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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!

 

Benjamin Aunkofer

Unternehmen brauchen eine Datenstrategie

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Viele Unternehmen stecken gerade in der Digitalisierung fest, digitalisieren Prozesse und Dokumente, vernetzen immer mehr Maschinen und Endgeräte, und generieren dabei folglich immer mehr Daten. Aber auch ungeachtet der aktuellen Digitalisierungs- und Vernetzungsinitiativen verfügen Unternehmen bereits längst über einen wahren Datenschatz in Ihren ERP-, CRM- und sonstigen IT-Systemen. Hinzu kommt ein beinahe unerschöpfliches Datenpotenzial aus externen Quellen hinzu, insbesondere dem Social Media, den Finanzportalen und behördlichen Instituten (Open Data).

Nur die wenigsten Unternehmen – jene dürfen wir ohne Zweifel zu den Gewinnern der Digitalisierung zählen – verfügen über eine konkrete Strategie, wie Daten aus unternehmensinternen und -externen Datenquellen zur Geschäftsoptimierung genutzt werden können: Die Datenstrategie.

Was ist eine Datenstrategie?

Die Datenstrategie ist ein ausformulierter und zielorientierter Verfahrensplan, um Daten in Mehrwert zu verwandeln. Er bringt während seiner Formulierung alle nötigen Funktionsbereichen zusammen, also IT-Administratoren, kaufmännische Entscheider und natürlich Data Scientists bzw. Datenexperten (welche genaue Berufsbezeichnung auch immer damit verbunden sein mag).

Die Datenstrategie ist ein spezieller Business Plan zur gewinnorientierten Datennutzung. In ihr werden klare Ziele und Zeitvorgaben (kurz-, mittel-, langfristig) definiert, der voraussichtliche Ressourcen-Einsatz und die Rahmenbedingungen benannt. Dazu gehören sowohl die technischen (Hardware, Software) als auch die rechtlichen Rahmen (Datenschutz, Datensicherheit, Urheberrecht usw.). Die Datenstrategie die Herausforderungen nachvollziehbar heraus und stellt im Abgleich fest, ob die bestehende Belegschaft im aktuellen Zustand die nötigen Kapazitäten und Qualifikationen hat bzw. ob Maßnahmen zum Erwerb von Know-How (Qualifizierung, Recruiting) ergriffen werden sollten.

Wozu braucht ein Unternehmen eine Datenstrategie?

Viele Unternehmen – ich bin zumindest mit vielen solcher Unternehmen im Gespräch – wissen oft nicht, wie sie am Trend zur Datennutzung partizipieren können, bevor es der Wettbewerb tut bzw. man für neue Märkte unzureichend / zu spät vorbereitet ist. Sie wissen, dass es Potenziale für die Nutzung von Daten gibt, jedoch nicht, welche Tragweite derartige Projekte hinsichtlich des Einsatzes und des Ergebnisses haben werden. Diesen Unternehmen fehlt eine Datenstrategie als ein klarer Fahrplan, um über Datenanalyse die bestehenden Geschäfte zu optimieren. Und möglicherweise auch, um neue Geschäftsmöglichkeiten zu erschließen.

Demgegenüber steht eine andere Art von Unternehmen: Diese sind bereits seit Jahren in die Nutzung von Big Data eingestiegen und haben nun viele offene Baustellen, verschiedene neue Tools und eine große Vielfalt an Projektergebnissen. Einige dieser Unternehmen sehen sich nunmehr mit einer Komplexität konfrontiert, für die der Wunsch nach Bereinigung aufkommt. Hier dient die Datenstrategie zur Fokussierung der Ressourcen auf die individuell besten, d.h. gewinnträchtigsten bzw. nötigsten Einsatzmöglichkeiten, anstatt alle Projekte auf einmal machen.

Zusammenfassend kann demnach gesagt werden, dass eine Datenstrategie dazu dient, sich nicht in Big Data bzw. Data Science Projekte zu verrennen oder mit den falschen Projekten anzufangen. Die Strategie soll Frustration vermeiden und schon vom Ansatz her dafür sorgen, dass die nächst höhere Etage – bis hin zum Vorstand – Big Data Projekte nicht für sinnlos erklärt und die Budgets streicht.

