試論全局通訊網(wǎng)絡(luò)模式的數(shù)據(jù)挖掘方法

趙偉杰 戶江民 文小琴

【摘要】? ? 在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展背景下，各個(gè)行業(yè)發(fā)展所產(chǎn)生數(shù)據(jù)也越來越多，數(shù)據(jù)庫規(guī)模也不斷擴(kuò)大，如何在大量數(shù)據(jù)中挖掘出可利用信息，也成為現(xiàn)代人們密切關(guān)注的問題。而直接采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)將耗費(fèi)大量時(shí)間，在充分考慮挖掘效率、負(fù)載平衡、運(yùn)行環(huán)境等因素下，將全局通訊網(wǎng)絡(luò)模式進(jìn)行應(yīng)用，不僅可以提高數(shù)據(jù)挖掘效率，還能夠降低運(yùn)行成本。

【關(guān)鍵詞】? ? 數(shù)據(jù)挖掘? ? 全局通訊網(wǎng)絡(luò)模式? ? 并行算法? ? 動(dòng)態(tài)調(diào)度? ? 分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，尤其是工業(yè)和商業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，數(shù)據(jù)挖掘重要性作用愈發(fā)凸顯，通過對可利用價(jià)值數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，可以為各行業(yè)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展提供決策支持。但是在數(shù)據(jù)規(guī)模不斷擴(kuò)大背景下，如何持續(xù)提升數(shù)據(jù)挖掘質(zhì)量與效率，這一問題也引發(fā)社會(huì)各界廣泛關(guān)注和思考[1]。尤其是在對有價(jià)值信息數(shù)據(jù)挖掘時(shí)，不僅需要先進(jìn)技術(shù)支撐，還需要耗費(fèi)大量計(jì)算資源。本文提出一種新型并行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法，不僅可以降低通信成本，還能夠使挖掘效率得到提高。

一、數(shù)據(jù)挖掘概述

對數(shù)據(jù)挖掘內(nèi)涵進(jìn)行闡述，主要是通過在大量信息數(shù)據(jù)中挖據(jù)出極具利用價(jià)值信息的過程總稱。對這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行利用，可以為經(jīng)營者做發(fā)展規(guī)劃和策略提供支持，甚至通過數(shù)據(jù)規(guī)律掌握和分析，可以對一個(gè)行業(yè)未來發(fā)展形式和方向進(jìn)行預(yù)測。此外，作為一門新興學(xué)科，開展數(shù)據(jù)挖掘工作需要對多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行應(yīng)用，如：數(shù)理統(tǒng)計(jì)、人工智能等等。通常情況下，數(shù)據(jù)挖掘涵蓋了準(zhǔn)備、挖掘和評價(jià)3個(gè)階段，見下圖1。

二、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘

在進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘時(shí)，對關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行有效挖掘是面臨的重要問題之一，開展這項(xiàng)工作需要對頻繁項(xiàng)目集進(jìn)行快速和精準(zhǔn)確定。在一些研究中也提出了采用關(guān)聯(lián)規(guī)則和并行計(jì)算數(shù)據(jù)兩種挖掘算法，實(shí)際應(yīng)用時(shí)對這兩種算法也進(jìn)行了創(chuàng)新，但是從最終應(yīng)用結(jié)果來看，依然存在可擴(kuò)展性差、通訊量大等問題。[2-3]。為有效解決這些存在問題，提出新的并行數(shù)據(jù)挖掘算法，通過將大數(shù)據(jù)集劃分成為若干份，然后將其分配到計(jì)算機(jī)群進(jìn)行運(yùn)行，然后對各并行單元運(yùn)用全局通訊網(wǎng)絡(luò)模式（Master-Worker模式），如下圖2所示。該種模式下各節(jié)點(diǎn)之間存在耦合性比較小，無論是添加節(jié)點(diǎn)，還是減少節(jié)點(diǎn)也都比較便利，進(jìn)而起到縮短數(shù)據(jù)挖掘時(shí)間，提高數(shù)據(jù)挖掘效率和質(zhì)量作用。

