Data Mining Archives

How to reduce costs for Process Mining

June 21, 2023/in Big Data, Business Analytics, Business Intelligence, Data Mining, Data Science, Insights, Main Category, Process Mining/by Jurek Dörner

Process mining has emerged as a powerful Business Process Intelligence discipline (BPI) for analyzing and improving business processes. It involves extracting data from source systems to gain insights into process behavior and uncover opportunities for optimization. While there are many approaches to create value with process mining, organizations often face challenges when it comes to the cost of implementing the necessary solution. In this article, we will highlight the key elements when it comes to process mining architectures as well as the most common mistakes, to help organizations leverage the power of process mining while maintain cost control.

Process Mining – Elements of Process Mining and their cost aspects

Data Extraction for process mining

Most process mining projects underestimate the complexity of data extraction. Even for well-known sources like SAP-ERP’s, the extraction often consumes 50% of the first pilot’s resources. As a result, the extraction pipelines are often built with the credo of “asap” and this is where the cost-drama begins. Process Mining demands Big Data in 99% of the cases, releasing bad developed extraction jobs will end in big cost chunks down the value stream. Frequently organizations perform full loads of big SAP tables, causing source system performance impact, increasing maintenance, and moving hundred GB’s of data on daily basis without any new value. Other organizations fall for the connectors, provided by some process mining platform tools, promising time-to-value being the best. Against all odds the data is getting extracted then into costly third-party platforms where they can be only consumed by the platforms process mining tool itself. On top of that, these organizations often perform more than one Business Process Intelligence discipline, resulting in extracting the exact same data multiple times.

Process Mining – Data Extraction

The data extraction for process mining should be well planed and match the data strategy of the organization. By considering lightweighted data preprocessing techniques organizations can save both time and money. When accepting the investment character of big data extractions, the investment should be done properly in the beginning and therefore cost beneficial in the long term.

Cloud-Based infrastructure with process mining?

Depending on the data strategy of one organization, one cost-effective approach to process mining could be to leverage cloud computing resources. Cloud platforms, such as Amazon Web Services (AWS), Microsoft Azure, or Google Cloud Platform (GCP), provide scalable and flexible infrastructure options. By using cloud services, organizations can avoid the upfront investment in hardware and maintenance costs associated with on-premises infrastructure. They can pay for resources on a pay-as-you-go basis, scaling up or down as needed, which can significantly reduce costs. When dealing with big data in the cloud, meeting the performance requirements while keeping cost control can be a balancing act, that requires a high skillset in cloud technologies. Depending the organization situation and data strategy, on premises or hybrid approaches should be also considered. But costs won’t decrease only migrating from on-premises to cloud and vice versa. What makes the difference is a smart ETL design capturing the nature of process mining data.

Process Mining Cloud Architecture on “pay as you go” base.

Storage for process mining data

Storing data is a crucial aspect of process mining, as in most cases big data is involved. Instead of investing in expensive data storage solutions, which some process mining solutions offer, organizations can opt for cost-effective alternatives. Cloud storage services like Amazon S3, Azure Blob Storage, or Google Cloud Storage provide highly scalable and durable storage options at a fraction of the cost of process mining storage systems. By utilizing these services, organizations can store large volumes of event data without incurring substantial expenses. Moreover, when big data engineering technics, consider profound process mining logics the storage cost cut down can be tremendous.

Process Mining – Infrastructure Cost Curve: On-Premise vs Cloud

Process Mining Tools

While some commercial process mining tools can be expensive, there are several powerful more economical alternatives available. Tools like Process Science, ProM, and Disco provide comprehensive process mining capabilities without the hefty price tag. These tools offer functionalities such as event log import, process discovery, conformance checking, and performance analysis. Organizations often mismanage the fact, that there can and should be more then one process mining tool available. As expensive solutions like Celonis have their benefits, not all use cases make up for the price of these tools. As a result, these low ROI-use cases will eat up the margin, or (and that’s even more critical) little promising use cases won’t be investigated on and therefore high hanging fruits never discovered. Leveraging process mining tools can significantly reduce costs while still enabling organizations to achieve valuable process insights.

Process Mining Tool Landscape (examples shown)

Collaboration

Another cost-saving aspect is to encourage collaboration within the organization itself. Most process mining initiatives require the input from process experts and often involve multiple stakeholders across different departments. By establishing cross-functional teams and supporting collaboration, organizations can share resources and distribute the cost burden. This approach allows for the pooling of expertise, reduces duplication of efforts, and facilitates knowledge exchange, all while keeping costs low.

Process Mining Team Structure

Conclusion

Process mining offers tremendous potential for organizations seeking to optimize their business processes. While many organizations start process mining projects euphorically, the costs set an abrupt end to the party. Implementing a low-cost and collaborative architecture can help to create a sustainable value for the organization. By leveraging cloud-based infrastructure, cost-effective storage solutions, big data engineering techniques, process mining tools, well developed data extractions, lightweight data preprocessing techniques, and fostering collaboration, organizations can embark on process mining initiatives without straining their budgets. With the right approach, organizations can unlock the power of process mining and drive operational excellence without losing cost control.

One might argue that implementing process mining is not only about the costs. In the end each organization must consider the long-term benefits and return on investment (ROI). But with a cost controlled and sustainable process mining approach, return on investment is likely higher and less risky.

This article provides general information for process mining cost reduction. Specific strategic decisions should always consider the unique requirements and restrictions of individual organizations.

DATANOMIQ - Benjamin Aunkofer

Was ist eine Vektor-Datenbank? Und warum spielt sie für AI eine so große Rolle?

May 22, 2023/in Artificial Intelligence, Big Data, Business Analytics, Data Mining, Insights, Machine Learning, Natural Language Processing, Predictive Analytics, Use Cases/by Benjamin Aunkofer

Wie können Unternehmen und andere Organisationen sicherstellen, dass kein Wissen verloren geht? Intranet, ERP, CRM, DMS oder letztendlich einfach Datenbanken mögen die erste Antwort darauf sein. Doch Datenbanken sind nicht gleich Datenbanken, ganz besonders, da operative IT-Systeme meistens auf relationalen Datenbanken aufsetzen. In diesen geht nur leider dann doch irgendwann das Wissen verloren… Und das auch dann, wenn es nie aus ihnen herausgelöscht wird!

Die meisten Datenbanken sind darauf ausgelegt, Daten zu speichern und wieder abrufbar zu machen. Neben den relationalen Datenbanken (SQL) gibt es auch die NoSQL-Datenbanken wie den Key-Value-Store, Dokumenten- und Graph-Datenbanken mit recht speziellen Anwendungsgebieten. Vektor-Datenbanken sind ein weiterer Typ von Datenbank, die unter Einsatz von AI (Deep Learning, n-grams, …) Wissen in Vektoren übersetzen und damit vergleichbarer und wieder auffindbarer machen. Diese Funktion der Datenbank spielt seinen Vorteil insbesondere bei vielen Dimensionen aus, wie sie Text- und Bild-Daten haben.

Databases Types: Vector Database, Graph Database, Key-Value-Database, Document Database, Relational Database with Row or Column oriented table structures

Datenbank-Typen in grobkörniger Darstellung. Es gibt in der Realität jedoch viele Feinheiten, Übergänge und Überbrückungen zwischen den Datenbanktypen, z. B. zwischen emulierter und nativer Graph-Datenbank. Manche Dokumenten- Vektor-Datenbanken können auch relationale Datenmodellierung. Und eigentlich relationale Datenbanken wie z. B. PostgreSQL können mit Zusatzmodulen auch Vektoren verarbeiten.

Vektor-Datenbanken speichern Daten grundsätzlich nicht relational oder in einer anderen Form menschlich konstruierter Verbindungen. Dennoch sichert die Datenbank gewissermaßen Verbindungen indirekt, die von Menschen jedoch – in einem hochdimensionalen Raum – nicht mehr hergeleitet werden können und sich auf bestimmte Kontexte beziehen, die sich aus den Daten selbst ergeben. Maschinelles Lernen kommt mit der nummerischen Auflösung von Text- und Bild-Daten (und natürlich auch bei ganz anderen Daten, z. B. Sound) am besten zurecht und genau dafür sind Vektor-Datenbanken unschlagbar.

