Mô hình dự báo chuỗi thời gian mờ dựa trên đại số gia tử và tối ưu bầy đàn
Kỷ yếu Hội nghị KHCN Quốc gia lần thứ XI về Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR); Hà Nội, ngày 09-10/8/2018
DOI: 10.15625/vap.2018.00034
MÔ HÌNH DỰ BÁO CHUỖI THỜI GIAN MỜ DỰA TRÊN ĐẠI SỐ GIA TỬ
VÀ TỐI ƯU BẦY ĐÀN
Nghiêm Văn Tính1*, Nguyễn Công Điều2, Nguyễn Tiến Duy1
1 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
2 Trường Đại học Thăng Long
TÓM TẮT: Những năm gần đây, nhiều mô hình dự báo dựa trên chuỗi thời gian mờ được đề xuất nhằm phân tích chuỗi thời gian.
Trong mô hình dự báo, các yếu tố chính có thể ảnh hưởng đến độ chính xác dự báo của mô hình là độ dài của khoảng chia tập nền
và nhóm quan hệ mờ. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất mô hình dự báo chuỗi thời gian mờ mới dựa trên đại số gia tử (ĐSGT)
và thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO). Trong đó, ĐSGT được sử dụng như một công cụ để chia tập nền thành các khoảng có độ dài
khác nhau tương ứng với các khoảng ngữ nghĩa tính toán được của các hạng từ ngôn ngữ. Sau quá trình chia khoảng, các giá trị
quan sát được biểu diễn bởi các tập mờ và sử dụng chúng để thiết lập các nhóm quan hệ mờ. Cuối cùng, mô hình đề xuất được kết
hợp với kỹ thuật PSO để tìm ra khoảng chia phù hợp nhằm tăng độ chính dự báo của mô hình. Đánh giá hiệu quả của mô hình trên
tập dữ liệu kinh điển về số lượng sinh viên nhập học tại Đại học Alabama. Thực nghiệm cho thấy mô hình đề xuất đưa ra kết quả dự
báo chính xác hơn một số mô hình dự báo đã được công bố gần đây dựa vào chuỗi thời gian mờ bậc 1 và bậc cao.
Từ khóa: Chuỗi thời gian mờ, Nhóm quan hệ mờ phụ thuộc thời gian, Tối ưu bày đàn, PSO, Tuyển sinh.
I. GIỚI THIỆU
Trong vài thập kỷ qua, nhiều mô hình dự báo đã được đề xuất nhằm giải quyết các bài toán dự báo khác nhau để
giúp con người đưa ra các quyết định, như: dự báo tuyển sinh đại học cho năm tiếp theo, dự báo nhiệt độ cho các ngày
tới, dự báo dân số hàng năm, dự báo tài chính,... Dựa trên lý thuyết tập mờ, Song và Chissom đã đưa ra hai mô hình
chuỗi thời gian mờ không phụ thuộc thời gian [1] và phụ thuộc thời gian [2] bằng việc sử dụng các phép toán max -
min trong quan hệ mờ để giải quyết bài toán dự báo tuyển sinh đại học của Trường Đại học Alabama. So sánh với các
mô hình dự báo truyền thống trước đây như: Phân tích hồi huy, trung bình trượt, trung bình hàm mũ và mô hình
ARIMA thì các mô hình [1], [2] có thể giải quyết tốt hơn đối với các bài toán dự báo có chuỗi số liệu được biểu diễn
bởi giá trị ngữ nghĩa hay chuỗi dữ liệu không chắc chắn. Hơn nữa, các mô hình chuỗi thời gian mờ này, không yêu cầu
số lượng quan sát lớn hay giả định tuyến tính như mô hình truyền thống. Tuy nhiên, các mô hình [1], [2] mất nhiều thời
gian tính toán khi xử lý với ma trận mờ lớn. Do đó, để khắc phục hạn chế này, Chen [3] đã đưa ra phương pháp mới
khá hiệu quả bằng việc sử dụng các phép tính số học đơn giản thay vì các phép tính kết hợp max-min phức tạp trong xử
lý mối quan hệ mờ. Từ việc mở rộng của công trình [3] thành mô hình chuỗi thời gian mờ bậc cao [4] và mức ảnh
hưởng của độ dài khoảng trong mô hình [5] cùng với việc phát triển từ các mô hình một nhân tố thành mô hình chuỗi
thời gian mờ hai nhân tố [6] là nền tảng cho sự phát triển mạnh mẽ của mô hình chuỗi thời gian mờ trong những
khoảng thời gian tiếp sau. Gần đây, nhiều tác giả đã sử dụng các kỹ thuật khác nhau vào từng pha (giai đoạn) trong mô
hình chuỗi thời gian mờ nhằm nâng cao độ chính xác dự báo. Chen và Tanuwijaya [7] đã sử dụng phương pháp phân
cụm tự động để chia tập nền thành các khoảng có độ dài khác nhau trong pha mờ hóa dữ liệu của mô hình. Một số tác
giả khác dựa dựa trên kỹ thuật tối ưu kết hợp với các mô hình chuỗi thời gian mờ khác nhau nhằm điều chỉnh lại các
khoảng chia từ tập nền [8]-[19]. Dựa trên tư tưởng tìm độ dài khoảng tối ưu, một số mô hình lại dùng kỹ thuật phân
cụm để phân tập dữ liệu quan sát thành các cụm, sau đó điều chỉnh các cụm này thành các khoảng có độ dài khác nhau
như: Phân cụm K-mean [20], [21] phân cụm C-mean [22], [23]. Một cách tiếp cận hoàn toàn khác biệt dựa trên lý
thuyết đại số gia tử [24] để ngữ nghĩa hóa và giải ngữ phi tuyến [25] thay vì các phép mờ hóa dữ liệu và giải mờ dự
báo trong mô hình chuỗi thời gian mờ. Cũng dựa trên đại số gia tử, trong công trình [26] sử dụng nó để phân chia tập
nền thành các khoảng khác nhau bằng việc ánh xạ ngữ nghĩa của các hạng từ ngôn ngữ thành các khoảng mờ. Hai công
trình theo hướng tiếp cận ĐSGT nêu trên chỉ tập trung vào xây dựng mô hình dự báo bậc 1 để dự báo số lượng sinh
viên nhập học của Trường Đại học Alabama.
Dựa vào sự phân tích của các công trình trên cho thấy, độ dài khoảng và bậc của nhóm quan hệ mờ là các yếu tố
ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác dự báo của mô hình. Bài báo này, chúng tôi đề xuất mô hình dự báo chuỗi thời gian
mờ bậc một và bậc cao dựa trên ĐSGT và PSO cho bài toán tuyển sinh đại học trong [3]. Trong nghiên cứu này, trước
tiên ĐSGT được sử dụng để phân chia tập nền thành các khoảng có độ dài khác nhau bằng cách định lượng chính các
hạng từ ngôn ngữ dùng để biểu diễn chuỗi dữ liệu quan sát. Sau đó, tính giá trị đầu ra dự báo cho các nhóm quan hệ
mờ bậc 1 và bậc cao đã được chúng tôi đề xuất trong công trình [14] bằng quy tắc giải mờ mới. Cuối cùng, mô hình đề
xuất được kết hợp với thuật toán PSO để hiệu chỉnh lại độ dài khoảng chia ban đầu nhằm cải thiện độ chính xác dự báo
hơn nữa.
