Методы и средства интеллектуального анализа данных. Основы интеллектуального анализа данных: технологии, методы и задачи

Термин интеллектуальный анализ данных можно понимать двояко.

В узком смысле это попытка адекватного русского перевода термина Data Mining , который ввёл в обиход Григорий Пятецкий-Шапиро в 1992 году. Согласно его определению, Data Mining - это процесс обнаружения в сырых данных ранее неизвестных, нетривиальных, практически полезных, доступных интерпретации знаний, необходимых для принятия решений в различных сферах человеческой деятельности . Дословный перевод «раскопки (или добыча) данных» следует, по всей видимости, считать неудачным.

В широком смысле это современная концепция анализа данных, предполагающая, что

• данные могут быть неточными, неполными (содержать пропуски), противоречивыми, разнородными, косвенными, и при этом иметь гигантские объёмы; поэтому понимание данных в конкретных приложениях требует значительных интеллектуальных усилий;
• сами алгоритмы анализа данных могут обладать «элементами интеллекта», в частности, способностью обучаться по прецедентам , то есть делать общие выводы на основе частных наблюдений; разработка таких алгоритмов также требует значительных интеллектуальных усилий;
• процессы переработки сырых данных в информацию , а информации в знания уже не могут быть выполнены по старинке вручную, и требуют нетривиальной автоматизации.

Необходимость интеллектуального анализа данных возникла в конце XX века в результате повсеместного распространения информационных технологий, позволяющих детально протоколировать процессы бизнеса и производства.

По составу решаемых задач Data Mining практически не отличается от стандартного набора средств, применяемых с середины XX века в области прикладной статистики , машинного обучения (machine learning), информационного поиска (information retrieval). Основное различие заключается в эффективности алгоритмов и технологичности их применения. Подавляющее большинство классических процедур имеют время выполнения, квадратичное или даже кубическое по объёму исходных данных. При количестве объектов, превосходящем несколько десятков тысяч, они работают неприемлемо медленно даже на самых современных компьютерах. За последние десятилетия значительные усилия в области Data Mining были направлены на создание специализированных алгоритмов, способных выполнять те же задачи за линейное или даже логарифмическое время без существенной потери точности.

Целью интеллектуального анализа данных (англ. Datamining, другие варианты перевода - "добыча данных", "раскопка данных") является обнаружение неявных закономерностей в наборах данных. Как научное направление он стал активно развиваться в 90-х годах XXвека, что было вызвано широким распространением технологий автоматизированной обработки информации и накоплением в компьютерных системах больших объемов данных [ , ]. И хотя существующие технологии позволяли, например, быстро найти в базе данных нужную информацию, этого во многих случаях было уже недостаточно. Возникла потребность поиска взаимосвязей между отдельными событиями среди больших объемов данных, для чего понадобились методы математической статистики, теории баз данных, теории искусственного интеллекта и ряда других областей.

Классическим считается определение ,данное одним из основателей направления Григорием Пятецким-Шапиро : DataMining - исследование и обнаружение "машиной" (алгоритмами, средствами искусственного интеллекта) в сырых данных скрытых знаний, которые ранее не были известны, нетривиальны, практически полезны, доступны для интерпретации.

Учитывая разнообразие форм представления данных, используемых алгоритмов и сфер применения, интеллектуальный анализ данных может проводиться с помощью программных продуктов следующих классов:

• специализированных "коробочных" программных продуктов для интеллектуального анализа;
• математических пакетов;
• электронных таблиц(и различного рода надстроек над ними);
• средств интегрированных в системы управления базами данных (СУБД);
• других программных продуктов.

В рамках данного курса нас в первую очередь будут интересовать средства, интегрированные с СУБД . В качестве примера можно привести СУБД MicrosoftSQLServer и входящие в ее состав службы AnalysisServices, обеспечивающие пользователей средствами аналитической обработки данных в режиме on-line ( OLAP )и интеллектуального анализа данных, которые впервые появились в MSSQLServer 2000.

