Lukas Molzberger

Aika: Ein semantisches neuronales Netzwerk

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Wenn es darum geht Informationen aus natürlichsprachigen Texten zu extrahieren, stehen einem verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Eine der ältesten und wohl auch am häufigsten genutzten Möglichkeiten ist die der regulären Ausdrücke. Hier werden exakte Muster definiert und in einem Textstring gematcht. Probleme bereiten diese allerdings, wenn kompliziertere semantische Muster gefunden werden sollen oder wenn verschiedene Muster aufeinander aufbauen oder miteinander interagieren sollen. Gerade das ist aber der Normalfall bei der Verarbeitung von natürlichem Text. Muster hängen voneinander ab, verstärken oder unterdrücken sich gegenseitig.
Prädestiniert um solche Beziehungen abzubilden wären eigentlich künstliche neuronale Netze. Diese haben nur das große Manko, dass sie keine strukturierten Informationen verarbeiten können. Neuronale Netze bringen von sich aus keine Möglichkeit mit, die relationalen Beziehungen zwischen Worten oder Phrasen zu verarbeiten. Ein weiteres Problem neuronaler Netze ist die Verarbeitung von Feedback-Schleifen, bei denen einzelne Neuronen von sich selbst abhängig sind. Genau diese Probleme versucht der Aika Algorithmus (www.aika-software.org) zu lösen.

Der Aika Algorithmus ist als Open Source Java-Bibliothek implementiert und dient dazu semantische Informationen in Texten zu erkennen und zu verarbeiten. Da semantische Informationen sehr häufig mehrdeutig sind, erzeugt die Bibliothek für jede dieser Bedeutungen eine eigene Interpretation und wählt zum Schluss die am höchsten gewichtete aus. Aika kombiniert dazu aktuelle Ideen und Konzepte aus den Bereichen des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz, wie etwa künstliche neuronale Netze, Frequent Pattern Mining und die auf formaler Logik basierenden Expertensysteme. Aika basiert auf der heute gängigen Architektur eines künstlichen neuronalen Netzwerks (KNN) und nutzt diese, um sprachliche Regeln und semantische Beziehungen abzubilden.

Die Knackpunkte: relationale Struktur und zyklische Abhängigkeiten

Das erste Problem: Texte haben eine von Grund auf relationale Struktur. Die einzelnen Worte stehen über ihre Reihenfolge in einer ganz bestimmten Beziehung zueinander. Gängige Methoden, um Texte für die Eingabe in ein KNN auszuflachen, sind beispielsweise Bag-of-Words oder Sliding-Window. Mittlerweile haben sich auch rekurrente neuronale Netze etabliert, die das gesamte Netz in einer Schleife für jedes Wort des Textes mehrfach hintereinander schalten. Aika geht hier allerdings einen anderen Weg. Aika propagiert die relationalen Informationen, also den Textbereich und die Wortposition, gemeinsam mit den Aktivierungen durch das Netzwerk. Die gesamte relationale Struktur des Textes bleibt also erhalten und lässt sich jederzeit zur weiteren Verarbeitung nutzen.

Das zweite Problem ist, dass bei der Verarbeitung von Text häufig nicht klar ist, in welcher Reihenfolge einzelne Informationen verarbeitet werden müssen. Wenn wir beispielsweise den Namen „August Schneider“ betrachten, können sowohl der Vor- als auch der Nachname in einem anderen Zusammenhang eine völlig andere Bedeutung annehmen. August könnte sich auch auf den Monat beziehen. Und genauso könnte Schneider eben auch den Beruf des Schneiders meinen. Einfache Regeln, um hier dennoch den Vor- und den Nachnamen zu erkennen, wären: „Wenn das nachfolgende Wort ein Nachname ist, handelt es sich bei August um einen Vornamen“ und „Wenn das vorherige Wort ein Vorname ist, dann handelt es sich bei Schneider um einen Nachnamen“. Das Problem dabei ist nur, dass unsere Regeln nun eine zyklische Abhängigkeit beinhalten. Aber ist das wirklich so schlimm? Aika erlaubt es, genau solche Feedback-Schleifen abzubilden. Wobei die Schleifen sowohl positive, als auch negative Gewichte haben können. Negative rekurrente Synapsen führen dazu, dass zwei sich gegenseitig ausschließende Interpretationen entstehen. Der Trick ist nun zunächst nur Annahmen zu treffen, also etwa dass es sich bei dem Wort „Schneider“ um den Beruf handelt und zu schauen wie das Netzwerk auf diese Annahme reagiert. Es bedarf also einer Evaluationsfunktion und einer Suche, die die Annahmen immer weiter variiert, bis schließlich eine optimale Interpretation des Textes gefunden ist. Genau wie schon der Textbereich und die Wortposition werden nun auch die Annahmen gemeinsam mit den Aktivierungen durch das Netzwerk propagiert.

Die zwei Ebenen des Aika Algorithmus

Aber wie lassen sich diese Informationen mit den Aktivierungen durch das Netzwerk propagieren, wo doch der Aktivierungswert eines Neurons für gewöhnlich nur eine Fließkommazahl ist? Genau hier liegt der Grund, weshalb Aika unter der neuronalen Ebene mit ihren Neuronen und kontinuierlich gewichteten Synapsen noch eine diskrete Ebene besitzt, in der es eine Darstellung aller Neuronen in boolscher Logik gibt. Aika verwendet als Aktivierungsfunktion die obere Hälfte der Tanh-Funktion. Alle negativen Werte werden auf 0 gesetzt und führen zu keiner Aktivierung des Neurons. Es gibt also einen klaren Schwellenwert, der zwischen aktiven und inaktiven Neuronen unterscheidet. Anhand dieses Schwellenwertes lassen sich die Gewichte der einzelnen Synapsen in boolsche Logik übersetzen und entlang der Gatter dieser Logik kann nun ein Aktivierungsobjekt mit den Informationen durch das Netzwerk propagiert werden. So verbindet Aika seine diskrete bzw. symbolische Ebene mit seiner subsymbolischen Ebene aus kontinuierlichen Synapsen-Gewichten.

Die Logik Ebene in Aika erlaubt außerdem einen enormen Effizienzgewinn im Vergleich zu einem herkömmlichen KNN, da die gewichtete Summe von Neuronen nur noch für solche Neuronen berechnet werden muss, die vorher durch die Logikebene aktiviert wurden. Im Falle eines UND-verknüpfenden Neurons bedeutet das, dass das Aktivierungsobjekt zunächst mehrere Ebenen einer Lattice-Datenstruktur aus UND-Knoten durchlaufen muss, bevor das eigentliche Neuron berechnet und aktiviert werden kann. Diese Lattice-Datenstruktur stammt aus dem Bereich des Frequent Pattern Mining und enthält in einem gerichteten azyklischen Graphen alle Teilmuster eines beliebigen größeren Musters. Ein solches Frequent Pattern Lattice kann in zwei Richtungen betrieben werden. Zum Einen können damit bereits bekannte Muster gematcht werden, und zum Anderen können auch völlig neue Muster damit erzeugt werden.

Da es schwierig ist Netze mit Millionen von Neuronen im Speicher zu halten, nutzt Aika das Provider Architekturpattern um selten verwendete Neuronen oder Logikknoten in einen externen Datenspeicher (z.B. eine Mongo DB) auszulagern, und bei Bedarf nachzuladen.

Ein Beispielneuron

Hier soll nun noch beispielhaft gezeigt werden wie ein Neuron innerhalb des semantischen Netzes angelegt werden kann. Zu beachten ist, dass Neuronen sowohl UND- als auch ODER-Verknüpfungen abbilden können. Das Verhalten hängt dabei alleine vom gewählten Bias ab. Liegt der Bias bei 0.0 oder einem nur schwach negativen Wert reicht schon die Aktivierung eines positiven Inputs aus um auch das aktuelle Neuron zu aktivieren. Es handelt sich dann um eine ODER-Verknüpfung. Liegt der Bias hingegen tiefer im negativen Bereich dann müssen mitunter mehrere positive Inputs gleichzeitig aktiviert werden damit das aktuelle Neuron dann auch aktiv wird. Jetzt handelt es sich dann um eine UND-Verknüpfung. Der Bias Wert kann der initNeuron einfach als Parameter übergeben werden. Um jedoch die Berechnung des Bias zu erleichtern bietet Aika bei den Inputs noch den Parameter BiasDelta an. Der Parameter BiasDelta nimmt einen Wert zwischen 0.0 und 1.0 entgegen. Bei 0.0 wirkt sich der Parameter gar nicht aus. Bei einem höheren Wert hingegen wird er mit dem Betrag des Synapsengewichts multipliziert und von dem Bias abgezogen. Der Gesamtbias lautet in diesem Beispiel also -55.0. Die beiden positiven Eingabesynapsen müssen also aktiviert werden und die negative Eingabesynapse darf nicht aktiviert werden, damit dieses Neuron selber aktiv werden kann. Das Zusammenspiel von Bias und Synpasengewichten ist aber nicht nur für die Aktivierung eines Neurons wichtig, sondern auch für die spätere Auswahl der finalen Interpretation. Je stärker die Aktivierungen innerhalb einer Interpretation aktiv sind, desto höher wird diese Interpretation gewichtet.
Um eine beliebige Graphstruktur abbilden zu können, trennt Aika das Anlegen der Neuronen von der Verknüpfung mit anderen Neuronen. Mit createNeuron(“E-Schneider (Nachname)”) wird also zunächst einmal ein unverknüpftes Neuron erzeugt, das dann über die initNeuron Funktion mit den Eingabeneuronen wortSchneiderNeuron, kategorieVornameNeuron und unterdrueckendesNeuron verknüpft wird. Über den Parameter RelativeRid wird hier angegeben auf welche relative Wortposition sich die Eingabesynapse bezieht. Die Eingabesynpase zu der Kategorie Vorname bezieht sich also mit -1 auf die vorherige Wortposition. Der Parameter Recurrent gibt an ob es sich bei dieser Synpase um eine Feedback-Schleife handelt. Über den Parameter RangeMatch wird angegeben wie sich der Textbereich, also die Start- und die Endposition zwischen der Eingabe- und der Ausgabeaktivierung verhält. Bei EQUALS sollen die Bereiche also genau übereinstimmen, bei CONTAINED_IN reicht es hingegen wenn der Bereich der Eingabeaktivierung innerhalb des Bereichs der Ausgabeaktivierung liegt. Dann kann noch über den Parameter RangeOutput angegeben werden, dass der Bereich der Eingabeaktivierung an die Ausgabeaktivierung weiterpropagiert werden soll.

Fazit

Mit Aika können sehr flexibel umfangreiche semantische Modelle erzeugt und verarbeitet werden. Aus Begriffslisten verschiedener Kategorien, wie etwa: Vor- und Nachnamen, Orten, Berufen, Strassen, grammatikalischen Worttypen usw. können automatisch Neuronen generiert werden. Diese können dann dazu genutzt werden, Worte und Phrasen zu erkennen, einzelnen Begriffen eine Bedeutung zuzuordnen oder die Kategorie eines Begriffs zu bestimmen. Falls in dem zu verarbeitenden Text mehrdeutige Begriffe oder Phrasen auftauchen, kann Aika für diese jeweils eigene Interpretationen erzeugen und gewichten. Die sinnvollste Interpretation wird dann als Ergebnis zurück geliefert.