Phần còn lại của bài báo được bố cục như sau: Phần II trình bày một số khái niệm liên quan đến chuỗi thời mờ
và ĐSGT. Phần III giới thiệu từng bước của mô hình dự báo kết hợp giữa ĐSGT và PSO. Phần IV đánh giá hiệu quả
dự báo của mô hình đề xuất so với các mô hình dự báo trước đây. Cuối cùng, các kết luận được đưa ra trong phần V.
252
MÔ HÌNH DỰ BÁO CHUỖI THỜI GIAN MỜ DỰA TRÊN ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ TỐI ƯU BẦY ĐÀN
II. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ THUẬT TOÁN LIÊN QUAN
Trong phần này tóm tắt một số khái niệm cơ bản về chuỗi thời gian mờ [1]- [3] và đại số gia tử [24] để làm cơ
sở cho nghiên cứu này.
2. 1. Khái niệm cơ bản về chuỗi thời gian mờ (FTS)
Điểm khác chủ yếu giữa chuỗi thời gian mờ và khái niệm chuỗi thời gian truyền thống là giá trị của chuỗi thời
gian được biểu diễn bởi các tập mờ (hay các nhãn ngôn ngữ), trong khi chuỗi thời gian truyền thống được biểu diễn bởi
các giá trị số. Một số định nghĩa cơ bản về chuỗi thời gian mờ được đưa ra như sau:
Cho là một tập con của tập số thực và cũng là tập nền trên đó xác định các tập mờ
là tập chứa các tập Khi đó ta gọi là chuỗi thời gian mờ xác định trên tập nền ).
Tại các thời điểm t và t-1 có tồn tại một mối quan hệ mờ giữa sao cho
; trong đó * là toán tử max-min xác định trên tập mờ. là mối quan hệ mờ. Ta cũng có thể ký hiệu
mối quan hệ mờ giữa ) bởi Nếu đặt thì mối quan hệ
logic mờ giữa chúng được thay bởi quan hệ là: Viết như thế này có thể hiểu là tập mờ Aj được suy ra từ tập
mờ Ai.
Các quan hệ mờ trong tập luyện có thể gom thành một nhóm nếu các tập mờ bên vế phải của quan hệ có cùng
các tập mờ bên vế trái thì gộp chúng thành một nhóm theo vế trái của quan hệ. Giả sử có các quan hệ logic mờ bậc một
có cùng các tập mờ bên vế trái như sau:
; .
nhau (lặp lại) chỉ được tính duy nhất một lần khi tham gia vào nhóm quan hệ mờ.
. Nếu, đặt
Quan hệ mờ giữa hai quan sát liên tiếp F(t-1) và được biểu diễn bởi F(t-1)
và , thì quan hệ tại thời điểm t này được biểu diễn thành .
Nếu cũng tại thời điểm t, tồn tại các quan hệ sau: và
với t. Nghĩa là các quan hệ tại thời điểm t1, t2, …, tp xảy ra trước quan hệ mờ tại thời điểm
t, nhưng có cùng tập mờ bên vế trái là . Khi đó các quan hệ này được nhóm thành một nhóm quan hệ mờ là
và được gọi là nhóm quan hệ mờ phụ thuộc vào thời gian.
Ví dụ sau đây có thể hiểu rõ hơn về nhóm quan hệ mờ phụ thuộc thời gian và các nhóm quan hệ thông thường
Trong các quan hệ trên có hai quan hệ mờ giống nhau xuất hiện tại các thời điểm và . Theo
Chen [3], thì các quan hệ mờ giống nhau chỉ được tính một lần khi tham gia vào nhóm quan hệ mờ. Khi đó các quan hệ
nói trên được gộp thành một nhóm quan hệ có dạng: . Điều đó có nghĩa rằng các quan hệ trùng nhau không
được xem xét và dẫn đến thiếu thông tin trong quá trình dự báo. Do vậy, trong nhóm quan hệ đề xuất, chúng tôi xem
xét đến thời điểm xuất hiện của các quan hệ mờ bên phải ở tại thời điểm dự báo t nào đó. Cùng ví dụ trên, giả sử thời
điểm t =2, chúng tôi chỉ xét đến các quan hệ có cùng trạng thái bên trái mà có tập mờ bên phải xuất hiện từ thời điểm
dự báo trở về trước thì được gộp thành một nhóm quan hệ có dạng: . Tương tự tại thời điểm dự báo t=3 thì
nhóm quan hệ khác được thiết lập là .
Tư tưởng này cũng được áp dụng tương tự cho quan hệ bậc cao và được gọi là quan hệ mờ phụ thuộc thời gian
bậc cao.
{
Giả sử ta có một tập các giá trị ngôn ngữ của biến ngôn ngữ
}
. Các giá trị ngôn ngữ này được sử dụng trong các bài toán lập luận xấp xỉ dựa trên tri thức bằng luật. Một vấn đề
đặt ra là cần có một cấu trúc đủ mạnh dựa trên tính thứ tự vốn có của giá trị ngôn ngữ trong miền của biến ngôn ngữ.
Từ đó, có thể tính toán được ngữ nghĩa trên giá trị ngôn ngữ của biến ngôn ngữ trong các bài toán suy luận xấp xỉ.
Nghiêm Văn Tính, Nguyễn Công Điều, Nguyễn Tiến Duy
253
Mỗi biến ngôn ngữ được biểu thị như một cấu trúc đại số , gọi là đại số gia tử, trong đó
{
}
,
là tập các hạng từ trong ; biểu thị mối quan hệ thứ tự ngữ nghĩa tự nhiên của các hạng từ trên ;
, được gọi là các phần tử sinh (ví dụ: ); là tập các hằng, với
, để chỉ các phần tử có ngữ nghĩa nhỏ nhất, lớn nhất và phần tử trung hoà (ví dụ: );
, với { } là tập các gia tử âm, thì và { } là
{
}
{
}
{
}
{
}
các gia tử dương, thì . Ví dụ , . Với ,
, , . Với quan hệ thứ tự giữa các phần tử sinh, các gia tử và chiều tác động của các gia
tử như trên, có thể được biểu thị bằng dấu của chúng như sau:
{
}
Hàm dấu: được định nghĩa một cách đệ quy như sau: Với , ,
và
(2. 1)
(2. 2)
{
}
{
}
và
nếu hoặc nếu và
nếu hoặc nếu . Hay .
(2. 3)
nếu là dương đối với ( ) và nếu là âm đối với
( ).
(2. 4)
nếu .
(2. 5)
Tổng quát: , có thể được viết là:
, , .
