New approaches in statistical network data analysis

This cumulative dissertation is dedicated to the statistical analysis of network data. The general approach of combining network science with statistical methodology became very popular in recent years. An important reason for this development lies in the ability of statistical network data analysis to provide a means to model and quantify interdependencies of complex systems. A network can be comprehended as a structure consisting of nodes and edges. The nodes represent general entities that are related via the edges. Depending on the research question at hand, it is either of interest to analyze the dependence structure among the nodes or the distribution of the edges given the nodes. This thesis consists of six contributed manuscripts that are concerned with the latter. Based on statistical models, edges in different dynamic and weighted networks are investigated or reconstructed. To put the contributing articles in a general context, the thesis starts with an introductory chapter. In this introduction, central concepts and models from statistical network data analysis are explained. Besides giving an overview of the available methodology, the advantages and drawbacks of the models are given, supplemented with a discussion of potential extensions and modifications. Content-wise it is possible to divide the articles into two projects. One project is focused on the statistical analysis of international arms trade networks. Two articles are devoted to the global exchange of major conventional weapons with a focus on the dynamic structure of the system and the volume traded. A third article explores latent patterns in the international trade system of small arms and ammunition. Additionally, the arms trade data is used in a survey paper that is concerned with dynamic network models. The second project regards the reconstruction of financial networks from their marginals and includes two articles. All contributing articles are attached in the form as published as a preprint. For publications in scientific journals, the respective sources are given. Additionally, the contributions of all authors are included. All computations were done with the statistical software R and the corresponding code is available from Github.Diese kumulative Dissertation beschäftigt sich mit der statistischen Analyse von Netzwerkdaten. Der generelle Ansatz, interdependente Systeme als Netzwerke zu konzeptualisieren um sie anschließend mit statistischer Methodik zu analysieren, hat in den vergangenen Jahren deutlich an Relevanz gewonnen. Insbesondere die Flexibilität der Methodik, zusammen mit der Möglichkeit komplexe Abhängigkeitsstrukturen zu modellieren, hat zu ihrer Popularität beigetragen. Ein Netzwerk ist ein System, das sich aus Knoten und Kanten zusammensetzt. Dabei sind die Knoten generelle Einheiten, die durch die Kanten miteinander in Verbindung gebracht werden. Je nach Forschungsfrage interessieren entweder die Abhängigkeiten zwischen den Knoten oder die Verteilung der Kanten mit gegebenen Knoten. Diese Arbeit greift mit insgesamt sechs Artikeln den zweiten Ansatz auf. Unter Zuhilfenahme von statistischen Modellen werden die Kanten in verschiedenen binären und gewichteten Netzwerken analysiert, beziehungsweise rekonstruiert. Um der Arbeit einen generellen Kontext zu geben, wird den angehängten Artikeln ein Mantelteil vorangestellt. In diesem wird auf zentrale Konzepte und Modelle der statistischen Netzwerkanalyse eingegangen. Dabei werden die Vorteile als auch die Nachteile der Modelle diskutiert und potenzielle Erweiterungen und Modifikationen beschrieben. Die in dieser Dissertation enthaltenen Artikel lassen sich grob in zwei verschiedene Projekte einordnen. In einem Projekt steht die statistische Modellierung des internationalen Waffenhandels im Fokus. Zwei Artikel untersuchen den globalen Austausch von Großwaffen (Major Conventional Weapons), dabei wird sowohl die dynamische Struktur als auch das gehandelte Waffenvolumen analysiert. Ein weiterer Artikel widmet sich den latenten Strukturen im internationalen Kleinwaffenhandel (Small Arms and Ammunition). Weiterhin werden die Waffenhandelsdaten in einem Übersichtsartikel, der sich mit dynamischen Netzwerkmodellen beschäftigt, verwendet. Das zweite Projekt befasst sich, verteilt über zwei Artikel, mit der Rekonstruktion von finanziellen Netzwerken basierend auf den Randsummen von Netzwerkmatrizen. Alle in dieser Dissertation angehängten Artikel befinden sich in der Form, in der sie als Vorabversion veröffentlicht wurden. Bei Veröffentlichungen in Fachjournalen wird die jeweilige Quelle angegeben. Zudem wird vor jedem Artikel der Beitrag des jeweiligen Autors angegeben. Sämtliche Analysen wurden mit der statistischen Software R durchgeführt. Der dazugehörige Code ist über Github verfügbar

