Marc integrador de les capacitats de Soft-Computing i de Knowledge Discovery dels Mapes Autoorganitzatius en el Raonament Basat en Casos

Abstract

El Raonament Basat en Casos (CBR) és un paradigma d'aprenentatge basat en establir analogies amb problemes prèviament resolts per resoldre'n de nous. Per tant, l'organització, l'accés i la utilització del coneixement previ són aspectes claus per tenir èxit en aquest procés. No obstant, la majoria dels problemes reals presenten grans volums de dades complexes, incertes i amb coneixement aproximat i, conseqüentment, el rendiment del CBR pot veure's minvat degut a la complexitat de gestionar aquest tipus de coneixement. Això ha fet que en els últims anys hagi sorgit una nova línia de recerca anomenada Soft-Computing and Intelligent Information Retrieval enfocada en mitigar aquests efectes. D'aquí neix el context d'aquesta tesi.<br/>Dins de l'ampli ventall de tècniques Soft-Computing per tractar coneixement complex, els Mapes Autoorganitzatius (SOM) destaquen sobre la resta per la seva capacitat en agrupar les dades en patrons, els quals permeten detectar relacions ocultes entre les dades. Aquesta capacitat ha estat explotada en treballs previs d'altres investigadors, on s'ha organitzat la memòria de casos del CBR amb SOM per tal de millorar la recuperació dels casos.<br/>La finalitat de la present tesi és donar un pas més enllà en la simple combinació del CBR i de SOM, de tal manera que aquí s'introdueixen les capacitats de Soft-Computing i de Knowledge Discovery de SOM en totes les fases del CBR per nodrir-les del nou coneixement descobert. A més a més, les mètriques de complexitat apareixen en aquest context com un instrument precís per modelar el funcionament de SOM segons la tipologia de les dades. L'assoliment d'aquesta integració es pot dividir principalment en quatre fites: (1) la definició d'una metodologia per determinar la millor manera de recuperar els casos tenint en compte la complexitat de les dades i els requeriments de l'usuari; (2) la millora de la fiabilitat de la proposta de solucions gràcies a les relacions entre els clústers i els casos; (3) la potenciació de les capacitats explicatives mitjançant la generació d'explicacions simbòliques; (4) el manteniment incremental i semi-supervisat de la memòria de casos organitzada per SOM.<br/>Tots aquests punts s'integren sota la plataforma SOMCBR, la qual és extensament avaluada sobre datasets provinents de l'UCI Repository i de dominis mèdics i telemàtics.<br/>Addicionalment, la tesi aborda de manera secundària dues línies de recerca fruït dels requeriments dels projectes on ha estat ubicada. D'una banda, s'aborda la definició de funcions de similitud específiques per definir com comparar un cas resolt amb un de nou mitjançant una variant de la Computació Evolutiva anomenada Evolució de Gramàtiques (GE). D'altra banda, s'estudia com definir esquemes de cooperació entre sistemes heterogenis per millorar la fiabilitat de la seva resposta conjunta mitjançant GE. Ambdues línies són integrades en dues plataformes, BRAIN i MGE respectivament, i són també avaluades amb els datasets anteriors.

