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Data Science & Big Data

Buzzword Bingo: Data Science – Teil II

Im ersten Teil unserer Serie „Buzzword Bingo: Data Science“ widmeten wir uns den Begriffen Künstliche Intelligenz, Algorithmen und Maschinelles Lernen. Nun geht es hier im zweiten Teil weiter mit der Begriffsklärung dreier weiterer Begriffe aus dem Data Science-Umfeld.

Buzzword Bingo: Data Science – Teil II: Big Data, Predictive Analytics & Internet of Things

Im zweiten Teil unserer dreiteiligen Reihe „Buzzword Bingo Data Science“ beschäftigen wir uns mit den Begriffen „Big Data“, „Predictive Analytics“ und „Internet of Things“.

Big Data

Interaktionen auf Internetseiten und in Webshops, Likes, Shares und Kommentare in Social Media, Nutzungsdaten aus Streamingdiensten wie Netflix und Spotify, von mobilen Endgeräten wie Smartphones oder Fitnesstrackern aufgezeichnete Bewegungsdate oder Zahlungsaktivitäten mit der Kreditkarte: Wir alle produzieren in unserem Leben alltäglich immense Datenmengen.

Im Zusammenhang mit künstlicher Intelligenz wird dabei häufig von „Big Data“ gesprochen. Und weil es in der öffentlichen Diskussion um Daten häufig um personenbezogene Daten geht, ist der Begriff Big Data oft eher negativ konnotiert. Dabei ist Big Data eigentlich ein völlig wertfreier Begriff. Im Wesentlichen müssen drei Faktoren erfüllt werden, damit Daten als „big“ gelten. Da die drei Fachbegriffe im Englischen alle mit einem „V“ beginnen, wird häufig auch von den drei V der Big Data gesprochen.

Doch welche Eigenschaften sind dies?

  • Volume (Datenmenge): Unter Big Data werden Daten(-mengen) verstanden, die zu groß sind, um sie mit klassischen Methoden zu bearbeiten, weil beispielsweise ein einzelner Computer nicht in der Läge wäre, diese Datenmenge zu verarbeiten.
  • Velocity (Geschwindigkeit der Datenerfassung und -verarbeitung): Unter Big Data werden Daten(-mengen) verstanden, die in einer sehr hohen Geschwindigkeit generiert werden und dementsprechend auch in einer hohen Geschwindigkeit ausgewertet und weiterverarbeitet werden müssen, um Aktualität zu gewährleisten.
  • Variety (Datenkomplexität oder Datenvielfalt): Unter Big Data werden Daten(-mengen) verstanden, die so komplex sind, dass auf den ersten Blick keine Zusammenhänge erkennbar sind. Diese Zusammenhänge können erst mit speziellen maschinellen Lernverfahren aufgedeckt werden. Dazu gehört auch, dass ein Großteil aller Daten in unstrukturierten Formaten wie Texten, Bildern oder Videos abgespeichert ist.

Häufig werden neben diesen drei V auch weitere Faktoren aufgezählt, welche Big Data definieren. Dazu gehören Variability (Schwankungen, d.h. die Bedeutung von Daten kann sich verändern), Veracity (Wahrhaftigkeit, d.h. Big Data muss gründlich auf die Korrektheit der Daten geprüft werden), Visualization (Visualisierungen helfen, um komplexe Zusammenhänge in großen Datensets aufzudecken) und Value (Wert, d.h. die Auswertung von Big Data sollte immer mit einem unternehmerischen Vorteil einhergehen).

Predictive Analytics

  • Heute schon die Verkaufszahlen von morgen kennen, sodass eine rechtzeitige Nachbestellung knapper Produkte möglich ist?
  • Bereits am Donnerstagabend die Regenwahrscheinlichkeit für das kommende Wochenende kennen, sodass passende Kleidung für den Kurztrip gepackt werden kann?
  • Frühzeitig vor bevorstehenden Maschinenausfällen gewarnt werden, sodass die passenden Ersatzteile bestellt und das benötigte technische Personal angefragt werden kann?

Als Königsdisziplin der Data Science gilt für viele die genaue Vorhersage zukünftiger Zustände oder Ereignisse. Im Englischen wird dann von „Predictive Analytics“ gesprochen. Diese Methoden werden in vielen verschiedenen Branchen und Anwendungsfeldern genutzt. Die Prognose von Absatzzahlen, die Wettervorhersage oder Predictive Maintenance (engl. für vorausschauende Wartung) von Maschinen und Anlagen sind nur drei mögliche Beispiele.

Zu beachten ist allerdings, dass Predictive-Analytics-Modelle keine Wahrsagerei sind. Die Vorhersage zukünftiger Ereignisse beruht immer auf historischen Daten. Das bedeutet, dass maschinelle Modelle mit Methoden des überwachten maschinellen Lernens darauf trainiert werden, Zusammenhänge zwischen vielen verschiedenen Eingangseigenschaften und einer vorherzusagenden Ausgangseigenschaft zu erkennen. Im Falle der Predicitve Maintenance könnten solche Eingangseigenschaften beispielsweise das Alter einer Produktionsmaschine, der Zeitraum seit der letzten Wartung, die Umgebungstemperatur, die Produktionsgeschwindigkeit und viele weitere sein. In den historischen Daten könnte ein Algorithmus nun untersuchen, ob diese Eingangseigenschaften einen Zusammenhang damit aufweisen, ob die Maschine innerhalb der kommenden 7 Tage ausfallen wird. Hierfür muss zunächst eine ausreichend große Menge an Daten zur Verfügung stehen. Wenn ein vorherzusagendes Ereignis in der Vergangenheit nur sehr selten aufgetreten ist, dann stehen auch nur wenige Daten zur Verfügung, um dasselbe Ereignis für die Zukunft vorherzusagen. Sobald der Algorithmus einen entsprechenden Zusammenhang identifiziert hat, kann dieses trainierte maschinelle Modell nun verwendet werden, um zukünftige Maschinenausfälle rechtzeitig vorherzusagen.

Natürlich müssen solche Modelle dauerhaft darauf geprüft werden, ob sie die Realität immer noch so gut abbilden, wie zu dem Zeitpunkt, zu dem sie trainiert worden sind. Wenn sich nämlich die Umweltparameter ändern, das heißt, wenn Faktoren auftreten, die zum Trainingszeitpunkt noch nicht bekannt waren, dann muss auch das maschinelle Modell neu trainiert werden. Für unser Beispiel könnte dies bedeuten, dass wenn die Maschine für die Produktion eines neuen Produktes eingesetzt wird, auch für dieses neue Produkt zunächst geprüft werden müsste, ob die in der Vergangenheit gefundenen Zusammenhänge immer noch Bestand haben.

Internet of Things

Selbstfahrende Autos, smarte Kühlschränke, Heizungssysteme und Glühbirnen, Fitnesstracker und vieles mehr: das Buzzword „Internet of Things“ (häufig als IoT abgekürzt) beschreibt den Trend, nicht nur Computer über Netzwerke miteinander zu verbinden, sondern auch verschiedene alltägliche Objekte mit in diese Netzwerke aufzunehmen. Seinen Anfang genommen hat dieser Trend in erster Linie im Bereich der Unterhaltungselektronik. In vielen Haushalten sind schon seit Jahren Fernseher, Computer, Spielekonsole und Drucker über das Heimnetzwerk miteinander verbunden und lassen sich per Smartphone bedienen.

