaptive Resonance Theory (ART) neural network, combined with fuzzy decision rule for interpretation of neural network outputs. Neural network learns the mapping between inputs and desired outputs through processing a set of example cases. Training of the neural network is based on the combined use of unsupervised and supervised learning methods. During training, a set of input events is transformed into a set of prototypes of typical input events. During application, real events are classified based on the interpretation of their matching to the prototypes through fuzzy decision rule. This study introduces several enhancements to the original version of the ART algorithm: suitable preprocessing of neural network inputs, improvement in the concept of supervised learning, fuzzyfication of neural network outputs, and utilization of on-line learning. A selected model of an actual power network is used to simulate extensive sets of scenarios covering a variety of power system operating conditions as well as fault and disturbance events. Simulation results show improved recognition capabilities compared to a previous version of ART neural network algorithm, Multilayer Perceptron (MLP) neural network algorithm, and impedance based distance relay. Simulation results also show exceptional robustness of the novel ART algorithm for all operating conditions and events studied, as well as superior classification capabilities compared to the other solutions. Consequently, it is demonstrated that the proposed ART solution may be used for accurate, high-speed distinction among faulted and unfaulted events, and estimation of fault type and fault section

Essays on Predictive Analytics in E-Commerce

Die Motivation für diese Dissertation ist dualer Natur: Einerseits ist die Dissertation methodologisch orientiert und entwickelt neue statistische Ansätze und Algorithmen für maschinelles Lernen. Gleichzeitig ist sie praktisch orientiert und fokussiert sich auf den konkreten Anwendungsfall von Produktretouren im Onlinehandel. Die “data explosion”, veursacht durch die Tatsache, dass die Kosten für das Speichern und Prozessieren großer Datenmengen signifikant gesunken sind (Bhimani and Willcocks, 2014), und die neuen Technologien, die daraus resultieren, stellen die größte Diskontinuität für die betriebliche Praxis und betriebswirtschaftliche Forschung seit Entwicklung des Internets dar (Agarwal and Dhar, 2014). Insbesondere die Business Intelligence (BI) wurde als wichtiges Forschungsthema für Praktiker und Akademiker im Bereich der Wirtschaftsinformatik (WI) identifiziert (Chen et al., 2012). Maschinelles Lernen wurde erfolgreich auf eine Reihe von BI-Problemen angewandt, wie zum Beispiel Absatzprognose (Choi et al., 2014; Sun et al., 2008), Prognose von Windstromerzeugung (Wan et al., 2014), Prognose des Krankheitsverlaufs von Patienten eines Krankenhauses (Liu et al., 2015), Identifikation von Betrug Abbasi et al., 2012) oder Recommender-Systeme (Sahoo et al., 2012). Allerdings gibt es nur wenig Forschung, die sich mit Fragestellungen um maschinelles Lernen mit spezifischen Bezug zu BI befasst: Obwohl existierende Algorithmen teilweise modifiziert werden, um sie auf ein bestimmtes Problem anzupassen (Abbasi et al., 2010; Sahoo et al., 2012), beschränkt sich die WI-Forschung im Allgemeinen darauf, existierende Algorithmen, die für andere Fragestellungen als BI entwickelt wurden, auf BI-Fragestellungen anzuwenden (Abbasi et al., 2010; Sahoo et al., 2012). Das erste wichtige Ziel dieser Dissertation besteht darin, einen Beitrag dazu zu leisten, diese Lücke zu schließen. Diese Dissertation fokussiert sich auf das wichtige BI-Problem von Produktretouren im Onlinehandel für eine Illustration und praktische Anwendung der vorgeschlagenen Konzepte. Viele Onlinehändler sind nicht profitabel (Rigby, 2014) und Produktretouren sind eine wichtige Ursache für dieses Problem (Grewal et al., 2004). Neben Kostenaspekten sind Produktretouren aus ökologischer Sicht problematisch. In der Logistikforschung ist es weitestgehend Konsens, dass die “letzte Meile” der Zulieferkette, nämlich dann wenn das Produkt an die Haustür des Kunden geliefert wird, am CO2-intensivsten ist (Browne et al., 2008; Halldórsson et al., 2010; Song et al., 2009). Werden Produkte retourniert, wird dieser energieintensive Schritt wiederholt, wodurch sich die Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit des Geschäftsmodells von Onlinehändlern relativ zum klassischen Vertrieb reduziert. Allerdings können Onlinehändler Produktretouren nicht einfach verbieten, da sie einen wichtigen Teil ihres Geschäftsmodells darstellen: So hat die Möglichkeit, Produkte zu retournieren positive Auswirkungen auf Kundenzufriedenheit (Cassill, 1998), Kaufverhalten (Wood, 2001), künftiges Kaufverhalten (Petersen and Kumar, 2009) und emotianale Reaktionen der Kunden (Suwelack et al., 2011). Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, sich auf impulsives und kompulsives (LaRose, 2001) sowie betrügerisches Kaufverhalten zu fokussieren (Speights and Hilinski, 2005; Wachter et al., 2012). In gegenwärtigen akademschen Literatur zu dem Thema gibt es keine solchen Strategien. Die meisten Strategien unterscheiden nicht zwischen gewollten und ungewollten Retouren (Walsh et al., 2014). Das zweite Ziel dieser Dissertation besteht daher darin, die Basis für eine Strategie von Prognose und Intervention zu entwickeln, mit welcher Konsumverhalten mit hoher Retourenwahrscheinlichkeit im Vorfeld erkannt und rechtzeitig interveniert werden kann. In dieser Dissertation werden mehrere Prognosemodelle entwickelt, auf Basis welcher demonstriert wird, dass die Strategie, unter der Annahme moderat effektiver Interventionsstrategien, erhebliche Kosteneinsparungen mit sich bringt

Detection of Lying Electrical Vehicles in Charging Coordination Application Using Deep Learning

The simultaneous charging of many electric vehicles (EVs) stresses the distribution system and may cause grid instability in severe cases. The best way to avoid this problem is by charging coordination. The idea is that the EVs should report data (such as state-of-charge (SoC) of the battery) to run a mechanism to prioritize the charging requests and select the EVs that should charge during this time slot and defer other requests to future time slots. However, EVs may lie and send false data to receive high charging priority illegally. In this paper, we first study this attack to evaluate the gains of the lying EVs and how their behavior impacts the honest EVs and the performance of charging coordination mechanism. Our evaluations indicate that lying EVs have a greater chance to get charged comparing to honest EVs and they degrade the performance of the charging coordination mechanism. Then, an anomaly based detector that is using deep neural networks (DNN) is devised to identify the lying EVs. To do that, we first create an honest dataset for charging coordination application using real driving traces and information revealed by EV manufacturers, and then we also propose a number of attacks to create malicious data. We trained and evaluated two models, which are the multi-layer perceptron (MLP) and the gated recurrent unit (GRU) using this dataset and the GRU detector gives better results. Our evaluations indicate that our detector can detect lying EVs with high accuracy and low false positive rate