Методы подготовки данных к анализу слабоструктурированных временных рядов

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-01-00370.

Введение

Сегодня, в условиях активного развития информационных технологий, для проведения исследований в любой сфере, приходится работать с большим объемом данных, которые представляются в различных видах: текстовая информация, аудио и графические отображения, строки с адресами и т.д. Такие данные являются неструктурированными или слабоструктурированными. В связи с чем возникает необходимость подготовки и структурирования этих данных таким образом, чтобы проведенный анализ был точным, корректным и значимым.

Целью исследования является подготовка к анализу слабоструктурированных исходных данных, их анализ, изучение влияния «загрязнения» данных на резльтаты регрессионного анализа.

Материал и методы исследования

Слабоструктурированные данные (полуструктурированные или плохо структурированные данные) - являются формой организации данных, при которой структура документа не может быть задана заранее, а база данных (БД), хранящая такие документы допускает неопределённости в схеме описания, а также может изменяться в течение эксплуатации, эта форма данных содержит теги и другие маркеры для отделения семантических элементов и для обеспечения иерархической структуры записей и полей в наборе данных. Также слабоструктурированные данные часто выделяют как отдельный вид данных по основанию: степени структурированности. Слабоструктурированными данными являются данные, для которых определены некоторые правила и форматы, но лишь в общем виде. В отличие от неструктурированных, такие данные с меньшими усилиями преобразуются к структурированной форме, однако без процедуры преобразования они тоже непригодны для анализа. В слабоструктурированных данных, сущности, принадлежащие одному и тому же классу данных, могут иметь разные атрибуты ^[1].

Исходную информацию, поступающую из различных источников, необходимо сначала извлечь с помощью средств и методов, которые помогают получить выходные данные, готовые для последующего анализа, преобразования, построения прогнозов и управления ими, в целом. Системы преобразования данных сегодня проходят бурный этап развития: исследуются предметные области применения данных систем, разрабатываются алгоритмы анализа структурированных и неструктурированных данных.

Обозначим некоторые проблемы, которые могут вызывать трудности при работе (анализе, обработке, поиске) со слабоструктурированными данными:

1) поиск при больших объемах данных;

2) непосредственная работа с данными;

3) перевод данных в необходимый формат.

Выполнять поиск необходимой информации среди больших объёмов данных довольно затруднительно. Вычислительные ресурсы базы данных быстро изнашиваются, так как дисковая подсистема – это самый медленный элемент при обращении к хранилищу данных. Ускорить процесс работы с таким набором данных возможно с использованием Radix деревьев ^{[2, 3]} или хеш-таблиц ^[4].

Вторая проблема – это непосредственная работа с массивом слабоструктурированных данных. Иногда особенная структура данных не позволяет применить математические методы или подставить их под конкретную схему расчетов при построении моделей. Решением данной проблемы может быть применение известных на сегодняшних день алгоритмов в методах Data Mining ^{[5, 6]}.

Третья проблема – это проблема перевода слабоструктурированных данных в необходимый формат, например, при обмене структурированными данными между различными базами данных. Кроме того, навигация по данным, доступного формата происходит значительно легче и быстрее.

В связи с этими проблемами, возникает необходимость в разработке и применение новых многометодных подходов к подготовке к анализу слабоструктурированных данных. Для применения процедур подготовки данных к анализу, приведем примеры (таблица 1) слабоструктурированных данных и структурированных данных.

Таблица 1 - Типы слабоструктурированных и структурированных данных

Качество статистических результатов анализа напрямую зависит от качества их подготовки к данному анализу. Выделим следующие процедуры подготовки слабоструктурированных данных к анализу:

1. Преобразование данных. Процедура заключается в преставлении данных в нужном формате для последующей обработки. Например, применение различных типов обозначения категории «Дата».

2. Поиск различных представлений значений. Заключается в обнаружении данных, выходящих за пределы допустимых значений. Сравнение множества значений атрибутов столбца одной таблицы с тем же множеством для столбца другой таблицы ^[7].

3. Удаление шумов. Шумом называют сильные отклонения от среднего значения в наборе данных. При этом шум не несет никакой полезной информации, но может помешать увидеть реальную картину, снижает достоверность результатов анализа. Для удаления шумов используют спектральный анализ, авторегрессионные преобразования, в некоторых случаях используют вейвлет преобразование ^{[8, 9]}.

4. Поиск утраченных значений. Это неопределённые значения, которые невозможно установить, так как они отсутствовали или были введены неправильно.

5. Сглаживание данных. Сглаживание экспериментальных данных является способом уменьшения влияния различных случайных факторов. Для этого используют методы скользящих средних, экспоненциальное сглаживание, метод четвертных разностей, с помощью рядов Фурье и степенных многочленов и т.п.

6. Обнаружение орфографических и синтаксических ошибок. Сортировка по значениям часто ставит значения с ошибками рядом с правильными.

7. Обнаружение дубликатов данных. Можно сделать при помощи процедуры сортировки. И определить число вхождений данных. Дублируемые данные исключаются из общего массива данных.

8. Обнаружение недопустимых значений. Например, категория «Возраст» равный 200 лет или категория данных «Пол» больше 2. Такие значения также корректируются.

9. Редактирование аномалий. В основе лежит метод статистических оценок, таких, например, как медиана и др. ^{[10, 11]}. При этом можно задать эмпирически подобранный критерий того, что считать аномалией. Например, например, резкое отклонение величины от ее ожидаемого значения (погода летом «-120»).

Кроме данных процедур целесообразно применить методы статистической обработки данных, которые значительно повысят качество исходных данных. К ним относятся:

1. Взвешивание. Заключается в присвоении каждому наблюдению определенного весового коэффициента. Применяется для того, чтобы определить наиболее ценные категории данных для анализа.

