Orientador: Celso Pascoli Bottura / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-04T15:52:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TorricoCaceres_AngelFernando_D.pdf: 1145129 bytes, checksum: e5817164d343ed7c520ead7ed9865194 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Nesta Tese, uma metodologia descentralizada de identificação linear no espaço de estado para sistemas multivariáveis estocásticos, discretos no tempo e serialmente interconectados, é proposta. A identificação do sistema global pode ser feita por meio da identificação individual dos seus subsistemas usando-se algum método de identificação de sistemas e de séries temporais multivariáveis no espaço de estado, dentre os aqui discutidos: Identificação no Espaço de Estado do Erro de Saída de Sistemas Multivariáveis (MOESP), Algoritmos Numéricos para a Identificação nos Subespaços de Sistemas no Espaço de Estado (N4SID), realização estocástica com entradas exógenas utilizando mínimos quadrados restrito, (CLS-SSI) e MOESP-AOKI. Com base nos modelos obtidos para os subsistemas, uma etodologia de controle ótimo descentralizado que explora a estrutura Bloco Triangular Inferior das matrizes do sistema é utilizada. A metodologia combinada de identificação e de controle estocásticos descentralizados, estruturada neste estudo, é aplicada a sistema interconectado de qualidade de água de rio, que motivou este trabalho / Abstract: In this thesis a decentralized methodology for linear state space identification of discrete time, serially interconnected multivariable stochastic systems is proposed. The global system identificationis achieved by means of the individual identification of its subsystems through some state space methods for identification of multivariable systems and time series, among the ones here discussed: Multivariable Output-Error State Space Identification (MOESP), Numerical Algorithms for SubspaceState Space Systems Identification (N4SID), Constrained Least-Squares State Space Identification (CLS-SSI), MOESP-AOKI. Based on the obtained subsystems models a methodology of optimal decentralized control systems that explores the matrices Lower Block Triangular structure is utilized. The combined decentralized stochastic identification and control methodology structured in this study is applied to an interconnected river water quality system, that motivated this work / Doutorado / Automação / Doutor em Engenharia Elétrica

[pt] Diferentes procedimentos têm sido propostos para a modelagem e previsão de séries temporais sendo que nos anos recentes muitos dos métodos mais importantes têm sido formulados na representação espaço de estado. A principal vantagem de tal abordagem é que se pode usar o Filtro de Kalman diretamente para, seqüencialmente, atualizar o vetor de estado. Apresentamos de forma sistemática a abordagem para a previsão de Séries Temporais não- Estacionárias formulada na representação de espaço de estado desenvolvida por P.Young. A novidade desta abordagem não está na natureza dos algoritmos recursivos, e sim na maneira como os hiperparâmetros são obtidos. Modelling and forecasting of Time Series have been approached in many different ways. Lately, the most important approaches have been formulated in a state space framework. The state space representation enables the state vector to be sequentially updated in time via the Kalman filter. In this dissertation, we present in a systematic way an approach to modelling and forecasting of non-stationary time series, formulated in state space terms, and due to P. Young. The novelty of this methodology is neither the nature fo the time series models nor the recursive algorithms, but on how the hyperparameters are estimated / [en] Modelling and forecasting of times Series have been approached in many different ways. Lately, the most important approaches have been formulated in a space framework. The state space representation enables the state vector to be sequencially updated in time via the Kalman filter. In this dissertation, we present in a systematic way an approach to modelling and forecasting of non-stationary time series, formulated in state space terms, and due to P. Young. The novelty of this methodology is neither the nature of the time series models nor the recursive algorithms, but on how the hyperparameteres are estimated