Khi đó:
(2. 6)
và
Độ đo tính mờ: Khái niệm “mờ” của thông tin ngôn ngữ mờ là rất quan trọng trong việc tính toán giá trị ngữ
nghĩa của từ ngữ. Ngữ nghĩa của giá trị ngôn ngữ trong AX được xây dựng từ các tập
{ }
{
} , có thể coi như một mô hình mờ của . Tập , xác
định độ đo tính mờ của , chính bằng “bán kính” của và có thể được tính toán một cách đệ quy từ độ đo tính
mờ của các phần tử sinh, , và độ đo tính mờ của gia tử , . Chúng được gọi là các tham số
mờ của .
[
]
gọi là độ đo tính mờ nếu thỏa mãn các điều kiện sau:
và
∑
, với
(2. 7)
Với các phần tử , và ,
(2. 8)
(2. 9)
Và với ,
Đẳng thức (2. 9) không phụ thuộc vào các phần tử , , nó đặc trưng cho gia tử , gọi là độ đo tính mờ của ,
ký hiệu là . Tính chất của và như sau:
Ta có , ,
(2. 10)
(2. 11)
(2. 12)
∑
và
∑
, với và
PSO là thuật toán tìm kiếm ngẫu nhiên dựa trên việc mô phỏng hành vi tương tác của bầy chim hay đàn cá tìm
nguồn thức ăn. Mỗi con chim (hay cá thể, phần tử) trong đàn (quần thể) được đặc trưng bởi hai tham số là véctơ vị trí
và véctơ vận tốc (dịch chuyển) . Ban đầu PSO được khởi tạo bởi vị trí và vận tốc một cách ngẫu nhiên. Sau mỗi
bước dịch chuyển (lặp) mỗi cá thể đánh giá khả năng tìm kiếm bằng hàm đo độ thích nghi (fitness function). Đồng thời
mỗi cá thể cập nhật vận tốc và vị trí của mình theo công thức (2.13) và (2.14). Cũng tại mỗi bước lặp, mỗi cá
thể phản ánh bởi hai thông tin: Thông tin thứ nhất là vị trí tốt nhất mà nó đạt được cho tới thời điểm hiện tại, gọi là
. Thông tin thứ hai là vị trí tốt nhất trong quá trình tìm kiếm của quần thể từ trước cho tới thời điểm hiện tại, gọi
là . Mô hình hóa việc cập nhật vị trí của mỗi cá thể theo vị trí tốt nhất của nó và của tất cả các cá thể trong quần
( ) (
) ( ) ( )
(2.13)
(2.14)
(2.15)
254
MÔ HÌNH DỰ BÁO CHUỖI THỜI GIAN MỜ DỰA TRÊN ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ TỐI ƯU BẦY ĐÀN
Vị trí tốt nhất của các cá thể được đặc trưng bởi một véctơ
[
] và giá trị
của mỗi cá thể id, [ ] được tính như sau:
( )
= {
(2.16)
(2.17)
( ) ( )
Giá trị
tại lần lặp thứ k là:
III. MÔ HÌNH DỰ BÁO ĐỀ XUẤT KẾT HỢP GIỮA ĐSGT VÀ PSO
Trong mục này, chúng tôi giới thiệu mô hình dự báo chuỗi thời gian mờ dựa trên việc kết hợp giữa đại số gia tử
và tối ưu bày đàn cho dự báo tuyển sinh đại học. Trước tiên ĐSGT được áp dụng để chia tập nền thành các khoảng có
độ dài khác nhau bằng việc ánh xạ định lượng các hạng từ ngôn ngữ thành các khoảng mờ. Dựa trên các khoảng mới
đạt được này, chúng tôi xác định các tập mờ và mờ hóa dữ liệu trên mỗi khoảng đã chia. Sau đó, thực hiện nhóm quan
hệ mờ theo [14] và tính giá trị đầu ra dự báo bằng quy tắc dự báo đề xuất. Cuối cùng, để tăng độ chính xác dự báo hơn
nữa, mô hình đề xuất được kết hợp với PSO trong việc hiệu chỉnh lại độ dài khoảng nhằm tìm ra các khoảng chia tối ưu
từ tập nền. Để xác minh tính hiệu của mô hình đề xuất, toàn bộ dữ liệu liệu về số lượng sinh viên nhập học trong tài
liệu [3] được sử dụng làm minh chứng cho quá trình dự báo dự trên chuỗi thời gian mờ bậc 1 và bậc cao. Mô hình dự
báo đề xuất bao gồm các bước sau:
Bước 1: Xác định tập nền của chuỗi dữ liệu quan sát
Giả sử tập nền hay miền trị tham chiếu U = [ ] = [Imin - N1, Imax + N2], trong đó Imin, Imax là giá trị nhỏ
nhất và lớn nhất của chuỗi dữ liệu quan sát và N1, N2 là hai số dương được chọn sao cho tập nền U bao trọn vẹn chuỗi
dữ liệu lịch sử và đảm bảo nhiễu của dữ liệu kiểm thử. Không mất tính tổng quát, chúng tôi xác định tập nền U giống
như trong công trình [3] là U = [ ]. Trong đó Imin =13055, Imax = 19337 và N1= 55, N2 = 663.
Bước 2: Chia tập nền U thành n khoảng khác nhau dựa vào ĐSGT
Như đã biết, chuỗi thời gian là một tập các dữ liệu quan sát được diễn biến theo thứ tự thời gian. Các dữ liệu
quan sát này, theo tiếp cận mờ thì chúng được biểu diễn bởi các tập mờ (hạng từ ngôn ngữ) và gọi đó là chuỗi thời gian
mờ. Nếu nhìn trên phương diện ĐSGT thì mỗi hạng từ ngôn ngữ đại diện cho một vài giá trị quan sát thuộc vào khoảng
mờ nào đó, mà các hạng từ này luôn đảm bảo về thứ tự ngữ nghĩa. Điều đó có thể thấy rằng, khi sử dụng ĐSGT để ánh
xạ định lượng ngữ nghĩa các hạng từ ngôn ngữ thành các giá trị trên miền mờ luôn thỏa mãn tính chất chia khoảng trên
miền thực. Vì vậy, trong phần này chúng tôi áp dụng ĐSGT để chia tập nền U hay miền trị tham chiếu thành các
khoảng tương ứng với các hạng từ ngôn ngữ dùng để định tính giá trị quan sát trong chuỗi thời gian mờ. Trong phần
này, bài báo sử dụng ĐSGT có cấu trúc như sau: ĐSGT = ( , , , , ≤) với X là tập các hạng từ của biến ngôn
ngữ “enrollment”; G = { } {Low, High}, Low ≤ High là tập các phần tử sinh; Tập các hằng C = {0, 1, W}, hai
gia tử là H {Very, Little}. Để so sánh kết quả dự báo của mô hình đề xuất với các mô hình khác. Trong bài báo này
chúng tôi sử dụng số khoảng chia bằng với số lượng hạng từ ngôn ngữ dùng để định tính các giá trị quan sát. Cụ thể,
xuất phát từ số lượng hạng từ ngôn ngữ cho trước là 7 và 14 được đưa ra trong Bảng 3.1, chúng tôi xác định được các
số khoảng tương ứng là 7 và 14 khoảng.
