Knowledge Discovery in Spectral Data by Means of Complex Networks

In the last decade, complex networks have widely been applied to the study of many natural and man-made systems, and to the extraction of meaningful information from the interaction structures created by genes and proteins. Nevertheless, less attention has been devoted to metabonomics, due to the lack of a natural network representation of spectral data. Here we define a technique for reconstructing networks from spectral data sets, where nodes represent spectral bins, and pairs of them are connected when their intensities follow a pattern associated with a disease. The structural analysis of the resulting network can then be used to feed standard data-mining algorithms, for instance for the classification of new (unlabeled) subjects. Furthermore, we show how the structure of the network is resilient to the presence of external additive noise, and how it can be used to extract relevant knowledge about the development of the disease.

Multi-dimensional classification using Bayesian networks for stationary and evolving streaming data

Hoy en día, con la evolución continua y rápida de las tecnologías de la información y los dispositivos de computación, se recogen y almacenan continuamente grandes volúmenes de datos en distintos dominios y a través de diversas aplicaciones del mundo real. La extracción de conocimiento útil de una cantidad tan enorme de datos no se puede realizar habitualmente de forma manual, y requiere el uso de técnicas adecuadas de aprendizaje automático y de minería de datos. La clasificación es una de las técnicas más importantes que ha sido aplicada con éxito a varias áreas. En general, la clasificación se compone de dos pasos principales: en primer lugar, aprender un modelo de clasificación o clasificador a partir de un conjunto de datos de entrenamiento, y en segundo lugar, clasificar las nuevas instancias de datos utilizando el clasificador aprendido. La clasificación es supervisada cuando todas las etiquetas están presentes en los datos de entrenamiento (es decir, datos completamente etiquetados), semi-supervisada cuando sólo algunas etiquetas son conocidas (es decir, datos parcialmente etiquetados), y no supervisada cuando todas las etiquetas están ausentes en los datos de entrenamiento (es decir, datos no etiquetados). Además, aparte de esta taxonomía, el problema de clasificación se puede categorizar en unidimensional o multidimensional en función del número de variables clase, una o más, respectivamente; o también puede ser categorizado en estacionario o cambiante con el tiempo en función de las características de los datos y de la tasa de cambio subyacente. A lo largo de esta tesis, tratamos el problema de clasificación desde tres perspectivas diferentes, a saber, clasificación supervisada multidimensional estacionaria, clasificación semisupervisada unidimensional cambiante con el tiempo, y clasificación supervisada multidimensional cambiante con el tiempo. Para llevar a cabo esta tarea, hemos usado básicamente los clasificadores Bayesianos como modelos. La primera contribución, dirigiéndose al problema de clasificación supervisada multidimensional estacionaria, se compone de dos nuevos métodos de aprendizaje de clasificadores Bayesianos multidimensionales a partir de datos estacionarios. Los métodos se proponen desde dos puntos de vista diferentes. El primer método, denominado CB-MBC, se basa en una estrategia de envoltura de selección de variables que es voraz y hacia delante, mientras que el segundo, denominado MB-MBC, es una estrategia de filtrado de variables con una aproximación basada en restricciones y en el manto de Markov. Ambos métodos han sido aplicados a dos problemas reales importantes, a saber, la predicción de los inhibidores de la transcriptasa inversa y de la proteasa para el problema de infección por el virus de la inmunodeficiencia humana tipo 1 (HIV-1), y la predicción del European Quality of Life-5 Dimensions (EQ-5D) a partir de los cuestionarios de la enfermedad de Parkinson con 39 ítems (PDQ-39). El estudio experimental incluye comparaciones de CB-MBC y MB-MBC con los métodos del estado del arte de la clasificación multidimensional, así como con métodos comúnmente utilizados para resolver el problema de predicción de la enfermedad de Parkinson, a saber, la regresión logística multinomial, mínimos cuadrados ordinarios, y mínimas desviaciones absolutas censuradas. En ambas aplicaciones, los resultados han sido prometedores con respecto a la precisión de la clasificación, así como en relación al análisis de las estructuras gráficas que identifican interacciones conocidas y novedosas entre las variables. La segunda contribución, referida al problema de clasificación semi-supervisada unidimensional cambiante con el tiempo, consiste en un método nuevo (CPL-DS) para clasificar flujos de datos parcialmente etiquetados. Los flujos de datos difieren de los conjuntos de datos estacionarios en su proceso de generación muy rápido y en su aspecto de cambio de concepto. Es decir, los conceptos aprendidos y/o la distribución subyacente están probablemente cambiando y evolucionando en el tiempo, lo que hace que el modelo de clasificación actual sea obsoleto y deba ser actualizado. CPL-DS utiliza la divergencia de Kullback-Leibler y el método de bootstrapping para cuantificar y detectar tres tipos posibles de cambio: en las predictoras, en la a posteriori de la clase o en ambas. Después, si se detecta cualquier cambio, un nuevo modelo de clasificación se aprende usando el algoritmo EM; si no, el modelo de clasificación actual se mantiene sin modificaciones. CPL-DS es general, ya que puede ser aplicado a varios modelos de clasificación. Usando dos modelos diferentes, el clasificador naive Bayes y la regresión logística, CPL-DS se ha probado con flujos de datos sintéticos y también se ha aplicado al problema real de la detección de código malware, en el cual los nuevos ficheros recibidos deben ser continuamente clasificados en malware o goodware. Los resultados experimentales muestran que nuestro