„PCA-Based Anomaly Detection“-Komponente

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In diesem Artikel wird beschrieben, wie Sie die „PCA-Based Anomaly Detection“-Komponente im Azure Machine Learning-Designer verwenden, um ein Model zur Anomalieerkennung basierend auf der Hauptkomponentenanalyse (PCA) zu erstellen.

Diese Komponente hilft Ihnen beim Erstellen eines Modells in Szenarios, in denen es einfach ist, Trainingsdaten aus einer Klasse, wie z. B. gültigen Transaktionen, abzurufen, in denen es aber gleichzeitig schwierig ist, ausreichende Beispiele für die angestrebten Anomalien zu erhalten.

Wenn Sie z. B. betrügerische Transaktionen erkennen möchten, haben Sie oft nicht genügend Betrugsbeispiele, um mit ihnen zu trainieren. Möglicherweise gibt es jedoch viele Beispiele für nicht betrügerische Transaktionen. Die „PCA-Based Anomaly Detection“-Komponente löst das Problem, indem verfügbare Features analysiert werden, um zu bestimmen, was eine „normale“ Klasse darstellt. Diese Komponente wendet dann Entfernungsmetriken an, um Fälle zu identifizieren, die Anomalien darstellen. So können Sie ein Modell mit vorhandenen unausgeglichenen Daten trainieren.

Weitere Informationen zur Hauptkomponentenanalyse

Die PCA ist ein bewährtes Verfahren beim maschinellen Lernen. Sie wird häufig bei der explorativen Datenanalyse verwendet, da diese Technik die innere Struktur der Daten aufzeigt und die Varianz in den Daten erklärt.

Die PCA analysiert Daten, die mehrere Variablen enthalten. Sie sucht nach Korrelationen zwischen den Variablen und bestimmt die Kombination von Werten, die die Unterschiede in den Ergebnissen am besten erfasst. Diese kombinierten Merkmalswerte werden verwendet, um einen kompakteren Merkmalsraum zu schaffen, der als Hauptkomponenten bezeichnet wird.

Für die Erkennung von Anomalien wird jede neue Eingabe analysiert. Der Algorithmus zur Anomalieerkennung berechnet seine Projektion auf die Eigenvektoren zusammen mit einem normalisierten Rekonstruktionsfehler. Dieser normalisierte Fehler wird als Anomalieergebnis verwendet. Je höher der Fehler, desto anomaler ist die Instanz.

Weitere Informationen zur Funktionsweise von PCA sowie zur Implementierung für die Anomalieerkennung finden Sie diesen Dokumenten:

Konfigurieren der PCA-basierten Anomalieerkennung

  1. Fügen Sie Ihrer Pipeline im Designer die PCA-Based Anomaly Detection-Komponente hinzu. Sie finden diese Komponente in der Kategorie Anomalieerkennung.

  2. Wählen Sie im rechten Bereich der Komponente die Option Lernmodus aus. Geben Sie an, ob Sie das Modell mit bestimmten Parametern trainieren möchten, oder verwenden Sie eine Parameterbereinigung, um die besten Parameter zu finden.

    Wenn Sie wissen, wie Sie das Modell konfigurieren möchten, wählen Sie die Option Einzelner Parameter aus, und geben Sie bestimmte Werte als Argumente an.

  3. Geben Sie für Number of components to use in PCA (Anzahl der Komponenten zur Verwendung in der PCA) die Anzahl der gewünschten Ausgabefeatures bzw. Komponenten an.

    Die Entscheidung, wie viele Komponenten einzubeziehen sind, ist ein wichtiger Teil des Experimententwurfs, der die PCA verwendet. Als allgemeine Richtlinie gilt, dass Sie nicht die gleiche Anzahl von PCA-Komponenten einbeziehen sollten, wie es Variablen gibt. Stattdessen sollten Sie mit einer kleineren Zahl von Komponenten beginnen und deren Zahl erhöhen, bis einige Kriterien erfüllt sind.

    Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn die Anzahl der Ausgabekomponenten weniger als die Anzahl der im Dataset verfügbaren Merkmalsspalten beträgt.

  4. Geben Sie den Betrag der Überquotierung an, die während des PCA-Trainings in Zufallsreihenfolge durchgeführt werden soll. Bei Problemen mit der Erkennung von Anomalien erschweren unausgeglichene Daten die Anwendung von standardmäßigen PCA-Techniken. Durch die Angabe eines gewissen Betrags an Überquotierung können Sie die Anzahl der Zielinstanzen erhöhen.

    Wenn Sie 1 angeben, wird keine Überquotierung durchgeführt. Wenn Sie einen höheren Wert als 1 angeben, werden zusätzliche Beispiele generiert, die beim Training des Modells verwendet werden.