[pt] O objetivo desta dissertação é propor um mecanismo de testes para a avaliação dos resultados obtidos em uma modelagem TS-TARX.A principal motivação é encontrar uma solução para um problema comum na modelagem TS-TARX : os modelos espúrios que são gerados durante o processo de divisão do espaço das variáveis independentes.O modelo é uma heurística baseada em análise de árvore de regressão, como discutido por Brieman -3, 1984-. O modelo proposto para a análise de séries temporais é chamado TARX - Threshold Autoregressive with eXternal variables-. A idéia central é encontrar limiares que separem regimes que podem ser explicados através de modelos lineares. Este processo é um algoritmo que preserva o método de regressão por mínimos quadrados recursivo -MQR-. Combinando a árvore de decisão com a técnica de regressão -MQR-, o modelo se tornou o TS-TARX -Tree Structured - Threshold AutoRegression with external variables-.Será estendido aqui o trabalho iniciado por Aranha em -1, 2001-. Onde a partir de uma base de dados conhecida, um algoritmo eficiente gera uma árvore de decisão por meio de regras, e as equações de regressão estimadas para cada um dos regimes encontrados. Este procedimento pode gerar alguns modelos espúrios ou por construção,devido a divisão binária da árvore, ou pelo fato de não existir neste momento uma metodologia de comparação dos modelos resultantes.Será proposta uma metodologia através de sucessivos testes de Chow -5, 1960- que identificará modelos espúrios e reduzirá a quantidade de regimes encontrados, e consequentemente de parâmetros a estimar. A complexidade do modelo final gerado é reduzida a partir da identificação de redundâncias, sem perder o poder preditivo dos modelos TS-TARX .O trabalho conclui com exemplos ilustrativos e algumas aplicações em bases de dados sintéticas, e casos reais que auxiliarão o entendimento. / [en] The goal of this dissertation is to propose a test mechanism to evaluate the results obtained from the TS-TARX modeling procedure.The main motivation is to find a solution to a usual problem related to TS-TARX modeling: spurious models are generated in the process of dividing the space state of the independent variables.The model is a heuristics based on regression tree analysis, as discussed by Brieman -3, 1984-. The model used to estimate the parameters of the time series is a TARX -Threshold Autoregressive with eXternal variables-.The main idea is to find thresholds that split the independent variable space into regimes which can be described by a local linear model. In this process, the recursive least square regression model is preserved. From the combination of regression tree analysis and recursive least square regression techniques, the model becomes TS-TARX -Tree Structured - Threshold Autoregression with eXternal variables-.The works initiated by Aranha in -1, 2001- will be extended. In his works, from a given data base, one efficient algorithm generates a decision tree based on splitting rules, and the corresponding regression equations for each one of the regimes found.Spurious models may be generated either from its building procedure, or from the fact that a procedure to compare the resulting models had not been proposed.To fill this gap, a methodology will be proposed. In accordance with the statistical tests proposed by Chow in -5, 196-, a series of consecutive tests will be performed.The Chow tests will provide the tools to identify spurious models and to reduce the number of regimes found. The complexity of the final model, and the number of parameters to estimate are therefore reduced by the identification and elimination of redundancies, without bringing risks to the TS-TARX model predictive power.This work is concluded with illustrative examples and some applications to real data that will help the readers understanding.

[pt] Neste trabalho, os modelos Poisson-gama são estendidos para uma formulação mais geral onde o preditor linear das covariáveis é substituído por um preditor aditivo de funções genéricas destas covariáveis. Como nos modelos aditivos generalizados (MAG), as funções lineares das covariáveis constituem um caso particular de modelo aditivo e as funções suavizadores utilizadas são as splines cúbicas naturais. A formulação semi-paramétrica permite ampliar o campo de aplicação desta classe de modelos. Os modelos semi-paramétricos são estimados por um processo iterativo combinando maximização da verossimilhança e algoritmo backfitting. Todos os algoritmos de estimação e diagnósticos estão implementados nas linguagens de programação R e C. / [en] This work is aimed at extending the Poisson-Gamma models towards a more general specification, where the linear predictor of covariates is replaced by an additive predictor of generic functions of these covariates. Just like the generalized additive models (GAM), the linear functions of covariates are a particular case of additive models and the natural cubic splines are used as smoothing functions. The semiparametric specification allows to enlarge the possibilities of application of these models. The semiparametric models are fitted by an iterative process that combines maximization of likelihood and backfitting algorithm. All the routines for model fitting and diagnostics are implemented in R and C programming languages.

[pt] Esta dissertação teve como objetivo desenvolver uma metodologia e aplicá-la em uma indústria de bebidas, a fim de mensurar o impacto da imprecisão da previsão de demanda nos processos logísticos de gestão de estoque, distribuição física e vendas, demonstrando a importância que a previsão possui no planejamento e na execução dos processos logísticos. Para atingir os objetivos propostos acima, foi realizada uma breve revisão conceitual dos principais métodos de previsão de demanda e de cada um dos três processos logísticos em estudo. Em seguida, foram detalhadas as etapas da metodologia e aplicadas aos dados de 3 depósitos da empresa analisada. Como desdobramento da aplicação da metodologia, foram identificadas oportunidades de melhoria e elaboradas propostas de mudanças para o processo de previsão atual. A aplicação da metodologia e a implementação das alterações propostas permitiu à empresa aumentar o nível de precisão da previsão de demanda de todos os principais SKUs e melhorar a comunicação entre todos os elos da cadeia de valor. Com esta maior precisão da previsão de demanda será possível melhorar a alocação dos recursos físicos e humanos, reduzir os custos operacionais e atingir os requisitos de nível de serviço requeridos pelos clientes. / [en] This thesis has the objective of developing and applying a methodology to measure the impact of demand forecast inaccuracy in the supply chain of a beverage industry, specifically in the inventory management, physical distribution and sales processes. The purpose is to create an awareness of the importance of forecasting area in the logistics planning and execution activities. To achieve these goals, a conceptual review of the major demand forecasting methods and of the three logistics processes under analysis has been made. After that, a methodology was defined and applied to three different warehouse data sets of the company analyzed. As a result of the methodology application, some opportunities for process improvement were identified and some changes were proposed for the current demand forecasting process. The results of methodology application and proposed actions implementation allowed the company to increase the demand forecasting accuracy for the major SKUs and to improve communication among the different links of the supply chain. Based on more accurate forecasts, the company will be able to better allocate physical and human resources, reduce operational costs and achieve the required customer service level.

