Redes neurais não-supervisionadas temporais para identificação e controle de sistemas dinâmicos - Barreto, Guilherme de Alencar (2003)
A pesquisa em redes neurais artificiais (RNAs) está atualmente experimentando um crescente interesse por modelos que utilizem a variável tempo como um grau de liberdade extra a ser explorado nas representações neurais. Esta ênfase na codificação temporal (temporal coding) tem provocado debates inflamados nas neurociências e áreas correlatas, mas nos últimos anos o surgimento de um grande volume de dados comportamentais e fisiológicos vêm dando suporte ao papel-chave desempenhado por este tipo de representação no cérebro [BALLARD et al. (1998)]. Contribuições ao estudo da representação temporal em redes neurais vêm sendo observadas nos mais diversos tópicos de pesquisa, tais como sistemas dinâmicos não-lineares, redes oscilatórias, redes caóticas, redes com neurônios pulsantes e redes acopladas por pulsos. Como conseqüência, várias tarefas de processamento da informação têm sido investigada via codificação temporal, a saber: classificação de padrões, aprendizagem, memória associativa, controle sensório-motor, identificação de sistemas dinâmicos e robótica. Freqüentemente, porém, não fica muito claro até que ponto a modelagem dos aspectos temporais de uma tarefa contribui para aumentar a capacidade de processamento da informação de modelos neurais. Esta tese busca apresentar, de uma maneira clara e abrangente, os principais conceitos e resultados referentes à proposição de dois modelos de redes neurais não-supervisionadas (RNATs), e como estas lançam mão da codificação temporal para desempenhar melhor a tarefa que lhes é confiada. O primeiro modelo, chamado rede competitiva Hebbiana temporal (competitive temporal Hebbian - CTH), é aplicado especificamente em tarefas de aprendizagem e reprodução de trajetórias do robô manipulador PUMA 560. A rede CTH é uma rede neural competitiva cuja a principal característica é o aprendizado rápido, em apenas uma época de treinamento, de várias trajetórias complexas contendo ) elementos repetidos. As relações temporais da tarefa, representadas pela ordem temporal da trajetória, são capturadas por pesos laterais treinados via aprendizagem hebbiana. As propriedades computacionais da rede CTH são avaliadas através de simulações, bem como através da implementação de um sistema de controle distribuído para o robô PUMA 560 real. O desempenho da rede CTH é superior ao de métodos tabulares (look-up table) tradicionais de aprendizagem de trajetórias robóticas e ao de outras técnicas baseadas em redes neurais, tais como redes recorrentes supervisionadas e modelos de memória associativa bidirecional (BAM). O segundo modelo, chamado rede Auto-Organizável NARX (Self-Organizing NARX-SONARX), é baseado no conhecido algoritmo SOM, proposto por KOHONEN (1997). Do ponto de vista computacional, as propriedades de rede SONARX são avaliadas em diferentes domínios de aplicação, tais como predição de séries temporais caóticas, identificação de um atuador hidráulico e no controle preditivo de uma planta não-linear. Do ponto de vista teórico, demonstra-se que a rede SONARX pode ser utilizada como aproximador assintótico de mapeamentos dinâmicos não-lineares, graças a uma nova técnica de modelagem neural, chamada Memória Associativa Temporal via Quantização Vetorial (MATQV). A MATQV, assim como a aprendizagem hebbiana da rede CTH, é uma técnica de aprendizado associativo temporal. A rede SONARX é comparada com modelos NARX supervisionados, implementados a partir das redes MLP e RBF. Em todos os testes realizados para cada uma das tarefas citadas no parágrafo anterior, a rede SONARX tem desempenho similar ou melhor do que o apresentado por modelos supervisionados tradicionais, com um custo computacional consideravelmente menor. A rede SONARX é também comparada com a rede CTH na parendizagem de trajetórias robóticas complexas, com o intuito de destacar as principais diferenças entre os dois ) tipos de aprendizado associativo. Esta tese também propõe uma taxonomia matemática, baseada na representação por espaço de estados da teoria de sistemas, que visa classificar redes neurais não-supervisionadas temporais com ênfase em suas propriedades computacionais. Esta taxonomia tem como principal objetivo unificar a descrição de modelos neurais dinâmicos, facilitando a análise e a comparação entre diferentes arquiteturas, contrastando suas características representacionais e operacionais. Como exemplo, as redes CTH e a SONARX serão descritas usando a taxonomia proposta.