Predicting the Evolution of Communities with Online Inductive Logic Programming

In the recent years research on dynamic social network has increased, which is also due to the availability of data sets from streaming media. Modeling a network\u27s dynamic behaviour can be performed at the level of communities, which represent their mesoscale structure. Communities arise as a result of user to user interaction. In the current work we aim to predict the evolution of communities, i.e. to predict their future form. While this problem has been studied in the past as a supervised learning problem with a variety of classifiers, the problem is that the "knowledge" of a classifier is opaque and consequently incomprehensible to a human. Thus we have employed first order logic, and in particular the event calculus to represent the communities and their evolution. We addressed the problem of predicting the evolution as an online Inductive Logic Programming problem (ILP), where the issue is to learn first order logical clauses that associate evolutionary events, and particular Growth, Shrinkage, Continuation and Dissolution to lower level events. The lower level events are features that represent the structural and temporal characteristics of communities. Experiments have been performed on a real life data set form the Mathematics StackExchange forum, with the OLED framework for ILP. In doing so we have produced clauses that model both short term and long term correlations

Predicting the Evolution of Communities with Online Inductive Logic Programming

Πρόσφατα, η έρευνα στα δυναμικά κοινωνικά δίκτυα έχει αυξηθεί λόγω των πολυάριθμων δεδομένων που έχουν γίνει διαθέσιμα για εξερεύνηση. Πολλοί ερευνητές έχουν αρχίσει να εστιάζουν στη πρόβλεψη γεγονότων τα οποία χαρακτηρίζουν την εξέλιξη των κοινοτήτων στο χρόνο. Η πρόβλεψη της εξέλιξης των κοινοτήτων είναι ένα ενδιαφέρον πεδίο αφού μπορεί να συνεισφέρει στην εμπόδιση του ρατσισμού, της βίας και της τρομοκρατίας, στην αποκάλυψη νέων τάσεων και στην διάδοση πληροφοριών που κινδυνεύουν να χαθούν. Σε αυτή τη πτυχιακή εργασία προσπαθούμε να προβλέψουμε την εξέλιξη των κοινοτήτων σε ένα δυναμικό κοινωνικό δίκτυο. Για την πρόβλεψη χρησιμοποιούμε το OLED, μια ακολουθιακή και επαγωγική λογικού προγραμματισμού μέθοδο. Το OLED παράγει μια θεωρία η οποία μας δηλώνει πότε ένα εξελικτικό γεγονός αρχίζει και πότε τελειώνει να συμβαίνει. Έχουμε υιοθετήσει τα ακόλουθα εξελικτικά γεγονότα στην εργασία μας: Αύξηση, Συρρίκνωση, Συνέχιση, και Διάλυση. Σαν χαρακτηριστικά χρησιμοποιούμε τα δομικά χαρακτηριστικά κάθε κοινότητας και τις προηγούμενες καταστάσεις αυτής της κοινότητας (χρονικά χαρακτηριστικά). Τα πειράματα εκτελέστηκαν με πραγματικά δεδομένα από το Mathematics StackExchange. Δοκιμάσαμε και αξιολογήσαμε διάφορες ρυθμίσεις παραμέτρων στο OLED, ενώ επίσης επιτρέψαμε την κατασκευή δύο τύπων κανόνων. Αυτούς που λαμβάνουν υπόψιν τους μόνο την τρέχουσα χρονική στιγμή και του άλλους που περιλαμβάνουν στοιχεία από προηγούμενες χρονικές στιγμές στο σώμα τους. Τελικά παρουσιάζουμε ποια χαρακτηριστικά συμμετέχουν στην πρόβλεψη κάθε εξελικτικού γεγονότος και ποια από αυτά είναι άσχετα με αυτή τη πρόβλεψη.Recently, research on dynamic social network analysis has risen because of numerous data have been available for investigation. Many researchers have started focusing on predicting events that characterize the evolution of communities over time. Community evolution prediction is an interesting field, since it can contribute to prevention of racism, violence and terrorism, revelation new trends and salvage of information that is in danger to be lost. In this thesis, we try to predict the evolution of communities in a dynamic social network. For this prediction we use OLED, an Online Inductive Logic Programming method. OLED derives a theory which indicates us when an evolutionary event starts and when it stops to happen. We have adopted the following four evolutionary events in our work: Growth, Shrinkage, Continuation and Dissolution. As features we use the structural characteristics (structural features) of each community and the previous states of this community in time (temporal features). The experiments were executed with real life data from Mathematics StackExchange. We tried and evaluated various parameters settings on OLED, while also we permitted the construction two types of rules. These ones that considers only current time and the other which include elements from previous time in their bodies. Finally, we present which features participate in prediction of each evolutionary event and which of them are unrelated with this prediction