Wie entsteht eine Datenstrategie?

Ein ganz wesentlicher Punkt ist, dass die Datenstrategie kein Dokument wird, welches mühsam nur für die Schublade erstellt wurde. Der Erfolg entsteht schließlich nicht auf schönen Strategiefolien, sondern aus zielgerichteter Hands-on-Arbeit. Zudem ist es erfolgskritisch, dass die Datenstrategie für jeden beteiligten Mitarbeiter verständlich ist und keine Beraterfloskeln enthält, jedoch fachlich und umsetzungsorientiert bleibt. Im Kern steht sicherlich in der Regel eine Analysemethodik (Data Science), allerdings soll die Datenstrategie alle relevanten Fachbereiche im Unternehmen mitnehmen und somit ein Gemeinschaftsgefühl (Wir-Gefühl) erschaffen, und keinesfalls die Erwartung vermitteln, die IT mache da schon irgendwas. Folglich muss die Datenstrategie gemeinschaftlich entwickelt werden, beispielsweise durch die Gründung eines Komitees, welches aus Mitarbeitern unterschiedlichster Hintergründe besetzt ist, die der Interdisziplinität gerecht wird. Eine entsprechend nötige Interdisziplinität des Teams bringt übrigens – das wird häufig verschwiegen – auch Nachteile mit sich, denn treffen die führenden Köpfe aus den unterschiedlichen Fachbereichen aufeinander, werden Vorschläge schnell abgehoben und idealistisch, weil sie die Erwartungen aller Parteien erfüllen sollen. Eine gute Datenstrategie bleibt jedoch auf dem Boden und hat realistische Ziele, sie orientiert sich an den Gegebenheiten und nicht an zukünftigen Wunschvorstellungen einzelner Visionäre.

Idealerweise wird die Entwicklung der Datenstrategie von jemanden begleitet, der sowohl Erfahrung in Verarbeitung von Daten als auch vom Business hat, und der über explizite Erfahrung mit Big Data Projekten verfügt. Gerade auch das Einbeziehen externer Experten ermöglicht, dass indirekt durch den Erfahrungseinfluss aus bereits gemachten Fehlern in anderen Unternehmen gelernt werden kann.

Mehr dazu im nächsten Artikel: Die fünf Schritte zur Datenstrategie! 

Benjamin Aunkofer

Entscheidungsbaum-Algorithmus ID3

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Dieser Artikel ist Teil 2 von 4 der Artikelserie Maschinelles Lernen mit Entscheidungsbaumverfahren.

Entscheidungsbäume sind den Ingenieuren bestens bekannt, um Produkte hierarchisch zu zerlegen und um Verfahrensanweisungen zu erstellen. Die Data Scientists möchten ebenfalls Verfahrensanweisungen erstellen, jedoch automatisiert aus den Daten heraus. Auf diese Weise angewendet, sind Entscheidungsbäume eine Form des maschinellen Lernens: Die Maschine soll selbst einen Weg finden, um ein Objekt einer Klasse zuzuordnen.

Der ID3-Algorithmus

Den ID3-Algorithmus zu verstehen lohnt sich, denn er ist die Grundlage für viele weitere, auf ihn aufbauende Algorithmen. Er ist mit seiner iterativen und rekursiven Vorgehensweise auch recht leicht zu verstehen, er darf nur wiederum nicht in seiner Wirkung unterschätzt werden. Die Vorgehensweise kann in drei wesentlichen Schritten zerlegt werden, wobei der erste Schritt die eigentliche Wirkung (mit allen Vor- und Nachteilen) entfaltet:

  1. Schritt: Auswählen des Attributes mit dem höchsten Informationsgewinn
    Betrachte alle Attribute (Merkmale) des Datensatzes und bestimme, welches Attribut die Daten am besten klassifiziert.
  2. Schritt: Anlegen eines Knotenpunktes mit dem Attribut
    Sollten die Ergebnisse unter diesem Knoten eindeutig sein (1 unique value), speichere es in diesem Knotenpunkt und springe zurück.
  3. Schritt: Rekursive Fortführung dieses Prozesses
    Andernfalls zerlege die Daten jedem Attribut entsprechend in n Untermengens (subsets), und wiederhole diese Schritte für jede der Teilmengen.

