Master's Thesis

Optimization of fuzzy system parameters using artificial intelligence methods

Final Thesis 3.74 MB Appendix 7.73 MB

Author of thesis: Ing. Tomáš Kuběna

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Tomáš Marada, Ph.D.

Reviewer: Ing. Daniel Zuth, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the implementation and comparison of artificial intelligence methods for optimizing the parameters of a fuzzy classifier. In testing preprocessing methods, normalization achieved the highest accuracy of classification, but the use of principal component analysis reduced computation time by 90% with a loss of accuracy by few percent. Cluster analysis was used for the initial parameter settings, where the Fuzzy C-means method proved to be more successful and was subsequently used for optimization. The main part of the work is a comparison of the genetic algorithm (GA) and particle swarm optimization (PSO). Comparison results on the Iris, Wine, Dry Bean and Vibro datasets showed that GA is more demanding in terms of proper configuration but achieves higher accuracy and optimization stability. PSO lags behind in speed and is more likely to get stuck in local minimum. When applied in technical practice, it is advisable to use principal component analysis to reduce computation time, the FCM method for initial parameter tuning, and then the genetic algorithm, which is more robust and has good repeatability. Beyond the scope of this work, an application was developed for configuring algorithms, running optimization, and visualizing results.

Keywords:

Fuzzy classifier, cluster analysis, principal component analysis, membership function, fitness function, genetic algorithm, particle swarm optimization.

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Prezentace: - Fuzzy systém - Vybrané datasety pro testování - Struktura algoritmu - Předzpracování dat - Shluková analýza - Metody optimalizace parametrů - Vývoj Fitness funkce - Metody optimalizace parametrů - Standalone aplikace - Zhodnocení a závěr Student seznámil členy komise s výsledky své práce a odpověděl na otázky oponenta. Otázky členů komise: - Proč byly zvoleny konkrétně tyto datasety? Zodpovězeno. - Jak lze využít výsledky práce? Zodpovězeno částečně. Student odpověděl na otázky členů komise s drobnými nedostatky.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Production Machines, Systems and Robots (N-VSR-P)

Composition of Committee

Ing. Tomáš Marek, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Vetiška, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Vlček (člen)
doc. Ing., Dipl.-Ing Michal Holub, Ph.D., FEng. (předseda)
Ing. Rostislav Huzlík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Kolář, Ph.D. (místopředseda)

Supervisor’s report
Ing. Tomáš Marada, Ph.D.

Cílem předložené diplomové práce byl návrh, implementace a následné porovnání metod umělé inteligence pro ladění parametrů fuzzy klasifikátoru. Jedná se o komplexní n-dimenzionální problém, který kombinuje teoretické znalosti fuzzy logiky s praktickou softwarovou realizací v prostředí MATLAB.

V rámci přípravy řešení byla pozornost věnována předzpracování dat, které se ukázalo jako kritické pro úspěšnost algoritmů. Autor testoval vliv normalizace a analýzy hlavních komponent (PCA). Výsledky prokázaly, že zatímco normalizace zajišťuje nejvyšší přesnost, použití PCA dokáže zredukovat čas výpočtu až o 90 % při minimální ztrátě přesnosti v řádu jednotek procent. Tento poznatek je cenný pro nasazení v reálných systémech s velkým objemem dat.

Jádrem práce je implementace a srovnání genetického algoritmu (GA) a optimalizace rojem částic (PSO). Autor detailně popisuje proces tvorby fitness funkce, která prošla několika fázemi vývoje, od jednoduché kvadratické chyby až po pokročilé vyhodnocení pomocí F1 skóre a penalizace zanedbávaných tříd. Experimentální část na datasetech Iris, Wine, Dry Bean a Vibro ukázala, že GA dosahuje vyšší přesnosti a stability, zatímco PSO je sice méně náročné na nastavení, ale náchylnější k uvíznutí v lokálních minimech.

Nad rámec zadání byla v prostředí MATLAB App Designer vytvořena funkční softwarová aplikace. Ta umožňuje uživateli pohodlně konfigurovat parametry optimalizace, volit datasety a v reálném čase vizualizovat průběh výpočtu včetně matic záměn. Aplikace je plně zdokumentována a vybavena logikou pro indikaci stavu výpočtu a ošetření chybových stavů.

Navzdory vysoké náročnosti na správné nastavení vnitřních parametrů genetického algoritmu práce splnila všechny stanovené cíle a vytvořila robustní platformu vhodnou pro technickou praxi i další výzkum. Výsledné řešení umožňuje automatizovat ladění fuzzy systémů, což by bylo při manuálním postupu u komplexních dat neproveditelné. Práce představuje hodnotný přínos v oblasti technické diagnostiky (identifikace poruch strojů) a otevírá prostor pro další rozvoj.

Cíle práce byly splněny a zadané téma lze považovat za splněné v požadovaném rozsahu.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Daniel Zuth, Ph.D.

Práce se věnuje návrhu a porovnání metod umělé inteligence určených pro optimalizaci parametrů fuzzy klasifikátoru. Teoretická část popisuje možnosti předzpracování a analýzy vstupních dat a následuje popis samotné Fuzzy logiky a její problematiky, poté je vysvětlena shluková analýza a na závěr optimalizační metody využívané v podobném typu úloh.

Praktická část spočívá v aplikaci a ověření metod optimalizace u čtyř nezávislých datasetů a porovnání různých kombinací předzpracování dat. Součástí práce je i vytvořený grafické rozhraní pro vyzkoušení různých metod.

Co se týká samotné aplikace, tak ta je zpracovaná na vysoké úrovni, včetně testování různých metod jako redukce vstupních parametrů, ale o to méně je věnována pozornost vstupním datům, nebo parametrům optimalizace. U datasetu vibro není vůbec popsáno jak byly vstupní parametry získány a navíc dle nejasného popisu to vypadá na nevhodnou volbu parametrů. Dále by bylo vhodné graficky ukázat průběhy funkcí příslušnosti před a po optimalizaci.

Text práce je v ohledu optimalizace parametrů popsán mírně nepřehledně.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. Popište jak jste vypočítal parametry pro dataset vibro, tzn jake funkce jste použil a v případě výpočtu AMP uveďte, jaké jste použil parametry FFT. V případě varianty vyhodnocované jen z jednoho snímače, není jasné jaký fázový posun jste vyhodnocoval a z kontextu to vypadá na fázový posun mezi osou X a Y, což je nevhodný parametr, který nějak s nevývahou nesouvisí.
  2. V případě vibro datasetu a wine datasetu proveďte vizualizaci průběhu parametrů v závislosti na třídě. Tzn. Na ose X budou jednotlivá pozorování setříděné dle tříd (třídy graficky oddělené) a na ose Y bude hodnota parametru. Tato vizualizace slouží k porovnání, zda jednotlivé parametry mají různé hodnoty pro různé třídy či nikoliv.

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová