Luận văn Học mạng nơron theo mô hình SOM và ứng dụng trong bài toán quản lý khách hàng vay vốn Ngân hàng

hau. Trực quan hoá khoảng cách lân cận giữa các vectơ trọng số được đưa ra trong ma trận hợp nhất khoảng cách.Với mọi vectơ trọng số wxy, với x và y là các chỉ số hình thái, khoảng cách Ơclit dx và dy giữa hai lân cận và khoảng cách dxy tới lân cận tiếp theo được tính như sau: yxyx wwyxdx ,1,),( +−= 1,,),( +−= yxyx wwyxdy ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+−= =+++ 222 1),( ,11,1,1, yxyxyxyx wwww yxdxy Hình 15. Vectơ chiến thắng liên tục đối với SOM có 30x40 nơron cho dữ liệu hỗn hợp Gauxơ -35- Khoảng cách du được tính bằng giá trị trung bình của tám khoảng cách biên xung quanh. Với bốn khoảng cách cho mỗi nơron dx, dy, dxy và du, như vậy dễ dàng xác định ma trận hợp nhất và ma trận này có kích thước là (2nx-1)(2ny-1). Trong hình 17 các thành phần của U-matrix được mã hoá theo mức xám. Chỗ sáng là các giá trị thấp và chỗ tối cho giá trị cao. Như vậy, các cụm trên ma trận là các vùng có khoảng cách nhỏ giữa các trọng số và giữa các cụm với nhau lại có khoảng cách lớn. 2.2.5 Các phương pháp phân cụm khác a. Cây phân cấp [9] Mục đích là kết nối liên tiếp các đối tượng với nhau vào trong các cụm lớn, dùng một số độ đo như khoảng cách hay thuộc tính giống nhau. Xét một biểu đồ cây có thứ tự và nằm ngang, bắt đầu từ đối tượng bên trái của biểu đồ, tưởng tượng rằng Hình 16. Định nghĩa một U-Matrix Hình 17. U-Matrix của SOM trong hình 15 -36- trong mỗi bước chúng ta “nới lỏng” dần các tiêu chuẩn. Hay diễn đạt bằng cách khác là giảm dần ngưỡng khi đưa ra quyết định có hai hay nhiều đối tượng là các thành phần của cùng một nhóm. Bằng cách này chúng ta có thể kết nối ngày càng nhiều các đối tượng lại với nhau và một tập hợp ngày càng lớn các cụm khác nhau. Cuối cùng, tất cả các đối tượng được nối lại với nhau. Trong các biểu đồ, trục hoành xác định khoảng cách liên kết. Vì vậy mỗi nút trên đồ thị chúng có thể thể hiện khoảng cách tiêu chuẩn mà các thành phần tương ứng được liên kết với nhau trong một cụm đơn. Khi cấu trúc dữ liệu rỗng các thành phần của trong các cụm của đối tượng mà giống nhau thì cấu trúc sẽ được thể hiện trong cây phân cấp như các nhánh riêng biệt b. K thành phần chính (Hartigan, 1975) [9] Đây là phương pháp phân cụm rất khó, giả sử rằng luôn có các giả thuyết liên quan đến một số nhóm trong các ví dụ. Điều mong muốn là có thể sắp xếp một cách chính xác các cụm rời rạc nhau. Các nghiên cứu cho thấy rằng chỉ có thể thực hiện được bởi thuật toán K thành phần chính. Tóm lại phương pháp K thành phần chính sẽ đưa ra chính xác k cụm tách biệt lớn nhất có thể. Cho một cơ sở dữ liệu của n đối tượng và k là số các cụm cho trước, thuật toán tổ chức phân chia các đối tượng vào k phần (k≤n). Các cụm được thiết lập theo một tiêu chuẩn phân chia khách quan, thường được gọi là hàm tương đồng (similarity function), dùng khoảng cách để xác định các đối tượng trong một cụm là “giống nhau” và “khác nhau” về tính chất dữ liệu. Thuật toán K thành phần chính được thực hiện theo bốn bước sau: - Xác định thành phần các đối tượng vào trong k tập con khác rỗng. - Tính các điểm nhân của cụm trong các thành phần hiện tại. -37- - Chia đối tượng vào cụm khi đối tượng đó có khoảng cách gần điểm nhân nhất. - Lặp lại bước 2, và dừng khi không còn sự phân chia mới. Thuật toán: Input: số các cụm k và một dữ liệu gồn n đối tượng. Output: Một tập gồm k cụm và tối thiểu tiêu chuẩn bình phương lỗi. Phương pháp: (1) Chọn tuỳ ý k đối tượng và coi là các nhân cụm ban đầu; (2) Lặp (3) Xác định lại mỗi đối tượng vào cụm sao cho đối tượng đó là giống nhau nhất, dựa vào giá trị trung bình của các đối tượng trong cụm; (4) Cập nhập lại các nhân cụm, bằng cách tính giá trị trung bình của các đối tượng cho mỗi cụm; (5) Cho đến khi không còn thay đổi nào. c. Cực đại kỳ vọng (Expectation Maximization)[9] Đây là phương pháp gần giống như K thành phần chính, kỹ thuật này tìm cụm trong số các đối tượng quan sát hoặc các biến thể và ấn định các đối tượng đó vào các cụm. Một ví dụ ứng dụng nhiều nhất cho phân tích này là nghiên cứu thị trường để biết thái độ của người tiêu dùng có liên quan đến đối tượng nghiên cứu. Mục đích của nghiên cứu này là để tìm ra “các mảng thị trường”. Trong khi thuật toán K thành phần chính đưa ra một số cố định k các cụm, thì cực đại kỳ vọng mở rộng cách tiếp cận này để phân cụm bằng hai cách sau: - Thay thế việc xác định các trường hợp hoặc các quan sát đến các cụm để cực đại hoá sự khác nhau cho các biến thể tiếp theo, cực đại kỳ vọng tính -38- toán các khả năng của các thành phần trong cụm dựa trên phân bố xác suất. Mục tiêu của thuật toán phân cụm sau này là cực đại toàn bộ xác suất hoặc các khả năng có thể xảy ra của dữ liệu, cuối cùng mới đưa ra các cụm. - Không giống như phân cụm K thành phần chính, thuật toán tính cực đại kỳ vọng có thể được áp dụng cho cả các biến thay đổi liên tục và các biến cố định (trong khi K thành phần chính có thể cũng được điều chỉnh để phù hợp với các biến cố định). 2.3 Một vài ứng dụng của SOM Thuật toán SOM đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau với trên 5000 ứng dụng [13], SOM đã khẳng định được các ưu điểm sau: - SOM rất có hiệu quả trong quá trình phân tích đòi hỏi trí thông minh để đưa ra quyết định nhanh chóng trên thị trường. Nó giúp cho người phân tích hiểu vấn đề hơn trên một tập dữ liệu tương đối lớn. - Có khả năng biểu diễn dữ liệu đa chiều dùng trong trình bày và làm báo cáo. Và đây cũng là một vấn đề chính đã được đề cập đến nhiều trong luận văn này. - Xác định các cụm dữ liệu (ví dụ các nhóm khách hàng) giúp cho việc tối ưu phân bố nguồn lực (quảng cáo, tìm kiếm sản phẩm, ...). - Có thể dùng để phát hiện sự gian lận trong thẻ tín dụng, và các lỗi dữ liệu. Luận văn đề cập đến các vấn đề về tài chính và ngân hàng do đó chúng ta sẽ chưa đề cập đến các ứng dụng của SOM trong các ngành khác.Trong phần này giới thiệu hai ứng dụng của SOM trong lĩnh vực tài chính, đến chương sau sẽ trình bày các cách thức xây dựng một ứng dụng cụ thể của SOM trong phân cụm với một bài toán cụ thể trên dữ liệu của một Ngân hàng ở Việt Nam. -39- 2.3.1 Lựa chọn quỹ đầu tư Khi chọn lựa các quỹ cho mục đích đầu tư, nhà đầu tư thường phải xem xét đến nhiều chỉ tiêu: kết quả báo cáo tài chính trong những năm gần đây; các rủi ro; năng lực tài chính của quỹ; tỷ lệ doanh thu; chi phí; thời gian bổ nhiệm của người quản lý. Phần lớn trong thực tế các chương trình đã có thường làm việc trên hai hoặc ba chỉ tiêu; hay các chương trình có minh hoạ hình vẽ cũng bị giới hạn cách thể hiện trong không gian. Với SOM nó có thể kết hợp tốt với bất kỳ kích thước nào của tập dữ liệu và đưa ra cách thể hiện thu gọn của dữ liệu trong ma trận hai chiều cùng với việc lấy ra các tính chất tuỳ ý hoặc đánh trọng số cho các cột, xây dựng chỉ số hợp nhất hoặc cho mục đích tổng thể. Để minh hoạ cho vấn đề này, chúng ta sử dụng cơ sở dữ liệu của MorningstartTM [7] tìm kiếm và phân tích thông tin trong một tập hợp các quỹ. Trong ví dụ này chúng ta tập hợp các quỹ có đầu tư vào thị trường chứng khoán thế giới. Các tiêu chuẩn dùng để lựa chọn là (1) nhiệm kỳ quản lý của nhà lãnh đạo là >= 3 năm;(2) Số cổ đông >= B+ (B là một số >=3); (3) Tỷ lệ Morningstart >=4; (4) Tỷ lệ chi phí >=1%. Dựa vào đây chúng ta đưa ra khoảng 50 quỹ có đầu tư chứng khoán. Căn cứ vào cơ sở dữ liệu của các quỹ chọn ra các biến chính. Tập dữ liệu đầu vào được chọn lọc sao cho giá trị của mỗi cột là bình đẳng. Một ma trận gồm 50 quỹ được thể hiện trong hình vẽ. SOM thể hiện sự khác nhau giữa các quỹ với tỷ lệ 4 hoặc 5. SOM thu được dựa vào sự mô tả dữ liệu cho biết sự khác nhau giữa các quỹ được phân cụm theo cùng một tên loại. Thông tin tốt hơn, trong sự khác biệt chính các quỹ với nhau đã giúp cho việc lựa chọn tốt thành phần các danh mục vốn đầu tư có ảnh hưởng tốt hơn mong muốn của nhà đầu tư. Tóm lại, từ 50 quỹ của thị trường chứng khoán thế giới, từ kết quả của SOM chúng ta có 3 nhóm chính. Từ kết quả này sẽ hỗ trợ cho việc ra quyết định nên chọn nhà quản lý nào -40- • Nhóm 1: là tập hợp các quỹ có người quản lý có ít hơn 3 năm nhiệm kỳ, danh mục vốn đầu tư của họ có doanh thu cao hơn và tỷ lệ phí tổn cũng cao. • Nhóm 2: chiếm phần đông, gồm các quỹ có người quản lý có nhiều hơn số năm nhiệm kỳ, doanh thu của vốn đầu tư ít hơn và tỷ lệ phí tổn thấp hơn. Nhóm Số lg nhóm Nhà quản lý Giá trị tài sản Tỷ lệ D/Thu Front Load Defer Load Tỷ lệ phí tổn 1 5 2.8 658.2 80.8 0 4.6 2.3 2 36 3.3 272.4 70.7 2.2 0.1 1.7 3 6 7.2 6638.3 52.7 4.8 0 1 • Nhóm 3: là các nhóm có người quản lý có số năm nhiệm kỳ cao hơn (gấp 2 lần nhóm 1), doanh thu vốn đầu tư ít hơn nhóm 2 và tỷ lệ phí tổn cũng ít nhất 2.3.2 Đánh giá rủi ro tín dụng giữa các nước Một ví dụ khác liên quan đến việc phân tích các cơ hội đầu tư cho thị trường mới phát triển. Trong ví dụ này tập trung vào các rủi ro liên quan trong đầu tư vào trong Hình 18. Mô phỏng SOM cho 50 quỹ có đầu tư chứng khoản -41- các thị trường chứng khoán. SOM được dùng để phân tích các rủi ro và nhóm các nước có độ rủi ro gần giống nhau. Việc phân tích dựa vào một bài báo của Greg Ip phát hành trong bài báo của Phố Wall (WSJ) năm 1997 [7]. Trong bài “mục đích đầu tư: trò chơi rủi ro” Greg Ip đã sắp xếp 52 quốc gia trên thế giới dựa vào hiệu quả kinh tế ; chính trị, kinh tế và rủi ro của thị trường; khả năng thanh toán của các thị trường chứng khoán; sự điều chỉnh và hiệu quả trên thị trường của các quốc gia. Các quốc gia được phân chia thành năm nhóm: (1) các nước giống Mỹ nhất; (2) các nước phát triển khác; (3) các thị trường mới và phát triển; (4) các thị trường mới hoàn toàn; (5) các thị trường ranh giới. Trong đó US được coi là một điểm chuẩn để phân lớp các quốc gia; các quốc gia được chia thành năm nhóm; chỉ tiêu được dùng để phân chia không được cung cấp rõ ràng; các quốc gia thuộc nhóm số năm có rất nhiều dữ liệu bị thiếu. Cùng một dữ liệu và cùng một công việc phân tích trong một cách tương tác và cách trực quan để tạo ra một SOM chúng ta nhận được kết quả hoàn toàn khác. Trong hình 20 các cửa sổ thành phần của tỷ lệ giá hiện tại và tỷ lệ giá forward, lợi tức, chiếm dụng vốn thị trường, số các công ty và tính chất không ổn định được thể hiện. Đối với mỗi cửa sổ thành phần, màu ở mỗi nút thể hiện khoảng giá trị của mỗi thành phần, giá trị thấp hơn được đánh màu xanh và giá trị cao được đánh màu đỏ; các giá trị giữa màu xanh sáng đến màu xanh lá cây, đến màu vàng, màu cam. So sánh các giá trị thành phần trong số các vùng có thể thể hiện được sự phụ thuộc không tuyến tính và vì vậy nhận diện trực quan ý nghĩa của các cụm. Một ma trận với các rằng buộc cho biết số lượng các cụm như sau US, Ấn độ và Nhật ở các cụm khác nhau, US và Nhật có thị trường với ảnh hưởng lớn, Ấn độ có số lượng lớn các công ty liệt kê trong thanh toán hối phiếu; Thổ Nhĩ Kỳ và Phần Lan xác định một nhóm và các quốc gia còn lại chưa được phân hoá. Rõ ràng giả sử -42- giới hạn của SOM về năm cụm trong trường hợp này là không cung cấp được một lượng lớn các thông tin mới. Hình 19. Mô phỏng các quốc gia có rủi ro tín dụng theo dữ liệu của WSJ Hình 20. Mô phỏng các quốc gia có rủi ro tín dụng theo dữ liệu của WSJ -43- Nếu các ràng buộc giả sử được thay đổi chúng ta thu được các nhóm quốc gia hoàn toàn khác dựa trên các rủi ro của quốc gia: Cụm1: Úc, New Zealand, Canada và phần lớn các nước Châu Âu. Cụm2.: Phần lớn các nước Mỹ La tinh, và Đông Âu. Cụm3: Mexico, Philippines, Bắc Phi và Cộng hoà Séc. Cụm4: Nam Triều Tiên, Malaysia, Thái Lan và Indonesia. Cụm5: Singapore và Hồng Kông. Cụm6: Hungary và Venezuela. Cụm7: Brazil. Cụm8: Phần lan. Cụm9: Ấn độ và Pakistan. 