Data-Centric Epidemic Forecasting: A Survey

The COVID-19 pandemic has brought forth the importance of epidemic forecasting for decision makers in multiple domains, ranging from public health to the economy as a whole. While forecasting epidemic progression is frequently conceptualized as being analogous to weather forecasting, however it has some key differences and remains a non-trivial task. The spread of diseases is subject to multiple confounding factors spanning human behavior, pathogen dynamics, weather and environmental conditions. Research interest has been fueled by the increased availability of rich data sources capturing previously unobservable facets and also due to initiatives from government public health and funding agencies. This has resulted, in particular, in a spate of work on 'data-centered' solutions which have shown potential in enhancing our forecasting capabilities by leveraging non-traditional data sources as well as recent innovations in AI and machine learning. This survey delves into various data-driven methodological and practical advancements and introduces a conceptual framework to navigate through them. First, we enumerate the large number of epidemiological datasets and novel data streams that are relevant to epidemic forecasting, capturing various factors like symptomatic online surveys, retail and commerce, mobility, genomics data and more. Next, we discuss methods and modeling paradigms focusing on the recent data-driven statistical and deep-learning based methods as well as on the novel class of hybrid models that combine domain knowledge of mechanistic models with the effectiveness and flexibility of statistical approaches. We also discuss experiences and challenges that arise in real-world deployment of these forecasting systems including decision-making informed by forecasts. Finally, we highlight some challenges and open problems found across the forecasting pipeline.Comment: 67 pages, 12 figure

Considering temporal aspects in recommender systems: a survey

Under embargo until: 2023-07-04The widespread use of temporal aspects in user modeling indicates their importance, and their consideration showed to be highly effective in various domains related to user modeling, especially in recommender systems. Still, past and ongoing research, spread over several decades, provided multiple ad-hoc solutions, but no common understanding of the issue. There is no standardization and there is often little commonality in considering temporal aspects in different applications. This may ultimately lead to the problem that application developers define ad-hoc solutions for their problems at hand, sometimes missing or neglecting aspects that proved to be effective in similar cases. Therefore, a comprehensive survey of the consideration of temporal aspects in recommender systems is required. In this work, we provide an overview of various time-related aspects, categorize existing research, present a temporal abstraction and point to gaps that require future research. We anticipate this survey will become a reference point for researchers and practitioners alike when considering the potential application of temporal aspects in their personalized applications.acceptedVersio

A Framework for Modelling User Activity Preferences

The availability of location data increases every day and brings the opportunity to mine these data and extract valuable knowledge about human behaviour. More specifically, these data may contain information about users’ activities, which can enable, for example, services to improve advertising campaigns or enhance the user experience of a mobile application. However, several techniques ignore the fact that users’ context other than location and time, such as weather conditions, influences their behaviour. Moreover, several studies focus only on a single data source, addressing either data collected without any type of user interaction, such as GPS data, or data spontaneously shared by the user, for instance, from location-based social networks (LBSNs), but not both. This thesis proposes a framework that aims to predict users’ current activity preferences (UCAP). UCAP handles data gathered from different sources. It takes into account users’ historical data, their current context, and other external contexts such as weather conditions. The framework was evaluated on five real-world datasets. The results demonstrated the accuracy of the proposed solution, which was on average 12.3% more accurate than a state-of-the-art technique. Moreover, the experiments evaluated the impact of the main components on the prediction results and showed that UCAP is not constrained by dataset size

Analyzing Granger causality in climate data with time series classification methods

Attribution studies in climate science aim for scientifically ascertaining the influence of climatic variations on natural or anthropogenic factors. Many of those studies adopt the concept of Granger causality to infer statistical cause-effect relationships, while utilizing traditional autoregressive models. In this article, we investigate the potential of state-of-the-art time series classification techniques to enhance causal inference in climate science. We conduct a comparative experimental study of different types of algorithms on a large test suite that comprises a unique collection of datasets from the area of climate-vegetation dynamics. The results indicate that specialized time series classification methods are able to improve existing inference procedures. Substantial differences are observed among the methods that were tested

