Machine learning methods have been used very successfully for quite some time to recognize patterns, model correlations and generate hypotheses. However, the possibilities for weighing and evaluating the resulting models and hypotheses, and the search for alternatives and contradictions are still predominantly reserved for humans. For this purpose, the novel concept of constructivist machine learning (conML) formalizes limitations of model validity and employs constructivist learning theory to enable doubting of new and existing models with the possibility of integrating, discarding, combining, and abstracting knowledge. The present work identifies issues that impede the systems capability to abstract knowledge from generated models for tasks that lie in the domain of procedural knowledge, and proposes and implements identified solutions. To this end, the conML framework has been reimplemented in the Julia programming language and subsequently been extended. Using a synthetic dataset of impedance spectra of modeled epithelia that has previously been analyzed with an existing implementation of conML, existing and new implementations are tested for consistency and proposed algorithmic changes are evaluated with respect to changes in model generation and abstraction ability when exploring unknown data. Recommendations for specific settings and suggestions for further research are derived from the results. In terms of performance, flexibility and extensibility, the new implementation of conML in Julia provides a good starting point for further research and application of the system.:Contents Abstract . . . . . III Zusammenfassung . . . . . IV Danksagung . . . . . V Selbstständigkeitserklärung . . . . . V 1. Introduction 1.1. Research Questions . . . . . 2 2. Related Work 2.1. Hybrid AI Systems . . . . . 5 2.2. Constructivist Machine Learning (conML) . . . . . 6 2.3. Implemented Methods . . . . . 9 2.3.1. Unsupervised Machine Learning . . . . . 9 2.3.2. Supervised Machine Learning . . . . . 11 2.3.3. Supervised Feature Selection . . . . . 13 2.3.4. Unsupervised Feature Selection . . . . . 17 3. Methods and Implementation 3.1. Notable Algorithmic Changes . . . . . 19 3.1.1. Rescaling of Target Values . . . . . 19 3.1.2. ExtendedWinner Selection . . . . . 21 3.2. Package Structure . . . . . 23 3.3. Interfaces and Implementation of Specific Methods . . . . . 29 3.4. Datasets . . . . . 41 4. Results 4.1. Validation Against the conML Prototype . . . . . 43 4.2. Change in Abstraction Capability . . . . . 49 4.2.1. Influence of Target Scaling . . . . . 49 4.2.2. Influence of the Parameter kappa_p . . . . . 55 4.2.3. Influence of the Winner Selection Procedure . . . . . 61 5. Discussion 5.1. Reproduction Results . . . . . 67 5.2. Rescaling of Constructed Targets . . . . . 69 5.3. kappa_p and the Selection of Winner Models . . . . . 71 6. Conclusions 6.1. Contributions of this Work . . . . . 77 6.2. Future Work . . . . . 78 A. Julia Language Reference . . . . . 81 B. Additional Code Listings . . . . . 91 C. Available Parameters . . . . . 99 C.1. Block Processing . . . . . 105 D. Configurations Reference . . . . . 107 D.1. Unsupervised Methods . . . . . 107 D.2. Supervised Methods . . . . . 108 D.3. Feature Selection . . . . . 109 D.4. Winner Selection . . . . . 110 D.5. General Settings . . . . . 110 E. Supplemental Figures . . . . . 113 E.1. Replacing MAPE with RMSE for Z-Transform Target Scaling . . . . . 113 E.2. Combining Target Rescaling, Winner Selection and High kappa_p . . . . . 119 Bibliography . . . . . 123 List of Figures . . . . . 129 List of Listings . . . . . 133 List of Tables . . . . . 