Predictive based hybrid ranker to yield significant features in writer identification

The contribution of writer identification (WI) towards personal identification in biometrics traits is known because it is easily accessible, cheaper, more reliable and acceptable as compared to other methods such as personal identification based DNA, iris and fingerprint. However, the production of high dimensional datasets has resulted into too many irrelevant or redundant features. These unnecessary features increase the size of the search space and decrease the identification performance. The main problem is to identify the most significant features and select the best subset of features that can precisely predict the authors. Therefore, this study proposed the hybridization of GRA Features Ranking and Feature Subset Selection (GRAFeSS) to develop the best subsets of highest ranking features and developed discretization model with the hybrid method (Dis-GRAFeSS) to improve classification accuracy. Experimental results showed that the methods improved the performance accuracy in identifying the authorship of features based ranking invariant discretization by substantially reducing redundant features

Predictive Based Hybrid Ranker To Yield Significant Features In Writer Identification

The contribution of writer identification (WI) towards personal identification in biometrics traits is known because it is easily accessible, cheaper, more reliable and acceptable as compared to other methods such as personal identification based DNA, iris and fingerprint. However, the production of high dimensional datasets has resulted into too many irrelevant or redundant features. These unnecessary features increase the size of the search space and decrease the identification performance. The main problem is to identify the most significant features and select the best subset of features that can precisely predict the authors. Therefore, this study proposed the hybridization of GRA Features Ranking and Feature Subset Selection (GRAFeSS) to develop the best subsets of highest ranking features and developed discretization model with the hybrid method (Dis-GRAFeSS) to improve classification accuracy. Experimental results showed that the methods improved the performance accuracy in identifying the authorship of features based ranking invariant discretization by substantially reducing redundant features

Intelligent network intrusion detection using an evolutionary computation approach

With the enormous growth of users\u27 reliance on the Internet, the need for secure and reliable computer networks also increases. Availability of effective automatic tools for carrying out different types of network attacks raises the need for effective intrusion detection systems. Generally, a comprehensive defence mechanism consists of three phases, namely, preparation, detection and reaction. In the preparation phase, network administrators aim to find and fix security vulnerabilities (e.g., insecure protocol and vulnerable computer systems or firewalls), that can be exploited to launch attacks. Although the preparation phase increases the level of security in a network, this will never completely remove the threat of network attacks. A good security mechanism requires an Intrusion Detection System (IDS) in order to monitor security breaches when the prevention schemes in the preparation phase are bypassed. To be able to react to network attacks as fast as possible, an automatic detection system is of paramount importance. The later an attack is detected, the less time network administrators have to update their signatures and reconfigure their detection and remediation systems. An IDS is a tool for monitoring the system with the aim of detecting and alerting intrusive activities in networks. These tools are classified into two major categories of signature-based and anomaly-based. A signature-based IDS stores the signature of known attacks in a database and discovers occurrences of attacks by monitoring and comparing each communication in the network against the database of signatures. On the other hand, mechanisms that deploy anomaly detection have a model of normal behaviour of system and any significant deviation from this model is reported as anomaly. This thesis aims at addressing the major issues in the process of developing signature based IDSs. These are: i) their dependency on experts to create signatures, ii) the complexity of their models, iii) the inflexibility of their models, and iv) their inability to adapt to the changes in the real environment and detect new attacks. To meet the requirements of a good IDS, computational intelligence methods have attracted considerable interest from the research community. This thesis explores a solution to automatically generate compact rulesets for network intrusion detection utilising evolutionary computation techniques. The proposed framework is called ESR-NID (Evolving Statistical Rulesets for Network Intrusion Detection). Using an interval-based structure, this method can be deployed for any continuous-valued input data. Therefore, by choosing appropriate statistical measures (i.e. continuous-valued features) of network trafc as the input to ESRNID, it can effectively detect varied types of attacks since it is not dependent on the signatures of network packets. In ESR-NID, several innovations in the genetic algorithm were developed to keep the ruleset small. A two-stage evaluation component in the evolutionary process takes the cooperation of rules into consideration and results into very compact, easily understood rulesets. The effectiveness of this approach is evaluated against several sources of data for both detection of normal and abnormal behaviour. The results are found to be comparable to those achieved using other machine learning methods from both categories of GA-based and non-GA-based methods. One of the significant advantages of ESR-NIS is that it can be tailored to specific problem domains and the characteristics of the dataset by the use of different fitness and performance functions. This makes the system a more flexible model compared to other learning techniques. Additionally, an IDS must adapt itself to the changing environment with the least amount of configurations. ESR-NID uses an incremental learning approach as new flow of traffic become available. The incremental learning approach benefits from less required storage because it only keeps the generated rules in its database. This is in contrast to the infinitely growing size of repository of raw training data required for traditional learning

