Optimization of feature learning through grammar-guided genetic programming

Tese de Mestrado, Ciência de Dados, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasMachine Learning (ML) is becoming more prominent in daily life. A key aspect in ML is Feature Engineering (FE), which can entail a long and tedious process. Therefore, the automation of FE, known as Feature Learning (FL), can be highly rewarding. FL methods need not only have high prediction performance, but should also produce interpretable methods. Many current high-performance ML methods that can be considered FL methods, such as Neural Networks and PCA, lack interpretability. A popular ML used for FL that produces interpretable models is Genetic Programming (GP), with multiple successful applications and methods like M3GP. In this thesis, I present two new GP-based FL methods, namely M3GP with Domain Knowledge (DK-M3GP) and DK-M3GP with feature Aggregation (DKA-M3GP). Both use grammars to enhance the search process of GP, in a method called GrammarGuided GP (GGGP). DK-M3GP uses grammars to incorporate domain knowledge in the search process. In particular, I use DK-M3GP to define what solutions are humanly valid, in this case by disallowing operating arithmetically on categorical features. For example, the multiplication of the postal code of an individual with their wage is not deemed sensible and thus disallowed. In DKA-M3GP, I use grammars to include a feature aggregation method in the search space. This method can be used for time series and panel datasets, to aggregate the target value of historic data based on a known feature value of a new data point. For example, if I want to predict the number of bikes seen daily in a city, it is interesting to know how many were seen on average in the last week. Furthermore, DKA-M3GP allows for filtering the aggregation based on some other feature value. For example, we can include the average number of bikes seen on past Sundays. I evaluated my FL methods for two ML problems in two environments. First, I evaluate the independent FL process, and, after that, I evaluate the FL steps within four ML pipelines. Independently, DK-M3GP shows a two-fold advantage over normal M3GP; better interpretability in general, and higher prediction performance for one problem. DKA-M3GP has a much better prediction performance than M3GP for one problem, and a slightly better one for the other. Furthermore, within the ML pipelines it performed well in one of two problems. Overall, my methods show potential for FL. Both methods are implemented in Genetic Engine an individual-representation-independent GGGP framework, created as part of this thesis. Genetic Engine is completely implemented in Python and shows competing performance with the mature GGGP framework PonyGE2.A Inteligência Artificial (IA) e o seu subconjunto de Aprendizagem Automática (AA) estão a tornarse mais importantes para nossas vidas a cada dia que passa. Ambas as áreas estão presentes no nosso dia a dia em diversas aplicações como o reconhecimento automático de voz, os carros autónomos, ou o reconhecimento de imagens e deteção de objetos. A AA foi aplicada com sucesso em muitas áreas, como saúde, finanças e marketing. Num contexto supervisionado, os modelos de AA são treinados com dados e, posteriormente, são usados para prever o comportamento de dados futuros. A combinação de etapas realizadas para construir um modelo de AA, totalmente treinado e avaliado, é chamada um AA pipeline, ou simplesmente pipeline. Todos os pipelines seguem etapas obrigatórias, nomeadamente a recuperação, limpeza e manipulação dos dados, a seleção e construção de features, a seleção do modelo e a otimização dos seus parâmetros, finalmente, a avaliação do modelo. A construção de AA pipelines é uma tarefa desafiante, com especificidades que dependem do domínio do problema. Existem desafios do lado do design, otimização de hiperparâmetros, assim como no lado da implementação. No desenho de pipelines, as escolhas devem ser feitas em relação aos componentes a utilizar e à sua ordem. Mesmo para especialistas em AA, desenhar pipelines é uma tarefa entediante . As escolhas de design exigem experiência em AA e um conhecimento do domínio do problema, o que torna a construção do pipeline num processo intensivo de recursos. Após o desenho do pipeline, os parâmetros do mesmo devem ser otimizados para melhorar o seu desempenho. A otimização de parâmetros, geralmente, requer a execução e avaliação sequencial do pipeline, envolvendo altos custos. No lado da implementação, os programadores podem introduzir bugs durante o processo de desenvolvimento. Esses bugs podem levar à perda de tempo e dinheiro para serem corrigidos, e, se não forem detectados, podem comprometer a robustez e correção do modelo ou introduzir problemas de desempenho. Para contornar esses problemas de design e implementação, surgiu uma nova linha de investigação designada por AutoML (Automated Machine Learning). AutoML visa automatizar o desenho de AA pipelines, a otimização de parâmetros, e a sua implementação. Uma parte importante dos pipelines de AA é a maneira como os features dos dados são manipulados. A manipulação de dados tem muitos aspetos, reunidos sob o termo genérico Feature Engineering (FE). Em suma, FE visa melhorar a qualidade do espaço de solução selecionando as features mais importantes e construindo novas features relevantes. Contudo, este é um processo que consome muitos recursos, pelo que a sua automação é uma sub-área altamente recompensadora de AutoML. Nesta tese, defino Feature Learning (FL) como a área de FE automatizado. Uma métrica importante de FE e, portanto, de FL, é a interpretabilidade das features aprendidas. Interpretabilidade, que se enquadra na área de Explainable IA (XIA), refere-se à facilidade de entender o significado de uma feature. A ocorrência de diversos escândalos em IA, como modelos racistas e sexistas, levaram a União Europeia a propor legislação sobre modelos sem interpretabilidade. Muitos métodos clássicos, e portanto amplamente usados, carecem de interpretabilidade, dando origem ao interesse recémdescoberto em XIA. A atual investigação em FL trata os valores de features existentes sem os relacionar com o seu significado semântico. Por exemplo, engenharia de uma feature que representa a multiplicação do código postal com a idade de uma pessoa não é um uso lógico do código postal. Embora os códigos postais possam ser representados como números inteiros, eles devem ser tratados como valores categóricos. A prevenção deste tipo de interações entre features, melhora o desempenho do pipeline, uma vez que reduz o espaço de procura de possíveis features ficando apenas com as que fazem semanticamente sentido. Além disso, este processo resulta em features que são intrinsecamente interpretáveis. Deste modo, o conhecimento sobre o domínio do problema, impede a engenharia de features sem significado durante o processo de FE.. Outro aspecto de FL normalmente não considerado nos métodos existentes, é a agregação de valores de uma única feature por várias entidades de dados. Por exemplo, vamos considerar um conjunto de dados sobre fraude de cartão de crédito. A quantidade média de transações anteriores de um cartão é potencialmente uma feature interessante para incluir, pois transmite o significado de uma transação ’normal’. No entanto, isso geralmente não é diretamente inferível nos métodos de FL existentes. Refirome a este método de FL como agregação de entidades, ou simplesmente agregação. Por fim, apesar da natureza imprevisível dos conjuntos de dados da vida real, os métodos existentes exigem principalmente features que tenham dados homogêneos. Isso exige que os cientistas de dados realizem um pré-processamento do conjunto de dados. Muitas vezes, isso requer transformar categorias em números inteiros ou algum tipo de codificação, como por exemplo one-hot encoding. Contudo, conforme discutido acima, isso pode reduzir a interpretabilidade e o desempenho do pipeline. A Programação Genética (GP), um método de ML, é também usado para FL e permite a criação de modelos mais interpretáveis que a maioria dos métodos tradicionais. GP é um método baseado em procura que evolui programas ou, no caso de FL, mapeamentos entre apresentas de espaços. Os métodos de FL baseados em GP existentes não incorporam os três aspectos acima mencionados: o conhecimento do domínio, a agregação e a conformidade com tipos de dados heterogêneos. Algumas abordagens incorporam algumas partes desses aspetos, principalmente usando gramáticas para orientar o processo de procura. O objetivo deste trabalho é explorar se a GP consegue usar gramáticas para melhorar a qualidade da FL, quer em termos de desempenho preditivo ou de interpretabilidade. Primeiro, construímos o Genetic Engine, uma framework de GP guiada por gramática (Grammar-Guided GP (GGGP)). O Genetic Engine é uma framework de GGGP fácil de usar que permite expressar gramáticas complexas. Mostramos que o Genetic Engine tem um bom desempenho quando comparado com a framework de Python do estado da arte, PonyGE2. Em segundo lugar, proponho dois novos métodos de FL baseados em GGGP implementados no Genetic Engine. Ambos os métodos estendem o M3GP, o método FL do estado da arte baseado em GP. A primeira incorpora o conhecimento do domínio, denominado M3GP com conhecimento do domínio (M3GP with Domain Knowledge (DK-M3GP)). O primeiro método restringe o comportamento das features permitindo apenas interações sensatas, por meio de condições e declarações. O segundo método estende X DK-M3GP, introduzindo agregação no espaço de procura, e é denominado DK-M3GP com Agregação (DK-M3GP with Aggregation (DKA-M3GP)). O DKA-M3GP usa totalmente a facilidade de implementação do Genetic Engine, pois requer a implementação de uma gramática complexa. Neste trabalho, o DK-M3GP e DKA-M3GP foram avaliados em comparação com o GP Tradicional, M3GP e numerosos métodos clássicos de FL em dois problemas de ML. As novas abordagens foram avaliadas assumindo que são métodos autônomos de FL e fazendo parte de uma pipeline maior. Como métodos FL independentes, ambos os métodos demonstram boa previsão de desempenho em pelo menos um dos dois problemas. Como parte da pipeline, os métodos apresentam pouca vantagem em relação aos métodos clássicos no seu desempenho de previsão. Após a análise dos resultados, uma possível explicação encontra-se no overfitting dos métodos FL para a função de fitness e no conjunto de dados de treino. O Neste trabalho, discuto também a melhoria na interpretabilidade após incorporar conhecimento do domínio no processo de procura. Uma avaliação preliminar do DK-M3GP indica que, utilizando a medida de complexidade Expression Size (ES), é possível obter uma melhoria na interpretabilidade. Todavia, verifiquei também que a medida de complexidade utilizada pode não ser a mais adequada devido a estrutura de características em forma de árvore das características construídas por DK-M3GP que potencia um ES. Considero que um método de avaliação de interpretabilidade mais complexo deve apontar isso