Der Informationsgewinn (Information Gain) – und wie man ihn berechnet


Der Informationsgewinn eines Attributes (A) im Sinne des ID3-Algorithmus ist die Differenz aus der Entropie (E(S)) (siehe Teil 1 der Artikelserie: Entropie, ein Maß für die Unreinheit in Daten) des gesamten Datensatzes (S) und der Summe aus den gewichteten Entropien des Attributes für jeden einzelnen Wert (Value i), der im Attribut vorkommt:
IG(S, A) = E(S) - \sum_{i=1}^n \frac{\bigl|S_i\bigl|}{\bigl|S\bigl|} \cdot E(S_i)

Wie die Berechnung des Informationsgewinnes funktioniert, wird Teil 3 dieser Artikel-Reihe (erscheint in Kürze) zeigen.

Die Vorzüge des ID3-Algorithmus – und die Nachteile

Der Algorithmus ist die Grundlage für viele weitere Algorithmen. In seiner Einfachheit bringt er gewisse Vorteile – die ihn vermutlich zum verbreitesten Entscheidungsbaum-Algorithmus machen – mit sich, aber hat auch eine Reihe von Nachteilen, die bedacht werden sollten.

Vorteile Nachteile
  • leicht verständlich und somit schnell implementiert
  • stellt eine gute Basis für Random Forests dar
  • alle Attribute spielen eine Rolle, der Baum wird aber tendenziell klein, da der Informationsgewinn die Reihenfolge vorgibt
  • funktioniert (mit Anpassungen) auch für Mehrfachklassifikation
  • aus der Reihenfolge durch den Informationsgewinn entsteht nicht unbedingt der beste bzw. kleinste Baum unter allen Möglichkeiten. Es ist ein Greedy-Algorithmus und somit “kurzsichtig”
  • die Suche nach Entscheidungsregeln ist daher auch nicht vollständig/umfassend
  • da der Baum via ID3 solange weiterwachsen soll, bis die Daten so eindeutig wie möglich erklärt sind, wird Overfitting geradezu provoziert

Overfitting (Überanpassung) beachten und vermeiden

Aus Daten heraus generierte Entscheidungsbäume neigen zur Überanpassung. Das bedeutet, dass sich die Bäume den Trainingsdaten soweit anpassen können, dass sie auf diese perfekt passen, jedoch keine oder nur noch einen unzureichende generalisierende Beschreibung mehr haben. Neue Daten, die eine höhere Vielfältigkeit als die Trainingsdaten haben können, werden dann nicht mehr unter einer angemessenen Fehlerquote korrekt klassifiziert.

Vorsicht vor Key-Spalten!

Einige Attribute erzwingen eine Überanpassung regelrecht: Wenn beispielsweise ein Attribut wie „Kunden-ID“ (eindeutige Nummer pro Kunde) einbezogen wird, haben wir – bezogen auf das Klassifikationsergebnis – für jeden einzelnen Wert in dem Attribut eine Entropie von 0 zu erwarten, denn jeder ID beschreibt einen eindeutigen Fall (Kunde, Kundengruppe etc.). Daraus folgt, dass der Informationsgewinn für dieses Attribut maximal wird. Hier würde der Baum eine enorme Breite erhalten, die nicht hilfreich wäre, denn jeder Wert (IDs) bekäme einen einzelnen Ast im Baum, der zu einem eindeutigen Ergebnis führt. Auf neue Daten (neue Kundennummern) ist der Baum nicht anwendbar, denn er stellt keine generalisierende Beschreibung mehr dar, sondern ist nur noch ein Abbild der Trainingsdaten.

