Data mining

Не следует путать с Извлечение информации.

Не следует путать с Извлечение знаний.

Data mining (рус. добыча данных, интеллектуальный анализ данных, глубинный анализ данных) — собирательное название, используемое для обозначения совокупности методов обнаружения в данных ранее неизвестных, нетривиальных, практически полезных и доступных интерпретации знаний, необходимых для принятия решений в различных сферах человеческой деятельности. Термин введён Григорием Пятецким-Шапиро в 1989 году.

Английское словосочетание «data mining» пока не имеет устоявшегося перевода на русский язык. При передаче на русском языке используются следующие словосочетания: просев информации, добыча данных, извлечение данных, а также интеллектуальный анализ данных. Более полным и точным является словосочетание «обнаружение знаний в базах данных» (англ. knowledge discovery in databases, KDD).

Основу методов data mining составляют всевозможные методы классификации, моделирования и прогнозирования, основанные на применении деревьев решений, искусственных нейронных сетей, генетических алгоритмов, эволюционного программирования, ассоциативной памяти, нечёткой логики. К методам data mining нередко относят статистические методы (корреляционный и регрессионный анализ, факторный анализ, дисперсионный анализ, компонентный анализ, дискриминантный анализ, анализ временных рядов, анализ выживаемости, анализ связей). Такие методы, однако, предполагают некоторые априорные представления об анализируемых данных, что несколько расходится с целями data mining (обнаружение ранее неизвестных нетривиальных и практически полезных знаний).

Одно из важнейших назначений методов data mining состоит в наглядном представлении результатов вычислений (визуализация), что позволяет использовать инструментарий data mining людьми, не имеющими специальной математической подготовки.

Применение статистических методов анализа данных требует хорошего владения теорией вероятностей и математической статистикой.

Введение

Методы data mining (или, что то же самое, knowledge discovery in data, сокращённо KDD) лежат на стыке статистики и искусственного интеллекта.

Исторический экскурс

Область data mining началась с семинара, проведённого Григорием Пятецким-Шапиро в 1989 году.

Ранее, работая в компании GTE Labs, Григорий Пятецкий-Шапиро заинтересовался вопросом: можно ли автоматически находить определённые правила, чтобы ускорить некоторые запросы к крупным базам данных. Тогда же было предложено два термина — data mining («добыча данных») и knowledge discovery in data (который следует переводить как «открытие знаний в базах данных»).

В 1993 году вышла первая рассылка «Knowledge Discovery Nuggets», а в 1994 году был создан один из первых сайтов по data mining.

Постановка задачи

Первоначально задача ставится следующим образом:

• имеется достаточно крупная база данных;
• предполагается, что в базе данных находятся некие «скрытые знания».

Необходимо разработать методы обнаружения знаний, скрытых в больших объёмах исходных «сырых» данных. В текущих условиях глобальной конкуренции именно найденные закономерности (знания) могут быть источником дополнительного конкурентного преимущества.

Что означает «скрытые знания»? Это должны быть обязательно знания:

• ранее неизвестные — то есть такие знания, которые должны быть новыми (а не подтверждающими какие-то ранее полученные сведения);
• нетривиальные — то есть такие, которые нельзя просто так увидеть (при непосредственном визуальном анализе данных или при вычислении простых статистических характеристик);
• практически полезные — то есть такие знания, которые представляют ценность для исследователя или потребителя;
• доступные для интерпретации — то есть такие знания, которые легко представить в наглядной для пользователя форме и легко объяснить в терминах предметной области.

Эти требования во многом определяют суть методов data mining и то, в каком виде и в каком соотношении в технологии data mining используются системы управления базами данных, статистические методы анализа и методы искусственного интеллекта.

Data mining и базы данных

Методы data mining могут применяться как для работы с большими данными, так и для обработки сравнительно малых объёмов данных, полученных, например, в результате отдельных экспериментов или при анализе деятельности организаций. В качестве критерия достаточного объёма данных рассматриваются как предметная область исследования, так и применяемый алгоритм анализа.

