Um dos maiores desafios em Mineração de Dados é a integração da informação temporal ao seu processo. Esse fato tem desafiado profissionais de diferentes domínios de aplicação e recebido investimentos consideráveis da comunidade científica e empresarial. No contexto de predição de Séries Temporais, os investimentos se concentram no subsídio de pesquisas destinadas à adaptação dos métodos convencionais de Aprendizado de Máquina para a análise de dados na qual o tempo constitui um fator importante. À vista disso, neste trabalho é proposta uma nova extensão do algoritmo de Aprendizado de Máquina k-Nearest Neighbors (kNN) para predição de Séries Temporais, intitulado de kNN - Time Series Prediction with Invariances (kNN-TSPI ). O algoritmo concebido difere da versão convencional pela incorporação de três técnicas para obtenção de invariância à amplitude e deslocamento, invariância à complexidade e tratamento de casamentos triviais. Como demonstrado ao longo desta dissertação de mestrado, o uso simultâneo dessas técnicas proporciona ao kNN-TSPI uma melhor correspondência entre as subsequências de dados e a consulta de referência. Os resultados de uma das avaliações empíricas mais extensas, imparciais e compreensíveis já conduzidas no tema de predição de Séries Temporais evidenciaram, a partir do confronto de dez métodos de projeção, que o algoritmo kNN-TSPI, além de ser conveniente para a predição automática de dados a curto prazo, é competitivo com os métodos estatísticos estado-da-arte ARIMA e SARIMA. Por mais que o modelo SARIMA tenha atingido uma precisão relativamente superior a do método baseado em similaridade, o kNN-TSPI é consideravelmente mais simples de ajustar. A comparação objetiva e subjetiva entre algoritmos estatísticos e de Aprendizado de Máquina para a projeção de dados temporais vem a suprir uma importante lacuna na literatura, a qual foi identificada por meio de uma revisão sistemática seguida de uma meta-análise das publicações selecionadas. Os 95 conjuntos de dados empregados nos experimentos computacionais juntamente com todas as projeções analisadas em termos de Erro Quadrático Médio, coeficiente U de Theil e taxa de acerto Prediction Of Change In Direction encontram-se disponíveis no portal Web ICMC-USP Time Series Prediction Repository. A presente pesquisa abrange também contribuições e resultados significativos em relação às propriedades inerentes à predição baseada em similaridade, sobretudo do ponto de vista prático. Os protocolos experimentais delineados e as diversas conclusões obtidas poderão ser usados como referência para guiar o processo de escolha de modelos, configuração de parâmetros e aplicação dos algoritmos de Inteligência Artificial para predição de Séries Temporais. / One of the major challenges in Data Mining is integrating temporal information into process. This difficulty has challenged professionals several application fields and has been object of considerable investment from scientific and business communities. In the context of Time Series prediction, these investments consist majority of grants for designed research aimed at adapting conventional Machine Learning methods for data analysis problems in which time is an important factor. We propose a novel modification of the k-Nearest Neighbors (kNN) learning algorithm for Time Series prediction, namely the kNN - Time Series Prediction with Invariances (kNN-TSPI). Our proposal differs from the literature by incorporating techniques for amplitude and offset invariance, complexity invariance, and treatment of trivial matches. These three modifications allow more meaningful matching between the reference queries and Time Series subsequences, as we discuss with more details throughout this masters thesis. We have performed one of the most comprehensible empirical evaluations of Time Series prediction, in which we faced the proposed algorithm with ten methods commonly found in literature. The results show that the kNN-TSPI is appropriate for automated short-term projection and is competitive with the state-of-the-art statistical methods ARIMA and SARIMA. Although in our experiments the SARIMA model has reached a slightly higher precision than the similarity based method, the kNN-TSPI is considerably simpler to adjust. The objective and subjective comparisons of statistical and Machine Learning algorithms for temporal data projection fills a major gap in the literature, which was identified through a systematic review followed by a meta-analysis of selected publications. The 95 data sets used in our computational experiments, as well all the projections with respect to Mean Squared Error, Theils U coefficient and hit rate Prediction Of Change In Direction are available online at the ICMC-USP Time Series Prediction Repository. This work also includes contributions and significant results with respect to the properties inherent to similarity-based prediction, especially from the practical point of view. The outlined experimental protocols and our discussion on the usage of them, can be used as a guideline for models selection, parameters setting, and employment of Artificial Intelligence algorithms for Time Series prediction.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-21112016-150659 |
| Date | 07 April 2016 |
| Creators | Antonio Rafael Sabino Parmezan |
| Contributors | Gustavo Enrique de Almeida Prado Alves Batista, Huei Diana Lee, Agma Juci Machado Traina |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Ciências da Computação e Matemática Computacional, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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