Data Mining - интеллектуальный анализ данных

 

Data Mining - интеллектуальный анализ данных

 

1. Что такое  Data Mining?

Data Mining переводится как "добыча" или "раскопка данных". Нередко рядом с Data Mining встречаются слова "обнаружение знаний в базах данных" (knowledge discovery in databases) и "интеллектуальный анализ данных". Их можно считать синонимами Data Mining. Возникновение всех указанных терминов связано с новым витком в развитии средств и методов обработки данных.

До начала 90-х годов, казалось, не было особой нужды переосмысливать  ситуацию в этой области. Все шло  своим чередом в рамках направления, называемого прикладной статистикой (см. например, [1]). Теоретики проводили конференции и семинары, писали внушительные статьи и монографии, изобиловавшие аналитическими выкладками.

Вместе с тем, практики всегда знали, что попытки применить  теоретические экзерсисы для  решения реальных задач в большинстве  случаев оказываются бесплодными. Но на озабоченность практиков до поры до времени можно было не обращать особого внимания - они решали главным  образом свои частные проблемы обработки  небольших локальных баз данных.

И вот прозвенел звонок. В связи с совершенствованием технологий записи и хранения данных на людей обрушились колоссальные потоки информационной руды в самых различных  областях. Деятельность любого предприятия (коммерческого, производственного, медицинского, научного и т.д.) теперь сопровождается регистрацией и записью всех подробностей его деятельности. Что делать с  этой информацией? Стало ясно, что  без продуктивной переработки потоки сырых данных образуют никому не нужную свалку.

Специфика современных требований к такой переработке следующие:

• Данные имеют неограниченный объем
• Данные являются разнородными (количественными, качественными, текстовыми)
• Результаты должны быть конкретны и понятны
• Инструменты для обработки сырых данных должны быть просты в использовании

Традиционная математическая статистика, долгое время претендовавшая на роль основного инструмента анализа  данных, откровенно спасовала перед  лицом возникших проблем. Главная  причина - концепция усреднения по выборке, приводящая к операциям над фиктивными величинами (типа средней температуры пациентов по больнице, средней высоты дома на улице, состоящей из дворцов и лачуг и т.п.). Методы математической статистики оказались полезными главным образом для проверки заранее сформулированных гипотез (verification-driven data mining) и для "грубого" разведочного анализа, составляющего основу оперативной аналитической обработки данных (online analytical processing, OLAP).

В основу современной технологии Data Mining (discovery-driven data mining) положена концепция шаблонов (паттернов), отражающих фрагменты многоаспектных взаимоотношений в данных. Эти шаблоны представляют собой закономерности, свойственные подвыборкам данных, которые могут быть компактно выражены в понятной человеку форме. Поиск шаблонов производится методами, не ограниченными рамками априорных предположений о структуре выборке и виде распределений значений анализируемых показателей. Примеры заданий на такой поиск при использовании Data Mining приведены в табл. 1.

Таблица 1. Примеры  формулировок задач при использовании  методов OLAP и Data Mining [2]

OLAP	Data Mining
Каковы средние  показатели травматизма для курящих и некурящих?	Какие факторы  лучше всего предсказывают несчастные случаи?
Каковы средние  размеры телефонных счетов существующих клиентов в сравнении со счетами  бывших клиентов (отказавшихся от услуг  телефонной компании)?	Какие характеристики отличают клиентов, которые, по всей вероятности, собираются отказаться от услуг телефонной компании?
Какова средняя  величина ежедневных покупок по украденной и не украденной кредитной карточке?	Какие схемы покупок  характерны для мошенничества с  кредитными карточками?

Важное положение Data Mining - нетривиальность разыскиваемых шаблонов. Это означает, что найденные шаблоны должны отражать неочевидные, неожиданные (unexpected) регулярности в данных, составляющие так называемые скрытые знания (hidden knowledge). К обществу пришло понимание, что сырые данные (raw data) содержат глубинный пласт знаний, при грамотной раскопке которого могут быть обнаружены настоящие самородки (рис.1).