135 / Maschinelle Lernverfahren werden seit geraumer Zeit sehr erfolgreich zum Erkennen von Mustern, Abbilden von Zusammenhängen und Generieren von Hypothesen eingesetzt. Die Möglichkeiten zum Abwägen und Bewerten der entstandenen Modelle und Hypothesen, und die Suche nach Alternativen und Widersprüchen sind jedoch noch überwiegend dem Menschen vorbehalten. Das neuartige Konzept des konstruktivistischen maschinellen Lernens (conML) formalisiert dazu die Grenzen der Gültigkeit von Modellen und ermöglicht mittels konstruktivistischer Lerntheorie ein Zweifeln über neue und bestehende Modelle mit der Möglichkeit zum Integrieren, Verwerfen, Kombinieren und Abstrahieren von Wissen. Die vorliegende Arbeit identifiziert Probleme, die die Abstraktionsfähigkeit des Systems bei Aufgabenstellungen in der Prozeduralen Wissensdomäne einschränken, bietet Lösungsvorschläge und beschreibt deren Umsetzung. Das algorithmische Framework conML ist dazu in der Programmiersprache Julia reimplementiert und anschließend erweitert worden. Anhand eines synthetischen Datensatzes von Impedanzspektren modellierter Epithelien, der bereits mit einem Prototypen des conML Systems analysiert worden ist, werden bestehende und neue Implementierung auf Konsistenz geprüft und die vorgeschlagenen algorithmischen Änderungen im Hinblick auf Veränderungen beim Erzeugen von Modellen und der Abstraktionsfähigkeit bei der Exploration unbekannter Daten untersucht. Aus den Ergebnissen werden Empfehlungen zu konkreten Einstellungen sowie Vorschläge für weitere Untersuchungen abgeleitet. Die neue Implementierung von conML in Julia bietet im Hinblick auf Performanz, Flexibilität und Erweiterbarkeit einen guten Ausgangspunkt für weitere Forschung und Anwendung des Systems.:Contents Abstract . . . . . III Zusammenfassung . . . . . IV Danksagung . . . . . V Selbstständigkeitserklärung . . . . . V 1. Introduction 1.1. Research Questions . . . . . 2 2. Related Work 2.1. Hybrid AI Systems . . . . . 5 2.2. Constructivist Machine Learning (conML) . . . . . 6 2.3. Implemented Methods . . . . . 9 2.3.1. Unsupervised Machine Learning . . . . . 9 2.3.2. Supervised Machine Learning . . . . . 11 2.3.3. Supervised Feature Selection . . . . . 13 2.3.4. Unsupervised Feature Selection . . . . . 17 3. Methods and Implementation 3.1. Notable Algorithmic Changes . . . . . 19 3.1.1. Rescaling of Target Values . . . . . 19 3.1.2. ExtendedWinner Selection . . . . . 21 3.2. Package Structure . . . . . 23 3.3. Interfaces and Implementation of Specific Methods . . . . . 29 3.4. Datasets . . . . . 41 4. Results 4.1. Validation Against the conML Prototype . . . . . 43 4.2. Change in Abstraction Capability . . . . . 49 4.2.1. Influence of Target Scaling . . . . . 49 4.2.2. Influence of the Parameter kappa_p . . . . . 55 4.2.3. Influence of the Winner Selection Procedure . . . . . 61 5. Discussion 5.1. Reproduction Results . . . . . 67 5.2. Rescaling of Constructed Targets . . . . . 69 5.3. kappa_p and the Selection of Winner Models . . . . . 71 6. Conclusions 6.1. Contributions of this Work . . . . . 77 6.2. Future Work . . . . . 78 A. Julia Language Reference . . . . . 81 B. Additional Code Listings . . . . . 91 C. Available Parameters . . . . . 99 C.1. Block Processing . . . . . 105 D. Configurations Reference . . . . . 107 D.1. Unsupervised Methods . . . . . 107 D.2. Supervised Methods . . . . . 108 D.3. Feature Selection . . . . . 109 D.4. Winner Selection . . . . . 110 D.5. General Settings . . . . . 110 E. Supplemental Figures . . . . . 113 E.1. Replacing MAPE with RMSE for Z-Transform Target Scaling . . . . . 113 E.2. Combining Target Rescaling, Winner Selection and High kappa_p . . . . . 119 Bibliography . . . . . 123 List of Figures . . . . . 129 List of Listings . . . . . 133 List of Tables . . . . . 135

Robots that support humans in physically demanding tasks require accurate force sensing capabilities. A common way to achieve this is by monitoring the interaction with the environment directly with dedicated force sensors. Major drawbacks of such special purpose sensors are the increased costs and the reduced payload of the robot platform. Instead, this thesis investigates how the functionality of such sensors can be approximated by utilizing force estimation approaches. Most of today’s robots are equipped with rich proprioceptive sensing capabilities where even a robotic arm, e.g., the UR5, provides access to more than hundred sensor readings. Following this trend, it is getting feasible to utilize a wide variety of sensors for force estimation purposes. Human proprioception allows estimating forces such as the weight of an object by prior