FORTANNS manu´al
Vojtˇech Havl´ıˇcek
[email protected] 22. u ´ nora 2010
1
´ Uvod
Program FORTANNS je software urˇcen´ y k modelov´an´ı ˇcasov´ ych ˇrad. K´od programu m´a 1800 ˇr´adek a je naps´ an v programovac´ım jazyku Fortran 95. Program je moˇzn´e pouˇz´ıvat v operaˇcn´ım syst´emu Linux. Souˇcasn´a verze je vyd´ana pod GNU/GPL licenc´ı a jedn´a se o open source software - program je ˇs´ıˇren spoleˇcnˇe se sv´ ymi zdrojov´ ymi k´ody a potencion´aln´ı uˇzivatel m´a moˇznost k´od upravovat. Jednotliv´e verze programu je moˇzn´e st´ahnout na str´ank´ ach Katedry vodn´ıho hospod´ aˇrstv´ı a environment´ aln´ıho modelov´an´ı (http://www.kvhem.cz/vyzkum/software/). Tento manu´ al je pro verzi FORTANNS 2009. N´ azev programu FORTANNS je zkratkou z anglick´eho ’FORecasting Time series Artificial Neural Network System’. Program je urˇcen, jak bylo zm´ınˇeno v´ yˇse pro modelov´an´ı a zejm´ena n´ aslednou predikci ˇcasov´ ych ˇrad r˚ uzn´ ych veliˇcin. V´ ypoˇcetn´ım j´adrem programu je model umˇel´ ych neuronov´ ych s´ıt´ı (NS) funguj´ıc´ı ve spolupr´aci s evoluˇcn´ımi algoritmy pro optimalizaci parametr˚ u. Neuronov´a s´ıt’ pouˇzit´ a v programu je v´ıcevrstevn´ y perceptron se zpˇetnou propagac´ı chyby v s´ıti. Ovl´ ad´an´ı programu nevyˇzaduje detailn´ı znalost implementovan´ ych metod, avˇsak obecn´e povˇedom´ı o tˇechto metod´ ach je pˇredpokladem efektivn´ıho pouˇzit´ı programu FORTANNS. Tento manu´ al nen´ı vˇenov´an popisu modelu umˇel´ ych neuronov´ ych s´ıt´ı ani popisu evoluˇcn´ıch algoritm˚ u a proto je d´ ale uvedena literatura zab´ yvaj´ıc´ı se touto problematikou, ve kter´e si m˚ uˇze z´ ajemce dohledat a osvˇeˇzit znalosti o v´ yˇse zm´ınˇen´ ych metod´ ach. Pro sezn´amen´ı se s umˇel´ ymi neuroov´ ymi s´ıtˇemi je vhodn´ a n´ asleduj´ıc´ı literatura: ........ . Evoluˇcn´ı a genetick´e algoritmy jsou dobˇre pops´ any a vysvˇetleny v ......... .
2 2.1
Instalace, spuˇ stˇ en´ı, vstupy Instalace
Program FORTANNS je ke staˇzen´ı na webov´ ych str´ank´ ach KVHEM: http://www.kvhem.cz/vyzkum/software/. Po staˇzen´ı a dekompresi souboru FORTANNS 2009.zip je moˇzn´e zaˇc´ıt hned pracovat - program nevyˇzaduje instalaci. Po u ´ spˇeˇsn´em rozbalen´ı archivu by mˇela sloˇzka FORTANNS 2009 obsahovat 3 sloˇzky (config, source, inputs) a 2 spustiteln´e soubory (FORTANNS a FORTANNS gui), viz obr. 1.
Obr´azek 1: Program FORTANNS po rozbalen´ı Pro vlastn´ı pr´aci jsou d˚ uleˇzit´e spustiteln´e soubory FORTANNS a FORTANNS gui a sloˇzka inputs. Ve sloˇzce source jsou uloˇzeny zdrojov´e k´ody programu. Ve sloˇzce config se nach´ az´ı konfiguraˇcn´ı soubory programu, kter´e je moˇzn´e v urˇcit´ ych situac´ıch editovat (viz. Pr´ace bez GUI ???)