Damit ist das IoT natürlich eng verbunden mit Big Data, denn all diese Geräte produzieren nicht nur ständig Daten, sondern sie sind auch auf Informationen sowie auf Daten von anderen Geräten angewiesen, um zu funktionieren.

How Do Various Actor-Critic Based Deep Reinforcement Learning Algorithms Perform on Stock Trading?

Deep Reinforcement Learning for Automated Stock Trading: An Ensemble Strategy

Abstract

Deep Reinforcement Learning (DRL) is a blooming field famous for addressing a wide scope of complex decision-making tasks. This article would introduce and summarize the paper “Deep Reinforcement Learning for Automated Stock Trading: An Ensemble Strategy”, and discuss how these actor-critic based DRL learning algorithms, Proximal Policy Optimization (PPO), Advantage Actor Critic (A2C), and Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG), act to accomplish automated stock trading by boosting investment return.

1 Motivation and Related Technology

It has long been challenging to design a comprehensive strategy for capital allocation optimization in a complex and dynamic stock market. With development of Artificial Intelligence, machine learning coupled with fundamentals analysis and alternative data has been in trend and provides better performance than conventional methodologies. Reinforcement Learning (RL) as a branch of it, is able to learn from interactions with environment, during which the agent continuously absorbs information, takes actions, and learns to improve its policy regarding rewards or losses obtained. On top of that, DRL utilizes neural networks as function approximators to approximate the Q-value (the expected reward of each action) in RL, which in return adjusts RL for large-scale data learning.

In DRL, the critic-only approach is capable for solving discrete action space problems, calculating Q-value to learn the optimal action-selection policy. On the other side, the actor-only approach, used in continuous action space environments, directly learns the optimal policy itself. Combining both, the actor-critic algorithm simultaneously updates the actor network representing the policy, and critic network representing the value function. The critic estimates the value function, while the actor updates the policy guided by the critic with policy gradients.

Overview of reinforcement learning-based stock theory.

Figure 1: Overview of reinforcement learning-based stock theory.

2 Mathematical Modeling

2.1 Stock Trading Simulation

Given the stochastic nature of stock market, the trading process is modeled as a Markov Decision Process (MDP) as follows:

  • State s = [p, h, b]: a vector describing the current state of the portfolio consists of D stocks, includes stock prices vector p, the stock shares vector h, and the remaining balance b.
  • Action a: a vector of actions which are selling, buying, or holding (Fig.2), resulting in decreasing, increasing, and no change of shares h, respectively. The number of shares been transacted is recorded as k.
  • Reward r(s, a, s’): the reward of taking action a at state s and arriving at the new state s’.
  • Policy π(s): the trading strategy at state s, which is the probability distribution of actions.
  • Q-value : the expected reward of taking action a at state s following policy π.
A starting portfolio value with three actions result in three possible portfolios.

A starting portfolio value with three actions result in three possible portfolios. Note that “hold” may lead to different portfolio values due to the changing stock prices.

Besides, several assumptions and constraints are proposed for practice:

  • Market liquidity: the orders are rapidly executed at close prices.
  • Nonnegative balance: the balance at time t+1 after taking actions at t, equals to the original balance plus the proceeds of selling minus the spendings of buying:
  • Transaction cost: assume the transaction costs to be 0.1% of the value of each trade:
  • Risk-aversion: to control the risk of stock market crash caused by major emergencies, the financial turbulence index that measures extreme asset price movements is introduced:

    where  denotes the stock returns, µ and Σ are respectively the average and covariance of historical returns. When  exceeds a threshold, buying will be halted and the agent sells all shares. Trading will be resumed once  returns to normal level.

2.2 Trading Goal: Return Maximation

The goal is to design a trading strategy that raises agent’s total cumulative compensation given by the reward function:

and then considering the transition of the shares and the balance defined as:

the reward can be further decomposed:

where:

At inception, h and Q_{\pi}(s,a) are initialized to 0, while the policy π(s) is uniformly distributed among all actions. Afterwards, everything is updated through interacting with the stock market environment. By the Bellman Equation, Q_{\pi}(s_t, a_t) is the expectation of the sum of direct reward r(s_t,a_t,s_{t+1} and the future reqard Q_{\pi}(s{t+1}, a_{a+1}) at the next state discounted by a factor γ, resulting in the state-action value function:

2.3 Environment for Multiple Stocks

OpenAI gym is used to implement the multiple stocks trading environment and to train the agent.

  1. State Space: a vector [b_t, p_t, h_t, M_t, R_t, C_t, X_t] storing information about
    b_t: Portfolio balance
    p_t: Adjusted close prices
    h_t: Shares owned of each stock
    M_t: Moving Average Convergence Divergence
    R_t: Relative Strength Index
    C_t: Commodity Channel Index
    X_t: Average Directional Index
  2. Action Space: {−k, …, −1, 0, 1, …, k} for a single stock, whose elements representing the number of shares to buy or sell. The action space is then normalized to [−1, 1], since A2C and PPO are defined directly on a Gaussian distribution.
Overview of the load-on-demand technique.

Overview of the load-on-demand technique.

Furthermore, a load-on-demand technique is applied for efficient use of memory as shown above.

  1. Algorithms Selection

This paper mainly uses the following three actor-critic algorithms:

  • A2C: uses parallel copies of the same agent to update gradients for different data samples, and a coordinator to pass the average gradients over all agents to a global network, which can update the actor and the critic network, with the objective function:
  • where \pi_{\theta}(a_t|s_t) is the policy network, and A(S_t|a_t) is the advantage function to reduce the high variance of it:
  • V(S_t)is the value function of state S_t, regardless of actions. DDPG: combines the frameworks of Q-learning and policy gradients and uses neural networks as function approximators; it learns directly from the observations through policy gradient and deterministically map states to actions. The Q-value is updated by:
    Critic network is then updated by minimizing the loss function:
  • PPO: controls the policy gradient update to ensure that the new policy does not differ too much from the previous policy, with the estimated advantage function and a probability ratio:

    The clipped surrogate objective function:

    takes the minimum of the clipped and normal objective to restrict the policy update at each step and improve the stability of the policy.

An ensemble strategy is finally proposed to combine the three agents together to build a robust trading strategy. After training and testing the three agents concurrently, in the trading stage, the agent with the highest Sharpe ratio in one period will be automatically selected to use in the next period.

  1. Implementation: Training and Validation

The historical daily trading data comes from the 30 DJIA constituent stocks.

Stock data splitting in-sample and out-of-sample

Stock data splitting in-sample and out-of-sample.

  • In-sample training stage: data from 01/01/2009 – 09/30/2015 used to train 3 agents using PPO, A2C, and DDPG;
  • In-sample validation stage: data from 10/01/2015 – 12/31/2015 used to validate the 3 agents by 5 metrics: cumulative return, annualized return, annualized volatility, Sharpe ratio, and max drawdown; tune key parameters like learning rate and number of episodes;
  • Out-of-sample trading stage: unseen data from 01/01/2016 – 05/08/2020 to evaluate the profitability of algorithms while continuing training. In each quarter, the agent with the highest Sharpe ratio is selected to act in the next quarter, as shown below.

    Table 1 - Sharpe Ratios over time.

    Table 1 – Sharpe Ratios over time.