método es efectivo para la detección de diferentes tipos de cambio a partir de los flujos de datos parcialmente etiquetados y también tiene una buena precisión de la clasificación. Finalmente, la tercera contribución, sobre el problema de clasificación supervisada multidimensional cambiante con el tiempo, consiste en dos métodos adaptativos, a saber, Locally Adpative-MB-MBC (LA-MB-MBC) y Globally Adpative-MB-MBC (GA-MB-MBC). Ambos métodos monitorizan el cambio de concepto a lo largo del tiempo utilizando la log-verosimilitud media como métrica y el test de Page-Hinkley. Luego, si se detecta un cambio de concepto, LA-MB-MBC adapta el actual clasificador Bayesiano multidimensional localmente alrededor de cada nodo cambiado, mientras que GA-MB-MBC aprende un nuevo clasificador Bayesiano multidimensional. El estudio experimental realizado usando flujos de datos sintéticos multidimensionales indica los méritos de los métodos adaptativos propuestos. ABSTRACT Nowadays, with the ongoing and rapid evolution of information technology and computing devices, large volumes of data are continuously collected and stored in different domains and through various real-world applications. Extracting useful knowledge from such a huge amount of data usually cannot be performed manually, and requires the use of adequate machine learning and data mining techniques. Classification is one of the most important techniques that has been successfully applied to several areas. Roughly speaking, classification consists of two main steps: first, learn a classification model or classifier from an available training data, and secondly, classify the new incoming unseen data instances using the learned classifier. Classification is supervised when the whole class values are present in the training data (i.e., fully labeled data), semi-supervised when only some class values are known (i.e., partially labeled data), and unsupervised when the whole class values are missing in the training data (i.e., unlabeled data). In addition, besides this taxonomy, the classification problem can be categorized into uni-dimensional or multi-dimensional depending on the number of class variables, one or more, respectively; or can be also categorized into stationary or streaming depending on the characteristics of the data and the rate of change underlying it. Through this thesis, we deal with the classification problem under three different settings, namely, supervised multi-dimensional stationary classification, semi-supervised unidimensional streaming classification, and supervised multi-dimensional streaming classification. To accomplish this task, we basically used Bayesian network classifiers as models. The first contribution, addressing the supervised multi-dimensional stationary classification problem, consists of two new methods for learning multi-dimensional Bayesian network classifiers from stationary data. They are proposed from two different points of view. The first method, named CB-MBC, is based on a wrapper greedy forward selection approach, while the second one, named MB-MBC, is a filter constraint-based approach based on Markov blankets. Both methods are applied to two important real-world problems, namely, the prediction of the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) reverse transcriptase and protease inhibitors, and the prediction of the European Quality of Life-5 Dimensions (EQ-5D) from 39-item Parkinson’s Disease Questionnaire (PDQ-39). The experimental study includes comparisons of CB-MBC and MB-MBC against state-of-the-art multi-dimensional classification methods, as well as against commonly used methods for solving the Parkinson’s disease prediction problem, namely, multinomial logistic regression, ordinary least squares, and censored least absolute deviations. For both considered case studies, results are promising in terms of classification accuracy as well as regarding the analysis of the learned MBC graphical structures identifying known and novel interactions among variables. The second contribution, addressing the semi-supervised uni-dimensional streaming classification problem, consists of a novel method (CPL-DS) for classifying partially labeled data streams. Data streams differ from the stationary data sets by their highly rapid generation process and their concept-drifting aspect. That is, the learned concepts and/or the underlying distribution are likely changing and evolving over time, which makes the current classification model out-of-date requiring to be updated. CPL-DS uses the Kullback-Leibler divergence and bootstrapping method to quantify and detect three possible kinds of drift: feature, conditional or dual. Then, if any occurs, a new classification model is learned using the expectation-maximization algorithm; otherwise, the current classification model is kept unchanged. CPL-DS is general as it can be applied to several classification models. Using two different models, namely, naive Bayes classifier and logistic regression, CPL-DS is tested with synthetic data streams and applied to the real-world problem of malware detection, where the new received files should be continuously classified into malware or goodware. Experimental results show that our approach is effective for detecting different kinds of drift from partially labeled data streams, as well as having a good classification performance. Finally, the third contribution, addressing the supervised multi-dimensional streaming classification problem, consists of two adaptive methods, namely, Locally Adaptive-MB-MBC (LA-MB-MBC) and Globally Adaptive-MB-MBC (GA-MB-MBC). Both methods monitor the concept drift over time using the average log-likelihood score and the Page-Hinkley test. Then, if a drift is detected, LA-MB-MBC adapts the current multi-dimensional Bayesian network classifier locally around each changed node, whereas GA-MB-MBC learns a new multi-dimensional Bayesian network classifier from scratch. Experimental study carried out using synthetic multi-dimensional data streams shows the merits of both proposed adaptive methods.

MedVir: an interactive representation system of multidimensional medical data applied to Traumatic Brain Injury's rehabilitation prediction

Clinicians could model the brain injury of a patient through his brain activity. However, how this model is defined and how it changes when the patient is recovering are questions yet unanswered. In this paper, the use of MedVir framework is proposed with the aim of answering these questions. Based on complex data mining techniques, this provides not only the differentiation between TBI patients and control subjects (with a 72% of accuracy using 0.632 Bootstrap validation), but also the ability to detect whether a patient may recover or not, and all of that in a quick and easy way through a visualization technique which allows interaction.

Mining mobile apps reviews to support release planning

The mobile apps market is a tremendous success, with millions of apps downloaded and used every day by users spread all around the world. For apps’ developers, having their apps published on one of the major app stores (e.g. Google Play market) is just the beginning of the apps lifecycle. Indeed, in order to successfully compete with the other apps in the market, an app has to be updated frequently by adding new attractive features and by fixing existing bugs. Clearly, any developer interested in increasing the success of her app should try to implement features desired by the app’s users and to fix bugs affecting the user experience of many of them. A precious source of information to decide how to collect users’ opinions and wishes is represented by the reviews left by users on the store from which they downloaded the app. However, to exploit such information the app’s developer should manually read each user review and verify if it contains useful information (e.g. suggestions for new features). This is something not doable if the app receives hundreds of reviews per day, as happens for the very popular apps on the market. In this work, our aim is to provide support to mobile apps developers by proposing a novel approach exploiting data mining, natural language processing, machine learning, and clustering techniques in order to classify the user reviews on the basis of the information they contain (e.g. useless, suggestion for new features, bugs reporting). Such an approach has been empirically evaluated and made available in a web-­‐based tool publicly available to all apps’ developers. The achieved results showed that the developed tool: (i) is able to correctly categorise user reviews on the basis of their content (e.g. isolating those reporting bugs) with 78% of accuracy, (ii) produces clusters of reviews (e.g. groups together reviews indicating exactly the same bug to be fixed) that are meaningful from a developer’s point-­‐of-­‐view, and (iii) is considered useful by a software company working in the mobile apps’ development market.