New approaches in statistical network data analysis

This cumulative dissertation is dedicated to the statistical analysis of network data. The general approach of combining network science with statistical methodology became very popular in recent years. An important reason for this development lies in the ability of statistical network data analysis to provide a means to model and quantify interdependencies of complex systems. A network can be comprehended as a structure consisting of nodes and edges. The nodes represent general entities that are related via the edges. Depending on the research question at hand, it is either of interest to analyze the dependence structure among the nodes or the distribution of the edges given the nodes. This thesis consists of six contributed manuscripts that are concerned with the latter. Based on statistical models, edges in different dynamic and weighted networks are investigated or reconstructed. To put the contributing articles in a general context, the thesis starts with an introductory chapter. In this introduction, central concepts and models from statistical network data analysis are explained. Besides giving an overview of the available methodology, the advantages and drawbacks of the models are given, supplemented with a discussion of potential extensions and modifications. Content-wise it is possible to divide the articles into two projects. One project is focused on the statistical analysis of international arms trade networks. Two articles are devoted to the global exchange of major conventional weapons with a focus on the dynamic structure of the system and the volume traded. A third article explores latent patterns in the international trade system of small arms and ammunition. Additionally, the arms trade data is used in a survey paper that is concerned with dynamic network models. The second project regards the reconstruction of financial networks from their marginals and includes two articles. All contributing articles are attached in the form as published as a preprint. For publications in scientific journals, the respective sources are given. Additionally, the contributions of all authors are included. All computations were done with the statistical software R and the corresponding code is available from Github.Diese kumulative Dissertation beschäftigt sich mit der statistischen Analyse von Netzwerkdaten. Der generelle Ansatz, interdependente Systeme als Netzwerke zu konzeptualisieren um sie anschließend mit statistischer Methodik zu analysieren, hat in den vergangenen Jahren deutlich an Relevanz gewonnen. Insbesondere die Flexibilität der Methodik, zusammen mit der Möglichkeit komplexe Abhängigkeitsstrukturen zu modellieren, hat zu ihrer Popularität beigetragen. Ein Netzwerk ist ein System, das sich aus Knoten und Kanten zusammensetzt. Dabei sind die Knoten generelle Einheiten, die durch die Kanten miteinander in Verbindung gebracht werden. Je nach Forschungsfrage interessieren entweder die Abhängigkeiten zwischen den Knoten oder die Verteilung der Kanten mit gegebenen Knoten. Diese Arbeit greift mit insgesamt sechs Artikeln den zweiten Ansatz auf. Unter Zuhilfenahme von statistischen Modellen werden die Kanten in verschiedenen binären und gewichteten Netzwerken analysiert, beziehungsweise rekonstruiert. Um der Arbeit einen generellen Kontext zu geben, wird den angehängten Artikeln ein Mantelteil vorangestellt. In diesem wird auf zentrale Konzepte und Modelle der statistischen Netzwerkanalyse eingegangen. Dabei werden die Vorteile als auch die Nachteile der Modelle diskutiert und potenzielle Erweiterungen und Modifikationen beschrieben. Die in dieser Dissertation enthaltenen Artikel lassen sich grob in zwei verschiedene Projekte einordnen. In einem Projekt steht die statistische Modellierung des internationalen Waffenhandels im Fokus. Zwei Artikel untersuchen den globalen Austausch von Großwaffen (Major Conventional Weapons), dabei wird sowohl die dynamische Struktur als auch das gehandelte Waffenvolumen analysiert. Ein weiterer Artikel widmet sich den latenten Strukturen im internationalen Kleinwaffenhandel (Small Arms and Ammunition). Weiterhin werden die Waffenhandelsdaten in einem Übersichtsartikel, der sich mit dynamischen Netzwerkmodellen beschäftigt, verwendet. Das zweite Projekt befasst sich, verteilt über zwei Artikel, mit der Rekonstruktion von finanziellen Netzwerken basierend auf den Randsummen von Netzwerkmatrizen. Alle in dieser Dissertation angehängten Artikel befinden sich in der Form, in der sie als Vorabversion veröffentlicht wurden. Bei Veröffentlichungen in Fachjournalen wird die jeweilige Quelle angegeben. Zudem wird vor jedem Artikel der Beitrag des jeweiligen Autors angegeben. Sämtliche Analysen wurden mit der statistischen Software R durchgeführt. Der dazugehörige Code ist über Github verfügbar

Does Your Model Think Like an Engineer? Explainable AI for Bearing Fault Detection with Deep Learning

Deep Learning has already been successfully applied to analyze industrial sensor data in a variety of relevant use cases. However, the opaque nature of many well-performing methods poses a major obstacle for real-world deployment. Explainable AI (XAI) and especially feature attribution techniques promise to enable insights about how such models form their decision. But the plain application of such methods often fails to provide truly informative and problem-specific insights to domain experts. In this work, we focus on the specific task of detecting faults in rolling element bearings from vibration signals. We propose a novel and domain-specific feature attribution framework that allows us to evaluate how well the underlying logic of a model corresponds with expert reasoning. Utilizing the framework we are able to validate the trustworthiness and to successfully anticipate the generalization ability of different well-performing deep learning models. Our methodology demonstrates how signal processing tools can effectively be used to enhance Explainable AI techniques and acts as a template for similar problems.Comment: 2023 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP

A dynamic separable network model with actor heterogeneity: An application to global weapons transfers

In this paper, we analyse the network of international major conventional weapons (MCW) transfers from 1950 to 2016, based on data from the Stockholm International Peace Research Institute (SIPRI). The dataset consists of yearly bilateral arms transfers between pairs of countries, which allows us to conceive of the individual relationships as part of an overall trade network. For the analysis, we extend the separable temporal exponential random graph model (STERGM) to account for time‐varying effects on both the network level (trade network) and the actor level (country effects). Our investigation enables the identification of potentially differing driving forces that influence the formation of new trade relationships versus the persistence of existing ones. In accordance with political economy models, we expect security‐ and network‐related covariates to be most important for the formation of transfers, whereas repeated transfers should prevalently be determined by the importers’ market size and military spending. Our proposed modelling approach corroborates the hypothesis and quantifies the corresponding effects. Additionally, we subject the time‐varying heterogeneity effects to a functional principal component analysis. This analysis serves as an exploratory tool and allows us to identify countries with exceptional increases or decreases in their tendency to import and export weapons