Nghiêm Văn Tính, Nguyễn Công Điều, Nguyễn Tiến Duy
255
Bảng 3.1. Số lượng hạng từ ngôn ngữ
Các hạng từ có thứ tự
= Very Very Low (VVL) < = Little Verry Low (LVL) < = Little Little Low (LLL) < =Very
Số lượng hạng từ
7
Little Low (VLL) < =Verry Little High (VLH) < = Little Little High (LLH) < = Very High (VH).
14
= VVS < = LLVS < < L< < < <
< < < < <
Bước này, sử dụng 7 khoảng chia để minh họa từng bước cho việc xác định khoảng mờ dựa trên ĐSGT như sau:
Bước 2.1: Miền trị tham chiếu U = [13000, 20000] được ánh xạ sang miền [0, 1]
Giả sử trong tập dữ liệu lịch sử chọn giá trị 16807 là giá trị trung bình khi đó khoảng tính mờ của các phần tử
, .
sinh được thiết lập là
Từ đây, có thể tính được khoảng mờ của các từ ngôn ngữ trên miền [0,1] là: = 0,1471, =
0,1358, = 0,1253, = 0,1358, = 0,11138, = 0,1051, = 0,2371.
Bước 2.2: Ánh xạ ngược lại miền U
Giả sử gọi là độ rộng của hai phần tử sinh là
và , trong đó độ dài của miền U ký hiệu là LU =
20000-13000 =7000.
Bước 2.3: Xác định khoảng mờ của nhãn ngôn ngữ trên tập nền U
Trong bài báo này, chúng tôi chọn độ đo tính mờ của các gia tử âm và gia tử dương tương ứng là
và 0,52.
Kết hợp Bước 2.2, ta có thể tính được giá trị cho các hạng từ thuộc vào các khoảng mờ như sau:
= µ(Verry) µ(Very) cofm(Low) = 0,52 0,52 3808 = 1029,683;
= µ( ) µ(Very) cofm(Low) = 0,48 0,52 3808 = 950,477;
Một cách tương tự cho các hạng khác chúng tôi xác định được 7 khoảng chia trên miền thực U như sau:
= [13000, 14029,68), = [14029.68, 14980), = [14980, 15858), = [15858, 16808), = [16808, 17605), =
[17605, 18340), = [18340, 20000].
Thực hiện tương tự các bước trên đối với số hạng từ là 14, chúng tôi đưa ra 14 khoảng chia tương ứng với các
hạng từ trong tập nền U như sau:
= [13000, 13539,5), = [13539,5, 14079) , = [14079, 14438,5), = [14438,5, 14798), = [14798, 15157,5),
= [15157,5, 15517), = [15517, 15756,5), = [15756,5, 15996), = [15996, 16316,5) , = [16316,5, 16637),
= [16637, 17117,5), = [17117,5, 17598), = [17598, 18799), = [18799, 20000].
Bước 3: Khởi tạo ngẫu nhiên m các cá thể trong quần thể
Theo thuật toán 2, mỗi cá thể trong PSO được đặc trưng bởi hai thành phần là vị trí và vận tốc; Giả sử id là một
cá thể trong quần thể. Khi đó:
- Vị trí và vận tốc là các véctơ gồm n-1 (n=7) phần tử được biểu diễn như hình 3.1.
푥
푥
푥
푖푑 푘
푥푖푑
푣푖푑 푣푖푑
푣푖푑 푘
푣푖푑
…
…
…
…
푖푑 푖푑
Hình 3.1. Cấu trúc vị trí và vận tốc của cá thể id, (1 푘 n-1 )
Trong đó, các phần tử được khởi tạo một cách ngẫu nhiên trong tập nền và được sắp xếp theo thứ tự
tăng dần như sau:
và các phần tử được khởi tạo ngẫu nhiên trong miền
[- ].
- Vị trí tốt nhất của cá thể id ghi nhận được là một véctơ
[ ] và ban đầu được khởi
tạo giống như khởi tạo vị trí của cá thể id.
Bước 4: Hiệu chỉnh lại độ dài các khoảng chia tại bước 2 và tính giá trị hàm mục tiêu cho mỗi cá thể trong PSO.
3.1. Xác định các tập mờ và mờ hóa dữ liệu quan sát
Dựa trên véctơ vị trí của mỗi cá thể id gồm n-1 phần tử này, chúng tôi xác định n khoảng chia từ tập nền. Để
thuận tiện và không mất tính tổng quát, chúng tôi chọn số lượng khoảng giống như số khoảng đã chia ở bước 2. Giả sử
256
MÔ HÌNH DỰ BÁO CHUỖI THỜI GIAN MỜ DỰA TRÊN ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ TỐI ƯU BẦY ĐÀN
số khoảng chia là n =7, khi đó các khoảng đạt được là: = , ], = ( , ], …, = ( , ]. Từ
các khoảng mới đạt được, chúng tôi xác định các tập mờ dựa theo [1] đưa ra trong công thức (3.1) như sau:
⁄
⁄
⁄
⁄
(3.1)
(3.2)
{
Trong đó, [0,1], (1 i , 1 j 7) chỉ cấp độ của khoảng uj vào tập mờ Ai , uj là khoảng thứ j của tập
nền U. Để đơn giản, mỗi giá trị độ thuộc của tập mờ Ai được lựa chọn theo công thức (3.2), có dạng hàm thuộc tam
giác với cấp độ thuộc tương ứng là 1, 0,5 và 0.
3.2. Mờ hóa dữ liệu lịch sử thành các tập mờ
Mờ hóa các dữ liệu rõ thành dữ liệu mờ được biểu diễn bằng tập mờ, trước tiên cần gán giá trị ngôn ngữ liên
quan đến mỗi tập mờ đã xác định trong bước 4.2 vào mỗi khoảng tương ứng. Cách đơn giản là tìm ra một khoảng
mà giá trị lịch sử của biến chuỗi thời gian tại thời điểm nào đó thuộc vào khoảng này mà có cấp độ thuộc cao nhất của
khoảng tại tập mờ Ai, khi đó dữ liệu lịch của biến chuỗi thời gian được mờ hóa là .
Ví dụ: Giá trị lịch sử của năm 1972, Y(1972) là 13563 thuộc vào khoảng = (13000, 14029.68] mà cấp độ
thuộc lớn nhất của khoảng này xảy ra tại là 1, vậy giá trị mờ hóa tại thời điểm t =1972, F(t)=F(1972) là A1 có nhãn
ngôn ngữ là “not many”. Bằng cách tương tự cho các giá trị quan sát khác trong chuỗi thời gian.
3.3. Xác định các quan hệ mờ
Dựa trên định nghĩa 2 và 3 về khái niệm quan hệ logic mờ bậc 1 và bậc cao, một quan hệ mờ được xác định bởi
một hay nhiều tập mờ liên tiếp trong chuỗi thời gian. Để xác định các quan hệ logic mờ với bậc khác nhau, chúng ta
tìm ra các quan hệ có dạng: ; trong đó,
và được gọi là trạng thái hiện tại và trạng thái tương lai của quan hệ. Sau đó quan hệ này được thay thế bởi
quan hệ giữa các tập mờ là:
. Hai ví dụ minh họa cho quan hệ mờ bậc 1 và bậc 2 được
trình bày như sau:
.