 
Рисунок 1. Уровни знаний, извлекаемых  из данных

В целом технологию Data Mining достаточно точно определяет Григорий Пиатецкий-Шапиро - один из основателей этого направления:

Data Mining - это процесс обнаружения в сырых данных

• ранее неизвестных
• нетривиальных
• практически полезных
• и доступных интерпретации знаний,
• необходимых для принятия решений в различных сферах
• человеческой деятельности.

G. Piatetsky-Shapiro, Knowledge Stream Partners

2. Кому это нужно? 

Сфера применения Data Mining ничем не ограничена - она везде, где имеются какие-либо данные. Но в первую очередь методы Data Mining сегодня, мягко говоря, заинтриговали коммерческие предприятия, развертывающие проекты на основе информационных хранилищ данных (Data Warehousing). Опыт многих таких предприятий показывает, что отдача от использования Data Mining может достигать 1000%. Например, известны сообщения об экономическом эффекте, в 10-70 раз превысившем первоначальные затраты от 350 до 750 тыс. дол. [3]. Известны сведения о проекте в 20 млн. дол., который окупился всего за 4 месяца. Другой пример - годовая экономия 700 тыс. дол. за счет внедрения Data Mining в сети универсамов в Великобритании.

Data Mining представляют большую ценность для руководителей и аналитиков в их повседневной деятельности. Деловые люди осознали, что с помощью методов Data Mining они могут получить ощутимые преимущества в конкурентной борьбе. Кратко охарактеризуем некоторые возможные бизнес-приложения Data Mining [2].

2.1. Некоторые бизнес-приложения  Data Mining

Розничная торговля

Предприятия розничной торговли сегодня собирают подробную информацию о каждой отдельной покупке, используя  кредитные карточки с маркой магазина и компьютеризованные системы контроля. Вот типичные задачи, которые можно  решать с помощью Data Mining в сфере розничной торговли:

• анализ покупательской корзины (анализ сходства) предназначен для выявления товаров, которые покупатели стремятся приобретать вместе. Знание покупательской корзины необходимо для улучшения рекламы, выработки стратегии создания запасов товаров и способов их раскладки в торговых залах.
• исследование временных шаблонов помогает торговым предприятиям принимать решения о создании товарных запасов. Оно дает ответы на вопросы типа "Если сегодня покупатель приобрел видеокамеру, то через какое время он вероятнее всего купит новые батарейки и пленку?"
• создание прогнозирующих моделей дает возможность торговым предприятиям узнавать характер потребностей различных категорий клиентов с определенным поведением, например, покупающих товары известных дизайнеров или посещающих распродажи. Эти знания нужны для разработки точно направленных, экономичных мероприятий по продвижению товаров.

Банковское дело

Достижения технологии Data Mining используются в банковском деле для решения следующих распространенных задач:

• выявление мошенничества с кредитными карточками. Путем анализа прошлых транзакций, которые впоследствии оказались мошенническими, банк выявляет некоторые стереотипы такого мошенничества.
• сегментация клиентов. Разбивая клиентов на различные категории, банки делают свою маркетинговую политику более целенаправленной и результативной, предлагая различные виды услуг разным группам клиентов.
• прогнозирование изменений клиентуры. Data Mining помогает банкам строить прогнозные модели ценности своих клиентов, и соответствующим образом обслуживать каждую категорию.

Телекоммуникации

В области телекоммуникаций  методы Data Mining помогают компаниям более энергично продвигать свои программы маркетинга и ценообразования, чтобы удерживать существующих клиентов и привлекать новых. Среди типичных мероприятий отметим следующие:

• анализ записей о подробных характеристиках вызовов. Назначение такого анализа - выявление категорий клиентов с похожими стереотипами пользования их услугами и разработка привлекательных наборов цен и услуг;
• выявление лояльности клиентов.  Data Mining можно использовать для определения характеристик клиентов, которые, один раз воспользовавшись услугами данной компании, с большой долей вероятности останутся ей верными. В итоге средства, выделяемые на маркетинг, можно тратить там, где отдача больше всего.