Proactive Adaptation in Self-Organizing Task-based Runtime Systems for Different Computing Classes

Moderne Computersysteme bieten Anwendern und Anwendungsentwicklern ein hohes Maß an Parallelität und Heterogenität. Die effiziente Nutzung dieser Systeme erfordert jedoch tiefgreifende Kenntnisse, z.B. der darunterliegenden Hardware-Plattform und den notwendigen Programmiermodellen, und umfangreiche Arbeit des Entwicklers. In dieser Thesis bezieht sich die effiziente Nutzung auf die Gesamtausführungszeit der Anwendungen, den Energieverbrauch des Systems, die maximale Temperatur der Verarbeitungseinheiten und die Zuverlässigkeit des Systems. Neben den verschiedenen Optimierungszielen muss ein Anwendungsentwickler auch die spezifischen Einschränkungen und Randbedingungen des Systems berücksichtigen, wie z. B. Deadlines oder Sicherheitsgarantien, die mit bestimmten Anwendungsbereichen einhergehen. Diese Komplexität heterogener Systeme macht es unmöglich, alle potenziellen Systemzustände und Umwelteinflüsse, die zur Laufzeit auftreten können, vorherzusagen. Die System- und Anwendungsentwickler sind somit nicht in der Lage, zur Entwurfszeit festzulegen, wie das System und die Anwendungen in allen möglichen Situationen reagieren sollen. Daher ist es notwendig, die Systeme zur Laufzeit der aktuellen Situation anzupassen, um ihr Verhalten entsprechend zu optimieren. In eingebetteten Systemen mit begrenzten Kühlkapazitäten muss z.B. bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle eine Lastverteilung vorgenommen, die Frequenz verringert oder Verarbeitungseinheiten abgeschaltet werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Normalerweise reicht es aber nicht aus, einfach nur auf einen ungünstigen Systemzustand zu reagieren. Das Ziel sollte darin bestehen, ungünstige oder fehlerhafte Systemzustände vor dem Auftreten zu vermeiden, um die Notwendigkeit des Aufrufs von Notfallfunktionen zu verringern und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Anstatt beispielsweise die Wärmeentwicklung durch eine Neuverteilung der Anwendungen zu reduzieren, könnten proaktive Mechanismen kritische Temperaturen bereits im Vorfeld vermeiden, indem sie bestimmte unkritische Aufgaben verzögern oder deren Genauigkeit oder QoS verringern. Auf diese Weise wird die Systemlast reduziert, bevor ein kritischer Punkt erreicht wird. Lösungen des aktuellen Stands der Technik wie einheitliche Programmiersprachen oder Laufzeitsysteme adressieren einige der oben genannten Herausforderungen, jedoch existiert kein Ansatz, der in der Lage ist, eine Optimierung mehrerer sich widersprechender Zielfunktionen dynamisch und vor allem proaktiv durchzuführen. Ein Konzept, das diese komplexe Aufgabe für den Entwickler übernimmt und eine Möglichkeit zur dynamischen und proaktiven Anpassung an Veränderungen bietet, ist die Selbstorganisation. Selbstorganisation ist jedoch definiert als ein Prozess ohne externe Kontrolle oder Steuerung. Im Kontext der Systemoptimierung kann dies leicht zu unerwünschten Ergebnissen führen. Ein Ansatz, der Selbstorganisation mit einem Kontrollmechanismus kombiniert, welcher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Störungen abzielt, ist Organic Computing. Das bestimmende Merkmal von Organic Computing ist eine Observer/Controller-Architektur. Das Konzept dieser Architektur besteht darin, den aktuellen Zustand des Systems und der Umgebung zu überwachen, diese Daten zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse Entscheidungen über das zukünftige Systemverhalten zu treffen. Organic Computing ermöglicht es also auf der Grundlage der vergangenen und des aktuellen Zustands proaktiv Mechanismen auszuwählen und auszulösen, die das System optimieren und unerwünschte Zustände vermeiden. Um die Vorteile des Organic Computings auf moderne heterogene Systeme zu übertragen, kombiniere ich den Organic Computing-Ansatz mit einem Laufzeitsystem. Laufzeitsysteme sind ein vielversprechender Kandidat für die Umsetzung des Organic Computing-Ansatzes, da sie bereits die Ausführung von Anwendungen überwachen und steuern. Insbesondere betrachte und bearbeite ich in dieser Dissertation die folgenden Forschungsthemen, indem ich die Konzepte des Organic Computings und der Laufzeitsysteme kombiniere: • Erfassen des aktuellen Systemzustands durch Überwachung von Sensoren und Performance Countern • Vorhersage zukünftiger Systemzustände durch Analyse des vergangenen Verhaltens • Nutzung von Zustandsinformationen zur proaktiven Anpassung des Systems Ich erweitere das Thema der Erfassung von Systemzuständen auf zwei Arten. Zunächst führe ich eine neuartige heuristische Metrik zur Berechnung der Zuverlässigkeit einer Verarbeitungseinheit ein, die auf symptombasierter