  1. Results Analysis and Conclusion

From Table II and Fig.5, one can notice that PPO agent is good at following trend and performs well in chasing for returns, with the highest cumulative return 83.0% and annual return 15.0% among the three agents, indicating its appropriateness in a bullish market. A2C agent is more adaptive to handle risk, with the lowest annual volatility 10.4% and max drawdown −10.2%, suggesting its capability in a bearish market. DDPG generates the lowest return among the three, but works fine under risk, with lower annual volatility and max drawdown than PPO. Apparently all three agents outperform the two benchmarks.

Table 2 - Performance Evaluation Comparison.

Table 2 – Performance Evaluation Comparison.

Moreover, it is obvious in Fig.6 that the ensemble strategy and the three agents act well during the 2020 stock market crash, when the agents successfully stops trading, thus cutting losses.

Performance during the stock market crash in the first quarter of 2020.

Performance during the stock market crash in the first quarter of 2020.

From the results, the ensemble strategy demonstrates satisfactory returns and lowest volatilities. Although its cumulative returns are lower than PPO, it has achieved the highest Sharpe ratio 1.30 among all strategies. It is reasonable that the ensemble strategy indeed performs better than the individual algorithms and baselines, since it works in a way each elemental algorithm is supplementary to others while balancing risk and return.

For further improvement, it will be inspiring to explore more models such as Asynchronous Advantage Actor-Critic (A3C) or Twin Delayed DDPG (TD3), and to take more fundamental analysis indicators or ESG factors into consideration. While more sophisticated models and larger datasets are adopted, improvement of efficiency may also be a challenge.

Die führende Fachkonferenz für Machine Learning

Seien Sie dabei, wenn sich am 16. bis 17. November 2020 Anwender, Entscheider und Experten von Predictive Analytics und Machine Learning virtual treffen, um sich über die neuesten Erkenntnisse und Fortschritte zu informieren.

Vom Data Lab zu Data Ops

Die Zeit des Experimentierens ist vorbei. Unternehmen erwarten, dass ihre Data Labs das liefern, was ihnen der KI-Hype versprochen hat: mehr Kunden, höhere Umsätze, effizientere Prozesse und vieles mehr. Doch viele Projekte stecken in der PoC-Falle fest: sie funktionieren als Prototyp – aber nicht im realen Betrieb. Aus der Data Science muss eine Data Industry werden: wir müssen selbst lernen, effizienter und effektiver zu werden – und zwar darin die wirklich kritischen Herausforderungen im Unternehmen zu identifizieren, die passenden Lösungsideen zu entwickeln, die Ideen schnell in funktionierende Modelle zu übersetzen, aus den Modellen skalierbare Lösungen zu entwickeln und schließlich dafür zu sorgen, dass diese Lösungen von den Fachbereichen gewinnbringend genutzt werden. Dies verlangt ein neues Selbstverständnis: wir sind nicht das Experimentierlabor der Unternehmen – sondern deren Maschinenraum: Data Ops statt Data Labs.

Predictive Analytics für die Finanz- & Versicherungsbranche

Auf der diesjährigen Konferenz starten wir ein neues Format: eine Vortragsreihe für angewandte Predictive Analytics in der Finanz- und Versicherungsbranche. Dieser eintägige Track zeigt Ihnen die wichtigsten Anwendungsfälle von Machine & Deep Learning für Banken, Versicherungen, Investoren und Fonds auf, indem er Ihnen reale Projekte von bekannten Unternehmen vorstellt. Sie erfahren, wie Sie Datenschutz- und Regulierungsprobleme lösen, Ihre Datenbestände mit Data Governance und Datenstrategie verwalten und verwerten sowie mit Data Science & Analytics erfolgreiche Datenprodukte entwickeln und betreiben.

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Data Science in Engineering Process - Product Lifecycle Management

How to develop digital products and solutions for industrial environments?

The Data Science and Engineering Process in PLM.

Huge opportunities for digital products are accompanied by huge risks

Digitalization is about to profoundly change the way we live and work. The increasing availability of data combined with growing storage capacities and computing power make it possible to create data-based products, services, and customer specific solutions to create insight with value for the business. Successful implementation requires systematic procedures for managing and analyzing data, but today such procedures are not covered in the PLM processes.

From our experience in industrial settings, organizations start processing the data that happens to be available. This data often does not fully cover the situation of interest, typically has poor quality, and in turn the results of data analysis are misleading. In industrial environments, the reliability and accuracy of results are crucial. Therefore, an enormous responsibility comes with the development of digital products and solutions. Unless there are systematic procedures in place to guide data management and data analysis in the development lifecycle, many promising digital products will not meet expectations.

Various methodologies exist but no comprehensive framework

Over the last decades, various methodologies focusing on specific aspects of how to deal with data were promoted across industries and academia. Examples are Six Sigma, CRISP-DM, JDM standard, DMM model, and KDD process. These methodologies aim at introducing principles for systematic data management and data analysis. Each methodology makes an important contribution to the overall picture of how to deal with data, but none provides a comprehensive framework covering all the necessary tasks and activities for the development of digital products. We should take these approaches as valuable input and integrate their strengths into a comprehensive Data Science and Engineering framework.

In fact, we believe it is time to establish an independent discipline to address the specific challenges of developing digital products, services and customer specific solutions. We need the same kind of professionalism in dealing with data that has been achieved in the established branches of engineering.

Data Science and Engineering as new discipline

Whereas the implementation of software algorithms is adequately guided by software engineering practices, there is currently no established engineering discipline covering the important tasks that focus on the data and how to develop causal models that capture the real world. We believe the development of industrial grade digital products and services requires an additional process area comprising best practices for data management and data analysis. This process area addresses the specific roles, skills, tasks, methods, tools, and management that are needed to succeed.

Figure: Data Science and Engineering as new engineering discipline

More than in other engineering disciplines, the outputs of Data Science and Engineering are created in repetitions of tasks in iterative cycles. The tasks are therefore organized into workflows with distinct objectives that clearly overlap along the phases of the PLM process.

Feasibility of Objectives
  Understand the business situation, confirm the feasibility of the product idea, clarify the data infrastructure needs, and create transparency on opportunities and risks related to the product idea from the data perspective.
Domain Understanding
  Establish an understanding of the causal context of the application domain, identify the influencing factors with impact on the outcomes in the operational scenarios where the digital product or service is going to be used.
Data Management
  Develop the data management strategy, define policies on data lifecycle management, design the specific solution architecture, and validate the technical solution after implementation.
Data Collection
  Define, implement and execute operational procedures for selecting, pre-processing, and transforming data as basis for further analysis. Ensure data quality by performing measurement system analysis and data integrity checks.
Modeling
  Select suitable modeling techniques and create a calibrated prediction model, which includes fitting the parameters or training the model and verifying the accuracy and precision of the prediction model.
Insight Provision
  Incorporate the prediction model into a digital product or solution, provide suitable visualizations to address the information needs, evaluate the accuracy of the prediction results, and establish feedback loops.

Real business value will be generated only if the prediction model at the core of the digital product reliably and accurately reflects the real world, and the results allow to derive not only correct but also helpful conclusions. Now is the time to embrace the unique chances by establishing professionalism in data science and engineering.

Authors

Peter Louis                               

Peter Louis is working at Siemens Advanta Consulting as Senior Key Expert. He has 25 years’ experience in Project Management, Quality Management, Software Engineering, Statistical Process Control, and various process frameworks (Lean, Agile, CMMI). He is an expert on SPC, KPI systems, data analytics, prediction modelling, and Six Sigma Black Belt.