2. Переопределение переменой. Метод введения новых переменных или изменения существующих.

3. Преобразование шкалы. Значения переменных, полученные в разных шкалах, приводят к одной нормализованной величине.

Рассмотрим применение некоторых из представленных выше процедур на примере.

Результаты исследования и их обсуждение

Необходимо подготовить к анализу набор данных из 254228 наблюдений за различными объектами по 10 показателям, записанным в Excel-таблице (см. таблицы 2 и 3).

Таблица 2 – Выборочные значения набора данных

Представленный набор данных является характерным при анализе потребления коммунальных ресурсов (электро-, газо-, водоснабжения) в муниципальном районе. Один из показателей – идентификационный код объекта, выраженный девятизначным числом, не несет в себе никакой смысловой нагрузки, кроме порядкового номера. Данный индикатор характеризует объект потребления. Следующие два показателя - дата и температура - тесно связаны друг с другом: для любого объекта определенному периоду соответствует определенная и одинаковая температура. Другими словами, эти показатели дублируют друг друга и, уж если выбирать из них, то температура несет больше физического смысла. Ещё 4 показателя выражены целыми числами из диапазона (0; 30) и являются характерными для рассматриваемой предметной области. Показатель количества проживающих в определенном объекте, понятно, что мог выражаться целыми неотрицательными числами, в нашем наборе принимал значения от 0 до 85 и не имел видимых ошибок в данных.

Два последних показателя – площадь и объем – имеют определенный физический смысли поэтому могут быть проверены на наличие видимых ошибочных данных. Например, не могут проживать люди на нулевой площади или не может быть отрицательным объем. Однако указанные ошибки широко встречаются в наборе данных, что можно объяснить различными причинами: ошибочные или намеренно искаженные, с целью снижения оплаты, показания приборов учета; корректировки, связанные с правилами учета коммунальных ресурсов и т.п. – ведут к появлению отрицательных объемов. Отсутствие первичных документов или ошибки операторов приводят к отсутствию данных о площади объектов.

С помощью функций табличного процессора Excel и встроенного средства VBA, была произведена выборка и сортировка набора исходных данных.

Таблица 3 – Характеристики рассматриваемого набора данных

Исключение объектов, имеющих разного рода «загрязнения», является наиболее простым способом, так как не требует применения никаких дополнительных алгоритмов ^[12].

Теперь воспользуемся одним из полученных пространственных наборов данных для проведения регрессионного анализа. Пусть необходимо построить линейную модель множественной регрессии для зависимой переменной y, условно выражающей некоторый объем, и шести независимых переменных х1, х2, … x6 различных размерностей. Каждое наблюдение соответствует определенному объекту, то есть имеется набор пространственных данных, содержащих n=46718 наблюдений. Данные представлены в таблице Excel и, помимо уже указанной информации, содержат код объекта и дату измерений.

Первичный осмотр исходных данных позволил сделать вывод об их «загрязнении» недопустимыми значениями зависимой и одной из независимых переменных. Для проведения в дальнейшем сравнительного анализа, результаты которого представлены в Таблице 4, было построено уравнение регрессии по всем исходным данным – модель 1. Отметим, что кроме коэффициента при переменной х₃ все остальные коэффициенты статистически значимы, как и уравнение в целом. Однако, значение скорректированного коэффициента детерминации говорит о плохом качестве модели.

Таблица 4 – Сравнительная характеристика моделей регрессии с разной степенью очистки исходных данных

Первым шагом в очищении данных было устранение явно неверных (отрицательных) значений зависимой переменной – модель 2. При этом были потеряны 3295 наблюдений. Исключение наблюдений, не удовлетворяющих принятым условиям – достаточно грубый способ, но самый простой, так как не требует использования дополнительных алгоритмов. В модели 2 существенно изменились практически все коэффициенты: два поменяли знак, остальные увеличились или уменьшились в разы. Статистически не значимыми оказались свободный член уравнения и коэффициент при х₅, уравнение в целом осталось статистически значимым, а коэффициент детерминации вырос.

На следующем шаге были исключены данные наблюдений с нулевыми значениями зависимой переменной, это привело к потере ещё 219 наблюдений. Построенное регрессионное уравнение – модель 3. Результат мало изменился и по величине, и по статистической значимости.

Модель 4 построена по данным, имеющим только положительные объем y и площадь х6. Исключение из рассмотрения неположительных объема и площади привело к потере еще 7953 наблюдений, но их всё еще оставалось достаточно много для проведения регрессионного анализа. В результате (Таблица 4, модель 4) существенно изменились: свободный член уравнения, он поменял знак; коэффициент при х2 стал статистически незначим. При этом коэффициент при х6 остался практически неизменным, хотя исключались данные именно по х6.

Таким образом, при анализе данных принимаются во внимание все наблюдаемые значения показателей (т.е. отсутствуют «выколотые» точки, которые в случае исследования статистическими методами могли быть проигнорированы).

Заключение

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

Задача структурирования данных, подготовки их к качественному анализу является уникальной задачей для каждого конкретного набора исходных данных и не может быть решена с помощью общего алгоритма, всегда будет иметь свои особенности.

Исключение из анализа разного рода подозрительных наблюдений может резко сократить объем совокупности и привести к необоснованному снижению вариации. При этом, такой подход будет совершенно неприемлем, если в результате из анализа будут исключены важные объекты наблюдений и нарушена целостность совокупности.

Качество построенной модели может ухудшаться при наличии аномальных значений, но может и улучшаться за их счет.