ARMA-CIGMN : an Incremental Gaussian Mixture Network for time series analysis and forecasting

Abstract

This work presents a new model of neural network for time series analysis and forecasting: the ARMA-CIGMN (Autoregressive Moving Average Classical Incremental Gaussian Mixture Network) model and its analysis. This model is based on modifications made to a reformulated IGMN, the Classical IGMN (CIGMN). The CIGMN is similar to the original IGMN, but based on a classical statistical approach. The modifications to the IGMN algorithm were made to better fit it to time series. The proposed ARMA-CIGMN model demonstrates good forecasts and the modeling procedure can also be aided by known statistical tools as the autocorrelation (acf) and partial autocorrelation functions (pacf), already used in classical statistical time series modeling and also with the original IGMN algorithm models. The ARMA-CIGMN model was evaluated using known series and simulated data. The models used for comparisons were the classical statistical ARIMA model and its variants, the original IGMN and two modifications over the original IGMN: (i) a modification similar to a classical ARMA (Autoregressive Moving Average) model and (ii) a similar NOE (Nonlinear Output Error) model. It is also presented a reformulated IGMN version with a classical statistical approach, which is needed for the ARMA-CIGMN model.

Este trabalho apresenta um novo modelo de redes neurais para análise e previsão de séries temporais: o modelo ARMA-CIGMN (do inglês, Autoregressive Moving Average Classical Incremental Gaussian Mixture Network) além dos resultados obtidos pelo mesmo. Este modelo se baseia em modificações realizadas em uma versão reformulada da IGMN. A IGMN Clássica, CIGMN, é similar à versão original da IGMN, porém baseada em uma abordagem estatística clássica, a qual também é apresentada neste trabalho. As modificações do algoritmo da IGMN foram feitas para melhor adpatação a séries temporais. O modelo ARMA-CIGMN demonstra boa capacidade preditiva e a modelagem ainda pode ser auxiliada por conhecidas ferramentas estatísticas como a função de autorrelação (acf, do original em inglês autocorrelation function) e a de autocorrelação parcial (pacf, do original em inglês partial autocorrelation function), já utilizadas em modelagem de séries temporais e nos modelos da IGMN original. As comparações foram feitas utilizando-se séries conhecidas e dados simulados. Foram selecionados para comparação os modelos estatísticos clássicos ARIMA (do inglês, Autoregressive Integrated Moving Average), a IGMN original e duas modificações feitas ainda na IGMN original:(i) um modelo similar ao modelo ARMA (do inglês, Autoregressive Moving Average) clássico e (ii) um modelo similar ao modelo NOE (do inglês, Nonlinear Output Error). Também é apresentada um versão reformulada da IGMN, usando a abordagem clássica da estatística, necessária para o desenvolvimento do modelo ARMA-CIGMN.