摘 要：大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用得到了各個(gè)行業(yè)的關(guān)注，人們?cè)噲D從大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)蘊(yùn)含的模式和規(guī)律，進(jìn)而產(chǎn)生更多的價(jià)值，數(shù)據(jù)過(guò)濾作為數(shù)據(jù)分析過(guò)程中常用手段所起到的作用是無(wú)可替代的。基于方便用戶(hù)快速篩選數(shù)據(jù)并找到差異性的數(shù)據(jù)子集的實(shí)際需求[1]，需要分析與挖掘數(shù)據(jù)項(xiàng)之間聯(lián)系，對(duì)數(shù)據(jù)過(guò)濾規(guī)則進(jìn)行建模，以幫助用戶(hù)快速定位到差異性的數(shù)據(jù)子集。在本篇論文中創(chuàng)新性地提出一種查找差異數(shù)據(jù)子集的過(guò)濾規(guī)則建模方法。該方法的目的是解決如何在數(shù)據(jù)分析中應(yīng)用數(shù)據(jù)過(guò)濾規(guī)則建立分析過(guò)濾模型，然后利用模型分析過(guò)濾得到差異性的數(shù)據(jù)子集，最后利用模型完成結(jié)果集的自動(dòng)可視化。利用該建模方法建立的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能在真實(shí)數(shù)據(jù)集中快速找到差異性數(shù)據(jù)子集，并且自動(dòng)完成對(duì)結(jié)果子集的可視化展示，展現(xiàn)了建模方法的實(shí)用性和高效性。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)分析;差異性數(shù)據(jù);過(guò)濾模型

　　《軟件工程師》 征稿對(duì)象：各大院校IT相關(guān)專(zhuān)業(yè)、科研單位及培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的師生。從事企事業(yè)單位信息管理及IT相關(guān)行業(yè)的專(zhuān)業(yè)人員等。

　　1 引言(Introduction)

　　在數(shù)據(jù)無(wú)處不在的時(shí)代，用戶(hù)的決策越來(lái)越受到數(shù)據(jù)分析的驅(qū)動(dòng)[2]。通常，對(duì)于數(shù)據(jù)分析結(jié)果的不同往往能顯著影響決策過(guò)程。選擇不當(dāng)數(shù)據(jù)，不管是有意的還是無(wú)意的，可能導(dǎo)致誤導(dǎo)用戶(hù)做出的不合適決策甚至導(dǎo)致錯(cuò)誤的決策。差異化數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)分析中往往具有重要的分析意義，而非差異化的數(shù)據(jù)對(duì)于數(shù)據(jù)分析的貢獻(xiàn)就比較小，甚至?xí)档蛿?shù)據(jù)分析的質(zhì)量。所以提供用戶(hù)優(yōu)良的差異性數(shù)據(jù)過(guò)濾模型能引導(dǎo)用戶(hù)進(jìn)行質(zhì)量更好的數(shù)據(jù)分析，從而提高用戶(hù)的決策質(zhì)量。

　　2 簡(jiǎn)介(Brief introduction)

　　大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注和重視，如何對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有效地分析處理是大數(shù)據(jù)領(lǐng)域最核心的問(wèn)題[3]。分析方法的優(yōu)劣將決定分析結(jié)果的有效與否，將最終影響大數(shù)據(jù)分析成果的應(yīng)用。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究將數(shù)據(jù)分析劃分為描述性統(tǒng)計(jì)分析、探索性數(shù)據(jù)分析以及驗(yàn)證性數(shù)據(jù)分析[4];其中，探索性數(shù)據(jù)分析側(cè)重于在數(shù)據(jù)之中發(fā)現(xiàn)新的特征，而驗(yàn)證性數(shù)據(jù)分析則側(cè)重于已有假設(shè)的證實(shí)或證偽。本論文的研究方向?qū)儆谔剿餍詳?shù)據(jù)分析中的差異性數(shù)據(jù)查找方法。