Ralf Russ    

Ralf Russ works as a Principal Key Expert at Siemens Advanta Consulting. He has more than two decades experience rolling out frameworks for development of industrial-grade high quality products, services, and solutions. He is Six Sigma Master Black Belt and passionate about process transparency, optimization, anomaly detection, and prediction modelling using statistics and data analytics.4


Sechs Eigenschaften einer modernen Business Intelligence

Völlig unabhängig von der Branche, in der Sie tätig sind, benötigen Sie Informationssysteme, die Ihre geschäftlichen Daten auswerten, um Ihnen Entscheidungsgrundlagen zu liefern. Diese Systeme werden gemeinläufig als sogenannte Business Intelligence (BI) bezeichnet. Tatsächlich leiden die meisten BI-Systeme an Mängeln, die abstellbar sind. Darüber hinaus kann moderne BI Entscheidungen teilweise automatisieren und umfassende Analysen bei hoher Flexibilität in der Nutzung ermöglichen.


english-flagRead this article in English:
“Six properties of modern Business Intelligence”


Lassen Sie uns die sechs Eigenschaften besprechen, die moderne Business Intelligence auszeichnet, die Berücksichtigungen von technischen Kniffen im Detail bedeuten, jedoch immer im Kontext einer großen Vision für die eigene Unternehmen-BI stehen:

1.      Einheitliche Datenbasis von hoher Qualität (Single Source of Truth)

Sicherlich kennt jeder Geschäftsführer die Situation, dass sich seine Manager nicht einig sind, wie viele Kosten und Umsätze tatsächlich im Detail entstehen und wie die Margen pro Kategorie genau aussehen. Und wenn doch, stehen diese Information oft erst Monate zu spät zur Verfügung.

In jedem Unternehmen sind täglich hunderte oder gar tausende Entscheidungen auf operative Ebene zu treffen, die bei guter Informationslage in der Masse sehr viel fundierter getroffen werden können und somit Umsätze steigern und Kosten sparen. Demgegenüber stehen jedoch viele Quellsysteme aus der unternehmensinternen IT-Systemlandschaft sowie weitere externe Datenquellen. Die Informationsbeschaffung und -konsolidierung nimmt oft ganze Mitarbeitergruppen in Anspruch und bietet viel Raum für menschliche Fehler.

Ein System, das zumindest die relevantesten Daten zur Geschäftssteuerung zur richtigen Zeit in guter Qualität in einer Trusted Data Zone als Single Source of Truth (SPOT) zur Verfügung stellt. SPOT ist das Kernstück moderner Business Intelligence.

Darüber hinaus dürfen auch weitere Daten über die BI verfügbar gemacht werden, die z. B. für qualifizierte Analysen und Data Scientists nützlich sein können. Die besonders vertrauenswürdige Zone ist jedoch für alle Entscheider diejenige, über die sich alle Entscheider unternehmensweit synchronisieren können.

2.      Flexible Nutzung durch unterschiedliche Stakeholder

Auch wenn alle Mitarbeiter unternehmensweit auf zentrale, vertrauenswürdige Daten zugreifen können sollen, schließt das bei einer cleveren Architektur nicht aus, dass sowohl jede Abteilung ihre eigenen Sichten auf diese Daten erhält, als auch, dass sogar jeder einzelne, hierfür qualifizierte Mitarbeiter seine eigene Sicht auf Daten erhalten und sich diese sogar selbst erstellen kann.

Viele BI-Systeme scheitern an der unternehmensweiten Akzeptanz, da bestimmte Abteilungen oder fachlich-definierte Mitarbeitergruppen aus der BI weitgehend ausgeschlossen werden.

Moderne BI-Systeme ermöglichen Sichten und die dafür notwendige Datenintegration für alle Stakeholder im Unternehmen, die auf Informationen angewiesen sind und profitieren gleichermaßen von dem SPOT-Ansatz.

3.      Effiziente Möglichkeiten zur Erweiterung (Time to Market)

Bei den Kernbenutzern eines BI-Systems stellt sich die Unzufriedenheit vor allem dann ein, wenn der Ausbau oder auch die teilweise Neugestaltung des Informationssystems einen langen Atem voraussetzt. Historisch gewachsene, falsch ausgelegte und nicht besonders wandlungsfähige BI-Systeme beschäftigen nicht selten eine ganze Mannschaft an IT-Mitarbeitern und Tickets mit Anfragen zu Änderungswünschen.

Gute BI versteht sich als Service für die Stakeholder mit kurzer Time to Market. Die richtige Ausgestaltung, Auswahl von Software und der Implementierung von Datenflüssen/-modellen sorgt für wesentlich kürzere Entwicklungs- und Implementierungszeiten für Verbesserungen und neue Features.

Des Weiteren ist nicht nur die Technik, sondern auch die Wahl der Organisationsform entscheidend, inklusive der Ausgestaltung der Rollen und Verantwortlichkeiten – von der technischen Systemanbindung über die Datenbereitstellung und -aufbereitung bis zur Analyse und dem Support für die Endbenutzer.

4.      Integrierte Fähigkeiten für Data Science und AI

Business Intelligence und Data Science werden oftmals als getrennt voneinander betrachtet und geführt. Zum einen, weil Data Scientists vielfach nur ungern mit – aus ihrer Sicht – langweiligen Datenmodellen und vorbereiteten Daten arbeiten möchten. Und zum anderen, weil die BI in der Regel bereits als traditionelles System im Unternehmen etabliert ist, trotz der vielen Kinderkrankheiten, die BI noch heute hat.

Data Science, häufig auch als Advanced Analytics bezeichnet, befasst sich mit dem tiefen Eintauchen in Daten über explorative Statistik und Methoden des Data Mining (unüberwachtes maschinelles Lernen) sowie mit Predictive Analytics (überwachtes maschinelles Lernen). Deep Learning ist ein Teilbereich des maschinellen Lernens (Machine Learning) und wird ebenfalls für Data Mining oder Predictvie Analytics angewendet. Bei Machine Learning handelt es sich um einen Teilbereich der Artificial Intelligence (AI).

In der Zukunft werden BI und Data Science bzw. AI weiter zusammenwachsen, denn spätestens nach der Inbetriebnahme fließen die Prädiktionsergebnisse und auch deren Modelle wieder in die Business Intelligence zurück. Vermutlich wird sich die BI zur ABI (Artificial Business Intelligence) weiterentwickeln. Jedoch schon heute setzen viele Unternehmen Data Mining und Predictive Analytics im Unternehmen ein und setzen dabei auf einheitliche oder unterschiedliche Plattformen mit oder ohne Integration zur BI.

Moderne BI-Systeme bieten dabei auch Data Scientists eine Plattform, um auf qualitativ hochwertige sowie auf granularere Rohdaten zugreifen zu können.

5.      Ausreichend hohe Performance

Vermutlich werden die meisten Leser dieser sechs Punkte schon einmal Erfahrung mit langsamer BI gemacht haben. So dauert das Laden eines täglich zu nutzenden Reports in vielen klassischen BI-Systemen mehrere Minuten. Wenn sich das Laden eines Dashboards mit einer kleinen Kaffee-Pause kombinieren lässt, mag das hin und wieder für bestimmte Berichte noch hinnehmbar sein. Spätestens jedoch bei der häufigen Nutzung sind lange Ladezeiten und unzuverlässige Reports nicht mehr hinnehmbar.

