Boying Zhao;Yuanyuan Qu;Mengliang Mu;Bing Xu;Wei He
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.18
no.5
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pp.1186-1207
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2024
Bearings are one of the main components of mechanical equipment and one of the primary components prone to faults. Therefore, conducting fault diagnosis on bearings is a key issue in mechanical equipment research. Belief rule base (BRB) is essentially an expert system that effectively integrates qualitative and quantitative information, demonstrating excellent performance in fault diagnosis. However, class imbalance often occurs in the diagnosis task, which poses challenges to the diagnosis. Models with interpretability can enhance decision-makers' trust in the output results. However, the randomness in the optimization process can undermine interpretability, thereby reducing the level of trustworthiness in the results. Therefore, a hierarchical BRB model based on extreme gradient boosting (XGBoost) feature selection with interpretability (HFS-IBRB) is proposed in this paper. Utilizing a main BRB alongside multiple sub-BRBs allows for the conversion of a multi-classification challenge into several distinct binary classification tasks, thereby leading to enhanced accuracy. By incorporating interpretability constraints into the model, interpretability is effectively ensured. Finally, the case study of the actual dataset of bearing fault diagnosis demonstrates the ability of the HFS-IBRB model to perform accurate and interpretable diagnosis.
Glass fiber reinforced polymer (GFRP) elastic gridshells consist of long continuous GFRP tubes that form elastic deformations. In this paper, a method for the form-finding of gridshell structures is presented based on the interpretable machine learning (ML) approaches. A comparative study is conducted on several ML algorithms, including support vector regression (SVR), K-nearest neighbors (KNN), decision tree (DT), random forest (RF), AdaBoost, XGBoost, category boosting (CatBoost), and light gradient boosting machine (LightGBM). A numerical example is presented using a standard double-hump gridshell considering two characteristics of deformation as objective functions. The combination of the grid search approach and k-fold cross-validation (CV) is implemented for fine-tuning the parameters of ML models. The results of the comparative study indicate that the LightGBM model presents the highest prediction accuracy. Finally, interpretable ML approaches, including Shapely additive explanations (SHAP), partial dependence plot (PDP), and accumulated local effects (ALE), are applied to explain the predictions of the ML model since it is essential to understand the effect of various values of input parameters on objective functions. As a result of interpretability approaches, an optimum gridshell structure is obtained and new opportunities are verified for form-finding investigation of GFRP elastic gridshells during lifting construction.
International journal of advanced smart convergence
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v.12
no.1
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pp.53-58
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2023
With the fast development of artificial intelligence day by day, users are demanding explanations about the results of algorithms and want to know what parameters influence the results. In this paper, we propose a model for bankruptcy prediction with interpretability using the SHAP framework. SHAP (SHAPley Additive exPlanations) is framework that gives a visualized result that can be used for explanation and interpretation of machine learning models. As a result, we can describe which features are important for the result of our deep learning model. SHAP framework Force plot result gives us top features which are mainly reflecting overall model score. Even though Fully Connected Neural Networks are a "black box" model, Shapley values help us to alleviate the "black box" problem. FCNNs perform well with complex dataset with more than 60 financial ratios. Combined with SHAP framework, we create an effective model with understandable interpretation. Bankruptcy is a rare event, then we avoid imbalanced dataset problem with the help of SMOTE. SMOTE is one of the oversampling technique that resulting synthetic samples are generated for the minority class. It uses K-nearest neighbors algorithm for line connecting method in order to producing examples. We expect our model results assist financial analysts who are interested in forecasting bankruptcy prediction of companies in detail.
Fuzzy neural network is an integrated model of artificial neural network and fuzzy system and it has been successfully applied in control and forecasting area. Recently ANFIS(Adaptive Network-based Fuzzy Inference System) has been noticed widely among various fuzzy neural network models because of outstanding performance of control and forecasting accuracy. ANFIS has capability to refine its fuzzy rules interactively with human expert. In particular, when we use initial rule structure for machine learning which is generated from human expert, it is highly probable to reach global optimum solution as well as shorten time to convergence. We propose metrics to evaluate interpretability of generated rules as a means of acquiring domain knowledge and compare level of interpretability of ANFIS fuzzy rules to those of C5.0 classification rules. The proposed metrics also can be used to evaluate capability of rule generation for the various machine learning methods.