Prunning – Den Baum nachträglich kürzen

Besonders große Bäume sind keine guten Bäume und ein Zeichen für Überanpassung. Eine Möglichkeit zur Verkleinerung ist das erneute Durchrechnen der Informationsgewinne und das kürzen von Verzweigungen (Verallgemeinerung), sollte der Informationsgewinn zu gering sein. Oftmals wird hierfür nicht die Entropie oder der Gini-Koeffizient, sondern der Klassifikationsfehler als Maß für die Unreinheit verwendet.

Random Forests als Overfitting-Allheilmittel

Bei Random Forests (eine Form des Ensemble Learning) handelt es sich um eine Gemeinschaftsentscheidung der Klassenzugehörigkeit über mehrere Entscheidungsbäume. Diese Art des “demokratischen” Machine Learnings wird auch Ensemble Learning genannt. Werden mehrere Entscheidungsbäume unterschiedlicher Strukturierung zur gemeinsamen Klassifikation verwendet, wird die Wirkung des Overfittings einzelner Bäume in der Regel reduziert.

Philip Piletic

Ways AI & ML Are Changing How We Live

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From Amazon’s Alexa, a personal assistant that can do anything from making your to-do list to giving a wide range of real-time information about the world around you, to Google’s DeepMind that has very recently made headlines for possibly being able to predict the future, AI and ML are the biggest development in human history.

Machine Learning Used by Hospitals

We hear a lot about Artificial Intelligence (AI) in the realm of insurance Big Data, but there isn’t much buzz around how AI and ML are revolutionising hospitals. The national health expenditures were around $3.4 trillion and estimated to increase from 17.8 percent of GDP to 19.9 percent between 2015 and 2025. By 2021, industry analysts have predicted that the AI health market will reach $6.6 billion. By 2026, such increases in AI technology in the healthcare sector will save the economy around $150 billion annually.

Some of the most popular Artificial Intelligence applications used in hospitals now are:

  • Predictive Health Trackers – Technology that has the ability to monitor patients’ health status using real-time data collection. One such technology is the Health and Environmental Tracker (HET) which can predict if someone is about to have an asthma attack.
  • Chatbots – It isn’t only retail customer service that uses chatbots to deal with consumers. Now hospitals have automated physicians that inquire and route clinicians to the right specialists.
  • Predictive Analytics – Cleveland Clinics have partnered with Microsoft (Cortana) while John Hopkins has partnered up with GE in order to create Machine Learning technology that has the ability to monitor patients and prevent patient emergencies before they happen. It does this by analysing data for primary indicators of potential risks.

Cognitive Marketing – Content Marketing on Steroids

Customer experience and content marketing are terms often tossed around in the world of business and advertising these days. Why do we bring them up now, you ask? Well, things are about to be kicked into sixth gear, thanks to Cognitive Marketing. To explain what that is, let’s go back a bit: remember when Google’s DeepMind AlphaGo bested the top human player at the game? This wasn’t some computer beating a bored office clerk at the game of Solitaire. In order to achieve that victory, Google’s AI had to “actually show its cognitive capability to ‘think’ like humans, because to win the game, ‘intuition’ was needed rather than just ‘logical reasoning’.” Similar algorithm-powered AI’s are enabling machines to learn and grow on their own. Soon, they’ll reach the potential to create content for marketeers at a massive scale. Not only that, but they’ll always deliver the right content, to the right kind of audience, at just the right time.

More Ways Than One: How Retail Is Harnessing AI & ML

  1. Developing Store That Don’t Need Checkout Lines

Tech companies and online retail giants such as Amazon want to create cashier-free stores, at least they are trying to. Last year Amazon launched its Amazon Go which uses sensors and hundreds of cameras to track what customers pick up and then charge the amount to an application on their smart phone, put simply. But only months into the experiment Amazon has said they need to work out some kinks in the system. As of now, Amazon Go’s system can only handle 20 or so customers at a time.

