裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)離散化方法

李馥林,孟 晨,王 成,范書義

( 陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 導(dǎo)彈工程系,石家莊 050003)

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和相關(guān)技術(shù)的不斷成熟,人們利用數(shù)據(jù)資源的能力得到了較大提升。在數(shù)據(jù)巨量增加、數(shù)據(jù)種類繁多和數(shù)據(jù)格式迥異的情況下,如何從海量數(shù)據(jù)中獲取有價(jià)值的信息,成為了大數(shù)據(jù)運(yùn)用的核心問題。作為一種對(duì)數(shù)據(jù)高效處理和全面利用的技術(shù),數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的有效手段之一,已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用[1-3]。數(shù)據(jù)挖掘就是從大量數(shù)據(jù)中獲取有用信息的過程,為了從數(shù)據(jù)中獲取滿足人們實(shí)際需求的知識(shí),就要求所獲得的數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的可用性[4-5]。但事實(shí)上,即使原始數(shù)據(jù)可靠性足夠高,能準(zhǔn)確反映裝備的實(shí)際情況,從中挖掘信息的過程可能依然存在困難,數(shù)據(jù)類型的影響同樣不可忽視。針對(duì)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)用于裝備質(zhì)量信息分析時(shí),可能面臨部分?jǐn)?shù)據(jù)類型不適應(yīng)數(shù)據(jù)挖掘方法的問題,本文中提出一種裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)離散化方法。

運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘方法能夠從海量數(shù)據(jù)中找出隱含的規(guī)律和有價(jià)值的信息,然而許多數(shù)據(jù)挖掘算法并不適用于連續(xù)型數(shù)據(jù),因此數(shù)據(jù)離散化是實(shí)施數(shù)據(jù)挖掘之前不可或缺的預(yù)處理環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)離散化是通過在連續(xù)屬性的數(shù)據(jù)中插入斷點(diǎn),將其轉(zhuǎn)化為若干個(gè)數(shù)值區(qū)間的過程[6-7]。將連續(xù)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為離散數(shù)據(jù),能夠使數(shù)據(jù)挖掘算法順利運(yùn)行。連續(xù)數(shù)據(jù)通常具有較高的數(shù)據(jù)精度與數(shù)據(jù)量,對(duì)其進(jìn)行離散化可減輕機(jī)器的壓力,而且離散數(shù)據(jù)更容易被計(jì)算機(jī)識(shí)別,能使數(shù)據(jù)挖掘效率得到提升。

在機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域,研究人員已經(jīng)提出了許多數(shù)據(jù)離散化方法[8-11]。離散化算法可大致劃分為以下幾類:① 按照屬性空間利用情況可分為局部離散化算法和整體離散化算法;② 按照離散化方向可分為自底向上的方法與自頂向下的方法;③ 按照處理時(shí)是否參考類別屬性可分為有監(jiān)督離散化算法和無監(jiān)督離散化算法;④ 按照是否考慮屬性聯(lián)系可分為基于單屬性的離散化方法和基于多屬性的離散化方法;⑤ 按照是否同步進(jìn)行離散化與決策樹生成可分為靜態(tài)離散化算法和動(dòng)態(tài)離散化算法。

類別屬性最大相互依賴算法是一種基于單屬性的自頂向下的有監(jiān)督靜態(tài)離散化算法,適用于規(guī)則提取等方法的數(shù)據(jù)預(yù)處理。但是該算法仍存在信息易缺失和易過度離散化的問題,將對(duì)其基本原理進(jìn)行介紹,在經(jīng)典算法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出改進(jìn)算法,并通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)其性能。

1 類別屬性最大相互依賴的離散化算法

類別屬性最大相互依賴(class-attribute interdependency maximization,CAIM)算法是Kurgan等人提出的一種受監(jiān)督的離散化算法,簡稱CAIM算法[12]。該算法的目的是使數(shù)據(jù)對(duì)象所屬類別與其屬性值之間的依賴性最大化,并盡可能少地生成離散區(qū)間,下面對(duì)其進(jìn)行簡要介紹。

1.1 類別屬性最大相互依賴準(zhǔn)則

類別屬性最大相互依賴準(zhǔn)則是CAIM算法選取離散斷點(diǎn)依據(jù)。假設(shè)存在一個(gè)包含N個(gè)對(duì)象和m個(gè)連續(xù)屬性的數(shù)據(jù)集,其所有對(duì)象分別屬于T個(gè)類別。對(duì)于其中任一連續(xù)屬性Fi,存在一種離散化方案,將Fi的屬性值劃分成n個(gè)離散的數(shù)值區(qū)間,有:

D={[d0,d1],[d1,d2],…,[dn-1,dn]}

(1)

式(1)中:d0是屬性Fi的最小值;dn是屬性Fi最大值。

在這種框架下,類別C和屬性Fi的離散區(qū)間構(gòu)成了一個(gè)二維量子矩陣,如表1所示。

表1 二維量子矩陣

對(duì)于i=1,2,…,T和r=1,2,…,n,qir表示屬于區(qū)間[dr-1,dr]內(nèi)的第i類的連續(xù)數(shù)值的總數(shù),Mi+表示屬于第i類的對(duì)象總數(shù),M+r表示區(qū)間[dr-1,dr]內(nèi)屬性Fi的連續(xù)數(shù)值的總數(shù)。

類別屬性最大相互依賴準(zhǔn)則定義了類別C和屬性Fi的離散化方案D之間的依賴性,計(jì)算公式為

(2)

式(2)中:n是區(qū)間數(shù),用r來迭代所有區(qū)間;R是所有qir中的最大值,即量子矩陣第r列中的最大數(shù)值;M+r是區(qū)間[dr-1,dr]內(nèi)屬性Fi的連續(xù)數(shù)值的總數(shù)。R對(duì)應(yīng)的類別是區(qū)間[dr-1,dr]中的主導(dǎo)類,主導(dǎo)類中的元素越多,CAIM值越大,類別與屬性之間的關(guān)聯(lián)程度也越大,斷點(diǎn)的選擇越合理。

1.2 CAIM算法

CAIM算法的目的是將連續(xù)的屬性值劃分成若干個(gè)離散的區(qū)間,然后依次實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)連續(xù)屬性的離散化,其核心環(huán)節(jié)是求取用于劃分區(qū)間的斷點(diǎn)集合。首先定義GlobalCAIM值,將其初始化為0。定義離散斷點(diǎn)集合D并分配適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)空間,計(jì)算當(dāng)前屬性所有相鄰數(shù)值的平均值,作為暫時(shí)的離散斷點(diǎn),然后求出這些斷點(diǎn)的CAIM值并升序排列,再逐一與GlobalCAIM比較。若某個(gè)斷點(diǎn)的CAIM值大于GlobalCAIM,則將該點(diǎn)存入斷點(diǎn)集合D,同時(shí)將GlobalCAIM的值更新為該點(diǎn)的CAIM值,然后比較GlobalCAIM與下一個(gè)斷點(diǎn)的CAIM值,重復(fù)上述步驟直到完成對(duì)所有斷點(diǎn)的比較。在此過程中,當(dāng)離散斷點(diǎn)集合D中的元素?cái)?shù)量超過類別數(shù)量時(shí),結(jié)束對(duì)該屬性的離散化。用相同的方法對(duì)下一個(gè)屬性再進(jìn)行離散化,直到所有的連續(xù)屬性均完成離散化。

算法主要步驟如下。

Input:包含T類M個(gè)對(duì)象的數(shù)據(jù)決策表;

對(duì)于每個(gè)連續(xù)屬性Fi均執(zhí)行以下步驟:

Step1 找到當(dāng)前屬性所有數(shù)值的最大值dn和最小值d0;

Step2 對(duì)Fi的所有數(shù)值升序排序,用最大值dn、最小值d0和集合中所有相鄰數(shù)對(duì)的平均值初始化分界點(diǎn)集合B;

Step3 將初始離散化方案設(shè)置為D:{[d0,dn]},定義變量GlobalCAIM,將其初始化為0;

Step4 初始化k為1;

Step5 暫時(shí)從集合B中添加一個(gè)不在D中的內(nèi)邊界,并計(jì)算相應(yīng)的CAIM值;

Step6 在所有嘗試性的添加完成后,采用CAIM值最高的方案;

Step7 若CAIM>GlobalCAIM或者k

Step8 令k=k+1并前往Step5;

