Programmation par contraintes et découverte de motifs sur données séquentielles

Constraint programming for sequential pattern mining

• Auteur / Autrice : Vincent Vigneron
• Direction : David Lesaint
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 08/12/2017
• Etablissement(s) : Angers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et mathématiques (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etudes et de Recherche en Informatique d'Angers - Laboratoire d'Etudes et de Recherche en Informatique d'Angers / LERIA
• Jury : Président / Présidente : Christel Vrain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Béatrice Duval
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lakhdar Saïs, Patrice Boizumault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intelligence artificielle

Exploration de données

Métaheuristiques

Programmation par contraintes

Mots clés libres

Données séquentielles

Algorithmes mémétiques

Caractérisation

Constraint Programming

Data Mining

Memetic Algorithms

Artificial Intelligence

Résumé

Des travaux récents ont montré l’intérêt de la programmation par contraintes pour la fouille de données. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la recherche de motifs sur séquences, et en particulier à la caractérisation, à l’aide de motifs, de classes de séquences pré-établies. Nous proposons à cet effet un langage de modélisation à base de contraintes qui suppose une représentation matricielle du jeu de séquences. Un motif s’y définit comme un ensemble de caractères (ou de patrons) et pour chacun une localisation dans différentes séquences. Diverses contraintes peuvent alors s’appliquer : validité des localisations, couverture d’une classe de séquences, ordre sur les localisations des caractères commun aux séquences, etc. Nous formulons deux problèmes de caractérisation NP-complets : la caractérisation par motif totalement ordonné (e.g. sous-séquence exclusive à une classe) ou partiellement ordonné. Nous en donnons deux modélisations CSP qui intègrent des contraintes globales pour la preuve d’exclusivité. Nous introduisons ensuite un algorithme mémétique pour l’extraction de motifs partiellement ordonnés qui s’appuie sur la résolution CSP lors des phases d’initialisation et d’intensification. Cette approche hybride se révèle plus performante que l’approche CSP pure sur des séquences biologiques. La mise en forme matricielle de jeux de séquences basée sur une localisation des caractères peut être de taille rédhibitoire. Nous proposons donc de localiser des patrons plutôt que des caractères. Nous présentons deux méthodes ad-hoc, l’une basée sur un parcours de treillis et l’autre sur la programmation dynamique.

Recent works have shown the relevance of constraint programming to tackle data mining tasks. This thesis follows this approach and addresses motif discovery in sequential data. We focus in particular, in the case of classified sequences, on the search for motifs that best fit each individual class. We propose a language of constraints over matrix domains to model such problems. The language assumes a preprocessing of the data set (e.g., by pre-computing the locations of each character in each sequence) and views a motif as the choice of a sub-matrix (i.e., characters, sequences, and locations). We introduce different matrix constraints (compatibility of locations with the database, class covering, location-based character ordering common to sequences, etc.) and address two NP-complete problems: the search for class-specific totally ordered motifs (e.g., exclusive subsequences) or partially ordered motifs. We provide two CSP models that rely on global constraints to prove exclusivity. We then present a memetic algorithm that uses this CSP model during initialisation and intensification. This hybrid approach proves competitive compared to the pure CSP approach as shown by experiments carried out on protein sequences. Lastly, we investigate data set preprocessing based on patterns rather than characters, in order to reduce the size of the resulting matrix domain. To this end, we present and compare two alternative methods, one based on lattice search, the other on dynamic programming.