home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / comp / research / japan / 324 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-12-22  |  15.9 KB

  1. Xref: sparky comp.research.japan:324 comp.ai.neural-nets:4633 comp.ai:4678
  2. Path: sparky!uunet!cs.utexas.edu!asuvax!ncar!noao!arizona!rick
  3. From: rick@cs.arizona.edu (Rick Schlichting)
  4. Newsgroups: comp.research.japan,comp.ai.neural-nets,comp.ai
  5. Subject: Kahaner Report: Fuzzy-neural systems research in Asia.
  6. Message-ID: <28729@optima.cs.arizona.edu>
  7. Date: 22 Dec 92 03:49:07 GMT
  8. Sender: rick@cs.arizona.edu
  9. Followup-To: comp.research.japan
  10. Lines: 315
  11. Approved: rick@cs.arizona.edu
  12.  
  13.  
  14.   [Dr. David Kahaner is a numerical analyst on sabbatical to the 
  15.    Office of Naval Research-Asia (ONR Asia) in Tokyo from NIST.  The 
  16.    following is the professional opinion of David Kahaner and in no 
  17.    way has the blessing of the US Government or any agency of it.  All 
  18.    information is dated and of limited life time.  This disclaimer should 
  19.    be noted on ANY attribution.]
  20.  
  21.   [Copies of previous reports written by Kahaner can be obtained using
  22.    anonymous FTP from host cs.arizona.edu, directory japan/kahaner.reports.]
  23.  
  24. To: Distribution
  25. From: 
  26.  David K. Kahaner
  27.  US Office of Naval Research Asia
  28.  (From outside US):  23-17, 7-chome, Roppongi, Minato-ku, Tokyo 106 Japan
  29.  (From within  US):  Unit 45002, APO AP 96337-0007
  30.   Tel: +81 3 3401-8924, Fax: +81 3 3403-9670
  31.   Email: kahaner@cs.titech.ac.jp
  32. Re: Fuzzy-neural systems research in Asia.
  33. 22 Dec 1992
  34. This file is named "fuzzy.92"
  35.  
  36. ABSTRACT. Overview of fuzzy-neural systems research based on examination
  37. of papers presented at three Asian conferences. A great deal of the
  38. current work is ad hoc and there is a need for more fundamental
  39. research to help explain and direct future activities. (Nguyen)
  40.  
  41. This report was prepared by
  42.    Prof Hung T. Nguyen
  43.    LIFE Chair of Fuzzy Systems
  44.    Department of Systems Science
  45.    Tokyo Institute of Technology
  46.    4259 Nagatsuta, Midori-ku
  47.    Yokohama 227 JAPAN
  48.     Tel: +81 45-922-1111 ext 2699; Fax: +81 45-922-1385
  49.  
  50. Prof Nguyen is on leave from the Mathematical Sciences Department of New
  51. Mexico State University.
  52.  
  53. FUZZY-NEURO SYSTEMS:  MAIN THRUST OF RESEARCH PRESENTED AT THREE
  54. CONFERENCES IN ASIA
  55.  
  56.           This report describes research trends surrounding the design
  57. of fuzzy-neuro systems as exemplified by works of Asian scientists
  58. presented at The International Symposium on Fuzzy Systems (Iizuka,
  59. Japan, July 1992), The 2nd International Conference on Fuzzy Logic and
  60. Neural Networks (Iizuka, Japan, July 1992) and The Korean Automatic
  61. Control Conference (Seoul, Korea, October 1992).
  62.  
  63. By Hung T. Nguyen
  64.  
  65. INTRODUCTION
  66.  
  67.      The papers presented at the above three Conference are published in
  68.  
  69. (i)  Proceedings of the International Symposium on Fuzzy Systems (July
  70. 12-15, 1992), Kyushu Institute of Technology, Iizuka, Fukuoka, Japan.
  71.  
  72. Organizers:    Takeshi Yamakawa and Eiji Uchino
  73.                Kyushu Institute of Technology
  74.                680-4 Kawazu, Iizuka, Fukuoka 820, Japan.
  75.  
  76. (2) Proceedings of the 2nd International Conference on Fuzzy Logic and
  77. Neural Networks (Iizuka '92), two volumes, published by Fuzzy Logic
  78. Systems Institute, 820-1 Yokota, Iizuka, Fukuoka 820, Japan.
  79.  