Mejora de herramientas de Inteligencia de Negocio en su aplicación a la Gestión Educativa

Tras los distintos análisis diseñados por Jorge Beltrán Luna en el proyecto "Aplicación de Inteligencia de Negocio a la Gestión Educativa" [Beltrán2014] sobre el comportamiento de los alumnos de la Universidad Politécnica de Madrid en las asignaturas cursadas por estos durante el curso 2013-2014, se llegó a la conclusión que se debía desarrollar una aplicación web mediante la cual pudiesen configurarse estos análisis con distintos parámetros para adecuarlos a los requerimientos del usuario. Este proyecto ha cumplido con el objetivo anteriormente mencionado. Se ha desarrollado una aplicación web capaz de mostrar por medio de un navegador web, las gráficas y tablas generadas por el programa de minería de datos. Mediante esta aplicación el usuario puede realizar diversas funciones. Una de ellas es la de solicitar mediante el formulario recibido en la interfaz principal de la aplicación, la visualización de los resultados generados por el sistema de acuerdo con los parámetros seleccionados por el diseñador de los análisis. El usuario conseguirá observar los resultados que obtendría si ejecutase directamente los análisis desarrollados en el proyecto de Jorge Beltrán Luna [Beltrán2014] en la herramienta Rapidminer. Otra de las funciones que podría realizar el usuario sería la de realizar estos mismos análisis pero modificando sus parámetros de configuración para adecuar dichos análisis a los resultados que se quiere obtener. El resultado será el que se habría conseguido en la aplicación Rapidminer si se cambiasen los mismos parámetros que los modificados en la página web de este prototipo. Por último, se ha diseñado un botón con el cual el usuario podrá recuperar el último análisis realizado, con el fin de que no sea necesario esperar el tiempo que tarde en realizarse el análisis para visualizar los resultados. También se ha realizado una explicación detallada de la aplicación de la inteligencia de negocio en el ámbito educacional. ABSTRACT. After different analysis designed by Jorge Beltran Luna in the "Aplicación de Inteligencia de Negocio a la Gestión Educativa" [Beltrán2014] project on the behaviour of the students at the Universidad Politécnica de Madrid during the course 2013-14, the tutor of this project concluded that it should be interesting to develop a web application through which teachers could view and configure these analysis with different parameters. This project has fulfilled the aforementioned objective. A web application has been develop to show through a web browser, the graphs and charts generated by the data mining tool. Using this application, the user can perform various features. One of this features is to request, employing the formulary received in the main interface, to display an analysis according to the chosen parameters. The user will see the results that would be observed in case that the analysis had been directly executed using the project designed by Jorge Beltrán Luna [Beltrán2014] in the RapidMiner tool. Another feature that the user could perform would be to make these analysis modifying its settings Similar result would be obtained in the RapidMiner tool in the case that identical modifications were carried out in the configuration parameters. Finally, a button to allow with recall the last analysis has been implemented. It is not necessary to wait for the execution of this analysis to see newly the results. A detailed explanation on the usage of business intelligence in the educational field has also been performed.

Desarrollo de herramienta de generación de Linked Data Educativo

El proyecto nace de un proyecto anterior donde se construyó un modelo para representar la información de los estudios superiores mediante una red de ontologías, proporcionando una definición común de conceptos importantes. Este proyecto consiste en desarrollar una herramienta capaz de generar datos educativos, a partir de la red de ontologías mencionadas anteriormente, siguiendo el paradigma de Linked Data [1]. La herramienta deberá extraer datos de diferentes fuentes educativas y transformará dichos datos educativos a datos enlazados (Linked Data). Para llevar a cabo esta labor se ha utilizado GATE Developer [2], es un entorno de desarrollo que proporciona un completo conjunto de herramientas gráficas interactivas para la creación, medición y mantenimiento de componentes de software para el procesamiento del lenguaje humano.---ABSTRACT---The project arises from a previous project in which a model was constructed to represent information of higher education through a network of ontologies, providing a common definition of important concepts. This project is to develop a tool capable of generating educational data from the ontology network mentioned above, following the paradigm of Linked Data [1]. The tool will extract data from different educational sources and transform said data to linked data (linked data). To carry out this work has been used GATE Developer [2]. It is a development environment that provides a comprehensive set of interactive graphical tools for creating, measuring and maintenance of software components for human language processing.