Machine learning Gaussian short rate

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Estatística e Gestão do Risco

Autonomous underwater vehicle control using reinforcement learning policy search methods

Autonomous underwater vehicles (AUV) represent a challenging control problem with complex, noisy, dynamics. Nowadays, not only the continuous scientific advances in underwater robotics but the increasing number of subsea missions and its complexity ask for an automatization of submarine processes. This paper proposes a high-level control system for solving the action selection problem of an autonomous robot. The system is characterized by the use of reinforcement learning direct policy search methods (RLDPS) for learning the internal state/action mapping of some behaviors. We demonstrate its feasibility with simulated experiments using the model of our underwater robot URIS in a target following task

Non-verbal behavioural patterns in trilogue play transitions and family alliances

This case study focuses on non-verbal behaviour in father-mother-infant triads. Analyses were done on transitional moments during which the partners exchanged an active role for a participant-observer role, or vice versa. Transitions are known to be crucial moments for revealing familial transactional mechanisms. Our sample was comprised of six non-clinical families, characterized by different types of functional or problematic alliances (which is the degree of coordination between the partners). Our methodology included micro-analysis of body and gaze formations, facial expressions, and so on. Data were analysed using the research package 'THEME' for the detection of hidden patterns. Different types of non-verbal patterns were found, which may be prototypes corresponding to the different types of alliance. The patterns of the families with high alliances had a more elaborate construction and were more efficient for the concluding of transitions than the patterns of families with low alliances, which were either elementary or laborious. (PsycINFO Database Record (c) 2006 APA, all rights reserved) (journal abstract)

Biomedical Event Extraction with Machine Learning

Biomedical natural language processing (BioNLP) is a subfield of natural language processing, an area of computational linguistics concerned with developing programs that work with natural language: written texts and speech. Biomedical relation extraction concerns the detection of semantic relations such as protein-protein interactions (PPI) from scientific texts. The aim is to enhance information retrieval by detecting relations between concepts, not just individual concepts as with a keyword search. In recent years, events have been proposed as a more detailed alternative for simple pairwise PPI relations. Events provide a systematic, structural representation for annotating the content of natural language texts. Events are characterized by annotated trigger words, directed and typed arguments and the ability to nest other events. For example, the sentence “Protein A causes protein B to bind protein C” can be annotated with the nested event structure CAUSE(A, BIND(B, C)). Converted to such formal representations, the information of natural language texts can be used by computational applications. Biomedical event annotations were introduced by the BioInfer and GENIA corpora, and event extraction was popularized by the BioNLP'09 Shared Task on Event Extraction. In this thesis we present a method for automated event extraction, implemented as the Turku Event Extraction System (TEES). A unified graph format is defined for representing event annotations and the problem of extracting complex event structures is decomposed into a number of independent classification tasks. These classification tasks are solved using SVM and RLS classifiers, utilizing rich feature representations built from full dependency parsing. Building on earlier work on pairwise relation extraction and using a generalized graph representation, the resulting TEES system is capable of detecting binary relations as well as complex event structures. We show that this event extraction system has good performance, reaching the first place in the BioNLP'09 Shared Task on Event Extraction. Subsequently, TEES has achieved several first ranks in the BioNLP'11 and BioNLP'13 Shared Tasks, as well as shown competitive performance in the binary relation Drug-Drug Interaction Extraction 2011 and 2013 shared tasks. The Turku Event Extraction System is published as a freely available open-source project, documenting the research in detail as well as making the method available for practical applications. In particular, in this thesis we describe the application of the event extraction method to PubMed-scale text mining, showing how the developed approach not only shows good performance, but is generalizable and applicable to large-scale real-world text mining projects. Finally, we discuss related literature, summarize the contributions of the work and present some thoughts on future directions for biomedical event extraction. This thesis includes and builds on six original research publications. The first of these introduces the analysis of dependency parses that leads to development of TEES. The entries in the three BioNLP Shared Tasks, as well as in the DDIExtraction 2011 task are covered in four publications, and the sixth one demonstrates the application of the system to PubMed-scale text mining.