Развитие технологий баз данных сначала привело к созданию специализированного языка — языка запросов к базам данных. Для реляционных баз данных — это язык SQL, который предоставил широкие возможности для создания, изменения и извлечения хранимых данных. Затем возникла необходимость в получении аналитической информации (например, информации о деятельности предприятия за определённый период), и тут оказалось, что традиционные реляционные базы данных, хорошо приспособленные, например, для ведения оперативного учёта на предприятии, плохо приспособлены для проведения анализа. Это привело, в свою очередь, к созданию т. н. «хранилищ данных», сама структура которых наилучшим способом соответствует проведению всестороннего математического анализа.

Data mining и искусственный интеллект

Знания, добываемые методами data mining, принято представлять в виде закономерностей (паттернов). В качестве таких выступают:

• ассоциативные правила;
• деревья решений;
• кластеры;
• математические функции.

Алгоритмы поиска таких закономерностей находятся на пересечении областей: Искусственный интеллект, Математическая статистика, Математическое программирование, Визуализация, OLAP.

Data mining и бизнес

По мнению компании IBM, обработка «больших данных» — это «способность по-новому использовать информацию для выработки полезных идей или создания товаров и услуг, имеющих высокую ценность» Это определение трактует большие данные как разновидность аналитики, так как работа с ними направлена на извлечение полезных сведений, способных обеспечить конкурентное преимущество.

Задачи

Задачи, решаемые методами data mining, принято разделять на описательные (англ. descriptive) и предсказательные (англ. predictive).

В описательных задачах самое главное — это дать наглядное описание имеющихся скрытых закономерностей, в то время как в предсказательных задачах на первом плане стоит вопрос о предсказании для тех случаев, для которых данных ещё нет.

К описательным задачам относятся:

• поиск ассоциативных правил или паттернов (образцов);
• группировка объектов, кластерный анализ;
• построение регрессионной модели.

К предсказательным задачам относятся:

• классификация объектов (для заранее заданных классов);
• регрессионный анализ, анализ временны́х рядов.

К числу современных исследований в области предсказательного анализа относятся работы израильского специалиста в области искусственного интеллекта Кира Радински, которая совместно с Эриком Хорвицем разработала методы прогнозирования социальных, природных и эпидемиологических событий на основе анализа исторических и сетевых данных. Разработанные модели, в частности, применялись для прогнозирования вспышек холеры на Кубе с использованием более чем 150-летнего массива исторических данных.

Алгоритмы обучения

Для задач классификации характерно «обучение с учителем», при котором построение (обучение) модели производится по выборке, содержащей входные и выходные векторы.

Для задач кластеризации и ассоциации применяется «обучение без учителя», при котором построение модели производится по выборке, в которой нет выходного параметра. Значение выходного параметра («относится к кластеру …», «похож на вектор …») подбирается автоматически в процессе обучения.

Для задач сокращения описания характерно отсутствие разделения на входные и выходные векторы. Начиная с классических работ К. Пирсона по методу главных компонент, основное внимание уделяется аппроксимации данных.

Этапы обучения

Типичный процесс решения задач методами data mining включает следующие этапы:

1. Постановка задачи анализа и определение целей исследования;
2. Сбор и интеграция исходных данных;
3. Подготовка данных (очистка, фильтрация, дополнение, кодирование и преобразование признаков);
4. Выбор модели и метода анализа данных;
5. Настройка параметров модели и алгоритма обучения;
6. Обучение модели и автоматический подбор внутренних параметров;
7. Оценка качества полученной модели; при неудовлетворительных результатах — возврат к этапам выбора модели или настройки параметров;
8. Интерпретация выявленных закономерностей и практическая валидация результатов; при необходимости — повторная постановка задачи или корректировка исходных данных.

Подготовка данных

Перед использованием алгоритмов data mining необходимо произвести подготовку набора анализируемых данных. Так как ИАД может обнаружить только присутствующие в данных закономерности, исходные данные с одной стороны должны иметь достаточный объём, чтобы эти закономерности в них присутствовали, а с другой — быть достаточно компактными, чтобы анализ занял приемлемое время. Чаще всего в качестве исходных данных выступают хранилища или витрины данных. Подготовка необходима для анализа многомерных данных до кластеризации или интеллектуального анализа данных.

Далее данные фильтруются. Фильтрация удаляет выборки с шумами и пропущенными данными.