experience about sensory-motor patterns. Applying a similar approach to robots enables them to learn from previous demonstrations without the need of dedicated force sensors. This thesis introduces Behavior-Specific Proprioception Models (BSPMs), a novel concept for enhancing robotic behavior with estimates of the expected proprioceptive feedback. A main methodological contribution is the operationalization of the BSPM approach using data-driven machine learning techniques. During a training phase, the behavior is continuously executed while recording proprioceptive sensor readings. The training data acquired from these demonstrations represents ground truth about behavior-specific sensory-motor experiences, i.e., the influence of performed actions and environmental conditions on the proprioceptive feedback. This data acquisition procedure does not require expert knowledge about the particular robot platform, e.g., kinematic chains or mass distribution, which is a major advantage over analytical approaches. The training data is then used to learn BSPMs, e.g. using lazy learning techniques or artificial neural networks. At runtime, the BSPMs provide estimates of the proprioceptive feedback that can be compared to actual sensations. The BSPM approach thus extends classical programming by demonstrations methods where only movement data is learned and enables robots to accurately estimate forces during behavior execution.

Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2007

<P>Modern biological analysis techniques supply scientists with various forms of data. One category of such data are the so called "expression data". These data indicate the quantities of biochemical compounds present in tissue samples.</P> <P>Recently, expression data can be generated at a high speed. This leads in turn to amounts of data no longer analysable by classical statistical techniques. Systems biology is the new field that focuses on the modelling of this information.</P> <P>At present, various methods are used for this purpose. One superordinate class of these meth­ods is machine learning. Methods of this kind had, until recently, predominantly been used for classification and prediction tasks. This neglected a powerful secondary benefit: the ability to induce interpretable models.</P> <P>Obtaining such models from data has become a key issue within Systems biology. Numerous approaches have been proposed and intensively discussed. This thesis focuses on the examination and exploitation of one basic technique: decision trees.</P> <P>The concept of comparing sets of decision trees is developed. This method offers the pos­sibility of identifying significant thresholds in continuous or discrete valued attributes through their corresponding set of decision trees. Finding significant thresholds in attributes is a means of identifying states in living organisms. Knowing about states is an invaluable clue to the un­derstanding of dynamic processes in organisms. Applied to metabolite concentration data, the proposed method was able to identify states which were not found with conventional techniques for threshold extraction.</P> <P>A second approach exploits the structure of sets of decision trees for the discovery of com­binatorial dependencies between attributes. Previous work on this issue has focused either on expensive computational methods or the interpretation of single decision trees ­ a very limited exploitation of the data. This has led to incomplete or unstable results. That is why a new method is developed that uses sets of decision trees to overcome these limitations.</P> <P>Both the introduced methods are available as software tools. They can be applied consecu­tively or separately. That way they make up a package of analytical tools that usefully supplement existing methods.</P> <P>By means of these tools, the newly introduced methods were able to confirm existing knowl­edge and to suggest interesting and new relationships between metabolites.</P> / <P>Neuere biologische Analysetechniken liefern Forschern verschiedenste Arten von Daten. Eine Art dieser Daten sind die so genannten "Expressionsdaten". Sie geben die Konzentrationen biochemischer Inhaltsstoffe in Gewebeproben an.