Big Data Analytics für die effiziente Aktivitätserkennung und -vorhersage in Assistenzsystemen

In dieser Arbeit wird untersucht, inwiefern parallele relationale Datenbanksysteme für Methoden der Aktivitätserkennung und -vorhersage in Assistenzsystemen gewinnbringend eingesetzt werden können. Der Fokus liegt hierbei auf der effizienten und skalierbaren Umsetzung und Komposition von Basisoperatoren der linearen Algebra. Dies ermöglicht neben der Umsetzung zugehöriger Machine-Learning-Verfahren die Einbeziehung zahlreicher weiterer Methoden des wissenschaftlichen Rechnens. Für die potenzielle Umsetzung solcher werden daher zahlreiche Aspekte diskutiert und experimentell ausgewertet

Qualitätsgetriebene Datenproduktionssteuerung in Echtzeit-Data-Warehouse-Systemen

Wurden früher Data-Warehouse-Systeme meist nur zur Datenanalyse für die Entscheidungsunterstützung des Managements eingesetzt, haben sie sich nunmehr zur zentralen Plattform für die integrierte Informationsversorgung eines Unternehmens entwickelt. Dies schließt vor allem auch die Einbindung des Data-Warehouses in operative Prozesse mit ein, für die zum einen sehr aktuelle Daten benötigt werden und zum anderen eine schnelle Anfrageverarbeitung gefordert wird. Daneben existieren jedoch weiterhin klassische Data-Warehouse-Anwendungen, welche hochqualitative und verfeinerte Daten benötigen. Die Anwender eines Data-Warehouse-Systems haben somit verschiedene und zum Teil konfligierende Anforderungen bezüglich der Datenaktualität, der Anfragelatenz und der Datenstabilität. In der vorliegenden Dissertation wurden Methoden und Techniken entwickelt, die diesen Konflikt adressieren und lösen. Die umfassende Zielstellung bestand darin, eine Echtzeit-Data-Warehouse-Architektur zu entwickeln, welche die Informationsversorgung in seiner ganzen Breite -- von historischen bis hin zu aktuellen Daten -- abdecken kann. Zunächst wurde ein Verfahren zur Ablaufplanung kontinuierlicher Aktualisierungsströme erarbeitet. Dieses berücksichtigt die widerstreitenden Anforderungen der Nutzer des Data-Warehouse-Systems und erzeugt bewiesenermaßen optimale Ablaufpläne. Im nächsten Schritt wurde die Ablaufplanung im Kontext mehrstufiger Datenproduktionsprozesse untersucht. Gegenstand der Analyse war insbesondere, unter welchen Bedingungen eine Ablaufplanung in Datenproduktionsprozessen gewinnbringend anwendbar ist. Zur Unterstützung der Analyse komplexer Data-Warehouse-Prozesse wurde eine Visualisierung der Entwicklung der Datenzustände, über die Produktionsprozesse hinweg, vorgeschlagen. Mit dieser steht ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem explorativ Datenproduktionsprozesse auf ihr Optimierungspotenzial hin untersucht werden können. Das den operativen Datenänderungen unterworfene Echtzeit-Data-Warehouse-System führt in der Berichtsproduktion zu Inkonsistenzen. Daher wurde eine entkoppelte und für die Anwendung der Berichtsproduktion optimierte Datenschicht erarbeitet. Es wurde weiterhin ein Aggregationskonzept zur Beschleunigung der Anfrageverarbeitung entwickelt. Die Vollständigkeit der Berichtsanfragen wird durch spezielle Anfragetechniken garantiert. Es wurden zwei Data-Warehouse-Fallstudien großer Unternehmen vorgestellt sowie deren spezifische Herausforderungen analysiert. Die in dieser Dissertation entwickelten Konzepte wurden auf ihren Nutzen und ihre Anwendbarkeit in den Praxisszenarien hin überprüft.:1 Einleitung 1 2 Fallstudien 7 2.1 Fallstudie A: UBS AG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1 Unternehmen und Anwendungsdomäne . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2 Systemarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.3 Besonderheiten und Herausforderungen . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Fallstudie B: GfK Retail and Technology . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1 Unternehmen und Anwendungsdomäne . . . . . . . . . . . . 15 2.2.2 Systemarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.3 Besonderheiten und Herausforderungen . . . . . . . . . . . . 20 3 Evolution der Data-Warehouse- Systeme und Anforderungsanalyse 23 3.1 Der Data-Warehouse-Begriff und Referenzarchitektur . . . . . . . . . 23 3.1.1 Definition des klassischen Data-Warehouse-Begriffs . . . . . . 23 3.1.2 Referenzarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2 Situative Datenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.1 Interaktion zwischen IT und Fachbereich . . . . . . . . . . . 