Optimization of feature learning through grammar-guided genetic programming

Tese de Mestrado, Ciência de Dados, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasMachine Learning (ML) is becoming more prominent in daily life. A key aspect in ML is Feature Engineering (FE), which can entail a long and tedious process. Therefore, the automation of FE, known as Feature Learning (FL), can be highly rewarding. FL methods need not only have high prediction performance, but should also produce interpretable methods. Many current high-performance ML methods that can be considered FL methods, such as Neural Networks and PCA, lack interpretability. A popular ML used for FL that produces interpretable models is Genetic Programming (GP), with multiple successful applications and methods like M3GP. In this thesis, I present two new GP-based FL methods, namely M3GP with Domain Knowledge (DK-M3GP) and DK-M3GP with feature Aggregation (DKA-M3GP). Both use grammars to enhance the search process of GP, in a method called GrammarGuided GP (GGGP). DK-M3GP uses grammars to incorporate domain knowledge in the search process. In particular, I use DK-M3GP to define what solutions are humanly valid, in this case by disallowing operating arithmetically on categorical features. For example, the multiplication of the postal code of an individual with their wage is not deemed sensible and thus disallowed. In DKA-M3GP, I use grammars to include a feature aggregation method in the search space. This method can be used for time series and panel datasets, to aggregate the target value of historic data based on a known feature value of a new data point. For example, if I want to predict the number of bikes seen daily in a city, it is interesting to know how many were seen on average in the last week. Furthermore, DKA-M3GP allows for filtering the aggregation based on some other feature value. For example, we can include the average number of bikes seen on past Sundays. I evaluated my FL methods for two ML problems in two environments. First, I evaluate the independent FL process, and, after that, I evaluate the FL steps within four ML pipelines. Independently, DK-M3GP shows a two-fold advantage over normal M3GP; better interpretability in general, and higher prediction performance for one problem. DKA-M3GP has a much better prediction performance than M3GP for one problem, and a slightly better one for the other. Furthermore, within the ML pipelines it performed well in one of two problems. Overall, my methods show potential for FL. Both methods are implemented in Genetic Engine an individual-representation-independent GGGP framework, created as part of this thesis. Genetic Engine is completely implemented in Python and shows competing performance with the mature GGGP framework PonyGE2.A Inteligência Artificial (IA) e o seu subconjunto de Aprendizagem Automática (AA) estão a tornarse mais importantes para nossas vidas a cada dia que passa. Ambas as áreas estão presentes no nosso dia a dia em diversas aplicações como o reconhecimento automático de voz, os carros autónomos, ou o reconhecimento de imagens e deteção de objetos. A AA foi aplicada com sucesso em muitas áreas, como saúde, finanças e marketing. Num contexto supervisionado, os modelos de AA são treinados com dados e, posteriormente, são usados para prever o comportamento de dados futuros. A combinação de etapas realizadas para construir um modelo de AA, totalmente treinado e avaliado, é chamada um AA pipeline, ou simplesmente pipeline. Todos os pipelines seguem etapas obrigatórias, nomeadamente a recuperação, limpeza e manipulação dos dados, a seleção e construção de features, a seleção do modelo e a otimização dos seus parâmetros, finalmente, a avaliação do modelo. A construção de AA pipelines é uma tarefa desafiante, com especificidades que dependem do domínio do problema. Existem desafios do lado do design, otimização de hiperparâmetros, assim como no lado da implementação. No desenho de pipelines, as escolhas devem ser feitas em relação aos componentes a utilizar e à sua ordem. Mesmo para especialistas em AA, desenhar pipelines é uma tarefa entediante . As escolhas de design exigem experiência em AA e um conhecimento do domínio do problema, o que torna a construção do pipeline num processo intensivo de recursos. Após o desenho do pipeline, os parâmetros do mesmo devem ser otimizados para melhorar o seu desempenho. A otimização de parâmetros, geralmente, requer a execução e avaliação sequencial do pipeline, envolvendo altos custos. No lado da implementação, os programadores podem introduzir bugs durante o processo de desenvolvimento. Esses bugs podem levar à perda de tempo e dinheiro para serem corrigidos, e, se não forem detectados, podem comprometer a robustez e correção do modelo ou introduzir problemas de desempenho. Para contornar esses problemas de design e implementação, surgiu uma nova linha de investigação designada por AutoML (Automated Machine Learning). AutoML visa automatizar o desenho de AA pipelines, a otimização de parâmetros, e a sua implementação. Uma parte importante dos pipelines de AA é a maneira como os features dos dados são manipulados. A manipulação de dados tem muitos aspetos, reunidos sob o termo genérico Feature Engineering (FE). Em suma, FE visa melhorar a qualidade do espaço de solução selecionando as features mais importantes e construindo novas features relevantes. Contudo, este é um processo que consome muitos recursos, pelo que a sua automação é uma sub-área altamente recompensadora de AutoML. Nesta