Software Defect Association Mining and Defect Correction Effort Prediction

Much current software defect prediction work concentrates on the number of defects remaining in software system. In this paper, we present association rule mining based methods to predict defect associations and defect-correction effort. This is to help developers detect software defects and assist project managers in allocating testing resources more effectively. We applied the proposed methods to the SEL defect data consisting of more than 200 projects over more than 15 years. The results show that for the defect association prediction, the accuracy is very high and the false negative rate is very low. Likewise for the defect-correction effort prediction, the accuracy for both defect isolation effort prediction and defect correction effort prediction are also high. We compared the defect-correction effort prediction method with other types of methods: PART, C4.5, and Na¨ıve Bayes and show that accuracy has been improved by at least 23%. We also evaluated the impact of support and confidence levels on prediction accuracy, false negative rate, false positive rate, and the number of rules. We found that higher support and confidence levels may not result in higher prediction accuracy, and a sufficient number of rules is a precondition for high prediction accuracy

Relational Patterns

Information Systems Working Papers Serie

Mining High Utility Sequential Patterns from Uncertain Web Access Sequences using the PL-WAP

In general, the web access patterns are retrieved from the web access sequence databases using various sequential pattern algorithms such as GSP, WAP, and PLWAP tree. However, these algorithms do not consider sequential data with quantity (internal utility) (e.g., the amount of the time spent by the user on a web page) and quality (external utility) (e.g., the rating of a web page in a website) information. These algorithms also do not work on uncertain sequential items (e.g., purchased products) having probability (0, 1). Factoring in the utility and uncertainty of each sequence item provides more product information that can be beneficial in mining profitable patterns from company’s websites. For example, a customer can purchase a bottle of ink more frequently than a printer but the purchase of a single printer can yield more profit to the business owner than the purchase of multiple bottles of ink. Most existing traditional uncertain sequential pattern algorithms such as U-Apriori, UF-Growth, and U-PLWAP do not include the utility measures. In U-PLWAP, the web sequences are derived from web log data without including the time spent by the user and the web pages are not associated with any rating. By considering these two utilities, sometimes the items with lower existential probability can be more profitable to the website owner. In utility based traditional algorithms, the only algorithm related to both uncertain and high utility is the PHUI-UP algorithm which considers the probability and utility as different entities and the retrieved patterns are not dependent with both due to two different thresholds, and it does not mine uncertain web access database sequences. This thesis proposes the algorithm HUU-PLWAP miner for mining uncertain sequential patterns with internal and external utility information using PLWAP tree approach that cut down on several database scans of level-wise approaches. HUU-PLWAP uses uncertain internal utility values (derived from sequence uncertainty model) and the constant external utility values (predefined) to retrieve the high utility sequential patterns from uncertain web access sequence databases with the help of U-PLWAP methodology. Experiments show that HUU-PLWAP is at least 95% faster than U-PLWAP, and 75% faster than the PHUI-UP algorithm

More than the sum of its parts – pattern mining, neural networks, and how they complement each other

In this thesis we explore pattern mining and deep learning. Often seen as orthogonal, we show that these fields complement each other and propose to combine them to gain from each other’s strengths. We, first, show how to efficiently discover succinct and non-redundant sets of patterns that provide insight into data beyond conjunctive statements. We leverage the interpretability of such patterns to unveil how and which information flows through neural networks, as well as what characterizes their decisions. Conversely, we show how to combine continuous optimization with pattern discovery, proposing a neural network that directly encodes discrete patterns, which allows us to apply pattern mining at a scale orders of magnitude larger than previously possible. Large neural networks are, however, exceedingly expensive to train for which ‘lottery tickets’ – small, well-trainable sub-networks in randomly initialized neural networks – offer a remedy. We identify theoretical limitations of strong tickets and overcome them by equipping these tickets with the property of universal approximation. To analyze whether limitations in ticket sparsity are algorithmic or fundamental, we propose a framework to plant and hide lottery tickets. With novel ticket benchmarks we then conclude that the limitation is likely algorithmic, encouraging further developments for which our framework offers means to measure progress.In dieser Arbeit befassen wir uns mit Mustersuche und Deep Learning. Oft als gegensätzlich betrachtet, verbinden wir diese Felder, um von den Stärken beider zu profitieren. Wir zeigen erst, wie man effizient prägnante Mengen von Mustern entdeckt, die Einsichten über konjunktive Aussagen hinaus geben. Wir nutzen dann die Interpretierbarkeit solcher Muster, um zu verstehen wie und welche Information durch neuronale Netze fließen und was ihre Entscheidungen charakterisiert. Umgekehrt verbinden wir kontinuierliche Optimierung mit Mustererkennung durch ein neuronales Netz welches diskrete Muster direkt abbildet, was Mustersuche in einigen Größenordnungen höher erlaubt als bisher möglich. Das Training großer neuronaler Netze ist jedoch extrem teuer, für das ’Lotterietickets’ – kleine, gut trainierbare Subnetzwerke in zufällig initialisierten neuronalen Netzen – eine Lösung bieten. Wir zeigen theoretische Einschränkungen von starken Tickets und wie man diese überwindet, indem man die Tickets mit der Eigenschaft der universalen Approximierung ausstattet. Um zu beantworten, ob Einschränkungen in Ticketgröße algorithmischer oder fundamentaler Natur sind, entwickeln wir ein Rahmenwerk zum Einbetten und Verstecken von Tickets, die als Modellfälle dienen. Basierend auf unseren Ergebnissen schließen wir, dass die Einschränkungen algorithmische Ursachen haben, was weitere Entwicklungen begünstigt, für die unser Rahmenwerk Fortschrittsevaluierungen ermöglicht

A Method based on Association Rules to Construct Product Line Model

International audienceThe success of a product line is the ability to improve application engineering, heavily depends on the quality of Product Line Models (PLMs). This paper reports on our effort to develop a method that exploits mining techniques such as the apriori algorithm, independence tests and the like to automate the construction of a PLM specified with FORE, starting from a collection of Product Models (PMs). Using these techniques, the proposed method guides the identification of candidate features, group cardinalities and dependencies. These can be used to progressively construct the PLM consistently with the existing PMs. The method was developed and tested in an industry setting starting with bills of materials as a collection of PMs. One interesting lesson learn from this experiment is that while the PLM is constructed, the domain engineer discovers errors in PMs. We believe that this advocates for a tighter intertwining between domain engineering and application engineering