31 3.2.2 Spreadmart-Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.3 Analytische Mashups und dienstorientierte Architekturen . . 35 3.2.4 Werkzeuge und Methoden im Kostenvergleich . . . . . . . . . 40 3.3 Evolution der Data-Warehouse-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.3.1 Nutzung von Data-Warehouse-Systemen . . . . . . . . . . . . 41 3.3.2 Entwicklungsprozess der Hardware- und DBMS-Architekturen 46 3.4 Architektur eines Echtzeit-Data-Warehouse . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1 Der Echtzeit-Begriff im Data-Warehouse-Umfeld . . . . . . . 50 3.4.2 Architektur eines Echtzeit-Data-Warehouses . . . . . . . . . . 51 3.4.3 Systemmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.5 Anforderungen an ein Echtzeit-Data-Warehouse . . . . . . . . . . . . 55 3.5.1 Maximierung der Datenaktualität . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.5.2 Minimierung der Anfragelatenz . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.5.3 Erhalt der Datenstabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4 Datenproduktionssteuerung in einstufigen Systemen 59 4.1 Qualitätskriterien und Systemmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.1.1 Dienstqualitätskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.2 Datenqualitätskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1.3 Multikriterielle Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.1.4 Workload- und Systemmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.2 Multikriterielle Ablaufplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2.1 Pareto-effiziente Ablaufpläne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2.2 Abbildung auf das Rucksackproblem . . . . . . . . . . . . . . 71 4.2.3 Lösung mittels dynamischer Programmierung . . . . . . . . . 74 4.3 Dynamische Ablaufplanung zur Laufzeit . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.4 Selektionsbasierte Ausnahmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.5 Evaluierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.5.1 Experimentierumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.5.2 Leistungsvergleich und Adaptivität . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.5.3 Laufzeit- und Speicherkomplexität . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.5.4 Änderungsstabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5 Bewertung von Ladestrategien in mehrstufigen Datenproduktionsprozessen 5.1 Ablaufplanung in mehrstufigen Datenproduktionsprozessen . . . . . 96 5.1.1 Ladestrategien und Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . 97 5.1.2 Evaluierung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.2 Visualisierung der Datenqualität in mehrstufigen Datenproduktionsprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.2.1 Erfassung und Speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.2.2 Visualisierung der Datenqualität . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.3 Prototypische Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6 Konsistente Datenanalyse in operativen Datenproduktionsprozessen 119 6.1 Der Reporting-Layer als Basis einer stabilen Berichtsproduktion . . 120 6.1.1 Stabilität durch Entkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.1.2 Vorberechnung von Basisaggregaten . . . . . . . . . . . . . . 121 6.1.3 Vollständigkeitsbestimmung und Nullwertsemantik . . . . . . 125 6.1.4 Datenhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6.1.5 Prozess der Anfrageverarbeitung mit Vollständigkeitsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 6.1.6 Verwandte Arbeiten und Techniken . . . . . . . . . . . . . . . 127 6.1.7 Evaluierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.2 Nullwertkomprimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.2.1 Einleitendes Beispiel und Vorbetrachtungen . . . . . . . . . . 134 6.2.2 Nullwertkomprimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 6.2.3 Anfrageverarbeitung auf nullwertkomprimierten Daten . . . . 143 6.2.4 Verwandte Arbeiten und Techniken . . . . . . . . . . . . . . . 146 6.2.5 Evaluierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 7 Zusammenfassung und Ausblick 157 Literaturverzeichnis 161 Online-Quellenverzeichnis 169 Abbildungsverzeichnis 17

Vertrauenswürdige, adaptive Anfrageverarbeitung in dynamischen Sensornetzwerken zur Unterstützung assistiver Systeme