Страхование

Страховые компании в течение  ряда лет накапливают большие  объемы данных. Здесь обширное поле деятельности для методов Data Mining:

• выявление мошенничества. Страховые компании могут снизить уровень мошенничества, отыскивая определенные стереотипы в заявлениях о выплате страхового возмещения, характеризующих взаимоотношения между юристами, врачами и заявителями.
• анализ риска. Путем выявления сочетаний факторов, связанных с оплаченными заявлениями, страховщики могут уменьшить свои потери по обязательствам. Известен случай, когда в США крупная страховая компания обнаружила, что суммы, выплаченные по заявлениям людей, состоящих в браке, вдвое превышает суммы по заявлениям одиноких людей. Компания отреагировала на это новое знание пересмотром своей общей политики предоставления скидок семейным клиентам.

Другие приложения в бизнесе 

Data Mining может применяться во множестве других областей:

• развитие автомобильной промышленности. При сборке автомобилей производители должны учитывать требования каждого отдельного клиента, поэтому им нужны возможность прогнозирования популярности определенных характеристик и знание того, какие характеристики обычно заказываются вместе;
• политика гарантий. Производителям нужно предсказывать число клиентов, которые подадут гарантийные заявки, и среднюю стоимость заявок;
• поощрение часто летающих клиентов. Авиакомпании могут обнаружить группу клиентов, которых данными поощрительными мерами можно побудить летать больше. Например, одна авиакомпания обнаружила категорию клиентов, которые совершали много полетов на короткие расстояния, не накапливая достаточно миль для вступления в их клубы, поэтому она таким образом изменила правила приема в клуб, чтобы поощрять число полетов так же, как и мили.

2.2. Специальные  приложения

Медицина 

Известно много экспертных систем для постановки медицинских  диагнозов. Они построены главным  образом на основе правил, описывающих  сочетания различных симптомов  различных заболеваний. С помощью  таких правил узнают не только, чем  болен пациент, но и как нужно  его лечить. Правила помогают выбирать средства медикаментозного воздействия, определять показания - противопоказания, ориентироваться в лечебных процедурах, создавать условия наиболее эффективного лечения, предсказывать исходы назначенного курса лечения и т. п. Технологии Data Mining позволяют обнаруживать в медицинских данных шаблоны, составляющие основу указанных правил.

Молекулярная  генетика и генная инженерия 

Пожалуй, наиболее остро  и вместе с тем четко задача обнаружения закономерностей в  экспериментальных данных стоит  в молекулярной генетике и генной инженерии. Здесь она формулируется  как определение так называемых маркеров, под которыми понимают генетические коды, контролирующие те или иные фенотипические признаки живого организма. Такие коды могут содержать сотни, тысячи и  более связанных элементов.

На развитие генетических исследований выделяются большие средства. В последнее время в данной области возник особый интерес к  применению методов Data Mining. Известно несколько крупных фирм, специализирующихся на применении этих методов для расшифровки генома человека и растений.

Прикладная химия 

Методы Data Mining находят широкое применение в прикладной химии (органической и неорганической). Здесь нередко возникает вопрос о выяснении особенностей химического строения тех или иных соединений, определяющих их свойства. Особенно актуальна такая задача при анализе сложных химических соединений, описание которых включает сотни и тысячи структурных элементов и их связей.

Можно привести еще много  примеров различных областей знания, где методы Data Mining играют ведущую роль. Особенность этих областей заключается в их сложной системной организации. Они относятся главным образом к надкибернетическому уровню организации систем [4], закономерности которого не могут быть достаточно точно описаны на языке статистических или иных аналитических математических моделей [5]. Данные в указанных областях неоднородны, гетерогенны, нестационарны и часто отличаются высокой размерностью.

3. Типы закономерностей 

Выделяют пять стандартных  типов закономерностей, которые  позволяют выявлять  методы Data Mining: ассоциация, последовательность, классификация, кластеризация и прогнозирование (рис. 2).

 
Рисунок 2. Типы закономерностей, выявляемых методами Data Mining

Ассоциация имеет место в том случае, если несколько событий связаны друг с другом. Например, исследование, проведенное в супермаркете, может показать, что 65% купивших кукурузные чипсы берут также и "кока-колу", а при наличии скидки за такой комплект "колу" приобретают в 85% случаев. Располагая сведениями о подобной ассоциации, менеджерам легко оценить, насколько действенна предоставляемая скидка.