Algoritmos de aprendizado de máquina são amplamente empregados na indução de modelos para descoberta de conhecimento em conjuntos de dados. Como grande parte desses algoritmos assume que os dados são gerados por uma função de distribuição estacionária, um modelo é induzido uma única vez e usado indefinidamente para a predição do rótulo de novos dados. Entretanto, atualmente, diversas aplicações, como gerenciamento de transportes e monitoramento por redes de sensores, geram fluxos contínuos de dados que podem mudar ao longo do tempo. Consequentemente, a eficácia do algoritmo escolhido para esses problemas pode se deteriorar ou outros algoritmos podem se tornar mais apropriados para as características dos novos dados. Nesta tese é proposto um método baseado em meta-aprendizado para gerenciar o processo de aprendizado em ambientes dinâmicos de fluxos contínuos de dados com o objetivo de melhorar o desempenho preditivo do sistema de aprendizado. Esse método, denominado MetaStream, seleciona regularmente o algoritmo mais promissor para os dados que estão chegando, de acordo com as características desses dados e de experiências passadas. O método proposto emprega técnicas de aprendizado de máquina para gerar o meta-conhecimento, que relaciona as características extraídas dos dados em diferentes instantes do tempo ao desempenho preditivo dos algoritmos. Entre as medidas usadas para extrair informação relevante dos dados, estão aquelas comumente empregadas em meta-aprendizado convencional com diferentes conjuntos de dados, que são adaptadas para as especificidades do cenário de fluxos, e de áreas correlatas, que consideram, por exemplo, a ordem de chegada dos dados. O MetaStream é avaliado para três conjuntos de dados reais e seis algoritmos de aprendizado diferentes. Os resultados mostram a aplicabilidade do MetaStream e sua capacidade de melhorar o desempenho preditivo geral do sistema de aprendizado em relação a um método de referência para a maioria dos problemas investigados. Deve ser observado que uma combinação de modelos mostrou-se superior ao MetaStream para dois conjuntos de dados. Assim, foram analisados os principais fatores que podem ter influenciado nos resultados observados e são indicadas possíveis melhorias do método proposto / Machine learning algorithms are widely employed to induce models for knowledge discovery in databases. Since most of these algorithms suppose that the underlying distribution of the data is stationary, a model is induced only once e it is applied to predict the label of new data indefinitely. However, currently, many real applications, such as transportation management systems and monitoring of sensor networks, generate data streams that can change over time. Consequently, the effectiveness of the algorithm chosen for these problems may deteriorate or other algorithms may become more suitable for the new data characteristics. This thesis proposes a metalearning based method for the management of the learning process in dynamic environments of data streams aiming to improve the general predictive performance of the learning system. This method, named MetaStream, regularly selects the most promising algorithm for arriving data according to its characteristics and past experiences. The proposed method employs machine learning techniques to generate metaknowledge, which relates the characteristics extracted from data in different time points to the predictive performance of the algorithms. Among the measures applied to extract relevant information are those commonly used in conventional metalearning for different data sets, which are adapted for the data stream particularities, and from other related areas that consider the order of the data stream. We evaluate MetaStream for three real data stream problems and six different learning algorithms. The results show the applicability of the MetaStream and its capability to improve the general predictive performance of the learning system compared to a baseline method for the majority of the cases investigated. It must be observed that an ensemble of models is usually superior to MetaStream. Thus, we analyzed the main factors that may have influenced the results and indicate possible improvements for the proposed method
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-26032014-155351 |
| Date | 19 December 2013 |
| Creators | Andre Luís Debiaso Rossi |
| Contributors | André Carlos Ponce de Leon Ferreira de Carvalho, Carlos Manuel Milheiro de Oliveira Pinto Soares, George Darmiton da Cunha Cavalcanti, Estevam Rafael Hruschka Júnior, Ronaldo Cristiano Prati, Carlos Manuel Milheiro de Oliveira Pinto Soares |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Ciências da Computação e Matemática Computacional, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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