tese, defino Feature Learning (FL) como a área de FE automatizado. Uma métrica importante de FE e, portanto, de FL, é a interpretabilidade das features aprendidas. Interpretabilidade, que se enquadra na área de Explainable IA (XIA), refere-se à facilidade de entender o significado de uma feature. A ocorrência de diversos escândalos em IA, como modelos racistas e sexistas, levaram a União Europeia a propor legislação sobre modelos sem interpretabilidade. Muitos métodos clássicos, e portanto amplamente usados, carecem de interpretabilidade, dando origem ao interesse recémdescoberto em XIA. A atual investigação em FL trata os valores de features existentes sem os relacionar com o seu significado semântico. Por exemplo, engenharia de uma feature que representa a multiplicação do código postal com a idade de uma pessoa não é um uso lógico do código postal. Embora os códigos postais possam ser representados como números inteiros, eles devem ser tratados como valores categóricos. A prevenção deste tipo de interações entre features, melhora o desempenho do pipeline, uma vez que reduz o espaço de procura de possíveis features ficando apenas com as que fazem semanticamente sentido. Além disso, este processo resulta em features que são intrinsecamente interpretáveis. Deste modo, o conhecimento sobre o domínio do problema, impede a engenharia de features sem significado durante o processo de FE.. Outro aspecto de FL normalmente não considerado nos métodos existentes, é a agregação de valores de uma única feature por várias entidades de dados. Por exemplo, vamos considerar um conjunto de dados sobre fraude de cartão de crédito. A quantidade média de transações anteriores de um cartão é potencialmente uma feature interessante para incluir, pois transmite o significado de uma transação ’normal’. No entanto, isso geralmente não é diretamente inferível nos métodos de FL existentes. Refirome a este método de FL como agregação de entidades, ou simplesmente agregação. Por fim, apesar da natureza imprevisível dos conjuntos de dados da vida real, os métodos existentes exigem principalmente features que tenham dados homogêneos. Isso exige que os cientistas de dados realizem um pré-processamento do conjunto de dados. Muitas vezes, isso requer transformar categorias em números inteiros ou algum tipo de codificação, como por exemplo one-hot encoding. Contudo, conforme discutido acima, isso pode reduzir a interpretabilidade e o desempenho do pipeline. A Programação Genética (GP), um método de ML, é também usado para FL e permite a criação de modelos mais interpretáveis que a maioria dos métodos tradicionais. GP é um método baseado em procura que evolui programas ou, no caso de FL, mapeamentos entre apresentas de espaços. Os métodos de FL baseados em GP existentes não incorporam os três aspectos acima mencionados: o conhecimento do domínio, a agregação e a conformidade com tipos de dados heterogêneos. Algumas abordagens incorporam algumas partes desses aspetos, principalmente usando gramáticas para orientar o processo de procura. O objetivo deste trabalho é explorar se a GP consegue usar gramáticas para melhorar a qualidade da FL, quer em termos de desempenho preditivo ou de interpretabilidade. Primeiro, construímos o Genetic Engine, uma framework de GP guiada por gramática (Grammar-Guided GP (GGGP)). O Genetic Engine é uma framework de GGGP fácil de usar que permite expressar gramáticas complexas. Mostramos que o Genetic Engine tem um bom desempenho quando comparado com a framework de Python do estado da arte, PonyGE2. Em segundo lugar, proponho dois novos métodos de FL baseados em GGGP implementados no Genetic Engine. Ambos os métodos estendem o M3GP, o método FL do estado da arte baseado em GP. A primeira incorpora o conhecimento do domínio, denominado M3GP com conhecimento do domínio (M3GP with Domain Knowledge (DK-M3GP)). O primeiro método restringe o comportamento das features permitindo apenas interações sensatas, por meio de condições e declarações. O segundo método estende X DK-M3GP, introduzindo agregação no espaço de procura, e é denominado DK-M3GP com Agregação (DK-M3GP with Aggregation (DKA-M3GP)). O DKA-M3GP usa totalmente a facilidade de implementação do Genetic Engine, pois requer a implementação de uma gramática complexa. Neste trabalho, o DK-M3GP e DKA-M3GP foram avaliados em comparação com o GP Tradicional, M3GP e numerosos métodos clássicos de FL em dois problemas de ML. As novas abordagens foram avaliadas assumindo que são métodos autônomos de FL e fazendo parte de uma pipeline maior. Como métodos FL independentes, ambos os métodos demonstram boa previsão de desempenho em pelo menos um dos dois problemas. Como parte da pipeline, os métodos apresentam pouca vantagem em relação aos métodos clássicos no seu desempenho de previsão. Após a análise dos resultados, uma possível explicação encontra-se no overfitting dos métodos FL para a função de fitness e no conjunto de dados de treino. O Neste trabalho, discuto também a melhoria na interpretabilidade após incorporar conhecimento do domínio no processo de procura. Uma avaliação preliminar do DK-M3GP indica que, utilizando a medida de complexidade Expression Size (ES), é possível obter uma melhoria na interpretabilidade. Todavia, verifiquei também que a medida de complexidade utilizada pode não ser a mais adequada devido a estrutura de características em forma de árvore das características construídas por DK-M3GP que potencia um ES. Considero que um método de avaliação de interpretabilidade mais complexo deve apontar isso