2.4 Kết luận chương 2 Phương pháp học mạng nơron không giám sát đặc trưng là thuật toán học ganh đua là phương pháp thích hợp trong khai phá dữ liệu. Trong chương này tập trung chính vào thuật toán SOM với bài toán phân cụm. SOM là một kỹ thuật mạng nơron truyền thẳng sử dụng thuật toán học không giám sát (học ganh đua) và qua một quá trình “tự tổ chức”, sắp xếp đầu ra cho trong thể hiện hình học của dữ liệu đầu vào. Sử dụng SOM trong khai phá dữ liệu như một bước trung gian để giải quyết bài toán phân cụm dữ liệu. Mà trước tiên là dùng SOM để phân cụm tập dữ liệu đầu vào, sau đó SOM thu được lại được phân cụm bằng phương pháp phân cụm theo phân cấp hoặc phân cụm bộ phận. So sánh SOM với một số phương pháp phân cụm đã được dùng như phân cụm theo cây phân cấp, K thành phần chính, cực đại kỳ vọng, ... thấy rằng phương pháp SOM có nhiều ưu điểm như: - Dữ liệu đầu vào có thế lớn, không hạn chế kích thước của dữ liệu. -44- - Mô phỏng trực quan dữ liệu chính xác từ đó hiểu được cấu trúc của dữ liệu. - Tiết kiệm được thời gian vì khi làm việc trên các mẫu thì nhanh hơn so với dữ liệu trực tiếp. Trong chương này cũng đã đề cập đến hai ứng dụng điển hình của SOM trong khai phá dữ liệu tài chính là bài toán lựa chọn quỹ cho đầu tư tài chính và đánh giá rủi ro tín dụng của các quốc gia trên thị trường chứng khoán thế giới. -45- CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SOM TRONG BÀI TOÁN NGÂN HÀNG 3.1 Phát biểu bài toán Có rất nhiều phương pháp cho việc khám phá tri thức và khai phá dữ liệu trong tài chính và kinh tế có sử dụng mạng nơron không giám sát. Đặc biệt, phương pháp sử dụng SOM có thể trực quan hoá tốt hơn đối với dữ liệu có kích thước lớn; tạo ra biểu diễn các mối quan hệ phức tạp; cải thiện cụm và rút gọn dữ liệu; tạo điều kiện thuận lợi cho việc khám phá tri thức qua việc xác định các cấu trúc và mẫu mới trong dữ liệu. Nhiều ứng dụng của SOM đã được sử dụng làm công nghệ và các lĩnh vực khoa học khác. Các ứng dụng của SOM trong tài chính, kinh tế và thị trường hầu hết còn mới lạ. Trong phần ứng dụng của SOM ở trên đã nêu ra hai ví dụ điển hình trong tài chính đã được áp dụng để phân lựa chọn các quỹ đầu tư cho các dự án và đánh giá rủi ro tín dụng của các nước trong lĩnh vực chứng khoán. Căn cứ vào quy trình thực tế của phòng tín dụng tại các Ngân hàng, tôi muốn đề xuất áp dụng SOM trong việc đánh giá khách hàng là các doanh nghiệp có nhu cầu vay vốn. Bằng các thể hiện trực quan của SOM điều này có thể giúp cho cán bộ tín dụng cũng như ban lãnh đạo có những quyết định khi duyệt đơn vay của khách hàng. Quy trình cho vay tín dụng tại Ngân hàng được thực hiện theo các bước sau: - Khách hàng đến vay vốn tại ngân hàng phải cung cấp đầy đủ thông tin gồm: chỉ tiêu thanh khoản (khả năng thanh toán), chỉ tiêu hoạt động (vòng quay hàng tồn kho, kỳ thu tiền bình quân, doanh thu trên tổng tài sản), chỉ tiêu cân đòn nợ (nợ phải trả), chỉ tiêu thu nhập, kinh nghiệm trong ngành của ban giám đốc,...Ngoài ra, khách hàng sẽ phải trình bày phương án kinh doanh (sử dụng tiền vay) và trên cơ sở đó cán bộ tín dụng dự kiến tỷ lệ khả thi của phương án. -46- - Cán bộ tín dụng nhập dữ liệu vào chương trình quản lý khách hàng của ngân hàng và thực hiện phân loại khách hàng. - Nhân viên tín dụng thay mặt khách hàng bảo vệ kế hoạch vay vốn của khách hàng trước hội đồng tín dụng. - Các thành viên hội đồng tín dụng có/không chấp thuận cho khách hàng vay vốn căn cứ vào hồ sơ của khách hàng đã được nhập vào chương trình quản lý khách hàng. Áp dụng SOM trong việc phân tích thông tin khách hàng vay vốn trên một khối lượng lớn các dữ liệu về khách hàng có nhu cầu (có thể chưa phải là khách hàng chính thức hoặc cũng có thể là khách hàng đã từng vay vốn) vừa có ích cho nhận định của nhân viên tín dụng làm cơ sở để bảo vệ khách hàng trước hội đồng tín dụng. Ngoài ra, nó còn trợ giúp cho các thành viên trong hội đồng đưa ra quyết định đồng ý hay không đồng ý cho khách hàng vay vốn. Sử dụng công cụ SOM ToolBox để thể hiện trực quan các thông tin khách hàng. Dữ liệu được lấy từ chương trình quản lý chung của Ngân hàng. 3.2 Giới thiệu công cụ SOM Toolbox Công cụ SOM Toolbox, một sản phẩm của nhóm SOM Toolbox thuộc trường Đại học Kỹ thuật Helsinki, là một thư viện gồm các hàm viết bằng Matlab. Đây là một bộ công cụ dễ sử dụng để xây dựng SOM cho các mục đích nghiên cứu. Đặc biệt, trong lĩnh vực khai phá dữ liệu, các nhà nghiên cứu đã coi đây là một công cụ có đặc thù riêng, và chính vì vậy SOM Toolbox định huớng trực tiếp đến các hàm trực quan. Công cụ có thể được dùng để xử lý dữ liệu, khởi tạo và huấn luyện SOM trên một loạt các loại trạng thái hình học, SOM thể hiện trực quan bằng nhiều cách khác nhau, và phân tích các thuộc tính của SOM và dữ liệu ban đầu, ví dụ như là đặc tính của SOM, các cụm trên ma trận và sự liên quan giữa các thuộc tính. Trong khai phá -47- dữ liệu, công cụ Toolbox và SOM nói chung là một cặp phù hợp nhất cho việc hiểu dữ liệu một cách tổng quát, mặc dù nó cũng có thể được dùng cho xây dựng hình mẫu. 3.3 Cấu trúc chương trình Công cụ SOM Toolbox gồm các hàm được viết bằng Matlab. Sử dụng công cụ này đề xây dựng hệ thống phân tích thông tin khách hàng, theo các bước sau: - Đọc dữ liệu; - Xây dựng cấu trúc dữ liệu; - Xử lý dữ liệu trước khi đưa vào huấn luyện; - Khởi tạo mẫu và huấn luyện theo thuật toán SOM; - Mô phỏng kết quả; - Phân tích kết quả. 3.3.1 Xây dựng tập dữ liệu Đầu tiên, dữ liệu phải được đưa vào trong Matlab. Dữ liệu được lấy từ chương trình quản lý của Ngân hàng lưu trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL. Dữ liệu chính là một bảng thông tin khách hàng đã được lọc, chỉ lấy các thuộc tính được xét như sau: Bảng 1: Thông tin khách hàng ( dữ liệu của 30 khách hàng) Khả năng thanh toán Vòng quay hàng tồn kho Kỳ thu tiền bình quân Doanh thu trên tổng tài sản Nợ phải trả/tổng tài sản Thu nhập trước thuế/doanh thu Kinh nghiệm của ban GĐ Tỷ lệ khả thi của PA kinh doanh 4.86 10 40 0.46 19.3 21.3 2.2 0.56 2.9 7 32 4 25 8 10.5 0.85 2.3 6.5 37 3.5 35 7.5 5.8 0.78 1.7 6 43 3 45 7 2.7 0.35 -48- 1.4 5.5 50 2.5 55 6.5 1.8 0.33 1.3 5.2 60 1.5 61 4.8 0.9 0.60 1.17 7 30.7 4.03 85.3 2.3 5 0.75 1.14 4.21 28.9 2.1 61 2.8 11 0.81 4.7 18 11 4 19 8.3 12 0.55 1.25 1.83 43 0.76 72 0.03 6 0.44 1.7 6 43 3 45 7 2.8 0.38 2.3 6.5 37 3.5 35 7.5 6 0.45 2.9 7 32 4 25 8 13 0.97 1.4 