Benjamin Aunkofer

Data Science vs Data Engineering

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The job of the Data Scientist is actually a fairly new trend, and yet other job titles are coming to us. “Is this really necessary?”, Some will ask. But the answer is clear: yes!

There are situations, every Data Scientist know: a recruiter calls, speaks about a great new challenge for a Data Scientist as you obviously claim on your LinkedIn profile, but in the discussion of the vacancy it quickly becomes clear that you have almost none of the required skills. This mismatch is mainly due to the fact that under the job of the Data Scientist all possible activity profiles, method and tool knowledge are summarized, which a single person can hardly learn in his life. Many open jobs, which are to be called under the name Data Science, describe rather the professional image of the Data Engineer.

Read this article in German:
“Data Science vs Data Engineering – Wo liegen die Unterschiede?“

What is a Data Engineer?

Data engineering is primarily about collecting or generating data, storing, historicalizing, processing, adapting and submitting data to subsequent instances. A Data Engineer, often also named as Big Data Engineer or Big Data Architect, models scalable database and data flow architectures, develops and improves the IT infrastructure on the hardware and software side, deals with topics such as IT Security , Data Security and Data Protection. A Data Engineer is, as required, a partial administrator of the IT systems and also a software developer, since he or she extends the software landscape with his own components. In addition to the tasks in the field of ETL / Data Warehousing, he also carries out analyzes, for example, to investigate data quality or user access. A Data Engineer mainly works with databases and data warehousing tools.

A Data Engineer is talented as an educated engineer or computer scientist and rather far away from the actual core business of the company. The Data Engineer’s career stages are usually something like:

  1. (Big) Data Architect
  2. BI Architect
  3. Senior Data Engineer
  4. Data Engineer

What makes a Data Scientist?

Although there may be many intersections with the Data Engineer’s field of activity, the Data Scientist can be distinguished by using his working time as much as possible to analyze the available data in an exploratory and targeted manner, to visualize the analysis results and to convert them into a red thread (storytelling). Unlike the Data Engineer, a data scientist rarely sees into a data center, because he picks up data via interfaces provided by the Data Engineer or provides by other resources.

A Data Scientist deals with mathematical models, works mainly with statistical procedures, and applies them to the data to generate knowledge. Common methods of Data Mining, Machine Learning and Predictive Modeling should be known to a Data Scientist. Data Scientists basically work close to the department and need appropriate expertise. Data Scientists use proprietary tools (e.g. Tools by IBM, SAS or Qlik) and program their own analyzes, for example, in Scala, Java, Python, Julia, or R. Using such programming languages and data science libraries (e.g. Mahout, MLlib, Scikit-Learn or TensorFlow) is often considered as advanced data science.

Data Scientists can have diverse academic backgrounds, some are computer scientists or engineers for electrical engineering, others are physicists or mathematicians, not a few have economical backgrounds. Common career levels could be:

  1. Chief Data Scientist
  2. Senior Data Scientist
  3. Data Scientist
  4. Data Analyst oder Junior Data Scientist

Data Scientist vs Data Analyst

I am often asked what the difference between a Data Scientist and a Data Analyst would be, or whether there would be a distinction criterion at all:

In my experience, the term Data Scientist stands for the new challenges for the classical concept of Data Analysts. A Data Analyst performs data analysis like a Data Scientist. More complex topics such as predictive analytics, machine learning or artificial intelligence are topics for a Data Scientist. In other words, a Data Scientist is a Data Analyst++ (one step above the Data Analyst).

And how about being a Business Analyst?

Business Analysts can (but need not) be Data Analysts. In any case, they have a very strong relationship with the core business of the company. Business Analytics is about analyzing business models and business successes. The analysis of business success is usually carried out by IT, and many business analysts are starting a career as Data Analyst now. Dashboards, KPIs and SQL are the tools of a good business analyst, but there might be a lot business analysts, who are just analysing business models by reading the newspaper…

Benjamin Aunkofer

Lineare Regression in Python mit Scitkit-Learn

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Die lineare Regressionsanalyse ist ein häufiger Einstieg ins maschinelle Lernen um stetige Werte vorherzusagen (Prediction bzw. Prädiktion). Hinter der Regression steht oftmals die Methode der kleinsten Fehlerquadrate und die hat mehr als eine mathematische Methode zur Lösungsfindung (Gradientenverfahren und Normalengleichung). Alternativ kann auch die Maximum Likelihood-Methode zur Regression verwendet werden. Wir wollen uns in diesem Artikel nicht auf die Mathematik konzentrieren, sondern uns direkt an die Anwendung mit Python Scikit-Learn machen:

Haupt-Lernziele:

  • Einführung in Machine Learning mit Scikit-Learn
  • Lineare Regression mit Scikit-Learn

Neben-Lernziele:

  • Datenvorbereitung (Data Preparation) mit Pandas und Scikit-Learn
  • Datenvisualisierung mit der Matplotlib direkt und indirekt (über Pandas)

Was wir inhaltlich tun:

Der Versuch einer Vorhersage eines Fahrzeugpreises auf Basis einer quantitativ-messbaren Eigenschaft eines Fahrzeuges.

Die Daten als Download

Für dieses Beispiel verwende ich die Datei “Automobil_data.txt” von Kaggle.com. Die Daten lassen sich über folgenden Link downloaden, nur leider wird ein (kostenloser) Account benötigt:
https://www.kaggle.com/toramky/automobile-dataset/downloads/automobile-dataset.zip
Sollte der Download-Link unerwartet mal nicht mehr funktionieren, freue ich mich über einen Hinweis als Kommentar 🙂

Die Entwicklungsumgebung

Ich verwende hier die Python-Distribution Anaconda 3 und als Entwicklungs-Umgebung Spyder (in Anaconda enthalten). Genauso gut funktionieren jedoch auch Jupyter Notebook, Eclipse mit PyDev oder direkt die IPython QT-Console.

Zuerst einmal müssen wir die Daten in unsere Python-Session laden und werden einige Transformationen durchführen müssen. Wir starten zunächst mit dem Importieren von drei Bibliotheken NumPy und Pandas, deren Bedeutung ich nicht weiter erläutern werde, somit voraussetze.

Wir nutzen die Pandas-Bibliothek, um die “Automobile_data.txt” in ein pd.DataFrame zu laden.

Schauen wir uns dann die ersten fünf Zeilen in IPython via dataSet.head().

Hinweis: Der Datensatz hat viele Spalten, so dass diese in der Darstellung mit einem Backslash \ umgebrochen werden.

Gleich noch eine weitere Ausgabe dataSet.info(), die uns etwas über die Beschaffenheit der importierten Daten verrät:

Einige Spalten entsprechen hinsichtlich des Datentypes nicht der Erwartung. Für die Spalten ‘horsepower’ und ‘peak-rpm’ würde ich eine Ganzzahl (Integer) erwarten, für ‘price’ hingegen eine Fließkommazahl (Float), allerdings sind die drei Spalten als Object deklariert. Mit Trick 17 im Data Science, der Anzeige der Minimum- und Maximum-Werte einer zu untersuchenden Datenreihe, kommen wir dem Übeltäter schnell auf die Schliche:

Datenbereinigung

Für eine Regressionsanalyse benötigen wir nummerische Werte (intervall- oder ratioskaliert), diese möchten wir auch durch richtige Datentypen-Deklaration herstellen. Nun wird eine Konvertierung in den gewünschten Datentyp jedoch an den (mit ‘?’ aufgefüllten) Datenlücken scheitern.

Schauen wir uns doch einmal die Datenreihen an, in denen in der Spalte ‘peak-rpm’ Fragezeichen stehen:

Zwei Datenreihen sind vorhanden, bei denen ‘peak-rpm’ mit einem ‘?’ aufgefüllt wurde. Nun könnten wir diese Datenreihen einfach rauslöschen. Oder mit sinnvollen (im Sinne von wahrscheinlichen) Werten auffüllen. Vermutlichen haben beide Einträge – beide sind OHC-Motoren mit 4 Zylindern – eine ähnliche Drehzahl-Angabe wie vergleichbare Motoren. Mit folgendem Quellcode, gruppieren wir die Spalten ‘engine-type’ und ‘num-of-cylinders’ und bilden für diese Klassen den arithmetischen Mittelwert (.mean()) für die ‘peak-rpm’.

Und schauen wir uns das Ergebnis an:

Ein Vier-Zylinder-OHC-Motor hat demnach durchschnittlich einen Drehzahl-Peak von 5155 Umdrehungen pro Minute. Ohne nun (fahrlässigerweise) auf die Verteilung in dieser Klasse zu achten, nehmen wir einfach diesen Schätzwert, um die zwei fehlende Datenpunkte zu ersetzen.

Wir möchten jedoch die Original-Daten erhalten und legen ein neues DataSet (dataSet_c) an, in welches wir die Korrekturen vornehmen:

Nun können wir die fehlenden Peak-RPM-Einträge mit unserem Schätzwert ersetzen:

Was bei einer Drehzahl-Angabe noch funktionieren mag, ist für anderen Spalten bereits etwas schwieriger: Die beiden Spalten ‘price’ und ‘horsepower’ sind ebenfalls vom Typ Object, da sie ‘?’ enthalten. Verzichten wir einfach auf die betroffenen Zeilen:

Datenvisualisierung mit Pandas

Wir wollen uns nicht lange vom eigentlichen Ziel ablenken, dennoch nutzen wir die Visualisierungsfähigkeiten der Pandas-Library (welche die Matplotlib inkludiert), um uns dann die Anzahlen an Einträgen nach Hersteller der Fahrzeuge (Spalte ‘make’) anzeigen zu lassen:

Oder die durchschnittliche PS-Zahl nach Hersteller:

Vorbereitung der Regressionsanalyse

Nun kommen wir endlich zur Regressionsanalyse, die wir mit Scikit-Learn umsetzen möchten. Die Regressionsanalyse können wir nur mit intervall- oder ratioskalierten Datenspalten betreiben, daher beschränken wir uns auf diese. Die “price”-Spalte nehmen wir jedoch heraus und setzen sie als unsere Zielgröße fest.

Interessant ist zudem die Betrachtung vorab, wie die einzelnen nummerischen Attribute untereinander korrelieren. Dafür nehmen wir auch die ‘price’-Spalte wieder in die Betrachtung hinein und hinterlegen auch eine Farbskala mit dem Preis (höhere Preise, hellere Farben).

Die lineare Korrelation ist hier sehr interessant, da wir auch nur eine lineare Regression beabsichtigen.

Wie man in dieser Scatter-Matrix recht gut erkennen kann, scheinen einige Größen-Paare nahezu perfekt zu korrelieren, andere nicht.

