Comprehensible and Robust Knowledge Discovery from Small Datasets
Creators: name: Arzamasov, Vadim
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021

description: Die Wissensentdeckung in Datenbanken (“Knowledge Discovery in Databases”, KDD) zielt darauf ab, nützliches Wissen aus Daten zu extrahieren. Daten können eine Reihe von Messungen aus einem realen Prozess repräsentieren oder eine Reihe von Eingabe- Ausgabe-Werten eines Simulationsmodells. Zwei häufig widersprüchliche Anforderungen an das erworbene Wissen sind, dass es (1) die Daten möglichst exakt zusammenfasst und (2) in einer gut verständlichen Form vorliegt. Entscheidungsbäume (“Decision Trees”) und Methoden zur Entdeckung von Untergruppen (“Subgroup Discovery”) liefern Wissenszusammenfassungen in Form von Hyperrechtecken; diese gelten als gut verständlich. Um die Bedeutung einer verständlichen Datenzusammenfassung zu demonstrieren, erforschen wir Dezentrale intelligente Netzsteuerung — ein neues System, das die Bedarfsreaktion in Stromnetzen ohne wesentliche Änderungen in der Infrastruktur implementiert. Die bisher durchgeführte konventionelle Analyse dieses Systems beschränkte sich auf die Berücksichtigung identischer Teilnehmer und spiegelte daher die Realität nicht ausreichend gut wider. Wir führen viele Simulationen mit unterschiedlichen Eingabewerten durch und wenden Entscheidungsbäume auf die resultierenden Daten an. Mit den daraus resultierenden verständlichen Datenzusammenfassung konnten wir neue Erkenntnisse zum Verhalten der Dezentrale intelligente Netzsteuerung gewinnen. Entscheidungsbäume ermöglichen die Beschreibung des Systemverhaltens für alle Eingabekombinationen. Manchmal ist man aber nicht daran interessiert, den gesamten Eingaberaum zu partitionieren, sondern Bereiche zu finden, die zu bestimmten Ausgabe führen (sog. Untergruppen). Die vorhandenen Algorithmen zum Erkennen von Untergruppen erfordern normalerweise große Datenmengen, um eine stabile und genaue Ausgabe zu erzielen. Der Datenerfassungsprozess ist jedoch häufig kostspielig. Unser Hauptbeitrag ist die Verbesserung der Untergruppenerkennung aus Datensätzen mit wenigen Beobachtungen. Die Entdeckung von Untergruppen in simulierten Daten wird als Szenarioerkennung bezeichnet. Ein häufig verwendeter Algorithmus für die Szenarioerkennung ist PRIM (Patient Rule Induction Method). Wir schlagen REDS (Rule Extraction for Discovering Scenarios) vor, ein neues Verfahren für die Szenarioerkennung. Für REDS, trainieren wir zuerst ein statistisches Zwischenmodell und verwenden dieses, um eine große Menge neuer Daten für PRIM zu erstellen. Die grundlegende statistische Intuition beschrieben wir ebenfalls. Experimente zeigen, dass REDS viel besser funktioniert als PRIM für sich alleine: Es reduziert die Anzahl der erforderlichen Simulationsläufe um 75% im Durchschnitt. Mit simulierten Daten hat man perfekte Kenntnisse über die Eingangsverteilung — eine Voraussetzung von REDS. Um REDS auf realen Messdaten anwendbar zu machen, haben wir es mit Stichproben aus einer geschätzten multivariate Verteilung der Daten kombiniert. Wir haben die resultierende Methode in Kombination mit verschiedenen Methoden zur Generierung von Daten experimentell evaluiert. Wir haben dies für PRIM und BestInterval — eine weitere repräsentative Methode zur Erkennung von Untergruppen — gemacht. In den meisten Fällen hat unsere Methodik die Qualität der entdeckten Untergruppen erhöht.