Was ist eine Vektor-Datenbank?

Eine Vektordatenbank speichert Vektoren neben den traditionellen Datenformaten (Annotation) ab. Ein Vektor ist eine mathematische Struktur, ein Element in einem Vektorraum, der eine Reihe von Dimensionen hat (oder zumindest dann interessant wird, genaugenommen starten wir beim Null-Vektor). Jede Dimension in einem Vektor repräsentiert eine Art von Information oder Merkmal. Ein gutes Beispiel ist ein Vektor, der ein Bild repräsentiert: jede Dimension könnte die Intensität eines bestimmten Pixels in dem Bild repräsentieren.
Auf diese Weise kann eine ganze Sammlung von Bildern als eine Sammlung von Vektoren dargestellt werden. Noch gängiger jedoch sind Vektorräume, die Texte z. B. über die Häufigkeit des Auftretens von Textbausteinen (Wörter, Silben, Buchstaben) in sich einbetten (Embeddings). Embeddings sind folglich Vektoren, die durch die Projektion des Textes auf einen Vektorraum entstehen.

Vektor-Datenbanken sind besonders nützlich, wenn man Ähnlichkeiten zwischen Vektoren finden muss, z. B. ähnliche Bilder in einer Sammlung oder die Wörter “Hund” und “Katze”, die zwar in ihren Buchstaben keine Ähnlichkeit haben, jedoch in ihrem Kontext als Haustiere. Mit Vektor-Algorithmen können diese Ähnlichkeiten schnell und effizient aufgespürt werden, was sich mit traditionellen relationalen Datenbanken sehr viel schwieriger und vor allem ineffizienter darstellt.

Vektordatenbanken können auch hochdimensionale Daten effizient verarbeiten, was in vielen modernen Anwendungen, wie zum Beispiel Deep Learning, wichtig ist. Einige Beispiele für Vektordatenbanken sind Elasticsearch / Vector Search, Weaviate, Faiss von Facebook und Annoy von Spotify.

Viele Lernalgorithmen des maschinellen Lernens basieren auf Vektor-basierter Ähnlichkeitsmessung, z. B. der k-Nächste-Nachbarn-Prädiktionsalgorithmus (Regression/Klassifikation) oder K-Means-Clustering. Die Ähnlichkeitsbetrachtung erfolgt mit Distanzmessung im Vektorraum. Die dafür bekannteste Methode, die Euklidische Distanz zwischen zwei Punkten, basiert auf dem Satz des Pythagoras (Hypotenuse ist gleich der Quadratwurzel aus den beiden Dimensions-Katheten im Quadrat, im zwei-dimensionalen Raum). Es kann jedoch sinnvoll sein, aus Gründen der Effizienz oder besserer Konvergenz des maschinellen Lernens andere als die Euklidische Distanz in Betracht zu ziehen.

Vectore-based distance measuring methods: Euclidean Distance L2-Norm, Manhatten Distance L1-Norm, Chebyshev Distance and Cosine Distance

Vektor-Datenbanken für Deep Learning

Der Aufbau von künstlichen Neuronalen Netzen im Deep Learning sieht nicht vor, dass ganze Sätze in ihren textlichen Bestandteilen in das jeweilige Netz eingelesen werden, denn sie funktionieren am besten mit rein nummerischen Input. Die Texte müssen in diese transformiert werden, eventuell auch nach diesen in Cluster eingeteilt und für verschiedene Trainingsszenarien separiert werden.

Vektordatenbanken werden für die Datenvorbereitung (Annotation) und als Trainingsdatenbank für Deep Learning zur effizienten Speicherung, Organisation und Manipulation der Texte genutzt. Für Natural Language Processing (NLP) benötigen Modelle des Deep Learnings die zuvor genannten Word Embedding, also hochdimensionale Vektoren, die Informationen über Worte, Sätze oder Dokumente repräsentieren. Nur eine Vektordatenbank macht diese effizient abrufbar.

Vektor-Datenbank und Large Language Modells (LLM)

Ohne Vektor-Datenbanken wären die Erfolge von OpenAI und anderen Anbietern von LLMs nicht möglich geworden. Aber fernab der Entwicklung in San Francisco kann jedes Unternehmen unter Einsatz von Vektor-Datenbanken und den APIs von Google, OpenAI / Microsoft oder mit echten Open Source LLMs (Self-Hosting) ein wahres Orakel über die eigenen Unternehmensdaten herstellen. Dazu werden über APIs die Embedding-Engines z. B. von OpenAI genutzt. Wir von DATANOMIQ nutzen diese Architektur, um Unternehmen und andere Organisationen dazu zu befähigen, dass kein Wissen mehr verloren geht.

Mit der DATANOMIQ Enterprise AI Architektur, die auf jeder Cloud ausrollfähig ist, verfügen Unternehmen über einen intelligenten Unternehmens-Repräsentanten als KI, der für Mitarbeiter relevante Dokumente und Antworten auf Fragen liefert. Sollte irgendein Mitarbeiter im Unternehmen bereits einen bestimmten Vorgang, Vorfall oder z. B. eine technische Konstruktion oder einen rechtlichen Vertrag bearbeitet haben, der einem aktuellen Fall ähnlich ist, wird die AI dies aufspüren und sinnvollen Kontext, Querverweise oder Vorschläge oder lückenauffüllende Daten liefern.

Die AI lernt permanent mit, Unternehmenswissen geht nicht verloren. Das ist Wissensmanagement auf einem neuen Level, dank Vektor-Datenbanken und KI.

Ist Process Mining in Summe zu teuer?

March 30, 2023/in Business Analytics, Business Intelligence, Data Mining, Data Science, Data Warehousing, Main Category, Process Mining/by Benjamin Aunkofer

Celonis, Signavio (SAP). UiPath, Microsoft, Software AG, Mehrwerk, process.science und viele weitere Process Mining Tool-Anbieter mehr… der Markt rund um Process Mining ist stark umkämpft. Trotz der hohen Vielfalt an Tools, gilt Process Mining in der Einführung und Durchführung als teuer. Viele Unternehmen verzeichnen zwar erste Erfolge mit dieser Analysemethodik und den dafür geschaffenen Tools, hadern jedoch mit den hohen Kosten für Lizensierung und Betrieb.

Dabei gibt es viele Hebel für Unternehmen, die Kosten für diese Analysen deutlich zu reduzieren, dabei gesamtheitlicher analysieren zu können und sich von einzelnen Tool-Anbietern unabhängiger zu machen. Denn die Herausforderung beginnt bereits mit denen eigentlichen Zielen von Process Mining für ein Unternehmen, und diese sind oft nicht einmal direkt finanziell messbar.

Process Mining bitte nicht nur auf Prozesskosten reduzieren

Tool-Anbieter werben tendenziell besonders mit der potenziellen Reduktion von Prozesskosten und und mit der Working Capital Optimierung. Bei hohen Lizenzierungskosten für die Tools, insbesondere für die Cloud-Lösungen der Marktführer, ist dies die erfolgversprechendste Marketing-Strategie. Typische Beispiele für die Identifikation von Kostensenkungspotenzialen sind Doppelarbeiten und unnötige Prozessschleifen sowie Wartezeiten in Prozessen. Working Capital- und Cash- Kosten sind in den Standardprozessen Order-to-Cash (z. B. Verspätete Zahlungen) und Procure-to-Pay (z. B. zu späte Zahlungen, nicht realisierte Rabatte) zu finden.

Diese Anwendungsfälle sind jedoch analytisch recht trivial und bereits mit einfacher BI (Business Intelligence) oder dedizierten Analysen ganz ohne Process Mining bereits viel schneller aufzuspüren. Oft bieten bereits ERP-Systeme eine eigene Erkennung hierfür an, die sich mit einfach gestrikter BI leicht erweitern lässt.