Assistenzsysteme in smarten Umgebungen sammeln durch den Einsatz verschiedenster Sensoren viele Daten, um die Intentionen und zukünftigen Aktivitäten der Nutzer zu berechnen. In den meisten Fällen werden dabei mehr Informationen gesammelt als für die Erfüllung der Aufgabe des Assistenzsystems notwendig sind. Das Ziel dieser Dissertation ist die Konzeption und Implementierung von datenschutzfördernden Algorithmen für die Weitergabe sensibler Sensor- und Kontextinformationen zu den Analysewerkzeugen der Assistenzsysteme. Die Datenschutzansprüche der Nutzer werden dazu in Integritätsbedingungen der Datenbanksysteme transformiert, welche die gesammelten Informationen speichern und auswerten. Ausgehend vom Informationsbedarf des Assistenzsystems und den Datenschutzbedürfnissen des Nutzers werden die gesammelten Daten so nahe wie möglich am Sensor durch Selektion, Reduktion, Kompression oder Aggregation durch die Datenschutzkomponente des Assistenzsystems verdichtet. Sofern nicht alle Informationen lokal verarbeitet werden können, werden Teile der Analyse an andere, an der Verarbeitung der Daten beteiligte Rechenknoten ausgelagert. Das Konzept wurde im Rahmen des PArADISE-Frameworks (Privacy-AwaRe Assistive Distributed Information System Environment) umgesetzt und u. a. in Zusammenarbeit mit dem DFG-Graduiertenkolleg 1424 (MuSAMA-Multimodal Smart Appliances for Mobile Application) anhand eines Beispielszenarios getestet

Model-Driven Integration of Compression Algorithms in Column-Store Database Systems

Abstract. Modern database systems are very often in the position to store their entire data in main memory. Aside from increased main memory capacities, a further driver for in-memory database systems was the shift to a decomposition storage model in combination with lightweight data compression algorithms. Using both mentioned storage design concepts, large datasets can be held and processed in main memory with a low memory footprint. In recent years, a large corpus of lightweight data compression algorithms has been developed to efficiently support different data characteristics. In this paper, we present our novel model-driven concept to integrate this large and evolving corpus of lightweight data compression algorithms in column-store database systems. Core components of our concept are (i) a unified conceptual model for lightweight compression algorithms, (ii) specifying algorithms as platform-independent model instances, (iii) transforming model instances into low-level system code, and (iv) integrating low-level system code into a storage layer

Datenzentrierte Bestimmung von Assoziationsregeln in parallelen Datenbankarchitekturen

