Itseorganisoituva kartta

Itseorganisoituva kartta () on ohjaamattomaan oppimiseen perustuva neuroverkkomalli. Sen on kehittänyt akateemikko Teuvo Kohonen. Hän julkaisi menetelmän 1980-luvulla. Se on Kohosen kansainvälisesti tunnetuin työ ja yksi Suomen tieteen kansainvälisesti siteeratuimmista yksittäisistä tuloksista. Itseorganisoituvan kartan teoriasta ja sovelluksista on kirjoitettu yli 7 000 tieteellistä artikkelia. Mallista on käytetty myös nimeä Kohonen map tai Kohonen network.

Itseorganisoituvassa kartassa tilastolliset yhteydet moniulotteisen datajoukon alkioiden välillä muunnetaan yksinkertaisiksi geometrisiksi suhteiksi, jotka voidaan näyttää esimerkiksi kaksiulotteisena karttana. Moniulotteinen tieto siis pakataan tavalla, jossa tärkeimmät topologiset ja metriset suhteet alkioiden välillä säilyvät, ja lopputuloksena syntyvä kartta voi tarjota jonkinlaisen abstraktion tietosisältöön.

Itseorganisoituvan kartan sovelluksia ovat muun muassa puheen- ja hahmontunnistus, visualisointi, tietoliikennetekniikka ja semanttinen web.

Algoritmi 

Itseorganisoituvan kartan toiminta perustuu ajatukseen, että joukko keinotekoisia neuroneita mukautuu oppimisprosessin aikana esittämään syötteenä annetun datajoukon keskeisiä tilastollisia ominaisuuksia. Keinotekoiset neuronit ovat matemaattisesti todettuna numeerisia mallivektoreita. Sekä datajoukon syötevektoreiden ja mallivektoreiden alkioiden määrä on sama. Syötevektorissa voi olla mitä tahansa numeerisessa muodossa esitettävää dataa kuten ihmisiä koskevien lääketieteellisten mittauksien tuloksia, yritysten tilinpäätöstietoja tai valtioiden tilaa kuvaavien muuttujien arvoja. 

Itseorganisoituvaa karttaa päivitetään seuraavalla tavalla:

Similarity matching (vektorien yhteensovitus):

,

missä  on verkon vastaanottama moniulotteinen datavektori ja  on keinotekoinen neuroni eli painovektori. Aika ilmaistaan muuttujalla .

Päivityssääntö:

,

, muulloin.

Parametri  on ”unohdustermi”, jonka suuruudesta riippuu, kuinka paljon jää päivityksessä vanhasta neuronin arvosta jäljelle. Se myös kontrolloi verkon stabiilisuutta.  on topologinen naapurusto eli joukko neuroneita, jotka ovat verkossa lähinnä minimioperaation toteuttavaa neuronia.

Kartan päivityssääntö tarkoittaa sitä, että datavektoria  lähimpiä neuroneita  siirretään sitä kohti. Näin ollen neuronit virittyvät hiljalleen data-avaruuteen.

Itseorganisoituvan kartan laajennukset ja muunnelmat

Itseorganisoituvasta kartasta on kehitetty suuri joukko laajennuksia ja muunnelmia. Seuraavassa on lueteltu muutama esimerkki.

 BSOM: Bayesian SOM tai Binary SOM
 CSOM: SOM for Continuous Data
 ESOM: Evolving SOM, Emergent SOM tai Extended SOM
 GSOM: Growing SOM

Itseorganisoituvan kartan yksi laajennus on niin sanottu operaattorikartta. Tässä kartassa neuronina voi olla esimerkiksi aliavaruuden kanta.

WEBSOM-niminen menetelmä on kehitetty karttojen tekemiseen tekstitiedosta.

Tieteellinen yhteisö

Workshop Self-Organizing Maps on konferenssisarja, joka keskittyy itseorganisoituvan kartan teoriaan ja sovelluksiin. Se on järjestetty vuodesta 1997 eri puolilla maailmaa.

 WSOM 1997: Espoo, Suomi 
 WSOM 1999: Espoo, Suomi
 WSOM 2001: Lincoln, Englanti
 WSOM 2003: Kitakyushu, Japan
 WSOM 2005: Pariisi, Ranska 
 WSOM 2007: Bielefeld, Saksa 
 WSOM 2009: St. Augustine, Florida, USA 
 WSOM 2011: Espoo, Suomi 
 WSOM 2012: Viña del Mar, Chile 

 WSOM 2014: Saksin osavaltio, Saksa

Lähteet

Aiheesta muualla 
 Kohonen network Scholarpediassa 
 Ryhänen, T. 1999. Itseorganisoituva kartta
 TKK:n tutkimustietoa 
 Laamanen, V. 2004. Hakkuukoneenkuljettajan hiljaisen tiedon näkyväksi tekeminen simulaattorin ja matemaattisten menetelmien avulla (PDF 0.95 MB) 
 Kohonen, T. V 2014. MATLAB Implementations and Applications of the Self-Organizing Map, Unigrafia Oy, Helsinki, Finland (PDF 3.8 Mt)

Neuroverkot