Trong trường hợp quan hệ mờ bậc 1( =1), hai tập mờ liên tiếp được sử dụng để xác định quan hệ mờ bậc 1. Giả sử
ở bước 4.2, dữ liệu tại năm F(1973) được mờ hóa là và dữ liệu tại năm F(1974) được mờ hóa là . Khi đó quan
hệ giữa thời điểm F(1993) với F(1994) là và được thay bởi quan hệ mờ là . Hoàn
toàn tương tự có thể thiết lập được các quan hệ mờ bậc 1 khác.
.
Trong trường hợp quan hệ mờ bậc cao (giả =2), ba tập mờ liên tiếp theo thứ tự thời gian được sử để tạo thành
quan hệ mờ bậc 2. Giả sử ba năm liên tiếp F(1973), F(1974), F(1975) được mờ hóa tương ứng với các tập mờ là ,
. Khi đó quan hệ mờ bậc hai tại thời điểm t =1975 được biểu diễn là: . Một cách tương tự để xác
định các quan hệ mờ bậc hai khác tại thời điểm khác nhau.
3.4. Thiết lập nhóm quan hệ mờ phụ thuộc thời gian
Trong bước này, chúng tôi tạo nhóm quan hệ mờ dựa trên định nghĩa 4 về nhóm quan hệ mờ phụ thuộc thời
gian bậc 1 và bậc cao. Giả sử tồn tại các quan hệ mờ tại các thời điểm khác nhau như sau:
Khi đó, tại các thời điểm t lần lượt là 1973, 1974, 1975 chúng ta nhận được ba nhóm quan hệ theo thứ tự thời
gian trên là G1: ; G2: và G3: . Một cách tương tự cho nhóm quan hệ mờ bậc cao.
3.5. Giải mờ và tính giá trị dự báo đầu ra
Để giải mờ dữ liệu đã mờ hóa và tính toán giá trị cho nhóm quan hệ mờ bậc 1 và bậc cao. Thứ nhất, chúng tôi
đề xuất các kỹ thuật giải mờ mới để tính toán giá trị dự báo cho các nhóm quan hệ mờ với các bậc khác nhau trong giai
đoạn huấn luyện. Thứ hai, sử dụng quy tắc giải mờ được đề xuất trong [11] để tính toán giá trị dự báo cho các nhóm
quan hệ mờ trong giai đoạn thử nghiệm. Các giá trị dự báo cho các nhóm quan hệ mờ dựa vào chuỗi thời gian mờ bậc 1
và bậc cao được tính theo các quy tắc sau:
Quy tắc 1: Trong trường hợp nhóm quan hệ mờ bậc 1(bậc =1)
Để tính toán giá trị dự báo cho tất cả các nhóm quan hệ mờ bậc 1, chúng tôi xem xét thứ tự xuất hiện của các tập mờ
bên vế phải trong cùng nhóm quan hệ kể cả các tập mờ lặp lại, sau đó gán các trọng số có tầm quan trọng khác nhau cho các
tập mờ này theo thứ tự xuất hiện. Tức là các quan hệ xuất hiện gần đây hơn thì được gán với trọng số cao hơn. Điều này đã
Nghiêm Văn Tính, Nguyễn Công Điều, Nguyễn Tiến Duy
257
thể hiện rõ sự khác biệt so với các quan hệ mờ được xây dựng trong các công trình trước đây trong [3], [11]. Giả sử có nhóm
quan hệ mờ bậc 1 xuất hiện cùng vế trái là như sau: …; Khi đó, giải mờ dự báo
(3.3)
Trong đó:
là điểm giữ của các khoảng ui1, ui2 và uik tương ứng, mà cấp độ thuộc cao nhất của các tập mờ
Ai1, Ai2 , . .. ,Aik xảy ra tại các khoảng này.
k là các trọng số được xác định theo thứ tự thời gian
Quy tắc 2: Trường hợp nhóm quan hệ mờ bậc cao
Để thiết lập giá trị dự báo cho các nhóm quan hệ mờ phụ thuộc thời gian bậc cao, chúng tôi xem xét thêm thông
tin của các tập mờ xuất hiện bên vế phải của các quan hệ mờ trong cùng nhóm. Cụ thể của quy tắc được tính như sau:
Đối với mỗi nhóm quan hệ mờ bậc cao, chúng tôi chia mỗi khoảng tương ứng với các tập mờ bên vế phải trong
cùng nhóm thành 4 khoảng con có độ dài bằng nhau và giải mờ dự báo cho mỗi nhóm này trong giai đoạn huấn luyện
∑
(3.4)
Trong đó, (1 n, 1 4 )
n là tổng số tập mờ bên vế phải của nhóm;
là điểm giữa của một trong 4 khoảng con (điểm giữa của khoảng con thứ k) tương ứng với tập mờ
thứ j bên vế phải của nhóm quan hệ.
Quy tắc 3: Trường hợp nhóm quan hệ rỗng (Nhóm quan hệ mờ có vế phải chưa xác định tập mờ).
Để tính toán giá trị dự báo cho nhóm quan hệ trong giai đoạn thử nghiệm, chúng tôi sử dụng lược đồ đề xuất
Đối với nhóm quan hệ chưa có mẫu luyện, tức là nhóm quan hệ chưa có tập mờ hóa bên vế phải của quan hệ.
Giả xử xuất hiện nhóm quan hệ mờ bậc như sau:
. Khi đó, lược đồ gắn trọng số cao nhất
đối với tập mờ xuất hiện gần nhất về tương lai và trọng số bằng 1 cho các tập xuất hiện trước đó nằm bên vế trái
(3.5)
Trong đó, là phiếu bầu cử cao nhất (trọng số lớn nhất) được cho trước bởi người dùng. Trong báo cáo này,
để so sánh với các mô hình dự báo trước đây, chúng tôi chọn =15 giống như công trình được công bố trong [11].
, , …, là giá trị điểm giữa của các khoảng , , với ( ).
3.6. Tính giá trị hàm mục tiêu cho mỗi cá thể trong PSO
Mỗi cá thể đạt một giải pháp tối ưu thông qua giá trị hàm mục tiêu MSE (mean square error) or RMSE (root
mean square error) như sau:
∑
(3.6)
(3.7)
∑
R √
Trong đó; giá trị dự báo tại thời điểm id, là giá trị thực tại thời điểm id, n là tổng số dữ liệu tham gia dự
báo, là bậc của quan hệ.
