一种基于重取样的代价敏感学习算法

大多数非均衡数据集的研究集中于纯重构数据集或者纯代价敏感学习,本文针对数据集类分布非均衡和不相等误分类代价往往同时发生这一事实,提出了一种以最小误分类代价为目标的基于混合重取样的代价敏感学习算法。该算法将两种不同类型解决方案有机地融合在一起,先用样本类空间重构的方法使原始数据集的两类数据达到基本均衡,然后再引入代价敏感学习算法进行分类,能提高少数类分类精度,同时有效降低总的误分类代价。实验结果验证了该算法在处理非均衡类问题时比传统算法要优越。     

新的基于代价敏感集成学习的非平衡数据集分类方法NIBoost

现实生活中存在大量的非平衡数据,大多数传统的分类算法假定类分布平衡或者样本的错分代价相同,因此在对这些非平衡数据进行分类时会出现少数类样本错分的问题。针对上述问题,在代价敏感的理论基础上,提出了一种新的基于代价敏感集成学习的非平衡数据分类算法--NIBoost（New Imbalanced Boost）。首先,在每次迭代过程中利用过采样算法新增一定数目的少数类样本来对数据集进行平衡,在该新数据集上训练分类器;其次,使用该分类器对数据集进行分类,并得到各样本的预测类标及该分类器的分类错误率;最后,根据分类错误率和预测的类标计算该分类器的权重系数及各样本新的权重。实验采用决策树、朴素贝叶斯作为弱分类器算法,在UCI数据集上的实验结果表明,当以决策树作为基分类器时,与RareBoost算法相比,F-value最高提高了5.91个百分点、G-mean最高提高了7.44个百分点、AUC最高提高了4.38个百分点;故该新算法在处理非平衡数据分类问题上具有一定的优势。     

用于不平衡数据分类的代价敏感超网络算法

传统的超网络模型在处理不平衡数据分类问题时,具有很大的偏向性,正类的识别率远远高于负类。为此,提出了一种代价敏感超网络Boosting集成算法。首先,将代价敏感学习引入超网络模型,提出了代价敏感的超网络模型;同时,为了使算法能够自适应正类的错分代价,采用Boosting算法对代价敏感超网络进行集成。代价敏感超网络能很好地修正传统的超网络在处理不平衡数据分类问题时过分偏向正类的缺陷,提高对负类的分类准确性。实验结果表明,代价敏感超网络Boosting集成算法具有处理不平衡数据分类问题的优势。     

密度峰值优化的球簇划分欠采样不平衡数据分类算法

在集成算法中嵌入代价敏感和重采样方法是一种有效的不平衡数据分类混合策略。针对现有混合方法中误分代价计算和欠采样过程较少考虑样本的类内与类间分布的问题,提出了一种密度峰值优化的球簇划分欠采样不平衡数据分类算法DPBCPUSBoost。首先,利用密度峰值信息定义多数类样本的抽样权重,将存在“近邻簇”的多数类球簇划分为“易误分区域”和“难误分区域”,并提高“易误分区域”内样本的抽样权重;其次,在初次迭代过程中按照抽样权重对多数类样本进行欠采样,之后每轮迭代中按样本分布权重对多数类样本进行欠采样,并把欠采样后的多数类样本与少数类样本组成临时训练集并训练弱分类器;最后,结合样本的密度峰值信息与类别分布为所有样本定义不同的误分代价,并通过代价调整函数增加高误分代价样本的权重。在10个KEEL数据集上的实验结果表明,与现有自适应增强（AdaBoost）、代价敏感自适应增强（AdaCost）、随机欠采样增强（RUSBoost）和代价敏感欠采样自适应增强（USCBoost）等不平衡数据分类算法相比,DPBCPUSBoost在准确率（Accuracy）、F1分数（F1-Score）、几何均值（G-mean）和受试者工作特征（ROC）曲线下的面积（AUC）指标上获得最高性能的数据集数量均多于对比算法。实验结果验证了DPBCPUSBoost中样本误分代价和抽样权重定义的有效性。     

一种基于特征选择的不平衡数据分类算法

不平衡数据分类是当前机器学习的研究热点,传统分类算法通常基于数据集平衡状态的前提,不能直接应用于不平衡数据的分类学习.针对不平衡数据分类问题,文章提出一种基于特征选择的改进不平衡分类提升算法,从数据集的不同类型属性来权衡对少数类样本的重要性,筛选出对有效预测分类出少数类样本更意义的属性,同时也起到了约减数据维度的目的.然后结合不平衡分类算法使数据达到平衡状态,最后针对原始算法错分样本权值增长过快问题提出新的改进方案,有效抑制权值的增长速度.实验结果表明,该算法能有效提高不平衡数据的分类性能,尤其是少数类的分类性能.     

