Evolutionary design of deep neural networks

Mención Internacional en el título de doctorFor three decades, neuroevolution has applied evolutionary computation to the optimization of the topology of artificial neural networks, with most works focusing on very simple architectures. However, times have changed, and nowadays convolutional neural networks are the industry and academia standard for solving a variety of problems, many of which remained unsolved before the discovery of this kind of networks. Convolutional neural networks involve complex topologies, and the manual design of these topologies for solving a problem at hand is expensive and inefficient. In this thesis, our aim is to use neuroevolution in order to evolve the architecture of convolutional neural networks. To do so, we have decided to try two different techniques: genetic algorithms and grammatical evolution. We have implemented a niching scheme for preserving the genetic diversity, in order to ease the construction of ensembles of neural networks. These techniques have been validated against the MNIST database for handwritten digit recognition, achieving a test error rate of 0.28%, and the OPPORTUNITY data set for human activity recognition, attaining an F1 score of 0.9275. Both results have proven very competitive when compared with the state of the art. Also, in all cases, ensembles have proven to perform better than individual models. Later, the topologies learned for MNIST were tested on EMNIST, a database recently introduced in 2017, which includes more samples and a set of letters for character recognition. Results have shown that the topologies optimized for MNIST perform well on EMNIST, proving that architectures can be reused across domains with similar characteristics. In summary, neuroevolution is an effective approach for automatically designing topologies for convolutional neural networks. However, it still remains as an unexplored field due to hardware limitations. Current advances, however, should constitute the fuel that empowers the emergence of this field, and further research should start as of today.This Ph.D. dissertation has been partially supported by the Spanish Ministry of Education, Culture and Sports under FPU fellowship with identifier FPU13/03917. This research stay has been partially co-funded by the Spanish Ministry of Education, Culture and Sports under FPU short stay grant with identifier EST15/00260.Programa Oficial de Doctorado en Ciencia y Tecnología InformáticaPresidente: María Araceli Sanchís de Miguel.- Secretario: Francisco Javier Segovia Pérez.- Vocal: Simon Luca

Formal Linguistic Models and Knowledge Processing. A Structuralist Approach to Rule-Based Ontology Learning and Population

2013 - 2014The main aim of this research is to propose a structuralist approach for knowledge processing by means of ontology learning and population, achieved starting from unstructured and structured texts. The method suggested includes distributional semantic approaches and NL formalization theories, in order to develop a framework, which relies upon deep linguistic analysis... [edited by author]XIII n.s

An automatic system for classification of breast cancer lesions in ultrasound images

Breast cancer is the most common of all cancers and second most deadly cancer in women in the developed countries. Mammography and ultrasound imaging are the standard techniques used in cancer screening. Mammography is widely used as the primary tool for cancer screening, however it is invasive technique due to radiation used. Ultrasound seems to be good at picking up many cancers missed by mammography. In addition, ultrasound is non-invasive as no radiation is used, portable and versatile. However, ultrasound images have usually poor quality because of multiplicative speckle noise that results in artifacts. Because of noise segmentation of suspected areas in ultrasound images is a challenging task that remains an open problem despite many years of research. In this research, a new method for automatic detection of suspected breast cancer lesions using ultrasound is proposed. In this fully automated method, new de-noising and segmentation techniques are introduced and high accuracy classifier using combination of morphological and textural features is used. We use a combination of fuzzy logic and compounding to denoise ultrasound images and reduce shadows. We introduced a new method to identify the seed points and then use region growing method to perform segmentation. For preliminary classification we use three classifiers (ANN, AdaBoost, FSVM) and then we use a majority voting to get the final result. We demonstrate that our automated system performs better than the other state-of-the-art systems. On our database containing ultrasound images for 80 patients we reached accuracy of 98.75% versus ABUS method with 88.75% accuracy and Hybrid Filtering method with 92.50% accuracy. Future work would involve a larger dataset of ultrasound images and we will extend our system to handle colour ultrasound images. We will also study the impact of larger number of texture and morphological features as well as weighting scheme on performance of our classifier. We will also develop an automated method to identify the "wall thickness" of a mass in breast ultrasound images. Presently the wall thickness is extracted manually with the help of a physician

RFID Technology in Intelligent Tracking Systems in Construction Waste Logistics Using Optimisation Techniques