Ein Grund für mangelhafte Performance ist die Hardware, die sich unter Einsatz von Cloud-Systemen bereits beinahe linear skalierbar an höhere Datenmengen und mehr Analysekomplexität anpassen lässt. Der Einsatz von Cloud ermöglicht auch die modulartige Trennung von Speicher und Rechenleistung von den Daten und Applikationen und ist damit grundsätzlich zu empfehlen, jedoch nicht für alle Unternehmen unbedingt die richtige Wahl und muss zur Unternehmensphilosophie passen.

Tatsächlich ist die Performance nicht nur von der Hardware abhängig, auch die richtige Auswahl an Software und die richtige Wahl der Gestaltung von Datenmodellen und Datenflüssen spielt eine noch viel entscheidender Rolle. Denn während sich Hardware relativ einfach wechseln oder aufrüsten lässt, ist ein Wechsel der Architektur mit sehr viel mehr Aufwand und BI-Kompetenz verbunden. Dabei zwingen unpassende Datenmodelle oder Datenflüsse ganz sicher auch die neueste Hardware in maximaler Konfiguration in die Knie.

6.      Kosteneffizienter Einsatz und Fazit

Professionelle Cloud-Systeme, die für BI-Systeme eingesetzt werden können, bieten Gesamtkostenrechner an, beispielsweise Microsoft Azure, Amazon Web Services und Google Cloud. Mit diesen Rechnern – unter Einweisung eines erfahrenen BI-Experten – können nicht nur Kosten für die Nutzung von Hardware abgeschätzt, sondern auch Ideen zur Kostenoptimierung kalkuliert werden. Dennoch ist die Cloud immer noch nicht für jedes Unternehmen die richtige Lösung und klassische Kalkulationen für On-Premise-Lösungen sind notwendig und zudem besser planbar als Kosten für die Cloud.

Kosteneffizienz lässt sich übrigens auch mit einer guten Auswahl der passenden Software steigern. Denn proprietäre Lösungen sind an unterschiedliche Lizenzmodelle gebunden und können nur über Anwendungsszenarien miteinander verglichen werden. Davon abgesehen gibt es jedoch auch gute Open Source Lösungen, die weitgehend kostenfrei genutzt werden dürfen und für viele Anwendungsfälle ohne Abstriche einsetzbar sind.

Die Total Cost of Ownership (TCO) gehören zum BI-Management mit dazu und sollten stets im Fokus sein. Falsch wäre es jedoch, die Kosten einer BI nur nach der Kosten für Hardware und Software zu bewerten. Ein wesentlicher Teil der Kosteneffizienz ist komplementär mit den Aspekten für die Performance des BI-Systems, denn suboptimale Architekturen arbeiten verschwenderisch und benötigen mehr und teurere Hardware als sauber abgestimmte Architekturen. Die Herstellung der zentralen Datenbereitstellung in adäquater Qualität kann viele unnötige Prozesse der Datenaufbereitung ersparen und viele flexible Analysemöglichkeiten auch redundante Systeme direkt unnötig machen und somit zu Einsparungen führen.

In jedem Fall ist ein BI für Unternehmen mit vielen operativen Prozessen grundsätzlich immer günstiger als kein BI zu haben. Heutzutage könnte für ein Unternehmen nichts teurer sein, als nur nach Bauchgefühl gesteuert zu werden, denn der Markt tut es nicht und bietet sehr viel Transparenz.

Dennoch sind bestehende BI-Architekturen hin und wieder zu hinterfragen. Bei genauerem Hinsehen mit BI-Expertise ist die Kosteneffizienz und Datentransparenz häufig möglich.

Six properties of modern Business Intelligence

Regardless of the industry in which you operate, you need information systems that evaluate your business data in order to provide you with a basis for decision-making. These systems are commonly referred to as so-called business intelligence (BI). In fact, most BI systems suffer from deficiencies that can be eliminated. In addition, modern BI can partially automate decisions and enable comprehensive analyzes with a high degree of flexibility in use.


Read this article in German:
“Sechs Eigenschaften einer modernen Business Intelligence“


Let us discuss the six characteristics that distinguish modern business intelligence, which mean taking technical tricks into account in detail, but always in the context of a great vision for your own company BI:

1. Uniform database of high quality

Every managing director certainly knows the situation that his managers do not agree on how many costs and revenues actually arise in detail and what the margins per category look like. And if they do, this information is often only available months too late.

Every company has to make hundreds or even thousands of decisions at the operational level every day, which can be made much more well-founded if there is good information and thus increase sales and save costs. However, there are many source systems from the company’s internal IT system landscape as well as other external data sources. The gathering and consolidation of information often takes up entire groups of employees and offers plenty of room for human error.

A system that provides at least the most relevant data for business management at the right time and in good quality in a trusted data zone as a single source of truth (SPOT). SPOT is the core of modern business intelligence.

In addition, other data on BI may also be made available which can be useful for qualified analysts and data scientists. For all decision-makers, the particularly trustworthy zone is the one through which all decision-makers across the company can synchronize.

2. Flexible use by different stakeholders

Even if all employees across the company should be able to access central, trustworthy data, with a clever architecture this does not exclude that each department receives its own views of this data. Many BI systems fail due to company-wide inacceptance because certain departments or technically defined employee groups are largely excluded from BI.

Modern BI systems enable views and the necessary data integration for all stakeholders in the company who rely on information and benefit equally from the SPOT approach.

3. Efficient ways to expand (time to market)

The core users of a BI system are particularly dissatisfied when the expansion or partial redesign of the information system requires too much of patience. Historically grown, incorrectly designed and not particularly adaptable BI systems often employ a whole team of IT staff and tickets with requests for change requests.

Good BI is a service for stakeholders with a short time to market. The correct design, selection of software and the implementation of data flows / models ensures significantly shorter development and implementation times for improvements and new features.

Furthermore, it is not only the technology that is decisive, but also the choice of organizational form, including the design of roles and responsibilities – from the technical system connection to data preparation, pre-analysis and support for the end users.

4. Integrated skills for Data Science and AI

Business intelligence and data science are often viewed and managed separately from each other. Firstly, because data scientists are often unmotivated to work with – from their point of view – boring data models and prepared data. On the other hand, because BI is usually already established as a traditional system in the company, despite the many problems that BI still has today.

Data science, often referred to as advanced analytics, deals with deep immersion in data using exploratory statistics and methods of data mining (unsupervised machine learning) as well as predictive analytics (supervised machine learning). Deep learning is a sub-area of ​​machine learning and is used for data mining or predictive analytics. Machine learning is a sub-area of ​​artificial intelligence (AI).

In the future, BI and data science or AI will continue to grow together, because at the latest after going live, the prediction models flow back into business intelligence. BI will probably develop into ABI (Artificial Business Intelligence). However, many companies are already using data mining and predictive analytics in the company, using uniform or different platforms with or without BI integration.

Modern BI systems also offer data scientists a platform to access high-quality and more granular raw data.

5. Sufficiently high performance

Most readers of these six points will probably have had experience with slow BI before. It takes several minutes to load a daily report to be used in many classic BI systems. If loading a dashboard can be combined with a little coffee break, it may still be acceptable for certain reports from time to time. At the latest, however, with frequent use, long loading times and unreliable reports are no longer acceptable.