Bước 5: Cập nhật vị trí tốt nhất
của mỗi cá thể và
của quần thể
Trong PSO mỗi cá thể trong quần thể được đặc trưng bởi hai thành phần tốt nhất đó là: Véctơ vị trí tốt nhất của
từng cá thể id = [ , , , …, ] và vị trí tốt nhất trong cả quần thể. Mỗi cá thể id được cập nhật
theo giá trị của hàm mục tiêu MSE (3.6). Nếu giá trị của MSE ở thời điểm hiện tại k nhỏ hơn giá trị MSE ở thời điểm
trước đó k-1 thì
=MSE ( ) và
= min (
)
Bước 6: Cập nhật lại các thành phần của mỗi cá thể trong PSO
258
MÔ HÌNH DỰ BÁO CHUỖI THỜI GIAN MỜ DỰA TRÊN ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ TỐI ƯU BẦY ĐÀN
Bước 7: Kiểm tra điều kiện dừng
Nếu số lượng lần lặp hiện tại còn nhỏ hơn số lần lặp tối đa (k < iter_max) hay (chưa tìm thấy giải pháp tối ưu),
quay lại bước Bước 4. Trái lại đưa ra kết quả dự báo và độ chính xác dự báo của mô hình bằng giá trị MSE.
IV. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Mục này thảo luận về một số kết quả dự báo đạt được từ tập dữ liệu huấn luyện và dữ liệu kiểm thử. Chúng tôi
thực hiện mô hình dự báo bằng việc sử dụng ngôn ngữ lập trình C# trên máy tính Intel Core i7 PC, 8 GB RAM để dự
báo tuyển sinh đại học với bộ dữ liệu về số lượng sinh viên nhập học [3] từ giai đoạn 1971 đến 1992. Các tham số để
Bảng 4.1. Các tham số sử dụng trong mô hình dự báo trên hai tập dữ liêu
Các tham số
Giá trị cho dữ liệu tuyển sinh Đại học
Số lượng cá thể trong quần thể: N =
Số lần lặp tối đa (số thế hệ): iter_max =
Trọng số quán tính ω (Giảm tuyến tính)
Các hệ số tự tin cậy và hệ số xã hội C1 = C2
Miền giới hạn vận tốc của mỗi cá thể: V =
Miền giới hạn vị trí của mỗi cá thể: X =
50
150
0,9 to 0,4
2
[-100,100]
[13000, 20000]
Để đánh giá hiệu quả của mô hình đề xuất dựa trên chuỗi thời gian mờ bậc 1 với số lượng khoảng chia bằng 7,
các mô hình trong các công trình sau được lựa chọn cho việc so sánh: mô hình [28], mô hình [29], mô hình của Wei Lu
[30], mô hình [26] và mô hình [25]. Từ các tham số thiết lập cho dữ liệu tuyển sinh trong Bảng 4.1, mô hình đề xuất
thực hiện 20 lần chạy, kết quả của lần chạy có giá trị MSE (3.6) hoặc RMSE (3.7) nhỏ nhất được chọn là giá trị dự báo
cuối cùng. Hiệu quả của mô hình dự báo đề xuất được so sánh với các mô hình trước đây chỉ ra trong Bảng 4.2. Trong
đó, cột thứ 1, cột thứ 2 và cột thứ 3 thể hiện dữ liệu năm dự báo, dữ liệu tuyển sinh, các tập mờ biểu diễn dữ liệu tuyển
sinh. Các cột còn lại là kết quả dự báo tương ứng với các mô hình được chọn để so sánh trong giai đoạn huấn luyện.
Bảng 4.2. So sánh mô hình đề xuất với các mô hình khác dựa trên chuôi thời gian bậc 1 với 7 khoảng chia
Dữ liệu
thực
Mô hình
Mô hình
Mô hình
Mô hình
Mô hình
Mô hình đề
xuất
Tập mờ
Năm
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
RMSE
MSE
A1
A1
A1
A2
A3
A3
A4
A4
A6
A6
A5
A3
A3
A2
A2
A5
A6
A7
A7
A7
A7
A7
N/A
-
-
-
-
-
-
13563
13867
14696
15460
15311
15603
15861
16807
16919
16388
15433
15497
15145
15163
15984
16859
18150
18970
19328
19337
18876
N/A
13486
14156
15215
15906
15906
15906
15906
16559
16559
16559
16559
15906
15906
15906
15906
16559
16559
19451
18808
18808
18808
13944
13944
13944
15328
15753
15753
15753
16279
17270
17270
16279
15753
15753
15753
15753
16279
17270
19466
18933
18933
18933
14279
14279
14279
15392
15392
15392
16467
16467
17161
17161
14916
15392
15392
15392
15470
16467
17161
19257
19257
19257
19257
13820
13820
13820
15402
15536
15536
16461
16461
17444
17444
15402
15536
15536
15536
15536
16461
17444
19135
19135
19135
19135
13865
14082
14514
15391
15219
15219
16219
16625
16951
16439
15219
15219
15219
16219
15812
17439
19165
19165
19165
19165
15219
13848
13848
14426
15420
15420
15644
15757
16765
17270
16548
15420
15532
15321
15142
15664
16653
17811
19075
19075
19075
19075
19170
196.1
38422.7
578.3
334430.9
506
256036
445.2
198203
441.3
194745.7
210.9
44507
Thêm nữa, mô hình đề xuất được so sánh với các mô hình trước đây dựa trên chuỗi thời gian mờ bậc 1 với số
lượng khoảng chia là 14 khoảng. Các mô hình sau được lựa chọn cho việc so sánh là: C96 [3], H01[5], CC06a [8],
HPSO [11], AFPSO [12], VGPSO [14], Wei Lu [30]. Từ các kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình dự báo đề xuất
hiệu quả hơn so với các mô hình trước đây dựa trên chuỗi thời gian mờ bậc 1. Cụ thể với số khoảng chia bằng 7 mô
Nghiêm Văn Tính, Nguyễn Công Điều, Nguyễn Tiến Duy
259
hình đề xuất đưa ra sai số dự báo (MSE =38422.7) nhỏ nhất trong số mô hình đưa ra so sánh trong Bảng 4.2, trong
Bảng 4.3 với số khoảng chia bằng 14 đưa ra sai số dự báo (MSE = 5249.9) cũng tốt hơn các mô hình hiện có trong
bảng.
Bảng 4.3. So sánh mô hình đề xuất với các mô hình khác dựa trên chuỗi thời gian bậc 1 với 14 khoảng chia
Năm
1971
1972
1973
----
Dữ liệu thực
13055
13563
13867
----
C96
---
H01
---
CC06a
---
HPSO
---
Wei Lu
---
AFPSO
---
VGPSO MH đề xuất
---
---
14000
14000
----
14000
14000
----
13714
13714
----
13555
13994
----
13512
13998
-----
13579
13812
----
13434
13841
----
13433
13851
----
1990
1991
1992
MSE
19328
19337
18876
19000
19000
19000
407507
19000
19500
19149
226611
19300
19149
19014
35324
19340
19340
19014
22965
19241
19666
18718
14534
19418
19260
19031
8224
19340
19340
18820
7475
19486
19486
18869
5249.9
Hơn thế, trong bài báo này chúng tôi thực hiện mô hình dự báo dựa trên quan hệ mờ bậc cao từ bậc 2 đến bậc 9
với số khoảng chia được cố định là 7 khoảng. Kết quả dự báo dựa trên mô hình chuỗi thời gian mờ bậc cao được thể
hiện trong Bảng 4.4 sau đây. Quan sát Bảng 4.4 cho thấy mô hình dự báo đề xuất càng hiệu quả khi bậc của quan hệ
mờ tăng lên theo sự tăng số lượng quan sát của chuỗi thời gian.