Machine Learning Methods with Noisy, Incomplete or Small Datasets

In many machine learning applications, available datasets are sometimes incomplete, noisy or affected by artifacts. In supervised scenarios, it could happen that label information has low quality, which might include unbalanced training sets, noisy labels and other problems. Moreover, in practice, it is very common that available data samples are not enough to derive useful supervised or unsupervised classifiers. All these issues are commonly referred to as the low-quality data problem. This book collects novel contributions on machine learning methods for low-quality datasets, to contribute to the dissemination of new ideas to solve this challenging problem, and to provide clear examples of application in real scenarios

Urban Mobility Analytics: Understanding, Inference and Forecasting

Transport systems are the backbones of social and economic activities, which promote industry development and accelerate the process of urbanization. However, the contradiction between the pursuit of travel quality and unbalanced/inadequate development needs the rational construction and operation of transport systems. Owing to the evolution of a massive amount of multi-source data from transport systems, urban mobility analytics, including understanding, inference, and forecasting, support the management and control of transport, which attracts great attention in the long term and becomes more essential in smart transport research. In this thesis, we focus on inferring passenger demographics and predicting passenger demand by understanding travel patterns based on deep spatial-temporal learning algorithms. We first review the latest state-of-the-art deep learning methods for traffic understanding and attributes inference, traffic forecasting, and demand forecasting to form an overview of the current research progress. Second, we introduce the study public transport dataset collected from the Greater Sydney area and analyze the distributions and similarities of multiple transport modes. Third, we study the investigation of spatial and temporal features in order to infer traveler attributes by proposing a deep-based network with two modules (i.e., a Product-based Spatial-Temporal Module and an Auto-Encoder-based Compression Module). In addition, we study providing confidence interval-based passenger demand forecasting by proposing Probabilistic Graph Convolution Model to help relevant authorities and institutions to better accommodate demand uncertainty/variability. Then, to explore the relations in multimodal transport to boost the demand prediction performance, we propose two deep-based networks for knowledge adaptation between different transport modes by data sharing and model sharing, respectively. Finally, we provide promising directions for future works and conclude the thesis

Analyzing, Mining, and Predicting Networked Behaviors

Network structure exists in various types of data in the real world, such as online and offline social networks, traffic networks, computer networks, brain networks, and countless other cases where there are relationships between different entities in the data. What are the roles of network structures in these data? First, the network captures inherent characteristics of the data themselves. This is clear from the definition of the network, which represents the relationship between entities: e.g., the social links among people in a social network describe how they interact with each other; a road network summarizes how the roads are laid out geographically; a brain network obtained from fMRI images represents pairs of brain regions that are active at the same time; a computer network constrains the paths via which internet packages and thus information or viruses can spread. Second, the network structures affect the evolution of the data over time. For example, new friendship links in an online social network are frequently created between friends of friends. Similarly, the current road network structure is without a doubt taken into consideration when roads are added or temporarily closed. As we grow, our brains also grow, including the additions of useful links or the clean up of unnecessary links between brain regions. Third, the network structures act as guidance for many different processes happening in the data. For instance, the links between users on social network dictate how gossips can spread; the roads influence how traffic flows in a city; the links between brain regions affects the way we think and how effectively we do things; the connections between computers route the transfer of any information on the internet.In this thesis, I studied the network effect in various networked behaviors, including analyzing such effect, finding its patterns, and predicting future networked behaviors. First, I gained insights into the data by analyzing the accompanied network structures as well as its evolution. Second, I proposed algorithms for mining different network patterns that help summarize the effect of the network structures on different networked behaviors. Finally, I proposed models to predict the evolution of networked behaviors over time. Toward these tasks, I explored a wide variety of network data, including protein-protein interaction networks, online social networks, collaboration networks, chemical compounds, and traffic networks. Overall, I tackled these network data in different aspects and developed a number of methods for effectively mining and forecasting networked behaviors in data

Semantic Trajectories and Predicting Future Semantic Locations

Der Begriff $\textit{Standortwahrnehmung}$ (engl. $\textit{Location Awareness}$) bezieht sich in Zusammenhang mit sog. Ubiquitous Computing Systemen auf die Fähigkeit eines Systems seine Umgebung wahrzunehmen und seine Position im Raum zu erkennen. Solch eine Fähigkeit ist unerlässlich für das Erreichen von anpassungsfähigen, an den jeweiligen Kontext maßgeschneiderten Diensten und Applikationen. In den letzten Jahren, Dienstleister, um ihre Dienste an Nutzern rechtzeitig oder sogar vorausschauend anbieten zu können, gehen sie einen Schritt weiter und setzen vermehrt auf Standortvorhersage-Techniken. Der Technologiesprung der letzten Jahre und die weite Verbreitung von intelligenten mobilen Geräten hat dieses Unterfangen unterstützt. Darüber hinaus, Standortvorhersagesysteme werden immer häufiger zwecks einer effizienteren Resourcenverwaltung oder der Optimierung von Entscheidungsprozessen eingesetzt, wie zum Beispiel in Telekommunikations- oder Verkehrsnetzen. Schließlich, das Wissen des nächsten Ortes eines Nutzers und seine Bewegungsmuster gewähren einen tiefen Einblick in die Person an sich und ihre aktuelle und künftige Handlungen. Diese Art von Informationen kann Systeme zu einem höheren Personalisierungsgrad führen und sind sehr wertvoll (siehe z.B. digitale persönliche Assistenten und Empfehlungssysteme, u.a.). Aus diesen Gründen haben Standortvorhersagemethoden in den vergangenen Jahren stark an Bedeutung gewonnen. $\\$Die heutige Literatur umfasst eine reiche Vielfalt von Modellierungs- und Prädiktionstechniken für menschliche Bewegungsmuster. Die Mehrheit wird durch statistische oder Machine Learning basierte Verfahren repräsentiert, angewendet auf GPS oder Mobilfunkmast Signalen. Neuere Arbeiten gehen über die Nutzung von rein numerischen Daten hinaus und verwenden semantisches Wissen um die verfügbare Trajektorien anzureichern. Die resultierenden Trajektorien werden als $\textit{semantische Trajektorien}$ bezeichnet und reduzieren die abertausend aufgezeichnete GPS Punkte auf den wesentlichen Teil der menschlichen Bewegung, repräsentiert durch eine kleine Zahl signifikanter $\textit{semantischer Orte}$. Das verleiht den Prädiktionsmodellen eine gewisse Transparenz und hilft das Erreichen eines besseren Verständnisses der menschlichen Bewegung. Trotz der Vorteile, die Forschung um die Modellierung und Prädiktion semantischer Trajektorien befindet sich noch in einem sehr frühen Stadium. $\\$Das Hauptziel dieser Doktorarbeit ist diese Lücke zu füllen, sich der wachsenden Zahl an Untersuchungen in diesem Gebiet anzuschließen und einen soliden Grundstein für zukünftige Untersuchungen zu legen. Zu diesem Zweck, die vorliegende Arbeit erkundet eine Reihe von Wegen zur Modellierung von semantischen Trajektorien und zur Prädiktion der nächstbesuchten Standorte der Nutzer. Diese beinhalten sowohl probabilistische Verfahren wie multidimensionale Markov Ketten, als auch Künstliche Neuronale Netze (KNN) wie Convolutional Networks (CNN) und Attention-basiertes Sequence to Sequence Learning (Seq2Seq). Jenseits dieser übergeordneten Zielsetzung, der Beitrag dieser Dissertation kann in den folgenden Punkten zusammengefasst werden:$\\$$\bullet$ Untersuchung hinsichtlich der Auswirkung der $\textit{semantischen Repräsentationsebene}$, welche für die Beschreibung von Standorten in den semantischen Trajektorien verwendet wird, auf die prädiktive Performanz der Standortvorhersagemodelle.$\\$ $\bullet$ Untersuchung hinsichtlich der Auswirkung des gewählten $\textit{Grades der semantischen Anreicherung}$ der verfügbaren Trajektorien auf die prädiktive Performanz der Standortvorhersagemodelle.$\\$ $\bullet$ Untersuchung hinsichtlich der Integration von semantischem Wissen in das Training von Neuronalen Netzen durch das Hinzufügen einer $\textit{zusätzlichen semantischen Ebene}$ in Bezug auf das Konvergenzverhalten der Standortvorhersagemodelle und deren Prädiktionsperformanz. $\\$Die verschiedenen vorgeschlagenen und erkundeten Ansätze der vorliegenden Arbeit wurden mit Hilfe einer Gruppe realer Datensätze evaluiert. Ein Teil davon ist frei verfügbar für wissenschaftliche Zwecke und ein Teil entstand aus eigenen Experimenten und Nutzerstudien. Dies hat in Einzelfällen dazu geführt, dass ein kleiner Teil der in dieser Arbeit diskutierten Ergebnisse auf eine relativ begrenzte Datenmenge basiert, was teilweise auf eine entsprechend begrenzte Generalisierbarkeit hindeutet. Dennoch, sie liefern ein schwerwiegendes Indiz und legen zusammen mit den restlichen Aussagen der Arbeit ein solides Fundament für zukünftige Untersuchungen. $\\$Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit haben gewisse Vorteile seitens der Nutzung von Künstlichen Neuronalen Netzen identifiziert, besonders in Hinsicht auf Präzision und Trefferquote. Dabei stachen insbesondere die Stärken von rekurrenten (RNN, LSTM) und faltenden (CNN) Architekturen hervor. Allerdings, in bestimmten Fällen konnten manche probabilistische Modelle ähnlich gut, oder sogar bessere Ergebnisse erzielen. Dies ist im Wesentlichen auf die Menge und die Eigenschaften der verfügbaren Trainings- und Evaluationsdatensätze zurückzuführen und die Tatsache, dass Neuronale Netze im Allgemeinen und im Vergleich zu statistischen Verfahren datenempfindlicher sind. $\\$Es hat sich ebenfalls gezeigt, dass die semantische Repräsentationsebene in der Tat einen signifikanten Einfluss auf die Vorhersagekraft der Modelle hat. Semantische Trajektorien beschrieben in einer höheren semantischen Ebene bieten eine bessere Grundlage für genauere Vorhersagen als Trajektorien einer niedrigeren Ebene. Ein möglicher Grund dafür könnte die Tatsache sein, dass menschliche Bewegung einen höheren Regelmäßigkeitsgrad zeigt je höher die Ebene in der diese modelliert wird ist. $\\$Des Weiteren haben Untersuchungen bestätigt, dass der Grad der semantischen Anreicherung der Trajektorien, indem zusätzliche Kontext-Information, wie die Aktivität der Nutzer, ihre Persönlichkeit und ihr emotionaler Zustand, in Betracht gezogen werden, zu besseren Ergebnissen führen kann. Allerdings, in manchen Fällen konnten auch bestimmte Einschränkungen festgestellt werden, die auf die größere Anzahl der betrachteten Trainingsmerkmale in Zusammenhang mit dem entsprechend kleinen verfügbaren Trainingsdatensatz zurückzuführen sind. Dieses Phänomen wurde von Bellman als Fluch der Dimensionalität bezeichnet. Konkret bedeutet dies, dass die Vorteile geboten von den zusätzlichen Merkmalen gleichzeitig teilweise durch sich selbst wieder eliminiert werden, angesichts des Fehlens eines größeren Datensatzes, welcher ein generalisierbareres Modell und somit eine höhere Genauigkeit unterstützen würde. Die Tatsache, dass die Prädiktionsmodelle mit der besten Performanz zu den Nutzern mit den meisten Annotationen zuzuweisen sind unterstützt diese Annahme. $\\$Schließlich, in Hinsicht auf die Integration und Anwendung einer zusätzlichen semantischen Ebene in das Training von Neuronalen Netzen, die Untersuchungen dieser Arbeit untermauern die ursprüngliche Annahme und Grundidee und zeigen, dass das Einsetzen vom externen semantischen Wissen sowohl zu einer signifikanten Verbesserung des Training-Verhaltens der neuronalen Netze, als auch zu einer höheren Vorhersagegenauigkeit führen kann. Darüber hinaus, diese Ergebnisse geben starke Hinweise dafür, dass die Fusion von wissensbasierten und datengetriebenen Modellen über den speziellen Fall der Standortvorhersage hinaus sich ebenfalls als sehr nützlich erweisen könnte, da diese einen schnelleren und tieferen Blick in die verfügbaren Daten ermöglicht