Um Método para Design e Treinamento de Reservoir Computing Aplicado à Previsão de Séries Temporais

Abstract

Reservoir Computing é um tipo de rede neural recorrente que permite uma modelagem caixa-preta para sistemas dinâmicos (não-lineares). Em contraste com outras abordagens de redes neurais recorrentes, com Reservoir Computing não existe a necessidade de treinamento dos pesos da camada de entrada e nem dos pesos internos da rede (reservoir), apenas os pesos da camada de saída (readout) são treinados. No entanto, é necessário ajustar os parâmetros e a topologia da rede para a criação de um reservoir ótimo que seja adequado a uma determinada aplicação. Neste trabalho, foi criado um método, chamado RCDESIGN, para encontrar o melhor reservoir aplicado à tarefa de previsão de séries temporais. O método desenvolvido combina um algoritmo evolucionário com Reservoir Computing e busca simultaneamente pelos melhores valores dos parâmetros, da topologia da rede e dos pesos, sem reescalar a matriz de pesos do reservoir pelo raio espectral. A ideia do ajuste do raio espectral dentro de um círculo unitário no plano complexo, vem da teoria dos sistemas lineares que mostra claramente que a estabilidade é necessária para a obtenção de respostas úteis em sistemas lineares. Contudo, este argumento não se aplica necessariamente aos sistemas não-lineares, que é o caso de Reservoir Computing. O método criado considera também o Reservoir Computing em toda a sua não linearidade, pois permite a utilização de todas as suas possíveis conexões, em vez de usar apenas as conexões obrigatórias. Os resultados obtidos com o método proposto são comparados com dois métodos diferentes. O primeiro, chamado neste trabalho de Busca RS, utiliza algoritmo genético para otimizar os principais parâmetros de Reservoir Computing, que são: tamanho do reservoir, raio espectral e densidade de conexão. O segundo, chamado neste trabalho de Busca TR, utiliza algoritmo genético para otimizar a topologia e pesos de Reservoir Computing baseado no raio espectral. Foram utilizadas sete séries clássicas para realizar a validação acadêmica da aplicação do método proposto à tarefa de previsão de séries temporais. Um estudo de caso foi desenvolvido para verificar a adequação do método proposto ao problema de previsão da velocidade horária dos ventos na região nordeste do Brasil. A geração eólica é uma das fontes renováveis de energia com o menor custo de produção e com a maior quantidade de recursos disponíveis. Dessa forma, a utilização de modelos eficientes de previsão da velocidade dos ventos e da geração eólica pode reduzir as dificuldades de operação de um sistema elétrico composto por fontes tradicionais de energia e pela fonte eólica