Construction waste disposal is an urgent issue for protecting our environment. This paper proposes a waste management system and illustrates the work process using plasterboard waste as an example, which creates a hazardous gas when land filled with household waste, and for which the recycling rate is less than 10% in the UK. The proposed system integrates RFID technology, Rule-Based Reasoning, Ant Colony optimization and knowledge technology for auditing and tracking plasterboard waste, guiding the operation staff, arranging vehicles, schedule planning, and also provides evidence to verify its disposal. It h relies on RFID equipment for collecting logistical data and uses digital imaging equipment to give further evidence; the reasoning core in the third layer is responsible for generating schedules and route plans and guidance, and the last layer delivers the result to inform users. The paper firstly introduces the current plasterboard disposal situation and addresses the logistical problem that is now the main barrier to a higher recycling rate, followed by discussion of the proposed system in terms of both system level structure and process structure. And finally, an example scenario will be given to illustrate the system’s utilization

An overview of the main machine learning models - from theory to algorithms

Dissertation presented as the partial requirement for obtaining a Master's degree in Data Science and Advanced AnalyticsIn the context of solving highly complex problems, Artificial Intelligence shows an exponential growth over the past years allowing the Machine Learning to augment and sometimes to outperform the human learning. From driverless cars to automatic recommendation on Netflix, we are surrounded by AI, even if we do not notice it. Furthermore, companies have recently adopted new frameworks in their routines which are mainly composed by algorithms able to solve complex problems in a short period of time. The growth of AI technologies has been absolutely stunning and yes, it is only possible because a sub-field of AI called Machine Learning is growing even faster. In a small scale, Machine Learning may be seen as a simple system able to find patterns on data and learn from it. However, it is precisely that learning process that in a large scale will allow machines to mimic the human behavior and perform tasks that would eventually require human intelligence. Just for us to have an idea, according to Forbes the global Machine Learning market was evaluated in $1.7B in 2017 and it is expected to reach almost$21B in 2024. Naturally, Machine Learning has become an attractive and profitable scientific area that demands continuous learning since there is always something new being discovered. During the last decades, a huge number of algorithms have been proposed by the research community, which sometimes may cause some confusion of how and when to use each one of them. That is exactly what is pretended in this thesis, over the next chapters we are going to review the main Machine Learning models and their respective advantages/disadvantages

Advances in Information Security and Privacy

With the recent pandemic emergency, many people are spending their days in smart working and have increased their use of digital resources for both work and entertainment. The result is that the amount of digital information handled online is dramatically increased, and we can observe a significant increase in the number of attacks, breaches, and hacks. This Special Issue aims to establish the state of the art in protecting information by mitigating information risks. This objective is reached by presenting both surveys on specific topics and original approaches and solutions to specific problems. In total, 16 papers have been published in this Special Issue

Intelligent Transportation Related Complex Systems and Sensors

Building around innovative services related to different modes of transport and traffic management, intelligent transport systems (ITS) are being widely adopted worldwide to improve the efficiency and safety of the transportation system. They enable users to be better informed and make safer, more coordinated, and smarter decisions on the use of transport networks. Current ITSs are complex systems, made up of several components/sub-systems characterized by time-dependent interactions among themselves. Some examples of these transportation-related complex systems include: road traffic sensors, autonomous/automated cars, smart cities, smart sensors, virtual sensors, traffic control systems, smart roads, logistics systems, smart mobility systems, and many others that are emerging from niche areas. The efficient operation of these complex systems requires: i) efficient solutions to the issues of sensors/actuators used to capture and control the physical parameters of these systems, as well as the quality of data collected from these systems; ii) tackling complexities using simulations and analytical modelling techniques; and iii) applying optimization techniques to improve the performance of these systems. It includes twenty-four papers, which cover scientific concepts, frameworks, architectures and various other ideas on analytics, trends and applications of transportation-related data

Virtual screening of potential bioactive substances using the support vector machine approach