Fehlererkennung basiert. Symptombasierte Fehlererkennung ist eine leichtgewichtige Methode zur dynamischen Erkennung von soften Hardware-Fehlern durch Überwachung des Ausführungsverhaltens mit Performance Countern. Die dynamische Erkennung von Fehlern ermöglicht dann die Berechnung einer heuristischen Fehlerrate einer Verarbeitungseinheit in einem bestimmten Zeitfenster. Die Fehlerrate wird verwendet, um die Anzahl der erforderlichen Ausführungen einer Anwendung zu berechnen, um eine bestimmte Ergebniszuverlässigkeit, also eine Mindestwahrscheinlichkeit für ein korrektes Ergebnis, zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt der Zustandserfassung ist die Minimierung des entstehenden Overheads. Ich verringere die Anzahl der für OpenMP-Tasks notwendigen Profiling-Durchläufe durch Thread-Interpolation und Überprüfungen des Skalierungsverhaltens. Zusätzlich untersuche ich die Vorhersage von OpenCL Task-Ausführungszeiten. Die Prädiktoren der Ausführungszeiten werden mit verschiedenen maschinellen Lernalgorithmen trainiert. Als Input werden Profile der Kernel verwendet, die durch statische Codeanalyse erstellt wurden. Um in dieser Dissertation zukünftige Systemzustände vorherzusagen, sollen Anwendungen vorausgesagt werden, die in naher Zukunft im System vorkommen werden. In Kombination mit der Ausführungsdatenbank ermöglicht dies die Schätzung der anstehenden Kosten, die das System zu bewältigen hat. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen zur Vorhersage von Anwendungen/Tasks entwickelt. Der erste Prädiktor zielt darauf ab, neue Instanzen unabhängiger Tasks vorherzusagen. Der zweite Mechanismus betrachtet Ausführungsmuster abhängiger Anwendungen und sagt auf dieser Grundlage zukünftig auftretende Anwendungen vorher. Beide Mechanismen verwenden eine Vorhersagetabelle, die auf Markov-Prädiktoren und dem Abgleich von Mustern basiert. In dieser Arbeit wird das Wissen, das durch die Systemüberwachung und die Vorhersage zukünftiger Anwendungen gewonnen wird, verwendet, um die Optimierungsziele des Systems proaktiv in Einklang zu bringen und zu gewichten. Dies geschieht durch eine Reihe von Regeln, die eine Systemzustandsbeschreibung, bestehend aus dem aktuellen Zustand, Vorhersagen und Randbedingungen bzw. Beschränkungen, auf einen Vektor aus Gewichten abbilden. Zum Erlernen der Regelmenge wird ein Extended Classifer System (XCS) eingesetzt. Das XCS ist in eine hierarchische Architektur eingebettet, die nach den Prinzipien des Organic Computing entworfen wurde. Eine wichtige Designentscheidung ist dabei die Auslagerung der Erstellung neuer Regeln an einen Offline-Algorithmus, der einen Simulator nutzt und parallel zum normalen Systemablauf ausgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keine ungetesteten Regeln, deren Auswirkungen noch nicht bekannt sind, dem laufenden System hinzugefügt werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte werden schließlich verwendet, um eine Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen zu erstellen. Diese Dissertation erweitert das Forschungsgebiet der Scheduling-Algorithmen durch zwei Mechanismen für dynamisches Scheduling. Die erste Erweiterung konzentriert sich auf nicht sicherheitskritische Systeme, die Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Wichtigkeit von Tasks auszudrücken. Da statische Prioritäten in stark ausgelasteten Systemen zu Starvation führen können, habe ich einen dynamischen Ageing-Mechanismus entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Prioritäten der Tasks entsprechend der aktuellen Auslastung und ihrer Wartezeiten anzupassen. Dadurch reduziert der Mechanismus die Gesamtlaufzeit über alle Tasks und die Wartezeit für Tasks mit niedrigerer Priorität. Noch ist eine große Anzahl von Anwendungen nicht dazu bereit, den hohen Grad an Parallelität zu nutzen, den moderne Computersysteme bieten. Ein Konzept, das versucht dieses Problem zu lösen, indem es mehrere verschiedene Prozesse auf demselben Rechenknoten zur Ausführung bringt, ist das Co-Scheduling. In dieser Dissertation stelle ich einen neuartigen Co-Scheduling-Mechanismus vor, welcher die Task-Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen optimiert, die auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Um die notwendigen Informationen zwischen den Laufzeitsysteminstanzen zu teilen, speichert der Mechanismus die Daten in Shared Memory. Sobald ein Laufzeitsystem neue Tasks in das System einfügt, prüft der Mechanismus, ob die Berechnung eines neuen Schedules sinnvoll ist. Wird die Entscheidung getroffen, einen neuen Schedule zu berechnen, setzt der Mechanismus Simulated Annealing ein, um alle Tasks, die bisher noch nicht mit ihrer Ausführung begonnen haben, neu