Data types as a more ergonomic frontend for Grammar-Guided Genetic Programming

Genetic Programming (GP) is an heuristic method that can be applied to many Machine Learning, Optimization and Engineering problems. In particular, it has been widely used in Software Engineering for Test-case generation, Program Synthesis and Improvement of Software (GI). Grammar-Guided Genetic Programming (GGGP) approaches allow the user to refine the domain of valid program solutions. Backus Normal Form is the most popular interface for describing Context-Free Grammars (CFG) for GGGP. BNF and its derivatives have the disadvantage of interleaving the grammar language and the target language of the program. We propose to embed the grammar as an internal Domain-Specific Language in the host language of the framework. This approach has the same expressive power as BNF and EBNF while using the host language type-system to take advantage of all the existing tooling: linters, formatters, type-checkers, autocomplete, and legacy code support. These tools have a practical utility in designing software in general, and GP systems in particular. We also present Meta-Handlers, user-defined overrides of the tree-generation system. This technique extends our object-oriented encoding with more practicability and expressive power than existing CFG approaches, achieving the same expressive power of Attribute Grammars, but without the grammar vs target language duality. Furthermore, we evidence that this approach is feasible, showing an example Python implementation as proof. We also compare our approach against textual BNF-representations w.r.t. expressive power and ergonomics. These advantages do not come at the cost of performance, as shown by our empirical evaluation on 5 benchmarks of our example implementation against PonyGE2. We conclude that our approach has better ergonomics with the same expressive power and performance of textual BNF-based grammar encodings

