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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.

Data Science and Predictive Analytics in Healthcare

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.

Einstieg in das Maschinelle Lernen mit Python(x,y)

Python(x,y) ist eine Python-Distribution, die speziell für wissenschaftliche Arbeiten entwickelt wurde. Es umfasst neben der Programmiersprache auch die Entwicklungsumgebung Spyder und eine Reihe integrierter Python-Bibliotheken. Mithilfe von Python(x,y) kann eine Vielzahl von Interessensbereichen bearbeitet werden. Dazu zählen unter anderem Bildverarbeitung oder auch das maschinelle Lernen. Das All-in-One-Setup für Python(x,y) ist für alle gängigen Betriebssysteme online erhältlich. Read more

Wahrscheinlichkeitsverteilungen – Zentralen Grenzwertsatz verstehen mit Pyhton

Wahrscheinlichkeitsverteilung sind im Data Science ein wichtiges Handwerkszeug. Während in der Mathevorlesung die Dynamik dieser Verteilungen nur durch wildes Tafelgekritzel schwierig erlebbar zu machen ist, können wir mit Programmierkenntnissen (in diesem Fall wieder mit Python) eine kleine Testumgebung für solche Verteilungen erstellen, um ein Gefühl dafür zu entwickeln, wie unterschiedlich diese auf verschiedene Wahrscheinlichkeitswerte, Varianz und Mengen an Datenpunkten reagieren und wann sie untereinander annäherungsweise ersetzbar sind – der zentrale Grenzwertsatz. Den Schwerpunkt lege ich in diesem Artikel auf die Binominal- und Normalverteilung.

Für die folgenden Beispiele werden folgende Python-Bibliotheken benötigt:

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Events

Predictive Analytics World

Predictive Analytics World

Es ist geplant, die Predictive Analytics World 2020 vor Ort stattfinden zu lassen. Sollten die aktuellen Entwicklungen es nicht erlauben, eine Veranstaltung vor Ort sicher durchzuführen, dann wird der Event als Live Stream stattfinden. Wir werden alle Teilnehmer, Referenten und Sponsoren sofort informieren, sollte es Änderungen geben.

Leitthema 2020: Machen Sie Predictive Analytics zum Kern Ihres Unternehmens

Wir erleben eine Kambrische Explosion der Data Science: Einst war sie eine Nischendisziplin – jetzt ist sie der Kern erfolgreicher Unternehmen wie Amazon, Tesla, Alibaba & Co. Jeder Konzern hat ein oder gar mehrere AI Labs, Data Offices oder Analytics Excellence Centers etabliert. Auch mittelständische Betriebe beginnen mit ersten Analytics-Projekten und Dateninitiativen. In allen Branchen sehen wir eine ständig wachsende Anzahl neuer innovativer Anwendungsfälle für Daten & Analytik. Während wir vor ein paar Jahren nur über den “Data Scientist” geredet haben, brauchen wir heute Data Strategists, Analytics Translators, Data Engineers, Machine Learning Engineers, Data Stewards, DataOps Engineers, Data Product Designers und unzählige weitere spezialisierte Rollen.

Unsere Leidenschaft ist zu unserer Berufung geworden und mit ihr sind auch die Erwartungen und die an uns gerichteten Standards gewachsen. Die größten Herausforderungen jedoch sind weder technisch noch analytisch: Je nach Studie scheitern 60% bis 80% aller Analytics-Projekte – aufgrund mangelnder Nutzerakzeptanz oder weil sie keinen wirtschaftlichen Nutzen bringen. Gemäß dem Motto “Eat your own dog food” ist es an uns, unsere eigene Performance zu verbessern: indem wir selbst „Data-Driven Data Science“ betreiben, d.h. wir müssen nicht nur die Modell-, sondern auch die Business-Performance testen und belegen.

Die Predictive Analytics World for Business will die Plattform und der Ausgangspunkt dafür sein: In zahlreichen Fallstudien erfahren Sie, welche Anwendungen von Predictive Analytics wirklich Mehrwert schaffen; in den Deep Dive-Vorträgen lernen Sie neue Methoden, Werkzeuge und Herangehensweisen für Ihre tägliche Arbeit; die Keynotes zeigen Ihnen neue Perspektiven zu aktuellen Trends und wichtigen Themen. Und schließlich treffen Sie viele andere Expert*innen mit ähnlichen Herausforderungen und können Lösungen austauschen.

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.

Bitte melden Sie sich zur Predictive Analytics World über diesen Link an.