Universität Münster, Institut für industriewirtschaftliche Forschung Stefan Kooths Eric Ringhut KI-gestützte Konjunkturprognosen mit GENEFER Adaptive Fuzzy

Universität Münster,

Institut für industriewirtschaftliche Forschung

Stefan KoothsEric Ringhut

KI-gestützte Konjunkturprognosen mit

GENEFER

Adaptive Fuzzy Systeme und Handelsblatt-Frühindikator im Vergleich

2



Stefan KoothsEric RinghutGliederung

Motivation

Welche Erwartungsbildungs-hypothese ist in GENEFER abgebildet?

Was ist GENEFER?

Wie funktioniert GENEFER?

3



Stefan KoothsEric RinghutMotivation

Dominanz von Erwartungen auf die Marktergebnisse(Bsp. Finanzmärkte)

unzureichende Modellierungsalternativen

teilweise schwache empirische Bestätigung ökonomischer Theorien

Motivation

- Welche Erwartungs-bildungshypothese ist in GENEFER abgebildet?

- Was ist GENEFER?

- Wie funktioniert GENEFER?

4




Gängige Erwartungsbildungs-hypothesen

• statische Erwartungen• extrapolative Erwartungen• adaptive Erwartungen• regressive Erwartungen• Neuronale Netze• ...• rationale Erwartungen

Motivation


- Was ist GENEFER?


5



Stefan KoothsEric RinghutEinordnung

Lern

fähi

gkei

t

Wissensstandniedrig vollständig

extrem niedrig

extremhoch

statische Erwartungen

extrapolative Erwartungen

adaptive Erwartungen

rationale Erwartungen

adaptive Fuzzyregel-basierte Erwartungen

Grenze der Informationsverarbeitung

Gre

nze

des

Info

rmat

ions

umfa

ngs

regressive Erwartungen

Motivation


- Was ist GENEFER?


6




Anforderungen an eine „realitätsnähere“ Formulierung

• Explizite Wissensrepräsentation (Interpretierbarkeit)

• Berücksichtigung von Unsicherheit (bounded rationality)

• Erfahrungsabhängigkeit (Lernen)

adaptive Fuzzyregel-basierte Erwartungen

Motivation


- Was ist GENEFER?


7




Was sind adaptive Fuzzyregel-basierte Erwartungen?

Warum regelbasiert?Menschen suchen nach Regelmäßigkeiten in komplexen Situationen, mentale Modelle

Warum fuzzy?Unsicherheit über die genaue Funktionsweise des Marktes und der Interpretation von Daten

Warum adaptiv? Menschen lernen aus Erfahrungen und verwerfen Regeln, formulieren neue, modifizieren bestehende, etc.

- Motivation

Welche Erwartungs-bildungshypothese ist in GENEFER abgebildet?

- Was ist GENEFER?


8




Wenn der Auftragseingang im Bau hoch ist UND die Zinsstrukturkurve steil ansteigt DANN wird sich die Konjunktur im nächsten Quartal nur wenig verbessern.

Beispiel

Wenn der Auftragseingang im Bau hoch ist UND die Zinsstrukturkurve steil ansteigt DANN wird sich die Konjunktur im nächsten Quartal nur wenig verbessern.

- Motivation


- Was ist GENEFER?


9




klein hoch

Was sind Fuzzy Mengen?

AE Bau

µ

1,0mittel

0,8

0,3

0,8%0,4% 0,9%

- Motivation


- Was ist GENEFER?


10



Stefan KoothsEric RinghutFuzzy Regelbasis

IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...

Output

IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...IF... AND...THEN...

- Motivation


- Was ist GENEFER?


11



Stefan KoothsEric RinghutFuzzy Inferenz

1. Aktivierungsgrad aller Regeln bestimmen2. Erzeugen der Fuzzy-Inferenzergebnismenge

(grau schraffierte Fläche)3. Defuzzifizierung

(Bsp.: Flächenschwerpunkt)ZG

0,5

0

1sehr klein klein mittel groß sehr groß

Fuzzy Inferenzergebnismenge

scharfer Regelbasis-Output

- Motivation


- Was ist GENEFER?