Sentence Compression with Supervised Machine Learning

The subject of the thesis is automatic sentence compression with machine learning, so that the compressed sentences remain both grammatical and retain their essential meaning. There are multiple possible uses for the compression of natural language sentences. In this thesis the focus is generation of television program subtitles, which often are compressed version of the original script of the program. The main part of the thesis consists of machine learning experiments for automatic sentence compression using different approaches to the problem. The machine learning methods used for this work are linear-chain conditional random fields and support vector machines. Also we take a look which automatic text analysis methods provide useful features for the task. The data used for machine learning is supplied by Lingsoft Inc. and consists of subtitles in both compressed an uncompressed form. The models are compared to a baseline system and comparisons are made both automatically and also using human evaluation, because of the potentially subjective nature of the output. The best result is achieved using a CRF - sequence classification using a rich feature set. All text analysis methods help classification and most useful method is morphological analysis. Tutkielman aihe on suomenkielisten lauseiden automaattinen tiivistäminen koneellisesti, niin että lyhennetyt lauseet säilyttävät olennaisen informaationsa ja pysyvät kieliopillisina. Luonnollisen kielen lauseiden tiivistämiselle on monta käyttötarkoitusta, mutta tässä tutkielmassa aihetta lähestytään television ohjelmien tekstittämisen kautta, johon käytännössä kuuluu alkuperäisen tekstin lyhentäminen televisioruudulle paremmin sopivaksi. Tutkielmassa kokeillaan erilaisia koneoppimismenetelmiä tekstin automaatiseen lyhentämiseen ja tarkastellaan miten hyvin erilaiset luonnollisen kielen analyysimenetelmät tuottavat informaatiota, joka auttaa näitä menetelmiä lyhentämään lauseita. Lisäksi tarkastellaan minkälainen lähestymistapa tuottaa parhaan lopputuloksen. Käytetyt koneoppimismenetelmät ovat tukivektorikone ja lineaarisen sekvenssin mallinen CRF. Koneoppimisen tukena käytetään tekstityksiä niiden eri käsittelyvaiheissa, jotka on saatu Lingsoft OY:ltä. Luotuja malleja vertaillaan Lopulta mallien lopputuloksia evaluoidaan automaattisesti ja koska teksti lopputuksena on jossain määrin subjektiivinen myös ihmisarviointiin perustuen. Vertailukohtana toimii kirjallisuudesta poimittu menetelmä. Tutkielman tuloksena paras lopputulos saadaan aikaan käyttäen CRF sekvenssi-luokittelijaa laajalla piirrejoukolla. Kaikki kokeillut teksin analyysimenetelmät auttavat luokittelussa, joista tärkeimmän panoksen antaa morfologinen analyysi.

Evaluation of Machine Learning Classifiers for Mobile Network Intrusion Detection Systems

Mobile malwares are increasing with the growing number of Mobile users. Mobile malwares can perform several operations which lead to cybersecurity threats such as, stealing financial or personal information, installing malicious applications, sending premium SMS, creating backdoors, keylogging and crypto-ransomware attacks. Knowing the fact that there are many illegitimate Applications available on the App stores, most of the mobile users remain careless about the security of their Mobile devices and become the potential victim of these threats. Previous studies have shown that not every antivirus is capable of detecting all the threats; due to the fact that Mobile malwares use advance techniques to avoid detection. A Network-based IDS at the operator side will bring an extra layer of security to the subscribers and can detect many advanced threats by analyzing their traffic patterns. Machine Learning(ML) will provide the ability to these systems to detect unknown threats for which signatures are not yet known. This research is focused on the evaluation of Machine Learning classifiers in Network-based Intrusion detection systems for Mobile Networks. In this study, different techniques of Network-based intrusion detection with their advantages, disadvantages and state of the art in Hybrid solutions are discussed. Finally, a ML based NIDS is proposed which will work as a subsystem, to Network-based IDS deployed by Mobile Operators, that can help in detecting unknown threats and reducing false positives. In this research, several ML classifiers were implemented and evaluated. This study is focused on Android-based malwares, as Android is the most popular OS among users, hence most targeted by cyber criminals. Supervised ML algorithms based classifiers were built using the dataset which contained the labeled instances of relevant features. These features were extracted from the traffic generated by samples of several malware families and benign applications. These classifiers were able to detect malicious traffic patterns with the TPR upto 99.6% during Cross-validation test. Also, several experiments were conducted to detect unknown malware traffic and to detect false positives. These classifiers were able to detect unknown threats with the Accuracy of 97.5%. These classifiers could be integrated with current NIDS', which use signatures, statistical or knowledge-based techniques to detect malicious traffic. Technique to integrate the output from ML classifier with traditional NIDS is discussed and proposed for future work.