不平衡数据分类方法综述

随着信息技术的快速发展,各领域的数据正以前所未有的速度产生并被广泛收集和存储,如何实现数据的智能化处理从而利用数据中蕴含的有价值信息已成为理论和应用的研究热点.数据分类作为一种基础的数据处理方法,已广泛应用于数据的智能化处理.传统分类方法通常假设数据类别分布均衡且错分代价相等,然而,现实中的数据通常具有不平衡特性,即某一类的样本数量要小于其他类的样本数量,且少数类具有更高错分代价.当利用传统的分类算法处理不平衡数据时,由于多数类和少数类在数量上的倾斜,以总体分类精度最大为目标会使得分类模型偏向于多数类而忽略少数类,造成少数类的分类精度较低.如何针对不平衡数据分类问题设计分类算法,同时保证不平衡数据中多数类与少数类的分类精度,已成为机器学习领域的研究热点,并相继出现了一系列优秀的不平衡数据分类方法.鉴于此,对现有的不平衡数据分类方法给出较为全面的梳理,从数据预处理层面、特征层面和分类算法层面总结和比较现有的不平衡数据分类方法,并结合当下机器学习的研究热点,探讨不平衡数据分类方法存在的挑战.最后展望不平衡数据分类未来的研究方向.     

一种基于聚类提升的不平衡数据分类算法

不平衡数据分类是机器学习研究领域中的一个热点问题。针对传统分类算法处理不平衡数据的少数类识别率过低问题,文章提出了一种基于聚类的改进AdaBoost分类算法。算法首先进行基于聚类的欠采样,在多数类样本上进行K均值聚类,之后提取聚类质心,与少数类样本数目一致的聚类质心和所有少数类样本组成新的平衡训练集。为了避免少数类样本数量过少而使训练集过小导致分类精度下降,采用少数过采样技术过采样结合聚类欠采样。然后,借鉴代价敏感学习思想,对AdaBoost算法的基分类器分类误差函数进行改进,赋予不同类别样本非对称错分损失。实验结果表明,算法使模型训练样本具有较高的代表性,在保证总体分类性能的同时提高了少数类的分类精度。     

基于欠采样和代价敏感的不平衡数据分类算法

针对不平衡数据集中的少数类在传统分类器上预测精度低的问题,提出了一种基于欠采样和代价敏感的不平衡数据分类算法——USCBoost。首先在AdaBoost算法每次迭代训练基分类器之前对多数类样本按权重由大到小进行排序,根据样本权重选取与少数类样本数量相当的多数类样本;之后将采样后的多数类样本权重归一化并与少数类样本组成临时训练集训练基分类器;其次在权重更新阶段,赋予少数类更高的误分代价,使得少数类样本权重增加更快,并且多数类样本权重增加更慢。在10组UCI数据集上,将USCBoost与AdaBoost、AdaCost、RUSBoost进行对比实验。实验结果表明USCBoost在F1-measure和G-mean准则下分别在6组和9组数据集获得了最高的评价指标。可见所提算法在不平衡数据上具有更好的分类性能。     

A Dynamic Spark-based Classification Framework for Imbalanced Big Data

Classification of imbalanced big data has assembled an extensive consideration by many researchers during the last decade. Standard classification methods poorly diagnosis the minority class samples. Several approaches have been introduced for solving the problem of class imbalance in big data to enhance the generalization in classification. However, most of these approaches neglect the effect of border samples on classification performance; the high impact border samples might expose to misclassification. In this paper, a Spark Based Mining Framework (SBMF) is proposed to address the imbalanced data problem. Two main modules are designed for this purpose. The first is the Border Handling Module (BHM) which under samples the low impact majority border instances and oversamples the minority class instances. The second module is the Selective Border Instances sampling (SBI) Module, which enhances the output of the BHM module. The performance of the SBMF framework is evaluated and compared with other recent systems. A number of experiments were performed using moderate and big datasets with different imbalanced ratio. The results obtained from SBMF framework, when compared to the recent works, show better performance for the different datasets and classifiers.     

一种基于GMM-EM的非平衡数据的概率增强算法

非平衡数据的分类问题是机器学习领域的一个重要研究课题.在一个非平衡数据里,少数类的训练样本明显少于多数类,导致分类结果往往偏向多数类.针对非平衡数据分类问题,提出一种基于高斯混合模型-均值最大化方法(GMM-EM)的概率增强算法.首先,通过高斯混合模型(GMM)与均值最大化算法(EM)建立少数类数据的概率密度函数;其次,根据高概率密度的样本生成新样本的能力比低概率密度的样本更强的性质,建立一种基于少数类样本密度函数的过采样算法,该算法保证少数类数据集在平衡前后的概率分布的一致性,从数据集的统计性质使少数类达到平衡;最后,使用决策树分类器对已经达到平衡的数据集进行分类,并且利用评价指标对分类效果进行评判.通过从UCI和KEEL数据库选出的8组数据集的分类实验,表明了所提出算法比现有算法更有效.     

