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Type: Tese
Title: NFISiS: new perspectives on fuzzy inference systems applied to renewable energy, finance, and cryptocurrency
Author: Alves, Kaike Sa Teles Rocha
First Advisor: Aguiar, Eduardo Pestana de
Co-Advisor: Pekaslan, Direnc
Referee Member: Fonseca, Leonardo Goliatt da
Referee Member: Ribeiro, Moises Vidal
Referee Member: Guimarães, Frederico Gadelha
Referee Member: Silva, Petrônio Cândido de Lima e
Referee Member: Pinto, Arthur Caio Vargas e
Resumo: Sistemas de inferência fuzzy consistem em uma classe especial de modelos de aprendizado de máquina conhecidos por balancear acurácia com interpretabilidade. Os dois principais tipos de sistemas de inferência fuzzy são Mamdani e Takagi-Sugeno-Kang. Enquanto os modelos Mamdani priorizam a interpretabilidade, os modelos Takagi-SugenoKang normalmente obtêm menores erros devido a sua habilidade de aproximar sistemas não lineares por meio de uma coleção de subsistemas lineares. Contudo, a criação do conjunto de regras fuzzy não possuem uma abordagem padronizada, o que frequentemente resulta em modelos com excesso de hiperparâmetros, alta complexidade e sem controle direto sobre o número de regras. Para superar tais desafios, este trabalho introduz duas novas abordagens para geração de uma base de regras fuzzy baseadas em dados, tanto para modelos Mamdani quanto para os Takagi-Sugeno-Kang. Entre as vantagens dos sistemas propostos, destacam-se: complexidade reduzida, menor número de hiperparâmetros, maior interpretabilidade e controle direto sobre o número final de regras. Adicionalmente, técnicas de seleção de atributos, incluindo algoritmos genéticos e métodos ensemble, são integradas para melhorar a capacidade dos modelos em lidar com grandes conjuntos de dados, otimizar o desempenho, aumentar a interpretabilidade e evitar o sobreajuste (overfitting). Os modelos introduzidos resultam no NFISiS, uma nova coleção de sistemas de inferência fuzzy dirigida a dados para a previsão de séries temporais. Os modelos propostos são avaliados utilizando séries temporais sintéticas, bem como conjuntos de dados de energia renovável, dados financeiros e de criptomoedas. Os resultados são avaliados em termos de erros e número de regras. O desempenho dos modelos propostos é comparado com o de modelos de aprendizado de máquina no estado da arte, incluindo abordagens clássicas, arquiteturas de aprendizado profundo (deep learning) e sistemas fuzzy evolutivos baseados em regras. Os resultados indicam que os modelos propostos lidam eficazmente com conjuntos de dados complexos e não estacionários, como os das áreas financeira e o de criptomoedas. Todos os modelos propostos estão disponíveis como um pacote Python, que pode ser instalado via pip: pip install nfisis(https: //pypi.org/project/nfisis). Além disso, o código-fonte utilizado para as simulações está disponível em https://github.com/kaikerochaalves/nfisis_thesis.git.
Abstract: Fuzzy inference systems are a special class of machine learning models known for balancing accuracy with interpretability. The two main types of fuzzy inference systems are Mamdani and Takagi-Sugeno-Kang. While Mamdani models prioritize interpretability, Takagi-Sugeno-Kang models achieve higher accuracy by approximating nonlinear systems through a collection of linear subsystems. However, designing fuzzy rules lacks a standardized method, often leading to models with excessive hyperparameters, high complexity, and no direct control over the number of rules. To address such challenges, this work introduces two new data-driven approaches for designing Mamdani and Takagi-SugenoKang rules. Among the advantages of the proposed fuzzy inference systems with the new mechanism for rule generation, the following can be highlighted: reduced complexity, fewer hyperparameters, enhanced interpretability, and direct control over the number of final rules. Additionally, feature selection techniques, including genetic algorithms and ensemble methods, are integrated to improve the models’ ability to handle large datasets, optimize performance, increase interpretability, and prevent overfitting. The introduced models result in the NFISiS, a new collection of data-driven fuzzy inference systems for time series forecasting. The proposed models are evaluated using benchmark time series, renewable energy, financial, and cryptocurrency datasets in terms of errors and the number of rules. Their performance is compared against state-of-the-art machine learning models, including classical approaches, deep learning architectures, and rule-based evolving Fuzzy Systems. The results indicate that the proposed models effectively handle complex, non-stationary datasets, such as those in finance and cryptocurrency. All proposed models are available as a Python package, which can be installed via pip: pip install nfisis(https: //pypi.org/project/nfisis). Furthermore, the source code used for the simulations are available at https://github.com/kaikerochaalves/nfisis_thesis.git.
Keywords: Sistema de inferência fuzzy
Mamdani
Takagi-Sugeno-Kang
Seleção de atributos
Previsão de séries temporais
Fuzzy inference system
Feature selection
Time series forecasting
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/19825
Issue Date: 5-Nov-2025
Appears in Collections:Doutorado em Modelagem Computacional (Teses)



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