One reason for poor performance is the hardware, which can be almost linearly scaled to higher data volumes and more analysis complexity using cloud systems. The use of cloud also enables the modular separation of storage and computing power from data and applications and is therefore generally recommended, but not necessarily the right choice for all companies.

In fact, performance is not only dependent on the hardware, the right choice of software and the right choice of design for data models and data flows also play a crucial role. Because while hardware can be changed or upgraded relatively easily, changing the architecture is associated with much more effort and BI competence. Unsuitable data models or data flows will certainly bring the latest hardware to its knees in its maximum configuration.

6. Cost-effective use and conclusion

Professional cloud systems that can be used for BI systems offer total cost calculators, such as Microsoft Azure, Amazon Web Services and Google Cloud. With these computers – with instruction from an experienced BI expert – not only can costs for the use of hardware be estimated, but ideas for cost optimization can also be calculated. Nevertheless, the cloud is still not the right solution for every company and classic calculations for on-premise solutions are necessary.

Incidentally, cost efficiency can also be increased with a good selection of the right software. Because proprietary solutions are tied to different license models and can only be compared using application scenarios. Apart from that, there are also good open source solutions that can be used largely free of charge and can be used for many applications without compromises.

However, it is wrong to assess the cost of a BI only according to its hardware and software costs. A significant part of cost efficiency is complementary to the aspects for the performance of the BI system, because suboptimal architectures work wastefully and require more expensive hardware than neatly coordinated architectures. The production of the central data supply in adequate quality can save many unnecessary processes of data preparation and many flexible analysis options also make redundant systems unnecessary and lead to indirect savings.

In any case, a BI for companies with many operational processes is always cheaper than no BI. However, if you take a closer look with BI expertise, cost efficiency is often possible.

Daten als Frühwarnsystem einsetzen

In der klassischen Business Intelligence haben Unternehmen jahrelang Daten in Data Warehouses gesammelt und analysiert, um aus der Vergangenheit Lehren für die Zukunft zu ziehen. Zu seiner Zeit war das eine Revolution, aber da es sich dabei vor allem um Daten aus Transaktionssystemen handelte, war der Nutzen begrenzt. Erst mit der Verbreitung des IoT und von Sensoren, die permanent Daten liefern, konnten auch Gründe für Fehler oder Maschinenausfälle ausgelesen werden. Und wenn diese Gründe bestimmten Mustern folgen, liegt es nahe, einzugreifen, bevor ein Problem auftritt – das ist der Grundgedanke hinter dem Konzept von Predictive Analytics.

Großes bisher meist ungenutztes Potential

Systeme, die Risiken und Abweichungen als Frühwarnsystem erkennen, besitzen ein enormes wirtschaftliches Potential. In der Produktion beispielsweise können Maschinen länger reibungsfrei laufen und auch die IT-Infrastruktur profitiert. Predictive Analytics verändern aber auch die Unternehmensführung von Grund auf: Wenn Entscheidungen nur noch auf Basis von Daten anstatt von einem „Bauchgefühl” getroffen werden, verändert sich auch das Machtgefälle zugunsten der IT.

Wenn Entscheider sich nur noch auf Daten verlassen sollen/wollen und ihr Bauchgefühl ausschalten müssen, dann führt das zu einer Art “kultureller Überforderung” wie die Studie „Predictive Analytics 2018“ von IDG Research Services zeigt. Aber den meisten von ihnen ist klar, dass an dem Thema auf lange Sicht kein Weg vorbei führt. Zum Zeitpunkt der Befragung, die schon etwas zurückliegt, stuften bereits 47 Prozent der Unternehmen die Relevanz von Predictive Analytics als sehr hoch (18 Prozent) oder hoch (29 Prozent) ein. Über ein Drittel war aber bereits der Überzeugung, das Predictive Analytics spätestens 2021 eine sehr wichtige Rolle spielen wird.

Intelligenz in den Workflow bringen

Für Managed-Cloud-Unternehmen wie Adacor gewinnt Predictive Analytics in zweierlei Hinsicht an Bedeutung. Zum einen lassen sich damit Prozesse verbessern, mit denen bereits in der Vergangenheit Themen wie das Management von Server-Log-Daten oder CPU-Auslastungen automatisiert und vorausschauend gesteuert wurden.

Für Private Cloud Services, der maßgeschneiderten Erweiterung von internen Rechenzentren bedeutet dies, Teile des Live-Monitorings nach und nach in ein Predictive-Monitoring umzuwandeln und so auf mögliche Ausfälle oder Beeinträchtigungen von Servern im Vorfeld zu reagieren, um so auch den Ausfall für den Kunden zu verhindern. In einem einfachen Beispiel bewertet ein Deep-Learning Modell, ob auf einem beliebigen System die Festplattenfüllstände in der Zukunft stabil verlaufen werden oder ob mit instabilem Verhalten zu rechnen ist. Wird Stabilität erwartet, dann kann ein simpleres Vorhersagemodell diese Stabilität nutzen und die Füllstände vorhersagen. Ist mit instabilem Verhalten zu rechnen, dann wissen die Administratoren, dass sie ein besonderes Auge auf das entsprechende System werfen sollten. So wird durch vergleichsweise einfache Predictive-Monitoring Methoden bereits eine deutlich erhöhte Ausfallsicherheit der Systeme gewährleistet.

Neben stark individualisierten Cloud-Lösungen werden in Zukunft standardisierte Angebote immer mehr nachgefragt werden, die durch Predictive-Analytic-Tools „intelligenter” werden. Übersetzt bedeutet das, maschinelles Lernen nach Möglichkeit automatisch auf neue Prozesse anzuwenden und so Server bzw. die Cloud noch leistungsfähiger und sicherer zu machen.

Size matters

Die Studie zeigte, dass vor allem große Unternehmen Ressourcen für Analytics-Projekte bereitstellen. Über ein Drittel von ihnen hatte bereits Analytics-Projekte umgesetzt, mehr als die Hälfte davon im Bereich Predictive Analytics. Kleine und mittelständische Firmen hingegen verfügten noch wenig über umfangreiche Analytics-Systeme. Die Ergebnisse aus den Predictive-Analytics-Projekten beeinflussen im Wesentlichen auch die Management-Entscheidungen. 94 Prozent der Firmen, die Predictive Analytics anwenden, steuern über die Auswertungen Prozesse vor allem im IT-Bereich, im strategischen Management sowie in Produktion und Fertigung. Die großen Unternehmen sind also größtenteils schon dabei, sich die Vorteile zu nutzen zu machen. Bei mittelständischen und kleineren Unternehmen besteht noch deutlicher Nachholbedarf. Schon die technischen Voraussetzungen genügen häufig nicht den Anforderungen.

Fast alle Branchen können profitieren

Das erstaunt, denn Predictive Analytics kann in vielen Bereichen als eine Art Frühwarnsystem eingesetzt werden. Es hilft nicht nur dabei, Maschinenausfälle bei Produktionsunternehmen durch vorausschauende Wartungen zu minimieren. Es kann zum Beispiel auch den Vertrieb von Handelsunternehmen optimieren. In der Medizin kommen bereits Methoden zum Einsatz, durch die sich Risikofaktoren schneller identifizieren und die Behandlung von Krankheiten insgesamt verbessern lässt. Versicherungen und auch Finanzinstitute kalkulieren ihre Produkte und Prämien seit jeher erfolgreich auf Basis von Wahrscheinlichkeitsanalysen und Hochrechnungen. Auch im Bereich der Betrugsprävention werden entsprechend Methoden und Tools verstärkt eingesetzt, um Kriminellen das Handwerk zu legen.