  80. Organizer:     Takeshi Yamakawa
  81.  
  82. (3)     Proceedings of the 1992 Korean Automatic Control Conference
  83. (International sessions), published by Korean Association of Automatic
  84. Control.  General chairman of the Conference: Kyung-Gi Kim, Department
  85. of Electronics Engineering, Hanyang University, 17 Haendang-dong,
  86. Sungdong-ku, Seoul, Korea.
  87.  
  88.      The majority of papers were concerned with:
  89.          Fuzzy Systems and Neural Networks,
  90.          Fuzzy Logic Control,
  91.          Fuzzy Modeling and
  92.          Approximate Reasoning.
  93.  
  94.      In the following, we describe the above topics in some detail
  95. together with our comments.  The general observation is this.  Motivated
  96. by the industrial success of the fuzzy methodology in recent years,
  97. especially in Japan, researchers tend to look at practical problems in
  98. which ad-hoc design procedures can be proposed.  We feel that this
  99. indicates a clear need for more basic research concerning general design
  100. methodology.
  101.  
  102. FUZZY SYSTEMS AND NEURAL NETWORKS
  103.  
  104.      Neural networks process numerical information and exhibit learning
  105. capability.  Fuzzy systems can process linguistic information and
  106. represent, say, experts' knowledge by fuzzy rules.  Thus, it is not
  107. surprising that the fusion of these two technologies is the current
  108. research trend.  The aim is to be able to create machines with more
  109. intelligent behavior.
  110.  
  111.      In the mentioned Conferences, one noticed the following motivation
  112. for considering both fuzzy systems and Neural Networks:
  113.  
  114. (1)  The Knowledge Base of a fuzzy system consists of a collection of
  115. "If...  Then..." rules in which linguistic labels are modeled by
  116. membership functions.
  117.  
  118. Neural Networks can be used to produce membership functions when
  119. available data are numerical.
  120.  
  121. (2)  Moreover, one can take advantage of the learning capability of
  122. neural networks to adjust membership functions, say in control
  123. strategies, to enhance control precision.
  124.  
  125. (3)  Neural Networks can be used to provide learning methods for fuzzy
  126. inference procedures.
  127.  
  128. (4)  In the opposite direction, one can use fuzzy reasoning architecture
  129. to construct new Neural Networks.
  130.  
  131. (5)  One can also fuzzify the Neural Networks architecture to enlarge
  132. the domain of applications.
  133.  
  134. (6)  The fusion of Neural Networks and Fuzzy Systems is essentially
  135. based upon the fact that Neural Networks can learn experts' knowledge
  136. (through numerical data) and Fuzzy Systems can represent experts'
  137. knowledge (through the representation of in-out relation by fuzzy
  138. reasoning).
  139.  
  140.      As in any science, practical successes call for theoretical
  141. justifications.  While the above technologies have become firmly
  142. established in well defined domains of applications, only few
  143. theoretical results have been obtained.  Theoretical results are needed,
  144. not only for explaining the successful results but also for guiding
  145. general design methodology for systems.  The success of Neural Networks
  146. is explained by the universal approximation property (via
  147. Stove-Weierstrass theorem).  However, there is no standard method for
  148. constructing the most suitable neural network structure, e.g.
  149. determining the number of neural units in hidden layers.  Mathematically
  150. speaking, while the graphical form of Neural Networks indicates that
  151. such input-output maps can approximate continuous functions to any
  152. degree of accuracy, one still faces the practical problem:  which
  153. specific network structure will actually do the job?
  154.  
  155.      The situation in Fuzzy Systems is the same.  The universal
  156. approximation property of fuzzy systems merely says that their
  157. architecture is on the right track, but says nothing about approximate
  158. designs.  This explains why results are reported in the form of
  159. prototypes with demonstrations of feasibility.  Various approaches to
  160. the same type of problems are given with comparisons based upon
  161. different criteria.
  162.  
  163. FUZZY LOGIC CONTROL
  164.  
  165.      The well-defined domain of applications of fuzzy control is the one
  166. in which conventional control techniques, such as PID, cannot be used.
