Data uncertainty is inherent in many real-world applications and poses significant challenges for accurate time series predictions. The interval type 2 fuzzy neural network (IT2FNN) has shown exceptional performance in uncertainty modelling for single-step prediction tasks. However, extending it for multi-step ahead predictions introduces further issues in uncertainty handling as well as model interpretability and accuracy. To address these issues, this paper proposes a new selforganizing interval type-2 fuzzy neural network with multiple outputs (SOIT2FNN-MO). Differing from the traditional six-layer IT2FNN, a nine-layer network architecture is developed. First, a new co-antecedent layer and a modified consequent layer are devised to improve the interpretability of the fuzzy model for multi-step time series prediction problems. Second, a new link layer is created to improve the accuracy by building temporal connections between multi-step predictions. Third, a new transformation layer is designed to address the problem of the vanishing rule strength caused by high-dimensional inputs. Furthermore, a two-stage, self-organizing learning mechanism is developed to automatically extract fuzzy rules from data and optimize network parameters. Experimental results on chaotic and microgrid prediction problems demonstrate that SOIT2FNN-MO outperforms state-of-the-art methods, by achieving a better accuracy ranging from 1.6% to 30% depending on the level of noises in data. Additionally, the proposed model is more interpretable, offering deeper insights into the prediction process.


翻译:数据不确定性普遍存在于众多现实应用中,并对精确的时间序列预测构成重大挑战。区间二型模糊神经网络(IT2FNN)在单步预测任务的不确定性建模中已展现出卓越性能。然而,将其扩展至多步超前预测时,在不确定性处理、模型可解释性及准确性方面引入了进一步的问题。为解决这些问题,本文提出了一种新型的、具有多输出的自组织区间二型模糊神经网络(SOIT2FNN-MO)。有别于传统的六层IT2FNN,本文构建了一个九层的网络架构。首先,设计了一个新的协同前件层和一个修正的后件层,以提高模糊模型在多步时间序列预测问题中的可解释性。其次,创建了一个新的连接层,通过在多步预测之间建立时序关联来提升准确性。第三,设计了一个新的变换层,以解决由高维输入引起的规则强度消失问题。此外,开发了一种两阶段的自组织学习机制,能够自动从数据中提取模糊规则并优化网络参数。在混沌系统和微电网预测问题上的实验结果表明,SOIT2FNN-MO优于现有先进方法,其准确性提升幅度在1.6%至30%之间,具体取决于数据中的噪声水平。此外,所提出的模型更具可解释性,为预测过程提供了更深入的洞见。

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