Korrelation…

  • …nahezu perfekt linear: highway-mpg vs city-mpg (mpg = Miles per Gallon)
  • … eher nicht gegeben: highway-mpg vs height
  • … nicht linear, dafür aber nicht-linear: highway-mpg vs price

Nun, wir wollen den Preis eines Fahrzeuges vorhersagen, wenn wir eine andere quantitative Größe gegeben haben. Auf den Preis bezogen, erscheint mir die Motorleistung (Horsepower) einigermaßen linear zu korrelieren. Versuchen wir hier die lineare Regression und setzen somit die Spalte ‘horsepower’ als X und ‘price’ als y fest.

Die gängige Konvention ist übrigens, X groß zu schreiben, weil hier auch mehrere x-Dimensionen enthalten sein dürfen (multivariate Regression). y hingegen, ist stets nur eine Zielgröße (eine Dimension).

Die lineare Regression ist ein überwachtes Verfahren des maschinellen Lernens, somit müssen wir unsere Prädiktionsergebnisse mit Test-Daten testen, die nicht für das Training verwendet werden dürfen. Scitkit-Learn (oder kurz: sklearn) bietet hierfür eine Funktion an, die uns das Aufteilen der Daten abnimmt:

Zu beachten ist dabei, dass die Daten vor dem Aufteilen in Trainings- und Testdaten gut zu durchmischen sind. Auch dies übernimmt die train_test_split-Funktion für uns, nur sollte man im Hinterkopf behalten, dass die Ergebnisse (auf Grund der Zufallsauswahl) nach jedem Durchlauf immer wieder etwas anders aussehen.

Lineare Regression mit Scikit-Learn

Nun kommen wir zur Durchführung der linearen Regression mit Scitkit-Learn, die sich in drei Zeilen trainieren lässt:

Aber Vorsicht! Bevor wir eine Prädiktion durchführen, wollen wir festlegen, wie wir die Güte der Prädiktion bewerten wollen. Die gängigsten Messungen für eine lineare Regression sind der MSE und R².

MSE = \frac{\sum_{i=1}^n (y_i - \hat{y_i})^2}{n}

Ein großer MSE ist schlecht, ein kleiner gut.

R^2 = 1 - \frac{MSE}{Var(y)}= \frac{\frac{1}{n} \cdot \sum_{i=1}^n (y_i - \hat{y_i})^2}{\frac{1}{n} \cdot \sum_{i=1}^n (y_i - \hat{\mu_y})^2}

Ein kleines R² ist schlecht, ein großes R² gut. Ein R² = 1.0 wäre theoretisch perfekt (da der Fehler = 0.00 wäre), jedoch in der Praxis unmöglich, da dieser nur bei absolut perfekter Korrelation auftreten würde. Die Klasse LinearRegression hat eine R²-Messmethode implementiert (score(x, y)).

Die Ausgabe (ein Beispiel!):

Nach jedem Durchlauf ändert sich mit der Datenaufteilung (train_test_split()) das Modell etwas und auch R² schwankt um eine gewisse Bandbreite. Berauschend sind die Ergebnisse dabei nicht, und wenn wir uns die Regressionsgerade einmal ansehen, wird auch klar, warum:

Bei kleineren Leistungsbereichen, etwa bis 100 PS, ist die Preis-Varianz noch annehmbar gering, doch bei höheren Leistungsbereichen ist die Spannweite deutlich größer. (Nachträgliche Anmerkung vom 06.05.2018: relativ betrachtet, bleibt der Fehler über alle Wertebereiche ungefähr gleich [relativer Fehler]. Die absoluten Fehlerwerte haben jedoch bei größeren x-Werten so eine Varianz der möglichen y-Werte, dass keine befriedigenden Prädiktionen zu erwarten sind.)

Egal wie wir eine Gerade in diese Punktwolke legen, wir werden keine befriedigende Fehlergröße erhalten.

Nehmen wir einmal eine andere Spalte für X, bei der wir vor allem eine nicht-lineare Korrelation erkannt haben: “highway-mpg”

Wenn wir dann das Training wiederholen:

Die R²-Werte sind nicht gerade berauschend, und das erklärt sich auch leicht, wenn wir die Trainings- und Testdaten sowie die gelernte Funktionsgerade visualisieren:

Die Gerade lässt sich nicht wirklich gut durch diese Punktwolke legen, da letztere eher eine Kurve als eine Gerade bildet. Im Grunde könnte eine Gerade noch einigermaßen gut in den Bereich von 22 bis 43 mpg passen und vermutlich annehmbare Ergebnisse liefern. Die Wertebereiche darunter und darüber jedoch verzerren zu sehr und sorgen zudem dafür, dass die Gerade auch innerhalb des mittleren Bereiches zu weit nach oben verschoben ist (ggf. könnte hier eine Ridge-/Lasso-Regression helfen).

Richtig gute Vorhersagen über nicht-lineare Verhältnisse können jedoch nur mit einer nicht-linearen Regression erreicht werden.

Nicht-lineare Regression mit Scikit-Learn

Nicht-lineare Regressionsanalysen erlauben es uns, nicht-lineare korrelierende Werte-Paare als Funktion zu erlernen. Im folgenden Scatter-Plot sehen wir zum einen die gewohnte lineare Regressionsgerade (y = a * x + b) in rot, eine polinominale Regressionskurve dritten Grades (y = a * x³ + b * x² + c * x + d) in violet sowie einen Entscheidungsweg einer Entscheidungsbaum-Regression in gelb.

Nicht-lineare Regressionsanalysen passen sich dem Verlauf der Punktwolke sehr viel besser an und können somit in der Regel auch sehr gute Vorhersageergebnisse liefern. Ich ziehe hier nun jedoch einen Gedankenstrich, liefere aber den Quellcode für die lineare Regression als auch für die beiden nicht-linearen Regressionen mit:

Python Script Regression via Scikit-Learn

Weitere Anmerkungen

  • Bibliotheken wie Scitkit-Learn erlauben es, machinelle Lernverfahren schnell und unkompliziert anwenden zu können. Allerdings sollte man auch verstehen, wei diese Verfahren im Hintergrund mathematisch arbeiten. Diese Bibliotheken befreien uns also nicht gänzlich von der grauen Theorie.
  • Statt der “reinen” lineare Regression (LinearRegression()) können auch eine Ridge-Regression (Ridge()), Lasso-Regression (Lasso()) oder eine Kombination aus beiden als sogenannte ElasticNet-Regression (ElasticNet()). Bei diesen kann über Parametern gesteuert werden, wie stark Ausreißer in den Daten berücksichtigt werden sollen.
  • Vor einer Regression sollten die Werte skaliert werden, idealerweise durch Standardisierung der Werte (sklearn.preprocessing.StandardScaler()) oder durch Normierung (sklearn.preprocessing.Normalizer()).
  • Wir haben hier nur zwei-dimensional betrachtet. In der Praxis ist das jedoch selten ausreichend, auch der Fahrzeug-Preis ist weder von der Motor-Leistung, noch von dem Kraftstoffverbrauch alleine abhängig – Es nehmen viele Größen auf den Preis Einfluss, somit benötigen wir multivariate Regressionsanalysen.
Benjamin Aunkofer

Process Mining: Innovative Analyse von Datenspuren für Audit und Forensik

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Step-by-Step:

Neue Möglichkeiten zur Aufdeckung von Compliance-Verstößen mit Process Analytics

Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung findet derzeit ein enormer Umbruch der alltäglichen Arbeit hin zur lückenlosen Erfassung aller Arbeitsschritte in IT-Systemen statt. Darüber hinaus sehen sich Unternehmen mit zunehmend verschärften Regulierungsanforderungen an ihre IT-Systeme konfrontiert.

Der unaufhaltsame Trend hin zur vernetzten Welt („Internet of Things“) wird die Möglichkeiten der Prozesstransparenz noch weiter vergrößern – jedoch werden bereits jetzt viele Prozesse im Unternehmensbereich über ein oder mehrere IT-Systeme erfasst. Jeder Mitarbeiter, aber auch jeder automatisiert ablaufende Prozess hinterlässt viele Datenspuren in IT-Backend-Systemen, aus denen Prozesse rückwirkend oder in Echtzeit nachgebildet werden können. Diese umfassen sowohl offensichtliche Prozesse, wie etwa den Eintrag einer erfassten Bestellung oder Rechnung, als auch teilweise verborgene Prozesse, wie beispielsweise die Änderung bestimmter Einträge oder Löschung dieser Geschäftsobjekte. 

english-flagRead this article in English:
“Process Analytics – Data Analysis for Process Audit & Improvement”

1 Das Verständnis von Process Analytics

Process Analytics ist eine datengetriebene Methodik der Ist-Prozessanalyse, die ihren Ursprung in der Forensik hat. Im Kern des dieser am Zweck orientierten Analyse steht das sogenannte Process Mining, eine auf die Rekonstruktion von Prozessen ausgerichtetes Data Mining. Im Zuge der steigenden Bedeutung der Computerkriminalität wurde es notwendig, die Datenspuren, die potenzielle Kriminelle in IT-Systemen hinterließen, zu identifizieren und zu analysieren, um das Geschehen so gut wie möglich zu rekonstruieren.

Mit dem Trend hin zu Big Data Analytics hat Process Analytics nicht nur neue Datengrundlagen erhalten, sondern ist als Analysemethode weiterentwickelt worden. Zudem ermöglicht die Visualisierung dem Analysten oder Berichtsempfänger ein tief gehendes Verständnis auch komplexerer Geschäftsprozesse.

Während in der konventionellen Prozessanalyse vor allem Mitarbeiterinterviews und Beobachtung der Mitarbeiter am Schreibtisch durchgeführt werden, um tatsächlich gelebte Prozesse zu ermitteln, ist Process Analytics eine führende Methode, die rein faktenbasiert und damit objektiv an die Prozesse herangeht. Befragt werden nicht die Mitarbeiter, sondern die IT-Systeme, die nicht nur alle erfassten Geschäftsobjekte tabellenorientiert abspeichern, sondern auch im Hintergrund – unsichtbar für die Anwender – jegliche Änderungsvorgänge z. B. an Bestellungen, Rechnungen oder Kundenaufträgen lückenlos mit einem Zeitstempel (oft Sekunden- oder Millisekunden-genau) protokollieren.

2 Die richtige Auswahl der zu betrachtenden Prozesse

Heute arbeitet nahezu jedes Unternehmen mit mindestens einem ERP-System. Da häufig noch weitere Systeme eingesetzt werden, lässt sich klar herausstellen, welche Prozesse nicht analysiert werden können: Solche Prozesse, die noch ausschließlich auf Papier und im Kopf der Mitarbeiter ablaufen, also typische Entscheiderprozesse auf oberster, strategischer Ebene, die nicht in IT-Systemen erfasst und dementsprechend nicht ausgewertet werden können. Operative Prozesse werden hingegen in der Regel nahezu lückenlos in IT-Systemen erfasst und operative Entscheidungen protokolliert.