Le chunking perceptif de la parole : sur la nature du groupement temporel et son effet sur la mémoire immédiate

Dans de nombreux comportements qui reposent sur le rappel et la production de séquences, des groupements temporels émergent spontanément, créés par des délais ou des allongements. Ce « chunking » a été observé tant chez les humains que chez certains animaux et plusieurs auteurs l’attribuent à un processus général de chunking perceptif qui est conforme à la capacité de la mémoire à court terme. Cependant, aucune étude n’a établi comment ce chunking perceptif s’applique à la parole. Nous présentons une recension de la littérature qui fait ressortir certains problèmes critiques qui ont nui à la recherche sur cette question. C’est en revoyant ces problèmes qu’on propose une démonstration spécifique du chunking perceptif de la parole et de l’effet de ce processus sur la mémoire immédiate (ou mémoire de travail). Ces deux thèmes de notre thèse sont présentés séparément dans deux articles. Article 1 : The perceptual chunking of speech: a demonstration using ERPs Afin d’observer le chunking de la parole en temps réel, nous avons utilisé un paradigme de potentiels évoqués (PÉ) propice à susciter la Closure Positive Shift (CPS), une composante associée, entre autres, au traitement de marques de groupes prosodiques. Nos stimuli consistaient en des énoncés et des séries de syllabes sans sens comprenant des groupes intonatifs et des marques de groupements temporels qui pouvaient concorder, ou non, avec les marques de groupes intonatifs. Les analyses démontrent que la CPS est suscitée spécifiquement par les allongements marquant la fin des groupes temporels, indépendamment des autres variables. Notons que ces marques d’allongement, qui apparaissent universellement dans la langue parlée, créent le même type de chunking que celui qui émerge lors de l’apprentissage de séquences par des humains et des animaux. Nos résultats appuient donc l’idée que l’auditeur chunk la parole en groupes temporels et que ce chunking perceptif opère de façon similaire avec des comportements verbaux et non verbaux. Par ailleurs, les observations de l’Article 1 remettent en question des études où on associe la CPS au traitement de syntagmes intonatifs sans considérer les effets de marques temporels. Article 2 : Perceptual chunking and its effect on memory in speech processing:ERP and behavioral evidence Nous avons aussi observé comment le chunking perceptif d’énoncés en groupes temporels de différentes tailles influence la mémoire immédiate d’éléments entendus. Afin d’observer ces effets, nous avons utilisé des mesures comportementales et des PÉ, dont la composante N400 qui permettait d’évaluer la qualité de la trace mnésique d’éléments cibles étendus dans des groupes temporels. La modulation de l’amplitude relative de la N400 montre que les cibles présentées dans des groupes de 3 syllabes ont bénéficié d’une meilleure mise en mémoire immédiate que celles présentées dans des groupes plus longs. D’autres mesures comportementales et une analyse de la composante P300 ont aussi permis d’isoler l’effet de la position du groupe temporel (dans l’énoncé) sur les processus de mise en mémoire. Les études ci-dessus sont les premières à démontrer le chunking perceptif de la parole en temps réel et ses effets sur la mémoire immédiate d’éléments entendus. Dans l’ensemble, nos résultats suggèrent qu’un processus général de chunking perceptif favorise la mise en mémoire d’information séquentielle et une interprétation de la parole « chunk par chunk ».