Similarity processing in multi-observation data

Many real-world application domains such as sensor-monitoring systems for environmental research or medical diagnostic systems are dealing with data that is represented by multiple observations. In contrast to single-observation data, where each object is assigned to exactly one occurrence, multi-observation data is based on several occurrences that are subject to two key properties: temporal variability and uncertainty. When defining similarity between data objects, these properties play a significant role. In general, methods designed for single-observation data hardly apply for multi-observation data, as they are either not supported by the data models or do not provide sufficiently efficient or effective solutions. Prominent directions incorporating the key properties are the fields of time series, where data is created by temporally successive observations, and uncertain data, where observations are mutually exclusive. This thesis provides research contributions for similarity processing - similarity search and data mining - on time series and uncertain data. The first part of this thesis focuses on similarity processing in time series databases. A variety of similarity measures have recently been proposed that support similarity processing w.r.t. various aspects. In particular, this part deals with time series that consist of periodic occurrences of patterns. Examining an application scenario from the medical domain, a solution for activity recognition is presented. Finally, the extraction of feature vectors allows the application of spatial index structures, which support the acceleration of search and mining tasks resulting in a significant efficiency gain. As feature vectors are potentially of high dimensionality, this part introduces indexing approaches for the high-dimensional space for the full-dimensional case as well as for arbitrary subspaces. The second part of this thesis focuses on similarity processing in probabilistic databases. The presence of uncertainty is inherent in many applications dealing with data collected by sensing devices. Often, the collected information is noisy or incomplete due to measurement or transmission errors. Furthermore, data may be rendered uncertain due to privacy-preserving issues with the presence of confidential information. This creates a number of challenges in terms of effectively and efficiently querying and mining uncertain data. Existing work in this field either neglects the presence of dependencies or provides only approximate results while applying methods designed for certain data. Other approaches dealing with uncertain data are not able to provide efficient solutions. This part presents query processing approaches that outperform existing solutions of probabilistic similarity ranking. This part finally leads to the application of the introduced techniques to data mining tasks, such as the prominent problem of probabilistic frequent itemset mining.Viele Anwendungsgebiete, wie beispielsweise die Umweltforschung oder die medizinische Diagnostik, nutzen Systeme der Sensorüberwachung. Solche Systeme müssen oftmals in der Lage sein, mit Daten umzugehen, welche durch mehrere Beobachtungen repräsentiert werden. Im Gegensatz zu Daten mit nur einer Beobachtung (Single-Observation Data) basieren Daten aus mehreren Beobachtungen (Multi-Observation Data) auf einer Vielzahl von Beobachtungen, welche zwei Schlüsseleigenschaften unterliegen: Zeitliche Veränderlichkeit und Datenunsicherheit. Im Bereich der Ähnlichkeitssuche und im Data Mining spielen diese Eigenschaften eine wichtige Rolle. Gängige Lösungen in diesen Bereichen, die für Single-Observation Data entwickelt wurden, sind in der Regel für den Umgang mit mehreren Beobachtungen pro Objekt nicht anwendbar. Der Grund dafür liegt darin, dass diese Ansätze entweder nicht mit den Datenmodellen vereinbar sind oder keine Lösungen anbieten, die den aktuellen Ansprüchen an Lösungsqualität oder Effizienz genügen. Bekannte Forschungsrichtungen, die sich mit Multi-Observation Data und deren Schlüsseleigenschaften beschäftigen, sind die Analyse von Zeitreihen und die Ähnlichkeitssuche in probabilistischen Datenbanken. Während erstere Richtung eine zeitliche Ordnung der Beobachtungen eines Objekts voraussetzt, basieren unsichere Datenobjekte auf Beobachtungen, die sich gegenseitig bedingen oder ausschließen. Diese Dissertation umfasst aktuelle Forschungsbeiträge aus den beiden genannten Bereichen, wobei Methoden zur Ähnlichkeitssuche und zur Anwendung im Data Mining vorgestellt werden. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit Ähnlichkeitssuche und Data Mining in Zeitreihendatenbanken. Insbesondere werden Zeitreihen betrachtet, welche aus periodisch auftretenden Mustern bestehen. Im Kontext eines medizinischen Anwendungsszenarios wird ein Ansatz zur Aktivitätserkennung vorgestellt. Dieser erlaubt mittels Merkmalsextraktion eine effiziente Speicherung und Analyse mit Hilfe von räumlichen Indexstrukturen. Für den Fall hochdimensionaler Merkmalsvektoren stellt dieser Teil zwei Indexierungsmethoden zur Beschleunigung von ähnlichkeitsanfragen vor. Die erste Methode berücksichtigt alle Attribute der Merkmalsvektoren, während die zweite Methode eine Projektion der Anfrage auf eine benutzerdefinierten Unterraum des Vektorraums erlaubt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Ähnlichkeitssuche im Kontext probabilistischer Datenbanken behandelt. Daten aus Sensormessungen besitzen häufig Eigenschaften, die einer gewissen Unsicherheit unterliegen. Aufgrund von Mess- oder übertragungsfehlern sind gemessene Werte oftmals unvollständig oder mit Rauschen behaftet. In diversen Szenarien, wie beispielsweise mit persönlichen oder medizinisch vertraulichen Daten, können Daten auch nachträglich von Hand verrauscht werden, so dass eine genaue Rekonstruktion der ursprünglichen Informationen nicht möglich ist. Diese Gegebenheiten stellen Anfragetechniken und Methoden des Data Mining vor einige Herausforderungen. In bestehenden Forschungsarbeiten aus dem Bereich der unsicheren Datenbanken werden diverse Probleme oftmals nicht beachtet. Entweder wird die Präsenz von Abhängigkeiten ignoriert, oder es werden lediglich approximative Lösungen angeboten, welche die Anwendung von Methoden für sichere Daten erlaubt. Andere Ansätze berechnen genaue Lösungen, liefern die Antworten aber nicht in annehmbarer Laufzeit zurück. Dieser Teil der Arbeit präsentiert effiziente Methoden zur Beantwortung von Ähnlichkeitsanfragen, welche die Ergebnisse absteigend nach ihrer Relevanz, also eine Rangliste der Ergebnisse, zurückliefern. Die angewandten Techniken werden schließlich auf Problemstellungen im probabilistischen Data Mining übertragen, um beispielsweise das Problem des Frequent Itemset Mining unter Berücksichtigung des vollen Gehalts an Unsicherheitsinformation zu lösen