Orientador: Peter Sussner / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-26T17:27:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Schuster_Tiago_M.pdf: 2910336 bytes, checksum: 1f5147831dd6410a0fdb0c0fa53d94c8 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: As últimas décadas têm testemunhado a emergência de uma variedade de abordagens à resolução de problemas com base na computação em reticulados como, por exemplo, as redes neurais morfológicas e os modelos neurocomputação e de raciocínio fuzzy em reticulados. Usamos aqui o termo "reticulado'' no sentido dado no trabalho seminal de Birkhoff. A teoria dos reticulados nasceu da álgebra booleana e tem um grande leque de aplicações como a análise de conceitos formais, a inteligência computacional, a teoria dos conjuntos fuzzy e a morfologia matemática (MM). A MM em reticulados completos representa a base teórica para uma série de modelos de inteligência computacional conhecidos como redes neurais morfológicas (MNNs), que incluem as memórias associativas morfológicas em tons de cinza e as memórias associativas morfológicas fuzzy (FMAMs). As últimas décadas têm testemunhado a emergência de uma variedade de abordagens à resolução de problemas com base na computação em reticulados como, por exemplo, as redes neurais morfológicas e os modelos neurocomputação e de raciocínio fuzzy em reticulados. Usamos aqui o termo "reticulado'' no sentido dado no trabalho seminal de Birkhoff. A teoria dos reticulados nasceu da álgebra booleana e tem um grande leque de aplicações como a análise de conceitos formais, a inteligência computacional, a teoria dos conjuntos fuzzy e a morfologia matemática (MM). A MM em reticulados completos representa a base teórica para uma série de modelos de inteligência computacional conhecidos como redes neurais morfológicas (MNNs), que incluem as memórias associativas morfológicas em tons de cinza e as memórias associativas morfológicas fuzzy (FMAMs). O advento de sistemas fuzzy tipo-2 sugere o desenvolvimento das FMAMs tipo-2 e em particular FMAMs tipo-2 intervalar, ou FMAMs intervalar (IV-FMAMs). Observemos aqui que a classe dos conjuntos fuzzy, assim como a dos conjuntos fuzzy tipo-2, fuzzy tipo-2 intervalar e fuzzy intervalar sobre um universo arbitrário em conjunção com diferentes escolhas de ordens parciais formam classes de conjuntos L-fuzzy, em que L denota um reticulado completo. Nessa dissertação de mestrado, introduzimos as memórias associativas L-fuzzy (L-FMAMs) com base na morfologia matemática L-fuzzy (L-FMM). Nosso foco está nas FMAMs fuzzy intervalar, uma vez que sistemas fuzzy intervalar têm sido aplicados com sucesso em problemas de engenharia, computação com palavras e raciocínio aproximado. Nós aplicamos os modelos de IV-FMAMs em conjunção com a técnica de clusterização fuzzy c-means intervalar a um problema de predição de série temporal, especificamente o prognóstico da vazão mensal de uma usina hidroelétrica localizada no sudeste brasileiro. Por fim, comparamos as predições produzidas pela abordagem das IV-FMAMs com aquelas produzidas por modelos competitivos da literatura / Abstract: The last decade has witnessed the emergence of a variety of lattice computing approaches towards computational intelligence such as morphological neural networks and fuzzy lattice reasoning / neuro-computing models. Here, the technical term "lattice" refers to a lattice in the mathematical sense of Birkhoff's seminal work. Lattice theory grew out of Boolean algebra and has found a wide range of applications such as mathematical morphology, formal concept analysis, computational intelligence, and fuzzy set theory. Mathematical morphology on complete lattices represents the theoretical basis for a range of computational intelligence models known as morphological neural networks (MNNs) including gray-scale and fuzzy morphological associative memories (FMAMs). The advent of type-2 fuzzy systems suggests the development of type-2 FMAMs and in particular interval type-2 FMAMs or interval-valued FMAMs. Recall that the class of fuzzy sets as well as the classes of type-2, interval type-2, and interval-valued fuzzy sets over an arbitrary universe together with different choices of partial orderings form classes of L-fuzzy sets, where L denotes a complete lattice. In this master's thesis, we introduce L-fuzzy morphological associative memories (L-FMAMs) on the basis of L-FMM. Our focus is on interval-valued FMAMs since interval type-2 fuzzy systems, have found various applications in engineering, computing with words, and approximate reasoning. We applied the aforementioned interval-valued FMAM models in conjunction with the interval-valued fuzzy c-means clustering technique to a time-series prediction problem in industry, namely the problem of forecasting the average monthly streamflow of a hydroelectric plant located in southeastern Brazil, and compared the predictions produced by the IV-FMAM approach with the ones produced by a number of competitive models from the literature / Mestrado / Matematica Aplicada / Mestre em Matemática Aplicada