Output:離散化方案D。

在理想情況下,執(zhí)行以上算法步驟能夠得到k-1個(gè)斷點(diǎn)和k個(gè)離散區(qū)間,其中任意一個(gè)區(qū)間中的元素均屬于同一種類別,CAIM達(dá)到最大值:CAIM=M/k,此時(shí)已選定的k-1個(gè)斷點(diǎn)為最佳離散斷點(diǎn)。但是在實(shí)際應(yīng)用中,CAIM值會(huì)隨著離散斷點(diǎn)數(shù)量的增加而增加,通常在達(dá)到局部最大化之后會(huì)開始減小。CAIM算法主要有2個(gè)缺陷:一是僅考慮區(qū)間中主導(dǎo)類與屬性之間的依賴性,容易導(dǎo)致信息缺失,降低數(shù)據(jù)離散化的質(zhì)量;二是最終形成的離散化方案所劃分的區(qū)間數(shù)通常與類別數(shù)量很接近,容易使離散化過度,影響結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2 基于改進(jìn)CAIM算法的數(shù)據(jù)離散化方法

針對(duì)CAIM算法在應(yīng)用中存在的不足,提出一種改進(jìn)的離散化算法用于數(shù)據(jù)預(yù)處理。為解決CAIM算法信息缺失過多的問題,采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)衡量數(shù)據(jù)中各屬性的重要程度,由屬性的重要性決定對(duì)其進(jìn)行離散化的順序。為解決CAIM算法容易離散化過度的問題,根據(jù)粗糙集理論[13],引入屬性分辨率控制離散化過程。

2.1 粗糙集理論

假設(shè)存在一個(gè)信息系統(tǒng)I=(U,A,V,F),其中U={x1,x2,…,xm}為論域,A為所有屬性的集合,V為屬性所有取值的集合,F為U×A→V的映射。設(shè)C為條件屬性集合,D為決策屬性集合,如果A=C∪D且C∩D=?,則將該系統(tǒng)稱為決策表。

定義1：設(shè)x,y∈U,對(duì)P?A,θP是U上的一個(gè)等價(jià)關(guān)系,若滿足xθPy?(?p∈P)(fp(x)=fp(y)),則θP稱為x和y的一個(gè)不可分辨關(guān)系。

定義2：U為論域,P和Q為U上的等價(jià)關(guān)系簇,Q的P正域記為POSP(Q),定義為:

(3)

定義3：設(shè)P?C,P將對(duì)象劃分為n個(gè)類別{Y1,Y2,…,Yn},其近似精度為:

(4)

式(4)中,card表示集合的基數(shù)。近似精度γP描述了論域U的知識(shí)完備程度,反映了對(duì)決策表分類的合理性。

定義4：對(duì)于決策表I=(U,A,V,F)和條件屬性集合C的子集B,反映任意條件屬性a∈C相對(duì)于條件屬性集合B對(duì)決策屬性集合D依賴程度的屬性重要度定義為:

sgf(a,B,D)=γB+{a}-γB

(5)

2.2 屬性分辨率

粗糙集理論認(rèn)為知識(shí)就是區(qū)分事物的能力。對(duì)于論域U,如果所有對(duì)象都能被劃入同一個(gè)等價(jià)類,那么該論域包含的知識(shí)是最少的;如果其中任意2個(gè)對(duì)象都能被區(qū)分開,那么該論域包含的知識(shí)是最多的。本節(jié)基于知識(shí)量的含義,引入屬性分辨率概念。CAIM算法實(shí)施區(qū)間劃分所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于粗糙集理論中的近似精度,本文中提出的改進(jìn)算法在經(jīng)典算法理念的基礎(chǔ)上,增加了屬性分辨率的控制作用,從而限制過度的離散化。屬性分辨率推導(dǎo)過程如下。

若論域U中含有M個(gè)對(duì)象,其中任意2個(gè)對(duì)象都能被區(qū)分,則其近似精度為1,此時(shí)該論域中的可分辨對(duì)個(gè)數(shù)為:

(6)

這是理論上能達(dá)到的最大值。將可分辨對(duì)最大個(gè)數(shù)乘以K(1,1)即最大知識(shí)量,K(1,1)為常數(shù),本節(jié)取值為2。

若論域U中含有M個(gè)對(duì)象,某屬性將其劃分為n個(gè)等價(jià)類,各個(gè)類別包含的對(duì)象數(shù)分別為m1,m2,…,mn,則該屬性具有的知識(shí)量為:

(7)

屬性分辨率是信息系統(tǒng)中某屬性具有的知識(shí)量在整個(gè)信息系統(tǒng)最大知識(shí)量中占有的比例。計(jì)算方法為:

(8)