    Es gibt zwei Optionen, je nachdem, ob Sie eine Parameterbereinigung verwenden oder nicht:

    • Oversampling parameter for randomized PCA (Parameter für Überquotierung für PCA in Zufallsreihenfolge) : Geben Sie eine einzelne ganze Zahl ein, die das Verhältnis der Überquotierung der Minderheitsklasse zur normalen Klasse darstellt. (Diese Option ist verfügbar, wenn Sie die Trainingsmethode Einzelner Parameter verwenden.)

    Hinweis

    Sie können das überquotierte Dataset nicht anzeigen. Weitere Informationen zur Verwendung der Überquotierung bei der PCA finden Sie unter Technische Hinweise.

  5. Wählen Sie die Option Enable input feature mean normalization (Eingabefunktion „mittlere Normalisierung“ aktivieren) aus, um alle Eingabefunktionen auf einen Mittelwert von 0 (null) zu normalisieren. Eine Normalisierung oder Skalierung auf Null wird im Allgemeinen für die PCA empfohlen, da das Ziel der PCA darin besteht, die Varianz zwischen den Variablen zu maximieren.

    Diese Option ist standardmäßig aktiviert. Deaktivieren Sie sie, wenn die Werte bereits mit einer anderen Methode oder Skalierung normalisiert wurden.

  6. Verbinden Sie ein markiertes Trainingsdataset und eine der Trainingskomponenten.

    Wenn Sie die Option Create trainer mode (Trainermodus erstellen) auf Single Parameter (Einzelner Parameter) festlegen, müssen Sie die Train Anomaly Detection Model-Komponente (Anomalieerkennungmodell trainieren) verwenden.

  7. Übermitteln Sie die Pipeline.

Ergebnisse

Wenn das Training abgeschlossen ist, können Sie das trainierte Modell speichern. Alternativ können Sie es mit der Score Model-Komponente (Modell bewerten) verbinden, um Anomaliebewertungen vorherzusagen.

So werten Sie die Ergebnisse eines Anomalieerkennungsmodells aus:

  1. Stellen Sie sicher, dass in beiden Datasets eine Ergebnisspalte verfügbar ist.

    Wenn Sie versuchen, ein Anomalieerkennungsmodell auszuwerten und eine Fehlermeldung erhalten, die besagt, dass keine Ergebnisspalte in einem bewerteten Dataset für einen Vergleich verfügbar ist, bedeutet dies, dass Sie ein typisches Auswertungsdataset verwenden, das eine Bezeichnungsspalte, aber keine Wahrscheinlichkeitsergebnisse enthält. Wählen Sie ein Dataset aus, das mit der Schemaausgabe für Anomalieerkennungsmodelle übereinstimmt, die eine Spalte Scored Labels (Bewertete Bezeichnungen) und eine Spalte Scored Probabilities (Bewertete Wahrscheinlichkeiten) enthält.

  2. Stellen Sie sicher, dass die Bezeichnungsspalten markiert sind.

    Manchmal werden die mit der Bezeichnungsspalte verbundenen Metadaten im Pipelinegraph entfernt. Wenn Sie in diesem Fall die Komponente Evaluate Model (Modell auswerten) verwenden, um die Ergebnisse zweier Anomalienerkennungsmodelle zu vergleichen, erhalten Sie möglicherweise den Fehler „Es gibt keine Bezeichnungsspalte im bewerteten Dataset“ oder „Es ist keine Bezeichnungsspalte im bewerteten Dataset für einen Vergleich verfügbar“.

    Sie können diese Fehler vermeiden, indem Sie die Metadaten bearbeiten-Komponenten vor der Evaluate Model-Komponente hinzufügen. Verwenden Sie den Spaltenselektor, um die Klassenspalte auszuwählen, und wählen Sie in der Liste Felder die Option Bezeichnung aus.

  3. Verwenden Sie die Execute Python Script-Komponente, um die Kategorien der Bezeichnungsspalten als 1 (positiv, normal) und 0 (negativ, nicht normal) anzupassen.

    label_column_name = 'XXX'
anomaly_label_category = YY
dataframe1[label_column_name] = dataframe1[label_column_name].apply(lambda x: 0 if x == anomaly_label_category else 1)

    ​

Technische Hinweise

Dieser Algorithmus verwendet die PCA zur Annäherung an den Teilbereich, der die normale Klasse enthält. Der Teilbereich wird von Eigenvektoren umfasst, die mit den oberen Eigenwerten der Datenkovarianzmatrix verknüpft sind.

Für jede neue Eingabe berechnet die Anomalieerkennung zuerst die Projektion auf die Eigenvektoren und dann den normalisierten Rekonstruktionsfehler. Dieser Fehler ist das Anomalieergebnis. Je höher der Fehler, desto anomaler ist die Instanz. Details zur Berechnung des normalen Bereichs finden Sie in Wikipedia: Principal component analysis bzw. unter „Hauptkomponentenanalyse“ (deutschsprachig).

Nächste Schritte

Hier finden Sie die für Azure Machine Learning verfügbaren Komponenten.

Eine Liste der Fehler, die bei Designer-Komponenten auftreten können, finden Sie unter Ausnahmen und Fehlercodes für den Designer.