Zu den operativen Prozessen, die mit Process Analytics sehr gut rekonstruiert und analysiert werden können und gleichermaßen aus Compliance-Sicht von höchstem Interesse sind, gehören beispielsweise Prozesse der:

  • Beschaffung
  • Logistik / Transport
  • Vertriebs-/Auftragsvorgänge
  • Gewährleistungsabwicklung
  • Schadensregulierung
  • Kreditgewährung

Process Analytics bzw. Process Mining ermöglicht unabhängig von der Branche und dem Fachbereich die größtmögliche Transparenz über alle operativen Geschäftsprozesse. Für die Audit-Analyse ist dabei zu beachten, dass jeder Prozess separat betrachtet werden sollte, denn die Rekonstruktion erfolgt anhand von Vorgangsnummern, die je nach Prozess unterschiedlich sein können. Typische Vorgangsnummern sind beispielsweise Bestell-, Auftrags-, Kunden- oder Materialnummern.

3 Auswahl der relevanten IT-Systeme

Grundsätzlich sollte jedes im Unternehmen eingesetzte IT-System hinsichtlich der Relevanz für den zu analysierenden Prozess untersucht werden. Für die Analyse der Einkaufsprozesse ist in der Regel nur das ERP-System (z. B. SAP ERP) von Bedeutung. Einige Unternehmen verfügen jedoch über ein separates System der Buchhaltung (z.B. DATEV) oder ein CRM/SRM (z. B. von Microsoft), die dann ebenfalls einzubeziehen sind.

Bei anderen Prozessen können außer dem ERP-/CRM-System auch Daten aus anderen IT-Systemen eine entscheidende Rolle spielen. Gelegentlich sollten auch externe Daten integriert werden, wenn diese aus extern gelagerten Datenquellen wichtige Prozessinformationen liefern – beispielsweise Daten aus der Logistik.

4 Datenaufbereitung

Vor der datengetriebenen Prozessanalyse müssen die Daten, die auf Prozessaktivitäten direkt oder indirekt hindeuten, in den Datenquellen identifiziert, extrahiert und aufbereitet werden. Die Daten liegen in Datenbanktabellen und Server-Logs vor und werden über ein Data Warehousing Verfahren zusammengeführt und in ein Prozessprotokoll (unter den Process Minern i.d.R. als Event Log bezeichnet) umformuliert.

Das Prozessprotokoll ist in der Regel eine sehr große und breite Tabelle, die neben den eigentlichen Prozessaktivitäten auch Parameter enthält, über die sich Prozesse filtern lassen, beispielsweise Informationen über Produktgruppen, Preise, Mengen, Volumen, Fachbereiche oder Mitarbeitergruppen.

5 Prüfungsdurchführung

Die eigentliche Prüfung erfolgt visuell und somit intuitiv vor einem Prozessflussdiagramm, das die tatsächlichen Prozesse so darstellt, wie sie aus den IT-Systemen extrahiert werden konnten.

Process Mining – Beispielhafter Process Flow mit Fluxicon Disco (www.fluxicon.com)

Das durch die Datenaufbereitung erstellte Prozessprotokoll wird in eine Datenvisualisierungssoftware geladen, die dieses Protokoll über die Vorgangsnummern und Zeitstempel in einem grafischen Prozessnetzwerk darstellt. Die Prozessflüsse werden also nicht modelliert, wie es bei den Soll-Prozessen der Fall ist, sondern es „sprechen“ die IT-Systeme.

Die Prozessflüsse werden visuell dargestellt und statistisch ausgewertet, so dass konkrete Aussagen über die im Hinblick auf Compliance relevante Prozess-Performance und -Risiken getroffen werden können.

6 Abweichung von Soll-Prozessen

Die Möglichkeit des intuitiven Filterns der Prozessdarstellung ermöglicht auch die gezielte Analyse von Ist-Prozessen, die von den Soll-Prozessverläufen abweichen.

Die Abweichung der Ist-Prozesse von den Soll-Prozessen wird in der Regel selbst von IT-affinen Führungskräften unterschätzt – mit Process Analytics lassen sich nun alle Abweichungen und die generelle Prozesskomplexität auf ihren Daten basierend untersuchen.

6 Erkennung von Prozesskontrollverletzungen

Die Implementierung von Prozesskontrollen sind Bestandteil eines professionellen Internen Kontrollsystems (IKS), die tatsächliche Einhaltung dieser Kontrollen in der Praxis ist jedoch häufig nicht untersucht oder belegt. Process Analytics ermöglicht hier die Umgehung des Vier-Augen-Prinzips bzw. die Aufdeckung von Funktionstrennungskonflikten. Zudem werden auch die bewusste Außerkraftsetzung von internen Kontrollmechanismen durch leitende Mitarbeiter oder die falsche Konfiguration der IT-Systeme deutlich sichtbar.

7 Erkennung von bisher unbekannten Verhaltensmustern

Nach der Prüfung der Einhaltung bestehender Kontrollen, also bekannter Muster, wird Process Analytics weiterhin zur Neuerkennung von bislang unbekannten Mustern in Prozessnetzwerken, die auf Risiken oder gar konkrete Betrugsfälle hindeuten und aufgrund ihrer bisherigen Unbekanntheit von keiner Kontrolle erfasst werden, genutzt. Insbesondere durch die – wie bereits erwähnt – häufig unterschätzte Komplexität der alltäglichen Prozessverflechtung fallen erst durch diese Analyse Fraud-Szenarien auf, die vorher nicht denkbar gewesen wären. An dieser Stelle erweitert sich die Vorgehensweise des Process Mining um die Methoden des maschinellen Lernens (Machine Learning), typischerweise unter Einsatz von Clustering, Klassifikation und Regression.

8 Berichterstattung – auch in Echtzeit möglich

Als hocheffektive Audit-Analyse ist Process Analytics bereits als iterative Prüfung in Abständen von drei bis zwölf Monaten ausreichend. Nach der erstmaligen Durchführung werden bereits Compliance-Verstöße, schwache oder gar unwirksame Kontrollen und gegebenenfalls sogar Betrugsfälle zuverlässig erkannt. Die Erkenntnisse können im Nachgang dazu genutzt werden, um die Schwachstellen abzustellen. Eine weitere Durchführung der Analyse nach einer Karenzzeit ermöglicht dann die Beurteilung der Wirksamkeit getroffener Maßnahmen.

In einigen Anwendungsszenarien ist auch die nahtlose Anbindung der Prozessanalyse mit visuellem Dashboard an die IT-Systemlandschaft zu empfehlen, so dass Prozesse in nahezu Echtzeit abgebildet werden können. Diese Anbindung kann zudem um Benachrichtigungssysteme ergänzt werden, so dass Entscheider und Revisoren via SMS oder E-Mail automatisiert über aktuellste Prozessverstöße informiert werden. Process Analytics wird somit zum Realtime Analytics.

Fazit

Process Analytics ist im Zuge der Digitalisieurng die hocheffektive Methodik aus dem Bereich der Big Data Analyse zur Aufdeckung Compliance-relevanter Tatbestände im gesamten Unternehmensbereich und auch eine visuelle Unterstützung bei der forensischen Datenanalyse.

 

Redaktion

Weiterbildungsangebote zu Data Science und R an der TU Dortmund

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Anzeige: Interessante Weiterbildungsangebote zu Data Science und Programmiersprache R an der TU Dortmund

Das Zertifikatsstudium „Data Science and Big Data“ an der Technischen Universität Dortmund startet im Januar 2018 in den zweiten Durchgang. Aufbauend auf datenwissenschaftlichen Erkenntnissen steht die praxisnahe Umsetzung eines eigenen Big-Data Projekts im Fokus der Weiterbildung. Mithilfe von Methoden aus den Disziplinen Statistik, Informatik und Journalistik erwerben die Teilnehmerinnen und Teilnehmer wertvolle Kompetenzen in den Bereichen Datenanalyse, Datenmanagement und Ergebnisdarstellung. Die Bewerbungsphase läuft noch bis zum 8. November 2017. Mehr Infos finden Sie unter: https://data-science-blog.com/tu-dortmund-berufsbegleitendes-zertifikatsstudium/

Ganz neu ist ein weiteres Tagesseminarangebot im Bereich Data Science ab Frühjahr 2018: Dortmunder R-Kurse. Hier vermitteln Experten in Kursen für Anfänger und Fortgeschrittene die praktische Anwendung der Statistiksoftware R. Näheres dazu gibt es hier: www.zhb.tu-dortmund.de/r-kurse

 

Benjamin Aunkofer

Data Science Knowledge Stack – Abstraction of the Data Science Skillset

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What must a Data Scientist be able to do? Which skills does as Data Scientist need to have? This question has often been asked and frequently answered by several Data Science Experts. In fact, it is now quite clear what kind of problems a Data Scientist should be able to solve and which skills are necessary for that. I would like to try to bring this consensus into a visual graph: a layer model, similar to the OSI layer model (which any data scientist should know too, by the way).
I’m giving introductory seminars in Data Science for merchants and engineers and in those seminars I always start explaining what we need to work out together in theory and practice-oriented exercises. Against this background, I came up with the idea for this layer model. Because with my seminars the problem already starts: I am giving seminars for Data Science for Business Analytics with Python. So not for medical analyzes and not with R or Julia. So I do not give a general knowledge of Data Science, but a very specific direction.

A Data Scientist must deal with problems at different levels in any Data Science project, for example, the data access does not work as planned or the data has a different structure than expected. A Data Scientist can spend hours debating its own source code or learning the ropes of new DataScience packages for its chosen programming language. Also, the right algorithms for data evaluation must be selected, properly parameterized and tested, sometimes it turns out that the selected methods were not the optimal ones. Ultimately, we are not doing Data Science all day for fun, but for generating value for a department and a data scientist is also faced with special challenges at this level, at least a basic knowledge of the expertise of that department is a must have.

Read this article in German:
“Data Science Knowledge Stack – Was ein Data Scientist können muss“

Data Science Knowledge Stack

With the Data Science Knowledge Stack, I would like to provide a structured insight into the tasks and challenges a Data Scientist has to face. The layers of the stack also represent a bidirectional flow from top to bottom and from bottom to top, because Data Science as a discipline is also bidirectional: we try to answer questions with data, or we look at the potentials in the data to answer previously unsolicited questions.

The DataScience Knowledge Stack consists of six layers:

Database Technology Knowledge

A Data Scientist works with data which is rarely directly structured in a CSV file, but usually in one or more databases that are subject to their own rules. In particular, business data, for example from the ERP or CRM system, are available in relational databases, often from Microsoft, Oracle, SAP or an open source alternative. A good Data Scientist is not only familiar with Structured Query Language (SQL), but is also aware of the importance of relational linked data models, so he also knows the principle of data table normalization.

Other types of databases, so-called NoSQL databases (Not only SQL) are based on file formats, column or graph orientation, such as MongoDB, Cassandra or GraphDB. Some of these databases use their own programming languages ​​(for example JavaScript at MongoDB or the graph-oriented database Neo4J has its own language called Cypher). Some of these databases provide alternative access via SQL (such as Hive for Hadoop).