Among other issues, The Guardian, citing an unnamed source, wrote in an article, stated “…if an item has been moved from its specific spot on the shelf.”  Located in Seattle, Washington, Amazon Go is now running in “beta mode” only for Amazon employees as it tests its systems. And these tests are showing that Amazon’s attempt at a cashier-free brick-and-mortar convenience store is far from ready for the real world. A Journal report stated, “For now, the technology functions flawlessly only if there are a small number of customers present, or when their movements are slow.”

  1. Could Drones Be Delivering Goods to Your Home One Day?

Imagine ordering something online from, let’s say, Amazon, and it arrives at your door in 30 minutes or so via drone. Does that sound like something out of the movie The Fifth Element? Maybe, but this technology is already is already here.

Amazon Prime Air made its first delivery to a customer via a GPS-guided flying drone on December 7th, 2016. It only took 13 minutes for the drone to deliver the merchandise to the customer. This sort of technology will be a huge game changer for retail. The supply chain industry is headed for a revolution – drone delivery is coming, and retailers who want to keep up really should adopt such technologies.

Even in 2016, consumers were totally ready to accept drone delivery. The Walk Sands Future of Retail 2016 Study showed that 79 percent of US consumers said they would be “very likely” or “somewhat likely” to choose drone delivery if their product could be delivered within an hour. For me, I’d choose it just to see how cool it was. I think it would be pretty rad to have a drone land in my yard with my package, don’t you? Furthermore, other consumers stated they would pay up to $10 for a drone delivery. Lastly, 26 percent of consumers are already expecting to have their packages delivered to them in the next two years or so.

Driverless Delivery Vehicles Already Here as Well

There was a movie I watched some months ago – you most likely heard of it or even watched it. It was the latest movie about Wolverine titled Logan. There was a certain scene that never left my memory (basically because I found it awesome) where Logan and his companions were driving along a freeway full of driverless tractor trailers that had no tractor.

In an article written for pastemagazine.com, Carlos Alvarez of Getty wrote: “… Logan’s writer and director James Mangold’s inclusion of the self-driving trucking machines make it clear that the filmmaker understands the writing on the wall about the future of shipping. It’s a future without truck drivers.” He continues to explain that the movie takes place a little over 10 years from now in 2029.

“The change may well be here long before 2029. It’s only 2017, and already we’re seeing the beginnings of automated trucking taking over the industry. At the 2017 Consumer Electronics Show this January, Peloton Technology demonstrated “platooning,” where trucks are kept in a row on the highway to reduce wind resistance and save fuel. The trucks are controlled by computers on a “Level One” of autonomous driving,” Alvarez continued in his article.

Now in Germany, Mercedes-Benz is has been developing and testing their Actros truck which is fitted with a ‘highway pilot’ system, which acts like an auto-pilot and includes a radar and stereo camera system. So far, German carmaker Daimler has restricted testing on a German autobahn. The autobahn is generally safer than testing in city conditions since the curves are not as steep. Since the tests have started, this autonomous truck has already driven over 20,000 kilometres.

Did I Say Flying Taxis? Huh, Yeah I Did!

But, if you are still not amazed, then I am about to blow your socks off. Dubai has promised to build a fully autonomous public transportation system by 2030, including autonomous flying drone taxis! Now that is really something. And it isn’t a matter of when they’ll be produced and in use because they already are.

Manufactured in China by the drone-making firm EHang, these really freaking cool quad drones on steroids can carry one person weighing up to 100 kilogrammes (I weigh over that, guess I’m walking) plus maybe a backpack or suitcase. They can fly about 30 kilometres (or 19 miles), at a speed of 60 miles per hour, give or take. And, if that isn’t the cool part, you won’t need any lessons on how to fly it. Simply push a button and it flies you from point A to point B. Whether or not you have to give it directions, don’t know. Either way, this is mostly likely the coolest piece of tech out there right now.

Copyright @ CBS Interactive Inc.

Benjamin Aunkofer

Überwachtes vs unüberwachtes maschinelles Lernen

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Dies ist Artikel 1 von 4 aus der Artikelserie – Was ist eigentlich Machine Learning?