Не только Microsoft, но и другие ведущие разработчики СУБД имеют в своем арсенале средства интеллектуального анализа данных.

Задачи интеллектуального анализа данных

В ходе проведения интеллектуального анализа данных проводится исследование множества объектов (или вариантов). В большинстве случаев его можно представить в виде таблицы, каждая строка которой соответствует одному из вариантов, а в столбцах содержатся значения параметров, его характеризующих. Зависимая переменная - параметр , значение которого рассматриваем как зависящее от других параметров (независимых переменных). Собственно эту зависимость и необходимо определить, используя методы интеллектуального анализа данных.

Рассмотрим основные задачи интеллектуального анализа данных.

Задача классификации заключается в том, что для каждого варианта определяется категория или класс , которому он принадлежит. В качестве примера можно привести оценку кредитоспособности потенциального заемщика: назначаемые классы здесь могут быть "кредитоспособен" и "некредитоспособен". Необходимо отметить, что для решения задачи необходимо, чтобы множество классов было известно заранее и было бы конечным и счетным.

Задача регрессии во многом схожа с задачей классификации, но в ходе ее решения производится поиск шаблонов для определения числового значения. Иными словами, предсказываемый параметр здесь, как правило, число из непрерывного диапазона.

Отдельно выделяется задача прогнозирования новых значений на основании имеющихся значений числовой последовательности (или нескольких последовательностей, между значениями в которых наблюдается корреляция). При этом могут учитываться имеющиеся тенденции (тренды), сезонность, другие факторы. Классическим примером является прогнозирование цен акций на бирже.

Тут требуется сделать небольшое отступление. По способу решения задачи интеллектуального анализа можно разделить на два класса: обучение с учителем (от англ. supervisedlearning) и обучение без учителя (от англ. unsupervisedlearning). В первом случае требуется обучающий набор данных, на котором создается и обучается модель интеллектуального анализа данных. Готовая модель тестируется и впоследствии используется для предсказания значений в новых наборах данных. Иногда в этом же случае говорят об управляемых алгоритмах интеллектуального анализа. Задачи классификации и регрессии относятся как раз к этому типу.

Во втором случае целью является выявление закономерностей имеющихся в существующем наборе данных. При этом обучающая выборка не требуется. В качестве примера можно привести задачу анализа потребительской корзины, когда в ходе исследования выявляются товары, чаще всего покупаемые вместе. К этому же классу относится задача кластеризации.

Также можно говорить о классификации задач интеллектуального анализа данных по назначению, в соответствии с которой,они делятся на описательные (descriptive) и предсказательные (predictive). Цель решения описательных задач - лучше понять исследуемые данные, выявить имеющиеся в них закономерности, даже если в других наборах данных они встречаться не будут. Для предсказательных задач характерно то, что в ходе их решения на основании набора данных с известными результатами строится модель для предсказания новых значений.

Но вернемся к перечислению задач интеллектуального анализа данных.

Задача кластеризации - заключается в делении множества объектов на группы (кластеры) схожих по параметрам. При этом, в отличие от классификации, число кластеров и их характеристики могут быть заранее неизвестны и определяться в ходе построения кластеров исходя из степени близости объединяемых объектов по совокупности параметров.

Другое название этой задачи - сегментация . Например, интернет-магазин может быть заинтересован в проведении подобного анализа базы своих клиентов, для того, чтобы потом сформировать специальные предложения для выделенных групп, учитывая их особенности.

Кластеризация относится к задачам обучения без учителя (или "неуправляемым" задачам).

Задача определения взаимосвязей , также называемая задачей поиска ассоциативных правил , заключается в определении часто встречающихся наборов объектов среди множества подобных наборов. Классическим примером является анализ потребительской корзины, который позволяет определить наборы товаров, чаще всего встречающиеся в одном заказе (или в одном чеке). Эта информация может потом использоваться при размещении товаров в торговом зале или при формировании специальных предложений для группы связанных товаров.