5.5 50 2.5 55 6.5 1 0.23 1 4 60 2 65 5 1 0.13 0 2.3 58 1.02 0 15 2.6 0.8 6.4 0 102 0.75 15 22 2.5 0.72 0.85 3 60 1.2 75 3.5 0.5 0.25 2.5 4.3 30 4.2 40 6.5 11 0.98 1 3.4 55 1.5 55 4 0.9 0.36 1.8 4 40 3.5 45 6 8 0.57 1.3 3.7 50 2.5 50 5 4.5 0.64 1 2 55 3.5 55 8 3.6 0.46 1.2 3 50 4.2 50 9 7.5 0.67 2.3 3.5 40 5 45 10 10.2 0.69 0.9 1 60 2.5 60 7 1 0.31 0.75 0.8 71 2.3 66 6.8 0.9 0.3 1.4 14.2 8 1.8 28 0.7 12 0.8 2.5 4.2 10 1.5 40 1.1 10.5 0.74 7.6 1.3 61 0.2 7 17 1.5 0.65 Mỗi dòng dữ liệu là một ví dụ hay một vectơ, các giá trị trong dòng đó là các thành phần của vectơ hay các biến thể của tập dữ liệu. Các biến thể có thể là các thuộc -49- tính của dữ liệu hoặc là một tập hợp các giá trị tại cùng một thời điểm phân tích. Một vài giá trị có thể bị thiếu. Công cụ SOM Toolbox gồm các cấu trúc dữ liệu sau: - Data struct: gồm tất cả các thông tin liên quan đến tập dữ liệu. Tên trường Kiểu Kích thước Ý nghĩa .type string Định danh kiểu cấu trúc (som_data) .name string Định danh tập dữ liệu .data matrix [m x n] Bảng dữ liệu ban đầu .lables matrix [m x k] (k<n) Các lable .comp_name matrix [n x 1] Tên thuộc tính/thành phần .comp_norm matrix [n x1] Cấu trúc chuẩn hoá cho mỗi thuộc tính .lable_name matrix [k x 1] (k<n) Tên các lable - Map struct: gồm các thông tin đầy đủ về SOM. Tên trường Kiểu Kích thước Ý nghĩa .type string Định danh kiểu cấu trúc (som_map) .name string Định danh của ma trận .codebook matrix [munits x n] Ma trận tín hiệu. Mỗi dòng tương ứng với vectơ trọng số của một map. .topol topology struct Cấu trúc hình học của map: kích thước, kiểu lưới và hình dạng. .lables matrix [munits x *] Các nhãn trên ma trận .neigh string Tên hàm lân cận (gaussian, cutgaussian, bubble, ep) .mask vector [n x 1] Mặt nạ tìm kiếm BMU .trainhist struct [* x 1] Cấu trúc mảng của các cấu trúc huấn -50- luyện .comp_name matrix [n x 1] Tên thuộc tính/thành phần .comp_norm matrix [n x 1] Cấu trúc chuẩn hoá cho mỗi thuộc tính - Topology struct: gồm các thông tin về cấu trúc hình học của ma trận. Tên trường Kiểu Kích thước Ý nghĩa .type string Định danh kiểu cấu trúc (som_topol) .msize vector [* x 1] (*>2) Kích thước của ma trận .lattice string Kiểu lưới, mặc định là lục giác .shape string Hình dạng tổng quát của ma trận - Normalization struct: thông tin chuẩn hoá. Tên trường Kiểu Kích thước Ý nghĩa .type string Định danh kiểu cấu trúc (som_norm) .method string Phương pháp chuẩn hoá (var, range, log, logistic, histD, histC) .params varies Tuỳ theo phương pháp khác nhau có tham số khác nhau .status string Trạng thái chuẩn hoá - Traing struct: gồm các thông tin khi khởi tạo và huấn luyện. Tên trường Kiểu Kích thước Ý nghĩa .type string Định danh kiểu cấu trúc (som_train) .algorithm string Thuật toán huấn luyện/khởi tạo -51- .data_name string Tên dữ liệu huấn luyện .mask vector [n x 1] Mặt nạ tìm kiếm BMU .neigh string Tên hàm lân cận (gaussian, cutgaussian, bubble, ep) .radius_ini scalar Bán kính lân cận ban đầu .radius_fin scalar Bán kính lân cận cuối cùng .alpha_ini scalar Tỷ lệ học ban đầu tại thời điểm bắt đầu huấn luyện .alpha_type string Kiểu hàm xác định tỷ lệ học .trainlen scalar Độ dài huấn luyện .time string Ngày và giờ thực hiện huấn luyện - Grid struct: gồm các thông tin để trực quan hoá SOM. Tên trường Kiểu Kích thước Ý nghĩa .type string Định danh kiểu cấu trúc (som_grid) .lattice string Kiểu lưới .shape string Hình dạng tổng quát của ma trận .msize vector [1 x 2] Kích thước của ma trận .coord matrix [munits x 2] hoặc [munits x 3] Toạ độ các đơn vị trong ma trận. Có kích thước là 2 hoặc 3 .line string Kiểu đường thẳng dùng cho các đường liên kết .linecolor string Màu đường thẳng .linewidth scalar Độ nét của đường thẳng .marker string Kiểu dấu cho các đơn vị trong ma trận .markersize scalar Kích thước kiểu dẫu .markercolor string Màu kiểu dấu -52- .surf empty vector RGB Mặc định là rỗng. Nếu có giá trị thì là nét vẽ thêm vào, nếu là RGB thì nó là chỉ số mầu để trang trí .label string Nhãn cho mỗi ô .labelcolor string Màu cho nhãn .labelsize scalar Kích thước chữ trên nhãn 3.3.2 Xử lý dữ liệu trước huấn luyện Một cách tổng quát khi tiền xử lý dữ liệu có thể chỉ là sự chuyển đổi đơn giản hoặc thực hiện chuẩn hoá trên số liệu, sàng lọc để loại bỏ các giá trị vô lý, tính toán các giá trị mới thay thế chúng. Cân bằng các giá trị trong bộ công cụ này là đặc biệt quan trọng, vì thuật toán SOM dùng độ đo Ơclit để tính toán khoảng cách giữa các vectơ. Nếu chỉ có một giá trị nằm trong khoảng [0,...,1000] và các giá trị khác nằm trong khoảng [0,...,1] thì sẽ ảnh hưởng đến tổ chức của ma trận vì tác động của nó đến độ đo khoảng cách. Nói chung, chuẩn hoá dữ liệu mục đích là làm cho các giá trị là ngang bằng nhau. Cách thức mặc định để thực hiện vấn đề này đó là cân bằng tuyến tính tất cả các giá trị sao cho mỗi độ chênh lệch khác biệt bằng một. Điều này có thể thực hiện đơn giản bằng hàm sD = som_normalize(sD,’var’) hoặc D = som_normalize(D,’var’). Một điều thuận lợi cho việc dùng các cấu trúc dữ liệu để thay thế cho các ma trận dữ liệu đó là cấu trúc dữ liệu thể hiện được thông tin chuẩn hoá trong trường .com_norm. Dùng hàm som_denormalize(sD) có thể khôi phục lại giá trị ban đầu. 3.3.3 Khởi tạo SOM và huấn luyện Có hai cách để khởi tạo SOM đó là khởi tạo một cách ngẫu nhiên và khởi tạo tuyến tính, sử dụng hai thuật toán huấn luyện là thuật toán huấn luyện tuần tự và huấn luyện theo khối. -53- a. Thuật toán huấn luyện tuần tự SOM được huấn luyện lặp đi lặp lại. Trong mỗi bước huấn luyện, chọn ngẫu nhiên một vector ví dụ x lấy từ tập dữ liệu đầu vào và tính khoảng cách giữa x với tất cả các vectơ trọng số của SOM theo một vài độ đo. Nơron có vector trọng số gần với vector đầu vào x nhất được gọi là BMU, xác định bởi c: ||.