Die folgende Arbeit befasst sich mit der Alltagstauglichkeit moderner Massendatenverarbeitung, insbesondere mit dem Problem der Assoziationsregelanalyse. Vorhandene Datenmengen wachsen stark an, aber deren Auswertung ist für ungeübte Anwender schwierig. Daher verzichten Unternehmen auf Informationen, welche prinzipiell vorhanden sind. Assoziationsregeln zeigen in diesen Daten Abhängigkeiten zwischen den Elementen eines Datenbestandes, beispielsweise zwischen verkauften Produkten. Diese Regeln können mit Interessantheitsmaßen versehen werden, welche dem Anwender das Erkennen wichtiger Zusammenhänge ermöglichen. Es werden Ansätze gezeigt, dem Nutzer die Auswertung der Daten zu erleichtern. Das betrifft sowohl die robuste Arbeitsweise der Verfahren als auch die einfache Auswertung der Regeln. Die vorgestellten Algorithmen passen sich dabei an die zu verarbeitenden Daten an, was sie von anderen Verfahren unterscheidet. Assoziationsregelsuchen benötigen die Extraktion häufiger Kombinationen (EHK). Hierfür werden Möglichkeiten gezeigt, Lösungsansätze auf die Eigenschaften moderne System anzupassen. Als Ansatz werden Verfahren zur Berechnung der häufigsten $N$ Kombinationen erläutert, welche anders als bekannte Ansätze leicht konfigurierbar sind. Moderne Systeme rechnen zudem oft verteilt. Diese Rechnerverbünde können große Datenmengen parallel verarbeiten, benötigen jedoch die Vereinigung lokaler Ergebnisse. Für verteilte Top-N-EHK auf realistischen Partitionierungen werden hierfür Ansätze mit verschiedenen Eigenschaften präsentiert. Aus den häufigen Kombinationen werden Assoziationsregeln gebildet, deren Aufbereitung ebenfalls einfach durchführbar sein soll. In der Literatur wurden viele Maße vorgestellt. Je nach den Anforderungen entsprechen sie je einer subjektiven Bewertung, allerdings nicht zwingend der des Anwenders. Hierfür wird untersucht, wie mehrere Interessantheitsmaßen zu einem globalen Maß vereinigt werden können. Dies findet Regeln, welche mehrfach wichtig erschienen. Der Nutzer kann mit den Vorschlägen sein Suchziel eingrenzen. Ein zweiter Ansatz gruppiert Regeln. Dies erfolgt über die Häufigkeiten der Regelelemente, welche die Grundlage von Interessantheitsmaßen bilden. Die Regeln einer solchen Gruppe sind daher bezüglich vieler Interessantheitsmaßen ähnlich und können gemeinsam ausgewertet werden. Dies reduziert den manuellen Aufwand des Nutzers. Diese Arbeit zeigt Möglichkeiten, Assoziationsregelsuchen auf einen breiten Benutzerkreis zu erweitern und neue Anwender zu erreichen. Die Assoziationsregelsuche wird dabei derart vereinfacht, dass sie statt als Spezialanwendung als leicht nutzbares Werkzeug zur Datenanalyse verwendet werden kann.The importance of data mining is widely acknowledged today. Mining for association rules and frequent patterns is a central activity in data mining. Three main strategies are available for such mining: APRIORI , FP-tree-based approaches like FP-GROWTH, and algorithms based on vertical data structures and depth-first mining strategies like ECLAT and CHARM. Unfortunately, most of these algorithms are only moderately suitable for many “real-world” scenarios because their usability and the special characteristics of the data are two aspects of practical association rule mining that require further work. All mining strategies for frequent patterns use a parameter called minimum support to define a minimum occurrence frequency for searched patterns. This parameter cuts down the number of patterns searched to improve the relevance of the results. In complex business scenarios, it can be difficult and expensive to define a suitable value for the minimum support because it depends strongly on the particular datasets. Users are often unable to set this parameter for unknown datasets, and unsuitable minimum-support values can extract millions of frequent patterns and generate enormous runtimes. For this reason, it is not feasible to permit ad-hoc data mining by unskilled users. Such users do not have the knowledge and time to define suitable parameters by trial-and-error procedures. Discussions with users of SAP software have revealed great interest in the results of association-rule mining techniques, but most of these users are unable or unwilling to set very technical parameters. Given such user constraints, several studies have addressed the problem of replacing the minimum-support parameter with more intuitive top-n strategies. We have developed an adaptive mining algorithm to give untrained SAP users a tool to analyze their data easily without the need for elaborate data preparation and parameter determination. Previously implemented approaches of distributed frequent-pattern mining were expensive and time-consuming tasks for specialists. In contrast, we propose a method to accelerate and simplify the mining process by using top-n strategies and relaxing some requirements on the results, such as completeness. Unlike such data approximation techniques as sampling, our algorithm always returns exact frequency counts. The only drawback is that the result set may fail to include some of the patterns up to a specific frequency threshold. Another aspect of real-world datasets is the fact that they are often partitioned for shared-nothing architectures, following business-specific parameters like location, fiscal year, or branch office. Users may also want to conduct mining operations spanning data from different partners, even if the local data from the respective partners cannot be integrated at a single location for data security reasons or due to their large volume. Almost every data mining solution is constrained by the need to hide complexity. As far as possible, the solution should offer a simple user interface that hides technical aspects like data distribution and data preparation. Given that BW Accelerator users have such simplicity and distribution requirements, we have developed an adaptive mining algorithm to give unskilled users a tool to analyze their data easily, without the need for complex data preparation or consolidation. For example, Business Intelligence scenarios often partition large data volumes by fiscal year to enable efficient optimizations for the data used in actual workloads. For most mining queries, more than one data partition is of interest, and therefore, distribution handling that leaves the data unaffected is necessary. The algorithms presented in this paper have been developed to work with data stored in SAP BW. A salient feature of SAP BW Accelerator is that it is implemented as a distributed landscape that sits on top of a large number of shared-nothing blade servers. Its main task is to execute OLAP queries that require fast aggregation of many millions of rows of data. Therefore, the distribution of data over the dedicated storage is optimized for such workloads. Data mining scenarios use the same data from storage, but reporting takes precedence over data mining, and hence, the data cannot be redistributed without massive costs. Distribution by special data semantics or user-defined selections can produce many partitions and very different partition sizes. The handling of such real-world distributions for frequent-pattern mining is an important task, but it conflicts with the requirement of balanced partition