Medidas de dependência entre séries temporais são estudadas com a perspectiva de evidenciar como diferentes regiões do cérebro interagem, por meio da aplicação a sinais eletrofisiológicos. Baseado na representação auto-regressiva e espectral de séries temporais, diferentes medidas são comparadas entre si, incluindo coerência espectral e a coerência parcial direcionada, e introduz-se uma nova medida, denominada transferência parcial direcionada. As medidas são analisadas pelas propriedades de parcialização, relações diretas ou indiretas e direcionalidade temporal, e são mostradas suas relações com a correlação quadrática. Conclui-se que, entre as medidas analisadas, a coerência parcial direcionada e a transferência parcial direcionada possuem o maior número de características desejáveis, fundamentadas no conceito de causalidade de Granger. A estatística assintótica é desenvolvida para todas as medidas, incluindo intervalo de confiança e teste de hipótese nula, assim como sua implementação computacional. A aplicação a séries simuladas e a análise de dados eletrofisiológicos reais ilustram o estudo comparativo e a aplicabilidade das novas estatísticas apresentadas. / Measures of dependence between temporal series are studied in the context of revealing how different brain regions interact, through their application to electrophysiology. Based on the spectral and autoregressive model of time series, different measures are compared, including coherence and partial directed coherence, and a new measure is introduced, named partial directed transfer. The measures are analyzed through the properties of partialization, direct or indirect relations and temporal directionality, and their relation to quadratic correlation is shown. It results that among the presented measures, partial directed coherence and partial directed transfer reveal the highest number of desirable properties, being grounded on the concept of Granger causality. The asymptotic statistics for all measures are developed, including confidence intervals and null hypothesis testing, as well as their computational implementation. The application to simulated series and the analysis of electrophysiological data illustrate the comparative study and the applicability of the newly presented statistics.

[pt] A série temporal é a representação mais comum para a evoluçãao no tempo de uma variável qualquer. Em um problema de previsão de séries temporais, procura-se ajustar um modelo para obter valores futuros da série, supondo que as informações necessárias para tal se encontram no próprio histórico da série. Como os fenômenos representados pelas séries temporais nem sempre existem de maneira isolada, pode-se enriquecer o modelo com os valores históricos de outras séries temporais relacionadas. A estrutura formada por diversas séries de mesmo intervalo e dimensão ocorrendo paralelamente é denominada série temporal multivariada. Esta dissertação propõe uma metodologia de geração de um Sistema de Inferência Fuzzy (SIF) para previsão de séries temporais multivariadas a partir de dados históricos, com o objetivo de obter bom desempenho tanto em termos de acurácia de previsão como no quesito interpretabilidade da base de regras – com o intuito de extrair conhecimento sobre o relacionamento entre as séries. Para tal, são abordados diversos aspectos relativos ao funcionamento e à construção de um SIF, levando em conta a sua complexidade e claridade semântica. O modelo é avaliado por meio de sua aplicação em séries temporais multivariadas da base completa da competição M3, comparandose a sua acurácia com as dos métodos participantes. Além disso, através de dois estudos de caso com dados reais públicos, suas possibilidades de extração de conhecimento são exploradas por meio de dois estudos de caso construídos a partir de dados reais. Os resultados confirmam a capacidade do AutoMFIS de modelar de maneira satisfatória séries temporais multivariadas e de extrair conhecimento da base de dados. / [en] A time series is the most commonly used representation for the evolution of a given variable over time. In a time series forecasting problem, a model aims at predicting the series future values, assuming that all information needed to do so is contained in the series past behavior. Since the phenomena described by the time series does not always exist in isolation, it is possible to enhance the model with historical data from other related time series. The structure formed by several different time series occurring in parallel, each featuring the same interval and dimension, is called a multivariate time series. This dissertation proposes a methodology for the generation of a Fuzzy Inference System (FIS) for multivariate time series forecasting from historical data, aiming at good performance in both forecasting accuracy and rule base interpretability – in order to extract knowledge about the relationship between the modeled time series. Several aspects related to the operation and construction of such a FIS are investigated regarding complexity and semantic clarity. The model is evaluated by applying it to multivariate time series obtained from the complete M3 competition database and by comparing it to other methods in terms of accuracy. In addition knowledge extraction possibilities are explored through two case studies built from actual data. Results confirm that AutoMFIS is indeed capable of modeling time series behaviors in a satisfactory way and of extractig meaningful knowldege from the databases.