|| là độ đo khoảng cách Ơclit. Ở đây việc tính toán khoảng cách là đơn giản hơn là vì - Các giá trị thiếu: các giá trị này được thay thế bằng giá trị NaN trong vectơ hoặc ma trận dữ liệu. Các thành phần thiếu được xử lý một cách đơn giản bằng cách loại trừ (ví dụ, giả sử rằng khoảng cách ||x-mi|| là bằng 0). Vì các giá trị giống nhau bị bỏ qua trong mỗi lần tính khoảng cách, điều này hoàn toàn là hợp lý. - Mặt nạ (mask): Mỗi biến có một phần kết hợp phụ, được định nghiã trong trường .mask của ma trận và cấu trúc huấn luyện. Trường này được dùng chủ yếu trong mẫu nhị phân để loại trừ các giá trị nào đó từ tiến trình tìm BMU (1 giữ lại, 0 loại bỏ). Tuy nhiên, mặt nạ có thể lấy bất kỳ giá trị nào, nên nó có thể được dùng cho các giá trị đi kèm theo mức độ quan trọng của chúng. Với mỗi lần thay đổi, độ đo khoảng cách là: ∑ ∈ −=− Kk kkk mxwmx 22 )( Với k là tập các giá trị (không có giá trị thiếu) của vector ví dụ x, xk và mk là các thành phần thứ k của ví dụ và vectơ trọng số và wk là giá trị mặt nạ thứ k. { }iic mxmx −=− min -54- Sau khi tìm BMU, các vectơ trọng số của SOM được cập nhập sao cho BMU được di chuyển gần đến vector đầu vào hơn trong không gian đầu vào. Các lân cận của BMU được xem là như nhau. Sự mô phỏng này thể hiện độ loang của BMU và hình thái các lân cận của chúng về phía vectơ ví dụ. SOM cập nhập quy tắc cho vectơ trọng số của đơn vị i là: t: thời điểm, x(t): một vectơ đầu vào lấy ngẫu nhiên từ tập dữ liệu đầu vào tại thời điểm t, hci(t): lân cận kernel quanh đơn vị chiến thắng c, α(t): tỷ lệ học tại thời điểm t. Lân cận Kernel là một hàm không tăng của thời gian và khoảng cách của đơn vị i từ đơn vị chiến thắng c. Nó xác định vùng ảnh hưởng của ví dụ đầu vào có trong SOM. Việc huấn luyện thường diễn ra hai giai đoạn. Giai đoạn đầu, có liên quan đến tỷ lệ học ban đầu α0 và bán kính ban đầu σ0. Giai đoạn sau, giảm tỷ lệ học và bán kính vừa đủ nhỏ so với ban đầu. Đây là thủ tục phù hợp để điều chỉnh xấp xỉ SOM tới không gian tương đồng với dữ liệu đầu vào và sau đó điều chỉnh ma trận cho đúng. b. Thuật toán huấn luyện khối Thuật toán huấn luyện khối cũng là thuật toán lặp, nhưng thay vì chỉ dùng một vectơ tại một thời điểm, mà toàn bộ tập dữ liệu được thể hiện trên ma trận trước khi có bất kỳ điều chỉnh nào. Trong mỗi bước huấn luyện, tập dữ liệu được phân chia theo vùng Voronoi của các vectơ trọng số. Sau đó, các vectơ trọng số được tính toán như sau: [ ])()()()()()1( tmtxthttmtm iciii −+=+ α -55- ∑ ∑ = ==+ n j ic n j jic i th xth tm 1 1 )( )( )1( với c = argmink{||xj-mk||} là chỉ số BMU của dữ liệu ví dụ xj. Vectơ trọng số là một giá trị trọng số trung bình của các ví dụ, với trọng số của mỗi ví dụ là giá trị hàm lân cận hic(t) tại BMU của nó. Giống như thuật toán huấn luyện tuần tự, các giá trị thiếu được bỏ qua trong khi tính toán giá trị trọng số trung bình. Chú ý rằng trong thuật toán xử lý khối của K thành phần chính, các vectơ trọng số đơn giản chỉ là giá trị trung bình của tập dữ liệu Voronoi. Có khả năng, có thể tính toán trước tổng các vectơ trọng số trong mỗi Voronoi: ∑ = = i nv j ji xts 1 )( với nvi là số các ví dụ trong tập Voronoi của đơn vị i. Sau đó, các giá trị mới của vectơ trọng số có thể được tính toán như sau: ∑ ∑ = ==+ m j ijj m j jij i thnv tsth tm 1 1 )( )()( )1( với m là số các đơn vị trong ma trận. Hàm som_make lựa chọn kích thước ma trận và các tham số tự động, mặc dù nó có một số các tham biến. Nếu muốn giám sát chặt chẽ bằng các tham số huấn luyện, thì có thể sử dụng sự khởi tạo phù hợp và các hàm huấn luyện trực tiếp dùng các hàm som_lininit, som_randinint, som_seqtrain và som_batchtrain. Ngoài ra, các hàm -56- som_topol_struct, som_train_struct có hể được dùng để lấy các giá trị mặc định cho hình dạng ma trận, và các tham số huấn luyện tương ứng. 3.3.4 Mô phỏng (trực quan hoá) SOM có thể được dùng như một nền tảng thích hợp cho việc thể hiện các đặc điểm khác nhau của SOM (hay của dữ liệu). Trong công cụ SOM Toolbox, có một số hàm mô phỏng SOM, được chia làm 3 loại theo trực quan ban đầu: a. Mô phỏng ô (cell) dựa vào cách trình bầy ma trận lưới trong không gian đầu ra. Mô phỏng ô thể hiện SOM trong không gian đầu ra: một lưới hình chữ nhật của các ô thuộc tính thể hiện các giá trị liên quan. Chú ý rằng, mô phỏng chỉ làm việc với các ma trận 1-2 chiều và các hình ‘cell’ và ‘toroid’ và mặc định là ‘sheet’. Công cụ cơ bản là hàm som_show: som_show(sM); mặc định thể hiện ban đầu là ma trận hợp nhất khoảng cách được tính toán dựa trên tất cả các giá trị và sau đó thể hiện các mặt phẳng thành phần - Ma trận hợp nhất khoảng cách mô phỏng khoảng cách giữa các đơn vị trong ma trận lân cận và hỗ trợ thể hiện cấu trúc cụm của ma trận: các giá trị lớn của ma trận hợp nhất khoảng cách cho biết ranh giới các cụm, các vùng giống nhau có giá trị thấp xác định cụm. - Mỗi mặt phẳng thành phần thể hiện các giá trị của mỗi đơn vị trong ma trận. Các giá trị thể hiện dùng chỉ số bảng màu. Với các màu khác nhau, SOM Toolbox sử dụng câu lệnh colormap, jet, hot, gray. Ngoài ra, các kiểu khác của mặt phẳng có thể là: -57- - Một lưới rỗng chỉ thể hiện một phần (edges) của các đơn vị. Điều này có thể được dùng như một cơ sở cho việc gắn nhãn hoặc các mô phỏng khác với màu nền có thể làm nhạt hơn. - Trong plane màu của mỗi đơn vị đều là cố định màu. Điều này có thể được dùng để thể hiện cho ví dụ phân cụm hoặc thông tin nhận dạng khác cho việc liên kết các trực quan khác nhau. Có các công cụ đặc biệt như som_colorcode và som_clustercolor là các công cụ về màu sắc. Trong hàm som_show có nhiều tham biến đầu vào mà có thể được dùng để điều khiển các loại plane để thể hiện và sắp xếp chúng. Các giá trị cân bằng có thể được chuẩn hoá lại thành dữ liệu ban đầu (nếu có thể) và có nhiều tham số thay đổi cách nhìn của sự mô phỏng nói chung, giống như sự định hướng của bảng màu. Một hàm liên quan trong som_show_add thiết lập các thông tin thêm vào một con số được tạo ra bởi som_show như là: nhãn, biểu đồ (hit histogram), quỹ đạo (trajeactories). - Gắn nhãn, được thực hiện bởi hàm som_autolabel, được dùng cho các loại đơn vị (hoặc một vài đơn vị), bằng cách ghi tên của chúng. - Biểu đồ được đánh dấu thể hiện phân bố của các đơn vị phù hợp nhất cho một tập dữ liệu đưa ra. Nhiều biểu