ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»
Факультет бизнеса и менеджмента
Выпускная квалификационная работа
Выявление паттернов поведения пользователей в системах машинного восприятия методами машинного обучения
Репецкая Татьяна Олеговна
Москва 2020
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ЧЕЛОВЕК И ЕГО ПАТТЕРНЫ ПОВЕДЕНИЯ
1.1 Поведение личности: основные понятия и аспекты
1.2 Паттерны: что это и какое отношение имеет к поведению человека
1.3 Использование паттернов поведения человека в сфере ИТ
1.4 Человек и его паттерны поведения: выводы
ГЛАВА 2. МАШИННОЕ ОБУЧЕНИЕ В СИСТЕМАХ МАШИННОГО ВОСПРИЯТИЯ
2.1 Системы машинного восприятия
2.2 Машинное обучение: основные принципы применения инструмента
2.3 Машинное обучение для задачи выявления паттернов поведения пользователя в рекомендательных системах
2.4 Машинное обучение в системах машинного восприятия: выводы
ГЛАВА 3. ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ МОДЕЛИ ПРИЗНАКОВ ДЛЯ ЗАДАЧИ ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕДСКАЗАНИЙ В РЕКОМЕНДАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ С УЧЕТОМ ПАТТЕРНОВ ПОВЕДЕНИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
3.1 Общая концепция
3.2 Разработка подхода
3.3 Подход к разработке модели признаков для задачи формирования предсказаний в рекомендательной системе с учетом паттернов поведения пользователя: выводы
ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ ПРЕДСКАЗАНИЙ В РЕКОМЕНДАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ ПО ПОДБОРУ МУЗЫКАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЕДЛОЖЕННОГО ПОДХОДА
4.1 Постановка эксперимента
4.2 Средства и инструменты
4.3 Подготовка данных для эксперимента: применение предложенного подхода к разработке признаков
4.4 Построение модели и тестирование гипотезы
4.5 Оценка эффективности и выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире информация о пользователе в системе используется повсеместно, начиная от сферы рекламы и заканчивая системами безопасности. Данные такого рода являются особенно популярными в сфере персонализированных информационных систем и систем машинного восприятия, к числу которых, среди прочих, относятся и рекомендательные системы. Производитель стремится сделать продукт максимально удобным с точки зрения человеко-машинного взаимодействия, персонификации - это, разумеется, привлекает как пользователей, поскольку экономит их время: на поиск информации, обучение новому инструменту и другие операции, так и других производителей, поскольку дает им обширные возможности по распространению их товаров и услуг в сети.
В свою очередь, популярным инструментом для решения задач машинного восприятия, в том числе формирования эффективных рекомендаций является машинное обучение. Однако несмотря на обилие подходов и методов, которые машинное обучение предоставляет для решения всевозможных задач, ключевой вопрос любой модели машинного обучения заключается в ее качестве: как и что можно улучшить в модели для того, чтобы усовершенствовать ее? Можно ли повысить качество модели путем включения тех или иных данных о пользователе и как учесть особенность поведения пользователя?
По этой причине в качестве заглавной проблемы данного исследования было определенно изучение возможности выявления паттернов поведения пользователя в системе машинного восприятия методами машинного обучения. Актуальность данной темы обусловлена двумя составляющими. С одной стороны, это естественное развитие пользовательского интерфейса информационных систем в условиях высокого темпа жизни и роста объема информации в мире, которое влечет за собой необходимость поиска новых способов подачи функционала информационных систем, контента информационных источников, в том числе со стороны государства [1]. С другой - это желание любого пользователя быть защищенным в обширной информационной среде, ведь далеко не всегда собранные о пользователе сведения - будь то напрямую или косвенно - используются добросовестно. С какой стороны не посмотри, понимание того, какие существуют подходы к определению паттернов поведения пользователя в информационной системе, является ключом, как к развитию подобных инструментов, так и наоборот - к созданию инструментов защиты против них.