2.2
Vstupn´ı data
Pˇred vlastn´ım spuˇstˇen´ım programu je dobr´e m´ıt datov´e soubory, kter´e budou urˇceny pro modelov´an´ı, nahr´ any ve sloˇzce inputs. Tato sloˇzka je urˇcena pro uloˇzen´ı soubor˚ u s daty, kter´ a chceme vyuˇz´ıt pro modelov´an´ı. Datov´e soubory pro pr´aci programu mus´ı b´ yt ve formˇe textov´eho souboru. Data v souboru mus´ı b´ yt v jednotliv´ ych sloupc´ıch, pro kaˇzdou veliˇcinu jeden sloupec. Oddˇelovaˇc sloupc˚ u m˚ uˇze b´ yt 2
tabel´ator nebo jedna ˇci v´ıce mezer. Desetinn´ y oddˇelovaˇc mus´ı b´ yt teˇcka. Po posledn´ım ˇr´adku dat nen´asleduje pr´azdn´ y r´adek.
2.3
Spuˇ stˇ en´ı
D´ale popsan´ y postup pr´ace s programem FORTANNS je vˇenov´an ovl´ ad´an´ı pomoc´ı GUI (Graphical User Interface). Pr´ ace s TFUI (Text File User Interface) je pops´ ana v kapitole Pr´ace bez GUI ??? Program se spouˇst´ı z termin´ alu. Po zad´an´ı cesty do adres´ aˇre FORTANNS 2009 slouˇz´ı pro spuˇstˇen´ı programu pˇr´ıkaz ./FORTANNS gui. T´ımto pˇr´ıkazem se nastartuje uˇzivatelsk´e grafick´e rozhran´ı, kter´e slouˇz´ı k ovl´ ad´an´ı programu.
2.4
Naˇ cten´ı vstupn´ıch dat
Prvn´ı dialogov´e okno, kter´e se objev´ı na obrazovce (viz obr. 2) je dotaz na naˇc´ıt´an´ı datov´ ych soubor˚ u. Volit je moˇzn´e varianty Yes nebo No. Pˇri prvn´ım pouˇzit´ı programu je nutn´e navolit vstupn´ı datov´e soubory, ˇcili pouˇz´ıt volbu Yes! V pˇr´ıpadˇe volby No pˇrejde program k oknu s volbou typu v´ ypoˇctu o kter´em pojedn´av´ a kapitola 2.5. Pˇri volbˇe No budou pouˇzita stejn´a vstupn´ı data, kter´ a byla zvolena pˇri pˇredchoz´ı pr´aci s programem. Nen´ı tedy nutn´e po nov´em startu programu vyb´ırat znovu stejn´a data, se kter´ ymi se pracovalo naposledy.
Obr´azek 2: Dotaz na naˇc´ıt´an´ı dat V pˇr´ıpadˇe volby Yes pˇrejde program na okno s volbou f´aze v´ ypoˇctu, pro kterou budou datov´e soubory naˇc´ıt´ any, viz obr. 3.
Obr´azek 3: Volba f´aze pro kterou budou naˇctena data Jednotliv´e volby f´ az´ı pro kter´e budou naˇctena data jsou Calibration, Testing a Validation. V z´ avorce za kaˇzdou moˇznost´ı je zobrazen stav - changed! /no change - informuj´ıc´ı zda byly vybr´ any jin´e vstupn´ı datov´e soubory nebo zda z˚ ustaly vstupn´ı soubory pro danou f´azi beze zmˇen. F´aze v´ ypoˇctu a naˇcten´ı vstupn´ıch dat pro tyto f´aze je u ´ zce sv´ az´ano s moˇznost´ı volby f´az´ı pˇri samotn´em nastaven´ı v´ ypoˇctu - pro f´ azi bez naˇcten´ ych data nen´ı moˇzn´e spustit v´ ypoˇcet. Vybr´an´ı f´ aze a potvrzen´ı v´ ybˇeru kliknut´ım na OK posune program do okna, kter´e slouˇz´ı k volbˇe datov´ ych soubor˚ u (nahran´ ych nejl´epe ve sloˇzce inputs). Toto okno ukazuje obr´ azek 4.