12




Fuzzy Inferenzprozess im Überblick

Filterungwahrge-nommene Umwelt

Weight IF Input1 AND Input2 THEN Output

1 low medium medium

2 low very high high

3 medium very low low

4 high very high high

5 low low low

6 high medium medium

7 high very low medium

8 medium low low

9 medium medium medium

10 high medium medium

scharfer Regelbasis

Output

Richtung der Informationsverarbeitung

linguistische Ebenereellwertige Ebene reellwertige Ebene

numerische Input- und Outputdaten

FuzzifizierungInferenz

(Fuzzy Regelbasis)Defuzzifizierung

numerischer Fuzzy Regel-basis-Output

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Automatische Regelgenerierung

outoutt

maxout t

in1

in2

in1,t

in2,t

max

max

2,tin

1,tin

dt = { outt, in1,t, in2,t }

Regel R:

1

1

1

2

2

2

3

3

3

3 1 2

Termcode

Bsp.: evolutionäres Verfahren - Motivation


- Was ist GENEFER?


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Stefan KoothsEric RinghutLernen

(1) Anpassen der Zentren und Weiten

w1 IF AND THEN

w2 IF AND THEN

w3 IF AND THEN

w4 IF AND THEN

w5 IF AND THEN

w6 IF AND THEN

w7 IF AND THEN

(1)(2)

(3)

(2) Gewichtung der Regeln durch ‚reinforcement‘ und Vergessen

(3) Erzeugen neuer Regeln

- Motivation


- Was ist GENEFER?


15




KI-Techniken als Lernmethoden

NeuronaleNetze (EBP)

Genetische Algorithmen

-1

0

1

1

0

-1

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

F(x1;x2)

x1

x2

- Motivation


- Was ist GENEFER?


- 2

0

22

0

- 2- 0 , 2

0

0 , 2

0 , 4

0 , 6

0 , 8

1

F ( x 1 ; x 2 )

x 1

x 2

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Stefan KoothsEric RinghutGENEFER

Universelles Werkzeug für Design, Handling und Analyse von Fuzzyregel-basen

Erwartungs-Generator für ökonomische Simulationen via COM-Interface

Prognosewerkzeug

- Motivation


Was ist GENEFER?


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Stefan KoothsEric RinghutInterdisziplinarität

Cognitive Science'mental models'

Economicsapplications

Computer Sciencetechnical realization

GENEFER

- Motivation


- Was ist GENEFER?


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Entwurf einer FRB in GENEFER

(1) Input Identifizierung

(2) Fuzzifizierung

(3) Regelbasis-Entwurf- Generierung

- Simplifizierung

(4) Fuzzy Regelbasis-Tuning

- Motivation


Was ist GENEFER?


19



Stefan KoothsEric RinghutWebseite

www. .de

- Motivation


Was ist GENEFER?


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Stefan KoothsEric RinghutDemo

Fokus: „look and feel“ Prognosebeispiel:

Handelsblatt Frühindikator Beispiel 1

Offline-Prognose mit HBI-Inputs

Beispiel 2Input-Identifizierung: FC/FS

- Motivation


- Was ist GENEFER?


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Stefan KoothsEric RinghutDaten

Output: BIP Jahrswachstumsrate (Quartale) Inputs (monatlich):

Auftragseingang im Verarbeitenden Gewerbe

Auftrageeingang im Bauhauptgewerbe Einzelhandelsumsätze ifo-Geschäftsklima für das Verarbeitende

Gewerbe Zinstruktur (iL – Fibor)

Zeitraum Jan. 1980 bis Okt. 2001 (265 Monate) BIP-Wachstum bis Q3 2001 Prognose mit dreimonatigem Vorlauf

- Motivation


- Was ist GENEFER?