　　2.1相關(guān)研究

　　在查找規(guī)律的方法中，粗糙集理論作為一種數(shù)據(jù)分析處理的理論引人注目[5]。粗糙集理論是處理不確定信息的一種方法。可以從不完備的信息中得出現(xiàn)有的規(guī)律，并從中提取出一些規(guī)則，這些規(guī)則代表原始數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)分布。一般的在某些情況下有些信息在某些情況下是無(wú)用的或者說(shuō)是無(wú)效的，這時(shí)候我們假設(shè)在不影響最終決策分類(lèi)結(jié)果的情況下，對(duì)此屬性進(jìn)行約簡(jiǎn)去掉無(wú)用的屬性并且對(duì)約簡(jiǎn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則提取，分析提取出的規(guī)則。在屬性簡(jiǎn)約的CEBARKCC算法中采用了基于信息熵的方法，去除冗余屬性從而得到一個(gè)粗糙集，這個(gè)粗糙集是原始數(shù)據(jù)集的一個(gè)子集，相當(dāng)于對(duì)原始數(shù)據(jù)集做一個(gè)抽樣[6]。本文的過(guò)濾規(guī)則建模方法也是受到這種做法的啟發(fā)，與屬性簡(jiǎn)約的理念不同的是，本方法主要采用一系列的方法(包括信息熵)對(duì)原始數(shù)據(jù)集的過(guò)濾，最終的目的是提取具有最大差異數(shù)據(jù)的子數(shù)據(jù)集，這個(gè)數(shù)據(jù)子集不是原始數(shù)據(jù)集的抽樣，而是原始數(shù)據(jù)集中具有最大差異性的數(shù)據(jù)的集合。

　　2.2 差異數(shù)據(jù)探索

　　數(shù)據(jù)分析的目的是把隱沒(méi)在一大批看來(lái)雜亂無(wú)章的數(shù)據(jù)中的信息集中、萃取和提煉出來(lái)，以找出所研究對(duì)象的內(nèi)在規(guī)律。數(shù)據(jù)分析是組織有目的地收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，使之成為信息的過(guò)程。不同領(lǐng)域不同類(lèi)型的大數(shù)據(jù)往往需要特定的分析方法來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此類(lèi)數(shù)據(jù)分析要求分析者對(duì)該領(lǐng)域數(shù)據(jù)有較為深入的理解，這就意味著分析者需要擁有專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)背景。本論文提出的目的就在于希望通過(guò)建立差異化數(shù)據(jù)分析過(guò)濾模型協(xié)助分析者對(duì)差異化的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的分析探索。即使是沒(méi)有分析經(jīng)驗(yàn)的分析者，面對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)利用本論文提出的分析過(guò)濾模型都能使用適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ剿鞣治龀鰯?shù)據(jù)集中的差異化的數(shù)據(jù)。

　　在大數(shù)據(jù)探索式場(chǎng)景中，面對(duì)大量數(shù)據(jù)時(shí)分析者很難找出差異化的數(shù)據(jù)。為了使用戶(hù)能夠盡可能消除容易出錯(cuò)的數(shù)據(jù)探索過(guò)程和煩瑣的過(guò)濾條件設(shè)置，直截了當(dāng)?shù)氐玫讲町惢瘮?shù)據(jù)子集。毫無(wú)疑問(wèn)的是我們需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的流程來(lái)決定該如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的選擇。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，本論文提出一種差異數(shù)據(jù)子集的過(guò)濾規(guī)則識(shí)別方法，目的是通過(guò)合理的利用算法和設(shè)定相關(guān)的規(guī)則解決如何在數(shù)據(jù)分析中應(yīng)用數(shù)據(jù)過(guò)濾規(guī)則建立分析過(guò)濾模型，并利用模型分析過(guò)濾數(shù)據(jù)，最后智能化的展示結(jié)果數(shù)據(jù)。

