Neuro-neighborhood models as a new class of hierarchical dynamic neighborhood models

Abstract


The article presents the main features of modeling complex distributed processes, reflects the relevance of the research and the importance of modeling such processes. The development of the neighborhood approach and the works of domestic and foreign authors who have made a significant contribution to the development of mathematical modeling of complex dynamic systems are considered. The types of neighborhood models are presented and the position of the new direction of hierarchical dynamic neuro-neighborhood models in the class of neighborhood models is reflected. The advantages of developing this approach are presented, namely, improving the interpretability of the model while simultaneously ensuring sufficient accuracy with generalization ability and resistance to noise. The main stages of construction are highlighted and the areas of application of hierarchical dynamic neuro-neighborhood models are presented. There are 3 ways of representing their structure: graphical, set-theoretic and matrix. The graphical presentation method is based on graphs divided into two layers, which describe the connections between nodes by transitions and outputs, respectively. The diagrams of layers and the general diagram of the node of the model under study are shown according to transitions and outputs. The set-theoretic method describes the model in the form of sets of nodes and hierarchical neighborhood connections between them. The matrix method allows you to present the model in the form of adjacency matrices for transitions and outputs by state and by external influences, respectively. A detailed description of hierarchical dynamic neuro-neighborhood models and neural networks in nodes is provided. The identification algorithm of the developed approach is described, and a diagram of the identification algorithm is shown. An example is given of constructing a hierarchical dynamic neuro-neighborhood model for predicting the total energy consumption of household appliances in a house, taking into account heating and weather conditions in the implemented Python program with automatic selection of optimal model parameters. A description of the source data taken from the Kaggle website is provided. The data was prepared, on the basis of which the resulting model was trained and tested. A diagram of a hierarchical dynamic neuro-neighborhood model of the predicted process is shown. Conclusions are drawn from the research done.

Full Text

3

About the authors

I. A Sedykh

Lipetsk State Technical University

V. A Istomin

Lipetsk State Technical University

References

  1. Голубева, Н.В. Математическое моделирование систем и процессов: учеб. пособие / Н.В. Голубева. – СПб.: Лань, 2016. – 192 c.
  2. Дворецкий, С.И. Моделирование систем: учебник / С.И. Дворецкий. – М.: Академия, 2019. – 304 c.
  3. Яглом, И.М. Математические структуры и математическое моделирование / И.М. Яглом. – М.: Ленанд, 2018. – 144 c.
  4. Федоткин, И.М. Математическое моделирование технологических процессов / И.М. Федоткин. – М.: КД Либроком, 2018. – 416 c.
  5. Жирков, А.М. Математическое моделирование систем и процессов: учебное пособие / А.М. Жирков, Г.М. Подопригора, М.Р. Цуцунава. – СПб.: Лань КПТ, 2016. – 192 c.
  6. Юмагулов, М.Г. Введение в теорию динамических систем: учебное пособие / М.Г. Юмагулов. – М.: Лань, 2015. – 272 c.
  7. Решмин, Б.И. Имитационное моделирование и системы управления / Б.И. Решмин. – Вологда: Инфра-Инженерия, 2016. – 74 c.
  8. Блюмин С.Л. Окрестностные системы / С.Л. Блюмин, А.М. Шмырин // Липец. эколого-гуманитар. ин-т. – Липецк: Липец. эколого-гуманитар. ин-т, 2005. – 131 с.
  9. Shang, Y. Multi-agent coordination in directed moving neighborhood random networks / Y. Shang. – Text: electronic // Chinese Physics B. – 2010. – Vol. 19, no. 7. – Article ID 070201.
  10. Томилин, А.А. Использование окрестностно-временного моделирования в задачах формирования организационных структур / А.А. Томилин // Управление большими системами. – 2007. – Вып. 18. – С. 91–106.
  11. Shmyrin, A. A measure of the non-determinacy of a dynamic neighborhood model / A. Shmyrin, I. Sedykh // Systems. – 2017. – Vol. 5, no. 4. – P. 49. doi: 10.3390/systems5040049
  12. Осовский, С. Нейронные сети для обработки информации: пер. с польского / С. Осовский. – М.: Финансы и статистика, 2002.
  13. Редько, В.Г. Эволюция, нейронные сети, интеллект: модели и концепции эволюционной кибернетики / В.Г. Редько. – М.: Ленанд, 2019. – 224 c.
  14. Хайкин, С. Нейронные сети: полный курс / С. Хайкин. – М.: Диалектика, 2019. – 1104 c.
  15. Sedykh, I. Introducing dynamic neighborhood models into the educational process / I. Sedykh, V. Istomin // Proceedings – 2021 1st International Conference on Technology Enhanced Learning in Higher Education, TELE 2021 : 1, Lipetsk, 24–25 июня 2021 года. – Lipetsk, 2021. – P. 171–175. doi: 10.1109/TELE52840.2021.9482496
  16. Седых И.А. Реализация программы идентификации иерархических динамических нейро-окрестностных моделей / И.А. Седых, В.А. Истомин // Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики : сборник трудов Международной научной конференции, Воронеж, 12–14 декабря 2022 года / Воронежский государственный университет. – Воронеж: Научно-исследовательские публикации, 2023. – С. 614–620.
  17. Седых, И.А. Пример идентификации иерархических динамических нейро-окрестностных моделей с переменными окрестностями / И.А. Седых, В. А. Истомин // Автоматизация процессов управления. – 2023. – № 2(72). – С. 63–70. doi: 10.35752/1991-2927_2023_2_72_63
  18. Sedykh, I. Selection of Optimal Parameters of a Hierarchical Dynamic Neuro-neighborhood Model / I. Sedykh, V. Istomin // 2023 5th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). – Lipetsk, Russian Federation. – 2023. – P. 255–257. doi: 10.1109/SUMMA60232.2023.10349470
  19. Доусен, М. Программируем на Python (Python Programming for the Absolute Beginner) / М. Доусен // СПб.: Питер, 2016. – 416 с. (Серия «Бестселлеры O'Reilly»).
  20. К., Рейтц Автостопом по Python / К. Рейтц, Т. Шлюссер. – СПб.: Питер, 2017. – 336 с. (Серия «Бестселлеры O’Reilly»).
  21. Шелудько, В.М. Язык программирования высокого уровня Python. Функции, структуры данных, дополнительные модули: учебное пособие / В.М. Шелудько. – Ростов-на-Дону, Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2017. – 107 c.
  22. Сервис Kaggle [Электронный ресурс] / Appliances Energy Prediction. – URL: https://www.kaggle.com/datasets/loveall/appliances-energy-prediction/data (дата обращения: 04.03.2024).

Statistics

Views

Abstract - 3

PDF (Russian) - 1

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies