communication/slides/slides.tex

   1 \input{startdoc.tex}
   2
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   7 \usepackage{amsmath, amsfonts}
   8 %\usepackage[francais]{babel}
   9 \usepackage{hyperref, url, caption, tikz}
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  12 %\hypersetup{colorlinks,linkcolor=black,urlcolor=violet}
  13
  14 \mode<presentation>{
  15   \setbeamertemplate{sections/subsections in toc}[square]
  16   \beamertemplatenavigationsymbolsempty
  17 }
  18
  19 %\newcommand{\N}{\mathbb{N}}                          % naturals
  20 \newcommand{\set}[1]{\lbrace#1\rbrace}               % set
  21 %\newcommand{\R}{\mathbb{R}}         % real
  22
  23 \colorlet{darkred}{red!80!black}
  24 \colorlet{darkblue}{blue!80!black}
  25 \colorlet{darkgreen}{green!60!black}
  26
  27 \usetikzlibrary{calc,decorations.pathmorphing,patterns}
  28 \pgfdeclaredecoration{penciline}{initial}{
  29     \state{initial}[width=+\pgfdecoratedinputsegmentremainingdistance,
  30     auto corner on length=1mm,]{
  31         \pgfpathcurveto%
  32         {% From
  33             \pgfqpoint{\pgfdecoratedinputsegmentremainingdistance}
  34                       {\pgfdecorationsegmentamplitude}
  35         }
  36         {%  Control 1
  37         \pgfmathrand
  38         \pgfpointadd{\pgfqpoint{\pgfdecoratedinputsegmentremainingdistance}{0pt}}
  39                     {\pgfqpoint{-\pgfdecorationsegmentaspect
  40                      \pgfdecoratedinputsegmentremainingdistance}%
  41                                {\pgfmathresult\pgfdecorationsegmentamplitude}
  42                     }
  43         }
  44         {%TO
  45         \pgfpointadd{\pgfpointdecoratedinputsegmentlast}{\pgfpoint{1pt}{1pt}}
  46         }
  47     }
  48     \state{final}{}
  49 }
  50 %
  51 \tikzstyle{block} = [draw,rectangle,thick,minimum height=2em,minimum width=2em]
  52
  53 %~ \usetikzlibrary{calc,decorations.pathmorphing,patterns}
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  56     %~ auto corner on length=1mm,]{
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  58         %~ {% From
  59             %~ \pgfqpoint{\pgfdecoratedinputsegmentremainingdistance}
  60                       %~ {\pgfdecorationsegmentamplitude}
  61         %~ }
  62         %~ {%  Control 1
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  68                     %~ }
  69         %~ }
  70         %~ {%TO
  71         %~ \pgfpointadd{\pgfpointdecoratedinputsegmentlast}{\pgfpoint{1pt}{1pt}}
  72         %~ }
  73     %~ }
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  75 %~ }
  76 %~ %
  77 %~ \tikzstyle{block} = [draw,rectangle,thick,minimum height=2em,minimum width=2em]
  78 %~ \colorlet{darkred}{red!80!black}
  79 %~ \colorlet{darkblue}{blue!80!black}
  80 %~ \colorlet{darkgreen}{green!60!black}
  81
  82 %\newcommand*\mystrut[1]{\vrule width0pt height0pt depth#1\relax}
  83 %http://tex.stackexchange.com/questions/13843/vertical-spacing-with-underbrace-command
  84
  85 \title[Clustering de courbes de charge EDF]
  86 {Clustering de courbes de charge EDF%\\
  87 %Application à la prévision de la qualité de l'air
  88 \vspace*{0.5cm}}
  89 \author[Benjamin Auder, Jairo Cugliari]
  90 {Benjamin Auder \inst{1}\\[0.2cm]Jairo Cugliari \inst{2}\hspace*{0.6cm}\vspace*{1cm}}
  91 \date[]{}
  92 \institute[]{\inst{1} CNRS Orsay / Université Paris-Sud\hspace*{1.3cm} \and
  93 \inst{2} Laboratoire ERIC / Université Lumière Lyon 2}
  94 %~ \titlegraphic{
  95     %~ \includegraphics[width=2cm]{logo_eric.png}\hspace*{4.75cm}~%
  96     %~ \includegraphics[width=2cm]{logo_lyon2.jpg}
  97 %~ }
  98
  99 \begin{document}
 100
 101 \begin{frame}
 102 \vspace*{0.5cm}
 103 \titlepage
 104 \end{frame}
 105
 106 \begin{frame}{Contexte industriel}
 107
 108 \begin{columns}
 109
 110 \column{0.5\textwidth}
 111 Smartgrid \& Smart meters : 35M compteurs individuels donnant de l'information en temps réel.\\[0.7cm]
 112 $\Rightarrow$ \textbf{Beaucoup} de données.\\[1cm]
 113 %\textcolor{white}{$\Rightarrow$} problèmes informatiques : protocoles de transfert, sécurité, \dots
 114 Comment les traiter ?
 115
 116 \column{0.5\textwidth}
 117 \includegraphics[width = \textwidth]{smartgrid.jpg}\\
 118 \includegraphics[width = \textwidth]{linky.jpg}
 119
 120 \end{columns}
 121
 122 \end{frame}
 123
 124 \begin{frame}{Des données variées, à différentes échelles}
 125
 126 \begin{figure}[!ht] \centering
 127   \begin{minipage}[c]{0.48\textwidth}
 128      \includegraphics[width=\textwidth,height=3.45cm]{longtermload.png}
 129      \vspace*{-0.35cm}
 130 %     \vspace*{-0.85cm}
 131      \caption{Tendance à long terme} %\label{fig:gull}
 132   \end{minipage}%
 133   ~ %spacing between images
 134   \begin{minipage}[c]{0.48\textwidth}
 135      \includegraphics[width=\textwidth,height=3.45cm]{twoyearsload.png}
 136      \vspace*{-0.35cm}
 137 %     \vspace*{-0.85cm}
 138      \caption{Cyclicité semaine} %     \label{fig:tiger}
 139   \end{minipage}
 140   ~\\[-0.05cm]
 141   \begin{minipage}[c]{0.48\textwidth}
 142      \includegraphics[width=\textwidth,height=3.45cm]{dailyloads.png}
 143      \vspace*{-0.35cm}
 144 %     \vspace*{-0.85cm}
 145      \caption{Moyenne journalière} %   \label{fig:mouse}
 146   \end{minipage}
 147   ~ %spacing between images
 148   \begin{minipage}[c]{0.48\textwidth}
 149      \includegraphics[width=\textwidth,height=3.45cm]{consotemp.png}
 150      \vspace*{-0.35cm}
 151 %     \vspace*{-0.85cm}
 152      \caption{Conso. vs. température}
 153   \end{minipage}
 154 \end{figure}
 155
 156 \end{frame}
 157
 158 \begin{frame}{Découpage en tranches non stationnaires}
 159
 160 Si $\exists \delta \ll D$, tel que les séries $\delta-$agrégées soient stationnaires,\\
 161 on les agrège et les traite comme des processus stationnaires.\\[0.3cm]
 162
 163 \begin{columns}
 164   \column{6cm}
 165     \input{tikz/axis2}
 166    ~
 167   \column{5cm}
 168     \vspace*{-1cm}
 169      \[ Z_k(t) = X(t + (k-1)\delta)             \]
 170      \[  k\in\N \;\;\; \forall t \in [0,\delta) \]
 171 \end{columns}
 172
 173 \textbf{\emph{Mais...}}
 174 Une série temporelle représentant un phénomène complexe
 175 \textcolor{white}{\textbf{\emph{Mais...}} }est en général clairement non stationnaire.\\[0.5cm]
 176
 177 $\Rightarrow$ On décide de tenir compte de chaque point de discrétisation.
 178
 179 %Par exemple, la consommation électrique moyenne sur une semaine varie
 180
 181 %~ \vfill
 182   %~ If $X$ contents a $\delta-$seasonal component,
 183      %~ $Z$ is particularly fruitful.
 184
 185 %~ C'est pas vraiment notre cas : saisonnier à plusieurs echelles
 186 %~ ==> objectif : tout prendre en compte
 187
 188 \end{frame}
 189
 190 \begin{frame}{Réduction de dimension}
 191
 192 Données enregistrées toutes les 30 minutes pendant un an :\\
 193 $48 \times 365 =$ \textbf{17520 points de discrétisation}.\\[0.3cm]
 194
 195 \vspace*{-0.4cm}
 196 \begin{figure}[!ht]
 197 \centering
 198 \includegraphics[width=\textwidth,height=5.5cm]{3centers.png}
 199 \vspace*{-0.35cm}
 200 %\vspace*{-0.95cm}
 201 \caption{Trois types de courbes de charge \emph{(données irlandaises)}}% présentant différents régimes}%{[Spoiler] Cinq centres de clusters}
 202 \end{figure}
 203
 204 \vspace*{-0.3cm}
 205 $\Rightarrow$ Il faut déterminer une représentation parcimonieuse, capturant\\
 206 \textcolor{white}{$\Rightarrow$ }bien les variations localisées. On choisit une base d'ondelettes.\\[0.5cm]
 207 %TODO: placer l'equation puis sa version discrète.
 208
 209 \end{frame}
 210
 211 \begin{frame}{Wavelets to cope with \textsc{fd}}
 212
 213 \begin{columns}
 214   \column{.6\textwidth}
 215  %\begin{figure}
 216  \centering
 217  \includegraphics[width = \textwidth]{./pics/weekly-5.png}
 218   % * * * * * * * *  * * * * * * * * * * *
 219   \column{.4\textwidth}
 220 \begin{footnotesize}
 221 \begin{itemize}
 222  \item domain-transform technique for hierarchical decomposing finite energy signals
 223  \item description in terms of a broad trend (\textcolor{PineGreen}{approximation part}), plus a set of localized changes kept in the \textcolor{red}{details parts}.
 224 \end{itemize}
 225 \end{footnotesize}
 226 \end{columns}
 227
 228 \vspace*{-0.1cm}
 229 \begin{block}{Discrete Wavelet Transform }
 230 \begin{footnotesize}
 231   If $z \in L_2([0, 1])$ we can write it as
 232   \vspace*{-0.4cm}
 233    \begin{equation*}\label{eq:zeta}
 234      z(t) = \sum_{k=0}^{2^{j_0}-1} \textcolor{PineGreen}{c_{j_0, k}} \phi_{j_0,k} (t)  +
 235         \sum_{j={j_0}}^{\infty}
 236            \sum_{k=0}^{2^j-1} \textcolor{red}{d_{j,k}} \psi_{j,k} (t) ,
 237    \end{equation*}
 238 %
 239 ~\\[-0.6cm]
 240 where $ c_{j,k} = <g, \phi_{j,k} > $, $ d_{j,k} = <g, \varphi_{j,k}>$ are the
 241 \textcolor{PineGreen}{scale coefficients} and \textcolor{red}{wavelet coefficients} respectively, and the functions $\phi$ et $\varphi$ are associated to a orthogonal \textsc{mra} of $L_2([0, 1])$.
 242 \end{footnotesize}
 243 \end{block}
 244 \end{frame}
 245
 246 %---------------------------------------- SLIDE ---------------------
 247
 248 \begin{frame}{Energy decomposition of the DWT}
 249
 250 \begin{block}{ }
 251  \begin{itemize}
 252   \item Energy conservation of the signal
 253 \vspace*{-0.15cm}
 254   \begin{equation*}\label{eq:energy}
 255      \| z \|_H^2    \approx     \| \widetilde{z_J} \|_2^2
 256         = c_{0,0}^2 + \sum_{j=0}^{J-1} \sum_{k=0}^{2^j-1} d_{j,k} ^2  =
 257                      c_{0,0}^2 + \sum_{j=0}^{J-1} \| \mathbf{d}_{j} \|_2^2.
 258   \end{equation*}
 259 %  \item characterization by the set of channel variances estimated at the output of the corresponding filter bank
 260  \item For each $j=0,1,\ldots,J-1$, we compute the absolute and
 261  relative contribution representations by
 262 \vspace*{-0.15cm}
 263    \[ \underbrace{\hbox{cont}_j = ||\mathbf{d_j}||^2}_{\fbox{AC}}
 264       \qquad  \text{and}  \qquad
 265        \underbrace{\hbox{rel}_j  =
 266      \frac{||\mathbf{d_j}||^2}
 267           {\sum_j ||\mathbf{d_j}||^2 }}_{\fbox{RC}} .\]
 268  \item They quantify the relative importance of the scales to the global dynamic.
 269 % \item Only the wavelet coefficients $\set{d_{j,k}}$ are used.
 270  \item RC normalizes the energy of each signal to 1.
 271 \end{itemize}
 272 \end{block}
 273 \end{frame}
 274
 275 %===========================================================================================
 276 % fin de l'intro...
 277 %===========================================================================================
 278
 279 \begin{frame}{Objectif}
 280
 281 \begin{figure}[!ht]\centering
 282   \includegraphics[width = \textwidth]{pics/schema.png}
 283 %\caption{Hierarchical structure of $N$ individual clients among $K$ groups.}\label{fig:schema-hier}
 284 \end{figure}
 285
 286 Regroupement par tarifs, zones géographiques, types de clients \dots\\[0.3cm]
 287
 288 $\Rightarrow$ \textbf{Idée} : clustering pour déterminer ces groupes.\\[0.3cm]
 289
 290 \textcolor{white}{$\Rightarrow$ }\textbf{Méthode} : paralléliser un algorithme classique.
 291
 292 %~ functional clustering
 293 %~ wavelets to reduce dimension
 294 %~ open MPI to cluster a bounded number of vectors at a time
 295
 296 \end{frame}
 297
 298 \begin{frame}{Fonction objectif}
 299
 300 On cherche à minimiser la distorsion
 301 $$\Delta = \sum_{i=1}^{n} \min_{k=1..K} \| x_i - c_k \|_2^{}$$
 302 avec pour variables les $\{c_1,\dots,c_K\} \subset \{x_1,\dots,x_n\}, c_i \neq c_j \,  \forall i \neq j$.\\[0.3cm]
 303
 304 C'est un problème NP-dur {\footnotesize (O. Kariv \& S. L. Hakimi, \emph{An Algorithmic Approach to Network Location Problems. II: The p-Medians})}.\\[0.1cm]
 305 %SIAM J. Appl. Math., 37(3), 539–560. (22 pages)
 306 %~ C'est-à-dire :
 307 %~ \begin{itemize}
 308 %~ \item Soit $P$ le problème de décision associé : $P(c_1,\dots,c_k) = 1$ si $(c_1,\dots,c_k)$ est optimal, 0 sinon.
 309 %~ \item Soit $C$ un problème de décision bien connu comme étant NP-complet
 310 %~ \item Il existe un algorithme ...
 311 %~ \end{itemize}
 312
 313 Pire : garantir un facteur $(1+\varepsilon)$ de l'optimum est NP-dur
 314 {\footnotesize (J-H. Lin \& J. S. Vitter $\varepsilon$-Approximations with Minimum Packing Constraint Violation)}.\\[0.2cm]%(Extended Abstract)
 315
 316 \begin{block}{NP : ``Non-deterministic Polynomial-time algorithms''}
 317 {\footnotesize Exécution en temps polynomial sur une machine de Turing non déterministe.}
 318 \end{block}
 319
 320 \begin{block}{NP-dur}
 321 ``Au moins aussi dur que le plus complexe des problèmes NP''
 322 \end{block}
 323
 324 %~ Tous les algorithmes existants déterminant les $c_k$ sont donc des heuristiques d'approximation
 325 %~ ...et parler de la parallélisation ??! donc 16 slides au total.
 326 %NP-complet : c'est à dire... expliquer.
 327 %Algos existants = heuristiques pr s'approcher de l'optimum (d'un...)
 328
 329 \end{frame}
 330
 331 \begin{frame}{Algorithme PAM}
 332
 333 %PAM : montrer algo, dire comment on parallélise naïvement
 334
 335 \begin{enumerate}
 336 \setcounter{enumi}{-1}
 337 \item Initialize: randomly select (without replacement) $K$ of the $n$ data points as the medoids.
 338 \item Associate each data point to the closest medoid. (``closest'' here is defined using any valid distance metric, most commonly Euclidean distance, Manhattan distance or Minkowski distance).
 339 \item For each medoid $m$\\
 340 \quad For each non-medoid data point $o$ \emph{in the same cluster}\\
 341 \quad\quad Swap $m$ and $o$ and compute the total cost.
 342 \item Select the configuration with the lowest cost.\\
 343 If any change occurred in the medoids, go to step 1.
 344 \end{enumerate}
 345
 346 \begin{block}{Réduire le coût des étapes 2 et 3 ?}
 347 \begin{itemize}
 348 \item Dans R, pam(do.swap=FALSE) supprime les étapes 2 et 3.
 349 \item A. P. Reynolds et al. (2006) : quelques astuces algorithmiques.
 350 \end{itemize}
 351 \end{block}
 352
 353 \end{frame}
 354
 355 \begin{frame}{Parallélisation}
 356
 357 \begin{block}{Deux approches (entre autres)}
 358 \begin{itemize}
 359 \item Découpage de l'espace en $Z < K$ zones, et recherche de $K/Z$ clusters dans chaque zone.
 360 \item Partition des données $P_1,\dots,P_Z$ puis clustering à $K$ groupes dans chaque $P_k$.
 361 (Puis ``fusion'' des médoïdes).
 362 \end{itemize}
 363 \end{block}
 364
 365 ~\\[-0.1cm]
 366 {\footnotesize
 367 Choix de la seconde alternative et implémentation avec OpenMPI :
 368 \begin{enumerate}
 369 \setcounter{enumi}{-1}
 370 \item Le processus ``maître'' a pour numéro 0. Il divise les données en sous-ensembles de cardinal au plus
 371 $C$ ($C = 5000$ par exemple). Il envoie ensuite une tâche de clustering par sous-ensemble, et attend les résultats.
 372 \item Chaque processus ``esclave'' (numérotés de 1 à $p-1$) reçoit une liste de (références de) courbes, qu'il récupère
 373 et classe via l'algorithme PAM. Il retourne les centres au processus 0.
 374 \item Si on obtient plus de $C$ médoïdes, on recommence depuis l'étape 1. Sinon, on applique une dernière
 375 fois l'algorithme PAM (sur les médoïdes).
 376 \end{enumerate}
 377 }
 378
 379 \end{frame}
 380
 381 \begin{frame}{Exécution du programme}
 382
 383 \vspace*{-0.5cm}
 384 \begin{figure}
 385 \includegraphics[width=\linewidth,height=8cm]{pics/screen_demo.png}
 386     %~ \vspace*{-0.35cm}
 387     %~ \caption{Groupe 1}
 388 \end{figure}
 389
 390 \end{frame}
 391
 392 \begin{frame}{Application I: Electricity Smart Meter CBT}
 393
 394 %\footnotetext[1]{\textit{Irish Social Science Data Archive}, }
 395
 396 \begin{itemize}
 397  \item 4621 Irish households smart meter data
 398  (\href{http://www.ucd.ie/issda/data/}{ISSDA})
 399  % eséries de consommation électrique de foyers irlandais
 400  \item About 25K discretization points
 401  \item We test with $K=$ 3 or 5 classes
 402  \item We compare sequential and parallel versions
 403 \end{itemize}
 404
 405 \begin{table}[H]
 406 \centering
 407 \begin{tabular}{lcc}                       \hline
 408 % &            &       \\
 409  & Distortion & (Internal) adequacy  \\ \hline
 410 3 clusters sequential & 1.90e7 & 0.90   \\
 411 3 clusters parallel   & 2.15e7 & 0.90   \\
 412 5 clusters sequential & 1.61e7 & 0.89   \\
 413 5 clusters parallel   & 1.84e7 & 0.89   \\ \hline
 414 \end{tabular}
 415 %  \caption{Distorsions et indices d'adéquation des partitions}
 416 \end{table}
 417
 418 \textbf{Adequacy :} given $P_1 = (i_1,\dots,i_n)$ and $P_2 = (j_1,\dots,j_n)$,\\
 419 \textcolor{white}{\textbf{Adequacy :}} find a matching which maximize $S = \sum_{k=1}^{n} \mathbb{1}_{i_k = j_k}$\\
 420 \textcolor{white}{\textbf{Adequacy :}} (hungarian algorithm), and then return $S/n$.
 421
 422 \end{frame}
 423
 424 \begin{frame}{Application II: Starlight curves}
 425
 426 \begin{itemize}
 427  \item Data from \href{http://www.cs.ucr.edu/~eamonn/time_series_data/}{UCR Time Series Classification/Clustering}
 428  %\url{http://www.cs.ucr.edu/~eamonn/time_series_data/}}
 429  \item 1000 curves learning set + 8236 validation set ($d = 1024$)% discretization points
 430 \end{itemize}
 431
 432 \begin{figure}[H]
 433 \begin{minipage}[c]{.32\linewidth}
 434     \includegraphics[width=\linewidth,height=3.5cm]{pics/slgr1.png}
 435     \vspace*{-0.35cm}
 436     \caption{Groupe 1}
 437 \end{minipage}
 438 \begin{minipage}[c]{.32\linewidth}
 439     \includegraphics[width=\linewidth,height=3.5cm]{pics/slgr2.png}
 440     \vspace*{-0.35cm}
 441     \caption{Groupe 2}
 442 \end{minipage}
 443 \begin{minipage}[c]{.32\linewidth}
 444     \includegraphics[width=\linewidth,height=3.5cm]{pics/slgr3.png}
 445     \vspace*{-0.35cm}
 446     \caption{Groupe 3}
 447 \end{minipage}
 448 \end{figure}
 449
 450 \begin{footnotesize}
 451 \vspace*{-0.3cm}
 452 \begin{table}[H]
 453 \centering
 454 \begin{tabular}{lccc}                           \hline
 455  &            & \multicolumn{2}{c}{Adequacy} \\
 456  & Distortion & Internal & External          \\ \hline
 457 Training (sequential) & 1.31e4 & 0.79 & 0.77 \\
 458 Training (parallel)   & 1.40e4 & 0.79 & 0.68 \\
 459 Test (sequential)     & 1.09e5 & 0.78 & 0.76 \\
 460 Test (parallel)       & 1.15e5 & 0.78 & 0.69 \\ \hline
 461 \end{tabular}
 462 %\caption{Distorsions et indices d'adéquation des partitions}
 463 \end{table}
 464 \end{footnotesize}
 465
 466 \end{frame}
 467
 468 \begin{frame}{Conclusion}
 469
 470 %~ On peut clusteriser
 471 %~ Faudrait etre moins naif
 472 %~ Faudrait aussi étendre/généraliser le code...
 473
 474 \begin{block}{Résumé}
 475 \begin{itemize}
 476 \itemsep0.1em
 477 \item Les smartmètres mesurent la charge électrique pour chaque client, en temps réel $\Rightarrow$ données fonctionnelles.
 478 \item Les ondelettes fournissent des représentations parcimonieuses tout en préservant la nature fonctionnelle des données.
 479 \item L'analyse de ces représentations à l'aide de l'algorithme PAM permet d'identifier des groupes de clients.
 480 \item L'algorithme PAM est appliqué en parallèle sur des jeux de données de tailles raisonnables.
 481 \end{itemize}
 482 \end{block}
 483
 484 % \item \textit{Divide-and-Conquer} approach thanks to MPI library %pour l'algorithme des $k$-médoïdes : d'abord  sur des groupes de données courbes, puis des groupes de médoïdes jusqu'à obtenir un seul ensemble traité sur un processseur.
 485  %\item %Les résultats obtenus sur les deux jeux de données présentés sont assez encourageants, et permettent d'envisager une utilisation à plus grande échelle.
 486 %\end{itemize}
 487
 488 \begin{exampleblock}{Perspectives}
 489 \begin{itemize}
 490 \itemsep0.1em
 491 \item L'étude des groupes de clients peut donner lieu à l'élaboration de $K$ modèles prédictifs spécialisés.
 492 \item La méthode de clustering parallèle proposée peut être adaptée pour traiter les 35M séries (sur un supercalculateur ?).
 493 %\item Apply the algorithm over many hundreds of processors
 494 \end{itemize}
 495 \end{exampleblock}
 496
 497 \end{frame}
 498
 499 \begin{frame}{Références}
 500
 501 \begin{thebibliography}{4}
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 521
 522 %~ Scaling up Machine Learning: Parallel and Distributed Approaches [Anglais] [Relié]
 523 %~ Ron Bekkerman (Sous la direction de), Mikhail Bilenko (Sous la direction de), John Langford
 524
 525 \end{frame}
 526
 527 \begin{frame}
 528
 529 \centering
 530 \includegraphics[width=7cm,height=7cm]{Questions.jpg}
 531
 532 \end{frame}
 533
 534 \end{document}