　　建立良好的數(shù)據(jù)過(guò)濾規(guī)則面臨以下的這些問(wèn)題亟待解決：

　　(1)維度：考慮從什么維度進(jìn)行分析過(guò)濾才能產(chǎn)生更好的差異化分析結(jié)果。

　　(2)可解釋性：過(guò)濾模型需要能分析出數(shù)據(jù)之間的潛在關(guān)聯(lián)，產(chǎn)生能過(guò)濾出差異化數(shù)據(jù)的過(guò)濾條件。

　　(3)質(zhì)量：如何判定分析的質(zhì)量。

　　在接下來(lái)的章節(jié)中我們會(huì)詳細(xì)地討論如何利用我們的建模方法在來(lái)解決上述三個(gè)問(wèn)題。

　　3 問(wèn)題闡述及解決(Problem description and solution)

　　3.1 問(wèn)題闡述

　　當(dāng)用戶(hù)打開(kāi)數(shù)據(jù)集時(shí)，面對(duì)著成百上千的原始數(shù)據(jù)往往不知道該如何分析哪些數(shù)據(jù)子集。如果用戶(hù)對(duì)原始數(shù)據(jù)沒(méi)有一定的了解，也就不會(huì)知道數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，更加不可能知道數(shù)據(jù)之間是否存在某種潛在聯(lián)系。因此需要考慮如何選取差異化的維度，使得數(shù)據(jù)的分析能產(chǎn)生足夠差異化的特征表現(xiàn)[7]。

　　選取了適合的維度以后，該如何分析選定維度中數(shù)據(jù)的相互聯(lián)系，如何定義在該維度數(shù)據(jù)下的差異化數(shù)據(jù)，進(jìn)而選定適合的過(guò)濾條件并通過(guò)過(guò)濾找到其中的差異化數(shù)據(jù)。這個(gè)問(wèn)題我們?cè)谥髸?huì)詳細(xì)討論如何解決。

　　在常用的數(shù)據(jù)分析工具中常用可視化作為直觀(guān)地展示數(shù)據(jù)分析結(jié)果的手段，可視化同時(shí)作為評(píng)判數(shù)據(jù)分析結(jié)果的質(zhì)量。但是在常用的數(shù)據(jù)分析工具中需要用戶(hù)自己選擇如何對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)集可視化。有經(jīng)驗(yàn)的分析師能憑借經(jīng)驗(yàn)知道該如何選擇，對(duì)于新手來(lái)說(shuō)那就要經(jīng)過(guò)多次的試錯(cuò)才能達(dá)到理想的數(shù)據(jù)展示效果。如果能自動(dòng)的判定用戶(hù)選定的數(shù)據(jù)該如何生成可視化圖表，就能大大的幫助到用戶(hù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量。事實(shí)上，我們的差異化數(shù)據(jù)分析過(guò)濾模型面對(duì)著該如何采用智能化的方法為用戶(hù)可視化的問(wèn)題，即如何使用可視化直觀(guān)的呈現(xiàn)用戶(hù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果。

　　3.2 解決方案

　　關(guān)于維度的選擇和差異化數(shù)據(jù)過(guò)濾條件，本論文基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的表結(jié)構(gòu)，從行和列兩個(gè)維度分析差異化數(shù)據(jù)。首先通過(guò)列數(shù)據(jù)的分析過(guò)濾，查找可能具有差異化信息的數(shù)據(jù)列，之后通過(guò)一系列的關(guān)于差異數(shù)據(jù)的信息計(jì)算算法，找到具有差異性特征的數(shù)據(jù)子集，最后通過(guò)可視化展示差異性數(shù)據(jù)查找的質(zhì)量。

　　總結(jié)來(lái)說(shuō)就是在差異性數(shù)據(jù)過(guò)濾模型中有三個(gè)過(guò)濾規(guī)則：差異性數(shù)據(jù)列的過(guò)濾、差異數(shù)據(jù)范圍的過(guò)濾、結(jié)果可視化的過(guò)濾。使用過(guò)濾模型進(jìn)行差異化數(shù)據(jù)查找流程如圖1所示。