三、動(dòng)態(tài)調(diào)度算法

在將并行算法任務(wù)進(jìn)行分配時(shí)，需要建立在遵循調(diào)度規(guī)則和策略基礎(chǔ)上，將任務(wù)分配到系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，不但可以解決存在的任務(wù)調(diào)度問題，而且能夠提高系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行效果，若是將動(dòng)態(tài)調(diào)度算法融入到其中，這一效果更加顯著，開展任務(wù)工作系統(tǒng)適應(yīng)性也會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，隨著負(fù)載不平衡情況不斷減輕，系統(tǒng)運(yùn)行效率也會(huì)得到提高。同時(shí)，在Master-Worker模式下，通過Master直接和依次的向Worker發(fā)送工作任務(wù)，并通過循環(huán)方式對其任務(wù)執(zhí)行狀況進(jìn)行檢查，當(dāng)Worker完成一項(xiàng)任務(wù)以后，Master也會(huì)及時(shí)接收任務(wù)返回值并發(fā)送下一次任務(wù)，直到合成關(guān)聯(lián)規(guī)則形成為止。

四、算法步驟

對數(shù)據(jù)挖局最為主要問題在于關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，而對關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行有效挖掘需要通過發(fā)現(xiàn)頻繁項(xiàng)目集實(shí)現(xiàn)。這時(shí)候數(shù)據(jù)庫就可以對數(shù)學(xué)矩陣工具進(jìn)行充分利用，并通過將其轉(zhuǎn)換成為向量矩陣，同時(shí)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)作用，對向量矩陣實(shí)施處理，可以快速發(fā)現(xiàn)隱藏的關(guān)聯(lián)規(guī)則。具體算法：假設(shè)數(shù)據(jù)庫由M個(gè)屬性和N個(gè)元組組成，那么數(shù)據(jù)庫的規(guī)模可以用M×N表示，P為計(jì)算機(jī)可用節(jié)點(diǎn)數(shù)，需要解決問題為“在P個(gè)節(jié)點(diǎn)上，從M×N規(guī)模數(shù)據(jù)庫中對關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行挖掘”。

操作流程：首先，對大規(guī)模數(shù)據(jù)庫進(jìn)行劃分，使之成為若干個(gè)小數(shù)據(jù)庫;其次，將各小數(shù)據(jù)庫分配到計(jì)算機(jī)群不同節(jié)點(diǎn)上，然后開展任務(wù)工作，對各數(shù)據(jù)庫中存在的關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行充分挖掘;最后，在合成挖掘結(jié)果，構(gòu)建全局關(guān)聯(lián)規(guī)則以后，篩選和輸出存在規(guī)則集[3]。

五、結(jié)果分析

為了對全局通訊網(wǎng)絡(luò)模式（Master-Worker模式）應(yīng)用有效性進(jìn)行驗(yàn)證，對這種算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過在實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)PC機(jī)群上搭建運(yùn)行環(huán)境，并以信息傳遞接口（MPI）實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊功能。

根據(jù)上圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)與串行、靜態(tài)調(diào)度算法相比較，本文提出的動(dòng)態(tài)調(diào)度關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘并行算法效率更高。從挖掘效率、挖掘時(shí)間層面來說，Master主要職能為工作任務(wù)發(fā)送和接收，對系統(tǒng)挖掘計(jì)算工作不參與，因此將其與串行挖掘和靜態(tài)調(diào)度進(jìn)行比較，花費(fèi)在通訊上的時(shí)間會(huì)更多。但是結(jié)合上圖3所示，Master負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較多，并且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多，加速比呈現(xiàn)持續(xù)上升狀態(tài)，挖掘時(shí)間和挖掘效率也會(huì)得到優(yōu)化[3-4]。

結(jié)語：隨著社會(huì)不斷進(jìn)步、科技不斷發(fā)展，所面臨數(shù)據(jù)也越來越龐大，提高了數(shù)據(jù)處理和分析難度，尤其是對大規(guī)模數(shù)據(jù)庫有價(jià)值信息數(shù)據(jù)挖掘，不僅需要對運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行考慮，還需要對負(fù)載平衡和挖掘效率加以把握，而將全局通訊模式進(jìn)行應(yīng)用，可以使互相通信效果得到提升，同時(shí)結(jié)合動(dòng)態(tài)調(diào)度原則，將劃分好的挖掘任務(wù)分配至各處理器中，可以確保挖掘效率和質(zhì)量。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]徐廣宇，孟繁軍.全局通訊網(wǎng)絡(luò)模式的數(shù)據(jù)挖掘方法研究[J].電腦與信息技術(shù)，2013，21（4）：1-5.

[2]張語涵.全局通訊網(wǎng)絡(luò)模式的并行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘方法研究[J].通訊世界，2015，（17）：79-80，81.

[3]胡文瑜，孫志揮，張柏禮.分布式數(shù)據(jù)挖掘中的最優(yōu)K相異性取樣技術(shù)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，38（3）：385-389.