Richtige Wirkung, die so eigentlich nur Process Mining mit der visuellen Prozessanalyse erzeugen kann, zeigt sich vor allem bei der qualitativen Verbesserung von Prozessen, denn oft frustrieren eingefahrene Unternehmensprozesse nicht nur Mitarbeiter, Lieferanten und Partner, sondern auch Kunden. Dabei geht es z. B. um die Verbesserung von Prozessen in der Fertigung und Montage, in der Logistik, dem Einkauf, Sales und After Sales. Diese Anwendungszwecke dienen zur zeitlichen Beschleunigung oder Absicherung (Stabilisierung) von Prozessen, und damit zur Erhöhung des Kundennutzens. Jede qualitative Verbesserung wird sich letztendlich auch im quantitativen, finanziellen Maße auswirken, wenn auch nicht so einfach messbar.

Die Absicherung von Prozessen aus der Compliance-Perspektive ist eines der typischen Einsatzgebiete, für die Process Mining prädestiniert ist. Audit Analytics und Betrugserkennung gehören zu den häufigsten Anwendungsgebieten. Das senkt zwar grundsätzlich keine Prozesskosten, ist jedoch in Anbetracht immer komplexerer Prozessketten bittere Notwendigkeit.

Prozess Mining kann ferner auch zur Dokumentation von Geschäftsprozessen genutzt werden, als Vorlage für Sollprozesse. Die Analyse von bestehenden Prozessen kann dann dabei helfen, den aktuellen Zustand eines Prozesses zu dokumentieren und Unternehmen können diese Informationen nutzen, um Prozessdokumentationen zu aktualisieren und zu verbessern. Mit Process Mining können Vor- und Nachher-Vergleiche durchgeführt sowie situative Worst- und Best-Practise herausextrahiert werden. Dies bietet sich insbesondere vor und nach Migrationen von ERP-Systemen an.

Process Mining muss nicht (zu) teuer sein

Bei hohen Kosten für Process Mining ist der Druck einer Organisation sehr hoch, diese Kosten irgendwie mit hohen potenziellen (!) Einsparungen zu rechtfertigen. Die Prozesse mit dem höchsten Kostensenkungsversprechen erhalten dadurch den Vorzug, oft auch dann, obwohl andere Prozesse die nötige Prozesstransparenz eigentlich noch viel nötiger hätten.

Zumindest der Einstieg in Process Mining kann mit den richtigen Tools sehr leichtfüßig und günstig erfolgen, aber auch die Etablierung dieser Analysemethodik im weltweiten Konzern kann mit einigen Stellhebeln erheblich günstiger und (in Anbetracht der hohen Dynamik unter den Tool-Anbietern) nachhaltiger realisiert werden, als wie es von den größeren Anbietern vorgeschlagen wird.

Unabhängiges und Nachhaltiges Data Engineering

Die Arbeit hinter Process Mining kann man sich wie einen Eisberg vorstellen. Die sichtbare Spitze des Eisbergs sind die Reports und Analysen im Process Mining Tool. Das ist der Teil, den die meisten Analysten und sonstigen Benutzer des Tools zu Gesicht bekommen. Der andere Teil des Process Minings ist jedoch noch viel wesentlicher, denn es handelt sich dabei um das Fundament der Analyse: Die Datenmodellierung des Event Logs. Diese Arbeit ist der größere, jedoch unter der Oberfläche verborgene Teil des Eisbergs.

Jedes Process Mining Tool benötigt pro Use Case mindestens ein Event Log. Dabei handelt es sich um ein Prozessprotokoll mit universeller Mindestanforderung: Case, Activity, Timestamp

Diese Event Logs in einem Process Mining Tool zu modellieren und individuell anzupassen, ist langfristig keine gute Idee und erinnert an die Anfänge der Business Intelligence, als BI-Analysten Daten direkt in Tools wie Qlik Sense oder Power BI luden und für sich individuell modellierten.

Wie anfangs erwähnt, haben Unternehmen bei der Einführung von Process Mining die Qual der Wahl. Oft werden langwierige und kostenintensive Auswahlprozesse für die jeweiligen Tools angestoßen, damit die Wahl auf der augenscheinlich richtige Tool fällt.

Eine bessere Idee ist es daher, Event Logs nicht in einzelnen Process Mining Tools aufzubereiten, sondern zentral in einem dafür vorgesehenen Data Warehouse zu erstellen, zu katalogisieren und darüber auch die grundsätzliche Data Governance abzusichern. Die modellierten Daten können dann jedem Process Mining Tool zur Verfügung gestellt werden. Während sich Process Mining Tools über die Jahre stark verändern, bleiben Datenbanktechnologien für Data Warehousing über Jahrzehnte kompatibel und können in ihnen aufbereitete Event Logs allen Tools zur Verfügung stellen. Und übrigens lässt sich mit diesem Ansatz auch sehr gut eine gesamtheitlichere Verknüpfung realisieren und die Perspektive dynamisch verändern, was neuerdings als Object-centric Process Mining beworben wird, mit der richtigen Datenmoedellierung in einem Process Mining Data Warehouse für jedes Tool zu erreichen ist.

Nicht alles um jeden Preis in die Public Cloud

Unter der häufigen Prämisse, dass alle ERP-Rohdaten in eine Cloud geladen werden müssen, entstehen Kosten, die durchaus als überhöht und unnötig angesehen werden können. Daten-Uploads in eine Cloud-Lösung für Process Mining sollten nach Möglichkeit minimal ausfallen und lassen sich durch genaueres Anforderungsmanagement in den meisten Fällen deutlich reduzieren, verbunden mit Einsparungen bei Cloud-Kosten. Idealerweise werden nur fertige Event-Logs bzw. objekt-zentrische Datenmodelle in die Cloud geladen, nicht jedoch die dafür notwendigen Rohdaten.

Für besonders kritische Anwendungsfälle kann es von besonderem Stellenwert sein, einen Hybrid-Cloud-Ansatz anzustreben. Dabei werden besonders kritische Daten in ihrer granularen Form in einer Private Cloud (i.d.R. kundeneigenes Rechenzentrum) gehalten und nur die fertigen Event Logs in die Public Cloud (z. B. Celonis Process Mining) übertragen.

Mit AI ist mehr möglich als oft vermutet

Neben den einfachen Anwendungsfällen, die einige Tool-Anbieter bereits eingebaut haben (z. B. Matching von Zahlungsdaten zur Doppelzahlungserkennung oder die Vorhersage von Prozesszeiten), können mit Machine Learning bzw. Deep Learning auch anspruchsvollere Varianten-Cluster und Anomalien erkannt werden.

Unstrukturierte Daten können dank AI in Process Mining mit einbezogen werden, dazu werden mit Named Entity Recognition (NER, ein Teilgebiet des NLP) Vorgänge und Aktivitäten innerhalb von Dokumenten (z. B. Mails, Jira-Tickets) extrahiert und gemeinsam mit den Meta-Daten (z. B. Zeitstempel aus dem Dokument) in ein strukturiertes Event Log für Process Mining transformiert. Ähnliches lässt sich mit AI für Computer Vision übrigens auch auf Abläufe aus Videoaufnahmen durchführen. Dank AI werden damit noch viel verborgenere Prozesse sichtbar. Diese AI ist in noch keiner Process Mining Software zu finden, kann jedoch bausteinartig dem Process Mining Data Warehouse vorgeschaltet werden.

Fazit

Nicht all zu selten ist Process Mining den anwenden Unternehmen in Summe zu teuer, denn bereits einige Unternehmen sind über die Kosten gestolpert. Andere Unternehmen begrenzen die Kosten mit dem restriktiven Umgang mit Benuter-Lizenzen oder Anwendungsfällen, begrenzen damit jedoch auch den Analyseumfang und schöpfen nicht das volle Potenzial aus. Dies muss jedoch nicht sein, denn Kosten für Data Loads, Cloud-Hosting und Benutzerlizenzen für Process Mining lassen sich deutlich senken, wenn Process Mining als die tatsächliche Analyse-Methode verstanden und nicht auf ein bestimmtes Tool reduziert wird.