Объектом исследования являются системы машинного восприятия в лице рекомендательных систем. В качестве предмета исследования было выбрано использование паттернов поведения пользователей в системах машинного восприятия методами машинного обучения.
C теоретической точки зрения, данная работа позволит исследовать и, в случае успеха, предложить метод по улучшению рекомендаций в системе за счет выявления паттернов поведения пользователя. С практической точки зрения, применение такого метода позволит усовершенствовать существующие алгоритмы подбора рекомендаций в сервисах, тем самым, повысив уровень персонализации рекомендаций, что повлечет за собой повышение удовлетворенности пользователей качеством сервиса и, как следствие, позволит развивать сервис в сторону увеличения прибыли от продажи сервиса. Стоит отметить, что степень проработки темы использования данных о паттернах поведения пользователя в системе достаточно низкая, особенно в сравнении со степенью изученности применяемых алгоритмов машинного обучения. Таким образом, новизна данного исследования заключается в попытке разработать подход к выявлению и включению данных о паттернах поведения пользователя в системах машинного восприятия в модели машинного обучения, используемые в качестве решения поставленных перед системами машинного восприятия задач.
Из всего вышесказанного следует, что цель данной работы - исследовать возможность выявления паттернов поведения пользователей и сформировать подход к их учету в системах машинного восприятия методами машинного обучения на примере рекомендательных систем. Стоит еще раз подчеркнуть, что ограничением в рамках данной работы является исследование систем машинного восприятия на примере только одного типа систем - рекомендательных. В основу исследования ложится гипотеза о том, что использование данных о паттернах поведения пользователя в рекомендательных системах, которые используют методы машинного обучения для формирования рекомендаций, повышает качество рекомендаций.
Поставленная цель для ее достижения была декомпозирована на следующие задачи:
Изучить существующие подходы к пониманию паттернов поведения у человека;
Исследовать процесс решения задач с использованием инструментов машинного обучения;
Проанализировать существующие решения в области формирования рекомендаций методами машинного обучения с использованием данных о паттернах поведения пользователей и выявить слабые места, требующие более глубокого изучения;
Сформировать подход к выявлению и включению данных о паттернах поведения пользователя в модели машинного обучения, используемые для решения задачи формирования рекомендаций в рекомендательных системах;
Продемонстрировать на практике и оценить эффект от применения сформированного подхода на примере музыкальной рекомендательной системы.
Структура работы соответствует решению поставленных задач. Первая глава «Человек и его паттерны поведения» посвящена исследованию понятия поведение человека и тому, как формируются паттерны поведения, в каких сферах деятельности человека применяются уже сейчас. Во второй главе «Машинное обучение в системах машинного восприятия» приводится обзор таких понятий, как машинное восприятия и машинное обучение, исследуется процесс решения задач методами машинного обучения, а также проводится анализ существующих решений в области рекомендательных систем, которые в той или иной мере используют данные о поведении пользователя. В третьей главе «Подход к разработке модели признаков для задачи формирования предсказаний в рекомендательной системе с учетом паттернов поведения пользователя» представлено описание предлагаемого подхода к выявлению и включению данных о паттернах поведения пользователя в модели машинного обучения для повышения качества формируемых рекомендаций. Наконец, заключительная глава «Формирование предсказаний в рекомендательной системе по подбору музыкальных композиций с использованием предложенного подхода» посвящена практической части работы и представляет собой демонстрацию предлагаемого подхода на практике, а также оценку влияния от его применения на качестве рекомендаций.
В качестве теоретической базы, необходимой для выполнения поставленных задач, являются такие учебные курсы как «Системный анализ и проектирование», «Управление информационными системами», «Управление ИТ-сервисами», «Анализ социальных сетей», «Психология личности», а также различные электронные ресурсы, среди которых библиотеки научных трудов IEEE Xplore, ScienceDirect, Springer и другие.