Bảng 4.4. Kết quả dự báo của của mô hình đề xuất dựa trên chuỗi thời gian mờ bậc cao với số khoảng chia bằng 7
Năm
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
----
Giá trị thực
13867
14696
15460
15311
15603
15861
16807
16919
16388
----
Bậc 2
13874
14678
15488
15310
15595
15906
16724
17066
16390
----
Bậc 3
Bậc 4
Bậc 5
Bậc 6
Bậc 7
Bậc 8
Bậc 9
14694
15457
15333
15580
15852
16814
16951
16381
----
15468
15311
15591
15852
16829
16926
16387
----
15310
15606
15856
16862
16862
16394
----
15612
15851
16798
16927
16396
----
15873
16863
16863
16386
----
16830
16919
16394
----
16886
16388
----
1991
1992
MSE
19337
18876
19298
18958
19356
18927
19354
18924
19331
18878
19358
18930
19329
18879
19356
18873
19326
18847
8802.55
774.05
550.17
526.29
554.94
603.37
396.29
491
Để xác minh tính hiệu quả của mô hình dự báo đề xuất dựa trên chuỗi thời gian mờ bậc cao, bốn mô hình liệt kê
trong Bảng 4.5 được lựa chọn cho việc so sánh: Trong Bảng 4.5 mô hình CC06b [9] sử dụng giải thuật di truyền để tối
ưu khoảng, các mô hình HPSO [11], AFPSO [12], VGPSO [14] và mô hình đề xuất đều sử dụng PSO để chia khoảng.
Nhưng điểm khác biệt chính giữa các mô hình cùng sử dụng PSO là kỹ thuật giải mờ đầu ra và cách nhóm quan hệ mờ.
Ngoài việc sử dụng PSO để tìm khoảng chia phù hợp, mô hình đề xuất được kết hợp thêm ĐSGT để chia các khoảng
ban đầu có độ dài khác nhau thay vì các khoảng có độ dài bằng nhau. Từ kết quả so sánh về độ chính xác dự báo MSE
(3.6) liệt kê trong Bảng 4.5 cho thấy mô hình đề xuất đưa ra độ chính xác dự báo với giá trị MSE nhỏ hơn so với các
mô hình được chọn để so sánh dựa trên quan hệ mờ bậc cao (từ bậc 2 đến bậc 9) với cùng số khoảng chia bằng 7. Đặc
biệt mô hình đề xuất đưa sai số dự báo tốt nhất thông qua giá trị (MSE = 396.29) trong trường hợp quan hệ mờ bậc 8.
Điều đó, chứng tỏ rằng mô hình dự báo đề xuất hiệu quả hơn so với mô hình dự báo trước đây khi thử nghiệm trên tập
dữ liệu tuyển sinh Đại học Alabama. Để trực quan hơn, thiên hướng dự báo của mô hình đề xuất với các mô hình trước
Bảng 4.5. So sánh độ chính xác dự báo MSE giữa mô hình đề xuất và các mô hình C02, CC06b, HPSO, AFPSO dựa trên các bậc
khác nhau và số khoảng chia bằng 7
Mô hình
Số bậc của quan hệ
Average
95867.63
31377.5
28121.38
20261.38
22183
2
3
4
5
6
7
8
9
C02 [4]
89093
67834
67123
19594
19868
8802.55
86694
31123
31644
31189
31307
774.05
89376
32009
23271
20155
23288
550.17
94539
24984
23534
20366
23552
526.29
98215
26980
23671
22276
23684
554.94
104056
26969
20651
18482
20669
603.37
102179
22387
17106
14778
17116
396.36
102789
18734
17971
15251
17987
491
CC06b [9]
HPSO [11]
AFPSO [12]
VGPSO [14]
MH đề xuất
1587.34
260
MÔ HÌNH DỰ BÁO CHUỖI THỜI GIAN MỜ DỰA TRÊN ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ TỐI ƯU BẦY ĐÀN
Hình 4.1. Xu thế dự báo của mô hình đề xuất so với các mô hình trước đây dựa trên các quan hệ mờ bậc cao với 7 khoảng chia
V. KẾT LUẬN
Nghiên cứu này, chúng tôi đưa ra mô hình dự báo chuỗi thời gian mờ kết hợp giữa đại số gia tử và kỹ thuật tối ưu
bầy đàn. Mô hình đề xuất đã đề cập đến ba vấn đề được xem là quan trọng và ảnh hưởng lớn đến độ chính xác dự báo, là
vấn đề xác định khoảng chia từ tập nền, cách thiết lập nhóm quan hệ mờ và các quy tắc giải mờ dự báo đầu ra. Để khắc
phục những hạn chế của các mô hình chuỗi thời gian mờ cùng sử dụng nhóm quan hệ mờ, mô hình đề xuất sử dụng khái
niệm nhóm quan hệ mờ phụ thuộc thời gian và được chứng minh là hiệu quả và phù hợp với điều kiện thực tế hơn. Thêm
nữa, kỹ thuật tối ưu PSO được áp dụng trong việc tìm khoảng chia tối ưu từ tập nền nhằm nâng cao độ chính xác dự báo
của mô hình. Trong số các kỹ thuật khai phá và tự tìm giải pháp tối ưu, PSO được xem là thực hiện tốt hơn với các kỹ
thuật heuristic khác về tỷ lệ thành công cũng như chất lượng giải pháp. Bằng việc kết hợp giữa ĐSGT và kỹ thuật tối ưu
PSO, hiệu quả dự báo của mô hình đề xuất được cải thiện một cách đáng kể. Từ việc thử nghiệm trên tập dữ liệu về tuyển
sinh đại học của Trường Đại học Alabama, kết quả dự báo cho thấy mô hình đề xuất vợt trội hơn so với các mô hình trước
đây dựa trên chuỗi thời gian mờ bậc một và bậc cao. Chi tiết cho sự so sánh được thể hiện trên các Bảng 4.2 - 4.5. Tuy
nhiên mô hình dự báo hiện tại chỉ được áp dụng đối với chuỗi thời gian mờ một nhân tố. Kỳ vọng trong thời gian tới, mô
hình đề xuất sẽ được mở rộng và phát triển trên các tập dữ liệu có nhiều nhân tố hơn.
VI. REFERENCES
[1] Song, Q., Chissom, B. S., 1993b.. Fuzzy time series and its models. Fuzzy Sets and Systems, vol.54, no.3, 269-277.
[2] Q. Song, B. S. Chissom. “Forecasting Enrollments with Fuzzy Time Series - Part I”. Fuzzy set and systems, vol.
54, pp.1-9. 1993b.
[3] S. M. Chen. “Forecasting Enrollments based on Fuzzy Time Series”. Fuzzy set and systems, vol. 81, pp. 311-319.
1996.
[4] S. M. Chen. “Forecasting Enrollments based on hight-order Fuzzy Time Series”. Int. Journal: Cybernetic and
Systems, N.33, pp. 1-16, 2002.