Automated test data generation using a scatter search approach

The techniques for the automatic generation of test cases try to efficiently find a small set of cases that allow a given adequacy criterion to be fulfilled, thus contributing to a reduction in the cost of software testing. In this paper we present and analyze two versions of an approach based on the Scatter Search metaheuristic technique for the automatic generation of software test cases using a branch coverage adequacy criterion. The first test case generator, called TCSS, uses a diversity property to extend the search of test cases to all branches of the program under test in order to generate test cases that cover these. The second, called TCSS-LS, is an extension of the previous test case generator which combines the diversity property with a local search method that allows the intensification of the search for test cases that cover the difficult branches. We present the results obtained by our generators and carry out a detailed comparison with many other generators, showing a good performance of our approac

Fundamental Approaches to Software Engineering

This open access book constitutes the proceedings of the 23rd International Conference on Fundamental Approaches to Software Engineering, FASE 2020, which took place in Dublin, Ireland, in April 2020, and was held as Part of the European Joint Conferences on Theory and Practice of Software, ETAPS 2020. The 23 full papers, 1 tool paper and 6 testing competition papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 81 submissions. The papers cover topics such as requirements engineering, software architectures, specification, software quality, validation, verification of functional and non-functional properties, model-driven development and model transformation, software processes, security and software evolution

An extensive experimental evaluation of automated machine learning methods for recommending classification algorithms

This paper presents an experimental comparison among four automated machine learning (AutoML) methods for recommending the best classification algorithm for a given input dataset. Three of these methods are based on evolutionary algorithms (EAs), and the other is Auto-WEKA, a well-known AutoML method based on the combined algorithm selection and hyper-parameter optimisation (CASH) approach. The EA-based methods build classification algorithms from a single machine learning paradigm: either decision-tree induction, rule induction, or Bayesian network classification. Auto-WEKA combines algorithm selection and hyper-parameter optimisation to recommend classification algorithms from multiple paradigms. We performed controlled experiments where these four AutoML methods were given the same runtime limit for different values of this limit. In general, the difference in predictive accuracy of the three best AutoML methods was not statistically significant. However, the EA evolving decision-tree induction algorithms has the advantage of producing algorithms that generate interpretable classification models and that are more scalable to large datasets, by comparison with many algorithms from other learning paradigms that can be recommended by Auto-WEKA. We also observed that Auto-WEKA has shown meta-overfitting, a form of overfitting at the meta-learning level, rather than at the base-learning level

A heuristic-based approach to code-smell detection

Encapsulation and data hiding are central tenets of the object oriented paradigm. Deciding what data and behaviour to form into a class and where to draw the line between its public and private details can make the difference between a class that is an understandable, flexible and reusable abstraction and one which is not. This decision is a difficult one and may easily result in poor encapsulation which can then have serious implications for a number of system qualities. It is often hard to identify such encapsulation problems within large software systems until they cause a maintenance problem (which is usually too late) and attempting to perform such analysis manually can also be tedious and error prone. Two of the common encapsulation problems that can arise as a consequence of this decomposition process are data classes and god classes. Typically, these two problems occur together – data classes are lacking in functionality that has typically been sucked into an over-complicated and domineering god class. This paper describes the architecture of a tool which automatically detects data and god classes that has been developed as a plug-in for the Eclipse IDE. The technique has been evaluated in a controlled study on two large open source systems which compare the tool results to similar work by Marinescu, who employs a metrics-based approach to detecting such features. The study provides some valuable insights into the strengths and weaknesses of the two approache