Man sieht, es lohnt sich für Unternehmen, die Daten sammeln, ihre Strategie an die neuen Technologien anzupassen. Die aktuellen Möglichkeiten zur Analyse und Aggregierung von Daten und Informationen sind extrem groß. Es kommt darauf an, Muster in den „Big Data” zu erkennen und diese richtig zu interpretieren – anstatt dieselben Fehler immer und immer wieder zu machen.

“Saubere Ablage“ bringt Unternehmen nicht weiter

Unternehmen, die Daten sammeln, um diese lediglich sauber abzulegen und zu archivieren, sollten Ihre Strategie an die neuen Möglichkeiten des Predictive Analytics anpassen. Die aktuellen Möglichkeiten zur Auswertung und zur Verdichtung von Daten zu Informationen und somit zur Generierung von Wissen sind extrem groß. Nur wer Muster im großen Reich der Daten erkennt und diese auch richtig interpretieren kann, wird kann mit Predicitve Analytics ein Frühwarnsystem zu seinen Gunsten aufbauen.

The Inside Out of ML Based Prescriptive Analytics

With the constantly growing number of data, more and more companies are shifting towards analytic solutions. Analytic solutions help in extracting the meaning from the huge amount of data available. Thus, improving decision making.

Decision making is an important aspect of businesses, and technologies like Machine Learning are enhancing it further. The growing use of Machine Learning has changed the way of prescriptive analytics. In order to optimize the efforts, companies need to be more accurate with the historical and present data. This is because the historical and present data are the essentials of analytics. This article helps describe the inside out of Machine Learning-based prescriptive analytics.

Phases of business analytics

Descriptive analytics, predictive analytics, and prescriptive analytics are the three phases of business analytics. Descriptive analytics, being the first one, deals with past performance. Historical data is mined to understand past performance. This serves as a way to look for the reasons behind past success and failure. It is a kind of post-mortem analysis and most management reporting like sales, marketing, operations, and finance etc. make use of this.

The second one is a predictive analysis which answers the question of what is likely to happen. The historical data is now combined with rules, algorithms etc. to determine the possible future outcome or likelihood of a situation occurring.

The final phase, well known to everyone, is prescriptive analytics. It can continually take in new data and re-predict and re-prescribe. This improves the accuracy of the prediction and prescribes better decision options.  Professional services or technology or their combination can be chosen to perform all the three analytics.

More about prescriptive analytics

The analysis of business activities goes through many phases. Prescriptive analytics is one such. It is known to be the third phase of business analytics and comes after descriptive and predictive analytics. It entails the application of mathematical and computational sciences. It makes use of the results obtained from descriptive and predictive analysis to suggest decision options. It goes beyond predicting future outcomes and suggests actions to benefit from the predictions. It shows the implications of each decision option. It anticipates on what will happen when it will happen as well as why it will happen.

ML-based prescriptive analytics

Being just before the prescriptive analytics, predictive analytics is often confused with it. What actually happens is predictive analysis leads to prescriptive analysis. Thus, a Machine Learning based prescriptive analytics goes through an ML-based predictive analysis first. Therefore, it becomes necessary to consider the ML-based predictive analysis first.

ML-based predictive analytics:

A lot of things prevent businesses from achieving predictive analysis capabilities.  Machine Learning can be a great help in boosting Predictive analytics. Use of Machine Learning and Artificial Intelligence algorithms helps businesses in optimizing and uncovering the new statistical patterns. These statistical patterns form the backbone of predictive analysis. E-commerce, marketing, customer service, medical diagnosis etc. are some of the prospective use cases for Machine Learning based predictive analytics.

In E-commerce, machine learning can help in predicting the usual choices of the customer. Thus, presenting him/her according to his/her likes and dislikes. It can also help in predicting fraudulent transaction. Similarly, B2B marketing also makes good use of Machine learning based predictive analytics. Customer services and medical diagnosis also benefit from predictive analytics. Thus, a prediction and a prescription based on machine learning can boost various business functions.

Organizations and software development companies are making more and more use of machine learning based predictive analytics. The advancements like neural networks and deep learning algorithms are able to uncover hidden information. This all requires a well-researched approach. Big data and progressive IT systems also act as important factors in this.

Maschinelles Lernen: Klassifikation vs Regression

Das ist Artikel 2 von 4 aus der Artikelserie – Was ist eigentlich Machine Learning? Die Unterscheidung zwischen Klassifikation und Regression ist ein wichtiger Schritt für das Verständnis von Predictive Analytics. Nun möchte ich eine Erklärung liefern, die den Unterschied (hoffentlich) deutlich macht.

Regression – Die Vorhersage von stetigen Werten

Wir suchen bei der Regression demnach eine Funktion y = \beta \cdot x + \alpha, die unsere Punktwolke – mit der wir uns zutrauen, Vorhersagen über die abhängige Variable vornehmen zu können – möglichst gut beschreibt. Dabei ist y der Zielwert (abhängige Variable) und x der Eingabewert. Wir arbeiten also in einer zwei-dimensionalen Welt. Variablen, die die Funktion mathematisch definieren, werden oft als griechische Buchstaben darsgestellt. Die Variable \alpha (Alpha) ist der y-Achsenschnitt bei x = 0. Dieser wird als Bias, selten auch als Default-Wert, bezeichnet. Der Bias ist also der Wert, wenn die x-Eingabe gleich Null ist. Eine weitere Variable \beta (Beta) beschreibt die Steigung.

Ferner ist zu beachten, dass sich eine Punktwolke durch eine Gerade nie perfekt beschreiben lässt, und daher für jedes x_{i} ein Fehler \varepsilon_{i} existiert. Diesen Fehler wollen wir in diesem Artikel ignorieren.

In einem zwei-dimensionalen System (eine Eingabe und eine Ausgabe) sprechen wir von einer einfachen Regression. Generalisieren wir die Regressionsmethode auf ein multivariates System (mehr als eine Eingabe-Variable), werden die Variablen in der Regel nicht mehr als griechische Buchstaben (denn auch das griechische Alphabet ist endlich) dargestellt, sondern wir nehmen eines abstrahierende Darstellung über Gewichtungen (weights). Dies ist eine sehr treffende Symbolisierungen, denn sowohl der Bias (w_{0} statt \alpha) als auch die Steigungen (w_{1\ldots n}) sind nichts anderes als Gewichtungen zwischen den Eingaben.

    \[y = w_{0} \cdot x_{0} + w_{1} \cdot x_{1} + \ldots + w_{n} \cdot x_{n}\]

y ist eine Summe aus den jeweiligen Produkten aus x_{i} und w_{i}. Verkürzt ausgedrückt:

    \[y = \sum_{i=0}^n w_{i} \cdot x_{i}\]

Noch kürzer ausgedrückt:

    \[y = w^T \cdot x\]

Anmerkung: Das hochgestellte T steht für Transponieren, eine Notation aus der linearen Algebra, die im Ergebnis nichts anderes bewirkt als y = \sum_{i=0}^n w_{i} \cdot x_{i}.