Zu Beginn kann es notwendig sein, Process Mining in einer Organisation überhaupt erst an den Start zu bringen und erste Erfolge zu erzielen. Unternehmen, die Process Mining und die damit verbundene Wirkung in Sachen Daten- und Prozesstransparenz, erstmals erlebt haben, werden auf diese Analysemethodik so schnell nicht mehr verzichten wollen. Schnelle erste Erfolge lassen sich mit nahezu jedem Tool erzielen. Nach Pilot-Projekten sollte der konzernweite Rollout jedoch in Sachen Performance, Kosten-Leistungsverhältnis und spätere Unabhängigkeit überdacht werden, damit Process Mining Initiativen langfristig mehr wirken als sie kosten und damit Process Mining auch bedenkenlos und ohne Budget-Engpässe qualitative Faktoren der Unternehmensprozesse verbessern kann.

Mit den richtigen Überlegungen fahren Sie die Kosten für Process Mining runter und den Nutzen hoch.

Praxisbeispiel: Data Science im Marketing

February 28, 2023/in Business Analytics, Business Intelligence, Customer Analytics, Data Mining, Data Science, Web- & App-Tracking/by Haufe Akademie

Wie Sie mit Data Science die Conversion-Rate in Ihrem Online-Shop erhöhen

Die Fragestellung: Ein Hersteller von Elektrogeräten lancierte einen neuen Online-Shop, um einen neuen Vertriebskanal zu schaffen, der unabhängig von stationären Einzelhändlern und Amazon ist. Obwohl der Online-Shop von Interessent:innen häufig besucht wurde, war die Conversion-Rate zu niedrig und der Umsatz somit zu gering.

Die zentrale Frage war nun: Wie kann die Conversion-Rate erhöht werden, um den Umsatz über den neuen Vertriebskanal zu erhöhen?

Was ist eine Conversion-Rate? Die Conversion-Rate ist eine Marketing-Kennzahl, die in diesem Beispiel das Verhältnis der Besucher:innen des Online-Shops zu den getätigten Käufen meint. Halten sich viele Besucher:innen im Online-Shop auf und sind die Warenkorb-Abschlüsse dennoch gering, so ist die Conversion-Rate niedrig. Das Ziel ist es, die Conversion-Rate zu steigern, also dafür zu sorgen, dass Besucher:innen, die sich im Online-Shop befinden und dort etwas in den Warenkorb legen, auch einen Kauf tätigen.

Vorgehen: Um zu verstehen, warum eine Bestellung abgeschlossen bzw. nicht abgeschlossen wurde, wurden verschiedene Daten aus dem Web-Analytics-System des Online-Shops untersucht. Dazu gehörten im Wesentlichen Daten zu Besucherhandlungen auf der Website, die automatisch getrackt, also aufgezeichnet werden, wie z. B. Button & Link-Klicks, Bildergalerie öffnen, Produktvideo ansehen, Produktbeschreibung ausklappen, Time on page usw.

Mit diesen Daten wurden drei Analyseverfahren durchgeführt.

1) Website-Besucher verstehen

Zunächst wurden mit einer explorativen Datenanalyse die Website-Besucher:innen und deren Bedürfnisse untersucht. Über die meisten der Besucher:innen lagen bereits Daten vor, da sie in der Vergangenheit bereits Käufe auf der Website getätigt hatten und dafür ein Konto angelegt hatten. Darüber hinaus wurde untersucht, über welche Kanäle die Besucher:innen in den Online-Shop gelangten, beispielsweise über Google oder Facebook. Informationen zu Gerät, Standort, Browser und Betriebssystem waren ebenfalls verfügbar.

Anhand dieser unterschiedlichen Parameter wurden die Benutzerdaten einem Analyseverfahren, dem sog. Clustering, unterzogen, bei dem die Website-Besucher:innen aufgrund ihrer Ähnlichkeiten in verschiedenen Eigenschaften in Gruppen („Cluster“) eingeteilt wurden.

Beispiel: Besucher über Android-Smartphones und Chrome-Browser, die zwischen 17 und 19 Uhr am Samstag auf der Website sind, kaufen eher familienbezogene Produkte.

Daraufhin konnte man neue Website-Besucher:innen aufgrund der verschiedenen Eigenschaften meist recht eindeutig einem Cluster zuordnen, da ähnliche Besucher:innen tendenziell ein ähnliches Verhalten auf einer Website zeigen. Dieses Clustering lieferte dem Unternehmen bereits wertvolle Informationen. So konnten auf dieser Informationsgrundlage individuelle Marketingstrategien für verschiedene Zielgruppen entwickelt, das Werbe-Targeting angepasst und spezifische Sonderangebote erstellt werden.

Beispiel: Besucher über Android-Smartphones und Chrome-Browsern, die zwischen 17 und 19 Uhr am Samstag auf der Website sind, bekommen ein Sonderangebot für ein familienbezogenes Produkt, wie beispielsweise ein Babyfon ausgespielt.

In vielen Fällen reicht eine solche Analyse bereits aus, um die Conversion-Rate eines Online-Shops spürbar zu steigern. In diesem Projekt wurden jedoch noch zwei weitere Analyseschritte durchgeführt.

2) Conversion Path verstehen und Engpässe nachvollziehen

Der nächste Schritt bestand darin, den Conversion Path der Kund:innen zu untersuchen. Der Conversion Path umfasst alle Handlungen von Kund:innen vom Ankommen auf der Website über den Besuch verschiedener Seiten bis hin zum finalen Kauf bzw. Kaufabbruch. Bei der Analyse wurden alle Conversion Paths auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede untersucht, um bestimmte Muster abzuleiten. Von besonderem Interesse waren mögliche Gründe, aus denen Besucher:innen ihre Sitzung vor Kaufabschluss abbrachen. Es stellte sich heraus, dass Besucher:innen ihre Sitzung vor allem dann abbrachen, wenn es für ein Produkt kein Produktvideo gab bzw. das Produktvideo nicht gefunden wurde. Diese mangelnde Produktinformation konnte anschließend gezielt bearbeitet werden, woraufhin sich die Conversion-Rate deutlich verbesserte.

3) Next-best-Action vorhersagen

Im dritten Schritt des Projektes zur Steigerung der Conversion-Rate wurde der Ansatz der Next-best-Action (NBA) gewählt. Damit wurde hier ein weiterer Schritt von der reinen Analyse von bereits vorhandenen Daten hin zur Vorhersage zukünftigen Verhaltens gewählt.

Was bedeutet Next-best-action? Next-best-action (NBA) ist eine Marketingstrategie, die darauf abzielt, Informationen über einzelne Kund:innen zu sammeln und zu nutzen, um einen Kauf anzuregen. Wie der Name schon sagt, wird versucht zu ermitteln, welcher der nächste beste Schritt im Verkaufsprozess für jede:n einzelne:n Kunde:in ist.

Mithilfe der allgemeinen Informationen über die Website-Besucher:innen und der Conversion Paths konnten unterschiedliche Aktionen identifiziert werden, die einen Kauf wahrscheinlicher machen würden. Dazu gehörte z. B., den Besucher:innen das Produktvideo anzuzeigen, einen Rabatt-Code oder ein Sonderangebot für eine spezielle Produktkategorie anzubieten oder ein Chat-Fenster für den Kundensupport zu öffnen.

Somit half die NBA-Vorhersage dabei, die Conversion erneut deutlich zu steigern, indem für jede:n Website-Besucher:in eine individuelle Aktion vorgeschlagen werden konnte.

Ergebnisse:

In diesem Projekt konnte die Marketingabteilung des Elektrogeräte-Herstellers durch drei verschiedene Analyseansätze die Conversion-Rate im Online-Shop deutlich verbessern:

Mithilfe des Clustering war das Unternehmen in der Lage, individuelle Marketingstrategien für verschiedene Zielgruppen zu entwickeln, das Werbe-Targeting anzupassen und spezifische Sonderangebote zu erstellen.
Durch die Analyse der Conversion Paths konnten produkt- und produktbeschreibungsspezifische Engpässe identifiziert und anschließend gezielt behoben werden.
Mit der NBA-Analyse konnten nächste beste Schritte für jede:n einzelne:n Kunde:in bestimmt und automatisch ausgelöst werden.