Transforming Graph Representations for Statistical Relational Learning

Relational data representations have become an increasingly important topic due to the recent proliferation of network datasets (e.g., social, biological, information networks) and a corresponding increase in the application of statistical relational learning (SRL) algorithms to these domains. In this article, we examine a range of representation issues for graph-based relational data. Since the choice of relational data representation for the nodes, links, and features can dramatically affect the capabilities of SRL algorithms, we survey approaches and opportunities for relational representation transformation designed to improve the performance of these algorithms. This leads us to introduce an intuitive taxonomy for data representation transformations in relational domains that incorporates link transformation and node transformation as symmetric representation tasks. In particular, the transformation tasks for both nodes and links include (i) predicting their existence, (ii) predicting their label or type, (iii) estimating their weight or importance, and (iv) systematically constructing their relevant features. We motivate our taxonomy through detailed examples and use it to survey and compare competing approaches for each of these tasks. We also discuss general conditions for transforming links, nodes, and features. Finally, we highlight challenges that remain to be addressed

Mathematical practice, crowdsourcing, and social machines

The highest level of mathematics has traditionally been seen as a solitary endeavour, to produce a proof for review and acceptance by research peers. Mathematics is now at a remarkable inflexion point, with new technology radically extending the power and limits of individuals. Crowdsourcing pulls together diverse experts to solve problems; symbolic computation tackles huge routine calculations; and computers check proofs too long and complicated for humans to comprehend. Mathematical practice is an emerging interdisciplinary field which draws on philosophy and social science to understand how mathematics is produced. Online mathematical activity provides a novel and rich source of data for empirical investigation of mathematical practice - for example the community question answering system {\it mathoverflow} contains around 40,000 mathematical conversations, and {\it polymath} collaborations provide transcripts of the process of discovering proofs. Our preliminary investigations have demonstrated the importance of "soft" aspects such as analogy and creativity, alongside deduction and proof, in the production of mathematics, and have given us new ways to think about the roles of people and machines in creating new mathematical knowledge. We discuss further investigation of these resources and what it might reveal. Crowdsourced mathematical activity is an example of a "social machine", a new paradigm, identified by Berners-Lee, for viewing a combination of people and computers as a single problem-solving entity, and the subject of major international research endeavours. We outline a future research agenda for mathematics social machines, a combination of people, computers, and mathematical archives to create and apply mathematics, with the potential to change the way people do mathematics, and to transform the reach, pace, and impact of mathematics research.Comment: To appear, Springer LNCS, Proceedings of Conferences on Intelligent Computer Mathematics, CICM 2013, July 2013 Bath, U

A novel soft computing approach based on FIR to model and predict energy dynamic systems