auf Ausführungseinheiten abzubilden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neuartige Mechanismen und Algorithmen sowie Erweiterungen zu verschiedenen Forschungsgebieten anbietet, um ein proaktives selbst-organisierendes System zu implementieren, das sich an neue und unbekannte Situationen anpassen kann. Dabei wird die Komplexität für Benutzer und Anwendungsentwickler reduziert, indem die Entscheidungsfindung in das System selbst ausgelagert wird. Gleichzeitig sorgt dieser Ansatz für eine effiziente Nutzung der Ressourcen des Systems. Insgesamt leistet diese Arbeit die folgenden Beiträge zur Erweiterung des Stands der Forschung: • Einführung einer neuartigen heuristischen Metrik zur Messung der Zuverlässigkeit von Verarbeitungseinheiten. Die Metrik basiert auf einer leichtgewichtigen Methode zur Fehlererkennung, genannt symptombasierte Fehlererkennung. Mit der symptombasierten Fehlererkennung ist es möglich, mehrere injizierte Fehlerklassen und Interferenzen, die Soft-Hardware-Fehler simulieren, sowohl auf einer CPU als auch auf einer GPU zuverlässig zu erkennen. Darüber hinaus werden diese Ergebnisse durch Welch\u27s t-Test statistisch bestätigt. • Vorschlag eines Vorhersagemodells für die Ausführungszeit von OpenCL Kerneln, das auf statischer Code-Analyse basiert. Das Modell ist in der Lage, die schnellste Verarbeitungseinheit aus einer Menge von Verarbeitungseinheiten mit einer Genauigkeit von im schlechtesten Fall $69\,\%$ auszuwählen. Zum Vergleich: eine Referenzvariante, welche immer den Prozessor vorhersagt, der die meisten Kernel am schnellsten ausführt, erzielt eine Genauigkeit von $25\,\%$. Im besten Fall erreicht das Modell eine Genauigkeit von bis zu $83\,\%$. • Bereitstellung von zwei Prädiktoren für kommende Tasks/Anwendungen. Der erste Mechanismus betrachtet unabhängige Tasks, die ständig neue Task-Instanzen erstellen, der zweite abhängige Anwendungen, die Ausführungsmuster bilden. Dabei erzielt der erste Mechanismus bei der Vorhersage der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Task-Instanzen einen maximalen\\ $sMAPE$-Wert von $4,33\,\%$ für sporadische und $0,002 \,\%$ für periodische Tasks. Darüber hinaus werden Tasks mit einem aperiodischen Ausführungsschema zuverlässig erkannt. Der zweite Mechanismus erreicht eine Genauigkeit von $77,6 \,\%$ für die Vorhersage der nächsten anstehenden Anwendung und deren Startzeit. • Einführung einer Umsetzung eines hierarchischen Organic Computing Frameworks mit dem Anwendungsgebiet Task-Scheduling. Dieses Framework enthält u.a. ein modifiziertes XCS, für dessen Design und Implementierung ein neuartiger Reward-Mechanismus entwickelt wird. Der Mechanismus bedient sich dabei eines speziell für diesen Zweck entwickelten Simulators zur Berechnung von Task-Ausführungskosten. Das XCS bildet Beschreibungen des Systemzustands auf Gewichte zur Balancierung der Optimierungsziele des Systems ab. Diese Gewichte werden in einer Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen verwendet. Damit wird in einem Evaluationsszenario, welches aus einem fünfmal wiederholten Muster aus Anwendungen besteht, eine Reduzierung der Gesamtlaufzeit um $10,4\,\%$ bzw. $26,7\,s$, des Energieverbrauchs um $4,7\,\%$ bzw. $2061,1\,J$ und der maximalen Temperatur der GPU um $3,6\,\%$ bzw. $2,7 K$ erzielt. Lediglich die maximale Temperatur über alle CPU-Kerne erhöht sich um $6\,\%$ bzw. $2,3\,K$. • Entwicklung von zwei Erweiterungen zur Verbesserung des dynamischen Task-Schedulings für einzelne und mehrere Prozesse, z.B. mehrere Laufzeitsysteminstanzen. Der erste Mechanismus, ein Ageing-Algorithmus, betrachtet nicht sicherheitskritische Systeme, welche Task-Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Bedeutung von Anwendungen darzustellen. Da es in solchen Anwendungsszenarien in Kombination mit hoher Systemauslastung zu Starvation kommen kann, passt der Mechanismus die Task-Prioritäten dynamisch an die aktuelle Auslastung und die Task-Wartezeiten an. Insgesamt erreicht dieser Mechanismus in zwei Bewertungsszenarien eine durchschnittliche Laufzeitverbesserung von $3,75\,\%$ und $3,16\,\%$ bei gleichzeitiger Reduzierung der Durchlaufzeit von Tasks mit niedrigerer Priorität um bis zu $25,67\,\%$. Der zweite Mechanismus ermöglicht die Optimierung von Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen, die parallel auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Dieser Co-Scheduling-Ansatz verwendet Shared Memory zum Austausch von Informationen zwischen den Prozessen und Simulated Annealing zur Berechnung neuer Task-Schedules. In zwei Evaluierungsszenarien erzielt der Mechanismus durchschnittliche Laufzeitverbesserungen von $19,74\,\%$ und $20,91\,\%$ bzw. etwa $2,7\,s$ und $3\,s$