Haufe Akademie Data Science Buzzword Bingo

Buzzword Bingo: Data Science – Teil III

August 14, 2022/in Business Analytics, Data Mining, Data Science, Deep Learning, Insights, Machine Learning, Main Category, Sponsoring Partner Posts/by Julius Meier

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

Buzzword Bingo: Data Science – Teil III: Künstliche neuronale Netze & Deep Learning

Im dritten Teil unserer dreiteiligen Reihe „Buzzword Bingo Data Science“ beschäftigen wir uns mit den Begriffen „künstliche neuronale Netze“ und „Deep Learning“.

Künstliche neuronale Netze

Künstliche neuronale Netze beschreiben eine besondere Form des überwachten maschinellen Lernens. Das Besondere hier ist, dass mit künstlichen neuronalen Netzen versucht wird, die Funktionsweise des menschlichen Gehirns nachzuahmen. Dort können biologische Nervenzellen durch elektrische Impulse von benachbarten Neuronen erregt werden. Nach bestimmten Regeln leiten Neuronen diese elektrischen Impulse dann wiederum an benachbarte Neuronen weiter. Häufig benutzte Signalwege werden dabei verstärkt, wenig benutzte Verbindungen werden gleichzeitig im Laufe der Zeit abgeschwächt. Dies wird beim Menschen üblicherweise dann als Lernen bezeichnet.

Dasselbe geschieht auch bei künstlichen neuronalen Netzen: Künstliche Neuronen werden hier hinter- und nebeneinander geschaltet. Diese Neuronen nehmen dann Informationen auf, modifizieren und verarbeiten diese nach bestimmten Regeln und geben dann Informationen wiederum an andere Neuronen ab. Üblicherweise werden bei künstlichen neuronalen Netzen mindestens drei Schichten von Neuronen unterschieden.

Die Eingabeschicht nimmt Informationen aus der Umwelt auf und speist diese in das neuronale Netz ein.
Die verborgene(n) Schichte(n) liegen zwischen der Eingabe- und der Ausgabeschicht. Hier werden wie beschrieben die eingegebenen Informationen von den einzelnen Neuronen verarbeitet und anschließend weitergegeben. Der Name „verborgene“ Schicht betont dabei, dass für Anwender meist nicht erkennbar ist, in welcher Form ein neuronales Netz die Eingabeinformationen in den verborgenen Schichten verarbeitet.
Die letzte Schicht eines neuronalen Netzes ist die Ausgabeschicht. Diese beinhaltet die Ausgabeneuronen, welche die eigentliche Entscheidung, auf die das neuronale Netz trainiert wurde, als Information ausgeben.

Das besondere an neuronalen Netzen: Wie die Neuronen die Informationen zwischen den verborgenen Schichten verarbeiten und an die nächste Schicht weitergeben, erlernt ein künstliches neuronales Netz selbstständig. Hierfür werden – einfach ausgedrückt – die verschiedenen Pfade durch ein neuronales Netz, die verschiedene Entscheidungen beinhalten, häufig hintereinander ausprobiert. Führt ein bestimmter Pfad während des Trainings des neuronalen Netzes nicht zu dem vordefinierten korrekten Ergebnis, wird dieser Pfad verändert und in dieser Form zukünftig eher nicht mehr verwendet. Führt ein Pfad stattdessen erfolgreich zu dem vordefinierten Ergebnis, dann wird dieser Pfad bestärkt. Schlussendlich kann, wie bei jedem überwachten Lernprozess, ein erfolgreich trainiertes künstliches neuronales Netz auf unbekannte Eingangsdaten angewandt werden.

Auch wenn diese Funktionsweise auf den ersten Blick nicht sehr leicht verständlich ist: Am Ende handelt es sich auch hier bloß um einen Algorithmus, dessen Ziel es ist, Muster in Daten zu erkennen. Zwei Eigenschaften teilen sich künstliche neuronale Netze aber tatsächlich mit den natürlichen Vorbildern: Sie können sich besonders gut an viele verschiedene Aufgaben anpassen, benötigen dafür aber auch meistens mehr Beispiele (Daten) und Zeit als die klassischen maschinellen Lernverfahren.

Sonderform: Deep Learning

Deep Learning ist eine besondere Form von künstlichen neuronalen Netzen. Hierbei werden viele verdeckte Schichten hintereinander verwendet, wodurch ein tiefes (also „deep“) neuronales Netz entsteht.

Je tiefer ein neuronales Netz ist, umso komplexere Zusammenhänge kann es abbilden. Aber es benötigt auch deutlich mehr Rechenleistung als ein flaches neuronales Netz. Seit einigen Jahren steht diese Leistung günstig zur Verfügung, weshalb diese Form des maschinellen Lernens an Bedeutung gewonnen hat.

Die 6 Schritte des Process Mining – Infografik

August 2, 2022/in Business Analytics, Business Intelligence, Data Mining, Data Science, Process Mining/by Benjamin Aunkofer

Viele Process Mining Projekte drehen sich vor allem um die Auswahl und die Einführung der richtigen Process Mining Tools. Egal ob mit Celonis, Signavio, UiPath oder einem anderem Software-Anbieten, Process Mining ist nicht irgendein Tool, sondern eine Methodik der Aufbereitung und Analyse der Daten. Im Kern von Process Mining steckt eigentlich eine Graphenanalyse, die Prozessschritte als Knoten (Event) und Kanten (Zeiten) darstellt. Hinzu kommen weitere Darstellungen mit einem fließenden Übergang in die Business Intelligence, so bieten andere Tool-Anbieter auch Plugins für Power BI, Tableau, Qlik Sense und andere BI-Tools, um Process Mining zu visualisieren.

Unternehmen können Event Logs selbst herstellen und in ein Data Warehouse speisen, die dann alle Process Mining Tools mit Prozessdaten versorgen können. Die investierten Aufwände in Process Mining würden somit nachhaltiger (weil länger nutzbar) werden und die Abhängigkeit von bestimmter Software würde sich auf ein Minimum reduzieren, wir riskieren keinen neuen Aufwand für Migration von einem Anbieter zum nächsten. Übrigens können die Event Logs dann auch in andere Tools z. B. für Business Intelligence (BI) geladen und anderweitig analysiert werden.

Jedoch ganz unabhängig von den Tools, gibt es eine ganz generelle Vorgehensweise in dieser datengetriebenen Prozessanalyse, die wir mit der folgenden Infografik beschreiben möchten.

DATANOMIQ Process Mining - 6 Steps of Doing Process Mining Analysis

6 Steps of Process Mining – Infographic PDF Download.

DATANOMIQ ist der herstellerunabhängige Beratungs- und Service-Partner für Business Intelligence, Process Mining und Data Science. Wir erschließen die vielfältigen Möglichkeiten durch Big Data und künstliche Intelligenz erstmalig in allen Bereichen der Wertschöpfungskette. Dabei setzen wir auf die besten Köpfe und das umfassendste Methoden- und Technologieportfolio für die Nutzung von Daten zur Geschäftsoptimierung.

Buzzword Bingo: Data Science – Teil II

July 8, 2022/in Artificial Intelligence, Big Data, Business Analytics, Data Engineering, Data Mining, Data Science, Deep Learning, Insights, Machine Learning, Main Category/by Julius Meier

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.

Buzzword Bingo: Data Science – Teil I

June 16, 2022/in Artificial Intelligence, Data Mining, Data Science, Deep Learning, Machine Learning, Main Category/by Julius Meier

Rund um das Thema Data Science gibt es unglaublich viele verschiedene Buzzwords, die Ihnen sicherlich auch schon vielfach begegnet sind. Sei es der Begriff Künstliche Intelligenz, Big Data oder auch Deep Learning. Die Bedeutung dieser Begriffe ist jedoch nicht immer ganz klar und häufig werden Begriffe auch vertauscht oder in missverständlichen Zusammenhängen benutzt. Höchste Zeit also, sich einmal mit den genauen Definitionen dieser Begriffe zu beschäftigen!