Trace analysis of environmental matrices by large-volume injection and liquid chromatography-mass spectrometry

The time-honored convention of concentrating aqueous samples by solid-phase extraction (SPE) is being challenged by the increasingly widespread use of large-volume injection (LVI) liquid chromatography–mass spectrometry (LC–MS) for the determination of traces of polar organic contaminants in environmental samples. Although different LVI approaches have been proposed over the last 40 years, the simplest and most popular way of performing LVI is known as single-column LVI (SC-LVI), in which a large-volume of an aqueous sample is directly injected into an analytical column. For the purposes of this critical review, LVI is defined as an injected sample volume that is ≥10% of the void volume of the analytical column. Compared with other techniques, SC-LVI is easier to set up, because it requires only small hardware modifications to existing autosamplers and, thus, it will be the main focus of this review. Although not new, SC-LVI is gaining acceptance and the approach is emerging as a technique that will render SPE nearly obsolete for many environmental applications.In this review, we discuss: the history and development of various forms of LVI; the critical factors that must be considered when creating and optimizing SC-LVI methods; and typical applications that demonstrate the range of environmental matrices to which LVI is applicable, for example drinking water, groundwater, and surface water including seawater and wastewater. Furthermore, we indicate direction and areas that must be addressed to fully delineate the limits of SC-LVI

Personalised Gait Recognition for People with Neurological Conditions

There is growing interest in monitoring gait patterns in people with neurological conditions. The democratisation of wearable inertial sensors has enabled the study of gait in free living environments. One pivotal aspect of gait assessment in uncontrolled environments is the ability to accurately recognise gait instances. Previous work has focused on wavelet transform methods or general machine learning models to detect gait; the former assume a comparable gait pattern between people and the latter assume training datasets that represent a diverse population. In this paper, we argue that these approaches are unsuitable for people with severe motor impairments and their distinct gait patterns, and make the case for a lightweight personalised alternative. We propose an approach that builds on top of a general model, fine-tuning it with personalised data. A comparative proof-of-concept evaluation with general machine learning (NN and CNN) approaches and personalised counterparts showed that the latter improved the overall accuracy in 3.5% for the NN and 5.3% for the CNN. More importantly, participants that were ill-represented by the general model (the most extreme cases) had the recognition of gait instances improved by up to 16.9% for NN and 20.5% for CNN with the personalised approaches. It is common to say that people with neurological conditions, such as Parkinson’s disease, present very individual motor patterns, and that in a sense they are all outliers; we expect that our results will motivate researchers to explore alternative approaches that value personalisation rather than harvesting datasets that are may be able to represent these differences

Personalised Gait Recognition for People with Neurological Conditions

There is growing interest in monitoring gait patterns in people with neurological conditions. The democratisation of wearable inertial sensors has enabled the study of gait in free living environments. One pivotal aspect of gait assessment in uncontrolled environments is the ability to accurately recognise gait instances. Previous work has focused on wavelet transform methods or general machine learning models to detect gait; the former assume a comparable gait pattern between people and the latter assume training datasets that represent a diverse population. In this paper, we argue that these approaches are unsuitable for people with severe motor impairments and their distinct gait patterns, and make the case for a lightweight personalised alternative. We propose an approach that builds on top of a general model, fine-tuning it with personalised data. A comparative proof-of-concept evaluation with general machine learning (NN and CNN) approaches and personalised counterparts showed that the latter improved the overall accuracy in 3.5% for the NN and 5.3% for the CNN. More importantly, participants that were ill-represented by the general model (the most extreme cases) had the recognition of gait instances improved by up to 16.9% for NN and 20.5% for CNN with the personalised approaches. It is common to say that people with neurological conditions, such as Parkinson’s disease, present very individual motor patterns, and that in a sense they are all outliers; we expect that our results will motivate researchers to explore alternative approaches that value personalisation rather than harvesting datasets that are may be able to represent these differences