INVESTIGATIONS INTO THE COGNITIVE ABILITIES OF ALTERNATE LEARNING CLASSIFIER SYSTEM ARCHITECTURES

The Learning Classifier System (LCS) and its descendant, XCS, are promising paradigms for machine learning design and implementation. Whereas LCS allows classifier payoff predictions to guide system performance, XCS focuses on payoff-prediction accuracy instead, allowing it to evolve optimal classifier sets in particular applications requiring rational thought. This research examines LCS and XCS performance in artificial situations with broad social/commercial parallels, created using the non-Markov Iterated Prisoner\u27s Dilemma (IPD) game-playing scenario, where the setting is sometimes asymmetric and where irrationality sometimes pays. This research systematically perturbs a conventional IPD-playing LCS-based agent until it results in a full-fledged XCS-based agent, contrasting the simulated behavior of each LCS variant in terms of a number of performance measures. The intent is to examine the XCS paradigm to understand how it better copes with a given situation (if it does) than the LCS perturbations studied.Experiment results indicate that the majority of the architectural differences do have a significant effect on the agents\u27 performance with respect to the performance measures used in this research. The results of these competitions indicate that while each architectural difference significantly affected its agent\u27s performance, no single architectural difference could be credited as causing XCS\u27s demonstrated superiority in evolving optimal populations. Instead, the data suggests that XCS\u27s ability to evolve optimal populations in the multiplexer and IPD problem domains result from the combined and synergistic effects of multiple architectural differences.In addition, it is demonstrated that XCS is able to reliably evolve the Optimal Population [O] against the TFT opponent. This result supports Kovacs\u27 Optimality Hypothesis in the IPD environment and is significant because it is the first demonstrated occurrence of this ability in an environment other than the multiplexer and Woods problem domains.It is therefore apparent that while XCS performs better than its LCS-based counterparts, its demonstrated superiority may not be attributed to a single architectural characteristic. Instead, XCS\u27s ability to evolve optimal classifier populations in the multiplexer problem domain and in the IPD problem domain studied in this research results from the combined and synergistic effects of multiple architectural differences