Un outil d’évaluation neurocognitive des interactions humain-machine

De plus en plus de recherches sur les Interactions Humain-Machine (IHM) tentent d’effectuer des analyses fines de l’interaction afin de faire ressortir ce qui influence les comportements des utilisateurs. Tant au niveau de l’évaluation de la performance que de l’expérience des utilisateurs, on note qu’une attention particulière est maintenant portée aux réactions émotionnelles et cognitives lors de l’interaction. Les approches qualitatives standards sont limitées, car elles se fondent sur l’observation et des entrevues après l’interaction, limitant ainsi la précision du diagnostic. L’expérience utilisateur et les réactions émotionnelles étant de nature hautement dynamique et contextualisée, les approches d’évaluation doivent l’être de même afin de permettre un diagnostic précis de l’interaction. Cette thèse présente une approche d’évaluation quantitative et dynamique qui permet de contextualiser les réactions des utilisateurs afin d’en identifier les antécédents dans l’interaction avec un système. Pour ce faire, ce travail s’articule autour de trois axes. 1) La reconnaissance automatique des buts et de la structure de tâches de l’utilisateur, à l’aide de mesures oculométriques et d’activité dans l’environnement par apprentissage machine. 2) L’inférence de construits psychologiques (activation, valence émotionnelle et charge cognitive) via l’analyse des signaux physiologiques. 3) Le diagnostic de l‘interaction reposant sur le couplage dynamique des deux précédentes opérations. Les idées et le développement de notre approche sont illustrés par leur application dans deux contextes expérimentaux : le commerce électronique et l’apprentissage par simulation. Nous présentons aussi l’outil informatique complet qui a été implémenté afin de permettre à des professionnels en évaluation (ex. : ergonomes, concepteurs de jeux, formateurs) d’utiliser l’approche proposée pour l’évaluation d’IHM. Celui-ci est conçu de manière à faciliter la triangulation des appareils de mesure impliqués dans ce travail et à s’intégrer aux méthodes classiques d’évaluation de l’interaction (ex. : questionnaires et codage des observations).