Der Unterschied zwischen überwachten und unüberwachtem Lernen ist für Einsteiger in das Gebiet des maschinellen Lernens recht verwirrend. Ich halte die Bezeichnung “überwacht” und “unüberwacht” auch gar nicht für besonders gut, denn eigentlich wird jeder Algorithmus (zumindest anfangs) vom Menschen überwacht. Es sollte besser in trainierte und untrainierte Verfahren unterschieden werden, die nämlich völlig unterschiedliche Zwecke bedienen sollen:

Während nämlich überwachte maschinelle Lernverfahren über eine Trainingsphase regelrecht auf ein (!) Problem abgerichtet werden und dann produktiv als Assistenzsystem (bis hin zum Automated Decision Making) funktionieren sollen, sind demgegenüber unüberwachte maschinelle Lernverfahren eine Methodik, um unübersichtlich viele Zeilen und Spalten von folglich sehr großen Datenbeständen für den Menschen leichter interpretierbar machen zu können (was nicht immer funktioniert).

Trainiere dir deinen Algorithmus mit überwachtem maschinellen Lernen

Wenn ein Modell anhand von mit dem Ergebnis (z. B. Klassifikationsgruppe) gekennzeichneter Trainingsdaten erlernt werden soll, handelt es sich um überwachtes Lernen. Die richtige Antwort muss während der Trainingsphase also vorliegen und der Algorithmus muss die Lücke zwischen dem Input (Eingabewerte) und dem Output (das vorgeschriebene Ergebnis) füllen.

Die Überwachung bezieht sich dabei nur auf die Trainingsdaten! Im produktiven Lauf wird grundsätzlich nicht überwacht (und das Lernen könnte sich auf neue Daten in eine ganz andere Richtung entwickeln, als dies mit den Trainingsdaten der Fall war). Die Trainingsdaten

Eine besondere Form des überwachten Lernens ist die des bestärkenden Lernens. Bestärkendes Lernen kommt stets dann zum Einsatz, wenn ein Endergebnis noch gar nicht bestimmbar ist, jedoch der Trend hin zum Erfolg oder Misserfolg erkennbar wird (beispielsweise im Spielverlauf – AlphaGo von Google Deepmind soll bestärkend trainiert worden sein). In der Trainingsphase werden beim bestärkenden Lernen die korrekten Ergebnisse also nicht zur Verfügung gestellt, jedoch wird jedes Ergebnis bewertet, ob dieses (wahrscheinlich) in die richtige oder falsche Richtung geht (Annäherungslernen).

Zu den überwachten Lernverfahren zählen alle Verfahren zur Regression oder Klassifikation, beispielsweise mit Algorithmen wir k-nearest-Neighbour, Random Forest, künstliche neuronale Netze, Support Vector Machines oder auch Verfahren der Dimensionsreduktion wie die lineare Diskriminanzanalyse.

Mit unüberwachtem Lernen verborgene Strukturen identifizieren

Beim unüberwachten Lernen haben wir es mit nicht mit gekennzeichneten Daten zu tun, die möglichen Antworten/Ergebnisse sind uns gänzlich unbekannt. Folglich können wir den Algorithmus nicht trainieren, indem wir ihm die Ergebnisse, auf die er kommen soll, im Rahmen einer Trainingsphase vorgeben (überwachtes Lernen), sondern wir nutzen Algorithmen, die die Struktur der Daten erkunden und für uns Menschen sinnvolle Informationen aus Ihnen bilden (oder auch nicht – denn häufig bleibt es beim Versuch, denn der Erfolg ist nicht garantiert!).Unüberwachte Verfahren des maschinellen Lernens dienen dem Data Mining, also der Erkennung von Inhalten in Daten anhand von sichtbar werdenden Strukturen. Die Verfahren müssen nicht unbedingt mit Datenvisualisierung arbeiten, oft ist das aber der Fall, denn erst die visuellen Strukturen ermöglichen unseren menschlichen Gehirnen die Daten in einen Kontext zu bringen. Mir sind zwei Kategorien des unüberwachten Lernens bekannt, zum einem das Clustering, welches im Grunde ein unüberwachtes Klassifikationsverfahren darstellt, und zum anderen die Dimensionsreduktion PCA (Hauptkomponentenanalyse). Es gibt allerdings noch andere Verfahren, die mir weniger vertraut sind, beispielsweise unüberwacht lernende künstliche neuronale Netze, die Rauschen lernen, um Daten von eben diesem Rauschen zu befreien.