  167. Fuzzy Control is idealistic for cases where mathematical models are not
  168. available or when the controlled plant is highly non-linear and can be
  169. operated by skilled human operators.  The structure of a fuzzy logic
  170. control is similar to that of a general fuzzy system.  The performance
  171. of a fuzzy logic controller depends on the control rules, on membership
  172. functions describing linguistic labels in these rules, and on the
  173. approximate reasoning procedure used.  While the universal approximation
  174. property of fuzzy controls force the designers to stay within its
  175. validity, there is still a very large class of approximate controls for
  176. each situations.  In the face of this situation, results are in general
  177. reported by using simulations, either to demonstrate good performance or
  178. to make comparisons among various alternatives.  The standard design of
  179. a fuzzy logic controller consists of selecting an suitable number of
  180. rules, assigning appropriate membership functions to linguistic labels
  181. (by various empirical techniques) and choosing an approximate reasoning
  182. procedure (i.e.  choosing fuzzy logic connectives to combine evidence
  183. and a defuzzification mode to provide single output).  (Results are also
  184. reported on the problem of stability of fuzzy feedback control).  Some
  185. of the papers in these conferences emphasized the need for a clear
  186. design method for fuzzy controllers.  Recall that when the controlled
  187. plant is too complex to postulate a mathematical model, but skilled
  188. human operators are available, one needs to represent experts' knowledge
  189. and reasoning for the purpose of automation.  The fuzzy logic approach
  190. is attractive because of its ability to handle qualitative information.
  191. Again, various case-studies were reported, such as autonomous mobile
  192. robot, automatic combustion control systems, chemical control processes,
  193. batch culture, driving control of a car, etc.
  194.  
  195. FUZZY MODELING
  196.  
  197.      By analogy with stochastic modeling, fuzzy modeling is referred to
  198. the art of systems modeling using Zadeh's theory of fuzzy sets and
  199. logic.  For fuzzy systems in general, the situation is this.  Consider
  200. an input-output map (a black box).  Suppose we wish to describe this box
  201. by a set of "if...  Then..." rules.  Recall that fuzzy If... Then...
  202. rules are widely used in recent industrial applications because of their
  203. flexibility in representing the behavior of a complex system by using
  204. both qualitative experts' knowledge as well as numerical experimental
  205. data.  First we have to identify the input and output variables.  Next,
  206. we construct fuzzy rules.  With regard to a dynamical system, this step
  207. is called identification.  A theoretical question is:  How many rules
  208. are needed to describe faithfully a system?
  209.  
  210.      Once a number of rules is fixed, one faces the problem of assigning
  211. membership functions to linguistic labels in rules.  Here Neural
  212. Networks can be used to tune membership functions.  From a commonsense
  213. viewpoint, membership functions can be modeled parametrically, i.e. they
  214. are known up to a finite number of numerical parameters.  Thus, after
  215. the structural identification phase, one faces the parameter
  216. identification problem, i.e.  determining (or estimating) the parameters
  217. involved in the membership functions.
  218.  
  219.      Some ad-hoc methods for identification of systems using fuzzy If...
  220. Then... rules were reported, for example fault diagnosis method,
  221. interior penalty method, fuzzy optimization method, etc....
  222.  
  223.      Fuzzy modeling is particular important for designing control laws
  224. of dynamical plants without mathematical models.  In such situations,
  225. one needs to identify the plant first and then derive control laws.
  226. This is referred to as fuzzy logic controllers based on fuzzy models (of
  227. the controlled plants).  This important research area is still at its
  228. very beginning.  It is anticipated that without fuzzy dynamical models,
  229. it is not clear how basic concepts such as stability and robustness in
  230. Fuzzy Control theory can be addressed.
  231.  
  232. APPROXIMATE REASONING
  233.  
  234.      The inference engine of a fuzzy system is constructed using a
  235. logical process known as approximate reasoning.  It is a generalization
  236. of classical deduction reasoning process.  Basically an approximate
  237. reasoning procedure consists of the selection of an interpretation of
  238. "If... Then..." statements and a way to "fire" such rules.  Unlike
  239. classical two-valued logic, a fuzzy implication can have various
  240. different interpretations, i.e. different mathematical "truth tables".
  241. Also, there are different ways to generalize the classical Modus Ponens.
  242. Even Zadeh's compositional rule of inference leaves room for various
  243. choices of fuzzy logical connectives.  Thus the designer of a particular
  244. system always faces a choice problem.  Papers presented in the area of
  245. approximate reasoning contained new methods such as fuzzy entropy
  246. method, linear revising method, approximate reasoning method with
  247. certainty factor, and Neural Networks based methods.
