Классы систем Data Mining

Data Mining является мультидисциплинарной областью, возникшей и развивающейся на базе достижений прикладной статистики, распознавания образов, методов искусственного интеллекта, теории баз данных и др. Отсюда обилие методов и алгоритмов, реализованных в различных действующих системах Data Mining. Многие их таких систем интегрируют в себе сразу несколько подходов.

Ниже приводится классификация указанных ключевых компонентов.

Статистические пакеты. Предметно-ориентированные аналитические системы. Нейронные сети. Системы рассуждений на основе аналогичных случаев. Деревья решений. Эволюционное программирование. Генетические алгоритмы. Алгоритмы ограниченного перебора. Системы для визуализации многомерных данных.

Предметно-ориентированные аналитические системы. Наиболее развиты системы в области исследования финансового рынка, так называемый "технический анализ": прогноз динамики цен, выбор оптимальной структуры инвестиционного портфеля, основанный на различных эмпирических моделях динамики рынка. Эти методы максимально учитывают специфику приложения (профессиональный язык, индексы и пр.).

Статистические пакеты. Оказались полезными главным образом для проверки заранее сформулированных гипотез (verification-driven data mining) и для "грубого" разведочного анализа, составляющего основу оперативной аналитической обработки данных (online analytical, OLAP). Большинство методов опираются на усредненные характеристики выборки, которые при исследовании реальных сложных жизненных феноменов часто являются фиктивными величинами. Хорошо описаны пакеты STATGRAPHICS, STATISTICA, STADIA.

Искусственные нейронные сети. Здесь для предсказания значения целевого показателя используются наборы входных переменных, математических функций активации и весовых коэффициентов входных параметров. Выполняется итеративный обучающий цикл, нейронная сеть модифицирует весовые коэффициенты до тех пор, пока предсказываемый выходной параметр соответствует действительному значению. После обучения нейронная сеть становится моделью, которую можно применить к новым данным с целью прогнозирования. Основным недостатком в этом случае является необходимость иметь очень большой объем обучающей выборки. Кроме того, любая нейронная сеть представляет собой "черный ящик" и знания в виде нескольких сотен весовых коэффициентов, полученных с ее помощью, не поддаются анализу и интерпретации. Примеры - BrainMaker, NeuroShell, OWL.

Системы рассуждений на основе аналогичных случаев. Вывод путем сопоставления (Memory-based Reasoning, MBR) или вывод, основанный на прецедентах (Case-based Reasoning, CBR). Эти алгоритмы основаны на обнаружении некоторых аналогий в прошлом, наиболее близких к текущей ситуации, с тем чтобы оценить неизвестное значение или предсказать возможные результаты (последствия). Эти методы называют еще методом "ближайшего соседа". В выборе решения они основываются на всем массиве доступных исторических данных, поэтому невозможно сказать, на основе каких конкретно факторов строятся ответы. Примеры: KATE tools (Франция), Pattern Recognition Workbench (США), КОРА (Россия).

Деревья решений и Алгоритмы классификации. Создается иерархическая структура классифицирующих правил типа "ЕСЛИ..., ТО...", имеющая вид дерева. Для принятия решения, к какому классу отнести некоторый объект или ситуацию, требуется ответить на вопросы, стоящие в узлах этого дерева, начиная с его корня. Определяют естественные “разбивки” в данных, основанные на целевых переменных. Сначала выполняется разбивка по наиболее важным переменным. Ветвь дерева можно представить как условную часть правила. Наиболее часто встречающимися примерами являются алгоритмы классификационных и регрессионных деревьев (Classification and regression trees, CART) либо хи-квадрат индукция (Chi-squared Automatic Induction, CHAID). Недостаток: деревья решений принципиально не способны находить "лучшие" (наиболее полные и точные) правила в данных. (IDIS, KnowledgeSEEKER, See5/C5.0).

Эволюционное программирование. Искомая зависимость целевой переменной от других переменных моделируется несколькими вариантами алгоритмов, из которых отбирается тот, который воспроизводит зависимость более точно. Программы, совершенствуясь, конкурируют друг с другом как живые организмы при естественном отборе в борьбе за выживаемость. Примером такой системы является PolyAnalyst. Найденные зависимости представляются пользователю в виде математической формулы или таблицы. Иногда зависимость ищется в виде функции какого-то определенного вида, например в виде полинома. Так работает метод группового учета аргументов (МГУА).

Генетические алгоритмы. Исходно это было мощное средство решения разнообразных комбинаторных задач и задач оптимизации. Построение алгоритма начинается с кодировки логических закономерностей в базе данных (в виде так называемых, хромосом). Популяция таких хромосом обрабатывается при последовательных итерациях с проведением отбора, операции изменчивости (мутации), скрещивания, генетической композиции, как это происходит в природе с настоящими генами. Для отбора определенных особей и отклонения других используется “функция приспособленности” (fitness function). Генетические алгоритмы в первую очередь применяются для оптимизации топологии нейронных сетей и весов. Однако, их можно использовать и самостоятельно, для моделирования. Пример: GeneHunter.

Алгоритмы ограниченного перебора. Ассоциативные правила. Предложены М.М. Бонгардом для поиска логических закономерностей в данных. Выявляют причинно-следственные связи и определяют вероятности или коэффициенты достоверности, позволяя делать соответствующие выводы. Правила представлены в форме “если <условия>, то <вывод>”. Их можно использовать для прогнозирования или оценки неизвестных параметров (значений). На основе частоты встречаемости логических закономерностей делается вывод о полезности какой-либо их комбинации (конъюнкции) для установления ассоциации в данных, для классификации, прогнозирования и т.д. (Пример, WizWhy). Недостатки: максимальная длина комбинации в if-then-правиле равна 6; поиск простых логических событий в начале работы производится эвристически. Тем не менее данная система постоянно демонстрирует более высокие показатели при решении практических задач, чем все остальные алгоритмы.

Системы для визуализации многомерных данных. Средства графического отображения данных поддерживаются всеми системами Data Mining. Но некоторые предназначены исключительно для этой цели (например, Data Miner 3D). Их главной характеристикой является дружелюбный пользовательский интерфейс с удобными средствами масштабирования и вращения изображений.

Кластерный анализ. Подразделяет гетерогенные данные на гомогенные или полугомогенные группы. Метод позволяет классифицировать наблюдения по ряду общих признаков. Кластеризация расширяет возможности прогнозирования.

Конечно, для того, чтобы разобраться в достоинствах и недостатках приведенных здесь методов Data Mining, не достаточно столь краткого описания. Требуется гораздо больше информации и времени, чтобы сориентироваться в столь разнообразных и не всегда простых методах. Необходимы консультации профессионалов в области Data Mining, рекомендующих наилучший подход в той или иной ситуации. Но затраченные усилия не пропадут даром, т.к. методы Data Mining значительно расширяют возможности специалистов любой области знаний для выявления наиболее информативных показателей при обработке обширных баз данных и решении конкретных задач; позволяют обнаруживать порой принципиально новые факты, радикально меняющие известные взгляды. Благодаря быстрому прогрессу вычислительной техники и появлению программ с дружественным интерфейсом они становятся все более доступными для пользователя. Нужно грамотно использовать разные методы Data Mining при решении разных задач.