2.3 屬性重要性評(píng)價(jià)方法

屬性重要度對(duì)分類具有重要影響,但是CAIM算法的離散化過程是按照數(shù)據(jù)集中各屬性的自然順序進(jìn)行的,未考慮屬性重要程度的影響。本文中提出的改進(jìn)算法是根據(jù)類別屬性依賴冗余準(zhǔn)則與類別屬性依賴不確定性準(zhǔn)則評(píng)價(jià)各屬性的重要性并重新進(jìn)行排序[14-15],通過更合理的離散化順序減少信息損失。

由表1量子矩陣可知,屬性F的值在區(qū)間[dr-1,dr]內(nèi)并且屬于類別Ci的聯(lián)合估計(jì)概率為:

(9)

屬性F的值屬于類別Ci的邊際估計(jì)概率pi+,以及屬性F的值在區(qū)間[dr-1,dr]內(nèi)的邊際估計(jì)概率p+r分別為:

(10)

(11)

類別C和屬性F的離散化方案D之間的類別屬性交互信息定義為:

(12)

類別屬性信息和香農(nóng)熵分別定義為:

(13)

(14)

由式(12)、式(13)和式(14)得到類別屬性依賴冗余度CAIR與類別屬性依賴不確定度CAIU為:

(15)

(16)

類別屬性依賴冗余度標(biāo)準(zhǔn)反映類別和離散屬性之間的相互依賴性,CAIR值越大,類別與離散區(qū)間的相關(guān)性越好,與類的數(shù)量和連續(xù)屬性取值的數(shù)量均無關(guān)。對(duì)類別屬性依賴不確定性標(biāo)準(zhǔn)同樣適用,但關(guān)系是相反的,即CAIU值越大,類別與離散區(qū)間的相關(guān)性越差。將2種指標(biāo)結(jié)合得到屬性重要性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)S為

S=CAIR·(1-CAIU)

(17)

式(17)中:S的值越大,表明對(duì)應(yīng)的屬性越重要,對(duì)其進(jìn)行離散化的程度應(yīng)相對(duì)小些。

2.4 算法步驟

算法步驟如下。

Input:包含T類M個(gè)對(duì)象的數(shù)據(jù)決策表;

Step1 根據(jù)式(17)計(jì)算每個(gè)連續(xù)屬性Fi的屬性重要度S;

Step2 按照S的值將表中所有連續(xù)屬性從小到大重新排序;

對(duì)于每個(gè)連續(xù)屬性Fi均執(zhí)行以下步驟:

Step3 找到當(dāng)前屬性所有數(shù)值的最大值dn和最小值d0,根據(jù)式8計(jì)算連續(xù)屬性Fi的初始分辨率Dro(F);

Step4 對(duì)Fi的所有數(shù)值升序排序,用最大值dn、最小值d0和集合中所有相鄰數(shù)對(duì)的平均值初始化分界點(diǎn)集合B;

Step5 將初始離散化方案設(shè)置為D:{[d0,dn]},定義變量GlobalCAIM,將其初始化為0;

Step6 初始化k為1;

Step7 暫時(shí)從集合B中添加一個(gè)不在D中的內(nèi)邊界,并計(jì)算相應(yīng)的CAIM值;

Step8 在所有嘗試性的添加完成后,采用CAIM值最高的方案;

Step9 若CAIM>GlobalCAIM或者k

Step10 令k=k+1并前往Step7;

Step11 返回離散化方案D;

Step12 根據(jù)式(8)計(jì)算連續(xù)屬性Fi離散化后的分辨率Dr(F);

Step13 若Dr(F)

Output:離散化后的屬性值區(qū)間。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為檢驗(yàn)所提出的改進(jìn)CAIM算法是否具備優(yōu)越性,開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)并分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖潜容^經(jīng)典CAIM算法與改進(jìn)CAIM算法對(duì)數(shù)據(jù)集中的連續(xù)屬性進(jìn)行離散化處理的效果。

鑒于本文中討論的算法都是由對(duì)象的類別與各屬性之間的依賴關(guān)系得到離散化方案,本實(shí)驗(yàn)所使用的是UCI數(shù)據(jù)庫中的公開數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)集的基本信息如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集

使用2種算法對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行離散化處理,得到對(duì)應(yīng)的8個(gè)離散數(shù)據(jù)集,隨機(jī)選取其中80%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集,剩余的數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)集,運(yùn)用支持向量機(jī)對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。采用“一對(duì)多”多分類,模型選用C-支持向量分類機(jī),核函數(shù)選用高斯核。分類之前需要對(duì)各數(shù)據(jù)集的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,方法為

(18)