Tesi en modalitat compendi de publicacionsWe are facing a global climate crisis that is demanding a change in the status quo of how we produce, distribute and consume energy. In the last decades, this is being redefined through Smart Grids(SG), an intelligent electrical network more observable, controllable, automated, fully integrated with energy services and the end-users. Most of the features and proposed SG scenarios are based on reliable, robust and fast energy predictions. For instance, for proper planning activities, such as generation, purchasing, maintenance and investment; for demand side management, like demand response programs; for energy trading, especially at local level, where productions and consumptions are more stochastics and dynamic; better forecasts also increase grid stability and thus supply security. A large variety of Artificial Intelligence(AI) techniques have been applied in the field of Short-term electricity Load Forecasting(SLF) at consumer level in low-voltage system, showing a better performance than classical techniques. Inaccuracy or failure in the SLF process may be translated not just in a non-optimal (low prediction accuracy) solution but also in frustration of end-users, especially in new services and functionalities that empower citizens. In this regard, some limitations have been observed in energy forecasting models based on AI such as robustness, reliability, accuracy and computation in the edge. This research proposes and develops a new version of Fuzzy Inductive Reasoning(FIR), called Flexible FIR, to model and predict the electricity consumption of an entity in the low-voltage grid with high uncertainties, and information missing, as well as the capacity to be deployed either in the cloud or locally in a new version of Smart Meters(SMs) based on Edge Computing(EC). FIR has been proved to be a powerful approach for model identification and system ’s prediction over dynamic and complex processes in different real world domains but not yet in the energy domain. Thus, the main goal of this thesis is to demonstrate that a new version of FIR, more robust, reliable and accurate can be a referent Soft Computing(SC) methodology to model and predict dynamic systems in the energy domain and that it is scalable to an EC integration. The core developments of Flexible FIR have been an algorithm that can cope with missing information in the input values, as well as learn from instances with Missing Values(MVs) in the knowledge-based, without compromising significantly the accuracy of the predictions. Moreover, Flexible FIR comes with new forecasting strategies that can cope better with loss of causality of a variable and dispersion of output classes than classical k nearest neighbours, making the FIR forecasting process more reliable and robust. Furthermore, Flexible FIR addresses another major challenge modelling with SC techniques, which is to select best model parameters. One of the most important parameters in FIR is the number k of nearest neighbours to be used in the forecast process. The challenge to select the optimal k, dynamically, is addressed through an algorithm, called KOS(K nearest neighbour Optimal Selection), which has been developed and tested also with real world data. It computes a membership aggregation function of all the neighbours with respect their belonging to the output classes.While with KOS the optimal parameter k is found online, with other approaches such as genetic algorithms or reinforcement learning is not, which increases the computational time.Ens trobem davant una crisis climàtica global que exigeix un canvi al status quo de la manera que produïm, distribuïm i consumim energia. En les darreres dècades, està sent redefinit gràcies a les xarxa elèctriques intel·ligents(SG: Smart Grid) amb millor observabilitat, control, automatització, integrades amb nous serveis energètics i usuaris finals. La majoria de les funcionalitats i escenaris de les SG es basen en prediccions de la càrrega elèctrica confiables, robustes i ràpides. Per les prediccions de càrregues elèctriques a curt termini(SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivell de consumidors al baix voltatge, s’han aplicat una gran varietat de tècniques intel·ligència Artificial(IA) mostrant millor rendiment que tècniques estadístiques tradicionals. Un baix rendiment en SLF, pot traduir-se no només en una solució no-òptima (baixa precisió de predicció) sinó també en la frustració dels usuaris finals, especialment en nous serveis i funcionalitats que empoderarien als ciutadans. En el marc d’aquesta investigació es proposa i desenvolupa una nova versió de la metodologia del Raonament Inductiu Difús(FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), anomenat Flexible FIR, capaç de modelar i predir el consum d’electricitat d’una entitat amb un grau d’incertesa molt elevat, inclús amb importants carències d’informació (missing values). A més, Flexible FIR té la capacitat de desplegar-se al núvol, així como localment, en el que podria ser una nova versió de Smart Meters (SM) basada en tecnologia d’Edge Computing (EC). FIR ja ha demostrat ser una metodologia molt potent per la generació de models i prediccions en processos dinàmics en diferents àmbits, però encara no en el de l’energia. Per tant, l’objectiu principal d’aquesta tesis és demostrar que una versió millorada de FIR, més robusta, fiable i precisa pot consolidar-se com una metodologia Soft Computing SC) de referencia per modelar i predir sistemes dinàmics en aplicacions per al sector de l’energia i que és escalable a una integració d’EC. Les principals millores de Flexible FIR han estat, en primer lloc, el desenvolupament i test d’un algorisme capaç de processar els valors d’entrada d’un model FIR tot i que continguin Missing Values (MV). Addicionalment, aquest algorisme també permet aprendre d’instàncies amb MV en la matriu de coneixement d’un model FIR, sense comprometre de manera significativa la precisió de les prediccions. En segon lloc, s’han desenvolupat i testat noves estratègies per a la fase de predicció, comportant-se millor que els clàssics k veïns més propers quan ens trobem amb pèrdua de causalitat d’una variable i dispersió en les classes de sortida, aconseguint un procés d’aprenentatge i predicció més confiable i robust. En tercer lloc, Flexible FIR aborda un repte molt comú en tècniques de SC: l’òptima parametrització del model. En FIR, un dels paràmetres més determinants és el número k de veïns més propers que s’utilitzaran durant la fase de predicció. La selecció del