El Razonamiento Basado en Casos (CBR) es un paradigma de aprendizaje basado en establecer analogías con problemas previamente resueltos para resolver otros nuevos. Por tanto, la organización, el acceso y la utilización del conocimiento previo son aspectos clave para tener éxito. No obstante, la mayoría de los problemas presentan grandes volúmenes de datos complejos, inciertos y con conocimiento aproximado y, por tanto, el rendimiento del CBR puede verse afectado debido a la complejidad de gestionarlos. Esto ha hecho que en los últimos años haya surgido una nueva línea de investigación llamada Soft-Computing and Intelligent Information Retrieval focalizada en mitigar estos efectos. Es aquí donde nace el contexto de esta tesis.<br/>Dentro del amplio abanico de técnicas Soft-Computing para tratar conocimiento complejo, los Mapas Autoorganizativos (SOM) destacan por encima del resto por su capacidad de agrupar los datos en patrones, los cuales permiten detectar relaciones ocultas entre los datos. Esta capacidad ha sido aprovechada en trabajos previos de otros investigadores, donde se ha organizado la memoria de casos del CBR con SOM para mejorar la recuperación de los casos.<br/>La finalidad de la presente tesis es dar un paso más en la simple combinación del CBR y de SOM, de tal manera que aquí se introducen las capacidades de Soft-Computing y de Knowledge Discovery de SOM en todas las fases del CBR para alimentarlas del conocimiento nuevo descubierto. Además, las métricas de complejidad aparecen en este contexto como un instrumento preciso para modelar el funcionamiento de SOM en función de la tipología de los datos. La consecución de esta integración se puede dividir principalmente en cuatro hitos: (1) la definición de una metodología para determinar la mejor manera de recuperar los casos teniendo en cuenta la complejidad de los datos y los requerimientos del usuario; (2) la mejora de la fiabilidad en la propuesta de soluciones gracias a las relaciones entre los clusters y los casos; (3) la potenciación de las capacidades explicativas mediante la generación de explicaciones simbólicas; (4) el mantenimiento incremental y semi-supervisado de la memoria de casos organizada por SOM. Todos estos puntos se integran en la plataforma SOMCBR, la cual es ampliamente evaluada sobre datasets procedentes del UCI Repository y de dominios médicos y telemáticos.<br/>Adicionalmente, la tesis aborda secundariamente dos líneas de investigación fruto de los requeri-mientos de los proyectos donde ha estado ubicada la tesis. Por un lado, se aborda la definición de funciones de similitud específicas para definir como comparar un caso resuelto con otro nuevo mediante una variante de la Computación Evolutiva denominada Evolución de Gramáticas (GE). Por otro lado, se estudia como definir esquemas de cooperación entre sistemas heterogéneos para mejorar la fiabilidad de su respuesta conjunta mediante GE. Ambas líneas son integradas en dos plataformas, BRAIN y MGE, las cuales también son evaluadas sobre los datasets anteriores.

Case-Based Reasoning (CBR) is an approach of machine learning based on solving new problems by identifying analogies with other previous solved problems. Thus, organization, access and management of this knowledge are crucial issues for achieving successful results. Nevertheless, the major part of real problems presents a huge amount of complex data, which also presents uncertain and partial knowledge. Therefore, CBR performance is influenced by the complex management of this knowledge. For this reason, a new research topic has appeared in the last years for tackling this problem: Soft-Computing and Intelligent Information Retrieval. This is the point where this thesis was born.<br/>Inside the wide variety of Soft-Computing techniques for managing complex data, the Self-Organizing Maps (SOM) highlight from the rest due to their capability for grouping data according to certain patterns using the relations hidden in data. This capability has been used in a wide range of works, where the CBR case memory has been organized with SOM for improving the case retrieval.<br/>The goal of this thesis is to take a step up in the simple combination of CBR and SOM. This thesis presents how to introduce the Soft-Computing and Knowledge Discovery capabilities of SOM inside all the steps of CBR to promote them with the discovered knowledge. Furthermore, complexity measures appear in this context as a mechanism to model the performance of SOM according to data topology. The achievement of this goal can be split in the next four points: (1) the definition of a methodology for setting up the best way of retrieving cases taking into account the data complexity and user requirements; (2) the improvement of the classification reliability through the relations between cases and clusters; (3) the promotion of the explaining capabilities by means of the generation of symbolic explanations; (4) the incremental and semi-supervised case-based maintenance. All these points are integrated in the SOMCBR framework, which has been widely tested in datasets from UCI Repository and from medical and telematic domains. <br/>Additionally, this thesis secondly tackles two additional research lines due to the requirements of a project in which it has been developed. First, the definition of similarity functions ad hoc a domain is analyzed using a variant of the Evolutionary Computation called Grammar Evolution (GE). Second, the definition of cooperation schemes between heterogeneous systems is also analyzed for improving the reliability from the point of view of GE. Both lines are developed in two frameworks, BRAIN and MGE respectively, which are also evaluated over the last explained datasets.