　　圖1 差異化數(shù)據(jù)過(guò)濾模型過(guò)濾流程

　　Fig.1 The filtering process of differentiated data

　　filtering model

　　實(shí)踐證明通過(guò)以上過(guò)濾規(guī)則引導(dǎo)用戶(hù)進(jìn)行差異性數(shù)據(jù)分析，能明顯提升用戶(hù)分析差異性數(shù)據(jù)的質(zhì)量。在接下來(lái)的章節(jié)4.1介紹數(shù)據(jù)列的過(guò)濾規(guī)則建模方法;4.2中介紹數(shù)據(jù)范圍的過(guò)濾規(guī)則建模方法;4.3中介紹結(jié)果數(shù)據(jù)可視化的過(guò)濾規(guī)則建模方法。

　　4 建模方法(Modeling approach)

　　接著具體介紹一下如何根據(jù)數(shù)據(jù)集本身特征，以及用戶(hù)的真實(shí)需求產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)列差異性分析過(guò)濾。

　　4.1 差異數(shù)據(jù)列的過(guò)濾

　　數(shù)據(jù)集D里面有很多數(shù)據(jù)列等待差異性分析，對(duì)于沒(méi)有分析經(jīng)驗(yàn)的普通用戶(hù)來(lái)說(shuō)，并不知道哪些數(shù)據(jù)列具有差異性數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)列的差異性分析過(guò)濾不僅能幫助用戶(hù)方便的分析數(shù)據(jù)列之間的聯(lián)系，更能幫助用戶(hù)挖掘數(shù)據(jù)列之間的潛在聯(lián)系，用戶(hù)通過(guò)分析過(guò)濾模型得到最有可能具有差異性數(shù)據(jù)子集的數(shù)據(jù)列。

　　4.1.1 對(duì)于指定關(guān)鍵列差異性分析的列過(guò)濾

　　當(dāng)用戶(hù)指定關(guān)鍵列時(shí)，一般來(lái)說(shuō)，用戶(hù)希望得到相關(guān)數(shù)據(jù)列對(duì)于關(guān)鍵列的差異性是否具有影響，并希望知道這些相關(guān)列對(duì)于關(guān)鍵列差異性的影響因子。因此，指定的關(guān)鍵列的差異性分析過(guò)濾核心思想就是在數(shù)據(jù)集D中計(jì)算相關(guān)列對(duì)于關(guān)鍵列所產(chǎn)生影響的影響因子，然后根據(jù)影響因子大小排序進(jìn)行過(guò)濾。本部分過(guò)濾模型采用隨機(jī)森林的方法完成相關(guān)列的過(guò)濾。隨機(jī)森林[8]計(jì)算影響因子的核心思想就是計(jì)算每個(gè)特征列在隨機(jī)森林中的每顆CART樹(shù)(最小二乘回歸樹(shù))上做了多大的貢獻(xiàn)，然后取個(gè)平均值，比較特征之間的貢獻(xiàn)大小。貢獻(xiàn)度通常用基尼指數(shù)(Gini index)或者袋外數(shù)據(jù)(OOB)錯(cuò)誤率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)衡量。本論文采用的是袋外數(shù)據(jù)(OOB)錯(cuò)誤率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)衡量貢獻(xiàn)度。方法的偽代碼如下Algorithm 1所示。

　　之所以可以用∑(err00B2-errOOB1)/Ntree這個(gè)表達(dá)式作為相應(yīng)特征列影響因子的度量值是因?yàn)槿艚o某個(gè)特征列隨機(jī)加入噪聲之后，袋外的準(zhǔn)確率大幅度下降，則說(shuō)明這個(gè)特征列對(duì)于關(guān)鍵列的分類(lèi)結(jié)果影響很大，也就是說(shuō)它對(duì)于關(guān)鍵列的差異性影響程度比較高。