millor valor de k es planteja de manera dinàmica a través de l’algorisme KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que s’ha desenvolupat i testat també amb dades reals. Mentre que amb KOS el paràmetre òptim de k es calcula online, altres enfocaments mitjançant algoritmes genètics o aprenentatge per reforç el càlcul és offline, incrementant significativament el temps de resposta, sent a més a més difícil la implantació en escenaris d’EC. Aquestes millores fan que Flexible FIR es pugui adaptar molt bé en aplicacions d’EC. En aquest sentit es proposa el concepte d’un SM de segona generació basat en EC, que integra Flexible FIR com mòdul de predicció d’electricitat executant-se en el propi dispositiu i un agent EC amb capacitat per el trading d'energia produïda localment. Aquest agent executa un innovador mecanisme basat en incentius, anomenat NRG-X-Change que utilitza una nova moneda digital descentralitzada per l’intercanvi d’energia, que s’anomena NRGcoin.Estamos ante una crisis climática global que exige un cambio del status quo de la manera que producimos, distribuimos y consumimos energía. En las últimas décadas, este status quo está siendo redefinido debido a: la penetración de las energías renovables y la generación distribuida; nuevas tecnologías como baterías y paneles solares con altos rendimientos; y la forma en que se consume la energía, por ejemplo, a través de vehículos eléctricos o con la electrificación de los hogares. Estas palancas requieren una red eléctrica inteligente (SG: Smart Grid) con mayor observabilidad, control, automatización y que esté totalmente integrada con nuevos servicios energéticos, así como con sus usuarios finales. La mayoría de las funcionalidades y escenarios de las redes eléctricas inteligentes se basan en predicciones de la energía confiables, robustas y rápidas. Por ejemplo, para actividades de planificación como la generación, compra, mantenimiento e inversión; para la gestión de la demanda, como los programas de demand response; en el trading de electricidad, especialmente a nivel local, donde las producciones y los consumos son más estocásticos y dinámicos; una mejor predicción eléctrica también aumenta la estabilidad de la red y, por lo tanto, mejora la seguridad. Para las predicciones eléctricas a corto plazo (SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivel de consumidores en el bajo voltaje, se han aplicado una gran variedad de técnicas de Inteligencia Artificial (IA) mostrando mejor rendimiento que técnicas estadísticas convencionales. Un bajo rendimiento en los modelos predictivos, puede traducirse no solamente en una solución no-óptima (baja precisión de predicción) sino también en frustración de los usuarios finales, especialmente en nuevos servicios y funcionalidades que empoderan a los ciudadanos. En este sentido, se han identificado limitaciones en modelos de predicción de energía basados en IA, como la robustez, fiabilidad, precisión i computación en el borde. En el marco de esta investigación se propone y desarrolla una nueva versión de la metodología de Razonamiento Inductivo Difuso (FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), que hemos llamado Flexible FIR, capaz de modelar y predecir el consumo de electricidad de una entidad con altos grados de incertidumbre e incluso con importantes carencias de información (missing values). Además, Flexible FIR tiene la capacidad de desplegarse en la nube, así como localmente, en lo que podría ser una nueva versión de Smart Meters (SM) basada en tecnología de Edge Computing (EC). En el pasado, ya se ha demostrado que FIR es una metodología muy potente para la generación de modelos y predicciones en procesos dinámicos, sin embargo, todavía no ha sido demostrado en el campo de la energía. Por tanto, el objetivo principal de esta tesis es demostrar que una versión mejorada de FIR, más robusta, fiable y precisa puede consolidarse como metodología Soft Computing (SC) de referencia para modelar y predecir sistemas dinámicos en aplicaciones para el sector de la energía y que es escalable hacia una integración de EC. Las principales mejoras en Flexible FIR han sido, en primer lugar, el desarrollo y testeo de un algoritmo capaz de procesar los valores de entrada en un modelo FIR a pesar de que contengan Missing Values (MV). Además, dicho algoritmo también permite aprender de instancias con MV en la matriz de conocimiento de un modelo FIR, sin comprometer de manera significativa la precisión de las predicciones. En segundo lugar, se han desarrollado y testeado nuevas estrategias para la fase de predicción de un modelo FIR, comportándose mejor que los clásicos k vecinos más cercanos ante la pérdida de causalidad de una variable y dispersión de clases de salida, consiguiendo un proceso de aprendizaje y predicción más confiable y robusto. En tercer lugar, Flexible FIR aborda un desafío muy común en técnicas de SC: la óptima parametrización del modelo. En FIR, uno de los parámetros más determinantes es el número k de vecinos más cercanos que se utilizarán en la fase de predicción. La selección del mejor valor de k se plantea de manera dinámica a través del algoritmo KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que se ha desarrollado y probado también con datos reales. Dicho algoritmo calcula una función de membresía agregada, de todos los vecinos, con respecto a su pertenencia a las clases de salida. Mientras que con KOS el parámetro óptimo de k se calcula online, otros enfoques mediante algoritmos genéticos o aprendizaje por refuerzo, el cálculo es offline incrementando significativamente el tiempo de respuesta, siendo además difícil su implantación en escenarios de EC. Estas mejoras hacen que Flexible FIR se adapte muy bien en aplicaciones de EC, en las que la analítica de datos en streaming debe ser fiable, robusta y con un modelo suficientemente ligero para ser ejecutado en un IoT Gateway o dispositivos más pequeños. También, en escenarios con poca conectividad donde el uso de la computación en la nube es limitado y los parámetros del modelo se calculan localmente. Con estas premisas, en esta tesis, se propone el concepto de un SM de segunda generación basado en EC, que integra Flexible FIR como módulo de predicción de electricidad ejecutándose en el dispositivo y un agente EC con capacidad para el trading de energía producida localmente. Dicho agente ejecuta un novedoso mecanismo basado en incentivos, llamado NRG-X-Change que utiliza una nueva moneda digital descentralizada para el intercambio de energía, llamada NRGcoin.Postprint (published version

