局部因果关系分析的隐变量发现算法

结构分析的隐变量发现方法难以有效地发现隐变量且可解释性较差。基于因果关系和局部结构的不确定性,提出了一种基于局部因果关系分析的隐变量发现算法（hidden variable discovering algorithm based on local causality analysis,LCAHD）。LCAHD算法给出了因果结构熵的定义,将因果知识和不确定性知识相融合,以因果关系的不确定性程度作为隐变量存在的判定依据,并对这一依据进行了理论上的论证。LCAHD算法首先通过寻找目标变量的马尔科夫毯来提取局部依赖结构,并基于扰动学习获得扰动数据,联合扰动数据和观测数据学习局部依赖结构中的因果关系;然后利用因果结构熵对局部因果结构中因果关系的不确定性进行度量,并利用隐变量和因果关系不确定性之间的相关性判定条件,确定隐变量的存在性。分别针对标准网络和股票网络进行了实验,结果表明,该算法能准确地确定隐变量的位置,具有较好的解释性。     

基于级联加性噪声模型的因果结构学习算法

现有级联非线性加性噪声模型可解决隐藏中间变量的因果方向推断问题,然而对于包含隐变量和级联传递因果关系的因果网络学习存在全局结构搜索、等价类无法识别等问题。设计一种面向非时序观测数据的两阶段因果结构学习算法,第一阶段根据观测数据变量间的条件独立性,构建基本的因果网络骨架,第二阶段基于级联非线性加性噪声模型,通过比较骨架中每个相邻因果对在不同因果方向假设下的边缘似然度进行因果方向推断。实验结果表明,该算法在虚拟因果结构数据集的不同隐变量数量、平均入度、结构维度、样本数量下均表现突出,且在真实因果结构数据集中的F1值相比主流因果结构学习算法平均提升了51%,具有更高的准确率和更强的鲁棒性。     

含隐变量非高斯无环因果模型的估计算法

针对观测变量中含隐变量的非高斯线性无环因果模型的估计问题,提出一种新的算法。通过在超完备基独立成分分析算法中引入满足Oracle性质的惩罚因子,使混合矩阵的估计值具有稀疏连接权值,由此推导出模型估计算法。实验结果表明,该算法能够改进因果模型估计的精确程度,提高算法效率。     

一种任意分布下的隐变量因果结构学习算法

因果发现旨在通过观测数据挖掘变量间的因果关系,在实际应用中需要从观测数据中学习隐变量间的因果结构。现有方法主要利用观测变量间的协方差信息（如四分体约束）或引入非高斯假设（如三分体约束）来解决线性因果模型下的隐变量结构学习问题,但大多限定于分布明确的情况,而实际应用环境往往并不满足这种假设。给出任意分布下隐变量结构的识别性证明,指出在没有混淆因子影响的情况下,两个隐变量的因果方向可识别所需要的最小条件是仅需要其中一个隐变量的噪声服从非高斯分布。在此基础上,针对线性隐变量模型提出一种在任意分布下学习隐变量因果结构的算法,先利用四分体约束方法学习得到隐变量骨架图,再通过枚举骨架图的等价类并测量每一个等价类中的三分体约束来学习因果方向,同时将非高斯约束放宽到尽可能最小的变量子集,从而扩展线性隐变量模型的应用范围。实验结果表明,与MIMBuild和三分体约束方法相比,该算法得到了最佳的F1值,能够在任意分布下学习更多的隐变量因果结构信息,且具有更强的鲁棒性。     

面向社交媒体的直接因果网络发现算法

高维时序因果网络发现是社交媒体因果关系发现的重要问题。然而,现有的时序因果关系发现方法不能发现直接因果以致因果网络推断结果不准确。针对此问题提出了一种直接因果网络发现方法。该方法考虑了时序因果模型的因果延迟、滞后期数量和条件节点集等因素,更准确地发现直接因果关系;另外,采用结合置换检验的因果关系检验方法,解决传递熵阈值难以设定的问题。实验结果表明,该方法在因果网络推断中优于现有方法,有效提升时序上直接因果网络推断的准确率,适用于发现潜在社交媒体因果关系网络。     

基于混淆因子隐压缩表示模型的因果推断方法

因果推断方法可以用于在观察数据上发现因果关系。在因果结构含混淆因子的数据上进行因果推断时,可能会受混淆因子的影响而得到错误的因果关系。针对上述问题,提出了一种基于混淆因子隐压缩表示（CHCR）模型的因果推断方法。首先,根据CHCR模型,构造含有对原因变量进行压缩表示的中间隐变量的备选模型;其次,利用贝叶斯信息准则（BIC）计算备选模型评分并选出得分最高的最佳模型;最后,根据最佳模型中的压缩情况判断变量间真正的因果关系。理论分析表明,所提出的方法能够识别经典的基于约束的方法所无法正确分辨的、带有混淆因子的因果结构,且在样本量较小等情况下,BIC评分也可以提高所提方法的表现。实验结果表明,在样本数变化时,所提出的方法在准确率指标上相较于极快因果推断算法（RFCI）等经典方法有显著提升,并适用于各种变量可能取值数不同的情况;在混合不同类型的因果结构时,该方法在准确率指标上高于最大最小爬山算法（MMHC）等经典方法;且该方法能够在Abalone数据集上得到正确的因果关系。     

一种基于CDC的适用于高维数据的因果推断算法

一对观测变量之间的因果关系的推断是科学中的基本问题,基于观测数据分析提出因果关系的方法对于产生假设和加速科学发现具有实用价值。利用传统的因果推断算法从高维数据中学习因果网络结构和提高学习准确率是目前研究的难点。在引入耦合相关系数(copula dependence coefficient,CDC)的基础上,提出了一种适用于高维数据的两步骤因果推断算法。首先该算法利用优于最大信息系数的CDC对变量间的关联度进行检测,寻找目标节点的父子节点集;然后使用非线性最小二乘独立回归算法,为图中的目标节点与其父子节点之间标注因果方向;最后迭代所有的节点完成完整的因果网络结构。实验结果表明,该算法提高了高维数据下因果网络结构学习的准确率。同时在大样本数据集中,该算法的时间复杂度优于传统算法,对异常值具有鲁棒性。     

面向用户偏好发现的隐变量模型构建与推理

电子商务应用中产生了大量用户评分数据,而这些数据中富含了用户观点和偏好信息,为了能够从这些数据中准确地推断出用户偏好,提出一种面向评分数据中用户偏好发现的隐变量模型（即含隐变量的贝叶斯网）构建和推理的方法。首先,针对评分数据的稀疏性,使用带偏置的矩阵分解（BMF）模型对其进行填补;其次,用隐变量表示用户偏好,给出了基于互信息（MI）、最大半团和期望最大化（EM）算法的隐变量模型构建方法;最后,给出了基于Gibbs采样的隐变量模型概率推理和用户偏好发现方法。实验结果表明,与协同过滤的方法相比,该方法能有效地描述评分数据中相关属性之间的依赖关系及其不确定性,从而能够更准确地推断出用户偏好。     

面向测量误差模型的外生变量估计方法

从观察数据中发现因果关系在近年来得到了越来越多学者的关注,其中外生变量在理解因果机制中扮演者重要的角色。然而,现有的因果发现方法大多假设观察变量就是真实发生的因(果)变量,忽略了测量误差带来的影响。为此,提出了一种解决测量模型下的外生变量估计方法。通过引入triad约束,根据此约束来找出与其余所有相关成对变量都满足triad约束的变量,即外生变量。该算法不仅能够解决含有测量误差数据的估计问题,而且对于没有测量误差的数据仍然适用。实验将该算法应用于真实网络产生的数据中,结果表明,无论变量是否含有测量误差,提出方法均优于现有的其他算法。同时,基于移动基站的真实数据实验也验证了算法的有效性。     

基于因果贝叶斯网络的急性肾损伤患者死亡风险预测

为了及早发现重症监护室中的急性肾损伤高危患者,为其提供适当的护理,实现医疗资源的合理利用,研究建立因果贝叶斯网络模型进行急性肾损伤高危患者死亡风险预测。从重症监护医学信息市场(Medical Information Mart for Intensive CareⅢ, MIMIC-Ⅲ)数据库中筛选了25个研究变量和3 870条患者数据,使用因果发现算法进行特征降维。通过NO TEARS算法构建因果图并建立因果贝叶斯网络进行实验,通过机器学习算法验证重要特征的合理性,并对网络结构进行因果效应估计,模型具有最高的受试者工作特征曲线下面积(Area Under the Receiver Operating Characteristic, AUROC)分数,为81.7%,优于逻辑回归(Logistic Regression, LR)、随机森林(Random Forest, RF)和极端梯度提升树(eXtreme Gradient Boosting, XGBoost)。此外,模型的重要特征预测能力在各种建模中都很稳健,构建的因果贝叶斯网络具有更好的预测效果并具备良好的解释能力。