A data scientist has to cope with different database systems and has to master at least SQL – the quasi-standard for data processing.

Data Access & Transformation Knowledge

If data are given in a database, Data Scientists can perform simple (and not so simple) analyzes directly on the database. But how do we get the data into our special analysis tools? To do this, a Data Scientist must know how to export data from the database. For one-time actions, an export can be a CSV file, but which separators and text qualifiers should be used? Possibly, the export is too large, so the file must be split.
If there is a direct and synchronous data connection between the analysis tool and the database, interfaces like REST, ODBC or JDBC come into play. Sometimes a socket connection must also be established and the principle of a client-server architecture should be known. Synchronous and asynchronous encryption methods should also be familiar to a Data Scientist, as confidential data are often used, and a minimum level of security is most important for business applications.

Many datasets are not structured in a database but are so-called unstructured or semi-structured data from documents or from Internet sources. And again we have interfaces, a frequent entry point for Data Scientists is, for example, the Twitter API. Sometimes we want to stream data in near real-time, let it be machine data or social media messages. This can be quite demanding, so the data streaming is almost a discipline with which a Data Scientist can come into contact quickly.

Programming Language Knowledge

Programming languages ​​are tools for Data Scientists to process data and automate processing. Data Scientists are usually no real software developers and they do not have to worry about software security or economy. However, a certain basic knowledge about software architectures often helps because some Data Science programs can be going to be integrated into an IT landscape of the company. The understanding of object-oriented programming and the good knowledge of the syntax of the selected programming languages ​​are essential, especially since not every programming language is the most useful for all projects.

At the level of the programming language, there is already a lot of snares in the programming language that are based on the programming language itself, as each has its own faults and details determine whether an analysis is done correctly or incorrectly: for example, whether data objects are copied or linked as reference, or how NULL/NaN values ​​are treated.

Data Science Tool & Library Knowledge

Once a data scientist has loaded the data into his favorite tool, for example, one of IBM, SAS or an open source alternative such as Octave, the core work just began. However, these tools are not self-explanatory and therefore there is a wide range of certification options for various Data Science tools. Many (if not most) Data Scientists work mostly directly with a programming language, but this alone is not enough to effectively perform statistical data analysis or machine learning: We use Data Science libraries (packages) that provide data structures and methods as a groundwork and thus extend the programming language to a real Data Science toolset. Such a library, for example Scikit-Learn for Python, is a collection of methods implemented in the programming language. The use of such libraries, however, is intended to be learned and therefore requires familiarization and practical experience for reliable application.

When it comes to Big Data Analytics, the analysis of particularly large data, we enter the field of Distributed Computing. Tools (frameworks) such as Apache Hadoop, Apache Spark or Apache Flink allows us to process and analyze data in parallel on multiple servers. These tools also provide their own libraries for machine learning, such as Mahout, MLlib and FlinkML.

Data Science Method Knowledge

A Data Scientist is not simply an operator of tools, he uses the tools to apply his analysis methods to data he has selected for to reach the project targets. These analysis methods are, for example, descriptive statistics, estimation methods or hypothesis tests. Somewhat more mathematical are methods of machine learning for data mining, such as clustering or dimensional reduction, or more toward automated decision making through classification or regression.

Machine learning methods generally do not work immediately, they have to be improved using optimization methods like the gradient method. A Data Scientist must be able to detect under- and overfitting, and he must prove that the prediction results for the planned deployment are accurate enough.

Special applications require special knowledge, which applies, for example, to the fields of image recognition (Visual Computing) or the processing of human language (Natural Language Processiong). At this point, we open the door to deep learning.

Expertise

Data Science is not an end in itself, but a discipline that would like to answer questions from other expertise fields with data. For this reason, Data Science is very diverse. Business economists need data scientists to analyze financial transactions, for example, to identify fraud scenarios or to better understand customer needs, or to optimize supply chains. Natural scientists such as geologists, biologists or experimental physicists also use Data Science to make their observations with the aim of gaining knowledge. Engineers want to better understand the situation and relationships between machinery or vehicles, and medical professionals are interested in better diagnostics and medication for their patients.

In order to support a specific department with his / her knowledge of data, tools and analysis methods, every data scientist needs a minimum of the appropriate skills. Anyone who wants to make analyzes for buyers, engineers, natural scientists, physicians, lawyers or other interested parties must also be able to understand the people’s profession.

Engere Data Science Definition

While the Data Science pioneers have long established and highly specialized teams, smaller companies are still looking for the Data Science Allrounder, which can take over the full range of tasks from the access to the database to the implementation of the analytical application. However, companies with specialized data experts have long since distinguished Data Scientists, Data Engineers and Business Analysts. Therefore, the definition of Data Science and the delineation of the abilities that a data scientist should have, varies between a broader and a more narrow demarcation.


A closer look at the more narrow definition shows, that a Data Engineer takes over the data allocation, the Data Scientist loads it into his tools and runs the data analysis together with the colleagues from the department. According to this, a Data Scientist would need no knowledge of databases or APIs, neither an expertise would be necessary …

In my experience, DataScience is not that narrow, the task spectrum covers more than just the core area. This misunderstanding comes from Data Science courses and – for me – I should point to the overall picture of Data Science again and again. In courses and seminars, which want to teach Data Science as a discipline, the focus will of course be on the core area: programming, tools and methods from mathematics & statistics.

Benjamin Aunkofer

Data Science Knowledge Stack – Was ein Data Scientist können muss

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Was muss ein Data Scientist können? Diese Frage wurde bereits häufig gestellt und auch häufig beantwortet. In der Tat ist man sich mittlerweile recht einig darüber, welche Aufgaben ein Data Scientist für Aufgaben übernehmen kann und welche Fähigkeiten dafür notwendig sind. Ich möchte versuchen, diesen Konsens in eine Grafik zu bringen: Ein Schichten-Modell, ähnlich des OSI-Layer-Modells (welches übrigens auch jeder Data Scientist kennen sollte).
Ich gebe Einführungs-Seminare in Data Science für Kaufleute und Ingenieure und bei der Erläuterung, was wir in den Seminaren gemeinsam theoretisch und mit praxisnahen Übungen erarbeiten müssen, bin ich auf die Idee für dieses Schichten-Modell gekommen. Denn bei meinen Seminaren fängt es mit der Problemstellung bereits an, ich gebe nämlich Seminare für Data Science für Business Analytics mit Python. Also nicht beispielsweise für medizinische Analysen und auch nicht mit R oder Julia. Ich vermittle also nicht irgendein Data Science, sondern eine ganz bestimmte Richtung.

Ein Data Scientist muss bei jedem Data Science Vorhaben Probleme auf unterschiedlichsten Ebenen bewältigen, beispielsweise klappt der Datenzugriff nicht wie geplant oder die Daten haben eine andere Struktur als erwartet. Ein Data Scientist kann Stunden damit verbringen, seinen eigenen Quellcode zu debuggen oder sich in neue Data Science Pakete für seine ausgewählte Programmiersprache einzuarbeiten. Auch müssen die richtigen Algorithmen zur Datenauswertung ausgewählt, richtig parametrisiert und getestet werden, manchmal stellt sich dabei heraus, dass die ausgewählten Methoden nicht die optimalen waren. Letztendlich soll ein Mehrwert für den Fachbereich generiert werden und auch auf dieser Ebene wird ein Data Scientist vor besondere Herausforderungen gestellt.

english-flagRead this article in English:
“Data Science Knowledge Stack – Abstraction of the Data Scientist Skillset”

Data Science Knowledge Stack

Mit dem Data Science Knowledge Stack möchte ich einen strukturierten Einblick in die Aufgaben und Herausforderungen eines Data Scientists geben. Die Schichten des Stapels stellen zudem einen bidirektionalen Fluss dar, der von oben nach unten und von unten nach oben verläuft, denn Data Science als Disziplin ist ebenfalls bidirektional: Wir versuchen gestellte Fragen mit Daten zu beantworten oder wir schauen, welche Potenziale in den Daten liegen, um bisher nicht gestellte Fragen zu beantworten.

Der Data Science Knowledge Stack besteht aus sechs Schichten:

Database Technology Knowledge

Ein Data Scientist arbeitet im Schwerpunkt mit Daten und die liegen selten direkt in einer CSV-Datei strukturiert vor, sondern in der Regel in einer oder in mehreren Datenbanken, die ihren eigenen Regeln unterliegen. Insbesondere Geschäftsdaten, beispielsweise aus dem ERP- oder CRM-System, liegen in relationalen Datenbanken vor, oftmals von Microsoft, Oracle, SAP oder eine Open-Source-Alternative. Ein guter Data Scientist beherrscht nicht nur die Structured Query Language (SQL), sondern ist sich auch der Bedeutung relationaler Beziehungen bewusst, kennt also auch das Prinzip der Normalisierung.

Andere Arten von Datenbanken, sogenannte NoSQL-Datenbanken (Not only SQL)  beruhen auf Dateiformaten, einer Spalten- oder einer Graphenorientiertheit, wie beispielsweise MongoDB, Cassandra oder GraphDB. Einige dieser Datenbanken verwenden zum Datenzugriff eigene Programmiersprachen (z. B. JavaScript bei MongoDB oder die graphenorientierte Datenbank Neo4J hat eine eigene Sprache namens Cypher). Manche dieser Datenbanken bieten einen alternativen Zugriff über SQL (z. B. Hive für Hadoop).

Ein Data Scientist muss mit unterschiedlichen Datenbanksystemen zurechtkommen und mindestens SQL – den Quasi-Standard für Datenverarbeitung – sehr gut beherrschen.

Data Access & Transformation Knowledge

Liegen Daten in einer Datenbank vor, können Data Scientists einfache (und auch nicht so einfache) Analysen bereits direkt auf der Datenbank ausführen. Doch wie bekommen wir die Daten in unsere speziellen Analyse-Tools? Hierfür muss ein Data Scientist wissen, wie Daten aus der Datenbank exportiert werden können. Für einmalige Aktionen kann ein Export als CSV-Datei reichen, doch welche Trennzeichen und Textqualifier können verwendet werden? Eventuell ist der Export zu groß, so dass die Datei gesplittet werden muss.
Soll eine direkte und synchrone Datenanbindung zwischen dem Analyse-Tool und der Datenbank bestehen, kommen Schnittstellen wie REST, ODBC oder JDBC ins Spiel. Manchmal muss auch eine Socket-Verbindung hergestellt werden und das Prinzip einer Client-Server-Architektur sollte bekannt sein. Auch mit synchronen und asynchronen Verschlüsselungsverfahren sollte ein Data Scientist vertraut sein, denn nicht selten wird mit vertraulichen Daten gearbeitet und ein Mindeststandard an Sicherheit ist zumindest bei geschäftlichen Anwendungen stets einzuhalten.