đồ có thể được vẽ và chúng được nhận dạng bởi các màu khác nhau và/hoặc các dấu khác nhau. Như vậy có thể so sánh các tập dữ liệu bằng phân bố ‘hits’ của chúng trên một ma trận. Các biểu đồ có thể được tính toán dùng hàm som_hits. - Quỹ đạo thể hiện các đơn vị phù hợp nhất đối với một tập dữ liệu thể hiện là chuỗi thời gian (time series) (hoặc bất kỳ chuỗi được sắp). Nó có thể là một đường kết nối liên tục các đơn vị phù hợp nhất hoặc một “vệt” quỹ đạo giữa đơn vị phù hợp nhất hiện tại (dữ liệu ví dụ đầu tiên) có dấu lớn nhất và đơn vị phù hợp nhất cuối cùng (dữ liệu ví dụ cuối cùng) có dấu nhỏ nhất. Hàm som_trajectory được dùng để tác động quỹ đạo để phân tích và thậm -58- trí cho phần điều khiển ma trận và chuỗi thời gian trong suốt quá trình nghiên cứu quỹ đạo. Som-show dùng thủ tục som_cplane làm cơ sở. Thủ tục này có thể được dùng để xây dựng tuỳ biến các kiểu mô phỏng ô. Các tham số tuỳ chọn gồm: - Màu của các đơn vị, - Kích thước cân bằng các đơn vị, - Vị trí các đơn vị, - Hình mẫu của đơn vị (đa giác tuỳ ý), - Mẫu của các đơn vị (bằng cách cân bằng vị trí của các đỉnh). b. Mô phỏng hình ảnh thể hiện một hình ảnh đơn giản trong mỗi đơn vị của ma trận. Mô phỏng hình ảnh phần lớn là vẽ codebook của SOM, là một tập các hình ảnh thông thường. Ý tưởng là mỗi đơn vị của codebook được thể hiện bằng biểu đồ hình tròn, và các biểu đồ được bố trí cùng một cách như là các đơn vị trong các mô phỏng ô. - Biểu đồ hình tròn (som_pieplane) là ý tưởng thể hiện các giá trị tỷ lệ. Màu sắc và kích thước các phần chia có thể được thay đổi bằng cách dùng các tham số khác nhau. - Biểu đồ khối (som_barplane) phù hợp với việc thể hiện các giá trị các loại khác nhau. Màu sắc của mỗi khối và khoảng trống có thể được xác định trước. - Hình dấu (som_plotplane) thể hiện các vectơ codebook như các hình học đơn giản. Màu sắc của nét vẽ có thể được xác định đối với mỗi đường riêng biệt. -59- c. Mô phỏng lưới thể hiện ma trận như một lưới hay đồ thị phân tán (scatter plot) Hàm som_grid có thể được dùng để vẽ lại kiểu lưới. Hàm này xuất phát từ ý tưởng mô phỏng lại tập dữ liệu chỉ đơn giản gồm một tập các đối tượng, với mỗi một ví trí, màu sắc và hình ảnh. Hơn nữa, các liên kết giữa các đối tượng, ví dụ quan hệ lân cận, có thể được thể hiện dùng các đường thẳng. Với som_grid người sử dụng có thể ấn định tuỳ ý các giá trị cho mỗi thuộc tính của chúng. Ví dụ các toạ độ x, y, z, kích thước đối tượng và màu sắc có thể mỗi trạng thái cho một biến, vì thế có thể mô phỏng đồng thời năm biến. Các lựa chọn khác nhau là: - Vị trí của đối tượng có thể có kích thước là 2-3. - Màu sắc của các đối tượng có thể lựa chọn tuỳ ý từ vectơ RGB, sử dụng chỉ số màu đặc thù. - Hình ảnh của đối tượng có thể là bất kỳ dấu của matlab (‘.’,’+’). - Hơn nữa để các đối tượng kết hợp với các nhãn là có thể được thể hiện. - Bề mặt giữa các đơn vị trong ma trận có thể được vẽ thêm vào lưới. 3.3.5 Phân tích kết quả Để phân tích định lượng của SOM thì chỉ có ở một vài công cụ. Tuy nhiên, dùng các hàm như som_neighborhood, som_bmus, và som_unit_dists, thì cũng dễ dàng thực hiện một số phân tích. Nhiều nghiên cứu đang được thực hiện trong lĩnh vực này, và nhiều hàm mới cho việc phân tích sẽ được đưa thêm vào công cụ SOM Toolbox trong tương lai, ví dụ các công cụ phân cụm và phân tích các thuộc tính của cụm. Ngoài ra, sử dụng hàm som_quality(sMap,D) để xác định độ đo chất lượng của ma trận SOM trong dữ liệu ban đầu. Hàm trả về hai kết quả, một là khoảng cách trung bình của mỗi vectơ dữ liệu với BMU của chúng (lỗi lượng tử hoá), và hai là tỷ lệ của tất cả các vectơ dữ liệu đối với BMU thứ nhất và thứ hai không liền kề (lỗi hình thái). -60- 3.4 Một số nhận xét 3.4.1 Độ phức tạp tính toán Mỗi một giai đoạn của thuật toán huấn luyện tuần tự có thể được thực thi như sau: for (j=0; j<n; i++) { bmu=-1; min=1000000; for (i=0; i<m; i++){ dist=0; for (k=0; k<d; k++) { diff=X[j][k] –M[i][k]; dist+=diff*diff;} if (dist<min) {min=dist; bmu=i;} } for (i=0;i<m; i++) { h = alpha*exp(U(bmu,i)/r); for (k=0; k<d; k++) M[i][k]-=h*(M[i][k] – X[j][k]); } } Với X[j][k] là thành phần thứ k của ví dụ thứ j, M[i][k] là thành phần thứ k của đơn vị thứ i và U là một bảng khoảng cách ma trận lưới bình phương giữa các đơn vị trong ma trận được tính toán trước. Giả sử dùng hàm lân cận Gauxơ và bán kính r tương đương với –2r(t)2. Do đó, mỗi giai đoạn cho thuật toán huấn luyện theo khối sẽ là: for (i=0; i<m; i++){ vn[i] = 0; for (k=0; k<d; k++) S[i][k] = 0;} /* khởi tạo */ for (j=0; j<n; i++) { bmu=-1; min=1000000; for (i=0; i<m; i++){ dist=0; for (k=0; k<d; k++) { diff=X[j][k] –M[i][k]; dist+=diff*diff;} if (dist<min) {min=dist; bmu=i; vn[bmu]++;} -61- } for (k=0; k<d; k++) S[bmu][k] += X[j][k]; } for (i=0; i<m; i++) for (k=0; k<d; k++) M[i][k] = 0; for (i1=0; i1<m; i1++) { htot = 0; for (i2=0; i2<m; i2++) { h = exp(U[i1][i2]/r); for (k=0; k<d; k++) m[I1][K] += H*S[i2][k]; htot += h*vn[i2]; } for (k=0; k<d; k++) M[i1][k] /=htot; } Có 6nmd + 2nm các toán tử (cộng, trừ, nhân, chia hoặc luỹ thừa) trong thuật toán huấn luyện tuần tự và 3nm + (2d +5)m2 + (n+m)d các toán tử trong thuật toán huấn luyện khối. Vì vậy, độ phức tạp tính toán cho mỗi lần huấn luyện của thuật toán tuần tự là O(nmd) và nếu n>=m,độ phức tạp tính toán cho huấn luyện khối chỉ bằng một nửa của thuật toán tuần tự. Nếu sử dụng các tham số mặc định đối với các hàm trong ToolBox thì cũng có thể tính toán được độ phức tạp trong toàn bộ quá trình huấn luyện. Số các đơn vị của m ma trận là tỷ lệ với căn bậc hai của n và số lượng các lần huấn luyện tỷ lệ với m/n. Vậy độ phức tạp tính toán cho toàn bộ quá trình tạo SOM là O(nd) nên có thể áp dụng cho các tập dữ liệu lớn, mặc dù kích thước các ma trận lớn đòi hỏi tốn nhiều thời gian hơn. Tất nhiên, trong một vài trường hợp số lượng các đơn vị trong ma trận cần được lựa chọn là khác nhau, ví dụ m=0.1n thì trong một vài trường hợp độ phức tạp lại là O(n2d). Tuy nhiên, trên thực tế cũng có một vài sự khác biệt đáng kể của SOM. Về cơ bản có những nghiên cứu chỉ trong một số lượng nhỏ các đơn vị trong ma trận làm tăng tốc độ tìm kiếm phần tử chiến thắng nên độ phức tạp chỉ là O(md) đến O(log(m)d). -62- Sau đây là một số kết quả so sánh giữa thuật toán huấn luyện tuần tự và thuật toán huấn luyện theo khối. Bảng 2 thể hiện các chỉ số ban đầu Tham số Giá trị Kích thước dữ liệu 10,30,50,100 Độ dài dữ liệu 300,1000,3000,10000,300 00 Số các đơn vị trong ma trận 30,100,300,1000 Hàm huấn luyện som_batchtrain som_seqtrain Hàm lân cận ‘gaussian' Kỳ huấn luyện 10 kỳ Bảng 3: Kết quả thời gian tính toán (10 kỳ huấn luyện) Dữ liệu Số đơn vị trong ma trận Thuật toán som_batchtrain Thuật toán som_seqtrain [300 x 30] 100 0.4 s 4 s [1000 x 30] 100 1.0 s 13 s [3000 x 30] 100 2.6 s 40 s [10000 x 30] 100 8.6 s 2.3 min [3000 x 10] 300 5.4 s 43 s [3000 x 30] 300 7.7 s 1.3 min [3000 x 50] 300 9.8 s 1.8 min [3000 x 100] 300 16 s 3.8 min [3000 x 30] 30 14 s 4.4 min [3000 x 30] 100 26 s 6.7 min [3000 x 30] 300 1.1 min 13 min [3000 x 30] 1000 4.5 min 34 min -63- 3.4.2 Kết quả chạy chương trình Một số kết quả chạy chương trình trên số liệu có cấu trúc như bảng 1. Bộ dữ liệu được lấy ngẫu nhiên từ chương trình quản lý thông tin khách hàng (gồm 150 khách hàng). % BUOC 1: DOC DU LIEU TU FILE % ====================== try, sD = som_read_data('custbank4.data'); data read ok end pause % An phim bat ky de tiep tuc... -64- % BUOC 2: XU LY DU LIEU % ========================== sD = som_normalize(sD,'var'); x = sD.data(1,:) x = 0.7042 -0.1638 -0.9779 0.8998 -0.3327 -0.0307 2.6831 1.6677 orig_x = som_denormalize(x,sD) orig_x = 2.5000 4.3000 30.0000 4.2000 40.0000 6.5000 15.0000 1.0000 pause % An phim bat ky de huan luyen... -65- % BUOC 3: HUAN LUYEN DU LIEU % ==================== sM = som_make(sD); Determining map size... kich thuoc cua dlen: 150 kich thuoc cua munits: 62 kich thuoc cua munits: 62 kich thuoc cua sTopol.msize: 8 kich thuoc cua sTopol.msize: 8 map size [11, 6] Initialization... kich thuoc cua munits: 100 kich thuoc cua sTopol.msize: 10 kich thuoc cua sTopol.msize: 10 Training using batch algorithm... Rough training phase... kich thuoc cua munits: 66 kich thuoc cua dlen: 150 kich thuoc cua mpd: 4.400000e-001 kich thuoc cua traninlen: 5 Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Finetuning phase... kich thuoc cua munits: 66 kich thuoc cua dlen: 150 kich thuoc cua mpd: 4.400000e-001 kich thuoc cua traninlen: 18 Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Training: 0/ 0 s Final quantization error: 1.071 Final topographic error: 0.033 pause % An phim bat ky de tiep tuc... -66- % BUOC 4: TRUC QUAN HOA SELF-ORGANIZING MAP: SOM_SHOW % ===================================================== colormap(1-gray) som_show(sMap,'norm','d') pause % An phim bat ky de tiep tuc... -67- % BUOC 4: TRUC QUAN HOA SELF-ORGANIZING MAP: SOM_SHOW % ===================================================== h=zeros(sMap.topol.msize); h(1,2) = 1; som_show_add('hit',h(:),'markercolor','r','markersize',0.5,'subplot','all') pause % An phim bat ky de tiep tuc... -68- % BUOC 4: TRUC QUAN HOA SELF-ORGANIZING MAP: SOM_SHOW % ===================================================== som_show(sMap,'umat','all','empty','Labels') pause % An phim bat ky de tiep tuc... -69- Kết quả trên cho thấy thông tin khách hàng sử dụng công cụ SOM ToolBox có 03 cụm: Cụm 1: có khách hàng BR Cụm 2: gồm các khách hàng A, D, FA, CE, B, CA, BD, CH, BA, CD, BN, BC, CK, CS, BJ. Cụm 3: gồm các khách hàng AL, AW, AX, CB, AP, AV, DO, AQ, CZ, CP, BF, BY, T, AJ, EQ, X, AH, CM, BE, H, P, CN, CL, BQ, J, S, BW, BM, CX, CU. % BUOC 4: TRUC QUAN HOA SELF-ORGANIZING MAP: SOM_SHOW % ===================================================== som_show_add('label',sMap,'Textsize',8,'TextColor','r','Subplot',2) pause % An phim bat ky de tiep tuc... -70- % STEP5: CLUSTERING OF THE MAP % ===================== sM = som_autolabel(sM,sD,'vote'); kich thuoc cua bmu: 150 kich thuoc cua Labels: 66 subplot(1,3,1) [c,p,err,ind] = kmeans_clusters(sM, 7); %Chia SOM thành 07 cum n_max: 7 c_max: 5 plot(1:length(ind),ind,'x-') [dummy,i] = min(ind) dummy = 0.7652 i = 5 %So cum co duoc tu thuat toán subplot(1,3,2) [Pd,V,me,l] = pcaproj(sD,2); Pm = pcaproj(sM,V,me); Code = som_colorcode(Pm); hits = som_hits(sM,sD); U = som_umat(sM); Dm = U(1:2:size(U,1),1:2:size(U,2)); Dm = 1-Dm(:)/max(Dm(:)); Dm(find(hits==0)) = 0; som_cplane(sM,Code,Dm); subplot(1,3,3) som_cplane(sM,cl) pause % Strike any key to continue... -71- 3.4.3 So sánh với các công cụ khác Cho đến nay phần lớn các ứng dụng của SOM được xây dựng bằng các phần mềm bởi các nhà nghiên cứu. Công cụ SOM ToolBox và SOM_PAK là các công cụ có sẵn và không cần bản quyền. Trong phạm vi của luận văn đã sử dụng công cụ SOM ToolBox để áp dụng cho bài toán phân loại khách hàng tín dụng của Ngân hàng. Công cụ SOM_PAK, một công cụ của có giá trị của trường Đại học Kỹ thuật Helsinki. SOM_PAK đặc biệt phù hợp với các nghiên cứu khoa học chạy trên máy UNIX, không dùng cho các hệ điều hành của Microsoft (MS DOS, WINDOWS). Ngoài ra, còn có các công cụ phần mềm thương mại cho SOM có trên thị trường [8]. Về cơ bản các phần mềm này cũng được xây dựng là như nhau. Tuy nhiên các phần mềm thương mại được thiết kê phù hợp với các hệ điều hành chuẩn và có thêm bước xử lý trước và xử lý sau dữ liệu. Sau đây là một danh sách các phần mềm thương mại hiện có: 1. SAS Neural Network Application 2. Professional II+ from NeuralWorks 3. MATLAB Neural Network Toolbox 4. NeuroShell2/NeuroWindows 5. NeuroSolutions v3.0 6. NeuroLab, A Neural Network Library 7. havFmNet++ 8. Neural Connection 9. Trajan 2.1 Neural Network Simulator 10. Viscovery® Một công cụ mới nhất hiện nay là Viscovery®, một sản phẩm của Eudaptics Software GmbH, là công cụ có giao diện thân thiện, linh hoạt và là công cụ mạnh cho việc tạo SOM. Viscovery® cung cấp một số đặc điểm quan trọng cần thiết -72- trong các ứng dụng tài chính, kinh tế và marketing mà ở các công cụ không có bản quyền không có được. Dưới