Contributions to comprehensible classification

xxx, 240 p.La tesis doctoral descrita en esta memoria ha contribuido a la mejora de dos tipos de algoritmos declasificación comprensibles: algoritmos de \'arboles de decisión consolidados y algoritmos de inducciónde reglas tipo PART.En cuanto a las contribuciones a la consolidación de algoritmos de árboles de decisión, se hapropuesto una nueva estrategia de remuestreo que ajusta el número de submuestras para permitir cambiarla distribución de clases en las submuestras sin perder información. Utilizando esta estrategia, la versiónconsolidada de C4.5 (CTC) obtiene mejores resultados que un amplio conjunto de algoritmoscomprensibles basados en algoritmos genéticos y clásicos. Tres nuevos algoritmos han sido consolidados:una variante de CHAID (CHAID*) y las versiones Probability Estimation Tree de C4.5 y CHAID* (C4.4y CHAIC). Todos los algoritmos consolidados obtienen mejores resultados que sus algoritmos de\'arboles de decisión base, con tres algoritmos consolidados clasificándose entre los cuatro mejores en unacomparativa. Finalmente, se ha analizado el efecto de la poda en algoritmos simples y consolidados de\'arboles de decisión, y se ha concluido que la estrategia de poda propuesta en esta tesis es la que obtiene mejores resultados.En cuanto a las contribuciones a algoritmos tipo PART de inducción de reglas, una primerapropuesta cambia varios aspectos de como PART genera \'arboles parciales y extrae reglas de estos, locual resulta en clasificadores con mejor capacidad de generalizar y menor complejidad estructuralcomparando con los generados por PART. Una segunda propuesta utiliza \'arboles completamentedesarrollados, en vez de parcialmente desarrollados, y genera conjuntos de reglas que obtienen aúnmejores resultados de clasificación y una complejidad estructural menor. Estas dos nuevas propuestas y elalgoritmo PART original han sido complementadas con variantes basadas en CHAID* para observar siestos beneficios pueden ser trasladados a otros algoritmos de \'arboles de decisión y se ha observado, dehecho, que los algoritmos tipo PART basados en CHAID* también crean clasificadores más simples ycon mejor capacidad de clasificar que CHAID

Three-cornered coevolution learning classifier systems for classification

This thesis introduces a Three-Cornered Coevolution System that is capable of addressing classification tasks through coevolution (coadaptive evolution) where three different agents (i.e. a generation agent and two classification agents) learn and adapt to the changes of the problems without human involvement. In existing pattern classification systems, humans usually play a major role in creating and controlling the problem domain. In particular, humans set up and tune the problem’s difficulty. A motivation of the work for this thesis is to design and develop an automatic pattern generation and classification system that can generate various sets of exemplars to be learned from and perform the classification tasks autonomously. The system should be able to automatically adjust the problem’s difficulty based on the learners’ ability to learn (e.g. determining features in the problem that affect the learners’ performance in order to generate various problems for classification at different levels of difficulty). Further, the system should be capable of addressing the classification tasks through coevolution (coadaptive evolution), where the participating agents learn and adapt to the changes of the problems without human participation. Ultimately, Learning Classifier System (LCS) is chosen to be implemented in the participating agents. LCS has several potential characteristics, such as interpretability, generalisation capability and variations in representation, that are suitable for the system. The work can be broken down into three main phases. Phase 1 is to develop an automated evolvable problem generator to autonomously generate various problems for classification, Phase 2 is to develop the Two-Cornered Coevolution System for classification, and Phase 3 is to develop the Three-Cornered Coevolution System for classification. Phase 1 is necessary in order to create a set of problem domains for classification (i.e. image-based data or artificial data) that can be generated automatically, where the difficulty levels of the problem can be adjusted and tuned. Phase 2 is needed to investigate the generation agent’s ability to autonomously tune and adjust the problem’s difficulty based on the classification agent’s performance. Phase 2 is a standard coevolution system, where two different agents evolve to adapt to the changes of the problem. The classification agent evolves to learn various classification problems, while the generation agent evolves to tune and adjust the problem’s difficulty based on the learner’s ability to learn. Phase 3 is the final research goal. This phase develops a new coevolution system where three different agents evolve to adapt to the changes of the problem. Both of the classification agents evolve to learn various classification problems, while the generation agent evolves to tune and adjust the problem’s difficulty based on the classification agents’ ability to learn. The classification agents use different styles of learning techniques (i.e. supervised or reinforcement learning techniques) to learn the problems. Based on the classification agents’ ability (i.e. the difference in performance between the classification agents) the generation agent adjusts and creates various problems for classification at different levels of difficulty (i.e. various ‘hard’ problems). The Three-Cornered Coevolution System offers a great potential for autonomous learning and provides useful insight into coevolution learning over the standard studies of pattern recognition. The system is capable of autonomously generating various problems, learning and providing insight into each learning system’s ability by determining the problem domains where they perform relatively well. This is in contrast to humans having to determine the problem domains