Данная задача также относится к классу "обучение без учителя".

Анализ последовательностей или сиквенциальный анализ одними авторами рассматривается как вариант предыдущей задачи, другими - выделяется отдельно. Целью, в данном случае, является обнаружение закономерностей в последовательностях событий. Подобная информация позволяет, например, предупредить сбой в работе информационной системы, получив сигнал о наступлении события, часто предшествующего сбою подобного типа. Другой пример применения - анализ последовательности переходов по страницам пользователей web-сайтов.

Анализ отклонений позволяет отыскать среди

Развитие информационных технологий привело к появлению интеллектуальных технологий анализа деловых данных, аналитических систем и систем интеллектуальной поддержки принятия решений на их базе. Новые информационные технологии позволили найти нетривиальные подходы к автоматизации управленческого труда и отказаться от старых методов управления.

Технологии интеллектуального анализа данных обеспечивают формирование аналитических данных посредством выполнения операции очищения данных локальных баз организации, применения статистических методов и других сложных алгоритмов. Появлению аналитических систем способствовало осознание руководящим звеном предприятий факта, что в базах данных содержится не только информация, но и знания (скрытые закономерности). Последние позволяют охарактеризовать процесс управления предприятием и дать интеллектуальную информацию для более обоснованного принятия решений.

Можно выделить следующие технологии интеллектуального анализа данных:

• · Оперативный анализ данных посредством OLAP-систем;
• · Поиск и интеллектуальный выбор данных Data Mining;
• · Деловые интеллектуальные технологии BIS;
• · Интеллектуальный анализ текстовой информации.

Аналитические системы OLAP (On-Line Analytical Processing) предназначены для анализа больших объемов информации в интерактивном режиме для создания интеллектуального капитала (аналитических данных), позволяющего руководителю принять обоснованное решение. Они обеспечивают:

• · Агрегирование и детализацию данных по запросу.
• · Выдачу данных в терминах предметной области.
• · Анализ деловой информации по множеству параметров (например, поставщик, его местоположение, поставляемый товар, цены, сроки поставки и т. д.).
• · Многопроходный анализ информации, который позволяет выявить не всегда очевидные тенденции в исследуемой предметной области.
• · Произвольные срезы данных по наименованию, выбираемых из разных внутренних и внешних источников (например, по наименованию товара).
• · Выполнение аналитических операций с использованием статистических и других методов.
• · Согласование данных во времени для использования в прогнозах, трендах, сравнениях (например, согласование курса рубля).

Концепция технологии OLAP была сформулирована Эдгаром Коддом в 1993 году. Она стала ключевым компонентом организации данных в информационных хранилищах и их применении. Эта технология основана на построении многомерных наборов данных - OLAP-кубов. Целью использования технологий OLAP является анализ данных и представление этого анализа в виде, удобном для восприятия и принятия решений.

Основные требования, предъявляемые к приложениям для многомерного анализа:

• · Предоставление пользователю результатов анализа за приемлемое время (не более 5 сек.).
• · Осуществление логического и статистического анализа, его сохранение и отображение в доступном для пользователя виде.
• · Многопользовательский доступ к данным.
• · Многомерное представление данных.
• · Возможность обращаться к любой информации независимо от места ее хранения и объема.

Многомерный анализ может быть реализован средствами анализа данных офисных приложений и распределенными OLAP -системами. Наибольший эффект достигается при использовании многомерных кубов.

Рассмотрим на примерах понятие многомерного куба.

< страны>» можно построить одномерный набор агрегатных значений (агрегат - суммарная стоимость заказов):

Посредством запроса «Какова суммарная стоимость заказов, сделанных клиентами < страны> в < году > и доставленных < компанией>» получаем трехмерный куб (рис.4.1).