22



Stefan KoothsEric RinghutPrognosevorlauf

- Motivation


- Was ist GENEFER?


23




Ex-post Simulation(FB: triangulär, EBP-Tuning: Lernrate=1 Epochen=25)

-3%

-2%

-1%

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

Jan.80

Jan.81

Jan.82

Jan.83

Jan.84

Jan.85

Jan.86

Jan.87

Jan.88

Jan.89

Jan.90

Jan.91

Jan.92

Jan.93

Jan.94

Jan.95

Jan.96

Jan.97

Jan.98

Jan.99

Jan.00

Jan.01

Jan.02

GDP

HBI: 0,69 %

GENEFER: 0,53 %

24




Ex-post Simulation(FB: Gauss, EBP-Tuning: Lernrate=1, Epochen=25)

-3%

-2%

-1%

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

Jan.80

Jan.81

Jan.82

Jan.83

Jan.84

Jan.85

Jan.86

Jan.87

Jan.88

Jan.89

Jan.90

Jan.91

Jan.92

Jan.93

Jan.94

Jan.95

Jan.96

Jan.97

Jan.98

Jan.99

Jan.00

Jan.01

Jan.02

GDP

HBI: 0,69 %

GENEFER: 0,49 %

25




Ex-ante Simulation ab Mai 1994(FB: Gauss, kein OoS-Lernen)

-3%

-2%

-1%

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

Jan.80

Jan.81

Jan.82

Jan.83

Jan.84

Jan.85

Jan.86

Jan.87

Jan.88

Jan.89

Jan.90

Jan.91

Jan.92

Jan.93

Jan.94

Jan.95

Jan.96

Jan.97

Jan.98

Jan.99

Jan.00

Jan.01

Jan.02

GDP

HBI: 0,46 %

GENEFER: 0,77 %

GENEFER-Prognose

26




Ex-ante Simulation ab Mai 1994(FB: Gauss, OoS-Lernrate: 0,4)

-3%

-2%

-1%

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

Jan.80

Jan.81

Jan.82

Jan.83

Jan.84

Jan.85

Jan.86

Jan.87

Jan.88

Jan.89

Jan.90

Jan.91

Jan.92

Jan.93

Jan.94

Jan.95

Jan.96

Jan.97

Jan.98

Jan.99

Jan.00

Jan.01

Jan.02

GDP

HBI: 0,46 %

GENEFER: 0,36 %

GENEFER-Prognose

27




Ex-ante Simulation ab Mai 1994(FB: triangulär, OoS-Lernrate: 0,4)

-3%

-2%

-1%

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

Jan.80

Jan.81

Jan.82

Jan.83

Jan.84

Jan.85

Jan.86

Jan.87

Jan.88

Jan.89

Jan.90

Jan.91

Jan.92

Jan.93

Jan.94

Jan.95

Jan.96

Jan.97

Jan.98

Jan.99

Jan.00

Jan.01

Jan.02

GDP

HBI: 0,46 %

GENEFER: 0,41 %

GENEFER-Prognose

28




Ex-ante Simulation ab Mai 1994(FB: Gauss, OoS: Lernrate=0,4 Steps=3)

-3%

-2%

-1%

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

Jan.80

Jan.81

Jan.82

Jan.83

Jan.84

Jan.85

Jan.86

Jan.87

Jan.88

Jan.89

Jan.90

Jan.91

Jan.92

Jan.93

Jan.94

Jan.95

Jan.96

Jan.97

Jan.98

Jan.99

Jan.00

Jan.01

Jan.02

GDP

HBI: 0,46 %

GENEFER: 0,41 %

GENEFER-Prognose

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Universität Münster, Institut für industriewirtschaftliche Forschung Stefan Kooths Eric Ringhut KI-gestützte Konjunkturprognosen mit GENEFER Adaptive Fuzzy