Viele Daten liegen nicht strukturiert in einer Datenbank vor, sondern sind sogenannte unstrukturierte oder semi-strukturierte Daten aus Dokumenten oder aus Internetquellen. Auch hier haben wir es mit Schnittstellen zutun, ein häufiger Einstieg für Data Scientists stellt beispielsweise die Twitter-API dar. Manchmal wollen wir Daten in nahezu Echtzeit streamen, beispielsweise Maschinendaten. Dies kann recht anspruchsvoll sein, so das Data Streaming beinahe eine eigene Disziplin darstellt, mit der ein Data Scientist schnell in Berührung kommen kann.

Programming Language Knowledge

Programmiersprachen sind für Data Scientists Werkzeuge, um Daten zu verarbeiten und die Verarbeitung zu automatisieren. Data Scientists sind in der Regel keine richtigen Software-Entwickler, sie müssen sich nicht um Software-Sicherheit oder -Ergonomie kümmern. Ein gewisses Basiswissen über Software-Architekturen hilft jedoch oftmals, denn immerhin sollen manche Data Science Programme in eine IT-Landschaft integriert werden. Unverzichtbar ist hingegen das Verständnis für objektorientierte Programmierung und die gute Kenntnis der Syntax der ausgewählten Programmiersprachen, zumal nicht jede Programmiersprache für alle Vorhaben die sinnvollste ist.

Auf dem Level der Programmiersprache gibt es beim Arbeitsalltag eines Data Scientists bereits viele Fallstricke, die in der Programmiersprache selbst begründet sind, denn jede hat ihre eigenen Tücken und Details entscheiden darüber, ob eine Analyse richtig oder falsch abläuft: Beispielsweise ob Datenobjekte als Kopie oder als Referenz übergeben oder wie NULL-Werte behandelt werden.

Data Science Tool & Library Knowledge

Hat ein Data Scientist seine Daten erstmal in sein favorisiertes Tool geladen, beispielsweise in eines von IBM, SAS oder in eine Open-Source-Alternative wie Octave, fängt seine Kernarbeit gerade erst an. Diese Tools sind allerdings eher nicht selbsterklärend und auch deshalb gibt es ein vielfältiges Zertifizierungsangebot für diverse Data Science Tools. Viele (wenn nicht die meisten) Data Scientists arbeiten überwiegend direkt mit einer Programmiersprache, doch reicht diese alleine nicht aus, um effektiv statistische Datenanalysen oder Machine Learning zu betreiben: Wir verwenden Data Science Bibliotheken, also Pakete (Packages), die uns Datenstrukturen und Methoden als Vorgabe bereitstellen und die Programmiersprache somit erweitern, damit allerdings oftmals auch neue Tücken erzeugen. Eine solche Bibliothek, beispielsweise Scikit-Learn für Python, ist eine in der Programmiersprache umgesetzte Methodensammlung und somit ein Data Science Tool. Die Verwendung derartiger Bibliotheken will jedoch gelernt sein und erfordert für die zuverlässige Anwendung daher Einarbeitung und Praxiserfahrung.

Geht es um Big Data Analytics, also die Analyse von besonders großen Daten, betreten wir das Feld von Distributed Computing (Verteiltes Rechnen). Tools (bzw. Frameworks) wie Apache Hadoop, Apache Spark oder Apache Flink ermöglichen es, Daten zeitlich parallel auf mehren Servern zu verarbeiten und auszuwerten. Auch stellen diese Tools wiederum eigene Bibliotheken bereit, für Machine Learning z. B. Mahout, MLlib und FlinkML.

Data Science Method Knowledge

Ein Data Scientist ist nicht einfach nur ein Bediener von Tools, sondern er nutzt die Tools, um seine Analyse-Methoden auf Daten anzuwenden, die er für die festgelegten Ziele ausgewählt hat. Diese Analyse-Methoden sind beispielweise Auswertungen der beschreibenden Statistik, Schätzverfahren oder Hypothesen-Tests. Etwas mathematischer sind Verfahren des maschinellen Lernens zum Data Mining, beispielsweise Clusterung oder Dimensionsreduktion oder mehr in Richtung automatisierter Entscheidungsfindung durch Klassifikation oder Regression.

Maschinelle Lernverfahren funktionieren in der Regel nicht auf Anhieb, sie müssen unter Einsatz von Optimierungsverfahren, wie der Gradientenmethode, verbessert werden. Ein Data Scientist muss Unter- und Überanpassung erkennen können und er muss beweisen, dass die Vorhersageergebnisse für den geplanten Einsatz akkurat genug sind.

Spezielle Anwendungen bedingen spezielles Wissen, was beispielsweise für die Themengebiete der Bilderkennung (Visual Computing) oder der Verarbeitung von menschlicher Sprache (Natural Language Processiong) zutrifft. Spätestens an dieser Stelle öffnen wir die Tür zum Deep Learning.

Fachexpertise

Data Science ist kein Selbstzweck, sondern eine Disziplin, die Fragen aus anderen Fachgebieten mit Daten beantworten möchte. Aus diesem Grund ist Data Science so vielfältig. Betriebswirtschaftler brauchen Data Scientists, um Finanztransaktionen zu analysieren, beispielsweise um Betrugsszenarien zu erkennen oder um die Kundenbedürfnisse besser zu verstehen oder aber, um Lieferketten zu optimieren. Naturwissenschaftler wie Geologen, Biologen oder Experimental-Physiker nutzen ebenfalls Data Science, um ihre Beobachtungen mit dem Ziel der Erkenntnisgewinnung zu machen. Ingenieure möchten die Situation und Zusammenhänge von Maschinenanlagen oder Fahrzeugen besser verstehen und Mediziner interessieren sich für die bessere Diagnostik und Medikation bei ihren Patienten.

Damit ein Data Scientist einen bestimmten Fachbereich mit seinem Wissen über Daten, Tools und Analyse-Methoden ergebnisorientiert unterstützen kann, benötigt er selbst ein Mindestmaß an der entsprechenden Fachexpertise. Wer Analysen für Kaufleute, Ingenieure, Naturwissenschaftler, Mediziner, Juristen oder andere Interessenten machen möchte, muss eben jene Leute auch fachlich verstehen können.

Engere Data Science Definition

Während die Data Science Pioniere längst hochgradig spezialisierte Teams aufgebaut haben, suchen beispielsweise kleinere Unternehmen eher den Data Science Allrounder, der vom Zugriff auf die Datenbank bis hin zur Implementierung der analytischen Anwendung das volle Aufgabenspektrum unter Abstrichen beim Spezialwissen übernehmen kann. Unternehmen mit spezialisierten Daten-Experten unterscheiden jedoch längst in Data Scientists, Data Engineers und Business Analysts. Die Definition für Data Science und die Abgrenzung der Fähigkeiten, die ein Data Scientist haben sollte, schwankt daher zwischen der breiteren und einer engeren Abgrenzung.

Die engere Betrachtung sieht vor, dass ein Data Engineer die Datenbereitstellung übernimmt, der Data Scientist diese in seine Tools lädt und gemeinsam mit den Kollegen aus dem Fachbereich die Datenanalyse betreibt. Demnach bräuchte ein Data Scientist kein Wissen über Datenbanken oder APIs und auch die Fachexpertise wäre nicht notwendig…

In der beruflichen Praxis sieht Data Science meiner Erfahrung nach so nicht aus, das Aufgabenspektrum umfasst mehr als nur den Kernbereich. Dieser Irrtum entsteht in Data Science Kursen und auch in Seminaren – würde ich nicht oft genug auf das Gesamtbild hinweisen. In Kursen und Seminaren, die Data Science als Disziplin vermitteln wollen, wird sich selbstverständlich auf den Kernbereich fokussiert: Programmierung, Tools und Methoden aus der Mathematik & Statistik.

Marta Fajlhauer

Is Data Science the new Statistics?

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Table of Contents

1 Introduction

2 Emerging of Data Science

3 Big data technologies

4 Two data worlds: Predictive vs inferential statistics

5 How to study data science

6 Conclusions

7 References

Introduction

As a student of Statistics and the winner of Data Science Scholarship I am often surrounded by computer scientists, mathematicians, physicists and of course statisticians. During conversation, I was asked questions such as “So what actually do I do? What is Data Science?”. These are some very difficult questions and as like you will see during reading this document many before me tried to answer those questions. There is a dispute between statisticians and computer scientists what is the origin of data science and who should teach it. According to the Institute of Mathematical Statistics in the: “The IMS presidential address: let us own data science” we can find a simple recipe for data scientist. [1]

“Putting the traits of Turner and Carver together gives a good portrait of a data scientist:

  • Statistics (S)
  • Domain/Science knowledge (D)
  • Computing (C)
  • Collaboration/teamwork (C)
  • Communication to outsiders (C)

That is, data science = SDCCC = S DC3

However, despite all the challenges that I will need to overcome in answering those questions I will try to do it. I will refer to ideas from several reputable sources, in which I will also tell you: what is in the data science that I am really fascinated about? What is magical in this creation of statistics and computer science that I am drawn to?

Emerging of Data Science

On Tuesday, the 8th of September 2015, University of Michigan announced the 100 million dollars “Data Science Initiative” (DSI), hired 35 new faculty members. On the DSI website we can read about this initiative:

“This coupling of scientific discovery and practice involves the collection, management, processing, analysis, visualisation, and interpretation of vast amounts of heterogeneous data associated with a diverse array of scientific, translational and interdisciplinary applications”2

But that sounds like a bread and butter for statisticians. So, is it really a new creation or is it something that exists for many years but it didn’t sound so sexy as data science? In the article written by Karl Broman, (the University of Wisconsin) we can read:

“When physicists do mathematics, they’re don’t say they’re doing “number science”. They’re doing math. If you’re analyzing data, you’re doing statistics. You can call it data science or informatics or analytics or whatever, but it ‘s still statistics. If you say that one kind of data analysis is statistics and another kind is not, you’re not allowing innovation. We need to define the field broadly. You may not like what some statisticians do. You may feel they don’t share your values. They may embarrass you. But that shouldn’t lead us to abandon the term “statistics”.

Reading the definition of data science on the Data Science Association’s “Professional Code of Conduct”:

“Data scientist means a professional who uses scientific methods to liberate and create meaning from raw data”

These sound like K. Browman maybe right. Maybe I should go on MSc Statistics like many before me did. Maybe Data Science is simply a new sexy name for statistician only data is big, technology more advanced rather than it used to be so you need to have programming skills to handle the data. Maybe let say loudly data science is a modern version of statistics? But maybe not? Because we can also find statements like the following:

“Statistics is the least important part of data science”. [3]

Further, we can read:

“There ‘s so, much that goes on with data that is about computing, not statistics. I do think it would be fair to consider statistics (which includes sampling, experimental design, and data collection as well as data analysis (which itself includes model building, visualization, and model checking as well as inference)) as a subset of data science. . . .”.[3]

So maybe people from computer science are right. Maybe I should go and study programming and forget about expanding my knowledge in statistics? After all, we all know that computer science always had much bigger funding and having MSc computer science was always like a magic star for employers. What should I do? Let me research further.