Rotsnarani Sethy;Soumya Ranjan Mahanta;Mrutyunjaya Panda
International Journal of Computer Science & Network Security
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v.24
no.9
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pp.30-40
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2024
Building an accurate 3-D spatial road network model has become an active area of research now-a-days that profess to be a new paradigm in developing Smart roads and intelligent transportation system (ITS) which will help the public and private road impresario for better road mobility and eco-routing so that better road traffic, less carbon emission and road safety may be ensured. Dealing with such a large scale 3-D road network data poses challenges in getting accurate elevation information of a road network to better estimate the CO2 emission and accurate routing for the vehicles in Internet of Vehicle (IoV) scenario. Clustering and regression techniques are found suitable in discovering the missing elevation information in 3-D spatial road network dataset for some points in the road network which is envisaged of helping the public a better eco-routing experience. Further, recently Explainable Artificial Intelligence (xAI) draws attention of the researchers to better interprete, transparent and comprehensible, thus enabling to design efficient choice based models choices depending upon users requirements. The 3-D road network dataset, comprising of spatial attributes (longitude, latitude, altitude) of North Jutland, Denmark, collected from publicly available UCI repositories is preprocessed through feature engineering and scaling to ensure optimal accuracy for clustering and regression tasks. K-Means clustering and regression using Support Vector Machine (SVM) with radial basis function (RBF) kernel are employed for 3-D road network analysis. Silhouette scores and number of clusters are chosen for measuring cluster quality whereas error metric such as MAE ( Mean Absolute Error) and RMSE (Root Mean Square Error) are considered for evaluating the regression method. To have better interpretability of the Clustering and regression models, SHAP (Shapley Additive Explanations), a powerful xAI technique is employed in this research. From extensive experiments , it is observed that SHAP analysis validated the importance of latitude and altitude in predicting longitude, particularly in the four-cluster setup, providing critical insights into model behavior and feature contributions SHAP analysis validated the importance of latitude and altitude in predicting longitude, particularly in the four-cluster setup, providing critical insights into model behavior and feature contributions with an accuracy of 97.22% and strong performance metrics across all classes having MAE of 0.0346, and MSE of 0.0018. On the other hand, the ten-cluster setup, while faster in SHAP analysis, presented challenges in interpretability due to increased clustering complexity. Hence, K-Means clustering with K=4 and SVM hybrid models demonstrated superior performance and interpretability, highlighting the importance of careful cluster selection to balance model complexity and predictive accuracy.
A corporate insolvency prediction model serves as a vital tool for objectively monitoring the financial condition of companies. It enables timely warnings, facilitates responsive actions, and supports the formulation of effective management strategies to mitigate bankruptcy risks and enhance performance. Investors and financial institutions utilize default prediction models to minimize financial losses. As the interest in utilizing artificial intelligence (AI) technology for corporate insolvency prediction grows, extensive research has been conducted in this domain. However, there is an increasing demand for explainable AI models in corporate insolvency prediction, emphasizing interpretability and reliability. The SHAP (SHapley Additive exPlanations) technique has gained significant popularity and has demonstrated strong performance in various applications. Nonetheless, it has limitations such as computational cost, processing time, and scalability concerns based on the number of variables. This study introduces a novel approach to variable selection that reduces the number of variables by averaging SHAP values from bootstrapped data subsets instead of using the entire dataset. This technique aims to improve computational efficiency while maintaining excellent predictive performance. To obtain classification results, we aim to train random forest, XGBoost, and C5.0 models using carefully selected variables with high interpretability. The classification accuracy of the ensemble model, generated through soft voting as the goal of high-performance model design, is compared with the individual models. The study leverages data from 1,698 Korean light industrial companies and employs bootstrapping to create distinct data groups. Logistic Regression is employed to calculate SHAP values for each data group, and their averages are computed to derive the final SHAP values. The proposed model enhances interpretability and aims to achieve superior predictive performance.
Synthetic stereo-pair of Landsat TM(Thematic Mapper) and shaded relief image from DEM(Digital Elevation Model) were digitally produced. They are very useful in optimizing the geological interpretability of the remotely sensed data.
Hyun-woo Lee;Tae-hyun Han;Yeong-ji Park;Tae-jin Lee
Journal of the Korea Institute of Information Security & Cryptology
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v.33
no.3
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pp.411-425
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2023
Today, AI (Artificial Intelligence) technology is widely used in various fields, performing classification and regression tasks according to the purpose of use, and research is also actively progressing. Especially in the field of security, unexpected threats need to be detected, and unsupervised learning-based anomaly detection techniques that can detect threats without adding known threat information to the model training process are promising methods. However, most of the preceding studies that provide interpretability for AI judgments are designed for supervised learning, so it is difficult to apply them to unsupervised learning models with fundamentally different learning methods. In addition, previously researched vision-centered AI mechanism interpretation studies are not suitable for application to the security field that is not expressed in images. Therefore, In this paper, we use a technique that provides interpretability for detected anomalies by searching for and comparing optimization references, which are the source of intrusion attacks. In this paper, based on reference, we propose additional logic to search for data closest to real data. Based on real data, it aims to provide a more intuitive interpretation of anomalies and to promote effective use of an anomaly detection model in the security field.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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v.2
no.3
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pp.298-309
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2004
In this paper, a new evolutionary scheme to design a TSK fuzzy model from relevant data is proposed. The identification of the antecedent rule parameters is performed via the evolutionary algorithm with the unique fitness function and the various evolutionary operators, while the identification of the consequent parameters is done using the least square method. The occurrence of the multiple overlapping membership functions, which is a typical feature of unconstrained optimization, is resolved with the help of the proposed fitness function. The proposed algorithm can generate a fuzzy model with transparent membership functions. Through simulations on various problems, the proposed algorithm found a TSK fuzzy model with better accuracy than those found in previous works with transparent partition of input space.
Proceedings of the Korea Information Processing Society Conference
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2023.05a
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pp.2-4
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2023
Sequence data plays an important role in the field of intelligence, especially for industrial control, traffic control and other aspects. Finding abnormal parts in sequence data has long been an application field of AI technology. In this paper, we propose an anomaly detection method for sequence data using a diffusion model. The diffusion model has two major advantages: interpretability derived from rigorous mathematical derivation and unrestricted selection of backbone models. This method uses the diffusion model to predict and reconstruct the sequence data, and then detects the abnormal part by comparing with the real data. This paper successfully verifies the feasibility of the diffusion model in the field of anomaly detection. We use the combination of MLP and diffusion model to generate data and compare the generated data with real data to detect anomalous points.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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