Рис. 4.1

Если учесть, что в каждой стране может существовать несколько клиентов, то добавляется четвертое измерение.

Вообще под измерением понимается один из ключей данных, в разрезе которого можно получать, фильтровать, группировать и отражать информацию о фактах. Примеры измерений: страна, клиент, товар, поставщик. Факт - это число, значение. Факты можно суммировать вдоль определенного измерения. Их можно группировать, выполнять над ними другие статистические операции. Агрегатное данное - суммарное, среднее, минимальное, максимальное и другое значение, полученное посредством статистических операций.

Измерения могут иметь иерархическую структуру. Например, в стране может быть несколько городов, в городе - несколько клиентов, их могут обслуживать различные поставщики из тех же или других городов и стран. Для отображения иерархии измерений используются различные модели иерархий. Модели иерархий служат основой построения многомерных баз данных и метаданных в информационных хранилищах.

Многомерный анализ данных может быть произведен посредством клиентских приложений и серверных OLAP-систем.

Клиентские приложения, содержащие OLAP-средства, позволяют вычислять агрегатные данные. Агрегатные данные размещаются в кэш внутри адресного пространства такого OLAP-средства. Кэш - быстродействующий буфер большой емкости, работающий по специальному алгоритму. При этом если исходные данные находятся в реляционной базе, вычисления производятся OLAP-средствами клиентского приложения. Если исходные данные размещаются на сервере баз данных, то OLAP-средства приложений посылают SQL-запросы на сервер баз данных и получают агрегатные данные, вычисленные сервером.

Примерами клиентских приложений, содержащими OLAP-средства, являются приложения статистической обработки данных SEWSS (Statistic Enterprise - Wide SPS System) фирмы StatSoft и MS Excel 2000. Excel позволяет создать и сохранить небольшой локальный многомерный OLAP-куб и отобразить его двух или трехмерные сечения.

Многие средства проектирования позволяют создавать простейшие OLAP-средства. Например, Borland Delphi и Borland C++ Builder.

Отметим, что клиентские приложения применяются при малом числе измерений (не более шести) и небольшом разнообразии значений этих измерений.

Серверные OLAP-системы развили идею сохранения кэш с агрегатными данными.

В них сохранение и изменение агрегатных данных, поддержка содержащего их хранилища осуществляется отдельным приложением (процессом), называемым OLAP-сервером . Клиентские приложения делают запросы к OLAP-серверу и получают требуемые агрегатные данные.

Применение OLAP-серверов сокращает трафик сети, время обслуживания запросов, сокращает требования к ресурсам клиентских приложений.

В масштабе предприятия обычно используются OLAP-серверы типа Oracle Express Server, MS SQL Server 2000 Analysis Services и др.

Заметим, что MS Excel 2000 позволяет делать запросы к OLAP-серверам.

Как исходные, так и агрегатные данные могут храниться либо в реляционных, либо в многомерных базах данных MDD (MultiDimensional Data). В настоящее время применяются три способа хранения многомерных баз данных:

• · Системы оперативной аналитической обработки многомерных баз данных MOLAP (Multidimensional OLAP) - исходные и агрегатные данные хранятся в многомерной базе данных. Многомерные базы данных представляют собой гиперкубы или поликубы. В гиперкубах все измерения имеют одинаковую размерность. В поликубе каждое измерение имеет свою размерность. Многомерная база данных оказывается избыточной, так как она полностью содержит исходные данные реляционных баз.
• · Системы оперативной аналитической обработки реляционных баз данных ROLAP (Relational OLAP) - исходные данные остаются в реляционной базе, агрегатные данные размещаются в кэш той же базы.
• · Гибридные системы оперативной аналитической обработки данных HOLAP (Hybrid OLAP) - исходные данные остаются в реляционной базе, а агрегатные данные хранятся в многомерной базе данных (MDD).