Big data technologies

Is the data size important to distinguish between data science and statistics? Going back to the “Let us own data science” article we can read that a statistician, Hollerith, invented the punched card reader to allow e cient compilation of a US census, the first elements of machine learning. So, no, machine learning is not an invention of computer scientists. It was well known for statistician for decades already. What about different techniques used in DOE (Design of Experiments) or sampling methods to decrease the sample size. If the data used by statisticians would be only small they wouldn’t have to discover methods such PCA (Principle component analysis) or dimensionality reduction techniques. So, no, data can be big and/or small for statisticians, so what is the difference between data science and statistics and what department should I choose?

When I spoke to computer scientists they try to convince me to choose computer science department. Their reasons being that there are many different programmes that I need to know to deal with large datasets. For instance: Java, Hadoop, SQL, Python, and much more. Moreover, programming can only be taught to the best standard through computer science courses Is it true? Can’t we do the same calculations using statistical software such as R, SAS or even Matlab? But on the other hand, doesn’t the newest technology always work faster? And if so, wouldn’t be better to use the newest technology when we program and write loops?

But, I don’t want to underestimate the effort made by statisticians and data analyst over last 50 years in developing statistical programmes. Their efforts have resulted in the emergence of today’s technology. Early statistical packages such as SPSS or Minitab (from 1960’s) allowed to develop more advanced programmes having roots in mini computer era such as STATA or my favourite R which in turn allowed progress to advanced technology even further and create Python, Hadoop, SQL and so on. Becker and Chambers (with S) and later Ihaka, Gentleman, and members of the R Core team (with R) worked on developing the statistical software. These names should be convincing about how powerful statistical programming languages can be. Many operations that we can do in Hadoop or SQL we can also do easily in R.

Two data worlds: Predictive vs inferential statistics

So maybe Data Science is a creature merged by statisticians working on computer science department? Maybe there are two different approaches to statistics: mathematical statistics and computer science statistics and the computer science statisticians are data scientists because according to Yanir Seroussi in his blog:

“A successful data scientist needs to be able to “become one with the data” by exploring it and applying rigorous statistical analysis (right-hand side of the continuum). But good data scientists also understand what it takes to deploy production systems, and are ready to get their hands dirty by writing code that cleans up the data or performs core system functionality (lefthand side of the continuum). Gaining all these skills takes time.”[4]

Okay, so my reasoning that some statisticians work on computer science department is right, as well as there exists subject like computational statistics, so maybe I should go for computer science department but study statistics.

In fact, I am not the first one to arrive at the conclusion. Everything started from a confession made by John Tukey in “The Future of Data Analysis” article published in “The Annals of Mathematical Statistics” :

For a long time, I have thought I was a statistician, interested in inferences from the particular to the general. But as I have watched mathematical statistics evolve, I have had cause to wonder and to doubt. … All in all I have come to feel that my central interest is in data analysis, which I take to include, among other things: procedures for analyzing data, techniques for interpreting the results of such procedures, ways of planning the gathering of data to make its analysis easier, more precise or more accurate, and all the machinery and results of (mathematical) statistics which apply to analyzing data

If I am right then above confession was a critical moment. The time when mathematical statistics become more inferential and computational statistics concentrated more on predictive statistics. Applied statisticians working on predictive analytics that are more interested in applying the knowledge rather than developing long proofs decided to move on computer science department.

Additionally, the following is crucial discussion made by Leo Biermann in his paper published in Statistical Science titled “Statistical modelling: the two cultures”. It enables us to understand and differentiate views from both types of statistician, namely mathematical and statistical.

Statistics starts with data. Think of the data as being generated by a black box in which a vector of input variables x (independent variables) go in one side, and on the other side the response variables y come out. Inside the black box, nature functions to associate the predictor variables with the response variables … There are two goals in analyzing the data:

  • Prediction. To be able to predict what the responses are going to be to future input variables
  • InferenceTo [infer] how nature is associating the response variables to the input variables.”

Furthermore, in the same dispute we can read:

“The statistical community has been committed to the almost exclusive use of [generative] models. This commitment has led to irrelevant theory, questionable conclusions, and has kept statisticians from working on a large range of interesting current problems. [Predictive] modeling, both in theory and practice, has developed rapidly in fields outside statistics. It can be used both on large complex data sets and as a more accurate and informative alternative to data modeling on smaller data sets. If our goal as a field is to use data to solve problems, then we need to move away from exclusive dependence on [generative] models …”

So, we can say that Data Science evolved from Predictive Analytics which in turn evolved from Statistics but it becomes separate science. Tukey and Wilk 1969 compared this new science to established sciences and further circumscribed the role of Statistics within it:

“ … data analysis is a very di cult field. It must adapt itself to what people can and need to do with data. In the sense that biology is more complex than physics, and the behavioural sciences are more complex than either, it is likely that the general problems of data analysis are more complex than those of all three. It is too much to ask for close and effective guidance for data analysis from any highly formalized structure, either now or in the near future. Data analysis can gain much from formal statistics, but only if the connection is kept adequately loose”

How to study data science

So, what is exactly predictive analytics culture? I think that everyone who used Kaggle competition before can agree with me that description of common task framework (CTF) formulated by Marc Liberman in 2009 is a perfect description of Kaggle competitions, and hackathons events; where latter has worked as training sessions for newbies in the data world. An instance of the CTF has these ingredients:

  1. A publicly available training data set involving, for each observation, a list of (possibly many) feature measurements, and a class label for that observation.
  2. A set of enrolled competitors whose common task is to infer a class prediction rule from the training data.
  3. A scoring referee, to which competitors can submit their prediction rule. The referee runs the prediction rule against a testing dataset which is sequestered behind a Chinese wall. The referee objectively and automatically reports the score (prediction accuracy) achieved by the submitted rule

Kaggle competitions are not only training platforms for newbies like me but also very challenging statistical competitions where experienced statisticians can win “pocket money”. A famous example is the Netflix Challenge where the common task was to predict Netflix user movie selection. The winning team (which included ATT Statistician Bob Bell) won 1 mln dollars.

Comparing modules that are available on master in data science at University of Berkley[6]:

  1. Both
  • Applied machine learning
  • Experiments and causality
  1. Statistics
  • Research design and application for data and analysis
  • Statistics for Data Science
  • Behind the data: humans and values
  • Statistical methods for discrete response, Time Series and panel data
  • Data visualisation
  1. Computer Science
  • Python for Data Science
  • Storing and Retrieving Data
  • Scalling up! Really Big Data
  • Machine Learning at scale
  • Natural Language Processing with Deep Learning

We can really see that data science is a subject that demands skills from both computer science and statistics. So, it is another confirmation for me that it is the best time to change department for my postgraduate study, that is, to study statistics on computer science department.

In the 50 Years of Data Science article we can read: “The activities of Greater Data Science are classified into 6 divisions:

  1. Data exploration and preparation
  2. Data representation and transformation
  3. Computing with data
  4. Data visualization and presentation
  5. Data Modelling
  6. Science about data science [5]

I will quickly go through all of them using my Ebola research example, this required using machine learning on time series data.

  1. The most demanding part. Many people told me before starting this project that: collecting, cleaning, wrangling and preparing data take 60% of all the time that you need to spend on data science project. I didn’t realise how much this 60% means in real time. I didn ‘t realise that the 60 percent will take so much time and that after this I will be exhausted. Exhausted but ready for the next step.
  2. This point is actually part of the first one, or maybe just like many other things in statistics: everything is one huge connected bunch.Data that you can find can be very nice, well behaving, written in CSV or JSON or any other format file that you can quickly download and use, but what if not? What if your data is ‘dirty’and not stored as a file (e.g. only appear on a website)? What if data is coded? Do you need to decode it?
  3. The even bigger challenge, but what a fun? You need to know a few different programming languages or least as I do know a little bit of R, a little bit of Python, quite well Tableau and Excel. So you can use different program in different scenarios or for different tasks. For example, using Panda to do EDA and ggplot 2 to do data vis.
  4. Graphs are pretty, right? If you are still reading my article, I bet you know what is heat map, spatial vis in big cities or different infographics. Surely, I would like to highlight, that we respect only the ones that are not only pretty but also valid. Nevertheless, time that is required to create these visualisations is another matter.
  5. The data modelling, finally? I don’t need to say a lot about this. All forms of inferential and predictive analytic are allowed and accepted.
  6. My favourite part, not the end yet. All the conferences and meetups that I can attend on. All the seminars where we all present our current projects.

Conclusions

After graduation, I will be graduated Statistician. Even more, I will be a mathematical statistician whom mostly during degree dealt with inferential statistics. On the other hand, winning data science scholarship gave me exposure to predictive analytic which I highly enjoyed. Therefore, for my next stage, I will just change my department and concentrate more on predictive analytic. There are many statisticians working on computer science department. They possess both statistical knowledge and advanced software engineering skills, they are called data scientists. It would be a pleasure for me to join them. I don’t mind if it will be MSc. Computer Science, MSc. Data Science, MSc. Big Data or whatever the name will be. I do mind to have sufficient exposure to deal with “dirty” data using statistical modelling and machine learning using modern technology. This is what data science is for me. Maybe for you, it will be something else. Maybe you will be more satisfied with expanding massively programming skills. But for me, programming is a tool, modern technology is my friend and my bread and butter will be predictive analytic.

References

  1. IMS Presidential Address: Let us own data science
  2. Data science is statistics
  3. A Gelman, Columbia University
  4. Yanir Seroussi: What is data Science?
  5. 50 Years Data Science
  6. Curriculum: data science@Berkley
Thomas Blanchard

Data Science and Predictive Analytics in Healthcare

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Doing data science in a healthcare company can save lives. Whether it’s by predicting which patients have a tumor on an MRI, are at risk of re-admission, or have misclassified diagnoses in electronic medical records are all examples of how predictive models can lead to better health outcomes and improve the quality of life of patients.  Nevertheless, the healthcare industry presents many unique challenges and opportunities for data scientists.

The impact of data science in healthcare

Healthcare providers have a plethora of important but sensitive data. Medical records include a diverse set of data such as basic demographics, diagnosed illnesses, and a wealth of clinical information such as lab test results. For patients with chronic diseases, there could be a long and detailed history of data available on a number of health indicators due to the frequency of visits to a healthcare provider. Information from medical records can often be combined with outside data as well. For example, a patient’s address can be combined with other publicly available information to determine the number of surgeons that practice near a patient or other relevant information about the type of area that patients reside in.

With this rich data about a patient as well as their surroundings, models can be built and trained to predict many outcomes of interest. One important area of interest is models predicting disease progression, which can be used for disease management and planning. For example, at Fresenius Medical Care (where we primarily care for patients with chronic conditions such as kidney disease), we use a Chronic Kidney Disease progression model that can predict the trajectory of a patient’s condition to help clinicians decide whether and when to proceed to the next stage in their medical care. Predictive models can also notify clinicians about patients who may require interventions to reduce risk of negative outcomes. For instance, we use models to predict which patients are at risk for hospitalization or missing a dialysis treatment. These predictions, along with the key factors driving the prediction, are presented to clinicians who can decide if certain interventions might help reduce the patient’s risk.