đây là một số so sánh giữa các công cụ SOM với nhau [8] Các chỉ tiêu Viscovery® SOM_PAK SOM Toolbox NeNet Hệ điều hành Windows 95 Windows NT 4.0 UNIX Ms DOS MatLab Version 5.0 trở lên Windows Tiền xử lý Có 4 chọn lựa không có Có Có Đặc điểm SOM • Thuật toán Thuật toán chuẩn Thuật toán chuẩn Thuật toán chuẩn Thuật toán chuẩn • Kích thước ma trận Không giới hạn. Không giới hạn. Không giới hạn. Không giới hạn. • Khởi tạo ma trận Lục giác. Chữ nhật, lục giác. Chữ nhật, lục giác. Chữ nhật, lục giác. • Huấn luyện Mặt phẳng chính Tuyến tính, ngẫu nhiên Tuyến tính, ngẫu nhiên Tuyến tính, ngẫu nhiên • Gán nhãn Định nghĩa trước Bất kỳ giai đoạn nào Bất kỳ giai đoạn nào Bất kỳ giai đoạn nào • Xử lý thành phần thiếu Tự động, bằng tay, kéo thả Tự động, bằng tay Tự động, bằng tay Tự động, bằng tay • Tốc độ Có thể xử lý, Nhanh Có thể xử lý, Nhanh Có thể xử lý, Vừa phải Có thể xử lý, Nhanh • Giới hạn đầu Không Không Không Tối đa [100x100] -73- vào • Trực quan hoá U-matrix, component planes, trajectories, Iso-contours U-matrix, component planes, trajectories U-matrix, component planes, trajectories, hit historgrams U-matrix, component planes, trajectories, hit historgrams Xử lý sau Có Có Không Không Giao diện Thân thiện. Giao diện OLE: MS Excel, Text file, SQL & DB2 Câu lệnh C. Giao diện OLE: Text file GUI (Matlab) Giao diện OLE: Text file GUI (Windows 95) Giao diện OLE: Text file 3.5 Kết luận chương 3 Áp dụng phương pháp SOM vào bài toán cụ thể trong Ngân hàng, bài toán phân tích thông tin khách hàng là các Doanh nghiệp có nhu cầu vay vốn. Nội dung chính trong chương này là: - Tìm hiểu về quy trình tác nghiệp tại phòng Tín dụng của Ngân hàng đã giải quyết bài toán. - Tìm hiểu bộ công cụ SOM ToolBox, từ đó xây dựng chương trình giải quyết bài toán. - Một số kết quả thu được khi chạy chương trình. - Đánh giá, so sánh bộ công cụ SOM Toolbox với các công cụ khác trên thị trường. -74- KẾT LUẬN Mạng nơron là một phương pháp rất thích hợp trong khai phá dữ liệu với mô hình học máy, đặc biệt là học không giám sát. Với trên 5000 ứng dụng trên nhiều lĩnh vực, thuật toán học mạng nơron theo SOM rất hữu dụng trong các bài toán tài chính kinh tế. Nhiều công trình nghiên cứu đã khẳng định thuật toán SOM là phù hợp với các ứng dụng có khối lượng dữ liệu lớn như dữ liệu trong Ngân hàng. 1. Luận văn đã thực hiện được kết quả sau: - Trình bày một cách tổng quát về mô hình mạng nơron và ứng dụng mạng nơron trong khai phá dữ liệu. Trình bày một cách hệ thống các giải pháp học mạng nơron không giám sát và có giám sát. - Nghiên cứu, phân tích việc sử dụng thuật toán SOM giải quyết bài toán phân cụm theo mô hình mạng nơron. - Nghiên cứu cấu trúc hoạt động của bộ công cụ SOM Toolbox và phương pháp sử dụng công cụ để giải quyết bài toán phân cụm dữ liệu. - Xây dựng bài toán phân tích thông tin khách hàng tại Ngân hàng và sử dụng công cụ SOM Toolbox để giải quyết bài toán được đề xuất. Các kết quả thử nghiệm là phù hợp với các phân tích của các nhà chuyên môn trong lĩnh vực Ngân hàng. 2. Trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn, thông qua việc tổng hợp và phân tích một hoạt động cốt yếu của Ngân hàng là phân tích thông tin khách hàng vay vốn, tôi nhận thấy việc phát triển nội dung luận văn là rất cần thiết để sử dụng mạng nơron trong khai phá dữ liệu Ngân hàng. Để mở rộng kết quả nội dung của luận văn này, hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo là tìm hiểu các phương pháp sinh luật từ mạng nơron (phần này đã được đề cập trong chương 1) và ứng dụng hỗ trợ quyết định trong đầu tư tài chính. -75- TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT [1]. Nguyễn Đình Thúc (2000), Trí tuệ nhân tạo Mạng nơron phương pháp & ứng dụng, Nhà xuất bản Giáo Dục. [2]. Trần Đức Minh (2002), Mạng nơron truyền thẳng và thuật toán lan truyền ngược, Luận văn Thạc sĩ cao học, Khoa Công nghệ, Trường Đại học Quốc gia Hà Nội. TÀI LIỆU TIẾNG ANH [3]. Bart De Ketelaere, Demitrios Moshou, Peter Coucke, Josse De Baerdemaeker (1997), A herachical Self-Organizing Map for classification problems. [4]. Boris Kovalerchuk & Evgenii Vityaev (2001), Data mining in finance advances in Relational and Hybrid Methods, Kluwer Academic Publishers. [5] David Sommer & Martin Golz (2001), Clustering of EEG-Segments Using Heirarchical Agglomerative Methods and Self-Organizing Maps, University of Applied Sciences Germany, Department of Computer Science. [6].Ed Guido Deboeck & Teuvo Khohonen (1998), Visual Intelligence in Finance using Self-organizing Maps, Chapter 7: Self-organizing Maps for Initial Data Analysis: let Financial Data Speak for Themselves, Speinger Verlag. [7]. Guido Deboeck, Ph.D (1999), Self-Organizing Maps facilitate knowleadge discovery in finance. [8]. Guido Deboeck, Ph.D (2000), Public domain versus commercial tools for creating Self-Organizing Maps. [9]. J. Han and M. Kamber (2001), Data Mining - Concepts and Techniques, Chapter 8: Cluster Analysis. Morgan Kaufmann. [10]. Juha Vesanto (1997), Data Mining techniques based on the Self-Organizing Map, Thesis for the degree of Master in Engineering, Helsinki University of Technology. -76- [11]. Juha Vesanto (2000), Using SOM in Data Mining, Licentiate’s thesis, Helsinki University of Technology. [12]. Mark W.Craven & Jude W.Shavlik (2000), Using Neural Networks for Data Mining, Submitted to the Future Generation Computer Systems specical issues on Data Mining. [13] Merja Oja, Samuel Kaski, and Teuvo Kohonen (2003), Bibliography of Self- Organizing Map (SOM) Papers: 1998-2001 Addendum, Neural Computing Surveys, 3: 1-156. [14]. Mark W.Craven (1996), Extracting comprehensible models from trained neural networks, Chapter 7: The Boosting – Based Perceptron learning algorithm, Doctor of philosophy (Computer Sciences). [15].Tom Gemano (1999), Self Organizing Maps. [16]. Usama M.Fayyad, Gregory Piatetsky-Shapiro, Padhraic Smyth & Ramasamy Uthrusamy (1996), Advanes in Knowledge Discovery and Data mining,AAAI Press/The MIT Press.