Sigma-pi neural network model for data clustering

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Mudflows are some of the most destructive geological phenomena, and their prediction is challenging due to their complexity and the strong nonlinear relationships between the various factors that contribute to their formation. Traditional modeling methods have limitations in their ability to interpret and account for the complex interactions between different factors, and this lead to the need for the development of more advanced approaches.

Aim. The study aims to develop and test a sigma-pi neural network architecture for mudflow clustering based on morphometric and genetic characteristics as well as to identify the key factors and their combinations that contribute to the formation of different mudflow types.

Materials and methods. Cadastral data on mudflows in the southern European part of Russia is used as the initial data. A sigma-pi neural network capable of accounting for both linear features and their second-order interactions is employed for analysis. A silhouette coefficient is used to determine the number of clusters. The results are compared with those obtained using Kohonen's self-organizing maps (SOM).

Results. The model identified three stable clusters corresponding to mud, rock, and mud-rock types of mudflows. Analysis of the significance of features has revealed that the basin area, channel slope, and maximum sediment volume make the greatest contributions to cluster formation, as well as their various pairwise combinations. Comparison with the SOM (self-organizing map) confirmed the improved interpretability of the proposed model and its ability to identify hidden, nonlinear relationships.

Conclusions. The use of sigma-pi neural networks not only improves the accuracy of mudflow clustering, but also ensures the interpretability of the results by analyzing the significance of features and their combinations. This approach is promising for engineering geology and can be used in geoecological monitoring systems and forecasting of hazardous processes.

About the authors

R. A. Zhilov

Institute of Applied Mathematics and Automation - branch of Kabardino-Balkarian Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: zhilov91@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3552-4854
SPIN-code: 9389-6188

Junior Researcher, Neuroinformatics and Machine Learning Department 

Russian Federation, 89 A, Shortanov street, Nalchik, 360000, Russia

References

  1. Tatarenko N.V., Shagin S.I., Mashukov Kh.V. Geographical features of the distribution of mudflow phenomena in the Kabardino-Balkarian Republic. Scientific News. 2019. No. 17. Pp. 26-30. EDN: ZJPAGU. (In Russian)
  2. Zhilov R.A. Construction of a Kohonen self-organizing map (SOM) for predicting types of mudflows. News of the Kabardino-Balkarian Scientific Center of the RAS. 2024. No. 5. Pp. 129-137. doi: 10.35330/1991-6639-2024-26-5-129-137. (In Russian)
  3. Lyutikova L.A. Analysis of mudflow characteristics with limited data using machine learning models. Modeling, Optimization and Information Technology. 2024. Vol. 12. No. 4. ID: 36. doi: 10.26102/2310-6018/2024.47.4.029. (In Russian)
  4. Sleiman A., Kozlov D.V. Using artificial neural networks to assess surface runoff in water management balance calculations of the upper Orontes River Basin. Water Sector of Russia: problems, Technologies, Management. 2024. No. 3. Pp. 92-107. doi: 10.35567/19994508-2024-3-21-37. (In Russian)
  5. Bodianskii E.V., Kulishova N.E. Multidimensional artificial neural sigma-pi network and its training algorithm. Radioelectronics and Informatics. 2005. No. 4. Pp. 122-125. (In Russian)
  6. Jiao J., Su K. A new Sigma-Pi-Sigma neural network based on L1 and L2 regularization and applications. AIMS Mathematics. 2024. Vol. 9. No. 3. Pp. 5995-6012. doi: 10.3934/math.2024293
  7. Deng F., Liang S., Qian K. et al. A recurrent sigma pi sigma neural network. PMC / NCBI, 2025. doi: 10.1038/s41598-024-84299-y
  8. Zhilov R.A. Intelligent methods for data clustering. News of the Kabardino-Balkarian Scientific Center of the RAS. 2023. No. 6(116). Pp. 152-159. doi: 10.35330/1991-6639-2023-6-116-152-159. (In Russian)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Zhilov R.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».