式(18)中:ai為任意離散數(shù)據(jù);ni為歸一化之后的數(shù)據(jù),-1≤ni≤1。

歸一化完成后開始分類,計(jì)算每個(gè)離散數(shù)據(jù)集用于分類的精度,結(jié)果如表3所示。

表3 分類精度

從表3結(jié)果來看,用改進(jìn)CAIM算法處理的數(shù)據(jù)集的分類精度總體較用經(jīng)典CAIM算法處理的數(shù)據(jù)集高,表明改進(jìn)算法造成的信息缺失較少,離散化效果較好。

為檢驗(yàn)本文中所提方法的有效性,以某型裝備為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采集某型裝備運(yùn)行過程中的測(cè)試數(shù)據(jù),提取部分?jǐn)?shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)決策表,包括產(chǎn)品類型、氣溫、加工溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩等屬性,數(shù)據(jù)決策表見表4。

表4 數(shù)據(jù)決策表

原始數(shù)據(jù)除了包含離散型數(shù)據(jù),還包含大量連續(xù)型數(shù)據(jù),運(yùn)用所提方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到表5所示離散化編碼。

表5 離散化編碼

根據(jù)離散化編碼對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將其中的連續(xù)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為離散數(shù)據(jù),離散化后的數(shù)據(jù)決策表如表6所示。

將關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘這一重要的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于離散化后的數(shù)據(jù),采用了經(jīng)典的Apriori算法[16]。根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則基本原理,最小支持度和最小置信度是用戶根據(jù)需要設(shè)定的2個(gè)閾值。最小支持度規(guī)定關(guān)聯(lián)規(guī)則必須滿足的最低重要程度,最小置信度規(guī)定關(guān)聯(lián)規(guī)則必須滿足的最低可靠程度。這些參數(shù)對(duì)算法的執(zhí)行過程和結(jié)果具有重要影響,對(duì)于運(yùn)行中產(chǎn)生的項(xiàng)集,若其支持度不低于最小支持度,則將其視為頻繁項(xiàng)集;如果一條關(guān)聯(lián)規(guī)則的支持度不低于最小支持度,且置信度不低于最小置信度,則稱其為強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則。支持度閾值和置信度閾值的取值由用戶自行決定,通常支持度閾值不宜設(shè)得過高,防止有用信息過多丟失。初次實(shí)驗(yàn)將支持度閾值設(shè)為10%,置信度閾值設(shè)為70%,由于裝備發(fā)生質(zhì)量特性退化,出現(xiàn)顯性故障的情況相對(duì)較少,若希望發(fā)掘出更多與此類情況相關(guān)的知識(shí),可動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)設(shè)置多次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)得到若干與裝備壽命周期內(nèi)的質(zhì)量變化規(guī)律相關(guān)的規(guī)則,表7列出了部分強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則。

表7 強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則

規(guī)則1表示裝備散熱失效時(shí)空氣溫度為301.65～303.75 K,說明散熱失效這一故障模式與空氣溫度之間存在關(guān)聯(lián),裝備運(yùn)行時(shí)若氣溫處于301.65～303.75 K,需重點(diǎn)關(guān)注散熱性能。

規(guī)則2表示裝備運(yùn)行功率為1 154.4～3 514.3 W時(shí)發(fā)生斷電。

規(guī)則3表示裝備運(yùn)行功率為9 023.9～10 524.3 W時(shí)發(fā)生斷電。結(jié)合規(guī)則2與規(guī)則3可知,該型裝備不適合在3 514.3 W以下或9 023.9 W以上的功率下工作,否則容易斷電,日常使用中應(yīng)盡量避免功率過低或過高。

由以上分析說明本文所提方法是有效的。

4 結(jié)論

1) 提出一種基于改進(jìn)CAIM算法的裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)離散化方法,用于裝備質(zhì)量信息分析的數(shù)據(jù)預(yù)處理,解決數(shù)據(jù)類型不適應(yīng)數(shù)據(jù)挖掘方法的問題。

2) 在經(jīng)典算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),引入粗糙集理論和屬性分辨率,實(shí)現(xiàn)了對(duì)過度離散化的限制;提出屬性重要性評(píng)價(jià)方法,減少了數(shù)據(jù)離散化過程中的信息缺失。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文中所提方法的優(yōu)越性。

3) 運(yùn)用提出的方法對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理,并對(duì)其進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘,得到了反映裝備壽命周期內(nèi)質(zhì)量變化規(guī)律的知識(shí),驗(yàn)證了本文方法的有效性。