基于Lévy分布的不平衡数据过采样方法

针对不平衡数据集上的分类问题，提出了基于Lévy分布的过采样方法，其核心思想是根据初始数据集的分布，利用Lévy分布构造新样本的密度分布。基于Lévy分布的特性，使得从边界样本合成的新样本密度最大，靠近多数类的样本合成的新样本密度次之，靠近少数类的样本合成的新样本密度最小。因此，该算法可以增强分类边界，同时可以减小噪声生成。通过在多个数据集上的实验，表明所提算法可以有效改善不平衡数据的分类效果。     

基于变分贝叶斯推断最优高斯混合模型的自适应不均衡数据综合采样法

实际的分类数据往往是分布不均衡的.传统的分类器大都会倾向多数类而忽略少数类,导致分类性能恶化.针对该问题提出一种基于变分贝叶斯推断最优高斯混合模型(varition Bayesian-optimized optimal Gaussian mixture model, VBoGMM)的自适应不均衡数据综合采样法. VBoGMM可自动衰减到真实的高斯成分数,实现任意数据的最优分布估计;进而基于所获得的分布特性对少数类样本进行自适应综合过采样,并采用Tomek-link对准则对采样数据进行清洗以获得相对均衡的数据集用于后续的分类模型学习.在多个公共不均衡数据集上进行大量的验证和对比实验,结果表明:所提方法能在实现样本均衡化的同时,维持多数类与少数类样本空间分布特性,因而能有效提升传统分类模型在不均衡数据集上的分类性能.     

基于样本密度峰值的不平衡数据欠抽样方法

不平衡数据分类是数据挖掘和机器学习领域的一个重要问题,其中数据重抽样方法是影响分类准确率的一个重要因素。针对现有不平衡数据欠抽样方法不能很好地保持抽样样本与原有样本的分布一致的问题,提出一种基于样本密度峰值的不平衡数据欠抽样方法。首先,应用密度峰值聚类算法估计多数类样本聚成的不同类簇的中心区域和边界区域,进而根据样本所处类簇区域的局部密度和不同密度峰值的分布信息计算样本权重;然后,按照权重大小对多数类样本点进行欠抽样,使所抽取的多数类样本尽可能由类簇中心区域向边界区域逐步减少,在较好地反映原始数据分布的同时又可抑制噪声;最后,将抽取到的多数类样本与所有的少数类样本构成平衡数据集用于分类器的训练。多个数据集上的实验结果表明,与现有的RBBag、uNBBag和KAcBag等欠抽样方法相比,所提方法在F1-measure和G-mean指标上均取得一定的提升,是有效、可行的样本抽样方法。     

Imbalanced classification of mental workload using a cost-sensitive majority weighted minority oversampling strategy

Identifying the temporal variations in mental workload level (MWL) is crucial for enhancing the safety of human–machine system operations, especially when there is cognitive overload or inattention of human operator. This paper proposed a cost-sensitive majority weighted minority oversampling strategy to address the imbalanced MWL data classification problem. Both the inter-class and intra-class imbalance problems are considered. For the former, imbalance ratio is defined to determine the number of the synthetic samples in the minority class. The latter problem is addressed by assigning different weights to borderline samples in the minority class based on the distance and density meaures of the sample distribution. Furthermore, multi-label classifier is designed based on an ensemble of binary classifiers. The results of analyzing 21 imbalanced UCI multi-class datasets showed that the proposed approach can effectively cope with the imbalanced classification problem in terms of several performance metrics including geometric mean (G-mean) and average accuracy (ACC). Moreover, the proposed approach was applied to the analysis of the EEG data of eight experimental participants subject to fluctuating levels of mental workload. The comparative results showed that the proposed method provides a competing alternative to several existing imbalanced learning algorithms and significantly outperforms the basic/referential method that ignores the imbalance nature of the dataset.     

一种面向不平衡数据的结构化SVM集成分类器

为改进面向不平衡数据的SVM分类器性能,以结构化SVM为基础,提出一种基于代价敏感的结构化支持向量机集成分类器模型.该模型首先通过训练样本的聚类,得到隐含在数据中的结构信息,并对样本进行初始加权.运用AdaBoost策略对各样本的权重进行动态调整,适当增大少数类样本的权重,使小类中误分的样本代价增大,以此来改进不平衡数据的分类性能.实验结果表明,该算法可有效提高不平衡数据的分类性能.     