Die vorliegende Dissertation stellt eine kumulative Arbeit dar, die in insgesamt acht wissenschaftlichen Publikationen (fünf publiziert, zwei eingerichtet und eine in Vorbereitung) dargelegt ist. In diesem Forschungsprojekt wurden Anwendungen von maschinellem Lernen für das virtuelle Screening von Moleküldatenbanken durchgeführt. Das Ziel war primär die Einführung und Überprüfung des Support-Vector-Machine (SVM) Ansatzes für das virtuelle Screening nach potentiellen Wirkstoffkandidaten. In der Einleitung der Arbeit ist die Rolle des virtuellen Screenings im Wirkstoffdesign beschrieben. Methoden des virtuellen Screenings können fast in jedem Bereich der gesamten pharmazeutischen Forschung angewendet werden. Maschinelles Lernen kann einen Einsatz finden von der Auswahl der ersten Moleküle, der Optimierung der Leitstrukturen bis hin zur Vorhersage von ADMET (Absorption, Distribution, Metabolism, Toxicity) Eigenschaften. In Abschnitt 4.2 werden möglichen Verfahren dargestellt, die zur Beschreibung von chemischen Strukturen eingesetzt werden können, um diese Strukturen in ein Format zu bringen (Deskriptoren), das man als Eingabe für maschinelle Lernverfahren wie Neuronale Netze oder SVM nutzen kann. Der Fokus ist dabei auf diejenigen Verfahren gerichtet, die in der vorliegenden Arbeit verwendet wurden. Die meisten Methoden berechnen Deskriptoren, die nur auf der zweidimensionalen (2D) Struktur basieren. Standard-Beispiele hierfür sind physikochemische Eigenschaften, Atom- und Bindungsanzahl etc. (Abschnitt 4.2.1). CATS Deskriptoren, ein topologisches Pharmakophorkonzept, sind ebenfalls 2D-basiert (Abschnitt 4.2.2). Ein anderer Typ von Deskriptoren beschreibt Eigenschaften, die aus einem dreidimensionalen (3D) Molekülmodell abgeleitet werden. Der Erfolg dieser Beschreibung hangt sehr stark davon ab, wie repräsentativ die 3D-Konformation ist, die für die Berechnung des Deskriptors angewendet wurde. Eine weitere Beschreibung, die wir in unserer Arbeit eingesetzt haben, waren Fingerprints. In unserem Fall waren die verwendeten Fingerprints ungeeignet zum Trainieren von Neuronale Netzen, da der Fingerprintvektor zu viele Dimensionen (~ 10 hoch 5) hatte. Im Gegensatz dazu hat das Training von SVM mit Fingerprints funktioniert. SVM hat den Vorteil im Vergleich zu anderen Methoden, dass sie in sehr hochdimensionalen Räumen gut klassifizieren kann. Dieser Zusammenhang zwischen SVM und Fingerprints war eine Neuheit, und wurde von uns erstmalig in die Chemieinformatik eingeführt. In Abschnitt 4.3 fokussiere ich mich auf die SVM-Methode. Für fast alle Klassifikationsaufgaben in dieser Arbeit wurde der SVM-Ansatz verwendet. Ein Schwerpunkt der Dissertation lag auf der SVM-Methode. Wegen Platzbeschränkungen wurde in den beigefügten Veröffentlichungen auf eine detaillierte Beschreibung der SVM verzichtet. Aus diesem Grund wird in Abschnitt 4.3 eine vollständige Einführung in SVM gegeben. Darin enthalten ist eine vollständige Diskussion der SVM Theorie: optimale Hyperfläche, Soft-Margin-Hyperfläche, quadratische Programmierung als Technik, um diese optimale Hyperfläche zu finden. Abschnitt 4.3 enthält auch eine Diskussion von Kernel-Funktionen, welche die genaue Form der optimalen Hyperfläche bestimmen. In Abschnitt 4.4 ist eine Einleitung in verschiede Methoden gegeben, die wir für die Auswahl von Deskriptoren genutzt haben. In diesem Abschnitt wird der Unterschied zwischen einer „Filter“- und der „Wrapper“-basierten Auswahl von Deskriptoren herausgearbeitet. In Veröffentlichung 3 (Abschnitt 7.3) haben wir die Vorteile und Nachteile von Filter- und Wrapper-basierten Methoden im virtuellen Screening vergleichend dargestellt. Abschnitt 7 besteht aus den