Deep learning of representations and its application to computer vision

L’objectif de cette thèse par articles est de présenter modestement quelques étapes du parcours qui mènera (on espère) à une solution générale du problème de l’intelligence artificielle. Cette thèse contient quatre articles qui présentent chacun une différente nouvelle méthode d’inférence perceptive en utilisant l’apprentissage machine et, plus particulièrement, les réseaux neuronaux profonds. Chacun de ces documents met en évidence l’utilité de sa méthode proposée dans le cadre d’une tâche de vision par ordinateur. Ces méthodes sont applicables dans un contexte plus général, et dans certains cas elles on tété appliquées ailleurs, mais ceci ne sera pas abordé dans le contexte de cette de thèse. Dans le premier article, nous présentons deux nouveaux algorithmes d’inférence variationelle pour le modèle génératif d’images appelé codage parcimonieux “spike- and-slab” (CPSS). Ces méthodes d’inférence plus rapides nous permettent d’utiliser des modèles CPSS de tailles beaucoup plus grandes qu’auparavant. Nous démontrons qu’elles sont meilleures pour extraire des détecteur de caractéristiques quand très peu d’exemples étiquetés sont disponibles pour l’entraînement. Partant d’un modèle CPSS, nous construisons ensuite une architecture profonde, la machine de Boltzmann profonde partiellement dirigée (MBP-PD). Ce modèle a été conçu de manière à simplifier d’entraînement des machines de Boltzmann profondes qui nécessitent normalement une phase de pré-entraînement glouton pour chaque couche. Ce problème est réglé dans une certaine mesure, mais le coût d’inférence dans le nouveau modèle est relativement trop élevé pour permettre de l’utiliser de manière pratique. Dans le deuxième article, nous revenons au problème d’entraînement joint de machines de Boltzmann profondes. Cette fois, au lieu de changer de famille de modèles, nous introduisons un nouveau critère d’entraînement qui donne naissance aux machines de Boltzmann profondes à multiples prédictions (MBP-MP). Les MBP-MP sont entraînables en une seule étape et ont un meilleur taux de succès en classification que les MBP classiques. Elles s’entraînent aussi avec des méthodes variationelles standard au lieu de nécessiter un classificateur discriminant pour obtenir un bon taux de succès en classification. Par contre, un des inconvénients de tels modèles est leur incapacité de générer deséchantillons, mais ceci n’est pas trop grave puisque la performance de classification des machines de Boltzmann profondes n’est plus une priorité étant donné les dernières avancées en apprentissage supervisé. Malgré cela, les MBP-MP demeurent intéressantes parce qu’elles sont capable d’accomplir certaines tâches que des modèles purement supervisés ne peuvent pas faire, telles que celle de classifier des données incomplètes ou encore celle de combler intelligemment l’information manquante dans ces données incomplètes. Le travail présenté dans cette thèse s’est déroulé au milieu d’une période de transformations importantes du domaine de l’apprentissage à réseaux neuronaux profonds qui a été déclenchée par la découverte de l’algorithme de “dropout” par Geoffrey Hinton. Dropout rend possible un entraînement purement supervisé d’architectures de propagation unidirectionnel sans être exposé au danger de sur- entraînement. Le troisième article présenté dans cette thèse introduit une nouvelle fonction d’activation spécialement con ̧cue pour aller avec l’algorithme de Dropout. Cette fonction d’activation, appelée maxout, permet l’utilisation de aggrégation multi-canal dans un contexte d’apprentissage purement supervisé. Nous démontrons comment plusieurs tâches de reconnaissance d’objets sont mieux accomplies par l’utilisation de maxout. Pour terminer, sont présentons un vrai cas d’utilisation dans l’industrie pour la transcription d’adresses de maisons à plusieurs chiffres. En combinant maxout avec une nouvelle sorte de couche de sortie pour des réseaux neuronaux de convolution, nous démontrons qu’il est possible d’atteindre un taux de succès comparable à celui des humains sur un ensemble de données coriace constitué de photos prises par les voitures de Google. Ce système a été déployé avec succès chez Google pour lire environ cent million d’adresses de maisons.

Autonomous underwater vehicle control using reinforcement learning policy search methods

Autonomous underwater vehicles (AUV) represent a challenging control problem with complex, noisy, dynamics. Nowadays, not only the continuous scientific advances in underwater robotics but the increasing number of subsea missions and its complexity ask for an automatization of submarine processes. This paper proposes a high-level control system for solving the action selection problem of an autonomous robot. The system is characterized by the use of reinforcement learning direct policy search methods (RLDPS) for learning the internal state/action mapping of some behaviors. We demonstrate its feasibility with simulated experiments using the model of our underwater robot URIS in a target following task

Evolutionary model trees for handling continuous classes in machine learning

Model trees are a particular case of decision trees employed to solve regression problems. They have the advantage of presenting an interpretable output, helping the end-user to get more confidence in the prediction and providing the basis for the end-user to have new insight about the data, confirming or rejecting hypotheses previously formed. Moreover, model trees present an acceptable level of predictive performance in comparison to most techniques used for solving regression problems. Since generating the optimal model tree is an NP-Complete problem, traditional model tree induction algorithms make use of a greedy top-down divide-and-conquer strategy, which may not converge to the global optimal solution. In this paper, we propose a novel algorithm based on the use of the evolutionary algorithms paradigm as an alternate heuristic to generate model trees in order to improve the convergence to globally near-optimal solutions. We call our new approach evolutionary model tree induction (E-Motion). We test its predictive performance using public UCI data sets, and we compare the results to traditional greedy regression/model trees induction algorithms, as well as to other evolutionary approaches. Results show that our method presents a good trade-off between predictive performance and model comprehensibility, which may be crucial in many machine learning applications. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