Challenges of data science in healthcare

One challenge is that the healthcare industry is far behind other sectors in terms of adopting the latest technology and analytics tools. This does present some challenges, and data scientists should be aware that the data infrastructure and development environment at many healthcare companies will not be at the bleeding edge of the field. However it also means there are a lot of opportunities for improvement, and even small simple models can yield vast improvements over current methods.

Another challenge in the healthcare sector arises from the sensitive nature of medical information. Due to concerns over data privacy, it can often be difficult to obtain access to data that the company has. For this reason, data scientists considering a position at a healthcare company should be aware of whether there is already an established protocol for data professionals to get access to the data. If there isn’t, be aware that simply getting access to the data may be a major effort in itself.

Finally, it is important to keep in mind the end-use of any predictive model. In many cases, there are very different costs to false-negatives and false-positives. A false-negative may be detrimental to a patient’s health, while too many false-positives may lead to many costly and unnecessary treatments (also to the detriment of patients’ health for certain treatments as well as economy overall). Education about the proper use of predictive models and their limitations is essential for end-users. Finally, making sure the output of a predictive model is actionable is important. Predicting that a patient is at high-risk is only useful if the model outputs is interpretable enough to explain what factors are putting that patient at risk. Furthermore, if the model is being used to plan interventions, the factors that can be changed need to be highlighted in some way – telling a clinician that a patient is at risk because of their age is not useful if the point of the prediction is to lower risk through intervention.

The future of data science in the healthcare sector

The future holds a lot of promise for data science in healthcare. Wearable devices that track all kinds of activity and biometric data are becoming more sophisticated and more common. Streaming data coming from either wearables or devices providing treatment (such as dialysis machines) could eventually be used to provide real-time alerts to patients or clinicians about health events outside of the hospital.

Currently, a major issue facing medical providers is that patients’ data tends to exist in silos. There is little integration across electronic medical record systems (both between and within medical providers), which can lead to fragmented care. This can lead to clinicians receiving out of date or incomplete information about a patient, or to duplication of treatments. Through a major data engineering effort, these systems could (and should) be integrated. This would vastly increase the potential of data scientists and data engineers, who could then provide analytics services that took into account the whole patients’ history to provide a level of consistency across care providers. Data workers could use such an integrated record to alert clinicians to duplications of procedures or dangerous prescription drug combinations.

Data scientists have a lot to offer in the healthcare industry. The advances of machine learning and data science can and should be adopted in a space where the health of individuals can be improved. The opportunities for data scientists in this sector are nearly endless, and the potential for good is enormous.

Benjamin Aunkofer

Die fünf Schritte zur Datenstrategie

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Big Data ist allgegenwärtig – die Datenrevolution bietet in nahezu allen Branchen vielfältige Nutzungsmöglichkeiten. Bevor Sie jedoch investieren, sollten Sie sehr sorgfältig analysieren, welche Strategie auf Ihr Unternehmen exakt zugeschnitten ist: Ihre Datenstrategie.

Der Artikel Unternehmen brauchen eine Datenstrategie erläutert, wozu Unternehmen eine Datenstrategie erarbeiten sollten, dieser Artikel skizziert eine erprobte Vorgehensweise dafür. Diese Vorgehensweise basiert auf der  Strategiearbeit  unseres Teams, erhebt jedoch keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Das überlegte Ausformulieren einer Datenstrategie ist eine individuelle Arbeit und so fällt es vielen Führungskräften und Mitarbeitern schwer, hierfür eine strukturierte Vorgehensweise zu finden.

Data Driven Thinking spielt bei der Formulierung der Datenstrategie eine wesentliche Rolle: Es ist die, an das Design Thinking angelehnte, Denkweise, Daten zu nutzen, um Fragen zu beantworten und damit verbundene Probleme zu lösen. Geübten Data Thinkern fällt das Durchdenken einer Datenstrategie relativ leicht. Für gedankliche Neueinsteiger in dieses Thema soll die folgende Vorgehensweise eine Hilfe bieten, denn aus meiner Erfahrung zeigten sich bisher folgende fünf Schritte als besonders erfolgskritisch. Diese Schritte sind einer Reihenfolge von der Vision bis zur Datenstrategie vorgegeben, mit dem Ziel, anfänglich ein Bewusstsein dafür zu schaffen, welche Datenquellen zur Verfügung stehen und welche Art von Daten in denen enthalten sind.

Die fünf Schritte zur Datenstrategie

1. Die Vision [Kick-Off]

Jedes Unternehmen benötigt eine individuelle Datenstrategie, die auf die spezielle Ausgangssituation und den gesetzten Unternehmenszielen zugeschnitten ist. Jede Datenstrategie hat eine klare Standortbestimmung und verfolgt oder unterstützt eine bestimmte Vision für das Unternehmen, an der die zu erstellende Datenstrategie auszurichten ist. Der Kick-Off zur Datenstrategie geht u.a. folgenden Fragen nach: Wie sieht die Marktsituation aus? Wie genau funktionieren die Geschäftsmodelle und welche Vision sehen die involvierten Mitarbeiter für ihr Unternehmen?

2. Die Datenquellen

Zum Data Driven Thinking gehört es, Daten zu finden, die Antworten auf Ihre Fragen liefern. Ebenso funktioniert es, vorhandene Daten zu betrachten und daraus Lösungsideen zu entwickeln. Eine Grundvoraussetzung für die Beantwortung von Fragen mit Daten ist es, dass alle verfügbaren Datenquellen gut dokumentiert wurden und die Mitarbeiter Kenntnis sowohl über die Datenquellen als auch über deren Dokumentation haben. Ist das nicht der Fall, ist dies der erste wichtige Schritt zur Erstellung einer Datenstrategie.

Dafür brauchen Sie Ihre IT-Administratoren, einen guten Data Engineer (Was ist ein Data Engineer? Und was ein Data Scientist?) und Ihre, für die Datenstrategie abgestellten Mitarbeiter aus den Fachbereichen.

Das Ergebnis ist die Gewissheit, über welche Daten Sie bereits verfügen und über welche Sie verfügen könnten, würden Sie es wünschen. Zudem werden mit den Datenquellen verbundene Fragen geklärt: Wie sieht es mit der Datensicherheit und dem Datenschutz aus? Nur so betrachten Sie Ihre Datenpotenziale in den weiteren Schritten ganzheitlich und rechtssicher.

3. Die Konzeptionierung der Informationsgewinnung

Sowohl in der Informatik als auch in der Managementlehre ist bekannt, dass aus Daten Informationen werden, wenn die einzelnen Datenpunkte miteinander verknüpft werden. Dennoch hapert es bei den meisten Unternehmen gerade an dieser Stelle. Bisher werden gerade einmal 1% aller Daten genutzt. Daten zu nutzen bedeutet dabei konkret, diese in Informationsflüsse umzuwandeln. Der Schritt der Konzeptionierung der Informationsgewinnung ist ein Ideenprozess darüber, wie – je nach Detailgrad – ganze Datenquellen oder auch nur einzelne Datentabellen innerhalb von Datenbanken miteinander verknüpft werden können – so wie es bisher noch nicht der Fall ist. Es ist ein gedanklicher Prozess des Data Engineering, mit der Fragestellung: Welche Informationsflüsse haben wir bereits und welche Datenquellen erschaffen neue Informationsflüsse (ggf. wenn sie miteinander verknüpft werden)?

Dafür brauchen Sie Ihre Mitarbeiter aus den Fachbereichen, den Data Engineer und idealerweise ab diesen Schritt einen Data Scientist.

Das Ergebnis ist eine Beschreibung der neuen Informationsgewinnung durch Zugriff auf bestimmte Daten.

4. Die Konzeptionierung der Wissensgenerierung

Werden Informationen in einem bestimmten Kontext betrachtet, entsteht Wissen. Im Kontext der Geschäftssitutation Ihres Unternehmens entsteht für Ihr Geschäft relevantes Wissen. In diesem Schritt der Erstellung Ihrer Datenstrategie wird beleuchtet, welche Informationen zur Wissensgenerierung von besonderem Interesse sein könnten und welches Wissen Sie über welche Informationen generieren.

Dafür brauchen Sie Ihren Data Scientist und Ihre Mitarbeiter aus den Fachbereichen

Als Ergebnis werden Analyseverfahren beschrieben, die die Generierung eines gewünschten Wissens (z. B. über Ihre Kunden, Lieferanten, Produkte oder besondere Ereignisse) wahrscheinlich machen (Data Mining) bis hin zur Errichtung eines Assistenzsystems (datengestützte Entscheidungsfindung) oder eines autonomen Systems (datengetriebene Entscheidungsfindung).

Übrigens: Data Driven Thinking ermöglicht Ihnen, bisher als nahezu unlösbar betrachtete Probleme doch noch zu lösen. Diese datengetriebene Denkweise wird für Führungskräfte der Zukunft unverzichtbar und gilt gegenwärtig als Karriere-Turbo in Richtung Führungsetage.

5. Die Planung der Umsetzung

Nachdem nun ein Bewusstsein dafür entstanden ist, welche Daten zur Verfügung stehen, wie aus ihnen Informationen erschaffen und Geschäftswissen zu generieren ist, kommt nun die Frage auf, wie dieses Gedankenkonstrukt in die Realität umzusetzen ist. Für die Umsetzung sind nun eine Menge Fragen zu klären, wie beispielsweise: Welche Tools sollen verwendet werden? Welches Team (Skillset) wird benötigt? Sollen Lösungen eingekauft oder selbst realisiert werden?

Dafür brauchen Sie Ihre Mitarbeiter aus den Fachbereichen, Ihren Data Scientist (Data Mining, Machine Learning) sowie – wenn Sie die Wissensgenerierung automatisieren möchten – erfahrene Software Entwickler.

Als Ergebnis erhalten Sie einen Plan, wie Ihre Datenstrategie technisch realisiert werden soll.

6. Die Datenstrategie [Resultat]

Nachdem Sie alle Fragen von der Vision bis zur konkreten Umsetzungsplanung beantwortet haben, fehlt nur noch die Ausformulierung Ihrer Ideen, Konzepte und der zu erwartenden Ergebnisse für jeden verständlich als ein Dokument namens Datenstrategie. Diese Datenstrategie soll Ihren Plan transparent machen und ist die Grundlage dafür, Ihre Mitarbeiter, Partner und letztendlich auch Ihre Vorgesetzten von Ihrer Strategie zu überzeugen.

Mein Vortrag zur Datenstrategie am Data Leader Day 2017

Am Data Leader Day am 09. November 2017 in Berlin erläutere ich als Keynote “Wie Sie für Ihr Unternehmen die richtige Datenstrategie entwickeln!”
Führungskräfte von Unternehmen wie Otto, Allianz, Deutsche Bahn und  SAP ergänzen mit ihren eigenen Erfahrungen hinsichtlich Big Data Projekten zur Geschäftsoptimierung. Jetzt hier Tickets sichern und dabei sein!