Contributions to comprehensible classification

xxx, 240 p.La tesis doctoral descrita en esta memoria ha contribuido a la mejora de dos tipos de algoritmos declasificación comprensibles: algoritmos de \'arboles de decisión consolidados y algoritmos de inducciónde reglas tipo PART.En cuanto a las contribuciones a la consolidación de algoritmos de árboles de decisión, se hapropuesto una nueva estrategia de remuestreo que ajusta el número de submuestras para permitir cambiarla distribución de clases en las submuestras sin perder información. Utilizando esta estrategia, la versiónconsolidada de C4.5 (CTC) obtiene mejores resultados que un amplio conjunto de algoritmoscomprensibles basados en algoritmos genéticos y clásicos. Tres nuevos algoritmos han sido consolidados:una variante de CHAID (CHAID*) y las versiones Probability Estimation Tree de C4.5 y CHAID* (C4.4y CHAIC). Todos los algoritmos consolidados obtienen mejores resultados que sus algoritmos de\'arboles de decisión base, con tres algoritmos consolidados clasificándose entre los cuatro mejores en unacomparativa. Finalmente, se ha analizado el efecto de la poda en algoritmos simples y consolidados de\'arboles de decisión, y se ha concluido que la estrategia de poda propuesta en esta tesis es la que obtiene mejores resultados.En cuanto a las contribuciones a algoritmos tipo PART de inducción de reglas, una primerapropuesta cambia varios aspectos de como PART genera \'arboles parciales y extrae reglas de estos, locual resulta en clasificadores con mejor capacidad de generalizar y menor complejidad estructuralcomparando con los generados por PART. Una segunda propuesta utiliza \'arboles completamentedesarrollados, en vez de parcialmente desarrollados, y genera conjuntos de reglas que obtienen aúnmejores resultados de clasificación y una complejidad estructural menor. Estas dos nuevas propuestas y elalgoritmo PART original han sido complementadas con variantes basadas en CHAID* para observar siestos beneficios pueden ser trasladados a otros algoritmos de \'arboles de decisión y se ha observado, dehecho, que los algoritmos tipo PART basados en CHAID* también crean clasificadores más simples ycon mejor capacidad de clasificar que CHAID

Evolutionary Reinforcement Learning of Spoken Dialogue Strategies

Institute for Communicating and Collaborative SystemsFrom a system developer's perspective, designing a spoken dialogue system can be a time-consuming and difficult process. A developer may spend a lot of time anticipating how a potential user might interact with the system and then deciding on the most appropriate system response. These decisions are encoded in a dialogue strategy, essentially a mapping between anticipated user inputs and appropriate system outputs. To reduce the time and effort associated with developing a dialogue strategy, recent work has concentrated on modelling the development of a dialogue strategy as a sequential decision problem. Using this model, reinforcement learning algorithms have been employed to generate dialogue strategies automatically. These algorithms learn strategies by interacting with simulated users. Some progress has been made with this method but a number of important challenges remain. For instance, relatively little success has been achieved with the large state representations that are typical of real-life systems. Another crucial issue is the time and effort associated with the creation of simulated users. In this thesis, I propose an alternative to existing reinforcement learning methods of dialogue strategy development. More specifically, I explore how XCS, an evolutionary reinforcement learning algorithm, can be used to find dialogue strategies that cover large state spaces. Furthermore, I suggest that hand-coded simulated users are sufficient for the learning of useful dialogue strategies. I argue that the use of evolutionary reinforcement learning and hand-coded simulated users is an effective approach to the rapid development of spoken dialogue strategies. Finally, I substantiate this claim by evaluating a learned strategy with real users. Both the learned strategy and a state-of-the-art hand-coded strategy were integrated into an end-to-end spoken dialogue system. The dialogue system allowed real users to make flight enquiries using a live database for an Edinburgh-based airline. The performance of the learned and hand-coded strategies were compared. The evaluation results show that the learned strategy performs as well as the hand-coded one (81% and 77% task completion respectively) but takes much less time to design (two days instead of two weeks). Moreover, the learned strategy compares favourably with previous user evaluations of learned strategies