Diese mathematische lineare Funktion kann wie folgt abgebildet werden:

Der Output ist gleich y bzw. die Ausgabe der Nettoeingabe (Net Sum) w^T \cdot x. Auf der linken Seite finden wir alle Eingabewerte, wobei der erste Wert statisch mit 1.0 belegt ist, nur für den Zweck, den Bias (w_{0}) in der Nettoeingabe aufrecht zu erhalten. Im Falle einer einfachen linearen Regression hätten wir also eine Funktion mit zwei Gewichten: y = 1 \cdot w_{0} + x \cdot w_{1}

Das Modell beschreibt, wie aus einer Reihe von Eingabewerten (n = Anzahl an x-Dimensionen) und einer Reihe von Gewichtungen (n + 1) eine Funktion entsteht, die einen y-Wert berechnet. Diese Berechnung wird auch als Forward-Propagation bezeichnet.
Doch welche Werte brauchen wir für die Gewichtungen, damit bei gegebenen x-Werten ein (mehr oder weniger) korrekter y-Wert berechnet wird? Anders gefragt, wie schaffen wir es, dass die Forward-Propagation die richtigen Werte ausspuckt?

Mit einem Training via Backpropagation!


Einfache Erklärung der Backpropagation

Die Backpropagation ist ein Optimierungsverfahren, unter Einsatz der Gradientenmethode, den Fehler einer Forward-Propagation zu berechnen und die Gewichtungen in Gegenrichtung des Fehlers anzupassen. Optimiert wird in der Form, dass der Fehler minimiert wird. Es ist ein iteratives Verfahren, bei dem mit jedem Iterationsschritt wieder eine Forward-Propagation auf Basis von Trainingsdaten durchgeführt wird und die Prädiktionsergebnisse mit den vorgegebenen Ergebnissen (der gekennzeichneten Trainingsdaten) verglichen und damit die Fehler berechnet werden. Die resultierende Fehlerfunktion ist konvex, ableitbar und hat ein zentrales globales Minimum. Dieses Minimum finden wir durch diese iterative Vorgehensweise.


Die Backpropagation zu erklären, erfordert einen separaten Artikel. Merken wir uns einfach: Die Backpropagation nutzt eine Fehlerfunktion, um die Werte der Gewichtungen schrittweise entgegen des Fehlers (bei jeder Forward-Propagation) bis zu einem Punkt anzupassen, bis keine wesentliche Verbesserung (Reduzierung des Fehlers) mehr eintritt. Nach dem Vollzug der Backpropagation erhalten wir die “richtigen” Gewichtungen und haben eine Funktion zur Vorhersage von y-Werten bei Eingabe neuer x-Werte.

Klassifikation – Die Vorhersage von Gruppenzugehörigkeiten

Bei der Klassifikation möchten wir jedoch keine Gerade oder Kurve vorhersagen, die sich durch eine Punktwolke legt, sondern wie möchten Punktwolken voneinander als Klassen unterscheiden, um später hinzukommende Punkte ihren richtigen Klassen zuweisen zu können (Klassifikation). Wir können jedoch auf dem vorherigen Modell der Prädiktion von stetigen Werten aufbauen und auch die Backpropagation zum Training einsetzen, möchten das Training dann jedoch auf die Trennung der Punktwolken ausrichten.

Hinweis: Regressions- und Klassifikationsherausforderungen werden in den Dimensionen unterschiedlich dargestellt. Zur Veranschaulichung: Während wir bei der einfachen Regression eine x-Eingabe als unabhängige Variable und eine y-Ausgabe als abhängige Variable haben, haben wir bei einer zwei-dimensionalen Klassifikation zwei x-Dimensionen als Eingabe. Die Klassen sind die y-Ausgabe (hier als Farben visualisiert).

Ergänzen wir das Modell nun um eine Aktivierungsfunktion, dass die stetigen Werte der Nettosumme über eine Funktion in Klassen unterteilt, erhalten wir einen Klassifikator: Den Perceptron-Klassifikator. Das Perzeptron gilt als der einfachste Klassifikator und ist bereits die kleinste Form eines künstlichen neuronalen Netzes. Es funktioniert nur bei linearer Trennbarkeit der Klassen.

Was soll die Aktivierungsfunktion bewirken? Wir berechnen wieder eine Nettoeingabe w^T \cdot x, die uns stetige Werte ausgiebt. Wir haben also immer noch unsere Gewichtungen, die wir trainieren können. Nun trainieren wir nur nicht auf eine “korrekte” stetige Ausgabe der Nettoeingabe hin, sondern auf eine korrekte Ausgabe der Aktivierungsfunktion \phi (Phi), die uns die stetigen Werte der Nettoeingabe in einen binären Wert (z. B. 0 oder 1) umwandelt. Das Perzeptron ist die kleinste Form des künstlichen neuronalen Netzes und funktioniert wie der lineare Regressor, jedoch ergänzt um eine Aktivierungsfunktion die bewirken soll, dass ein Neuron (hier: der einzelne Output) “feuert” oder nicht “feuert”.  Es ist ein binärer Klassifikator, der beispielsweise die Wertebereiche -1 oder +1 annehmen kann.

Das Perceptron verwendet die einfachste Form der Aktivierungsfunktion: Eine Sprungfunktion, die einer einfachen if… else… Anweisung gleich kommt.

    \[ y = \phi(w^T \cdot x) = \left\{ \begin{array}{12} 1  &  w^T \cdot x > 0\\ -1 & \text{otherwise} \end{array} \]

Fazit – Unterschied zwischen Klassifikation und Regression

Mathematisch müssen sich Regression und Klassifikation gar nicht all zu sehr voneinander unterscheiden. Viele Verfahren der Klassifikation lassen sich mit nur wenig Anpassung auch zur Regression anwenden, oder umgekehrt. Künstliche neuronale Netze, k-nächste-Nachbarn und Entscheidungsbäume sind gute Beispiele, die in der Praxis sowohl für Klassifkation als auch für Regression eingesetzt werden, natürlich mit unterschiedlichen Stärken und Schwächen.

Unterschiedlich ist jedoch der Zweck der Anwendung: Bei der Regression möchten wir stetige Werte vorhersagen (z. B. Temperatur der Maschine), bei der Klassifikation hingegen Klassen unterscheiden (z. B. Maschine überhitzt oder überhitzt nicht).

Unterschiede zwischen linearer und nicht-linearer Klassifikation und linearer und nicht-linearer Regression. Für Einsteiger in diese Thematik ist beachten, dass jede maschinell erlernte Klassifikation und Regression einen gewissen Fehler hat, der unter Betrachtung der Trainings- und Testdaten zu minimieren ist, jedoch nie ganz verschwindet.

Und Clustering?

Clustering ist eine Disziplin des unüberwachten Lernens, um Gruppen von Klassen bzw. Grenzen dieser Klassen innerhalb von unbekannten Daten zu finden. Es ist im Prinzip eine untrainierte Klassifikation zum Zwecke des Data Minings. Clustering gehört auch zum maschinellen Lernen, ist aber kein Predictive Analytics. Da keine – mit dem gewünschten Ergebnis vorliegende – Trainingsdaten vorliegen, kann auch kein Training über eine Backpropagation erfolgen. Clustering ist folglich eine schwache Klassifikation, die mit den trainingsbasierten Klassifikationsverfahren nicht funktioniert.

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