Benjamin Aunkofer

Was ist eigentlich Machine Learning? Artikelserie

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Machine Learning ist Technik und Mythos zugleich. Nachfolgend der Versuch einer verständlichen Erklärung, mit folgenden Artikeln:

Machine Learning ist nicht neu, aber innovativ!

Machine Learning oder maschinelles Lernen ist eine Bezeichnung, die dank industrieller Trends wie der Industrie 4.0, Smart Grid oder dem autonomen Fahrzeug zur neuen Blüte verhilft. Machine Learning ist nichts Neues und die Algorithmen sind teilweise mehrere Jahrzehnte alt. Dennoch ist Machine Learning ein Innovationsinstrument, denn während früher nur abstrakte Anwendungen, mit vornehmlich wissenschaftlichen Hintergrund, auf maschinellem Lernen setzten, finden entsprechende Algorithmen Einzug in alltägliche industrielle bzw. geschäftliche, medizinische und gesellschaftsorientierte Anwendungen. Machine Learning erhöht demnach sowohl unseren Lebensstandard als auch unsere Lebenserwartung!

Maschinelles Lernen vs künstliche Intelligenz

Künstliche Intelligenz (Artificial Intelligence) ist eine Bezeichnung, die in der Wissenschaft immer noch viel diskutiert wird. Wo beginnt künstliche Intelligenz, wann entsteht natürliche Intelligenz und was ist Intelligenz überhaupt? Wenn diese Wortkombination künstliche Intelligenz fällt, denken die meisten Zuhörer an Filme wie Terminator von James Cameron oder AI von Steven Spielberg. Diese Filme wecken Erwartungen (und Ängste), denen wir mir unseren selbstlernenden Systemen noch lange nicht gerecht werden können. Von künstlicher Intelligenz sollte als mit Bedacht gesprochen werden.

Maschinelles Lernen ist Teilgebiet der künstlichen Intelligenz und eine Sammlung von mathematischen Verfahren zur Mustererkennung, die entweder über generelle Prinzipien (das Finden von Gemeinsamkeiten oder relativen Abgrenzungen) funktioniert [unüberwachtes Lernen] oder durch das Bilden eines Algorithmus als Bindeglied zwischen Input und gewünschten Output aus Trainingsdaten heraus.

Machine Learning vs Deep Learning

Deep Learning ist eine spezielle Form des maschinellen Lernens, die vermutlich in den kommenden Jahren zum Standard werden wird. Gemeint sind damit künstliche neuronale Netze, manchmal auch verschachtelte “herkömmliche” Verfahren, die zum einen mehrere Ebenen bilden (verborgene Schichten eines neuronalen Netzes) zum anderen viel komplexere Zusammenhänge erlernen können, was den Begriff Deep Learning rechtfertigt.

Machine Learning vs Data Mining

Data Mining bezeichnet die Erkenntnisgewinnung aus bisher nicht oder nicht hinreichend erforschter Daten. Unüberwachte Verfahren des maschinellen Lernens, dazu gehören einige Verfahren aus dem Clustering und der Dimensionsreduktion, dienen explizit dem Zweck des Data Minings. Es sind Verfahren, die uns Menschen dabei helfen, vielfältige und große Datenmengen leichter interpretieren zu können. Machine Learning ermöglicht jedoch noch weit mehr als Data Mining.

Scikit-Learn Machine Learning Roadmap

Darstellung der vier Gebiete des Machine Learning: Die scikit-learn-Roadmap. Die Darstellung ist nicht vollständig, sondern umfasst nur die in scikit-learn implementierten Verfahren. Das Original-Bild ist interaktiv und zu finden auf scikit-learn.org