  248.  
  249. OVERVIEW AND COMMENTS
  250.  
  251.      The papers presented at the three conferences covered a large
  252. spectrum of results obtained as well as problems in Neural Networks and
  253. Fuzzy technologies:  Fuzzy Neural Networks, Chaos fuzzy systems, fuzzy
  254. neural computing, learning algorithms for fuzzy systems, approximate
  255. reasoning, fuzzy modeling, fuzzy logic control, neural chips, fuzzy
  256. hardware, fuzzy clustering....
  257.  
  258.      Although Neural Networks and Fuzzy systems can be investigated
  259. separately, the majority of papers focused on the fusion of the two
  260. technologies in order to tackle more complex problems, and hence to
  261. create more intelligent machines.  So far, empirical evidence is
  262. convincing for more research in this direction.
  263.  
  264.      In my view, the variety of design techniques is due to a lack of
  265. firm theoretical foundation.  Of course, this is the area of "soft
  266. computing", and one should not expect a rigid theory like a conventional
  267. mathematical theory.  However, theoretical results are already useful as
  268. general guide lines, namely specifying the structures of Neural Networks
  269. and fuzzy systems, the classes of inference procedures used in
  270. approximate reasoning.  More basic research is needed in order to
  271. provide foundations for design methodology.  In the near future, we will
  272. continue to see more applications of the fuzzy approach to the so-called
  273. friendly systems.  Several questions remain:  if a system is
  274. "successfully" designed, how to make it "better"?, can one specify a
  275. design technique for a class of systems rather than just for one given
  276. system?
  277.  
  278.      It was apparent that the Asian scientists pursued more research
  279. than US scientists in the fields of chaotic fuzzy systems and fuzzy
  280. measures and integrals for decision-making.  The chaos in general
  281. systems results from non-linear dynamical systems and exhibits
  282. complicated and unpredictable behavior.  Applications are considered for
  283. control problems, especially for systems sensitive to oscillations and
  284. chaostic instability.  Typical papers to be looked at are:
  285.  
  286. (1)  "Chaos and Information loss in Fuzzy dynamical Systems" (P.
  287. Diamond, Australia, Proceedings of the International Symposium in Fuzzy
  288. Systems, p.17- 20)
  289.  
  290. (2)  "A chaostic chip for analyzing non-linear discrete dynamical
  291. systems" (T. Yamakawa, T. Miki and E. Uchino, Proceedings of the Second
  292. International Conference on Fuzzy Logic and Neural Networks, Vol. 1,
  293. p.563-566)
  294.  
  295.      As for the development of the mathematical theory of measures and
  296. integrals in a fuzzy setting is concerned, typical paper is:
  297.  
  298.      "Non-additivity of fuzzy measures representive preferential
  299. dependence" (T. Murofushi and M. Sugeno, Proceedings of the Second
  300. International Conference Fuzzy Logic and Neural Networks, Vol. 2,
  301. p.617-620)
  302.  
  303.      The invited section on this topic was devoted to new results and
  304. applications to reasoning in decision and control problems.  Dealing
  305. with uncertainty in humanistic systems is a crucial problem.  Besides
  306. the random uncertainty which can be captured by probabilistic laws (with
  307. the analytic tools of the well-established statistical decision theory),
  308. it has been recognized that other types of uncertainty, such as
  309. imprecision and ambiguity (vagueness), have also to be dealt with.  The
  310. main feature of these uncertainties is the non-additivity property.  In
  311. the Bayesian approach to reasoning in intelligent machines, upper and
  312. lower probabilities, or some more general axiomatic measures of
  313. imprecision, are non-additive.  In a related vein, the concept of
  314. degrees of belief in the so-called theory of evidence exhibits also
  315. non-additivity.  It turns out that a general framework for measuring
  316. non-additive uncertainties is the theory of fuzzy measures proposed by
  317. M. Sugeno in 1974.  As a typical example of applications, the Choguet
  318. integral of utility functions, with respect to some fuzzy measure, can
  319. be used as a generalization of the ordinary concept of expected
  320. utilities in decision- making problems.  Thus, in my view. a general
  321. theory of decisions based upon fuzzy measures and integrals will be
  322. useful for systems exhibiting various kinds of uncertainties.
  323.  
  324. -------------------------------END OF REPORT----------------------------
  325.  
  326.  
  327.  
  328.