• 序列模式挖掘


    所谓序列模式,我的定义是:在一组有序的数据列组成的数据集中,经常出现的那些序列组合构成的模式。跟我们所熟知的关联规则挖掘不一样,序列模式挖掘的对象以及结果都是有序的,即数据集中的每个序列的条目在时间或空间上是有序排列的,输出的结果也是有序的。

    举个简单的例子来说明,关联规则一个经典的应用是计算超市购物中被共同购买的商品,它把每个顾客的一次交易视作一个transaction,计算在不同transaction中不同item组合的规律性。而如果我们考虑一个用户多次在超市购物的情况,那么这些不同时间点的交易记录就构成了一个购买序列,N个用户的购买序列就组成一个规模为N的序列数据集。考虑这些时间上的因素之后,我们就能得到一些比关联规则更有价值的规律,比如关联挖掘经常能挖掘出如啤酒和尿布的搭配规律,而序列模式挖掘则能挖掘出诸如《育儿指南》->婴儿车这样带有一定因果性质的规律。所以,序列模式挖掘比关联挖掘能得到更深刻的知识。

    在实际当中,序列模式挖掘被广泛地应用于各种序列数据集中,如生物信息学上的基因微阵列数据,从中挖掘哪些基因组合模式在某类病人中会频繁出现;以单词作为item的文档序列,研究在不同文档中单词序列的出现模式;用户点击流数据,用于挖掘用户的频繁点击模式,建立用户模型,完善网站功能与UI结构。除此之外还有很多,只要是序列数据集,都可以考虑利用序列模式挖掘获得规律。

    图1是一个序列数据库,及其以0.75作为最小阈值(min_sup)的频繁序列模式。借此介绍序列挖掘中的几个主要概念。

    图1 简单的序列数据库,基本概念
    图1 简单的序列数据库,基本概念


    序列(Sequence):以SID表示,一个序列即是一个完整的信息流。
    项目(Item):序列中最小组成单位的集合,比如在这个样例中的项目为{A, B, C}。
    事件(Event):通常用时间戳标志,标识事件之间的前后关系。又叫Itemset,是Item的集合,样例中以EID表示。
    k频繁序列:如果频繁序列的项目个数为k,则称之为k频繁序列,以Fk表示(图1的F1,F2,F3)。
    序列的包含关系:对于序列x和y,如果存在着一个保序的映射,使得x中的每个事件都被包含于y中的某个事件,则称为x被包含于y(x是y的子序列),例如序列B->AC是序列AB->E->ACD的子序列。
    支持度(support):某序列x的支持度是指在整个序列集中包含x的序列的频次。
    有了以上概念之后,序列模式挖掘的问题就定义为:给定一个序列数据库以及最小支持度min_sup,找出所有支持度大于min_sup的序列模式。

    解决这个问题的一个著名的算法叫SPADE,以及加入各种约束限制后的cSPADE,它们来自同一个作者Zaki。SPADE是无约束的序列频繁模式挖掘算法,其基本思想是利用一个S后缀等价类(suffix equivalence class)的概念[S],从F1开始计算,由F1张出以F1中的频繁序列为[S]的F2,再以F2张出以F2中的频繁序列为[S]的F3,以此类推。由于引入了后缀等价类这个概念,使得整个算法对数据库的遍历次数与计算量大大降低,是一个现实中有效的算法。cSPACE在前者的基础上引入了对序列模式的约束,其中包括:

    序列长度与宽度的约束(序列的长度是指序列中事件的个数,宽度是指最长事件的长度);
    最小间隔的约束,即事件之间的最小时间间隔;
    最大间隔的约束,即事件之间的最大时间间隔;
    时间窗的约束,即整个序列都必须发生在某个时间窗内;
    其它,如只限制为某些Item,序列数据库存在分类标签。
    以上的约束基本已经覆盖了实际应用中所有可能碰到的限制情况,实际上约束并不常用到,通常SPADE算法已经够用了。

    由于数学表述过多,而且整个过程比较繁琐,这里不打算详细叙述两个算法的计算流程,有兴趣的可以参看文后附上的参考文献。

    很幸运的是,万能的R已经有序列挖掘的包,对SPADE算法与cSPADE算法有了完整的实现,即使对算法并不充分了解,也可以把它们用于自己的场景中。它就是arulesSequences,以下以一个例子简单介绍一下它的用法。

    library(arulesSequences)
    data(zaki)
    s1 <- cspade(zaki, parameter = list(support = 0.4), control = list(verbose = TRUE))
    summary(s1)
    as(s1, "data.frame")
    s2 <- cspade(zaki, parameter = list(support = 0.4, maxwin = 5))
    as(s2, "data.frame")

    第2行导入数据库zaki,它的结构类似于图1所示的那种序列-事件集,第3行设定最小支持度为0.4,并用无约束的SPADE算法搜索频繁序列模式,第6行引入了时间窗的限制,用cSPADE算法进行搜索。整个过程十分简洁明了。

    更多使用的例子可在R的终端用?cspade命令查看。

    参考文献:
    Sequence Mining in Categorical Domains: Incorporating Constraints, Mohammed J. Zaki, 2000 ACM

    原文:http://www.wentrue.net/blog/?p=1016

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