Buzzword Bingo: Data Science – Teil 1: Künstliche Intelligenz, Algorithmen & Maschinelles Lernen

Im ersten Teil unserer dreiteiligen Reihe „Buzzword Bingo Data Science“ beschäftigen wir uns zunächst mit den drei Begriffen „Künstliche Intelligenz“, „Algorithmus“ und „Maschinelles Lernen“.

Künstliche Intelligenz

Der im Bereich der Data Science u. a. am häufigsten genutzte Begriff ist derjenige der „Künstlichen Intelligenz“. Viele Menschen denken bei dem Begriff sofort an hochspezialisierte Maschinen à la „The Matrix“ oder „I, Robot“. Dabei ist der Begriff deutlich älter als viele denken. Bereits 1956 wurde der englische Begriff “artificial intelligence” zum ersten Mal in einem Workshop-Titel am US-amerikanischen Dartmouth College genutzt.

Heutzutage besitzt der Begriff der künstlichen Intelligenz keine allgemeingültige Definition. Es handelt sich bei künstlicher Intelligenz grundsätzlich um ein Teilgebiet der Informatik, das sich mit der Automatisierung von intelligentem Verhalten befasst. Es geht also darum, dass ein Computerprogramm auf eine Eingabe eine intelligente Reaktion zeigt. Zu beachten ist hierbei, dass eine künstliche Intelligenz nur ein scheinbar intelligentes Verhalten zeigen kann. Künstliche Intelligenz wird heutzutage sehr weit gefasst und kann vieles umfassen: von klassischen, regelbasierten Algorithmen bis hin zu selbstlernenden künstlichen neuronalen Netzen.

Das zentrale Forschungsziel ist die Entwicklung einer sogenannten Allgemeinen Künstlichen Intelligenz, also einer Maschine, die in der Lage sein wird, autonom beliebige Probleme zu lösen. Es gibt eine fortlaufende Debatte darüber, ob dieses Ziel jemals erreicht werden kann bzw. ob es erreicht werden sollte.

In den vergangenen Jahren ist auch die sogenannte xAI (engl. Explainable AI; erklärbare künstliche Intelligenz) in den Mittelpunkt der Forschungsinteressen gerückt. Dabei geht es um die Problematik, dass künstliche Intelligenzen sogenannte Black Boxen sind. Das bedeutet, dass ein menschlicher User die Entscheidung einer künstlichen Intelligenz üblicherweise nicht nachvollziehen kann. Eine xAI wäre im Vergleich jedoch eine Glass Box, die Entscheidungen einer solchen künstlichen Intelligenz wären für Menschen also nachvollziehbar.

Algorithmen

Algorithmen sind klar definierte, vorgegebene Prozeduren, mit denen klar definierte Aufgaben gelöst werden können. Dabei kann der Lösungsweg des Algorithmus entweder durch Menschen vorgegeben, also programmiert werden oder Algorithmen lernen durch Methoden des maschinellen Lernens selbstständig den Lösungsweg für eine Prozedur.

Im Bereich der Data Science bezeichnen wir mit Algorithmen kleine Programme, die scheinbar intelligent handeln. Dementsprechend stecken auch hinter künstlichen Intelligenzen Algorithmen. Werden Algorithmen mit klar definierten Eingaben versorgt, führen sie somit zu einem eindeutigen, konstanten Ergebnis. Dabei gilt aber leider auch der Grundsatz der Informatik „Mist rein, Mist raus“. Ein Algorithmus kann immer nur auf sinnvolle Eingaben sinnvolle Ausgaben erzeugen. Die Komplexität von Algorithmen kann sehr vielfältig sein und je komplexer ein solcher Algorithmus ist, desto „intelligenter“ erscheint er oftmals.

Maschinelles Lernen

Maschinelles Lernen ist ein Überbegriff für eine Vielzahl von Verfahren, mit denen ein Computer oder eine künstliche Intelligenz automatisch Muster in Daten erkennt. Beim maschinellen Lernen wird grundsätzlich zwischen dem überwachten und unüberwachten Lernen unterschieden.

Beim überwachten Lernen lernt ein Algorithmus den Zusammenhang zwischen bekannten Eingabe- und Ausgabewerten. Nachdem dieser Zusammenhang vom Algorithmus erlernt wurde, kann dieses maschinelle Modell dann auf neue Eingabewerte angewandt und somit unbekannte Ausgabewerte vorhergesagt werden. Beispielsweise könnte mithilfe einer Regression zunächst der Zusammenhang zwischen Lufttemperatur und dem Wochentag (jeweils bekannte Eingabewerte) sowie der Anzahl der verkauften Eiskugeln (für die Vergangenheit bekannte Ausgabewerte) in einem Freibad untersucht werden. Sobald dieser Zusammenhang einmal ausreichend genau bestimmt worden ist, kann er auch für die Zukunft fortgeschrieben werden. Das bedeutet, es wäre dann möglich, anhand des nächsten Wochentages sowie der vorhergesagten Lufttemperatur (bekannte Eingabewerte für die Zukunft) die Anzahl der verkauften Eiskugeln (unbekannte Ausgabewerte für die Zukunft) zu prognostizieren und somit die Absatzmenge genauer planen zu können.

Beim unüberwachten Lernen auf der anderen Seite sind nur Eingabedaten vorhanden, es gibt keine den Eingabedaten zugehörigen Ausgabedaten. Hier wird dann mit Methoden wie beispielsweise dem Clustering versucht, verschiedene Datenpunkte anhand ihrer Eigenschaften in verschiedene Gruppen aufzuteilen. Beispielsweise könnte ein Clustering-Algorithmus verschiedene Besucher:innen eines Webshops in verschiedene Gruppen einteilen: Es könnte beispielsweise eine Gruppe von Besucher:innen geben, die sehr zielstrebig ein einzelnes Produkt in den Warenkorb legen und ihren Kauf direkt abschließen. Andere Besucher:innen könnten allerdings viele verschiedene Produkte ansehen, in den Warenkorb legen und am Ende nur wenige oder vielleicht sogar gar keine Käufe tätigen. Wieder andere Kund:innen könnten unter Umständen lediglich auf der Suche nach Artikeln im Sale sein und keine anderen Produkte ansehen.

Aufgrund ihres Nutzungsverhaltens auf der Website könnte ein Clustering-Algorithmus mit ausreichend aufbereiteten Daten nun all diese Kund:innen in verschiedene Gruppen oder Cluster einteilen. Was der Algorithmus jedoch nicht leisten kann ist zu erklären, was die erkannten Cluster genau bedeuten. Hierfür braucht es nach wie vor menschliche Intelligenz gepaart mit Fachwissen.

Wie Maschinen uns verstehen: Natural Language Understanding

June 3, 2022/in Artificial Intelligence, Data Mining, Data Science, Deep Learning, Insights, Machine Learning, Main Category, Natural Language Processing/by Niklas Lang

Foto von Sebastian Bill auf Unsplash.

Natural Language Understanding (NLU) ist ein Teilbereich von Computer Science, der sich damit beschäftigt natürliche Sprache, also beispielsweise Texte oder Sprachaufnahmen, verstehen und verarbeiten zu können. Das Ziel ist es, dass eine Maschine in der gleichen Weise mit Menschen kommunizieren kann, wie es Menschen untereinander bereits seit Jahrhunderten tun.

Was sind die Bereiche von NLU?

Eine neue Sprache zu erlernen ist auch für uns Menschen nicht einfach und erfordert viel Zeit und Durchhaltevermögen. Wenn eine Maschine natürliche Sprache erlernen will, ist es nicht anders. Deshalb haben sich einige Teilbereiche innerhalb des Natural Language Understandings herausgebildet, die notwendig sind, damit Sprache komplett verstanden werden kann.