3
Obr´azek 4: V´ ybˇer datov´ ych soubor˚ u V tomto oknˇe je moˇzn´e volit soubory uloˇzen´e v inputs. Soubory jsou vidˇet v prav´em podoknˇe s hlaviˇckou ”Files”. Ve sloˇzce inputs jsou nahr´ any zkuˇsebn´ı ˇcasov´e ˇrady. Soubor ”lynx” obsahuje u ´ daje o mnoˇzstv´ı odchycen´ ych rys˚ u v Kanadˇe v letech 1821 – 1934. Soubory ”v06”, ”v08”, ”v23” jsou ˇcasov´e ˇrady pr˚ utok˚ u v hodinov´em kroku. Zmˇena adres´ aˇre s vstupn´ımi soubory je moˇzn´a v lev´em podoknˇe s hlaviˇckou ”Directories”, ale pro pohodlnˇejˇs´ı pr´aci je vhodnˇejˇs´ı pracovat se soubory nahran´ ymi do sloˇzky inputs. Horn´ı podokno s hlaviˇckou ”Filter” slouˇz´ı k vyfiltrov´an´ı poˇzadovan´ ych soubor˚ u podle n´ azvu, filtrov´an´ı se aktivuje kliknut´ım na Filter V´ ybˇer souboru je potˇreba potvrd´ıt tlaˇc´ıtkem OK, kter´ ym se aktivuje dialogov´e okno (obr. 5) s dotazem, zda pokraˇcovat s v´ ybˇerem dat pro aktu´alnˇe zvolenou f´azi.
Obr´azek 5: V´ ybˇer datov´ ych soubor˚ u V oknˇe pro v´ ybˇer datov´ ych soubor˚ u (obr. 4) je moˇzn´e vybrat vˇzdy jeden soubor, ale kaˇzd´a f´aze m˚ uˇze m´ıt v´ıc vstupn´ıch datov´ ych soubor˚ u, proto v takov´em pˇr´ıpadˇe je moˇzn´e vybrat v aktu´aln´ım dialogov´em oknˇe (obr. 5) Yes a pokraˇcovat ve v´ ybˇeru dalˇs´ıho datov´eho soubor pro danou f´azi. Takto je moˇzno zvolit libovoln´ y poˇcet vstupn´ıch soubor˚ u pro kaˇzdou f´azi. Ukonˇcen´ı volby soubor˚ u pro danou f´azi je moˇzn´e kliknut´ım na NO v dialogov´em oknˇe pro pokraˇcov´an´ı v´ ybˇeru dat (obr. 5). T´ımto se aktivuje dalˇs´ı dialogov´e okno (obr. 6), ve kter´em je moˇzn´e zvolit pokraˇcov´an´ı naˇc´ıt´ an´ı dat pro jinou f´azi (Yes) nebo ukonˇcit pr´aci na v´ ybˇeru datov´ ych soubor˚ u (No). V pˇr´ıpadˇe v´ ybˇeru Yes se opakuje postup popsan´ y v´ yˇse pro dalˇs´ı f´aze, pˇri volbˇe No pˇrejde program k volbˇe typu v´ ypoˇctu.
4
Obr´azek 6: V´ ybˇer datov´ ych soubor˚ u pro jinou f´azi
2.5
Volba typu v´ ypoˇ ctu
Obr´azek ˇc´ıslo 7 ukazuje okno pro volbu v´ ypoˇctu. Moˇznosti jsou Net computation - norm´aln´ı v´ ypoˇcet nebo Optimisation - m´od optimalizace parametr˚ u s´ıtˇe. V´ ybˇer je tˇreba potvrdit pomoc´ı OK. O jednotliv´ ych volb´ ach pojedn´avaj´ı n´ asleduj´ıc´ı kapitoly.
Obr´azek 7: Volba typu v´ ypoˇctu
5
3
Norm´ aln´ı v´ ypoˇ cet
Pˇri volbˇe m´odu Net computation pˇrejde program do hlavn´ıho okna pro nastaven´ı architektury s´ıtˇe, v´ ypoˇctu, a v´ ystup˚ u. Toto hlavn´ı okno ukazuje obr´ azek 8.
Obr´azek 8: Hlavn´ı okno nastaven´ı pro norm´aln´ı v´ ypoˇcet Pro zjednoduˇsen´ı popisu jsou ovl´ adac´ı prvky logicky rozdˇeleny do oblast´ı jak ukazuje obr´ azek ˇc. 9. Dalˇs´ı popis bude tedy postupnˇe vˇenov´an ovl´ adac´ım prvk˚ um v oblastech 1 - 6.
4
Optimalizace
5
Pˇ r´ıklady
6
Obr´azek 9: Hlavn´ı okno nastaven´ı pro norm´aln´ı v´ ypoˇcet
7