[pt] Uma mudança de paradigma no mundo todo foi ocasionada pelo aumento da preocupação quanto ao uso de combustíveis fósseis usados como principal fonte de geração elétrica, a correspondente mudança climática e os danos ambientais crescentes. Nos últimos anos, a energia eólica apresentou um crescimento incessante como alternativa sustentável para a produção de eletricidade, o que pode ser observado a partir do crescimento de sua capacidade instalada mundialmente. O Brasil está entre os dez países que tem as maiores capacidades instaladas, e apresentou 9,42 por cento de geração de energia elétrica advinda da fonte eólica em 2019. No entanto, a aleatoriedade e a intermitência do vento são os maiores desafios na integração dessa fonte no sistema de energia. Diante deste contexto, esta pesquisa propõe a aplicação da técnica Singular Spectrum Analysis (SSA) como método de previsão para uma série de velocidade eólica no Brasil, fazendo uma análise comparativa de modelos SSA considerando diferentes horizontes de previsão e conjunto de treinamento para diferentes dias de previsão, com diferentes tamanhos de série temporal. Deste modo, é comparada a série temporal do ano todo com somente o último mês desta série para prever os últimos sete dias do mês de dezembro. Os resultados dessa aplicação mostram que para a maioria dos dias a utilização do ano todo como conjunto de treinamento obteve melhor desempenho, indicando que o uso da técnica SSA pode ser uma alternativa para séries temporais com uma grande quantidade de dados. / [en] A paradigm shift around the world was caused by increased concern about the use of fossil fuels used as the main source of electricity generation, the corresponding climate change and increasing environmental damage. In recent years, wind energy has shown steady growth as a sustainable alternative for electricity production, which can be seen from the growth of its installed capacity worldwide. Brazil is among the ten countries that have the largest installed capacities, and presented 9.42 percent of electricity generation from the wind source in the last year. However, wind randomness and intermittency are the biggest challenges in integrating this source into the energy system. In this context, this research proposes the application of the Singular Spectrum Analysis (SSA) technique as a forecast method for a series of wind speed in Brazil, making a comparative analysis of SSA models considering different forecast horizons and training set for different days forecast, with different time series sizes. In this way, the time series of the whole year is compared with only the last month of this series to forecast the last seven days of the month of December. The results of this application show that for most days the use of the whole year as a training set obtained better performance, indicating that the use of the SSA technique can be an alternative for time series with a large amount of data.

[pt] Um modelo de previsão é uma ferramenta indispensável nos negócios, ajudando na tomada de decisões, seja a curto, médio ou longo prazo. Neste contexto, a implementação de técnicas de aprendizagem de máquina em modelos de previsão de séries temporais assume notória relevância, visto que o processamento da informação e a extração de conhecimento são cada vez mais exigidos de forma eficiente e dinâmica. Este trabalho desenvolve um modelo denominado Variable Step-Size evolving Participatory Learning with Kernel Recursive Least Squares, VS-ePL-KRLS, aplicado à previsão de preços do óleo diesel S500 e S10. O modelo apresentado demonstra uma melhor acurácia em comparação com os modelos análogos na literatura, sem perda de desempenho computacional para todas as séries temporais analisadas. / [en] A prediction model is an indispensable tool in business, helping to make decisions, whether in the short, medium, or long term. In this context, the implementation of machine learning techniques in time series forecasting models has a notorious relevance, as information processing and efficient and dynamic knowledge uncovering are increasingly demanded. This work develops a model called Variable Step-Size evolving Participatory Learning with Kernel Recursive Least Squares, VS-ePL-KRLS, applied to the forecast of weekly prices for S500 and S10 diesel oil, at the Brazilian level, for biweekly and monthly horizons. The presented model demonstrates a better accuracy compared with analogous models in the literature, without loss of computational performance for all time series analyzed.