Machine learning and small robot navigation

Developing successful navigation and mapping strategies is an essential part of autonomous robot research. However, hardware limitations often make for inaccurate systems. This project serves to investigate efficient alternatives to mapping an environment, by first creating a mobile robot, and then applying machine learning to the robot and controlling systems to increase the robustness of the robot system. My mapping system consists of a semi-autonomous robot drone in communication with a stationary Linux computer system. There are learning systems running on both the robot and the more powerful Linux system. The first stage of this project was devoted to designing and building an inexpensive robot. Utilizing my prior experience from independent studies in robotics, I designed a small mobile robot that was well suited for simple navigation and mapping research. When the major components of the robot base were designed, I began to implement my design. This involved physically constructing the base of the robot, as well as researching and acquiring components such as sensors. Implementing the more complex sensors became a time-consuming task, involving much research and assistance from a variety of sources. A concurrent stage of the project involved researching and experimenting with different types of machine learning systems. I finally settled on using neural networks as the machine learning system to incorporate into my project. Neural nets can be thought of as a structure of interconnected nodes, through which information filters. The type of neural net that I chose to use is a type that requires a known set of data that serves to train the net to produce the desired output. Neural nets are particularly well suited for use with robotic systems as they can handle cases that lie at the extreme edges of the training set, such as may be produced by "noisy" sensor data. Through experimenting with available neural net code, I became familiar with the code and its function, and modified it to be more generic and reusable for multiple applications of neural nets.

Remote phenology: Applying machine learning to detect phenological patterns in a cerrado savanna

Plant phenology has gained importance in the context of global change research, stimulating the development of new technologies for phenological observation. Digital cameras have been successfully used as multi-channel imaging sensors, providing measures of leaf color change information (RGB channels), or leafing phenological changes in plants. We monitored leaf-changing patterns of a cerrado-savanna vegetation by taken daily digital images. We extract RGB channels from digital images and correlated with phenological changes. Our first goals were: (1) to test if the color change information is able to characterize the phenological pattern of a group of species; and (2) to test if individuals from the same functional group may be automatically identified using digital images. In this paper, we present a machine learning approach to detect phenological patterns in the digital images. Our preliminary results indicate that: (1) extreme hours (morning and afternoon) are the best for identifying plant species; and (2) different plant species present a different behavior with respect to the color change information. Based on those results, we suggest that individuals from the same functional group might be identified using digital images, and introduce a new tool to help phenology experts in the species identification and location on-the-ground. ©2012 IEEE.

Applying machine learning based on multiscale classifiers to detect remote phenology patterns in Cerrado savanna trees

Plant phenology is one of the most reliable indicators of species responses to global climate change, motivating the development of new technologies for phenological monitoring. Digital cameras or near remote systems have been efficiently applied as multi-channel imaging sensors, where leaf color information is extracted from the RGB (Red, Green, and Blue) color channels, and the changes in green levels are used to infer leafing patterns of plant species. In this scenario, texture information is a great ally for image analysis that has been little used in phenology studies. We monitored leaf-changing patterns of Cerrado savanna vegetation by taking daily digital images. We extract RGB channels from the digital images and correlate them with phenological changes. Additionally, we benefit from the inclusion of textural metrics for quantifying spatial heterogeneity. Our first goals are: (1) to test if color change information is able to characterize the phenological pattern of a group of species; (2) to test if the temporal variation in image texture is useful to distinguish plant species; and (3) to test if individuals from the same species may be automatically identified using digital images. In this paper, we present a machine learning approach based on multiscale classifiers to detect phenological patterns in the digital images. Our results indicate that: (1) extreme hours (morning and afternoon) are the best for identifying plant species; (2) different plant species present a different behavior with respect to the color change information; and (3) texture variation along temporal images is promising information for capturing phenological patterns. Based on those results, we suggest that individuals from the same species and functional group might be identified using digital images, and introduce a new tool to help phenology experts in the identification of new individuals from the same species in the image and their location on the ground. © 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Preliminary diagnosis of ophtalmological diseases through machine learning techniques

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)