Improving the Scalability of XCS-Based Learning Classifier Systems

Using evolutionary intelligence and machine learning techniques, a broad range of intelligent machines have been designed to perform different tasks. An intelligent machine learns by perceiving its environmental status and taking an action that maximizes its chances of success. Human beings have the ability to apply knowledge learned from a smaller problem to more complex, large-scale problems of the same or a related domain, but currently the vast majority of evolutionary machine learning techniques lack this ability. This lack of ability to apply the already learned knowledge of a domain results in consuming more than the necessary resources and time to solve complex, large-scale problems of the domain. As the problem increases in size, it becomes difficult and even sometimes impractical (if not impossible) to solve due to the needed resources and time. Therefore, in order to scale in a problem domain, a systemis needed that has the ability to reuse the learned knowledge of the domain and/or encapsulate the underlying patterns in the domain. To extract and reuse building blocks of knowledge or to encapsulate the underlying patterns in a problem domain, a rich encoding is needed, but the search space could then expand undesirably and cause bloat, e.g. as in some forms of genetic programming (GP). Learning classifier systems (LCSs) are a well-structured evolutionary computation based learning technique that have pressures to implicitly avoid bloat, such as fitness sharing through niche based reproduction. The proposed thesis is that an LCS can scale to complex problems in a domain by reusing the learnt knowledge from simpler problems of the domain and/or encapsulating the underlying patterns in the domain. Wilson’s XCS is used to implement and test the proposed systems, which is a well-tested, online learning and accuracy based LCS model. To extract the reusable building blocks of knowledge, GP-tree like, code-fragments are introduced, which are more than simply another representation (e.g. ternary or real-valued alphabets). This thesis is extended to capture the underlying patterns in a problemusing a cyclic representation. Hard problems are experimented to test the newly developed scalable systems and compare them with benchmark techniques. Specifically, this work develops four systems to improve the scalability of XCS-based classifier systems. (1) Building blocks of knowledge are extracted fromsmaller problems of a Boolean domain and reused in learning more complex, large-scale problems in the domain, for the first time. By utilizing the learnt knowledge from small-scale problems, the developed XCSCFC (i.e. XCS with Code-Fragment Conditions) system readily solves problems of a scale that existing LCS and GP approaches cannot, e.g. the 135-bitMUX problem. (2) The introduction of the code fragments in classifier actions in XCSCFA (i.e. XCS with Code-Fragment Actions) enables the rich representation of GP, which when couples with the divide and conquer approach of LCS, to successfully solve various complex, overlapping and niche imbalance Boolean problems that are difficult to solve using numeric action based XCS. (3) The underlying patterns in a problem domain are encapsulated in classifier rules encoded by a cyclic representation. The developed XCSSMA system produces general solutions of any scale n for a number of important Boolean problems, for the first time in the field of LCS, e.g. parity problems. (4) Optimal solutions for various real-valued problems are evolved by extending the existing real-valued XCSR system with code-fragment actions to XCSRCFA. Exploiting the combined power of GP and LCS techniques, XCSRCFA successfully learns various continuous action and function approximation problems that are difficult to learn using the base techniques. This research work has shown that LCSs can scale to complex, largescale problems through reusing learnt knowledge. The messy nature, disassociation of message to condition order, masking, feature construction, and reuse of extracted knowledge add additional abilities to the XCS family of LCSs. The ability to use rich encoding in antecedent GP-like codefragments or consequent cyclic representation leads to the evolution of accurate, maximally general and compact solutions in learning various complex Boolean as well as real-valued problems. Effectively exploiting the combined power of GP and LCS techniques, various continuous action and function approximation problems are solved in a simple and straight forward manner. The analysis of the evolved rules reveals, for the first time in XCS, that no matter how specific or general the initial classifiers are, all the optimal classifiers are converged through the mechanism ‘be specific then generalize’ near the final stages of evolution. Also that standard XCS does not use all available information or all available genetic operators to evolve optimal rules, whereas the developed code-fragment action based systems effectively use figure and ground information during the training process. Thiswork has created a platformto explore the reuse of learnt functionality, not just terminal knowledge as present, which is needed to replicate human capabilities