[5] Huarng K. “Effective lengths of intervals to improve forecasting in fuzzy time series”. Fuzzy Sets and Systems,
123, (2001b), 387-394.
[6] Lee, L. W. et al.. Handling forecasting problems based on two-factors high-order fuzzy time series. IEEE
Transactions on Fuzzy Systems, 14, 468-477, 2006.
[7] S. M. Chen, K Tanuwijaya. “Fuzzy forecasting based on high- order fuzzy logical relationships and automatic
clustering techniques”. Expert Systems with Applications. 38, 15425-15437, 2011.
[8] Chen S. M., & Chung N. Y. “Forecasting enrollments of students by using fuzzy time series and genetic
algorithms”. International Journal of Information and Management Sciences, 17, 1-17, 2006a.
[9] Chen S. M., Chung N. Y. Forecasting enrollments using high-order fuzzy time series and genetic algorithms.
International of Intelligent Systems 21, 485-501, 2006b.
[10] Lee L. W. Wang L. H., & Chen, S. M.. “Temperature prediction and TAIFEX forecasting based on hight order
fuzzy logical ralationship and genetic simulated annealing techniques”. Expert Systems with Applications, 34,
328-336, 2008.
[11] I. H. Kuo, et al.. “An improved method for forecasting enrollments based on fuzzy time series and particle swarm
optimization”. Expert systems with applications, 36, 6108-6117, 2009.
Nghiêm Văn Tính, Nguyễn Công Điều, Nguyễn Tiến Duy
261
[12] Huang Y. L. et al.. A hybrid forecasting model for enrollments based on aggregated fuzzy time series and particle
swarm optimization. Expert Systems with Applications, 38, 8014-8023, 2011
[13] Ling-Yuan Hsu et al.. Temperature prediction and TAIFEX forecasting based on fuzzy relationships and MTPSO
techniques, Expert Syst. Appl.37, 2756-2770, 2010.
[14] Nguyen Cong Dieu, Nghiem Van Tinh. Fuzzy time series forecasting based on time-depending fuzzy relationship
groups and particle swarm optimization, In: Proceedings of the 9th National conference on Fundamental and
Applied Information Technology Research (FAIR’9), pp.125-133, 2016
[15] Park J. I., Lee D. J., Song C. K., Chun M. G.. TAIFEX and KOSPI 200 forecasting based on two-factors high-
order fuzzy time series and particle swarm optimization, Expert Systems with Applications 37, 959-967, 2010.
[16] Chen, S. M, Bui Dang H. P.. Fuzzy time series forecasting based on optimal partitions of intervals and optimal
weighting véctơs. Knowledge-Based Systems 118, 204-216, 2017.
[17] Chen S. M., Jian W. S.. Fuzzy forecasting based on two-factors second-order fuzzy-trend logical relationship
groups, similarity measures and PSO techniques. Information Sciences 391-392, 65-79, 2017.
[18] M. Bose, K. Mali. A novel data partitioning and rule selection technique for modelling high-order fuzzy time
[19] Tian Z. H., Wang P., He T. Y.. Fuzzy time series based on K-means and particle swarm optimization algorithm. Man-
Machine-Environement System Engineering. Lecture Note in Electrical Enginearing 406, 181-189, Springer 2016.
[20] Zhiqiang Zhang, Qiong Zhu. “Fuzzy time series forecasting based on k-means clustering”. Open Journal of
Applied Sciences, 2,100-103, 2012.
[21] Nghiem Van Tinh & Nguyen Cong Dieu. Improving the forecasted accuracy of model based on fuzzy time series
and k-means clustering. Journal of science and technology: issue on information and communications technology,
No.2, 51-60, 2017
[22] Bulut E., Duru O., & Yoshida, S. A.. Fuzzy time series forecasting model formulti-variate forecasting analysis
with fuzzy c-means clustering. WorldAcademy of Science, Engineering and Technology, 63, 765-771, 2012.
[23] S. Askari, N. Montazerin. A high-order multi-variable. Fuzzy Time Series forecasting algorithm based on fuzzy
clustering, Expert Systems with Applications ,42, 2121-2135, 2015.
[24] Ho N. C.,Wechler W..“Hedge algebra: An algebraic approach to structures of sets of linguistic truth values”,
fuzzy Sets and Systems, 35, pp. 281-293, 1990.
[25] Nguyễn Cát Hồ, Nguyễn Công Điều, Vũ Như Lân. “Ứng dụng đại số gia tử trong dự báo chuỗi thời gian mờ”.
Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Vol 54, No.2, 2016.
[26] Hoang Tung, Nguyen Dinh Thuan, Vu Minh Loc. The partitioning method based on hedge algebras for fuzzy
time series forecasting, Journal of Science and Technology, 54 (5), 571-583, 2016.
[27] Kennedy J., & Eberhart R.. Particle swarm optimization. Proceedings of IEEE international Conference on
Neural Network, 1942-1948, 1995.
[28] Lizhu Wang, Xiaodong Liu, Witold Pedrycz. “Effective intervals determined by information granules to improve
forecasting in fuzzy time series”. Expert Systems withApplications, vol.40, pp.5673-5679, 2013.
[29] Lizhu Wang et al. “Determination of temporal information granules to improve forecasting in fuzzy time series”.
Expert Systems with Applications, vol.41, pp.3134-3142, 2014
[30] Wei Lu et al.. “Using interval information granules to improve forecasting in fuzzy time series”. International
Journal of Approximate Reasoning, vol.57, pp.1-18, 2015.
A FUZZY TIME SERIES FORECASTING MODEL BASED ON THE HEDGE ALGEBRAS
AND PARTICLE SWARM OPTIMIZATION
Nghiem Van Tinh, Nguyen Cong Dieu, Nguyen Tien Duy
ABSTRACT: In recent years, many forecasting models based on fuzzy time series that have been proposed for the analysis of time
series. In the forecasting model, the main factors that may affect the forecasted accuracy of model are partitioning the universe of
discourse and determining fuzzy logical relationship groups. In this paper, we propose a new fuzzy time series forecasting model
based on hedge algebra (HA) and particle swarm optimization (PSO). In that, HA is used as a tool to partition the universe of
discourse into intervals with unequal length corresponding to the semantic intervals that calculated from the linguistic terms. After
processing of generating the interval, the observation data of time are represented by fuzzy sets and use them to establish fuzzy logic
relationship groups. Finally, the proposed model is combined with the PSO technique to find the appropriate divisor to increase the
forecasting probability. Finally, the proposed model combined with the PSO technique to find the proper length of each interval for
increasing forecast accuracy. Evaluating the performance of the proposed model based on historical data of enrolments at the
University of Alabama. The experimental results show that the proposed model the achieves good forecasting results compared to
other existing forecasting models based on the first - order and high-order fuzzy time series.
11 trang
16280
Free
Bạn đang xem tài liệu "Mô hình dự báo chuỗi thời gian mờ dựa trên đại số gia tử và tối ưu bầy đàn", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- mo_hinh_du_bao_chuoi_thoi_gian_mo_dua_tren_dai_so_gia_tu_va.pdf