Inductive logic programming at 30: a new introduction

Inductive logic programming (ILP) is a form of machine learning. The goal of ILP is to induce a hypothesis (a set of logical rules) that generalises training examples. As ILP turns 30, we provide a new introduction to the field. We introduce the necessary logical notation and the main learning settings; describe the building blocks of an ILP system; compare several systems on several dimensions; describe four systems (Aleph, TILDE, ASPAL, and Metagol); highlight key application areas; and, finally, summarise current limitations and directions for future research.Comment: Paper under revie

Next-Generation Global Biomonitoring: Large-scale, Automated Reconstruction of Ecological Networks

We foresee a new global-scale, ecological approach to biomonitoring emerging within the next decade that can detect ecosystem change accurately, cheaply, and generically. Next-generation sequencing of DNA sampled from the Earth's environments would provide data for the relative abundance of operational taxonomic units or ecological functions. Machine-learning methods would then be used to reconstruct the ecological networks of interactions implicit in the raw NGS data. Ultimately, we envision the development of autonomous samplers that would sample nucleic acids and upload NGS sequence data to the cloud for network reconstruction. Large numbers of these samplers, in a global array, would allow sensitive automated biomonitoring of the Earth's major ecosystems at high spatial and temporal resolution, revolutionising our understanding of ecosystem change