<P> <P>Neuerdings können Expressionsdaten sehr schnell erzeugt werden. Das führt wiederum zu so großen Datenmengen, dass sie nicht mehr mit klassischen statistischen Verfahren analysiert werden können. "System biology" ist eine neue Disziplin, die sich mit der Modellierung solcher Information befasst.</P> <P>Zur Zeit werden dazu verschiedenste Methoden benutzt. Eine Superklasse dieser Methoden ist das maschinelle Lernen. Dieses wurde bis vor kurzem ausschließlich zum Klassifizieren und zum Vorhersagen genutzt. Dabei wurde eine wichtige zweite Eigenschaft vernachlässigt, nämlich die Möglichkeit zum Erlernen von interpretierbaren Modellen.</P> <P>Die Erstellung solcher Modelle hat mittlerweile eine Schlüsselrolle in der "Systems biology" erlangt. Es sind bereits zahlreiche Methoden dazu vorgeschlagen und diskutiert worden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Nutzung einer ganz grundlegenden Technik: den Entscheidungsbäumen.</P> <P>Zunächst wird ein Konzept zum Vergleich von Baummengen entwickelt, welches das Erkennen bedeutsamer Schwellwerte in reellwertigen Daten anhand ihrer zugehörigen Entscheidungswälder ermöglicht. Das Erkennen solcher Schwellwerte dient dem Verständnis von dynamischen Abläufen in lebenden Organismen. Bei der Anwendung dieser Technik auf metabolische Konzentrationsdaten wurden bereits Zustände erkannt, die nicht mit herkömmlichen Techniken entdeckt werden konnten.</P> <P>Ein zweiter Ansatz befasst sich mit der Auswertung der Struktur von Entscheidungswäldern zur Entdeckung von kombinatorischen Abhängigkeiten zwischen Attributen. Bisherige Arbeiten hierzu befassten sich vornehmlich mit rechenintensiven Verfahren oder mit einzelnen Entscheidungsbäumen, eine sehr eingeschränkte Ausbeutung der Daten. Das führte dann entweder zu unvollständigen oder instabilen Ergebnissen. Darum wird hier eine Methode entwickelt, die Mengen von Entscheidungsbäumen nutzt, um diese Beschränkungen zu überwinden.</P> <P>Beide vorgestellten Verfahren gibt es als Werkzeuge für den Computer, die entweder hintereinander oder einzeln verwendet werden können. Auf diese Weise stellen sie eine sinnvolle Ergänzung zu vorhandenen Analyswerkzeugen dar.</P> <P>Mit Hilfe der bereitgestellten Software war es möglich, bekanntes Wissen zu bestätigen und interessante neue Zusammenhänge im Stoffwechsel von Pflanzen aufzuzeigen.</P>

Transcriptional regulation refers to the molecular systems that control the concentration of mRNA species within the cell. Variation in these controlling systems is not only responsible for many diseases, but also contributes to the vast phenotypic diversity in the biological world. There are powerful experimental approaches to probe these regulatory systems, and the focus of my doctoral research has been to develop and apply effective computational methods that exploit these rich data sets more completely. First, I present a method for mapping genetic regulators of gene expression (expression quantitative trait loci, or eQTL) using Random Forests. This approach allows for flexible modeling and feature selection, and results in eQTL that are more biologically supportable than those mapped with competing methods. Next, I present a method that finds interactions between genes that in turn regulate the expression of other genes. This is accomplished by finding recurring decision motifs in the forest structure that represent dependencies between genetic loci. Third, I present a method to use distributional differences in eQTL data to establish the regulatory roles of genes relative to other disease-associated genes. Using this method, we found that genes that are master regulators of other disease genes are more likely to be consistently associated with the disease in genetic association studies. Finally, I present a novel application of Random Forests to determine the mode of regulation of toxin-perturbed genes, using time-resolved gene expression. The results demonstrate a novel approach to supervised weighted clustering of gene expression data.

Techn. Universiẗat, Diss.--Dresden, 2006.

Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Aktinomyzeten sind ein Teil der residenten Flora des menschlichen Verdauungstraktes, des Urogenitalsystems und der Haut. Die zeitraubende Isolation und Identifikation der Aktinomyzeten durch konventionelle Methoden stellt sich häufig als sehr schwierig dar. In den letzten Jahren hat sich jedoch die Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation-Flugzeit-Massenspektrometrie (MALDI-TOF-MS) als Alternative zu etablierten Verfahren entwickelt und stellt heutzutage eine schnelle und simple Methode zur Bakterienidentifikation dar. Unsere Studie untersucht den Nutzen dieser Methode für eine schnelle und zuverlässige Identifizierung von oralen Aktinomyzeten, die aus dem subgingivalen Biofilm parodontal erkrankter Patienten isoliert wurden. In dieser Studie wurden elf verschiedene Referenzstämme aus den Stammsammlungen ATCC und DSMZ und 674 klinische Stämme untersucht. Alle Stämme wurden durch biochemische Methoden vorab identifiziert und anschließend ausgehend von den erhobenen MALDI-TOF-MS-Daten durch Ähnlichkeitsanalysen und Klassifikationsmethoden identifiziert und klassifiziert. Der Genotyp der Referenzstämme und von 232 klinischen Stämmen wurde durch Sequenzierung der 16S rDNA bestimmt. Die Sequenzierung bestätigte die Identifizierung der Referenzstämme. Diese und die zweifelsfrei durch 16S rDNA Sequenzierung identifizierten Aktinomyzeten wurden verwendet, um eine MALDI-TOF-MS-Datenbank zu erstellen. Methoden der Klassifikation wurden angewandt, um eine Differenzierung und Identifikation zu ermöglichen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine Kombination aus Datenerhebung mittels MALDI-TOF-MS und deren Verarbeitung mittels SVM-Algorithmen eine gute Möglichkeit für die Identifikation und Differenzierung von oralen Aktinomyzeten darstellt.

Learning a model for the relationship between the attributes and the annotated labels of data examples serves two purposes. Firstly, it enables the prediction of the label for examples without annotation. Secondly, the parameters of the model can provide useful insights into the structure of the data. If the data has an inherent partitioned structure, it is natural to mirror this structure in the model. Such mixture models predict by combining the individual predictions generated by the mixture components which correspond to the partitions in the data. Often the partitioned structure is latent, and has to be inferred when learning the mixture model. Directly evaluating the accuracy of the inferred partition structure is, in many cases, impossible because the ground truth cannot be obtained for comparison. However it can be assessed indirectly by measuring the prediction accuracy of the mixture model that arises from it. This thesis addresses the interplay between the improvement of predictive accuracy by uncovering latent cluster structure in data, and further addresses the validation of the estimated structure by measuring the accuracy of the resulting predictive model. In the application of filtering unsolicited emails, the emails in the training set are latently clustered into advertisement campaigns. Uncovering this latent structure allows filtering of future emails with very low false positive rates. In order to model the cluster structure, a Bayesian clustering model for dependent binary features is developed in this thesis. Knowing the clustering of emails into campaigns can also aid in uncovering which emails have been sent on behalf of the same network of captured hosts, so-called botnets. This association of emails to networks is another layer of latent clustering. Uncovering this latent structure allows service providers to further increase the accuracy of email filtering and to effectively defend against distributed denial-of-service attacks. To this end, a discriminative clustering model is derived in this thesis that is based on the graph of observed emails. The partitionings inferred using this model are evaluated through their capacity to predict the campaigns of new emails. Furthermore, when classifying the content of emails, statistical information about the sending server can be valuable. Learning a model that is able to make use of it requires training data that includes server statistics. In order to also use training data where the server statistics are missing, a model that is a mixture over potentially all substitutions thereof is developed. Another application is to predict the navigation behavior of the users of a website. Here, there is no a priori partitioning of the users into clusters, but to understand different usage scenarios and design different layouts for them, imposing a partitioning is necessary. The presented approach simultaneously optimizes the discriminative as well as the predictive power of the clusters. Each model is evaluated on real-world data and compared to baseline methods. The results show that explicitly modeling the assumptions about the latent cluster structure leads to improved predictions compared to the baselines. It is beneficial to incorporate a small number of