Apprentissage à partir de données et de connaissances incertaines : application à la prédiction de la qualité du caoutchouc

Learning from uncertain data and knowledge : application to the natural rubber quality prediction

• Auteur / Autrice : Nicolas Sutton-Charani
• Direction : Thierry Denoeux, Sébastien Destercke
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Technologies de l'Information et des Systèmes
• Date : Soutenance le 28/05/2014
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Heuristique et Diagnostic des Systèmes Complexes [Compiègne] / Heudiasyc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Qualité

Caoutchouc

Théorie de la prévision

Algorithmes EM

Estimation, Théorie de l'

Théorie de Dempster-Shafer

Arbres de décision

Mots clés libres

Données incertaines

Connaissances incertaines

Fonctions de croyance

Vraisemblance

Prédiction

Classification

Caoutchouc naturel

Predictives models

Belief functions

Decision trees

Expectation-maximization algorithms

Rubber

Résumé

Pour l’apprentissage de modèles prédictifs, la qualité des données disponibles joue un rôle important quant à la fiabilité des prédictions obtenues. Ces données d’apprentissage ont, en pratique, l’inconvénient d’être très souvent imparfaites ou incertaines (imprécises, bruitées, etc). Ce travail de doctorat s’inscrit dans ce cadre où la théorie des fonctions de croyance est utilisée de manière à adapter des outils statistiques classiques aux données incertaines.Le modèle prédictif choisi est l’arbre de décision qui est un classifieur basique de l’intelligence artificielle mais qui est habituellement construit à partir de données précises. Le but de la méthodologie principale développée dans cette thèse est de généraliser les arbres de décision aux données incertaines (floues, probabilistes,manquantes, etc) en entrée et en sortie. L’outil central d’extension des arbres de décision aux données incertaines est une vraisemblance adaptée aux fonctions de croyance récemment proposée dans la littérature dont certaines propriétés sont ici étudiées de manière approfondie. De manière à estimer les différents paramètres d’un arbre de décision, cette vraisemblance est maximisée via l’algorithme E2M qui étend l’algorithme EM aux fonctions de croyance. La nouvelle méthodologie ainsi présentée, les arbres de décision E2M, est ensuite appliquée à un cas réel : la prédiction de la qualité du caoutchouc naturel. Les données d’apprentissage, essentiellement culturales et climatiques, présentent de nombreuses incertitudes qui sont modélisées par des fonctions de croyance adaptées à ces imperfections. Après une étude statistique standard de ces données, des arbres de décision E2M sont construits et évalués en comparaison d’arbres de décision classiques. Cette prise en compte des incertitudes des données permet ainsi d’améliorer très légèrement la qualité de prédiction mais apporte surtout des informations concernant certaines variables peu prises en compte jusqu’ici par les experts du caoutchouc.

During the learning of predictive models, the quality of available data is essential for the reliability of obtained predictions. These learning data are, in practice very often imperfect or uncertain (imprecise, noised, etc). This PhD thesis is focused on this context where the theory of belief functions is used in order to adapt standard statistical tools to uncertain data.The chosen predictive model is decision trees which are basic classifiers in Artificial Intelligence initially conceived to be built from precise data. The aim of the main methodology developed in this thesis is to generalise decision trees to uncertain data (fuzzy, probabilistic, missing, etc) in input and in output. To realise this extension to uncertain data, the main tool is a likelihood adapted to belief functions,recently presented in the literature, whose behaviour is here studied. The maximisation of this likelihood provide estimators of the trees’ parameters. This maximisation is obtained via the E2M algorithm which is an extension of the EM algorithm to belief functions.The presented methodology, the E2M decision trees, is applied to a real case : the natural rubber quality prediction. The learning data, mainly cultural and climatic,contains many uncertainties which are modelled by belief functions adapted to those imperfections. After a simple descriptiv statistic study of the data, E2M decision trees are built, evaluated and compared to standard decision trees. The taken into account of the data uncertainty slightly improves the predictive accuracy but moreover, the importance of some variables, sparsely studied until now, is highlighted.