A multi-objective optimisation approach for class imbalance learning

Class imbalance limits the performance of most learning algorithms since they cannot cope with large differences between the number of samples in each class, resulting in a low predictive accuracy over the minority class. In this respect, several papers proposed algorithms aiming at achieving more balanced performance. However, balancing the recognition accuracies for each class very often harms the global accuracy. Indeed, in these cases the accuracy over the minority class increases while the accuracy over the majority one decreases. This paper proposes an approach to overcome this limitation: for each classification act, it chooses between the output of a classifier trained on the original skewed distribution and the output of a classifier trained according to a learning method addressing the course of imbalanced data. This choice is driven by a parameter whose value maximizes, on a validation set, two objective functions, i.e. the global accuracy and the accuracies for each class. A series of experiments on ten public datasets with different proportions between the majority and minority classes show that the proposed approach provides more balanced recognition accuracies than classifiers trained according to traditional learning methods for imbalanced data as well as larger global accuracy than classifiers trained on the original skewed distribution.     

基于概率阈值Bagging算法的不平衡数据分类方法

类别不平衡问题广泛存在于现实生活中,多数传统分类器假定类分布平衡或误分类代价相等,因此类别不平衡数据严重影响了传统分类器的分类性能。针对不平衡数据集的分类问题,提出了一种处理不平衡数据的概率阈值Bagging分类方法-PT Bagging。将阈值移动技术与Bagging集成算法结合起来,在训练阶段使用原始分布的训练集进行训练,在预测阶段引入决策阈值移动方法,利用校准的后验概率估计得到对不平衡数据分类的最大化性能测量。实验结果表明,PT Bagging算法具有更好的处理不平衡数据的分类优势。     

一种改进的降噪自编码神经网络不平衡数据分类算法

针对少数类样本合成过采样技术(Synthetic Minority Over-Sampling Technique, SMOTE)在合成少数类新样本时会带来噪音问题,提出了一种改进降噪自编码神经网络不平衡数据分类算法(SMOTE-SDAE)。该算法首先通过SMOTE方法合成少数类新样本以均衡原始数据集,考虑到合成样本过程中会产生噪音的影响,利用降噪自编码神经网络算法的逐层无监督降噪学习和有监督微调过程,有效实现对过采样数据集的降噪处理与数据分类。在UCI不平衡数据集上实验结果表明,相比传统SVM算法,该算法显著提高了不平衡数据集中少数类的分类精度。     

基于主动学习不平衡多分类AdaBoost算法的心脏病分类

针对不平衡分类中小类样本识别率低问题,提出一种基于主动学习不平衡多分类AdaBoost改进算法。首先,利用主动学习方法通过多次迭代抽样,选取少量的、对分类器最有价值的样本作为训练集;然后,基于不确定性动态间隔的样本选择策略,降低训练集的不平衡性;最后,利用代价敏感方法对多分类AdaBoost算法进行改进,对不同的类别给予不同的错分代价,调整样本权重更新速度,强迫弱分类器"关注"小类样本。在临床经胸超声心动图（TTE）测量数据集上的实验分析表明：与多分类支持向量机（SVM）相比,心脏病总体识别率提升了5.9%,G-mean指标提升了18.2%,瓣膜病（VHD）识别率提升了0.8%,感染性心内膜炎（IE）（小类）识别率提升了12.7%,冠心病（CAD）（小类）识别率提升了79.73%;与SMOTE-Boost相比,总体识别率提升了6.11%,G-mean指标提升了0.64%,VHD识别率提升了11.07%,先心病（CHD）识别率提升了3.69%。在TTE数据集和4个UCI数据集上的实验结果表明,该算法在不平稳多分类时能有效提高小类样本识别率,并且保证其他类别识别率不会大幅度降低,综合提升分类器性能。     

基于主曲线的不均衡在线贯序极限学习机研究

针对现有机器学习算法难以有效提高不均衡在线贯序数据中少类样本分类精度的问题,提出了一种基于主曲线的不均衡在线贯序极限学习机。该方法的核心思路是根据在线贯序数据的分布特性,均衡各类别样本,以减少少类样本合成过程中的盲目性,主要包括离线和在线两个阶段。离线阶段采用主曲线分别建立各类别样本的分布模型,利用少类样本合成过采样算法对少类样本过采样,并根据各样本点到对应主曲线的投影距离分别为其设定相应大小的隶属度,最后根据隶属区间削减多类和少类虚拟样本,进而建立初始模型。在线阶段对贯序到达的少类样本过采样,并根据隶属区间均衡贯序样本,进而动态更新网络权值。通过理论分析证明了所提算法在理论上存在损失信息上界。采用UCI标准数据集和实际澳门气象数据进行仿真实验,结果表明,与现有典型算法相比,该算法对少类样本的预测精度更高,数值稳定性更好。