hyperparameters that can be tuned to yield the best predictions in cases where the prediction accuracy can not be optimized directly. / Das Lernen eines Modells für den Zusammenhang zwischen den Eingabeattributen und annotierten Zielattributen von Dateninstanzen dient zwei Zwecken. Einerseits ermöglicht es die Vorhersage des Zielattributs für Instanzen ohne Annotation. Andererseits können die Parameter des Modells nützliche Einsichten in die Struktur der Daten liefern. Wenn die Daten eine inhärente Partitionsstruktur besitzen, ist es natürlich, diese Struktur im Modell widerzuspiegeln. Solche Mischmodelle generieren Vorhersagen, indem sie die individuellen Vorhersagen der Mischkomponenten, welche mit den Partitionen der Daten korrespondieren, kombinieren. Oft ist die Partitionsstruktur latent und muss beim Lernen des Mischmodells mitinferiert werden. Eine direkte Evaluierung der Genauigkeit der inferierten Partitionsstruktur ist in vielen Fällen unmöglich, weil keine wahren Referenzdaten zum Vergleich herangezogen werden können. Jedoch kann man sie indirekt einschätzen, indem man die Vorhersagegenauigkeit des darauf basierenden Mischmodells misst. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Zusammenspiel zwischen der Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit durch das Aufdecken latenter Partitionierungen in Daten, und der Bewertung der geschätzen Struktur durch das Messen der Genauigkeit des resultierenden Vorhersagemodells. Bei der Anwendung des Filterns unerwünschter E-Mails sind die E-Mails in der Trainingsmende latent in Werbekampagnen partitioniert. Das Aufdecken dieser latenten Struktur erlaubt das Filtern zukünftiger E-Mails mit sehr niedrigen Falsch-Positiv-Raten. In dieser Arbeit wird ein Bayes'sches Partitionierunsmodell entwickelt, um diese Partitionierungsstruktur zu modellieren. Das Wissen über die Partitionierung von E-Mails in Kampagnen hilft auch dabei herauszufinden, welche E-Mails auf Veranlassen des selben Netzes von infiltrierten Rechnern, sogenannten Botnetzen, verschickt wurden. Dies ist eine weitere Schicht latenter Partitionierung. Diese latente Struktur aufzudecken erlaubt es, die Genauigkeit von E-Mail-Filtern zu erhöhen und sich effektiv gegen verteilte Denial-of-Service-Angriffe zu verteidigen. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit ein diskriminatives Partitionierungsmodell hergeleitet, welches auf dem Graphen der beobachteten E-Mails basiert. Die mit diesem Modell inferierten Partitionierungen werden via ihrer Leistungsfähigkeit bei der Vorhersage der Kampagnen neuer E-Mails evaluiert. Weiterhin kann bei der Klassifikation des Inhalts einer E-Mail statistische Information über den sendenden Server wertvoll sein. Ein Modell zu lernen das diese Informationen nutzen kann erfordert Trainingsdaten, die Serverstatistiken enthalten. Um zusätzlich Trainingsdaten benutzen zu können, bei denen die Serverstatistiken fehlen, wird ein Modell entwickelt, das eine Mischung über potentiell alle Einsetzungen davon ist. Eine weitere Anwendung ist die Vorhersage des Navigationsverhaltens von Benutzern einer Webseite. Hier gibt es nicht a priori eine Partitionierung der Benutzer. Jedoch ist es notwendig, eine Partitionierung zu erzeugen, um verschiedene Nutzungsszenarien zu verstehen und verschiedene Layouts dafür zu entwerfen. Der vorgestellte Ansatz optimiert gleichzeitig die Fähigkeiten des Modells, sowohl die beste Partition zu bestimmen als auch mittels dieser Partition Vorhersagen über das Verhalten zu generieren. Jedes Modell wird auf realen Daten evaluiert und mit Referenzmethoden verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass das explizite Modellieren der Annahmen über die latente Partitionierungsstruktur zu verbesserten Vorhersagen führt. In den Fällen bei denen die Vorhersagegenauigkeit nicht direkt optimiert werden kann, erweist sich die Hinzunahme einer kleinen Anzahl von übergeordneten, direkt einstellbaren Parametern als nützlich.

In this paper we present the architecture of an intelligent test error detection agent that is able to independently supervise the test process. By means of rationally applied bin and cause specific retests it should detect and correct the majority of test errors with minimal additional test effort. To achieve this, the agent utilizes test error models learned from historical example data to rate single wafer runs. The resulting run specific test error hypotheses are sequentially combined with information gained from regular and ordered retests in order to infer and update a global test error hypothesis. Based on this global hypothesis the agent decides if a test error exists, what its most probable cause is and which bins are affected. Consequently, it is able to initiate proper retests to check the inferred hypothesis and if necessary correct the affected test runs. The paper includes a description of the general architecture and discussions about possible test error models, the inference approach to generate the test error hypotheses from the given information and a possible set of rules to act upon the inferred hypothesis.