В качестве методологической базы были определены такие методы, как сравнительный анализ и обобщение (применимы к задачам исследования существующих решений, изучения научной литературы), теоретический анализ, синтез и моделирование (формирование подхода к выявлению и включению данных о паттернах поведения пользователя в модели машинного обучения, оценка эффективности), эксперимент (демонстрация разработанного подхода практике).
ГЛАВА 1. ЧЕЛОВЕК И ЕГО ПАТТЕРНЫ ПОВЕДЕНИЯ
1.1 Поведение личности: основные понятия и аспекты
Каждый живой организм - и человек в этом смысле не является исключением - обладает свойством некоторым сложившимся образом взаимодействовать с окружающей его средой. Этим свойством является не что иное, как поведение [2]. Поведение позволяет человеку (ровно, как и другому живому организму) приспосабливаться к окружающей его действительности, поскольку может меняться в зависимости от воздействующих на него внутренних и внешних факторов.
С точки зрения психологии, в узком смысле слова принято считать, что поведением человека являются только его свободные действия, направленные на себя или общество, т.е. в понятие «поведение» в данном случае не включаются автоматические реакции организма. Само же поведение входит в состав такого более широкого и сложного понятия, как психика - способности мозга получать информацию об окружающей действительности, создавать образ объективного мира и регулировать на этой основе собственное поведение и деятельность [3]. Или попросту говоря, психика человека - это его система субъективных образов реальности, его внутренний мир [3]. Таким образом, с одной стороны, по поведению человека можно делать выводы о его субъективной картине мира, а с другой - зная об особенностях восприятия реальности конкретного человека, можно пытаться предсказать, как он поведет себя в той или иной ситуации.
В свою очередь, существует большое разнообразие классификаций поведения человека: социальное и индивидуальное, внутреннее и внешнее, врожденное и приобретённое, осознанное и неосознанное и др. В рамках данной работы поведение преимущественно рассматривается с точки зрения деления на:
осознанное - сознательные действия человека, и неосознанное - действия человека, которые он совершает, но не отдает себе в этом отчет;
вербальное - словесный аспект действий человека, и невербальное - действия человека, выступающие скрытым маркером личностных характеристик человека [4].
Американский психолог В. МакГвайр, в рамках своей типологии поведения личности, в качестве критериев типизации предложил потребность, цель и ситуацию, в которой находится человек, предполагая, что конечное поведение, воспроизведенное человеком, строится таким образом [5]:
Формирование потребности в контексте ситуации - активной (изнутри) или реактивной (в ответ на внешнее воздействие);
Формирование цели человека в контексте ситуации - направлена на поддержание стабильности или развитие;
Достижение желаемого внутреннего или внешнего эффекта от совершенного в рамках поведения поступка.
Все люди регулярно сталкиваются и сами являются примерами проявления психики человека посредством его поведения: смеются, когда друзья рассказывают смешную шутку, стремятся показать себя хорошими сотрудниками в присутствии начальника, испытывают тревожность, когда читают плохие новости. При этом ценность поведения, как характеристики человека, заключается среди прочего в том, что разные люди могут по-разному реагировать на одинаковые факторы. Например, кто-то сочтет черный юмор неприемлемым, другой же, наоборот - проникнется и от души посмеется, и, таким образом, среди прочего можно говорить о возможности выделения индивидуальных различий через поведение человека.
За ширмой поведения человека, как уже упоминалось ранее, стоит сама его сущность или, как принято называть ее в психологии личности, психика [6]. В рамках термина «психика» обычно выделяют следующую структуру:
психические процессы - все, что касается динамического отражения окружающего мира в представлении человека во всевозможных формах: эмоциональной, волевой или познавательной;
психическое состояние - непосредственно установившаяся в данный момент времени комбинация характеристик, которая определяет текущую активность личности, проявляется в форме эмоциональных (радость, грусть и пр.), тонических (бодрость и угнетенность) и активационных (пассивность и активность) настроений;
психические свойства - индивидуальные, типичные особенности человека, которые определяют его способы взаимодействия с окружающей действительностью (темперамент, жизненная позиция, способности, характер).