A connectionist approach for incremental function approximation and on-line tasks

Abstract

Este trabalho propõe uma nova abordagem conexionista, chamada de IGMN (do inglês Incremental Gaussian Mixture Network), para aproximação incremental de funções e tarefas de tempo real. Ela é inspirada em recentes teorias do cérebro, especialmente o MPF (do inglês Memory-Prediction Framework) e a Inteligência Artificial Construtivista, que fazem com que o modelo proposto possua características especiais que não estão presentes na maioria dos modelos de redes neurais existentes. Além disso, IGMN é baseado em sólidos princípios estatísticos (modelos de mistura gaussianos) e assintoticamente converge para a superfície de regressão ótima a medida que os dados de treinamento chegam. As principais vantagens do IGMN em relação a outros modelos de redes neurais são: (i) IGMN aprende instantaneamente analisando cada padrão de treinamento apenas uma vez (cada dado pode ser imediatamente utilizado e descartado); (ii) o modelo proposto produz estimativas razoáveis baseado em poucos dados de treinamento; (iii) IGMN aprende de forma contínua e perpétua a medida que novos dados de treinamento chegam (não existem fases separadas de treinamento e utilização); (iv) o modelo proposto resolve o dilema da estabilidade-plasticidade e não sofre de interferência catastrófica; (v) a topologia da rede neural é definida automaticamente e de forma incremental (novas unidades são adicionadas sempre que necessário); (vi) IGMN não é sensível às condições de inicialização (de fato IGMN não utiliza nenhuma decisão e/ou inicialização aleatória); (vii) a mesma rede neural IGMN pode ser utilizada em problemas diretos e inversos (o fluxo de informações é bidirecional) mesmo em regiões onde a função alvo tem múltiplas soluções; e (viii) IGMN fornece o nível de confiança de suas estimativas. Outra contribuição relevante desta tese é o uso do IGMN em importantes tarefas nas áreas de robótica e aprendizado de máquina, como por exemplo a identificação de modelos, a formação incremental de conceitos, o aprendizado por reforço, o mapeamento robótico e previsão de séries temporais. De fato, o poder de representação e a eficiência e do modelo proposto permitem expandir o conjunto de tarefas nas quais as redes neurais podem ser utilizadas, abrindo assim novas direções nos quais importantes contribuições do estado da arte podem ser feitas. Através de diversos experimentos, realizados utilizando o modelo proposto, é demonstrado que o IGMN é bastante robusto ao problema de overfitting, não requer um ajuste fino dos parâmetros de configuração e possui uma boa performance computacional que permite o seu uso em aplicações de controle em tempo real. Portanto pode-se afirmar que o IGMN é uma ferramenta de aprendizado de máquina bastante útil em tarefas de aprendizado incremental de funções e predição em tempo real.

This work proposes IGMN (standing for Incremental Gaussian Mixture Network), a new connectionist approach for incremental function approximation and real time tasks. It is inspired on recent theories about the brain, specially the Memory-Prediction Framework and the Constructivist Artificial Intelligence, which endows it with some unique features that are not present in most ANN models such as MLP, RBF and GRNN. Moreover, IGMN is based on strong statistical principles (Gaussian mixture models) and asymptotically converges to the optimal regression surface as more training data arrive. The main advantages of IGMN over other ANN models are: (i) IGMN learns incrementally using a single scan over the training data (each training pattern can be immediately used and discarded); (ii) it can produce reasonable estimates based on few training data; (iii) the learning process can proceed perpetually as new training data arrive (there is no separate phases for leaning and recalling); (iv) IGMN can handle the stability-plasticity dilemma and does not suffer from catastrophic interference; (v) the neural network topology is defined automatically and incrementally (new units added whenever is necessary); (vi) IGMN is not sensible to initialization conditions (in fact there is no random initialization/ decision in IGMN); (vii) the same neural network can be used to solve both forward and inverse problems (the information flow is bidirectional) even in regions where the target data are multi-valued; and (viii) IGMN can provide the confidence levels of its estimates. Another relevant contribution of this thesis is the use of IGMN in some important state-of-the-art machine learning and robotic tasks such as model identification, incremental concept formation, reinforcement learning, robotic mapping and time series prediction. In fact, the efficiency of IGMN and its representational power expand the set of potential tasks in which the neural networks can be applied, thus opening new research directions in which important contributions can be made. Through several experiments using the proposed model it is demonstrated that IGMN is also robust to overfitting, does not require fine-tunning of its configuration parameters and has a very good computational performance, thus allowing its use in real time control applications. Therefore, IGMN is a very useful machine learning tool for incremental function approximation and on-line prediction.