Publikationen, die unsere Forschungsergebnisse enthalten. Unsere erste Publikation (Veröffentlichung 1) war ein Übersichtsartikel (Abschnitt 7.1). In diesem Artikel haben wir einen Gesamtüberblick der Anwendungen von SVM in der Bio- und Chemieinformatik gegeben. Wir diskutieren Anwendungen von SVM für die Gen-Chip-Analyse, die DNASequenzanalyse und die Vorhersage von Proteinstrukturen und Proteininteraktionen. Wir haben auch Beispiele beschrieben, wo SVM für die Vorhersage der Lokalisation von Proteinen in der Zelle genutzt wurden. Es wird dabei deutlich, dass SVM im Bereich des virtuellen Screenings noch nicht verbreitet war. Um den Einsatz von SVM als Hauptmethode unserer Forschung zu begründen, haben wir in unserer nächsten Publikation (Veröffentlichung 2) (Abschnitt 7.2) einen detaillierten Vergleich zwischen SVM und verschiedenen neuronalen Netzen, die sich als eine Standardmethode im virtuellen Screening etabliert haben, durchgeführt. Verglichen wurde die Trennung von wirstoffartigen und nicht-wirkstoffartigen Molekülen („Druglikeness“-Vorhersage). Die SVM konnte 82% aller Moleküle richtig klassifizieren. Die Klassifizierung war zudem robuster als mit dreilagigen feedforward-ANN bei der Verwendung verschiedener Anzahlen an Hidden-Neuronen. In diesem Projekt haben wir verschiedene Deskriptoren zur Beschreibung der Moleküle berechnet: Ghose-Crippen Fragmentdeskriptoren [86], physikochemische Eigenschaften [9] und topologische Pharmacophore (CATS) [10]. Die Entwicklung von weiteren Verfahren, die auf dem SVM-Konzept aufbauen, haben wir in den Publikationen in den Abschnitten 7.3 und 7.8 beschrieben. Veröffentlichung 3 stellt die Entwicklung einer neuen SVM-basierten Methode zur Auswahl von relevanten Deskriptoren für eine bestimmte Aktivität dar. Eingesetzt wurden die gleichen Deskriptoren wie in dem oben beschriebenen Projekt. Als charakteristische Molekülgruppen haben wir verschiedene Untermengen der COBRA Datenbank ausgewählt: 195 Thrombin Inhibitoren, 226 Kinase Inhibitoren und 227 Faktor Xa Inhibitoren. Es ist uns gelungen, die Anzahl der Deskriptoren von ursprünglich 407 auf ungefähr 50 zu verringern ohne signifikant an Klassifizierungsgenauigkeit zu verlieren. Unsere Methode haben wir mit einer Standardmethode für diese Anwendung verglichen, der Kolmogorov-Smirnov Statistik. Die SVM-basierte Methode erwies sich hierbei in jedem betrachteten Fall als besser als die Vergleichsmethoden hinsichtlich der Vorhersagegenauigkeit bei der gleichen Anzahl an Deskriptoren. Eine ausführliche Beschreibung ist in Abschnitt 4.4 gegeben. Dort sind auch verschiedene „Wrapper“ für die Deskriptoren-Auswahl beschrieben. Veröffentlichung 8 beschreibt die Anwendung von aktivem Lernen mit SVM. Die Idee des aktiven Lernens liegt in der Auswahl von Molekülen für das Lernverfahren aus dem Bereich an der Grenze der verschiedenen zu unterscheidenden Molekülklassen. Auf diese Weise kann die lokale Klassifikation verbessert werden. Die folgenden Gruppen von Moleküle wurden genutzt: ACE (Angiotensin converting enzyme), COX2 (Cyclooxygenase 2), CRF (Corticotropin releasing factor) Antagonisten, DPP (Dipeptidylpeptidase) IV, HIV (Human immunodeficiency virus) protease, Nuclear Receptors, NK (Neurokinin receptors), PPAR (peroxisome proliferator-activated receptor), Thrombin, GPCR und Matrix Metalloproteinasen. Aktives Lernen konnte die Leistungsfähigkeit des virtuellen Screenings verbessern, wie sich in dieser retrospektiven Studie zeigte. Es bleibt abzuwarten, ob sich das Verfahren durchsetzen wird, denn trotzt des Gewinns an Vorhersagegenauigkeit ist es aufgrund des mehrfachen SVMTrainings aufwändig. Die Publikationen aus den Abschnitten 7.5, 7.6 und 7.7 (Veröffentlichungen 5-7) zeigen praktische Anwendungen unserer SVM-Methoden im Wirkstoffdesign in Kombination mit anderen Verfahren, wie der Ähnlichkeitssuche und neuronalen Netzen zur Eigenschaftsvorhersage. In zwei Fällen haben wir mit dem Verfahren neuartige Liganden für COX-2 (cyclooxygenase 2) und dopamine D3/D2 Rezeptoren gefunden. Wir konnten somit klar zeigen, dass SVM-Methoden für das virtuelle Screening von Substanzdatensammlungen sinnvoll eingesetzt werden können. Es wurde im Rahmen der Arbeit auch ein schnelles Verfahren zur Erzeugung großer kombinatorischer Molekülbibliotheken entwickelt, welches auf der SMILES Notation aufbaut. Im frühen Stadium des Wirstoffdesigns ist es wichtig, eine möglichst „diverse“ Gruppe von Molekülen zu testen. Es gibt verschiedene etablierte Methoden, die eine solche Untermenge auswählen können. Wir haben eine neue Methode entwickelt, die genauer als die bekannte MaxMin-Methode sein sollte. Als erster Schritt wurde die „Probability Density Estimation“ (PDE) für die verfügbaren Moleküle berechnet. [78] Dafür haben wir jedes Molekül mit Deskriptoren beschrieben und die PDE im N-dimensionalen Deskriptorraum berechnet. Die Moleküle wurde mit dem Metropolis Algorithmus ausgewählt. [87] Die Idee liegt darin, wenige Moleküle aus den Bereichen mit hoher Dichte auszuwählen und mehr Moleküle aus den Bereichen mit niedriger Dichte. Die erhaltenen Ergebnisse wiesen jedoch auf zwei Nachteile hin. Erstens wurden Moleküle mit unrealistischen Deskriptorwerten ausgewählt und zweitens war unser Algorithmus zu langsam. Dieser Aspekt der Arbeit wurde daher nicht weiter verfolgt. In Veröffentlichung 6 (Abschnitt 7.6) haben wir in Zusammenarbeit mit der Molecular-Modeling Gruppe von Aventis-Pharma Deutschland (Frankfurt) einen SVM-basierten ADME Filter zur Früherkennung von CYP 2C9 Liganden entwickelt. Dieser nichtlineare SVM-Filter erreichte eine signifikant höhere Vorhersagegenauigkeit (q2 = 0.48) als ein auf den gleichen Daten entwickelten PLS-Modell (q2 = 0.34). Es wurden hierbei Dreipunkt-Pharmakophordeskriptoren eingesetzt, die auf einem dreidimensionalen Molekülmodell aufbauen. Eines der wichtigen Probleme im computerbasierten Wirkstoffdesign ist die Auswahl einer geeigneten Konformation für ein Molekül. Wir haben versucht, SVM auf dieses Problem anzuwenden. Der Trainingdatensatz wurde dazu mit jeweils mehreren Konformationen pro Molekül angereichert und ein SVM Modell gerechnet. Es wurden anschließend die Konformationen mit den am schlechtesten vorhergesagten IC50 Wert aussortiert. Die verbliebenen gemäß dem SVM-Modell bevorzugten Konformationen waren jedoch unrealistisch. Dieses Ergebnis zeigt Grenzen des SVM-Ansatzes auf. Wir glauben jedoch, dass weitere Forschung auf diesem Gebiet zu besseren Ergebnissen führen kann

Safety and Reliability - Safe Societies in a Changing World

The contributions cover a wide range of methodologies and application areas for safety and reliability that contribute to safe societies in a changing world. These methodologies and applications include: - foundations of risk and reliability assessment and management - mathematical methods in reliability and safety - risk assessment - risk management - system reliability - uncertainty analysis - digitalization and big data - prognostics and system health management - occupational safety - accident and incident modeling - maintenance modeling and applications - simulation for safety and reliability analysis - dynamic risk and barrier management - organizational factors and safety culture - human factors and human reliability - resilience engineering - structural reliability - natural hazards - security - economic analysis in risk managemen