Отфильтрованные данные сводятся к наборам признаков (или векторам, если алгоритм может работать только с векторами фиксированной размерности), один набор признаков на наблюдение. Набор признаков формируется в соответствии с гипотезами о том, какие признаки сырых данных имеют высокую прогнозную силу в расчете на требуемую вычислительную мощность для обработки. Например, черно-белое изображение лица размером 100×100 пикселей содержит 10 тыс. бит сырых данных. Они могут быть преобразованы в вектор признаков путём обнаружения в изображении глаз и рта. В итоге происходит уменьшение объёма данных с 10 тыс. бит до списка кодов положения, значительно уменьшая объём анализируемых данных, а значит и время анализа.

Ряд алгоритмов умеют обрабатывать пропущенные данные, имеющие прогностическую силу (например, отсутствие у клиента покупок определенного вида). Скажем, при использовании метода ассоциативных правил обрабатываются не векторы признаков, а наборы переменной размерности.

Выбор целевой функции будет зависеть от того, что является целью анализа; выбор «правильной» функции имеет основополагающее значение для успешного интеллектуального анализа данных.

Наблюдения делятся на две категории — обучающий набор и тестовый набор. Обучающий набор используется для «обучения» алгоритма data mining, а тестовый набор — для проверки найденных закономерностей.

См. также

• Web mining

Литература

• Паклин Н. Б., Орешков В. И. Бизнес-аналитика: от данных к знаниям (+ СD). — СПб.: Изд. Питер, 2009. — 624 с.

• Дюк В., Самойленко А. Data Mining: учебный курс (+CD). — СПб.: Изд. Питер, 2001. — 368 с.

• Журавлёв Ю.И., Рязанов В.В., Сенько О.В. РАСПОЗНАВАНИЕ. Математические методы. Программная система. Практические применения. — М.: Изд. «Фазис», 2006. — 176 с. — ISBN 5-7036-0108-8.

• Зиновьев А. Ю. Визуализация многомерных данных. — Красноярск: Изд. Красноярского государственного технического университета, 2000. — 180 с.

• Чубукова И. А. Data Mining: учебное пособие. — М.: Интернет-университет информационных технологий: БИНОМ: Лаборатория знаний, 2006. — 382 с. — ISBN 5-9556-0064-7.
• Ситник В. Ф., Краснюк М. Т. Інтелектуальний аналіз даних (дейтамайнінг): Навч. посібник. — К.: КНЕУ, 2007. — 376 с.
• Ian H. Witten, Eibe Frank and Mark A. Hall. Data Mining: Practical Machine Learning Tools and Techniques. — 3rd Edition. — Morgan Kaufmann, 2011. — P. 664. — ISBN 9780123748560.
• Дэйв Миллнер, Надим Хан. HR-аналитика. Практическое руководство по работе с персоналом на основе больших данных = Introduction to People Analytics: A practical guide to data-driven HR. — М.: Альпина Паблишер , 2022. — 384 с. — ISBN 978-5-9614-7831-0.
• Орлов А.И. Искусственный интеллект: статистические методы анализа данных : учебник. — М.: Ай Пи Ар Медиа, 2022. — 843 c. — ISBN 978-5-4497-1470-1
• Орлов А.И., Луценко Е.В. Анализ данных, информации и знаний в системной нечеткой интервальной математике: научная монография. – Краснодар: КубГАУ, 2022. – 405 с.
• А. А. Барсегян, М. С. Куприянов, В. В. Степаненко, И. И. Холод. — Методы и модели анализа данных: OLAP и Data Mining. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004. — 336 с.
• А. А. Барсегян, М. С. Куприянов, В. В. Степаненко, И. И. Холод. — Технологии анализа данных: Data Mining, Visual Mining, Text Mining, OLAP. 2-е изд., — СПб.: БХВ-Петербург, 2007. — 384 с.
• А. А. Барсегян, М. С. Куприянов, И. И. Холод, М. Д. Тесс, С. И. Елизаров. — Анализ данных и процессов: учеб. пособие. 3-е изд., — СПб.: БХВ-Петербург, 2009. — 512 с.

Ссылки

• Data Mining Software в каталоге ссылок Curlie (dmoz)