Echo State Networks (ESN) are a type of Recurrent Neural Networks that yields promising results in representing time series and nonlinear dynamic systems. Although they are equipped with a very efficient training procedure, Reservoir Computing strategies, such as the ESN, require the use of high order networks, i.e. large number of layers, resulting in number of states that is magnitudes higher than the number of model inputs and outputs. This not only makes the computation of a time step more costly, but also may pose robustness issues when applying ESNs to problems such as Model Predictive Control (MPC) and other optimal control problems. One such way to circumvent this is through Model Order Reduction strategies such as the Proper Orthogonal Decomposition (POD) and its variants (POD-DEIM), whereby we find an equivalent lower order representation to an already trained high dimension ESN. The objective of this work is to investigate and analyze the performance of POD methods in Echo State Networks, evaluating their effectiveness. To this end, we evaluate the Memory Capacity (MC) of the POD-reduced network in comparison to the original (full order) ENS. We also perform experiments on two different numerical case studies: a NARMA10 difference equation and an oil platform containing two wells and one riser. The results show that there is little loss of performance comparing the original ESN to a POD-reduced counterpart, and also that the performance of a POD-reduced ESN tend to be superior to a normal ESN of the same size. Also we attain speedups of around $80\%$ in comparison to the original ESN.


翻译:同步状态网络(ESN)是一种经常性的神经网络,在代表时间序列和非线性动态系统方面产生有希望的结果。尽管它们配备了非常高效的培训程序,但ERSN等快速电子计算战略要求使用高排序网络,即大量层,从而导致数量比模型投入和产出数量高得多的状态。这不仅使得计算一个时间步骤的成本更高,而且在对模型预测控制(MPC)和其他最佳控制问题等问题适用ERSN时,也可能造成稳健问题。绕过这一点的一个办法是,通过像适当的Orthogonal分解(POD)及其变异(POD-DEIM)等模式的减少秩序战略,我们发现一个与已经受过培训的低级高度 ESNE。 这项工作的目的是调查和分析回声国家网络中POD方法的性能,评估其有效性。为此,我们还评估了PRD-降低的网络的记忆能力,以比对等的正常状态战略,例如适当的ODD(PM)及其变异式 ENAM。我们还要进行两个数字的测试。

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