Diese Unterteilungen können auch unabhängig voneinander genutzt werden, um einzelne Aufgaben zu lösen:

Speech Recognition versucht aufgezeichnete Sprache zu verstehen und in textuelle Informationen umzuwandeln. Das macht es für nachgeschaltete Algorithmen einfacher die Sprache zu verarbeiten. Speech Recognition kann jedoch auch alleinstehend genutzt werden, beispielsweise um Diktate oder Vorlesungen in Text zu verwandeln.
Part of Speech Tagging wird genutzt, um die grammatikalische Zusammensetzung eines Satzes zu erkennen und die einzelnen Satzbestandteile zu markieren.
Named Entity Recognition versucht innerhalb eines Textes Wörter und Satzbausteine zu finden, die einer vordefinierten Klasse zugeordnet werden können. So können dann zum Beispiel alle Phrasen in einem Textabschnitt markiert werden, die einen Personennamen enthalten oder eine Zeit ausdrücken.
Sentiment Analysis klassifiziert das Sentiment, also die Gefühlslage, eines Textes in verschiedene Stufen. Dadurch kann beispielsweise automatisiert erkannt werden, ob eine Produktbewertung eher positiv oder eher negativ ist.
Natural Language Generation ist eine allgemeine Gruppe von Anwendungen mithilfe derer automatisiert neue Texte generiert werden sollen, die möglichst natürlich klingen. Zum Beispiel können mithilfe von kurzen Produkttexten ganze Marketingbeschreibungen dieses Produkts erstellt werden.

Welche Algorithmen nutzt man für NLP?

Die meisten, grundlegenden Anwendungen von NLP können mit den Python Modulen spaCy und NLTK umgesetzt werden. Diese Bibliotheken bieten weitreichende Modelle zur direkten Anwendung auf einen Text, ohne vorheriges Trainieren eines eigenen Algorithmus. Mit diesen Modulen ist ohne weiteres ein Part of Speech Tagging oder Named Entity Recognition in verschiedenen Sprachen möglich.

Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Bibliotheken ist die Ausrichtung. NLTK ist vor allem für Entwickler gedacht, die eine funktionierende Applikation mit Natural Language Processing Modulen erstellen wollen und dabei auf Performance und Interkompatibilität angewiesen sind. SpaCy hingegen versucht immer Funktionen bereitzustellen, die auf dem neuesten Stand der Literatur sind und macht dabei möglicherweise Einbußen bei der Performance.

Für umfangreichere und komplexere Anwendungen reichen jedoch diese Optionen nicht mehr aus, beispielsweise wenn man eine eigene Sentiment Analyse erstellen will. Je nach Anwendungsfall sind dafür noch allgemeine Machine Learning Modelle ausreichend, wie beispielsweise ein Convolutional Neural Network (CNN). Mithilfe von Tokenizern von spaCy oder NLTK können die einzelnen in Wörter in Zahlen umgewandelt werden, mit denen wiederum das CNN als Input arbeiten kann. Auf heutigen Computern sind solche Modelle mit kleinen Neuronalen Netzwerken noch schnell trainierbar und deren Einsatz sollte deshalb immer erst geprüft und möglicherweise auch getestet werden.

Jedoch gibt es auch Fälle in denen sogenannte Transformer Modelle benötigt werden, die im Bereich des Natural Language Processing aktuell state-of-the-art sind. Sie können inhaltliche Zusammenhänge in Texten besonders gut mit in die Aufgabe einbeziehen und liefern daher bessere Ergebnisse beispielsweise bei der Machine Translation oder bei Natural Language Generation. Jedoch sind diese Modelle sehr rechenintensiv und führen zu einer sehr langen Rechenzeit auf normalen Computern.

Was sind Transformer Modelle?

In der heutigen Machine Learning Literatur führt kein Weg mehr an Transformer Modellen aus dem Paper „Attention is all you need“ (Vaswani et al. (2017)) vorbei. Speziell im Bereich des Natural Language Processing sind die darin erstmals beschriebenen Transformer Modelle nicht mehr wegzudenken.

Transformer werden aktuell vor allem für Übersetzungsaufgaben genutzt, wie beispielsweise auch bei www.deepl.com. Darüber hinaus sind diese Modelle auch für weitere Anwendungsfälle innerhalb des Natural Language Understandings geeignet, wie bspw. das Beantworten von Fragen, Textzusammenfassung oder das Klassifizieren von Texten. Das GPT-2 Modell ist eine Implementierung von Transformern, dessen Anwendungen und die Ergebnisse man hier ausprobieren kann.

Was macht den Transformer so viel besser?

Soweit wir wissen, ist der Transformer jedoch das erste Transduktionsmodell, das sich ausschließlich auf die Selbstaufmerksamkeit (im Englischen: Self-Attention) stützt, um Repräsentationen seiner Eingabe und Ausgabe zu berechnen, ohne sequenzorientierte RNNs oder Faltung (im Englischen Convolution) zu verwenden.

Übersetzt aus dem englischen Originaltext: Attention is all you need (Vaswani et al. (2017)).

In verständlichem Deutsch bedeutet dies, dass das Transformer Modell die sogenannte Self-Attention nutzt, um für jedes Wort innerhalb eines Satzes die Beziehung zu den anderen Wörtern im gleichen Satz herauszufinden. Dafür müssen nicht, wie bisher, Recurrent Neural Networks oder Convolutional Neural Networks zum Einsatz kommen.

Was dieser Mechanismus konkret bewirkt und warum er so viel besser ist, als die vorherigen Ansätze wird im folgenden Beispiel deutlich. Dazu soll der folgende deutsche Satz mithilfe von Machine Learning ins Englische übersetzt werden:

„Das Mädchen hat das Auto nicht gesehen, weil es zu müde war.“

Für einen Computer ist diese Aufgabe leider nicht so einfach, wie für uns Menschen. Die Schwierigkeit an diesem Satz ist das kleine Wort „es“, dass theoretisch für das Mädchen oder das Auto stehen könnte. Aus dem Kontext wird jedoch deutlich, dass das Mädchen gemeint ist. Und hier ist der Knackpunkt: der Kontext. Wie programmieren wir einen Algorithmus, der den Kontext einer Sequenz versteht?

Vor Veröffentlichung des Papers „Attention is all you need“ waren sogenannte Recurrent Neural Networks die state-of-the-art Technologie für solche Fragestellungen. Diese Netzwerke verarbeiten Wort für Wort eines Satzes. Bis man also bei dem Wort „es“ angekommen ist, müssen erst alle vorherigen Wörter verarbeitet worden sein. Dies führt dazu, dass nur noch wenig Information des Wortes „Mädchen“ im Netzwerk vorhanden sind bis den Algorithmus überhaupt bei dem Wort „es“ angekommen ist. Die vorhergegangenen Worte „weil“ und „gesehen“ sind zu diesem Zeitpunkt noch deutlich stärker im Bewusstsein des Algorithmus. Es besteht also das Problem, dass Abhängigkeiten innerhalb eines Satzes verloren gehen, wenn sie sehr weit auseinander liegen.

Was machen Transformer Modelle anders? Diese Algorithmen prozessieren den kompletten Satz gleichzeitig und gehen nicht Wort für Wort vor. Sobald der Algorithmus das Wort „es“ in unserem Beispiel übersetzen will, wird zuerst die sogenannte Self-Attention Layer durchlaufen. Diese hilft dem Programm andere Wörter innerhalb des Satzes zu erkennen, die helfen könnten das Wort „es“ zu übersetzen. In unserem Beispiel werden die meisten Wörter innerhalb des Satzes einen niedrigen Wert für die Attention haben und das Wort Mädchen einen hohen Wert. Dadurch ist der Kontext des Satzes bei der Übersetzung erhalten geblieben.

Big Data mit Hadoop und Map Reduce!

May 7, 2022/in Big Data, Data Engineering, Data Mining, Data Science, Main Category, Tool Introduction/by Niklas Lang

Foto von delfi de la Rua auf Unsplash.

Hadoop ist ein Softwareframework, mit dem sich große Datenmengen auf verteilten Systemen schnell verarbeiten lassen. Es verfügt über Mechanismen, welche eine stabile und fehlertolerante Funktionalität sicherstellen, sodass das Tool für die Datenverarbeitung im Big Data Umfeld bestens geeignet ist. In diesen Fällen ist eine normale relationale Datenbank oft nicht ausreichend, um die unstrukturierten Datenmengen kostengünstig und effizient abzuspeichern.