Серверных OLAP-системы на базе информационных хранилищ поддерживают эти способы хранения данных.

Аналитическая система обеспечивает выдачу агрегатных данных по запросам клиентов. Сложность аналитических систем вызвана реализацией сложных интеллектуальных запросов. Интеллектуальные запросы осуществляют поиск по условию или алгоритму вычисления ответа. Например, выбрать для выпуска изделия, приносящие максимальную прибыль. Само условие может доопределяться в ходе формирования ответа, что усложняет алгоритм формирования ответа. Данные для формирования ответа могут находиться в разных внутренних и внешних базах. Существующий язык запросов SQL расширяется возможностью построения интеллектуальных запросов. Пример такого запроса - сравнить данные о продажах в конкретные месяцы, но разные годы. Для таких запросов используются непроцедурные языки обращения к многомерным базам данных. Примером такого языка запросов является язык MDX (Multidimensional Expressions). Он позволяет формировать запрос и описывать алгоритм вычислений. Язык SQL используется для извлечения данных из локальных баз. Язык MDX служит для извлечения данных из многомерных баз и информационных хранилищ.

Аналитические данные используются в системах поддержки принятия решений.

Самые современные аналитические системы основываются на информационных хранилищах и обеспечивают весь спектр аналитической обработки. Доступ к информационным хранилищам реализован посредством транзакций. По интеллектуальным запросам OLAP -системы информационное хранилище выдает аналитические данные. По запросам, объединенным в транзакции, других систем информационное хранилище обеспечивает их обработку, выдачу ответов и отчетов, но не обеспечивает функцию анализа данных. Именно поэтому эти системы называются OLTP -системами (On-Line Transaction Processing) в отличии от OLAP -систем.

Примером OLAP-систем является Brio Query Enterprise корпорации Brio Technology. OLAP-средства включают в свои системы фирмы 1С, Парус и др.

Технологии Data Mining (добыча данных) разработаны для поиска и выявления в данных скрытых связей и взаимозависимостей с целью предоставления их руководителю в процессе принятия решений. Для этого используются статистические методы корреляции, оптимизации и другие, позволяющие находить эти зависимости и синтезировать дедуктивную (обобщающую) информацию. Технологии Data Mining обеспечивают:

• · Поиск зависимых данных (реализацию интеллектуальных запросов);
• · Выявление устойчивых бизнес - групп (выявление групп объектов, близких по заданным критериям);
• · Ранжирование важности измерений при классификации объектов для проведения анализа;
• · Прогнозирование бизнес - показателей (например, ожидаемые продажи, спрос);
• · Оценка влияния принимаемых решений на достижение успеха предприятия;
• · Поиск аномалий и т.д.

Интеллектуальные деловые технологии BIS (Business Intelligence Services) преобразуют информацию из внутренних и внешних баз в интеллектуальный капитал (аналитические данные). Главными задачами систем интеллектуального выбора данных является поиск функциональных и логических закономерностей в накопленных данных для подсказки обоснованных управленческих решений. Они основаны на применении технологий информационного хранилища и алгоритмов автоматизации деловых процессов (Workflow). Аналитические данные предоставляются руководству всех уровней и работникам аналитических служб организации по запросам в удобном виде.

Для интеллектуального анализа текстовой информации разработаны структурные аналитические технологии (САТ) . Они ориентированы на углубленную обработку неструктурированной информации. Реализуют уникальную способность человека интерпретировать (толковать) содержание текстовой информации и устанавливать связи между фрагментами текста. САТ реализованы на базе гипертекстовой технологии, лингвистических процессоров, семантических сетей. Структурные аналитические технологии предназначены для решения разнообразных задач аналитического характера на основе структуризации предварительно отобранной текстовой информации. Являются инструментом создания аналитических докладов, отчетов, статей, заметок для использования в информационно - аналитических службах организаций, отраслей, государственного управления, СМИ и т.д.