Unterschiede zwischen Hadoop und einer relationalen Datenbank

Hadoop unterscheidet sich in einigen grundlegenden Eigenschaften von einer vergleichbaren relationalen Datenbank.

Eigenschaft	Relationale Datenbank	Hadoop
Datentypen	ausschließlich strukturierte Daten	alle Datentypen (strukturiert, semi-strukturiert und unstrukturiert)
Datenmenge	wenig bis mittel (im Bereich von einigen GB)	große Datenmengen (im Bereich von Terrabyte oder Petabyte)
Abfragesprache	SQL	HQL (Hive Query Language)
Schema	Statisches Schema (Schema on Write)	Dynamisches Schema (Schema on Read)
Kosten	Lizenzkosten je nach Datenbank	Kostenlos
Datenobjekte	Relationale Tabellen	Key-Value Pair
Skalierungstyp	Vertikale Skalierung (Computer muss hardwaretechnisch besser werden)	Horizontale Skalierung (mehr Computer können dazugeschaltet werden, um Last abzufangen)

Vergleich Hadoop und Relationale Datenbank

Bestandteile von Hadoop

Das Softwareframework selbst ist eine Zusammenstellung aus insgesamt vier Komponenten.

Hadoop Common ist eine Sammlung aus verschiedenen Modulen und Bibliotheken, welche die anderen Bestandteile unterstützt und deren Zusammenarbeit ermöglicht. Unter anderem sind hier die Java Archive Dateien (JAR Files) abgelegt, die zum Starten von Hadoop benötigt werden. Darüber hinaus ermöglicht die Sammlung die Bereitstellung von grundlegenden Services, wie beispielsweise das File System.

Der Map-Reduce Algorithmus geht in seinen Ursprüngen auf Google zurück und hilft komplexe Rechenaufgaben in überschaubarere Teilprozesse aufzuteilen und diese dann über mehrere Systeme zu verteilen, also horizontal zu skalieren. Dadurch verringert sich die Rechenzeit deutlich. Am Ende müssen die Ergebnisse der Teilaufgaben wieder zu seinem Gesamtresultat zusammengefügt werden.

Der Yet Another Resource Negotiator (YARN) unterstützt den Map-Reduce Algorithmus, indem er die Ressourcen innerhalb eines Computer Clusters im Auge behält und die Teilaufgaben auf die einzelnen Rechner verteilt. Darüber hinaus ordnet er den einzelnen Prozessen die Kapazitäten dafür zu.

Das Hadoop Distributed File System (HDFS) ist ein skalierbares Dateisystem zur Speicherung von Zwischen- oder Endergebnissen. Innerhalb des Clusters ist es über mehrere Rechner verteilt, um große Datenmengen schnell und effizient verarbeiten zu können. Die Idee dahinter war, dass Big Data Projekte und Datenanalysen auf großen Datenmengen beruhen. Somit sollte es ein System geben, welches die Daten auch stapelweise speichert und dadurch schnell verarbeitet. Das HDFS sorgt auch dafür, dass Duplikate von Datensätzen abgelegt werden, um den Ausfall eines Rechners verkraften zu können.

Map Reduce am Beispiel

Angenommen wir haben alle Teile der Harry Potter Romane in Hadoop PDF abgelegt und möchten nun die einzelnen Wörter zählen, die in den Büchern vorkommen. Dies ist eine klassische Aufgabe bei der uns die Aufteilung in eine Map-Funktion und eine Reduce Funktion helfen kann.

Bevor es die Möglichkeit gab, solche aufwendigen Abfragen auf ein ganzes Computer-Cluster aufzuteilen und parallel berechnen zu können, war man gezwungen, den kompletten Datensatz nacheinander zu durchlaufen. Dadurch wurde die Abfragezeit auch umso länger, umso größer der Datensatz wurde. Der einzige Weg, um die Ausführung der Funktion zu beschleunigen ist es, einen Computer mit einem leistungsfähigeren Prozessor (CPU) auszustatten, also dessen Hardware zu verbessern. Wenn man versucht, die Ausführung eines Algorithmus zu beschleunigen, indem man die Hardware des Gerätes verbessert, nennt man das vertikale Skalieren.

Mithilfe von MapReduce ist es möglich eine solche Abfrage deutlich zu beschleunigen, indem man die Aufgabe in kleinere Teilaufgaben aufsplittet. Das hat dann wiederum den Vorteil, dass die Teilaufgaben auf viele verschiedene Computer aufgeteilt und von ihnen ausgeführt werden kann. Dadurch müssen wir nicht die Hardware eines einzigen Gerätes verbessern, sondern können viele, vergleichsweise leistungsschwächere, Computer nutzen und trotzdem die Abfragezeit verringern. Ein solches Vorgehen nennt man horizontales Skalieren.

Kommen wir zurück zu unserem Beispiel: Bisher waren wir bildlich so vorgegangen, dass wir alle Harry Potter Teile gelesen haben und nach jedem gelesenen Wort die Strichliste mit den einzelnen Wörtern einfach um einen Strich erweitert haben. Das Problem daran ist, dass wir diese Vorgehensweise nicht parallelisieren können. Angenommen eine zweite Person will uns unterstützen, dann kann sie das nicht tun, weil sie die Strichliste, mit der wir gerade arbeiten, benötigt, um weiterzumachen. Solange sie diese nicht hat, kann sie nicht unterstützen.

Sie kann uns aber unterstützen, indem sie bereits mit dem zweiten Teil der Harry Potter Reihe beginnt und eine eigene Strichliste nur für das zweite Buch erstellt. Zum Schluss können wir dann alle einzelnen Strichlisten zusammenführen und beispielsweise die Häufigkeit des Wortes “Harry” auf allen Strichlisten zusammenaddieren.

MapReduce am Beispiel von Wortzählungen in Harry Potter Büchern | Source: Data Basecamp

Dadurch lässt sich die Aufgabe auch relativ einfach horizontal skalieren, indem jeweils eine Person pro Harry Potter Buch arbeitet. Wenn wir noch schneller arbeiten wollen, können wir auch mehrere Personen mit einbeziehen und jede Person ein einziges Kapitel bearbeiten lassen. Am Schluss müssen wir dann nur alle Ergebnisse der einzelnen Personen zusammennehmen, um so zu einem Gesamtergebnis zu gelangen.

Das ausführliche Beispiel und die Umsetzung in Python findest Du hier.

Aufbau eines Hadoop Distributed File Systems

Der Kern des Hadoop Distributed File Systems besteht darin die Daten auf verschiedene Dateien und Computer zu verteilen, sodass Abfragen schnell bearbeitet werden können und der Nutzer keine langen Wartezeiten hat. Damit der Ausfall einer einzelnen Maschine im Cluster nicht zum Verlust der Daten führt, gibt es gezielte Replikationen auf verschiedenen Computern, um eine Ausfallsicherheit zu gewährleisten.

Hadoop arbeitet im Allgemeinen nach dem sogenannten Master-Slave-Prinzip. Innerhalb des Computerclusters haben wir einen Knoten, der die Rolle des sogenannten Masters übernimmt. Dieser führt in unserem Beispiel keine direkte Berechnung durch, sondern verteilt lediglich die Aufgaben auf die sogenannten Slave Knoten und koordiniert den ganzen Prozess. Die Slave Knoten wiederum lesen die Bücher aus und speichern die Worthäufigkeit und die Wortverteilung.

Dieses Prinzip wird auch bei der Datenspeicherung genutzt. Der Master verteilt Informationen aus dem Datensatz auf verschiedenen Slave Nodes und merkt sich, auf welchen Computern er welche Partitionen abgespeichert hat. Dabei legt er die Daten auch redundant ab, um Ausfälle kompensieren zu können. Bei einer Abfrage der Daten durch den Nutzer entscheidet der Masterknoten dann, welche Slaveknoten er anfragen muss, um die gewünschten Informationen zu erhalten.